EP1466384A1 - Dispositif pour la reception et/ou l emission d ondes e lectromagnetiques a diversite de rayonnement - Google Patents

Dispositif pour la reception et/ou l emission d ondes e lectromagnetiques a diversite de rayonnement

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EP1466384A1
EP1466384A1 EP03718817A EP03718817A EP1466384A1 EP 1466384 A1 EP1466384 A1 EP 1466384A1 EP 03718817 A EP03718817 A EP 03718817A EP 03718817 A EP03718817 A EP 03718817A EP 1466384 A1 EP1466384 A1 EP 1466384A1
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EP
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slot
antenna
line
supply line
monopoly
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EP03718817A
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Franck Thudor
Ali Louzir
Philippe Minard
Françoise Le Bolzer
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THOMSON LICENSING
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Thomson Licensing SAS
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Publication date
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    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
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    • H01Q3/24—Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system varying the orientation by switching energy from one active radiating element to another, e.g. for beam switching
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    • H01Q9/00—Electrically-short antennas having dimensions not more than twice the operating wavelength and consisting of conductive active radiating elements
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    • H01Q9/30—Resonant antennas with feed to end of elongated active element, e.g. unipole
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    • H01Q1/00—Details of, or arrangements associated with, antennas
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    • H01Q1/22—Supports; Mounting means by structural association with other equipment or articles
    • H01Q1/24—Supports; Mounting means by structural association with other equipment or articles with receiving set
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    • H01Q21/00—Antenna arrays or systems
    • H01Q21/28—Combinations of substantially independent non-interacting antenna units or systems

Definitions

  • the present invention relates to a device for the reception and / or emission of electromagnetic waves with diversity of radiation usable in the field of wireless transmissions, in particular in the case of transmissions in closed or semi-closed environments such as networks. domestic wireless, gymnasiums, television studios, theaters or the like but also in wireless communication systems requiring minimal space for the antenna system such as in mobile telephony.
  • the signals transmitted by the transmitter reach the receiver along a plurality of distinct paths.
  • the phase differences between the different rays having traveled paths of different lengths give rise to an interference pattern capable of causing fading or significant degradation of the signal.
  • the location of the fainting changes over time, depending on changes in the environment, such as the presence of new objects or the passage of people. These fading due to multipaths can cause significant degradations both in terms of the quality of the received signal and in terms of system performance.
  • This technique consists inter alia in using a pair of antennas with large spatial coverage such as two antennas of the patch or “patch” type associated with a switch.
  • the two antennas are spaced apart by a length which must be greater than or equal to ⁇ O / 2 where ⁇ O is the wavelength corresponding to the operating frequency of the antenna.
  • ⁇ O is the wavelength corresponding to the operating frequency of the antenna.
  • the switch it is possible to select the branch connected to the antenna having the highest signal level by examining the signal received via a control circuit.
  • the main drawback of this solution is that it is relatively bulky, since it requires minimum spacing between the radiating antennas to ensure sufficient decorrelation of the channel responses seen through each radiating element.
  • the present invention therefore aims to propose a new solution for a device for the reception and / or emission of electromagnetic waves with diversity of radiation having an extremely compact structure while giving radiation patterns having very good complementarity. It also makes it possible to obtain a device for the reception and / or the emission of electromagnetic waves with diversity of radiation having a relatively low manufacturing cost.
  • the subject of the present invention is a device for the reception and / or emission of electromagnetic waves with radiation diversity, characterized in that it comprises, on a common substrate, at at least one antenna of the slot type constituted by a closed curve, electromagnetically coupled to a first supply line and an antenna having a radiation parallel to the substrate such as a monopole, a helix operating in transverse mode or the like, positioned inside of the slot type antenna and connected to a second supply line, said first and second supply lines being connected by means of a switching means to means for operating the electromagnetic waves.
  • the device for the reception and / or the emission of electromagnetic waves described above uses the fact that the antennas of the slot type constituted by a closed curve called hereinafter antennas of the slot type as well as the antennas of the monopoly or helix type operating in transverse mode present quasi-omnidirectional radiation patterns with minima situated respectively in the plane of the substrate for the slot type antenna and along the axis of the monopoly or of the helix for the other antenna.
  • antennas of the slot type constituted by a closed curve called hereinafter antennas of the slot type as well as the antennas of the monopoly or helix type operating in transverse mode present quasi-omnidirectional radiation patterns with minima situated respectively in the plane of the substrate for the slot type antenna and along the axis of the monopoly or of the helix for the other antenna.
  • the first supply line is made in microstrip technology or in coplanar technology.
  • the second supply line is made using microstrip technology or by a coaxial line.
  • connection is formed at the level of the slot type antenna between the external part and the internal part of the slot, this connection being constituted, for example, by a conductive insert having an equal width. about two to three times the width of the line produced in microstrip technology, so as not to disrupt the operation of the exciting microstrip line.
  • this connection is made in an electric short-circuit plane for the slot which is therefore the plane of crossing of the excitation microstrip line of the monopole or helix type antenna and of the slot type antenna.
  • the slot type antenna is constituted by an annular slot of circular shape or constituted by a closed curve with a perimeter equal to k' ⁇ s where k 'is an integer and ⁇ s the wavelength in the slot at the operating frequency and or by a polygonal slot such as square or rectangular.
  • the device for the reception and / or the emission of electromagnetic waves with diversity of radiation can comprise several antennas of slot type nested one inside the other so as to widen the band of operating or enabling multiband applications.
  • FIGS. 2 and 3 are respectively a sectional and top view of the first embodiment
  • FIGS. 4 and 5 represent in perspective the radiation diagram of the monopoly and the radiation diagram of the slot for a device according to FIGS. 1 to 3,
  • FIG. 6 shows a curve giving the parameters S in dB as a function of the frequency between the different "ports" for a device according to Figures 1 to 3
  • - Figure 7 is a sectional view of a second embodiment of the present invention
  • FIG. 8 is a curve identical to that of FIG. 6 for the second embodiment
  • the device for receiving and / or transmitting electromagnetic waves consists essentially of a slot-type antenna 1 formed of a closed curve, more particularly an annular slot, and by a antenna 2 having radiation parallel to the plane of the slot, namely a monopoly in the embodiment shown.
  • the monopoly 2 is positioned at the center of the annular slot 1.
  • the device of the present invention comprises a substrate made of dielectric material 3, the upper face of which has been metallized.
  • the annular slot 1 is produced by de-metallization of the metal layer 4 according to a circle of diameter as a function of the operating wavelength of the device, more particularly the perimeter is equal to k' ⁇ s where ⁇ s is the wavelength in the slot at the operating frequency and k 'an integer.
  • a circular opening 5 of diameter D is provided in the center of the annular slot.
  • This opening receives in its central part the monopoly 2 which also passes through the substrate 3.
  • Under the monopoly 2 is provided, on the underside of the substrate 3, an annular metal patch 5 for fixing.
  • the annular slot 1 is excited according to the method described by Knorr, by a microstrip line 6 connected to the "port 1".
  • the monopoly 2 is excited by a microstrip line 7.
  • a connection is made between the inner disc and the outer ring constituting the annular slot 1.
  • This connection is made at using a conductive insert 8 of width w sufficiently wide (width equal to approximately 2 to 3 times the width of the printed excitation line) so as not to disturb the operation of the excitation microstrip line.
  • this is produced in an electric short-circuit plane for the slot, which will therefore be the plane of intersection of the excitation line of the monopoly and of the annular slot.
  • the annular slot 1 and the monopoly 2 present quasi-omnidirectional and relatively complementary radiation patterns insofar as the minima m are located respectively in the plane of the substrate (in this case according to the 'axis ox) for the annular slot and along the axis of the monopoly (in this case the oz axis) for the latter.
  • a switching device well known to those skilled in the art, such as a switch positioned between the supply lines 6 and 7 and the part of signal processing, controlled by a control signal such as signal level, signal-to-noise ratio or similar
  • a control signal such as signal level, signal-to-noise ratio or similar
  • Symmetric reasoning can be done in the case where the dominant signal arrives along the oz axis, for example in the case of a multi-stage communication.
  • the coupling between the annular slot 1 and the monopoly 2 remains reduced taking into account: i) the complementarity of the radiation patterns (the directions of the maxima of one are in the direction of the minima of the other) ii) the orthogonality of the fields emitted by the slot and the monopoly.
  • FIG. 6 shows the simulation results of the reflection coefficients at the input of the lines supplying the annular slit (S11) and the monopoly (S22) as well as the coupling coefficient (S21) between the 2 ports 1 and 2.
  • S11 annular slit
  • S22 monopoly
  • S21 coupling coefficient
  • the radiation patterns obtained at the monopoly and annular slot access respectively are those represented in FIGS. 4 and 5.
  • the antenna system works as desired, or therefore with quasi-omni-directional diagrams, complementary with minima along the oz axis for the monopoly and the ox axis for the annular slot.
  • the monopoly is excited by a coaxial line connected at the level of the port 2.
  • the excitation of the monopoly is done on the side of the ground plane 9 of the substrate.
  • the ground plane 9 is produced on the underside of the substrate 3.
  • the antenna formed by the annular slot 1 is formed in this ground plane.
  • the supply line formed by a microstrip line 6 is then produced by the upper face of the substrate, the excitation taking place as in the previous embodiment.
  • the substrate used is Rogers 4003, of relative permittivity
  • FIG. 8 The adaptations to the two ports as well as the insulation between the two ports are shown in Figure 8.
  • the curve S21 shows good insulation while the curves S11 and S22 show a good adaptation to the operating frequency of 5.8 GHz.
  • Figures 9 and 10 show the radiation diagrams of the device for receiving and / or transmitting electromagnetic waves described above, respectively at the slot and monopoly ports. It can be seen that the excitation by coaxial line of the monopoly which has the advantage of avoiding the crossing between the excitation line of the monopoly and the slot antenna, has better insulation (insulation greater than 22 dB) than in the case of excitation by microstrip line and the monopoly diagram is no longer distorted. This advantage is obtained at the expense of a complexification of the antenna structure, (slot and monopoly access on opposite faces of the substrate and of different types: coaxial line and microstrip line).
  • the slot can also be square, rectangular or according to other polygons while remaining within the framework of the definition given above.
  • the monopoly or the propeller can be replaced by antennas of the same type which can be placed at the center of the slot antenna and having a radiation parallel to the substrate.
  • the feed line of the slot type antenna can be produced by a line in microstrip technology or in coplanar technology.
  • the slot-type antenna may be provided with means enabling it to operate in crossed polarizations, such as notches in the case of an annular slot.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
  • Waveguide Aerials (AREA)
  • Variable-Direction Aerials And Aerial Arrays (AREA)

Abstract

La présente invention concerne un dispositif pour la réception et/ou l'émission d'ondes électromagnétiques à diversité de rayonnement. Ce dispositif comporte, sur un substrat commun (3), au moins une antenne de type fente (1) constituée par une courbe fermée, dite antenne de type fente, couplée électromagnétiquement à une première ligne d'alimentation (6) et une antenne présentant un rayonnement parallèle au substrat (2), positionnée à l'intérieur de l'antenne de type fente et connectée à une deuxième ligne d'alimentation, lesdites première et deuxième lignes d'alimentation étant connectées par l'intermédiaire d'un moyen de commutation à des moyens d'exploitation des ondes électromagnétiques. L'invention s'applique notamment dans le domaine des transmissions sans fils.

Description

DISPOSITIF POUR LA RECEPTION ET/OU L'EMISSION D'ONDES ELECTROMAGNETIQUES A DIVERSITE DE RAYONNEMENT
La présente invention concerne un dispositif pour la réception et/ou l'émission d'ondes électromagnétiques à diversité de rayonnement utilisable dans le domaine des transmissions sans fil, notamment dans le cas de transmissions dans des milieux clos ou semi-clos tels que les réseaux domestiques sans fils, les gymnases, les studios de télévision, les salles de spectacle ou similaires mais aussi dans les systèmes de communication sans fils demandant un encombrement minimal pour le système d'antenne tel que dans la téléphonie mobile.
Dans les systèmes connus de transmission sans fils à haut-débit, les signaux transmis par l'émetteur atteignent le récepteur selon une pluralité de chemins distincts. Lors de leur combinaison au niveau du récepteur, les différences de phase entre les différents rayons ayant parcouru des trajets de longueurs différentes, donnent lieu à une figure d'interférence susceptible de provoquer des évanouissements ou une dégradation importante du signal. D'autre part, l'emplacement des évanouissements change au cours du temps, en fonction des modifications de l'environnement, telles que la présence de nouveaux objets ou le passage de personnes. Ces évanouissements dus aux multitrajets peuvent entraîner des dégradations importantes tant au niveau de la qualité du signal reçu qu'au niveau des performances du système.
Pour lutter contre les évanouissements, la technique la plus souvent utilisée est une technique dite à diversité spatiale. Cette technique consiste entre autres à utiliser une paire d'antennes à large couverture spatiale telles que deux antennes du type pastille ou « patch » associées à un commutateur. Les deux antennes sont espacées d'une longueur qui doit être supérieure ou égale à λO/2 où λO est la longueur d'onde correspondant à la fréquence de fonctionnement de l'antenne. Avec ce type d'antenne, on peut montrer que la probabilité d'avoir les deux antennes simultanément dans un évanouissement est très faible. D'autre part, grâce au commutateur, il est possible de sélectionner la branche reliée à l'antenne présentant le niveau du signal le plus élevé en examinant le signal reçu par l'intermédiaire d'un circuit de contrôle. Toutefois, cette solution a pour principal inconvénient d'être relativement volumineuse, car elle nécessite un espacement minimum entre les antennes rayonnantes pour assurer une décorrelation suffisante des réponses du canal vues à travers chaque élément rayonnant.
Différentes solutions ont été proposées pour réduire l'encombrement du système d'antenne tout en assurant une diversité suffisante. Certaines solutions ont fait l'objet de plusieurs demandes de brevet déposées au nom dé THOMSON multimédia Licensing S.A. Elles consistent notamment à utiliser plusieurs antennes du type fente alimentées par des transitions ligne-fente et munies de moyens permettant d'obtenir une diversité de rayonnement, notamment des diodes permettant de commuter sur l'une ou l'autre des antennes en fonction du niveau du signal reçu.
D'autre part, dans l'Article IEEE, Vol. 49 n° 5 de Mai 2001 , intitulé « diversity antenna for extemal mounting on wireless handsets », il a aussi été proposé, dans le domaine de la téléphonie mobile, d'associer une fente λ/4 avec un monopole pour réaliser un système à diversité de rayonnement. Toutefois, le système proposé est une structure en trois dimensions relativement complexe .
La présente invention a donc pour but de proposer une nouvelle solution pour un dispositif pour la réception et/ou l'émission d'ondes électromagnétiques à diversité de rayonnement présentant une structure extrêmement compacte tout en donnant des diagrammes de rayonnement présentant une très bonne complémentarité. Elle permet aussi d'obtenir un dispositif pour la réception et/ou l'émission d'ondes électromagnétiques à diversité de rayonnement présentant un coût de fabrication relativement faible. En conséquence, la présente invention a pour objet un dispositif pour la réception et/ou l'émission d'ondes électromagnétiques à diversité de rayonnement, caractérisé en ce qu'il comporte sur un substrat commun, au moins une antenne du type fente constituée par une courbe fermée, couplée électromagnétiquement à une première ligne d'alimentation et une antenne présentant un rayonnement parallèle au substrat tel qu'un monopole, une hélice fonctionnant en mode transversal ou similaire, positionnée à l'intérieur de l'antenne de type fente et connectée à une deuxième ligne d'alimentation, lesdites première et deuxième lignes d'alimentation étant connectées par l'intermédiaire d'un moyen de commutation à des moyens d'exploitation des ondes électromagnétiques.
Le dispositif pour la réception et/ou l'émission d'ondes électromagnétiques décrit ci-dessus utilise le fait que les antennes de type fente constituée par une courbe fermée dites ci-après antennes de type fente ainsi que les antennes du type monopole ou hélice fonctionnant en mode transversal présentent des diagrammes de rayonnement quasi- omnidirectionnels avec des minima situés respectivement dans le plan du substrat pour l'antenne de type fente et selon l'axe du monopole ou de l'hélice pour l'autre antenne. Ainsi, la commutation d'une antenne sur l'autre permet de modifier la réponse du canal à travers l'antenne et de bénéficier ainsi d'un gain de diversité.
Selon des modes de réalisation préférentiels, la première ligne d'alimentation est réalisée en technologie microruban ou en technologie coplanaire. D'autre part, la première ligne d'alimentation a une longueur entre son extrémité et le point de couplage électromagnétique égale à kλm/4, où k est un entier impair et λm la longueur d'onde guidée sous la ligne d'alimentation à la fréquence centrale de fonctionnement, avec λm = λ0Λ/εreff où λO est la longueur d'onde dans le vide et εreff la permittivité effective de la ligne. La seconde ligne d'alimentation est réalisée en technologie microruban ou par une ligne coaxiale. Lorsque la ligne est réalisée en technologie microruban, une connexion est formée au niveau de l'antenne du type fente entre la partie extérieure et la partie intérieure de la fente, cette connexion étant constituée, par exemple, par un insert conducteur présentant une largeur égale à environ deux à trois fois la largeur de la ligne réalisée en technologie microruban, de manière à ne pas perturber le fonctionnement de la ligne microruban excitatrice. De plus, afin de minimiser la perturbation dans la fente de l'antenne de type fente, du fait de la présence de la connexion conductrice, cette connexion est réalisée dans un plan de court-circuit électrique pour la fente qui est donc le plan de croisement de la ligne microruban excitatrice de l'antenne de type monopole ou hélice et de l'antenne de type fente.
Selon des modes de réalisation préférentiels, l'antenne de type fente est constituée par une fente annulaire de forme circulaire ou constituée par une courbe fermée de périmètre égal à k'λs où k' est un entier et λs la longueur d'onde dans la fente à la fréquence de fonctionnement et ou par une fente polygonale telle que carrée ou rectangulaire. Selon une autre caractéristique de la présente invention, le dispositif pour la réception et/ou l'émission d'ondes électromagnétiques à diversité de rayonnement peut comporter plusieurs antennes de type fente imbriquées l'une dans l'autre de manière à élargir la bande de fonctionnement ou à permettre des applications multibandes.
D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront à la lecture de la description de divers modes de réalisation faits avec référence aux dessins ci-annexés dans lesquels : - la figure 1 est une vue en perspective schématique d'un premier mode de réalisation de la présente invention,
- les figures 2 et 3 sont respectivement une vue en coupe et de dessus du premier mode de réalisation,
- les figures 4 et 5 représentent en perspective le diagramme de rayonnement du monopole et le diagramme de rayonnement de la fente pour un dispositif selon les figures 1 à 3,
- la figure 6 représente une courbe donnant les paramètres S en dB en fonction de la fréquence entre les différents « ports » pour un dispositif selon les figures 1 à 3, - la figure 7 est une vue en coupe d'un deuxième mode de réalisation de la présente invention, - la figure 8 est une courbe identique à celle de la figure 6 pour le deuxième mode de réalisation,
- les figures 9 et 10 représentent les diagrammes de rayonnement de la fente et du monopole pour un dispositif selon la figure 7. Pour simplifier la description, dans les dessins les mêmes éléments portent les mêmes références.
Comme représenté sur les figures 1 à 3, le dispositif pour la réception et/ou l'émission d'ondes électromagnétiques est constitué essentiellement par une antenne de type fente 1 formée d'une courbe fermée, plus particulièrement une fente annulaire, et par une antenne 2 présentant un rayonnement parallèle au plan de la fente, à savoir un monopole dans le mode de réalisation représenté. Le monopole 2 est positionné au centre de la fente annulaire 1. De manière plus spécifique, comme représenté sur les figures 2 et 3, le dispositif de la présente invention comporte un substrat en matériau diélectrique 3 dont la face supérieure a été métallisée. La fente annulaire 1 est réalisée par dé métallisation de la couche métallique 4 selon un cercle de diamètre fonction de la longueur d'onde de fonctionnement du dispositif, plus particulièrement le périmètre est égal à k'λs où λs est la longueur d'onde dans la fente à la fréquence de fonctionnement et k' un entier.
D'autre part, une ouverture circulaire 5 de diamètre D est prévue au centre de la fente annulaire. Cette ouverture reçoit dans sa partie centrale le monopole 2 qui traverse aussi le substrat 3. Sous le monopole 2 est prévue, sur la face inférieure du substrat 3, une pastille annulaire métallique 5 de fixation. Comme représenté plus particulièrement sur la figure 3, la fente annulaire 1 est excitée selon la méthode décrite par Knorr, par une ligne microruban 6 reliée au « port 1 ». Cette ligne microruban 6 est réalisée sur la face inférieure du substrat. Elle présente entre son extrémité libre 6' et le point de couplage électromagnétique avec la fente 2, une longueur Lm = kλm/4 où λm est la longueur d'onde sous la ligne et k un entier impair.
De même, dans le mode de réalisation représenté, le monopole 2 est excité par une ligne microruban 7. Comme représenté en Figure 3, afin d'assurer une continuité du plan de masse pour la ligne microruban 7 excitant le monopole 2, il est réalisé une connexion entre le disque intérieur et la couronne extérieure constituant la fente annulaire 1. Cette connexion est réalisée à l'aide d'un insert conducteur 8 de largeur w suffisamment large ( largeur égale à environ 2 à 3 fois la largeur de la ligne imprimée excitatrice ) pour ne pas perturber le fonctionnement de la ligne microruban excitatrice. Afin de minimiser la perturbation de la fente annulaire par la présence de cet insert métallique, celui-ci est réalisé dans un plan de court-circuit électrique pour la fente, qui sera donc le plan de croisement de la ligne excitatrice du monopole et de la fente annulaire.
Comme présenté dans les figures 4 et 5, la fente annulaire 1 et le monopole 2 présentent des diagrammes de rayonnement quasi- omnidirectionels et relativement complémentaires dans la mesure où les minima m sont situés respectivement dans le plan du substrat ( en l'occurrence selon l'axe ox ) pour la fente annulaire et selon l'axe du monopole (en l'occurrence l'axe oz) pour ce dernier. Ainsi la commutation d'un port à l'autre (à l'aide d'un dispositif de commutation bien connu de l'homme de l'art, tel qu'un commutateur positionné entre les lignes d'alimentation 6 et 7 et la partie du traitement du signal, piloté par un signal de commande tel que le niveau du signal, le rapport signal sur bruit ou similaire), permet de modifier la réponse du canal à travers l'antenne et bénéficier ainsi d'un gain de diversité. En effet, si par exemple la dominante du signal reçu arrive selon l'axe ox ce qui reviendrait à recevoir un signal faible à travers l'accès relié à la fente, en commutant sur l'accès connecté au monopole, on a toutes les chances de recevoir un signal de niveau significatif compte tenu du fait que la direction ox correspond à un maximum pour le diagramme du monopole. Un raisonnement symétrique peut être fait dans le cas où le signal dominant arrive selon l'axe oz, par exemple dans le cas d'une communication multi-étages. Dans ce cas, le couplage entre la fente annulaire 1 et le monopole 2 reste réduit compte tenu : i) de la complémentarité des diagrammes de rayonnements ( les directions des maxima de l'un se trouvent dans la direction des minima de l'autre ) ii) de l'orthogonalité des champs émis par la fente et le monopole.
Ainsi, on peut s'attendre à des perturbations mutuelles minimales entre les deux éléments rayonnants bien qu'occupant quasiment le même espace physique.
Afin de s'assurer du bon fonctionnement d'un dispositif d'émission/réception tel que décrit ci-dessus, celui-ci a été complètement dimensionné pour un fonctionnement à la fréquence centrale d'environ 5.8 GHz puis simulé à l'aide du logiciel de simulation HFSS de Ansoft. Par référence aux schémas des Figures 1 à 3, le système constitué par une fente annulaire 1 et un monopole 2 présente les dimensions suivantes :
• Rjnt=6.4mm (rayon intérieur de la fente)
• Reχt=6.8mm (rayon extérieur de la fente) • Ws=0.4mm (largeur de la fente, Ws=Reχt-Rint)
• Wmι=0.3mm (largeur de la ligne microruban alimentant la fente)
• lmι=8.25mm (longueur de la ligne microruban alimentant la fente entre le port 1 et la transition ligne/fente)
• lmι'=8.25mm (longueur de la ligne microruban alimentant la fente entre la transition ligne/fente et l'extrémité de la ligne en circuit ouvert)
• D=2mm (diamètre de la démétallisation au centre de la fente)
• L=13.21 mm (longueur du monopole)
• D=30mm (diamètre du plan de masse)
• DmonoPoie=1 mm (diamètre du fil métallique consituant le monopole)
• Wm2=0.2mm (largeur de la ligne microruban alimentant le monopole) • lm2=8.4mm (longueur de la ligne microruban alimentant le monopole entre le port 2 et la transition ligne/fente)
• lm2'=8.8mm
• insert de 1.2mm de long (soit 3% de la longueur de la fente) • une pastille métallique de diamètre 2mm est placée sous le monopole (elle permet de souder plus facilement le monopole à sa ligne d'alimentation)
Le substrat utilisé est du Rogers 4003, de permittivité relative Dr=3.38 et d'épaisseur h=0.81 mm. La Figure 6 montre les résultats de simulation des coefficients de réflexion à l'entrée des lignes alimentant la fente annulaire ( S11) et le monopole ( S22) ainsi que le coefficient de couplage ( S21) entre les 2 ports 1 et 2. On peut constater une bonne adaptation des 2 antennes ainsi qu'une isolation entre les deux accès meilleure que 19dB malgré l'extrême proximité des deux éléments rayonnants, à savoir la fente 1 et le monopole 2.
Dans ce cas, les diagrammes de rayonnement obtenus à l'accès respectivement monopole et fente annulaire sont ceux représentés sur les figures 4 et 5. Malgré une légère déformation du diagramme du monopole, on peut constater que le système d'antenne fonctionne comme souhaité, soit donc avec des diagrammes quasi-omni-directionnels, complémentaires avec des minima selon l'axe oz pour le monopole et l'axe ox pour la fente annulaire.
Selon une variante, représenté sur la figure 7, le monopole est excité par une ligne coaxiale reliée au niveau du port 2. Dans cette variante 2, l'excitation du monopole se fait du côté du plan de masse 9 du substrat. Dans ce cas, le plan de masse 9 est réalisé sur la face inférieure du substrat 3. L'antenne constituée par la fente annulaire 1 est formée dans ce plan de masse. La ligne d'alimentation formée d'une ligne microruban 6 est alors réalisée par la face supérieure du substrat, l'excitation ayant lieu comme dans le mode de réalisation précédent. Des simulations spécifiques de cette variante ont été effectuées à l'aide du logiciel HFSS de Ansoft, sur une réalisation particulière dont le dimensionnement est comme suit : • Rint=6.4mm (rayon intérieur de la fente)
• Rext=6.8mm (rayon extérieur de la fente)
• Ws=0.4mm (largeur de la fente, Ws=Rext-Rint) • Wmι=0.3mm (largeur de la ligne microruban alimentant la fente)
• (longueur de la ligne microruban alimentant la fente entre le port 1 et la transition ligne/fente)
• lmι'=8.25mm (longueur de la ligne microruban alimentant la fente entre la transition ligne/fente et l'extrémité de la ligne en circuit ouvert) • D=2mm (diamètre de la démétallisation au centre de la fente)
• L=12.4mm (longueur du monopole)
• D=30mm (diamètre du plan de masse)
• (diamètre du fil métallique consituant le monopole) Le substrat utilisé est du Rogers 4003, de permittivité relative
Dr=3.38 et d'épaisseur h=0.81mm.
Les adaptations aux deux accès ainsi que l'isolation entre les deux ports sont représentées sur la figure 8. La courbe S21 montre une bonne isolation tandis que les courbes S11 et S22 montrent une bonne adaptation à la fréquence de fonctionnement de 5,8 GHz. Les figures 9 et 10 présentent les diagrammes de rayonnement du dispositif pour la réception et/ou l'émission d'ondes électromagnétiques décrit ci-dessus, respectivement aux accès fente et monopole. On peut constater que l'excitation par ligne coaxiale du monopole qui a l'avantage d'éviter le croisement ente la ligne d'excitation du monopole et l'antenne fente, présente une meilleure isolation (isolation supérieure à 22 dB) que dans le cas de l'excitation par ligne micro-ruban et le diagramme du monopole n'est plus distordu. Cet avantage est obtenu aux dépens d'une complexification de la structure d'antenne, (accès fente et monopole sur des faces opposées du substrat et de type différents : ligne coaxiale et ligne microruban).
D'autres modifications peuvent être apportées telles que l'utilisation d'une hélice fonctionnant sur son mode transversal à la place du monopole, l'utilisation d'une fente double ou multiple pour élargir la bande ou pour des applications multi-bandes, l'alimentation tangentielle de la fente au lieu d'une alimentation de type Knorr, la déformation de la fente annulaire pour réduire encore plus son encombrement, la fente pouvant être aussi de forme carrée, rectangulaire ou selon d'autres polygones tout en restant dans le cadre de la définition donnée ci-dessus. De même, le monopole ou l'hélice peuvent être remplacés par des antennes de même type pouvant être placées au cente de l'antenne fente et présentant un rayonnement parallèle au substrat. La ligne d'alimentation de l'antenne de type fente peut être réalisée par une ligne en technologie microruban ou en technologie coplanaire. De plus, l'antenne de type fente peut être munie de moyens permettant son fonctionnement en polarisations croisées, tels que des encoches dans le cas d'une fente annulaire.

Claims

REVENDICATIONS
1 - Dispositif pour la réception et/ou l'émission d'ondes électromagnétiques à diversité de rayonnement, caractérisé en ce qu'il comporte, sur un substrat commun (3), au moins une antenne de type fente (1 ) constituée par une courbe fermée, dite antenne de type fente, couplée électromagnétiquement à une première ligne d'alimentation (6) et une antenne présentant un rayonnement parallèle au substrat (2), positionnée à l'intérieur de l'antenne de type fente et connectée à une deuxième ligne d'alimentation (7), lesdites première et deuxième lignes d'alimentation étant connectées par l'intermédiaire d'un moyen de commutation à des moyens d'exploitation des ondes électromagnétiques.
2 - Dispositif selon la revendication 1 , caractérisé en ce que la première ligne d'alimentation (6) est réalisée en technologie microruban ou en technologie coplanaire.
3 - Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que la première ligne d'alimentation (6) a une longueur entre son extrémité et le point de couplage électromagnétique égale à kλm/4 où k est un entier impair et λm la longueur d'onde guidée sous la ligne d'alimentation à la fréquence centrale de fonctionnement avec λm = λ0Λ/εreff où λO est la longueur d'onde dans le vide et εreff la permittivité effective de la ligne.
4 - Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la seconde ligne d'alimentation (7) est réalisée en technologie microruban ou par une ligne coaxiale.
5 - Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que lorsque la ligne est réalisée en technologie microruban, une connexion est réalisée au niveau de l'antenne de type fente entre la partie extérieure et la partie intérieure de la fente. 6 - Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que la connexion est constituée par un insert 8 conducteur présentant une largeur égale à 2 à 3 fois la largeur de la ligne réalisée en technologie microruban.
7 - Dispositif selon l'une quelconque des revendications 5 et 6, caractérisé en ce que la connexion est positionnée dans un plan de court- circuit électrique pour la fente.
8 - Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que l'antenne de type fente est constituée par une fente annulaire de forme circulaire ou constituée par une courbe fermée de périmètre égal à k'λs où λs est la longueur d'onde dans la fente à la fréquence de fonctionnement ou une fente polygonale telle que carrée ou rectangulaire et k' un entier.
9 - Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que l'antenne (2) présentant un rayonnement parallèle au substrat est constitué par un monopole ou une hélice fonctionnant en mode transversal.
10 - Dispositif selon la revendication 8, caractérisé en ce qu'il peut comporter plusieurs antennes de type fente imbriquées l'une dans l'autre.
11 - Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que l'antenne (2) présentant un rayonnement parallèle au substrat est positionnée au centre de la ou des antennes de type fente.
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