FR2873236A1 - Dispositif rayonnant omnidirectionnel large bande - Google Patents

Abstract

La présente invention concerne un di spositif rayonnant destiné à recevoir et/ou émettre des signaux électromagnétiques comprenant au moins deux antennes (A1, A2) connectées par fente et présentant une fente commune (FC). Des moyens de connexion (L,P) permettent de connecter au moins une antenne (A) à des moyens de traitement de signaux électromagnétiques. Les moyens de connexion (L,P) incluent deux lignes de connexion (L1, L2) connectées aux moyens de traitement. Les deux lignes (L1, L2) sont terminées par un circuit ouvert et sont couplées de manière électromagnétique avec la fente commune (FC) des deux antennes (A1, A2) de manière à permettre l'introduction d'un déphasage entre les signaux électromagnétiques des deux antennes (A1, A2) lorsque la connexion est basculée d'une ligne à l'autre à l'aide d'un dispositif de commutation (3) présent sur les lignes de connexion (L1, L2).

Description

La présente invention concerne un dispositif rayonnant destiné à recevoir

et/ou émettre des signaux électromagnétiques comprenant au moins deux moyens de réception et/ou d'émission de signaux électromagnétiques du type antenne connectée par fente et, plus particulièrement, ceux présentant une

fente commune, et des moyens de connexion pour connecter au moins un desdits moyens de réception et/ou d'émission à des moyens de traitement de signaux électromagnétiques.

Dans le domaine des communications indoor ou à l'intérieure, des liaisons sans fil sont nécessaires pour relier différents appareils dans une maison. Pour cela, des moyens de réception et/ou d'émission de signaux électromagnétiques, ou antennes, à rayonnement longitudinal de type fente évasée sont utilisées. De telles antennes constituée principalement par une fente évasée réalisée sur un substrat métallique sont communément appelées antennes Vivaldi ou LTSA (Linear Tapered Slot Antenna en anglais). Elles permettent une intégration plus facil e dans les appareils grâce à leur rayonnement dans le plan du substrat. Lorsque plusieurs antennes de ce type sont utilisées, par exemple dans un réseau, la connexion du dispositif rayonnant devient rapidement complexe.

Le dimensionnement d'une antenne Viv aldi est bien connu de l'homme de l'art. Celui-ci peut se diviser en trois parties représentées sur la figure 1, qui sont le dimensionnement de l'antenne Al (profil Vivaldi), le dimensionnement de la ligne de connexion 2 reliée à un port de connexion P e t le dimensionnement de la transition ligne 2/fente F1 qui permet de transmettre l'énergie de la ligne 2 vers l'antenne Al. Pour assurer un bon couplage de l'énergie entre la ligne 2 et la fente F1, il est nécessaire de se placer dans des conditions géométriques particulières au sujet des positions relatives des lignes 2 de connexion et des fentes F1 des antennes Al. Un exemple est donné, par exemple, dans le document US 6,246,377.

Pour mettre deux antennes Al et A2 Vivaldi en réseau, il exist e deux 30 techniques. Une première technique, représentée sur la figure 2, consiste à les connecter en série par la même ligne 2. La longueur de ligne entre les deux transitions ligne 2 /fente F détermine le déphasage entre les signaux émis ou reçus par deux antennes Al et A2 successives. En prenant une longueur de ligne multiple impair de la demi longueur d'onde guidée sous la ligne de connexion réalisée par exemple selon la technique microruban, soit L=n Lm/2 (n=2k+1, avec k entier), les champs ém is El et E2 sont symétriques par rapport à l'axe de symétrie des deux antennes Al et A2. Pour une telle connexion en série, le couplage vers les antennes Al et A2 est différent du point de vue de l'amplitude et du déphasage en fréquence. Cela est dû à des longueurs de ligne différentes entre un port de connexion P et chacune des antennes Al et A2.

Une seconde technique, représentée sur la figure 3, consiste à les connecter en parallèle. La différence de longueur entre L1 et L2 permet de déterminer le déphasage entre les champs émis E1 et E2. En prenant des longueurs égales, ou telles que IL1 -L2j=n*Lm (avec n entier), les champs émis El et E2 sont comme présentés sur la Figure 3. Cette technique de connexion permet une connexion équilibrée mais nécessi te un circuit de connexion plus complexe. En particulier si le nombre d'antennes augmente, les dimensions du réseau de connexion augmentent et sa mise en oeuvre nécessite parfois l'emploi de composants. Le coût de la structure augmente en conséquence.

Une solution, présentée dans le document EP 0,301,216, est de remplacer les deux transitions ligne/fente par une seule transition ligne 2/fente FC en connectant les deux fentes entre elles ainsi que représenté sur la figure 4. Il n'y a alors qu'une seule transition ligne 2/fente FC et la fente FC est terminée par une antenne, Al et A2, à chacune de ses deux extrémités.

L'énergie couplée de la ligne 2 vers la fente FC, est dirigée équitablement vers les antennes Al et A2.

Cependant, un tel dispositif rayonnant pr ésente un diagramme de rayonnement figé possédant, notamment, un nul dans l'axe de symétrie des antennes lorsque la ligne 2 coupe la fente à égale distance de Al et A2. De telles caractéristiques peuvent s'avérer être très dommageable dans le cadre d'applications où une grande isotropie du dispositif rayonnant est requise.

La présente invention propose un dispositif rayonnant présentant un diagramme de rayonnement reconfigurable dynamiquement avec une connexion simple.

La présente invention concerne un disp ositif rayonnant ainsi que présenté dans la partie introductive dans lequel les moyens de connexion incluent deux lignes de connexion connectées aux moyens de traitement, les deux lignes terminées par un circuit ouvert étant couplées de manière électromagnétique avec la fente commune des deux moyens de réception et/ou d'émission de manière à permettre l'introduction d'un déphasage entre les signaux électromagnétiques des deux moyens de réception et/ou d'émission lorsque la connexion est basculée d'une ligne à l'autre à l'aide d'au moins un dispositif de commutation présent sur les lignes de connexion.

En effet, la connexion commune permise par deux lignes couplées à une fente commune à deux antennes permet de moduler le diagramme de rayonnement du dispositif rayonnant en basculant d'une ligne à l'autre.

Selon une réalisation, les moyens de réception et/ou d'émission sont regroupées par paires avec une fente commune, la connexion de chaque paire étant réalisée à l'aide de deux lignes placées de manière à coupe r la fente commune à des distances différentes de l'axe de symétrie de la paire de moyens de réception et/ou d'émission de manière à permettre d'introduire un déphasage entre les moyens de réception et/ou d'émission de la paire.

Dans ce cas, une ligne est, par exemple, centrée sur l'axe de symétrie des antennes et l'autre est décalée d'un quart de la longueur d'onde. Un déphasage de 180 est alors introduit entre les signaux émis par les deux antennes de la paire. Le diagramme de rayonnement ne possède alo rs plus de nul dans l'axe.

Selon une réalisation, les paires sont regroupées par groupe de deux paires connectées par les deux mêmes lignes de connexion, un déphasage fixe ayant été introduit sur une des lignes pour la connexion d'une des deux paires.

Cette réalisation permet, par exemple, de contrôler quatre antennes avec deux lignes. Par exemple, le déphasage fixe est de 180 .

Selon une réalisation, les moyens de réception et/ou d'émission sont regroupées par groupes de N moyens de réception et/ou d'émis sion en connectant les N fentes en une fente commune ayant N branches, des lignes de connexion, isolées l'une de l'autre, formant N' branches centrées sur la fente commune et disposée de manière décalée en rotation par rapport aux branches de la fente comm une.

Cette réalisation permet une connexion simplifiée d'une pluralité d'antennes. Elle peut, par exemple, être avantageusement mise en oeuvre dans un substrat multicouche où chaque ligne occupe un plan distinct.

Il est avantageux de choisir un nombre N pai r. II est également avantageux de choisir N'=N. De cette façon, le décalage en rotation est tel que les lignes s'insèrent chacune dans chaque secteur angulaire formé entre les branches de la fente commune.

Selon une réalisation, les moyens de réception et/ou d'émission sont des antennes de type Vivaldi régulièrement espacées autour d'un point central.

De telles antennes sont communément utilisées et bien connues de l'homme du métier. L'invention est avantageusement réalisée avec ces antennes mais peut aussi être réalisée avec tout type d'antennes connectées par une transition ligne/fente, par exemple des dipôles imprimés, des dispositifs LTSA (pour Linear Tapered Slot Antenna, en anglais).

Selon une réalisation, les lignes de connexion sont constituées par des lignes microruban ou des lignes coplanaires.

Selon une réalisation, le dispositif de commutation inclut au moins une diode.

Selon une autre réalisation, le dispositif de commutation i nclut un commutateur discret pour activer sélectivement l'une ou l'autre ligne de connexion.

D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront à la lecture de la description de différents modes de réalisation, la description étant faite avec référence aux dessins ci annexés dans lesquels: Fig. 1 est une vue en plan schématique de la connexion d'une antenne de type à couplage fente/ligne selon l'art antérieur.

Fig. 2 est une vue en plan schématique de la connexion en série de deux antennes de type à couplage fente/ligne selon l'art antérieur.

Fig. 3 est une vue en plan schématique de la connexion en parallèle de deux antennes de type à couplage fente/ligne selon l'art antérieur.

Fig. 4 est une vue en plan schématique d'une connex ion en parallèle avantageuse de deux antennes de type à couplage fente commune/ligne selon l'art antérieur.

Fig. 5a et 5b sont des vues en plan schématiques de moyens de connexion de deux antennes utilisées dans la présente invention.

Fig. 6a, 6b et 6c représentent des diagrammes de rayonnement du dispositif de la figure 5 en fonction de l'angle entre deux antennes.

Fig. 7a et 7b représentent un cas de dispositif rayonnant à 2N antennes et un schéma électrique correspondant.

Fig. 8 est une vue en plan sch ématique d'une réalisation de l'invention avec deux paires d'antennes.

Fig. 9 est une vue en plan schématique d'une réalisation de l'invention avec un nombre N=4 d'antennes.

Fig. 10 est une coupe d'un dispositif rayonnant ainsi que proposé sur la figure 9.

Fig. 11 est une vue en relief des diagrammes de rayonnement obtenus avec un dispositif rayonnant ainsi que représenté sur la figure 9.

Les figures 5a et 5b présentent une première réalisation de l'invention. Sur ces figures, deux antennes Al et A2 sont c onnectées et sont alimentées par les mêmes transitions ligne (L1 ou L2)/fente FC. En fonction de la position des lignes L1 et L2, reliées à un port P, sur la fente, on peut définir un déphasage entre le signal El émis par Al et le signal E2 émis par A2. Ce déphasage est dû à une différence de distance entre la transition ligne/fente et les antennes Al et A2.

Cela permet d'obtenir des diagrammes différents en fonction de la position de la transition ligne/fente. Ainsi, lorsque l'angle entre les deux antennes Al et A2 est de 90 , on obtient deux diagrammes de rayonnement distincts représentés sur la figure 6b.

Sur cette figure on voit que, comme la ligne L1 croise la fente à égale distance des antennes Al et A2, le diagramme D1, correspondant à une connexion par la ligne L1, possède un nul dans l'axe car les signaux émis sont de même amplitude et en phase au niveau des antennes Al et A2 mais se recombinent de façon négative en opposition de phase dans cet axe. En revanche, la ligne L2 est décalée d'un quart de la longueur d'onde guidée dans la fente Ls/4 ce qui permet d'introduire un déphasage de 90 . Ainsi, un déphasage de 180 est introduit sur le signal arrivant à l'antenne A2 en comparaison au signal arrivant à l'antenne Al. Les rayonnements émis par les deux antennes se recombinent alors de façon constructive dans l'axe. Aussi le diagramme D2, correspondant à la ligne L2, ne possède plus de nul dans l'axe.

Les figures 5a et 5b diffèrent dans la mise en oeuvre du dispositif de commutation 3 entre les deux lignes L1 et L2. Le dispositif de commutation permet de basculer la connexion d'une ligne à l'autre et, par conséquent, d'obtenir une structure à diversité de diagramme de rayonnement.

Sur la figure 5a, le dispositif de commutation 3a inclut des diodes en bout des lignes LI et L2 pour autoriser le couplage sur une ligne en même temps qu'il est interdit sur l'autre.

Sur la figure 5b, le dispositif de commutation 3b entre les deux lignes L1 et L2 inclut un commutateur discret ou intégré, par exemple un SPD T (pour Single Port Double Through en anglais).

On remarquera que dans le mode de réalisation présenté sur la figure 5, une des lignes est centrée sur l'axe de symétrie des antennes, l'autre ligne étant décentrée. Cependant, il est égal ement possible que de telles lignes de connexion soient toutes deux décentrées et placées à des distances différentes des antennes. Cela permet notamment de contrôler le déphasage introduit entre deux antennes dans un dispositif selon l'invention et donc d 'en contrôler le diagramme de rayonnement global.

Le concept de diversité de diagrammes de rayonnement a été validé en simulation pour plusieurs valeurs de l'angle a, avec le dispositif présenté sur la Figure 5. Les résultats en terme de diagramme de rayonnement sont proposés sur la figure 6. Il ressort que, quel que soit l'angle entre les antennes, on retrouve une diversité efficace, avec des nuls de rayonnement aux emplacements des maxima de rayonnement lorsque l'on décale la ligne de connexion. La forme et l'emplacement des maxima et des nuls sont fonction de la distance et de l'angle entre les antennes. Ce déphasage géométrique est ajouté au déphasage électrique. Cet effet, propre à l'invention, permet de dimensionner le dispositif afin d'obtenir les diagrammes voulus.

On remarquera que la transition entre une ligne, par exemple, microruban et plusieurs fentes fonctionne correctement. Lorsque deux antennes sont associées sur la même fente et sont connectées par la même ligne, cela se traduit, du point de vue du schéma électrique, par une mise en parallèle des impédances des antennes. Ainsi que représenté sur la figure 7a, lorsque l'on augmente le nombre d'antennes A, la fente commune comprend des branches B vers lesquelles on couple les signaux électromagnétiques, plusieurs branches B s'intersectant au même endroit au niveau de la transition ligne L/fente commune constituée des branches B. Du point de vue du schéma électrique représenté sur la figure 7b, cela se traduit par une mise en série des impédances ZA des antennes A. II est donc possible de multiplier le nombre d'antennes connectées par une même ligne L. Une réalisation de l'invention multipliant le nombre d'antennes du dispositif rayonnant est présentée sur la figure 8. Quatre antennes Al, A2, A3, A4 sont regroupées par paire, respectivement (Al, A4) et (A2, A3), avec une fente commune, respectivement FC1 et FC2. Une telle structure, présentant un e connexion en parallèle présente une bonne largeur de bande et permet donc de travailler à des fréquences diverses. Un dispositif de commutation 3 est constitué d'un commutateur, par exemple comprenant deux diodes, ainsi que représentées sur la figure 5b, et permettant de connecter les fentes FC1 et FC2 à l'une ou l'autre des lignes L1 et L2. Le dispositif de commutation 3 est relié à un port de connexion, qui est lui - même relié à une alimentation et/ou des moyens de traitement des signaux.

Lorsque la connexion bascule de la ligne L1 à la ligne L2, le signal E3 présent dans l'antenne A3 est déphasé de 180 par rapport au signal E2 présent dans l'antenne A2, représenté par le changement d'orientation du vecteur E3 sur la figure 8. Lorsque le déphasage introd uit est de 180 , l'orientation du signal E3 dans l'antenne A3 change alors, ainsi que représenté sur la figure 8.

Le comportement des signaux électromagnétiques est similaire, mutatis mutandis, pour les antennes A4 et Al. Cependant, afin d'obtenir des changements de phase qui permettent d'observer réellement une diversité de diagramme de rayonnement, un décalage de phase fixe de 180 est réalisé sur la ligne L1, du coté de la paire d'antennes Al et A4.

Une autre réalisation permettant d'augmenter le nombre d'antennes est représentée sur la figure 9. Sur cette figure, quatre antennes Al, A2, A3, A4 sont reliées par leur fente commune FC en forme d'étoile à quatre branches. Ainsi que représenté sur la figure 10, elles sont, par exemple, gravées dans un plan de masse M. Une première ligne d'alimentation L1 est disposée au dessous du plan de masse M, sur un premier substrat S1, et la seconde ligne d'alimentation L2 est disposée au dessus du plan de masse M, sur un second substrat S2. Ainsi les lignes sont isolées l'une de l'autre. Cette structure est avantageuse dans le cas où un substrat S bas coût multicouches est utilisé, par exemple le FR4. Ce type de substrat peut être notamment utilisé pour la réalisation de cartes RF.

Un tel substrat multicouche permet de réaliser les antennes et les moyens de connexion sur le même substrat sans utiliser de composants supplémentaires entre les deux.

Le dispositif rayonnant ainsi obtenu présente une large bande de fonctionnement en adaptation ainsi qu'en transmission, avec une répartition de l'énergie équitable entre les antennes. Grâce à la très bonne isolation intrinsèque des connexions, cette réalisation ne nécessite pas de composants supplémentaires pour assurer l'isolation entre les lignes. Une bonne diversité de rayonnement est obtenue, les diagrammes de rayonnement obtenus pour chacune des lignes étant complémentaires.

La figure 11 présente des diagrammes de rayonnements Da et Db en vue en relief de la structure quadruple antennes, proposée sur la figure 9. On remarque que ces deux diagrammes Da et Db obtenus, chacun pour une des lignes, respectivement L1 et L2, sont différents et présentent une très bonne complémentarité. Ainsi en basculant d'une ligne à l'autre, on dispose d'un rayonnement dynamiquement configurable. Une telle complémentarité de diagrammes se lit aussi sur la figure 6 à deux dimensions mais pour seulement deux antennes.

L'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation décrits et l'homme du métier reconnaîtra l'existence de diverses variantes de r éalisation comme, par exemple, la multiplication des antennes relié selon le principe de l'invention.

Claims (9)

REVENDICATIONS

1 Dispositif rayonnant destiné à recevoir et/ou émettre des signaux électromagnétiques comprenant au moins deux moyens de réception e flou d'émission (Al, A2) de signaux électromagnétiques du type antenne connectée par fente et présentant une fente commune (FC), et des moyens de connexion (L,P) pour connecter au moins un desdits moyens de réception et/ou d'émission (A1, A2) à des moyens de traitements de signaux électromagnétiques; caractérisé en ce que les moyens de connexion (L,P) incluent deux lignes de connexion (L1, L2) connectées aux moyens de traitement, les deux lignes (L1, L2) terminées par un circuit ouvert étant couplées de m anière électromagnétique avec la fente commune (FC) des deux moyens de réception et/ou d'émission (Al, A2) de manière à permettre l'introduction d'un déphasage entre les signaux électromagnétiques des deux moyens de réception et/ou d'émission (Al, A2) lorsque la connexion est basculée d'une ligne (L1, L2) à l'autre (L2, L1) à l'aide d'un dispositif de commutation (3) présent sur les lignes de connexion (L1, L2).

2 Dispositif rayonnant selon la revendication 1, dans lequel les moyens de réception et/ou d 'émission (Al, A2) sont regroupées par paires ((A1, A2)) avec une fente commune (FC) , la connexion d'une paire ((A1,A2)) étant réalisée à l'aide de deux lignes (L1, L2) placées de manière à couper la fente commune (FC) à des distances différentes d e l'axe de symétrie de la paire ((A1,A2)) de moyens de réception et/ou d'émission de manière à permettre d'introduire un déphasage entre les moyens de réception et/ou d'émission de la paire ((Al,A2)).

3 Dispositif rayonnant selon la revendication 2, d ans lequel les paires sont regroupées par groupe de deux paires ((A2,A3)(A1,A4)) connectées par les deux mêmes lignes (L1, L2) de connexion, un déphasage fixe ayant été introduit sur une des lignes pour la connexion d'une des deux paires.

4 Dispositif rayonnant selon la revendication 1, dans lequel les moyens de réception et/ou d'émission (Al, A2, A3, A4) sont regroupées par groupes de N moyens de réception et/ou d'émission en connectant les N fentes en une fente commune (FC) ayant N branches, des lignes (L1, L2) de connexion, isolées l'une de l'autre, formant N' branches centrées sur la fente commune (FC) et disposée de manière décalée en rotation par rapport aux branches de la fente commune (FC).

Dispositif rayonnant selon la revendication 4, dans lequel N est un nombre pair.

6 Dispositif rayonnant selon l'une quelconque des revendications 4 et 5, dans lequel N'=N.

7 Dispositif rayonnant selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel les moyens de ré ception et/ou d'émission (A) sont des antennes à rayonnement longitudinal régulièrement espacées autour d'un point central.

8 Dispositif rayonnant selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel les lignes de connexion (L) sont constituées par des lignes microruban ou des lignes coplanaires.

9 Dispositif rayonnant selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, dans lequel le dispositif de commutation (3) inclut au moins une diode.

Dispositif rayonnant selon l'une quelcon que des revendications 1 à 8, dans lequel le dispositif de commutation (3) est un commutateur discret pour activer sélectivement l'une ou l'autre ligne de connexion (L1, L2).

11 Dispositif rayonnant selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, dans lequel le dispositif de commutation (3) est un commutateur intégré pour activer sélectivement l'une ou l'autre ligne de connexion (L1, L2).