EP1466384B1 - Device for receiving and/or emitting electromagnetic waves with radiation diversity - Google Patents
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- EP1466384B1 EP1466384B1 EP03718817A EP03718817A EP1466384B1 EP 1466384 B1 EP1466384 B1 EP 1466384B1 EP 03718817 A EP03718817 A EP 03718817A EP 03718817 A EP03718817 A EP 03718817A EP 1466384 B1 EP1466384 B1 EP 1466384B1
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Definitions
- the present invention relates to a device for receiving and / or the emission of electromagnetic waves with a radiation diversity usable in the field of wireless transmissions, particularly in the case transmissions in closed or semi-enclosed environments such as networks wireless homes, gymnasiums, television studios, movie theaters show or similar but also in communication systems wireless requiring minimal footprint for the antenna system such as in mobile telephony.
- the signals transmitted by the transmitter reach the receiver in a plurality distinct paths.
- the phase differences between different departments that have traveled of different lengths give rise to an interference figure cause fainting or significant deterioration of the signal.
- the location of fading changes during time, depending on changes in the environment, such as presence of new objects or the passage of people. These fading due to multipaths can lead to degradations important in terms of both the quality of the signal received and the system performance.
- This technique consists among other things in using a pair of antennas with wide coverage such as two patch-type antennas or "patch" associated with a switch.
- the two antennas are spaced a length that must be greater than or equal to ⁇ 0 / 2 where ⁇ 0 is the corresponding wavelength at the frequency of operation of the antenna.
- ⁇ 0 is the corresponding wavelength at the frequency of operation of the antenna.
- the switch it is possible to select the branch connected to the antenna presenting the highest signal level by examining the signal received through a control circuit.
- this solution is mainly disadvantage of being relatively large because it requires a minimum spacing between the radiating antennas to ensure sufficient decorrelation of the channel responses seen through each radiating element.
- THOMSON multimedia Licensing S.A. consist in particular of using several slot-type antennas fed through line-slot transitions and provided with means to obtain a radiation diversity, including diodes for switching on either antenna depending on the level of the received signal.
- US-A-5,402,136 (GOTO NAOHISA ET AL) published on March 28, 1995 discloses a device for the reception and emission of electromagnetic waves comprising a monopole antenna and several antennas type notch.
- the present invention therefore aims to propose a new solution for a device for reception and / or emission of waves electromagnetic radiation-rich structures having a structure extremely compact while giving radiation diagrams presenting a very good complementarity. It also allows to obtain a device for the reception and / or emission of electromagnetic waves radiation diversity with a relatively low manufacturing cost low.
- the present invention relates to a device for the reception and / or emission of electromagnetic waves with a diversity of radiation, comprising on a common substrate, at minus a slot-type antenna constituted by a closed curve, coupled electromagnetically to a first power line and an antenna having a radiation parallel to the substrate such as a monopole, a propeller operating in transverse mode or the like, positioned inside of the slot-type antenna and connected to a second power line, said first and second supply lines being connected by via a switching means to operating means of electromagnetic waves.
- the device for receiving and / or transmitting waves electromagnetic described above uses the fact that antennas type slot constituted by a closed curve, hereinafter referred to as type antennas slot as well as antennas of the monopole or propeller type operating in transversal mode show almost omni-directional radiation patterns with minima located respectively in the plane of the substrate for the slot-type antenna and along the axis of monopoly or the propeller for the other antenna.
- switching from one antenna to another allows to modify the response of the channel through the antenna and to benefit thus a gain of diversity.
- the first power supply line is made using microstrip technology or coplanar technology.
- the second feed line is made in microstrip technology or a coaxial line.
- connection is formed at the slot-type antenna between the outer part and the inner part of the slot, this connection being constituted, for example, by a conductive insert having an equal width at about two to three times the width of the line made in microstrip technology, so as not to disturb the operation of the excitatory microstrip line.
- this connection is made in an electric short-circuit plane for the slot which is therefore the plane of the slot. crossing the excitatory microstrip line of the monopole type antenna or helix and slot type antenna.
- the antenna type slot is constituted by an annular slot of circular or constituted form by a closed perimeter curve equal to k' ⁇ s where k 'is an integer and ⁇ s la wavelength in the slot at the operating frequency and or by a polygonal slot such as square or rectangular.
- the device for receiving and / or the emission of electromagnetic waves with a diversity of radiation can have several slot antennas nested within each other to widen the operating band or to allow multiband applications.
- the device for reception and / or emission of electromagnetic waves is constituted essentially by a slot-type antenna 1 formed of a curve closed, more particularly an annular slot, and by an antenna 2 having a radiation parallel to the plane of the slot, namely a monopoly in the embodiment shown.
- Monopoly 2 is positioned in the center of the annular slot 1.
- the device of the present invention comprises a substrate of dielectric material 3 whose upper face has been metallized.
- the annular slot 1 is made by de metallizing the metal layer 4 according to a diameter circle depending on the length operating waveform of the device, more particularly the perimeter is equal to k' ⁇ s where ⁇ s is the wavelength in the slot at the frequency of functioning 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 monopoly 2 which also crosses the substrate 3.
- Under monopoly 2 is provided, on the underside of the substrate 3, a metal annular pellet 5 of fixation.
- annular slot 1 is excited according to the method described by Knorr, by a microstrip line 6 connected to "port 1".
- monopoly 2 is excited by a microstrip line 7.
- the annular slot 1 and the monopole 2 exhibit near-omnidirectional radiation patterns and relatively complementary to the extent that minima m are respectively located in the plane of the substrate (in the occurrence along the axis ox) for the annular slot and along the axis of the monopoly (in this case the oz axis) for the latter.
- switching from one port to another using a well-known switching device those skilled in the art, such as a switch positioned between the lines 6 and 7 and the signal processing part, driven by a signal control such as signal level, signal-to-noise ratio or similar), allows to modify the response of the channel through the antenna and thus benefit from a diversity gain.
- the dominant the received signal arrives along the axis ox which would be to receive a signal weak across the access connected to the slot, by switching on the connected access to the monopoly, we are likely to receive a level signal significant given that the ox direction corresponds to a maximum for the monopoly diagram.
- Symmetrical reasoning can be done in the case where the dominant signal arrives along the axis oz, for example in the case of multi-stage communication.
- Figure 6 shows the simulation results of the coefficients of reflection at the input of the lines feeding the annular slot (S11) and the monopoly (S22) and the coupling coefficient (S21) between the two ports 1 and 2. It can be seen a good adaptation of the 2 antennas as well as insulation between the two access better than 19dB despite the extreme proximity of the two radiating elements, namely the slot 1 and the monopole 2.
- the radiation patterns obtained at the access respectively monopoly and annular slot are those represented on the Figures 4 and 5.
- the antenna system operates as desired, either so with quasi-omni-directional diagrams, complementary with minima along the oz axis for the monopole and the ox axis for the slot annular.
- monopoly or propeller may be replaced by antennas of the same type which may be placed at the slot of the slot antenna and having a parallel radiation to the substrate.
- the power line of the slot type antenna can be made by a line in microstrip technology or in technology coplanar.
- the slot-type antenna can be provided with means allowing it to work in cross-polarizations, such as notches in the case of an annular slot.
Description
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.The present invention relates to a device for receiving and / or the emission of electromagnetic waves with a radiation diversity usable in the field of wireless transmissions, particularly in the case transmissions in closed or semi-enclosed environments such as networks wireless homes, gymnasiums, television studios, movie theaters show or similar but also in communication systems wireless requiring minimal footprint for the antenna system such as in mobile telephony.
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 entraíner des dégradations importantes tant au niveau de la qualité du signal reçu qu'au niveau des performances du système.In known high-speed wireless transmission systems, the signals transmitted by the transmitter reach the receiver in a plurality distinct paths. When they are combined at the receiver, the phase differences between different departments that have traveled of different lengths, give rise to an interference figure cause fainting or significant deterioration of the signal. On the other hand, the location of fading changes during time, depending on changes in the environment, such as presence of new objects or the passage of people. These fading due to multipaths can lead to degradations important in terms of both the quality of the signal received and the system performance.
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 λ0/2 où λ0 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.To combat fainting, the most often used is a so-called spatial diversity technique. This technique consists among other things in using a pair of antennas with wide coverage such as two patch-type antennas or "patch" associated with a switch. The two antennas are spaced a length that must be greater than or equal to λ0 / 2 where λ0 is the corresponding wavelength at the frequency of operation of the antenna. With this type of antenna, can show that the probability of having both antennas simultaneously in a fainting is very weak. On the other hand, thanks to the switch, it is possible to select the branch connected to the antenna presenting the highest signal level by examining the signal received through a control circuit. However, this solution is mainly disadvantage of being relatively large because it requires a minimum spacing between the radiating antennas to ensure sufficient decorrelation of the channel responses seen through each radiating element.
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 de THOMSON multimedia 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.Different solutions have been proposed to reduce congestion of the antenna system while ensuring diversity sufficient. Some solutions have been the subject of several requests for patents filed in the name of THOMSON multimedia Licensing S.A. consist in particular of using several slot-type antennas fed through line-slot transitions and provided with means to obtain a radiation diversity, including diodes for switching on either antenna depending on the level of the received signal.
D'autre part, dans l'Article IEEE, Vol. 49 n° 5 de Mai 2001, intitulé « diversity antenna for external 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.On the other hand, in Article IEEE, Vol. 49 No. 5 of May 2001, entitled "Diversity antenna for external mounting on wireless handsets", he also has been proposed, in the field of mobile telephony, to associate a slot λ / 4 with a monopoly to realize a radiation diversity system. However, the proposed system is a three-dimensional structure relatively complex.
Le document US-A-5 402 136 (GOTO NAOHISA ET AL) publié le 28 mars 1995 divulgue un dispositif pour la réception et l'émission d'ondes électromagnétiques comportant une antenne monopole et plusieurs antennes de type encoche.US-A-5,402,136 (GOTO NAOHISA ET AL) published on March 28, 1995 discloses a device for the reception and emission of electromagnetic waves comprising a monopole antenna and several antennas type notch.
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.The present invention therefore aims to propose a new solution for a device for reception and / or emission of waves electromagnetic radiation-rich structures having a structure extremely compact while giving radiation diagrams presenting a very good complementarity. It also allows to obtain a device for the reception and / or emission of electromagnetic waves radiation diversity with a relatively low manufacturing cost low.
En conséquence, la présente invention a pour objet un dispositif pour la réception et/ou l'émission d'ondes électromagnétiques à diversité de rayonnement, comportant 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.Accordingly, the present invention relates to a device for the reception and / or emission of electromagnetic waves with a diversity of radiation, comprising on a common substrate, at minus a slot-type antenna constituted by a closed curve, coupled electromagnetically to a first power line and an antenna having a radiation parallel to the substrate such as a monopole, a propeller operating in transverse mode or the like, positioned inside of the slot-type antenna and connected to a second power line, said first and second supply lines being connected by via a switching means to operating means of electromagnetic waves.
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.The device for receiving and / or transmitting waves electromagnetic described above uses the fact that antennas type slot constituted by a closed curve, hereinafter referred to as type antennas slot as well as antennas of the monopole or propeller type operating in transversal mode show almost omni-directional radiation patterns with minima located respectively in the plane of the substrate for the slot-type antenna and along the axis of monopoly or the propeller for the other antenna. Thus, switching from one antenna to another allows to modify the response of the channel through the antenna and to benefit thus a gain of diversity.
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 = λ0/√εreff où λ0 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.According to preferred embodiments, the first power supply line is made using microstrip technology or coplanar technology. On the other hand, the first power supply line has a length between its end and the electromagnetic coupling point equal to kλm / 4, where k is an odd integer and λm is the guided wavelength under the power supply line. the central frequency of operation, with λm = λ0 / √εr eff where λ0 is the wavelength in the vacuum and εr eff the effective permittivity of the line. The second feed line is made in microstrip technology or a coaxial line. When the line is made in microstrip technology, a connection is formed at the slot-type antenna between the outer part and the inner part of the slot, this connection being constituted, for example, by a conductive insert having an equal width at about two to three times the width of the line made in microstrip technology, so as not to disturb the operation of the excitatory microstrip line. In addition, in order to minimize the disturbance in the slot of the slot-type antenna, because of the presence of the conductive connection, this connection is made in an electric short-circuit plane for the slot which is therefore the plane of the slot. crossing the excitatory microstrip line of the monopole type antenna or helix and slot type antenna.
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.According to preferred embodiments, the antenna type slot is constituted by an annular slot of circular or constituted form by a closed perimeter curve equal to k'λs where k 'is an integer and λs la wavelength in the slot at the operating frequency and or by a polygonal slot such as square or rectangular. According to another characteristic of the present invention, the device for receiving and / or the emission of electromagnetic waves with a diversity of radiation can have several slot antennas nested within each other to widen the operating band or to allow multiband applications.
D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaítront 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.
- FIG. 1 is a schematic perspective view of a first embodiment of the present invention,
- FIGS. 2 and 3 are respectively a view in section and from above of the first embodiment,
- Figures 4 and 5 show in perspective the monopole radiation pattern and the radiation pattern of the slot for a device according to Figures 1 to 3,
- FIG. 6 represents a curve giving the parameters S in dB as a function of the frequency between the different "ports" for a device according to FIGS. 1 to 3,
- FIG. 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,
- Figures 9 and 10 show the radiation patterns of the slot and the monopole for a device according to Figure 7.
Pour simplifier la description, dans les dessins les mêmes éléments portent les mêmes références.To simplify the description, in the drawings the same elements bear the same references.
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.As shown in FIGS. 1 to 3, the device for
reception and / or emission of electromagnetic waves is constituted
essentially by a slot-
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.On the other hand, a
De même, dans le mode de réalisation représenté, le monopole 2
est excité par une ligne microruban 7. Similarly, in the embodiment shown,
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.As shown in Figure 3, to ensure continuity of
ground plane for the
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. As shown in FIGS. 4 and 5, the
Dans ce cas, le couplage entre la fente annulaire 1 et le monopole
2 reste réduit compte tenu :
Ainsi, on peut s'attendre à des perturbations mutuelles minimales entre les deux éléments rayonnants bien qu'occupant quasiment le même espace physique.Thus, one can expect minimal mutual disruption between the two radiating elements although occupying almost the same physical space.
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 :
- 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)
- Wm1=0.3mm (largeur de la ligne microruban alimentant la fente)
- Im1=8.25mm (longueur de la ligne microruban alimentant la
fente entre le
port 1 et la transition ligne/fente) - Im1'=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)
- □=30mm (diamètre du plan de masse)
- □monopole=1mm (diamètre du fil métallique consituant le monopole)
- Wm2=0.2mm (largeur de la ligne microruban alimentant le monopole)
- Im2=8.4mm (longueur de la ligne microruban alimentant le
monopole entre le
port 2 et la transition ligne/fente) - Im2'=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)
- R int = 6.4mm (inner radius of the slot)
- R ext = 6.8mm (outer radius of the slot)
- W s = 0.4mm (width of the slot, W s = R ext -R int )
- W m1 = 0.3mm (width of the microstrip line feeding the slot)
- I m1 = 8.25mm (length of the microstrip line feeding the slot between
port 1 and the line / slot transition) - I m1 '= 8.25mm (length of the microstrip line feeding the slot between the line / slot transition and the end of the line in open circuit)
- D = 2mm (diameter of the demetallization at the center of the slot)
- L = 13.21 mm (length of monopoly)
- □ = 30mm (diameter of the ground plane)
- □ monopoly = 1 mm (wire diameter consituant monopoly)
- W m2 = 0.2mm (width of the microstrip line feeding the monopoly)
- I m2 = 8.4mm (length of the microstrip line feeding monopoly between
port 2 and line / slot transition) - Im 2 '= 8.8mm
- insert 1.2mm long (3% of the length of the slot)
- a 2mm diameter metal pellet is placed under the monopoly (it makes it easier to weld the monopoly to its power line)
Le substrat utilisé est du Rogers 4003, de permittivité relative □r=3.38 et d'épaisseur h=0.81 mm.The substrate used is Rogers 4003, with a relative permittivity □ r = 3.38 and a thickness 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.Figure 6 shows the simulation results of the coefficients of
reflection at the input of the lines feeding the annular slot (S11) and the
monopoly (S22) and the coupling coefficient (S21) between the two
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.In this case, the radiation patterns obtained at the access respectively monopoly and annular slot are those represented on the Figures 4 and 5. Despite a slight distortion of the monopole diagram, it can be seen that the antenna system operates as desired, either so with quasi-omni-directional diagrams, complementary with minima along the oz axis for the monopole and the ox axis for the slot annular.
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)
- Wm1=0.3mm (largeur de la ligne microruban alimentant la fente)
- Im1=8.25mm (longueur de la ligne microruban alimentant la
fente entre le
port 1 et la transition ligne/fente) - Im1'=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)
- □=30mm (diamètre du plan de masse)
- □monopole=1mm (diamètre du fil métallique consituant le monopole)
- R int = 6.4mm (inner radius of the slot)
- R ext = 6.8mm (outer radius of the slot)
- W s = 0.4mm (width of the slot, W s = R ext -R int )
- W m1 = 0.3mm (width of the microstrip line feeding the slot)
- I m1 = 8.25mm (length of the microstrip line feeding the slot between
port 1 and the line / slot transition) - I m1 '= 8.25mm (length of the microstrip line feeding the slot between the line / slot transition and the end of the line in open circuit)
- D = 2mm (diameter of the demetallization at the center of the slot)
- L = 12.4mm (length of monopoly)
- □ = 30mm (diameter of the ground plane)
- □ monopoly = 1mm (diameter of the wire constituting the monopoly)
Le substrat utilisé est du Rogers 4003, de permittivité relative □r=3.38 et d'épaisseur h=0.81 mm.The substrate used is Rogers 4003, with a relative permittivity □ r = 3.38 and a thickness h = 0.81 mm.
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).Adaptations to both accesses as well as insulation between two ports are shown in Figure 8. Curve S21 shows a good insulation while the S11 and S22 curves show good adaptation to the operating frequency of 5.8 GHz. Figures 9 and 10 present the radiation patterns of the device for reception and / or the emission of electromagnetic waves described above, respectively to slot and monopoly access. We can note that the coaxial line excitation of the monopoly which has the advantage of avoiding the crossing the excitation line of the monopole and the slot antenna, has better insulation (insulation greater than 22 dB) than in the case of excitation by micro-ribbon line and the monopoly diagram is more distorted. This advantage is obtained at the expense of a complexification of the antenna structure. (slot access and monopoly on opposite sides of substrate and of different types: coaxial line and microstrip line).
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.Other changes can be made such as the use of a propeller running on its transverse mode in place of the monopoly, the use of a double or multiple slot to expand the band or for multi-band applications, the tangential feeding of the slot to the instead of a Knorr type feed, the deformation of the annular slot to reduce even more its size, the slot can be also of square, rectangular or other polygons while remaining in the scope of the definition given above. Similarly, monopoly or propeller may be replaced by antennas of the same type which may be placed at the slot of the slot antenna and having a parallel radiation to the substrate. The power line of the slot type antenna can be made by a line in microstrip technology or in technology coplanar. In addition, the slot-type antenna can be provided with means allowing it to work in cross-polarizations, such as notches in the case of an annular slot.
Claims (11)
- A device for receiving and/or transmitting electromagnetic waves with radiation diversity, comprising, on a common substrate (3), at least a first antenna of the slot type (1), the first antenna being electromagnetically coupled to a first supply line (6), and a second antenna radiating parallel to the substrate (2), the second antenna being positioned inside the curve forming the first antenna and being connected to a second supply line (7), said first and second supply lines being connected via a switching means to means for exploiting the electromagnetic waves, characterized in that the slot is in the form of a closed curve of perimeter equal to k'λs where λs is the wavelength in the slot at the operating frequency and k' an integer.
- The device as claimed in claim 1, characterized in that the first supply line (6) is implemented in microstrip technology or in coplanar technology.
- The device as claimed in claim 2, characterized in that the first supply line (6) has a length between its end and the electromagnetic coupling point equal to kλm/4, where k is an odd integer and λm the guided wavelength on the supply line at the central operating frequency with λm = λ0/√εreff, where λ0 is the free-space wavelength and εreff the effective permittivity of the line.
- The device as claimed in any one of the preceding claims, characterized in that the second supply line (7) is implemented in microstrip technology or by a coaxial line.
- The device as claimed in claim 4, characterized in that when the line is implemented in microstrip technology, a connection is made at the slot antenna between the part that is external and the part that is internal to the slot.
- The device as claimed in claim 5, characterized in that the connection is formed by a conducting insert (8) having a width equal to 2 to 3 times the width of the line implemented in microstrip technology.
- The device as claimed in either one of claims 5 and 6, characterized in that the connection is positioned in an electrical short-circuit plane for the slot.
- The device as claimed in any one of claims 1 to 7, characterized in that the slot antenna is formed by an annular slot or a slot of polygonal shape such as a square or rectangle.
- The device as claimed in any one of claims 1 to 8, characterized in that the antenna (2) radiating parallel to the substrate is formed by a monopole or a helix operating in transverse mode.
- The device as claimed in claim 8, characterized in that it comprises several slot antennas interlocking one with another.
- The device as claimed in any one of claims 1 to 10, characterized in that the antenna (2) radiating parallel to the substrate is positioned at the center of the slot antenna or antennas.
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