WO2008055914A1 - Coupleur multiport pour l'alimentation d'une ou plusieurs antennes par des sources isolees les unes des autres, antenne et systeme d'antennes integrant le coupleur - Google Patents

Coupleur multiport pour l'alimentation d'une ou plusieurs antennes par des sources isolees les unes des autres, antenne et systeme d'antennes integrant le coupleur Download PDF

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WO2008055914A1
WO2008055914A1 PCT/EP2007/061952 EP2007061952W WO2008055914A1 WO 2008055914 A1 WO2008055914 A1 WO 2008055914A1 EP 2007061952 W EP2007061952 W EP 2007061952W WO 2008055914 A1 WO2008055914 A1 WO 2008055914A1
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WO
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ring
coupler
antenna
access
port
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Application number
PCT/EP2007/061952
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English (en)
Inventor
Eduardo Motta Cruz
John Bartholomew
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Bouygues Telecom
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q21/00—Antenna arrays or systems
    • H01Q21/0006—Particular feeding systems
    • H01Q21/0075—Stripline fed arrays
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01P—WAVEGUIDES; RESONATORS, LINES, OR OTHER DEVICES OF THE WAVEGUIDE TYPE
    • H01P5/00—Coupling devices of the waveguide type
    • H01P5/08—Coupling devices of the waveguide type for linking dissimilar lines or devices
    • H01P5/10—Coupling devices of the waveguide type for linking dissimilar lines or devices for coupling balanced lines or devices with unbalanced lines or devices
    • H01P5/107—Hollow-waveguide/strip-line transitions
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01P—WAVEGUIDES; RESONATORS, LINES, OR OTHER DEVICES OF THE WAVEGUIDE TYPE
    • H01P5/00—Coupling devices of the waveguide type
    • H01P5/12—Coupling devices having more than two ports
    • H01P5/16—Conjugate devices, i.e. devices having at least one port decoupled from one other port
    • H01P5/19—Conjugate devices, i.e. devices having at least one port decoupled from one other port of the junction type
    • H01P5/22—Hybrid ring junctions

Definitions

  • the field of the invention is that of telecommunication antennas, and more particularly that of flat antennas for radio-relay systems (FH antennas).
  • FH antennas radio-relay systems
  • Flat antennas now tend to be preferred over satellite dishes.
  • Flat antennas have the advantage of being equivalent surface, globally as effective as parabolic antennas. And these flat antennas are characterized by their compactness and low weight.
  • a flat antenna comprises a network of radiating elements integrated in the dielectric substrate of the antenna.
  • the flat antenna more specifically comprises a set of linear subarrays parallel to each other, each linear subarray consisting of a set of radiating elements.
  • the radiating elements are typically each consisting of a conductive square surface having a corner connected to a subnetwork supply line (typically in the form of a microstrip line).
  • the power supply of the flat antenna is conventionally performed by providing the antenna with a coaxial connector, and by connecting the antenna to a waveguide via a guide-coaxial transition.
  • the connector elements such as straps or coaxial connectors may however be responsible for radiation parasites that could degrade the overall performance of the antenna.
  • An antenna of this type is associated with a single radio equipment (that is to say, a single transmission / reception chain). In other words, an antenna system has only one input.
  • an antenna comprising a substrate on which are arranged radiating elements and a multiport ring coupler for supplying the radiating elements by several sources in which the multiport coupler has inputs each in the form of an access port for a power source and outputs each in the form of a radiator supply port, characterized in that the substrate rests on a ground plane in which slots are made opposite the access ports so as to achieve an electromagnetic coupling by slot between the ring and a power source arranged with respect to the ground plane to excite an access port of the ring, and in that the access ports and the power ports are distributed along the circumference of the ring so that the inputs are isolated from each other and the outputs are isolated from each other.
  • the radiation plane of the antenna is thus clear of any connection element likely to generate parasitic radiation.
  • This "two-plane" configuration makes it possible, for example, to have only two power supply ports on the coupler intended to feed two antennas, and to have on the rear plane two other accesses for Radio Frequency (RF) equipment that excites two access ports of the ring via two corresponding slots.
  • RF Radio Frequency
  • the equipment (RF) - in particular transmitters and receivers - can thus be deposited directly on the rear plane of the antenna (power supply plan, for example waveguide), close to the slots that feed the coupler, with a minimum of losses.
  • the distribution of the access and supply ports making it possible to ensure the independence of the antenna and power connections makes it possible to maintain the independence of the signals of different sub-networks of radiating elements, in particular to authorize, for example, the transmission and reception of several independent signals on the same plane of the antenna.
  • the invention thus advantageously applies to any antennal solution which must have more than one access, in particular for the sharing of the spectrum or simply of a common antenna for two or more independent accesses.
  • the coupler is a microstrip ring disposed on the substrate
  • the access ports are distributed along the circumference of the ring so that a wave entering an access port splits into two waves rotating in opposite directions on the ring and arriving in phase opposition to levels of other access ports;
  • the power ports are distributed along the circumference of the ring so that a wave entering an access port divides into two waves rotating in opposite directions on the ring and arriving in phase at the level of the ring. each power port;
  • the radiating elements are arranged in the form of linear sub-networks, each sub-network being connected to a sub-network supply line, and a microstrip line connected to a coupler output port serving as a supply line Subnet
  • the radiating elements are arranged in the form of linear sub-networks, each sub-network being connected to a sub-network supply line, and a microstrip line connected to an output port of the coupler is arranged transversely to a set linear sub-networks for supplying each of the subsystem supply lines of said set;
  • each of the access ports of the ring comprises a coupling pad intended to collect the energy radiated through the slot by a power source
  • the power sources are waveguides
  • a waveguide is a waveguide having a U-shaped section, arranged so that the ground plane serves as a wall closing the space of the waveguide; the power sources are microstrip lines or triplate lines.
  • the invention relates to an antenna system comprising a plurality of antennas according to the first aspect of the invention.
  • the invention relates to a multiport coupler for feeding one or more antennas by at least two power sources, characterized in that it consists of a microstrip ring having inputs each in the form of an access port for a power source and one or more outputs each in the form of a radiator supply port, the access ports and the power ports being distributed along the circumference of the ring so that the inputs are isolated from each other and the outputs are isolated from each other.
  • FIG. 1 is a diagram showing an antenna according to the invention connected via a coupler three transmission / reception chains;
  • FIG. 2 represents the frequency spectrum of a FH transmission
  • FIG. 3 is a diagram illustrating the transmission and reception of several different channels on the same antenna
  • FIG. 4 represents the resulting spectrum at an antenna of FIG. 3;
  • FIGS. 5 and 6 illustrate the design of a ring coupler having five inputs
  • FIG. 10 represents a possible embodiment of the supply of the radiating elements of an antenna
  • FIG. 11 shows a ring coupler having a microstrip access
  • FIGS. 12 and 13 are diagrams showing an antenna system according to the second aspect of the invention.
  • an antenna A connected via a multiport coupler 1 to three transmission / reception chains C1, C2 and C3.
  • the coupler 1 which will be detailed in more detail later, makes it possible to develop an antenna A having several inputs (the chains C1, C2 and C3) not interfering with each other.
  • An illustrative and nonlimiting example of application of such an antenna is that of an antenna having two transmission / reception chains, one serving for transmission / reception of the useful signal (for example a GSM signal), and the other serving to check the conditions of reception of said useful signal (tracking chain, or "tracking" in the English terminology).
  • the useful signal for example a GSM signal
  • the useful signal for example a GSM signal
  • duplex transmission is provided with a duplex deviation that depends on the frequency band.
  • the signals are transmitted with a duplex difference of about 1 GHz between transmission and reception.
  • the frequency spectrum of such a transmission is shown diagrammatically in FIG. 2, in which the duplex deviation between the reception band and the emission band bears the reference Ed.
  • the multiport coupler 1 makes it possible to envisage the transmission of several different channels on the same antenna A1, and the reception of the different channels on the same antenna A2.
  • FIG. 4 thus shows the spectrum resulting at the antenna A1 at the output of the multiport coupler 1. It will be noted that the inputs (duplex transmissions 1, 2 and 3) of the antenna do not interfere with the with each other. In particular, the reception of the channels 2 and 3 takes place in the duplex deviation separating the reception of the reception channel 3.
  • the coupler makes it possible to multiply the bit rate of an FH link without adding an antenna, which proves particularly advantageous for meeting the integration needs of the antennas, especially in urban environments.
  • the invention relates to an antenna, in particular a flat antenna, comprising radiating elements (or "patch" according to the English terminology).
  • the antenna also includes a ring multiport coupler for powering the radiating elements from multiple power sources isolated from each other.
  • the multiport coupler has at least two inputs each in the form of an access port for a power source, said access ports being distributed along the circumference of the ring so that a wave entering an access port divides into two waves rotating in opposite directions on the ring and arriving in phase opposition to the levels of the other access ports.
  • FIGS. 5 and 6 show the design of a ring multiport coupler having 5 inputs (an input that can serve as an access port for a power source). Note that in general, a coupler according to the invention can be designed to include 2n + 1 entries, with n an integer greater than or equal to 1.
  • Ring 2 of FIG. 5 has an electrical perimeter of 5 ⁇ / 2.
  • a wave entering the ring 2 at the reference port F divides into two waves that rotate in opposite directions on the ring 2. There then exist along the circumference of the ring different remarkable places separated by a distance of ⁇ / 4. These remarkable places correspond to:
  • the reference access can be considered as being isolated from the accesses Pl.
  • the access Pl it is noted that it is also isolated from the reference access and the other accesses Pl.
  • the coupler AA outputs are positioned at the locations 0 of the reference port. It will be noted that if we consider another access P1, the output AA is also positioned at a location 0 for this other access P1. Thus, at the level of an antenna access AA, the entirety (at attenuation) of signals from each of the I / O inputs.
  • the antenna is of the flat antenna type comprising a ground plane 3, and a substrate 4 attached to the ground plane on which is disposed a printed circuit containing said radiating elements.
  • the coupler is in the form of a ring 2, preferably made in microstrip technology, integrated in the printed circuit disposed on the substrate 4.
  • FIG. 7 represents an overall view illustrating the physical structure of the multiport microstrip ring coupler.
  • FIG. 8 more precisely represents the waveguide access subsystem
  • FIG. 9 more specifically represents the microstrip access subsystem.
  • the coupler of FIGS. 7, 8 and 9 two I / O access ports 1 and I / O 4 for a power source and two power supply ports AA 1 and AA 4 for radiating elements are used.
  • the coupler is a quadrupole with two inputs and two outputs.
  • the substrate 4 rests on a ground plane 3 in which slots 5, 6 are formed opposite each of the I / O access ports 1 and I / O 2.
  • the substrate 4 rests on a ground plane 3 in which slots 5, 6 are formed opposite each of the I / O access ports 1 and I / O 2.
  • the substrate 4 rests on a ground plane 3 in which slots 5, 6 are formed opposite each of the I / O access ports 1 and I / O 2.
  • the substrate 4 rests on a ground plane 3 in which slots 5, 6 are formed opposite each of the I / O access ports 1 and I / O 2.
  • the substrate 4 rests on a ground plane 3 in which slots 5, 6 are formed opposite each of the I / O access ports 1 and I / O 2.
  • the electromagnetic coupling by slot between the ring and the coupler makes it possible to separate the "radiation” and "connectivity” functions of the antenna on two independent planes.
  • Two opposite planes of the substrate are actually used to deposit two distinct functions (on the coupler side, the mixing functions offered by the coupler and the antennas, and on the ground plane side the slots used to transfer signals to and from the RF equipment).
  • the radiation plane of the antenna is thus clear of any element of connection that may generate parasitic radiation.
  • the equipment (RF) - in particular transmitters and receivers - can thus be deposited directly on the rear plane of the antenna, close to the slots that supply the coupler, with a minimum of losses.
  • the ring 2 has, at each access port, a coupling pad 7, 8, for example circular, placed above the corresponding slot 5, 6 to harvest the energy radiated through said slot by a power source.
  • a coupling pad 7, 8, for example circular placed above the corresponding slot 5, 6 to harvest the energy radiated through said slot by a power source.
  • the power sources are waveguides.
  • FIGS. 7, 8 thus represent the end of two waveguides G1, G4 each connected to an input of the coupler (ie to an I / O access port 1, I / O 4 for a power supply) .
  • the waveguides may be U-shaped guides in section (for example by machining a channel in a metal body), arranged relative to the ground plane so that the ground plane serves as a wall closing the waveguide space.
  • the waveguides may also be rectangular guides, pressed against the ground plane and in each of which a slot is made to be matched with one of the slots in the ground plane.
  • a waveguide G1, G2 is terminated by short-circuiting it at a distance of ⁇ / 4 from the slot, so as to bring an open circuit back to the slot and to maximize energy transfer from the waveguide to the microstrip line.
  • the power sources are triplet lines.
  • a triplate line may comprise a conductive line sandwiched between two ground planes of triplate line, and a slot of wave radiation is then practiced in one of the triplate line ground planes which is pressed against the ground plane 3 of the antenna so that one of the slits of the ground plane and the slot of the line triplate are superimposed.
  • a triplate line may comprise a conductive line sandwiched between two ground planes of triplate line, the ground plane of the antenna constituting one of the plane plane of triplate line.
  • the power sources are access lines in microstrip technology.
  • FIG. 11 schematically shows a ring multiport coupler with microstrip access.
  • a microstrip line 9 serving as a power source is positioned transversely to a slot 5 made in the ground plane of the antenna.
  • the ring 2 forming the coupler is integrated with the substrate attached to the ground plane. In such a way, the energy conveyed by the microstrip line 9 radiates through the slot 5 and is collected by the ring 2.
  • the microstrip line 9 is terminated at a distance of ⁇ / 4 from the slot, so as to bring an open circuit at the slot and to maximize the energy transfer of the guide. waves towards the microstrip line.
  • the ring may have, at a remarkable location 0, a portion of microstrip line 12, 13 extending from the ring in the direction of the radius of the ring passing through this remarkable place, towards the outside of the ring to a supply port of radiating elements AA4, AA1.
  • the ports AA4, AA1 then allow, as illustrated in Figure 9, to connect a microstrip line 10, 11 to the portion 12, 13 extending from the ring.
  • the radiating elements 15 of a flat antenna are typically arranged in the form of linear sub-networks, each sub-network being connected to a sub-network supply line 16.
  • a microstrip line 10, 11 connected to an output port AA1, AA4, of the coupler 1 is arranged transversely to a set of linear subareas for feeding each of the lines of subnet power of said set.
  • a microstrip line connected to an output port of the coupler serves as a subnetwork power line.
  • the coupler described above can thus be used in antennas with several inputs and several outputs (MIMO antennas according to the English terminology "Multiple Input, Multiple Output”), allowing the reception of several independent signals on the same layer (multiple accesses).
  • power source for example several waveguide access
  • the emission to several directions severe outputs, in particular in the form of microstrip line, supply of radiating elements.
  • FIG. 12 shows diagrammatically the multiport coupler 1 used in an antenna system comprising a plurality of antennas A1, A2, A3, A4, A5, each comprising radiating elements, for supplying the radiating elements of the antennas by several power sources isolated from each other (inputs E1, ..., E5).
  • FIG. 13 An example of application of the antenna system of Figure 12 is shown in Figure 13, and consists in using the coupler 1 as a switch in a redundant system having two inputs E1, E2 and two antennas A1, A2.
  • Another example of application is that of adapting the radiation pattern of the antenna system according to the circumstances, for example in the context of mobile telephony to orient the beam of the antenna system where the radiation is located. , taking into account the movement of users within the cell covered by the antenna.
  • an application that we will do the coupling according to the invention relates to transmissions in the band of 37.21 GHz to 38.64 GHz.
  • the invention is not limited to an antenna or an antenna system, but also extends to a multiport coupler as described above.

Landscapes

  • Variable-Direction Aerials And Aerial Arrays (AREA)
  • Waveguide Aerials (AREA)

Abstract

L'invention concerne un systeme a une ou plusieurs antennes comprenant un substrat (4) sur lequel sont disposes des elements rayonnants (15) et un coupleur multiport en anneau (2) pour alimenter les elements rayonnants (15) par plusieurs sources d' alimentation (G1, G4), dans laguelle Ie coupleur multiport (2) dispose d' entrees chacune sous Ia forme d'un port d'acces pour une source d' alimentation et de sorties chacune sous Ia forme d'un port d' alimentation d' elements rayonnants, caracterisee en ce que Ie substrat (4) repose sur un plan de masse (3) dans lequel des fentes (5,6) sont pratiquees en regard des ports d'acces (E/S1, E/S2) de sorte a realiser un couplage electromagnetique par fente entre I'anneau (2) et une source d' alimentation (Gl, G4) agencee par rapport au plan de masse (3) pour exciter un port d'acces de l' anneau, et en ce que les ports d'acces et les ports d' alimentation sont repartis Ie long de Ia circonf erence de l'anneau de sorte que les entrees sont isolees les unes des autres et les sorties sont isolees les unes des autres. L'invention s'etend egalement a un coupleur multiport en anneau (2).

Description

COUPLEUR MULTIPORT POUR L'ALIMENTATION D'UNE OU
PLUSIEURS ANTENNES PAR DES SOURCES ISOLEES LES UNES DES
AUTRES, ANTENNE ET SYSTEME D'ANTENNES INTEGRANT LE
COUPLEUR
Le domaine de l'invention est celui des antennes de télécommunication, et plus particulièrement celui des antennes plates pour faisceaux hertziens (antennes FH).
Les antennes plates tendent désormais à être préférées aux antennes paraboliques. Les antennes plates présentent en effet l'avantage d'être à surface équivalente, globalement aussi efficaces que les antennes paraboliques. Et ces antennes plates sont caractérisées par leur compacité et leur faible poids.
Une antenne plate comprend un réseau d'éléments rayonnants intégrés au substrat diélectrique de l'antenne. L'antenne plate comprend plus précisément un ensemble de sous-réseaux linéaires parallèles entre eux, chaque sous-réseau linéaire étant constitué d'un ensemble d'éléments rayonnants. Les éléments rayonnants sont typiquement chacun constitués d'une surface carrée conductrice dont un coin est relié à une ligne d'alimentation de sous-réseau (typiquement sous la forme d'une ligne microruban).
L'alimentation en énergie de l'antenne plate est classiquement réalisée en dotant l'antenne d'un connecteur coaxial, et en raccordant l'antenne à un guide d'ondes par l'intermédiaire d'une transition guide-coaxial.
S'ils ne sont pas censés participer au rayonnement, les éléments de connectique tels que straps ou connecteurs coaxiaux peuvent cependant être responsables de rayonnement parasites susceptibles de dégrader les performances globales de l'antenne.
Par ailleurs, l'augmentation de la fréquence utilisée pour les faisceaux hertziens implique la diminution des dimensions physiques des éléments de l'antenne. Cette diminution entraîne des difficultés de réalisation de la solution d'alimentation par sonde coaxiale.
Afin de répondre à cette problématique, des solutions d'alimentation directe par guide d'ondes ont été proposées, par exemple (voir notamment à ce sujet la demande de brevet français de la Demanderesse déposée le 14 novembre 2005 sous le n°0511527) par mise en œuvre d'un couplage électromagnétique par fente entre une source d'alimentation en énergie (typiquement un guide d'ondes) et les lignes d'alimentation des éléments rayonnants de l'antenne plate.
Une antenne de ce type est toutefois associée à un seul équipement radio (c'est-à-dire à une seule chaîne d'émission/réception). En d'autres termes, un système antennaire ne dispose que d'une seule entrée.
Il serait cependant souhaitable d'optimiser le système antennaire pour assurer le partage du système antennaire entre plusieurs équipements radio, en associant ainsi plusieurs chaînes d'émission/réception à une ou plusieurs antennes. On cherche bien entendu également à offrir une antenne dont le rayonnement serait le plus propre possible, c'est-à-dire absent de toute composante parasite liée aux éléments de connectique et issu uniquement des éléments rayonnants.
L'invention a pour objectif de répondre à ce besoin, et propose à cet effet, et selon un premier aspect, une antenne comprenant un substrat sur lequel sont disposés des éléments rayonnants et un coupleur multiport en anneau pour alimenter les éléments rayonnants par plusieurs sources d'alimentation, dans laquelle le coupleur multiport dispose d'entrées chacune sous la forme d'un port d'accès pour une source d'alimentation et de sorties chacune sous la forme d'un port d'alimentation d'éléments rayonnants, caractérisée en ce que le substrat repose sur un plan de masse dans lequel des fente sont pratiquées en regard des ports d'accès de sorte à réaliser un couplage électromagnétique par fente entre l'anneau et une source d'alimentation agencée par rapport au plan de masse pour exciter un port d'accès de l'anneau, et en ce que les ports d'accès et les ports d'alimentation sont répartis le long de la circonférence de l'anneau de sorte que les entrées sont isolées les unes des autres et les sorties sont isolées les unes des autres.
Le couplage électromagnétique par fente entre l'anneau et le coupleur permet de séparer les fonctions "rayonnement " et "connectique" de l'antenne sur deux plans indépendants.
En utilisant deux plans opposés du substrat pour déposer deux fonctions distinctes (du côté du coupleur, les fonctions de mélange offertes par le coupleur et les antennes, et du côté du plan de masse les fentes utilisées pour transférer les signaux de et vers les équipements RF), le plan de rayonnement de l'antenne est ainsi dégagé de tout élément de connectique susceptible d'engendrer des rayonnements parasites.
Cette configuration "à deux plans" permet par exemple de disposer seulement de deux ports d'alimentation sur le coupleur destinés à alimenter deux antennes, et de disposer sur le plan arrière de deux autres accès pour les équipements Radio Fréquence (RF) venant exciter deux ports d'accès de l'anneau via deux fentes correspondantes. Les équipements (RF) - notamment les émetteurs et les récepteurs - peuvent ainsi être déposés directement sur le plan arrière de l'antenne (plan d'alimentation, par exemple en guide d'ondes), proches des fentes qui alimentent le coupleur, avec un minimum de pertes.
Par ailleurs, la répartition des ports d'accès et d'alimentation permettant d'assurer l'indépendance des accès antenne et alimentation permet de conserver l'indépendance des signaux de différents sous-réseaux d'éléments rayonnants, notamment pour autoriser par exemple l'émission et la réception de plusieurs signaux indépendants sur le même plan de l'antenne. L'invention trouve ainsi avantageusement application à toute solution antennaire qui doit disposer de plus d'un accès, notamment pour le partage du spectre ou simplement d'une antenne commune pour deux ou plus accès indépendants. Certains aspects préférés, mais non limitatifs, de cette antenne sont les suivants :
- le coupleur est un anneau microruban disposé sur le substrat ;
- les ports d'accès sont repartis le long de la circonférence de l'anneau de sorte qu'une onde entrant dans un port d'accès se divise en deux ondes tournant en sens inverse sur l'anneau et arrivant en opposition de phase aux niveaux des autres ports d'accès ;
- les ports d'alimentation sont répartis le long de la circonférence de l'anneau de sorte qu'une onde entrant dans un port d'accès se divise en deux ondes tournant en sens inverse sur l'anneau et arrivant en phase au niveau de chaque port d'alimentation ;
- elle comporte une ligne microruban connectée à chaque port de sortie du coupleur ;
- les éléments rayonnants sont agencés sous la forme de sous-réseaux linéaires, chaque sous-réseau étant relié à une ligne d'alimentation de sous-réseau, et une ligne microruban connectée à un port de sortie de coupleur sert de ligne d'alimentation de sous-réseau ;
- les éléments rayonnants sont agencés sous la forme de sous-réseaux linéaires, chaque sous-réseau étant relié à une ligne d'alimentation de sous-réseau, et une ligne microruban connectée à un port de sortie du coupleur est disposée transversalement à un ensemble de sous- réseaux linéaires pour alimenter chacune des lignes d'alimentation de sous-réseau dudit ensemble ;
- chacun des ports d'accès de l'anneau comporte une pastille de couplage destinée à récolter l'énergie rayonnée à travers la fente par une source d'alimentation ;
- les sources d'alimentation sont des guides d'ondes ;
- un guide d'ondes est un guide d'ondes ayant une forme de U en section, agencé de manière à ce que le plan de masse lui serve de paroi fermant l'espace du guide d'ondes ; - les sources d'alimentation sont des lignes microruban ou des lignes triplaques.
Selon un second aspect, l'invention concerne un système d'antennes comprenant une pluralité d'antennes selon le premier aspect de l'invention.
Encore selon un autre aspect, l'invention concerne un coupleur multiport pour l'alimentation d'une ou plusieurs antennes par au moins deux sources d'alimentation, caractérisé en ce qu'il est constitué d'un anneau microruban disposant d'entrées chacune sous la forme d'un port d'accès pour une source d'alimentation et d'une ou plusieurs sorties chacune sous la forme d'un port d'alimentation d'éléments rayonnants, les ports d'accès et les ports d'alimentation étant répartis le long de la circonférence de l'anneau de sorte que les entrées sont isolées les unes des autres et les sorties sont isolées les unes des autres.
D'autres aspects, buts et avantages de la présente invention apparaîtront mieux à la lecture de la description détaillée suivante de formes de réalisation préférées de celle-ci, donnée à titre d'exemple non limitatif, et faite en référence aux dessins annexés sur lesquels :
- la figure 1 est un schéma représentant une antenne conforme à l'invention reliée par l'intermédiaire d'un coupleur à trois chaînes d'émission/réception ;
- la figure 2 représente le spectre en fréquence d'une transmission FH ;
- la figure 3 est un schéma illustrant la transmission, et la réception, de plusieurs canaux différents sur une même antenne ;
- la figure 4 représente le spectre résultant au niveau d'une antenne de la figure 3 ;
- les figures 5 et 6 illustrent la conception d'un coupleur en anneau disposant de cinq entrées ;
- les figures 7, 8 et 9 représentent un mode de réalisation possible du coupleur en anneau en technologie microruban, l'anneau étant intégré au substrat de l'antenne ; - la figure 10 représente un mode de réalisation possible de l'alimentation des éléments rayonnants d'une antenne ;
- la figure 11 représente un coupleur en anneau disposant d'un accès microruban ;
- les figures 12 et 13 sont des schémas représentant un système d'antennes selon le deuxième aspect de l'invention.
En référence au schéma de la figure 1 , on a représenté une antenne A reliée par l'intermédiaire d'un coupleur multiport 1 à trois chaînes d'émission/réception C1 , C2 et C3.
Le coupleur 1 , qui sera détaillé plus en détail par la suite, permet d'élaborer une antenne A disposant de plusieurs entrées (les chaînes C1 , C2 et C3) n'interférant pas les unes avec les autres.
Un exemple illustratif et non limitatif d'application d'une telle antenne est celui d'une antenne disposant de deux chaînes d'émission/réception, l'une servant pour rémission/réception du signal utile (par exemple un signal GSM), et l'autre servant à vérifier les conditions de réception dudit signal utile (chaîne de poursuite, ou de « tracking » selon la terminologie anglo- saxonne).
Un autre exemple d'application est celui de la transmission FH. Dans le domaine des faisceaux hertziens, la transmission duplex est assurée avec un écart duplex qui dépend de la bande de fréquences. Pour des faisceaux hertziens à 38 GHz par exemple, on transmet les signaux avec un écart duplex d'environ 1 GHz entre l'émission et la réception. Le spectre en fréquence d'une telle transmission est schématisé sur la figure 2, sur laquelle l'écart duplex entre la bande de réception et la bande d'émission porte la référence Ed.
Comme cela est représenté de manière schématique sur la figure 3, le coupleur multiport 1 permet d'envisager la transmission de plusieurs canaux différents sur la même antenne A1 , et la réception des différents canaux sur une même antenne A2. On a ainsi représenté sur la figure 4, le spectre résultant au niveau de l'antenne A1 , en sortie du coupleur multiport 1. On relèvera que les entrées (transmissions duplex 1 , 2 et 3) de l'antenne n'interfèrent pas les unes avec les autres. En particulier, la réception des canaux 2 et 3 s'opèrent dans l'écart duplex séparant rémission de la réception du canal 3.
On comprend donc que le coupleur permet de multiplier le débit d'un lien FH sans ajouter d'antenne, ce qui s'avère particulièrement avantageux pour répondre aux besoins d'intégration des antennes, notamment en environnement urbain.
Selon un premier aspect, l'invention concerne une antenne, notamment une antenne plate, comprenant des éléments rayonnants (ou « patch » selon la terminologie anglo-saxonne). L'antenne comprend également un coupleur multiport en anneau pour alimenter les éléments rayonnants par plusieurs sources d'alimentation isolées les unes des autres.
Le coupleur multiport dispose d'au moins deux entrées chacune sous la forme d'un port d'accès pour une source d'alimentation, lesdits ports d'accès étant repartis le long de la circonférence de l'anneau de sorte qu'une onde entrant dans un port d'accès se divise en deux ondes tournant en sens inverse sur l'anneau et arrivant en opposition de phase aux niveaux des autres ports d'accès.
On a représenté sur les figures 5 et 6, la conception d'un coupleur multiport en anneau disposant de 5 entrées (une entrée pouvant servir de port d'accès pour une source d'alimentation). On notera que d'une manière générale, un coupleur selon l'invention peut être conçu pour comprendre 2n+1 entrées, avec n un entier supérieur ou égal à 1.
L'anneau 2 de la figure 5 a un périmètre électrique de 5λ/2. On considère un accès de référence au niveau de la flèche F.
Une onde entrant dans l'anneau 2 au niveau de l'accès de référence F se divise en deux ondes qui tournent en sens inverse sur l'anneau 2. II existe alors le long de la circonférence de l'anneau différents lieux remarquables séparés d'une distance de λ/4. Ces lieux remarquables correspondent à :
- des lieux où les deux ondes se combinent en phase (la différence de chemin parcouru par chacune des deux ondes est de k*λ, avec k égal à 1 ou 2 dans l'exemple ici retenu) ;
- des lieux où les deux ondes se combinent en opposition de phase (la différence de chemin parcouru par chacune des deux ondes est de (2p+1 )*λ/2, avec p égal à 0, 1 ou 2 dans l'exemple ici retenu) ;
Ces lieux remarquables sont notés accès O et Pl pour respectivement :
- Accès 0, correspondant à un lieu où les signaux émis par l'accès de référence arrivent en phase ;
- Accès Pl, correspondant à un lieu où les signaux émis par l'accès de référence arrivent en opposition de phase (en théorie ils s'annulent alors mutuellement; en pratique on retrouve le signal incident fortement atténué, par exemple de 25dB).
Ainsi l'accès de référence peut être considéré comme étant isolé des accès Pl. De même, si on considère un accès Pl on constate qu'il est également isolé de l'accès de référence et des autres accès Pl.
Comme cela est illustré par la figure 6, on choisit de positionner les entrées E/S du coupleur (c'est-à-dire les ports d'accès pour une source d'alimentation) sur les lieux Pl. On obtient ainsi une isolation maximale des entrées les unes par rapport aux autres.
Les sorties AA du coupleur (c'est-à-dire les accès antenne servant de ports d'alimentation d'éléments rayonnants) sont positionnés sur les lieux 0 de l'accès de référence. On relèvera que si l'on considère un autre accès Pl, la sortie AA est également positionnée au niveau d'un lieu 0 pour cet autre accès Pl. On récolte ainsi au niveau d'un accès antenne AA l'intégralité (à l'atténuation près) des signaux en provenance de chacune des entrées E/S.
On notera par ailleurs que selon le principe de réciprocité, une onde en provenance de l'antenne, et rentrant sur l'anneau 2 va se recombiner en phase au niveau des accès E/S, et en opposition de phase au niveau des autres sorties AA. On assure ainsi la répartition d'un signal provenant de l'antenne sur les cinq accès E/S, ainsi que l'isolation des différents accès antennes entre eux.
En référence à la vue en perspective partielle des figures 7, 8 et 9, l'antenne est du type antenne plate comprenant un plan de masse 3, et un substrat 4 rapporté sur le plan de masse sur lequel est disposé un circuit imprimé contenant lesdits éléments rayonnants.
Le coupleur est sous la forme d'un anneau 2, préférablement réalisé en technologie microruban, intégré au circuit imprimé disposé sur le substrat 4.
La figure 7 représente une vue d'ensemble illustrant la structure physique du coupleur multiport en anneau microruban.
La figure 8 représente plus précisément le sous-système accès en guide d'ondes, tandis que la figure 9 représente plus précisément le sous- système d'accès microruban.
Sur le coupleur des figures 7,8 et 9, deux ports d'accès E/S 1 et E/S 4 pour une source d'alimentation et deux ports d'alimentation AA 1 et AA 4 d'éléments rayonnants sont utilisés. Dans cette configuration, le coupleur est un quadripôle disposant de deux entrées et deux sorties.
Comme cela est apparent sur les figures 7 et 8, le substrat 4 repose sur un plan de masse 3 dans lequel des fentes 5, 6 sont pratiquées en regard de chacun des ports d'accès E/S 1 et E/S 2. On réalise de la sorte un couplage électromagnétique par fente entre l'anneau 2 et une source d'alimentation agencée par rapport au plan de masse pour exciter un port d'accès de l'anneau.
Le couplage électromagnétique par fente entre l'anneau et le coupleur permet de séparer les fonctions "rayonnement " et "connectique" de l'antenne sur deux plans indépendants. Deux plans opposés du substrat sont effectivement utilisés pour déposer deux fonctions distinctes (du côté du coupleur, les fonctions de mélange offertes par le coupleur et les antennes, et du côté du plan de masse les fentes utilisées pour transférer les signaux de et vers les équipements RF).
Le plan de rayonnement de l'antenne est ainsi dégagé de tout élément de connectique susceptible d'engendrer des rayonnements parasites. Les équipements (RF) - notamment les émetteurs et les récepteurs - peuvent ainsi être déposés directement sur le plan arrière de l'antenne, proches des fentes qui alimentent le coupleur, avec un minimum de pertes.
De manière préférentielle, l'anneau 2 présente, au niveau de chaque port d'accès, une pastille de couplage 7, 8, par exemple circulaire, placée au dessus de la fente 5, 6 correspondante pour récolter l'énergie rayonnée à travers ladite fente par une source d'alimentation.
Selon un mode de réalisation possible, les sources d'alimentation sont des guides d'ondes. Les figures 7,8 représentent ainsi l'extrémité de deux guides G1 , G4 d'ondes connectés chacun à une entrée du coupleur (i.e. à un port d'accès E/S 1 , E/S 4 pour une source d'alimentation).
Les guides d'ondes peuvent être des guides en forme de U en section (par exemple par usinage d'un canal dans un corps métallique), agencés par rapport au plan de masse de manière à ce que le plan de masse lui serve de paroi fermant l'espace du guide d'ondes.
Les guides d'ondes peuvent également être des guides rectangulaires, plaqués contre le plan de masse et dans chacun desquels une fente est pratiquée de manière à être mise en correspondance avec l'une des fentes pratiquées dans le plan de masse.
Par ailleurs, on notera que de manière préférentielle, on termine un guide d'ondes G1 , G2 en le court-circuitant à une distance de λ/4 de la fente, de manière à rapporter un circuit ouvert au niveau de la fente et à maximiser le transfert d'énergie du guide d'ondes vers la ligne microruban.
Selon un autre mode de réalisation possible (non représenté), les sources d'alimentation sont des lignes triplaques.
Une ligne triplaque peut comprendre une ligne conductrice prise en sandwich entre deux plans de masse de ligne triplaque, et une fente de rayonnement d'onde est alors pratiquée dans l'un des plans de masse de ligne triplaque qui est plaqué contre le plan de masse 3 de l'antenne de manière à ce que l'une des fentes du plan de masse et la fente de la ligne triplaque soient superposées.
En variante, une ligne triplaque peut comprendre une ligne conductrice prise en sandwich entre deux plans de masse de ligne triplaque, le plan de masse de l'antenne constituant l'un des plans de masse de ligne triplaque.
Selon encore un autre mode de réalisation possible, les sources d'alimentation sont des lignes d'accès en technologie microruban.
On a représenté de manière schématique sur la figure 11 , un coupleur multiport en anneau avec un accès microruban. Une ligne microruban 9 servant de source d'alimentation est positionnée transversalement à une fente 5 pratiquée dans le plan de masse de l'antenne. L'anneau 2 formant le coupleur est intégré au substrat rapporté sur le plan de masse. De telle manière, l'énergie véhiculée par la ligne microruban 9 rayonne à travers la fente 5 et est collectée par l'anneau 2.
On relèvera que dans ce mode de réalisation, trois couches de métallisation sont utilisées, avec une couche inférieure contenant l'accès microruban (plan d'alimentation), une couche intermédiaire contenant le plan de masse avec sa fente, et la couche supérieur contenant l'anneau du coupleur (plan de rayonnement).
Par ailleurs, on notera que de manière préférentielle, on termine la ligne microruban 9 à une distance de λ/4 de la fente, de manière à rapporter un circuit ouvert au niveau de la fente et à maximiser le transfert d'énergie du guide d'ondes vers la ligne microruban.
Concernant désormais les sorties du coupleur (ports d'alimentation d'éléments rayonnants tels que AA1 et AA4 sur les figures 7 et 8), et comme cela est représenté sur la figure 10, on relèvera qu'une ligne microruban 10, 11 est connectée à chaque port de sortie du coupleur.
A cet effet, comme cela est apparent sur la figure 9, l'anneau peut présenter au niveau d'un lieu remarquable 0, une portion de ligne microruban 12, 13 s'étendant depuis l'anneau dans la direction du rayon de l'anneau passant par ce lieu remarquable, vers l'extérieur de l'anneau jusqu'à un port d'alimentation d'éléments rayonnants AA4, AA1. Les ports AA4, AA1 permettent alors, comme illustré sur la figure 9, de relier une ligne microruban 10, 11 à la portion 12, 13 s'étendant depuis l'anneau.
On rappelle (cf. figure 10) que les éléments rayonnants 15 d'une antenne plate sont typiquement agencés sous la forme de sous-réseaux linéaires, chaque sous-réseau étant relié à une ligne d'alimentation 16 de sous-réseau.
Selon un mode de réalisation possible, représenté sur la figure 10, une ligne microruban 10, 11 connectée à un port de sortie AA1 , AA4, du coupleur 1 est disposée transversalement à un ensemble de sous-réseaux linéaires pour alimenter chacune des lignes d'alimentation de sous-réseau dudit ensemble.
Selon un autre mode de réalisation possible (non représenté), une ligne microruban connectée à un port de sortie du coupleur sert de ligne d'alimentation 16 de sous-réseau.
Par ailleurs, on relèvera qu'il il est également possible de connecter plusieurs antennes en sortie du coupleur, notamment via les lignes microrubans du type 10, 11 connectés à un port d'alimentation d'éléments rayonnants.
Le coupleur exposé précédemment peut ainsi être utilisé dans les antennes à plusieurs entrées et plusieurs sorties (antennes MIMO selon la terminologie anglo-saxonne « Multiple Input, Multiple Output), en autorisant la réception de plusieurs signaux indépendants sur une même couche (plusieurs accès en source d'alimentation, par exemple plusieurs accès en guide d'ondes) et l'émission vers plusieurs directions (plusieurs sorties, notamment sous forme de ligne microruban, d'alimentation d'éléments rayonnants.
On a représenté de manière schématique sur la figure 12, le coupleur multiport 1 utilisé dans un système d'antennes comportant une pluralité d'antennes A1 , A2, A3, A4, A5, chacune comprenant des éléments rayonnants, pour alimenter les éléments rayonnants des antennes par plusieurs sources d'alimentation isolées les uns des autres (entrées E1 , ..., E5).
Un exemple d'application du système d'antennes de la figure 12 est représenté sur la figure 13, et consiste à utiliser le coupleur 1 comme commutateur dans un système redondant présentant deux entrées E1 , E2 et deux antennes A1 , A2.
Un autre exemple d'application est celui de l'adaptation du diagramme de rayonnement du système d'antennes en fonction des circonstances, par exemple dans le cadre de la téléphonie mobile pour orienter le faisceau du système d'antennes là où se trouve le rayonnement, en tenant compte du déplacement des utilisateurs au sein de la cellule couverte par l'antenne.
On précise à titre purement illustratif et non limitatif, qu'une application que l'on fera du couplage selon l'invention concerne les transmissions dans la bande de 37,21 GHz à 38,64 GHz.
Par ailleurs, on aura bien compris que l'invention n'est pas limitée à une antenne ou à un système d'antennes, mais s'étend également à un coupleur multiport tel que décrit précédemment.

Claims

REVENDICATIONS
1. Antenne comprenant un substrat (4) sur lequel sont disposés des éléments rayonnants (15) et un coupleur multiport en anneau (2) pour alimenter les éléments rayonnants par plusieurs sources d'alimentation (G1 , G4), dans laquelle le coupleur multiport dispose d'entrées chacune sous la forme d'un port d'accès pour une source d'alimentation et de sorties chacune sous la forme d'un port d'alimentation d'éléments rayonnants, caractérisée en ce que le substrat (4) repose sur un plan de masse (3) dans lequel des fente (5, 6) sont pratiquées en regard des ports d'accès (E/S 1 , E/S 4) de sorte à réaliser un couplage électromagnétique par fente entre l'anneau (2) et une source d'alimentation (G1 , G4) agencée par rapport au plan de masse (3) pour exciter un port d'accès de l'anneau, et en ce que les ports d'accès et les ports d'alimentation sont répartis le long de la circonférence de l'anneau de sorte que les entrées sont isolées les unes des autres et les sorties sont isolées les unes des autres.
2. Antenne selon la revendication 1 , caractérisée en ce que le coupleur est un anneau microruban (2) disposé sur le substrat.
3. Antenne selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisée en ce que les ports d'accès sont repartis le long de la circonférence de l'anneau (2) de sorte qu'une onde entrant dans un port d'accès se divise en deux ondes tournant en sens inverse sur l'anneau et arrivant en opposition de phase aux niveaux des autres ports d'accès.
4. Antenne selon la revendication 3, caractérisée en ce que les ports d'alimentation sont répartis le long de la circonférence de l'anneau de sorte qu'une onde entrant dans un port d'accès se divise en deux ondes tournant en sens inverse sur l'anneau et arrivant en phase au niveau de chaque port d'alimentation.
5. Antenne selon la revendication 4, caractérisée en ce qu'elle comporte une ligne microruban (10, 11 ) connectée à chaque port de sortie (AA1 , AA4) du coupleur.
6. Antenne selon la revendication 5, dans laquelle les éléments rayonnants (15) sont agencés sous la forme de sous-réseaux linéaires, chaque sous-réseau étant relié à une ligne d'alimentation de sous-réseau (16), caractérisée en ce qu'une ligne microruban connectée à un port de sortie de coupleur sert de ligne d'alimentation de sous-réseau.
7. Antenne selon la revendication 5, dans laquelle les éléments rayonnants (15) sont agencés sous la forme de sous-réseaux linéaires, chaque sous-réseau étant relié à une ligne d'alimentation de sous-réseau (16), caractérisée en ce qu'une ligne microruban (10, 11 ) connectée à un port de sortie du coupleur est disposée transversalement à un ensemble de sous-réseaux linéaires pour alimenter chacune des lignes d'alimentation de sous-réseau dudit ensemble.
8. Antenne selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que chacun des ports d'accès de l'anneau comporte une pastille de couplage (7, 8) destinée à récolter l'énergie rayonnée à travers la fente (5, 6) par une source d'alimentation (G1 , G4).
9. Antenne selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisée en ce que les sources d'alimentation sont des guides d'ondes (G1 , G4).
10. Antenne selon la revendication 9, caractérisée en ce qu'un guide d'ondes est un guide d'ondes ayant une forme de U en section, agencé de manière à ce que le plan de masse lui serve de paroi fermant l'espace du guide d'ondes.
11. Antenne selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisée en ce que les sources d'alimentation sont des lignes microruban (9) ou des lignes triplaques.
12. Coupleur multiport (1 ) pour l'alimentation d'une ou plusieurs antennes par au moins deux sources d'alimentation, caractérisé en ce qu'il est constitué d'un anneau microruban (2) disposant d'entrées chacune sous la forme d'un port d'accès pour une source d'alimentation et d'une ou plusieurs sorties chacune sous la forme d'un port d'alimentation d'éléments rayonnants, les ports d'accès et les ports d'alimentation étant répartis le long de la circonférence de l'anneau de sorte que les entrées sont isolées les unes des autres et les sorties sont isolées les unes des autres.
13. Coupleur selon la revendication précédente, caractérisé en ce que chacun des ports d'accès comporte une pastille de couplage (5, 6) destinée à récolter l'énergie rayonnée à travers une fente par une source d'alimentation.
14. Système d'antennes comportant une pluralité d'antennes (A1 , .. , A5) , chacune comprenant des éléments rayonnants, caractérisé en ce qu'il comporte un coupleur multiport en anneau (1 ) selon l'une des revendications 12 ou 13 pour alimenter les éléments rayonnants des antennes par plusieurs sources d'alimentation (E1 , ..., E5) isolées les uns des autres.
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