EP2466684B1 - Système d'antenne en diversité - Google Patents

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EP2466684B1
EP2466684B1 EP11193170.5A EP11193170A EP2466684B1 EP 2466684 B1 EP2466684 B1 EP 2466684B1 EP 11193170 A EP11193170 A EP 11193170A EP 2466684 B1 EP2466684 B1 EP 2466684B1
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EP
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ground plane
antenna system
radiating elements
neutralization line
antenna
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EP11193170.5A
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EP2466684A1 (fr
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Aliou Diallo
Philippe Le Thuc
Cyril Luxey
Marcio Silva-Pimenta
Robert Staraj
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Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
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Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q1/00—Details of, or arrangements associated with, antennas
    • H01Q1/52—Means for reducing coupling between antennas; Means for reducing coupling between an antenna and another structure
    • H01Q1/521—Means for reducing coupling between antennas; Means for reducing coupling between an antenna and another structure reducing the coupling between adjacent antennas
    • H01Q1/523—Means for reducing coupling between antennas; Means for reducing coupling between an antenna and another structure reducing the coupling between adjacent antennas between antennas of an array
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q21/00—Antenna arrays or systems
    • H01Q21/28—Combinations of substantially independent non-interacting antenna units or systems
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q9/00—Electrically-short antennas having dimensions not more than twice the operating wavelength and consisting of conductive active radiating elements
    • H01Q9/04—Resonant antennas
    • H01Q9/0407—Substantially flat resonant element parallel to ground plane, e.g. patch antenna
    • H01Q9/0421—Substantially flat resonant element parallel to ground plane, e.g. patch antenna with a shorting wall or a shorting pin at one end of the element

Definitions

  • the present invention relates to a diversity antenna system.
  • the invention relates to such an antenna system which comprises ground plane means, on which are disposed at least two radiating elements and an inter-element decoupling neutralization line.
  • the invention is concerned with the reduction of the electromagnetic coupling which naturally exists between two radiating elements placed on the same support, which makes it possible to improve the performance of multi-antenna systems in MIMO for "Multiple Input-Multiple Output”. Still called for multiple entries and exits or diversity.
  • neutralization This technique is called neutralization and the corresponding line is called the neutralization line.
  • the object of the invention is therefore to solve these problems.
  • US 1 708 944 A describes a system for neutralizing the capacitive coupling effects between two antennas operating at different frequencies f1 and f2 by interposing, at the foot of each antenna, a first resonant circuit having a resonance with f1 and a second anti-resonant circuit having a resonance at f2 in order to cancel the currents flowing between the antennas at these frequencies.
  • US 2009/027286 A1 is intended to improve the insulation between antenna elements mounted on a printed circuit board.
  • the printed circuit comprises a metal layer covered with a dielectric layer.
  • two paths are offered to the current flowing from one antenna to another, the difference in the electrical lengths of these paths being maintained at half the operating wavelength of the antennas to eliminate the couplings.
  • EP 1 777 773 A1 discloses a circuit whose capacity can be adjusted
  • the subject of the invention is an antenna system as defined in claim 1.
  • a diversity antenna system which is designated by the general reference 1 and which comprises ground plane means designated by the general reference 2 on which are disposed at least two radiating elements designated by the references 3 and 4.
  • These radiating elements are for example two antennas of PIFA type of conventional type.
  • Each of these antennas is then associated with a power supply line such as the line designated by the general reference 5 for the antenna 3 and by the general reference 6 for the antenna 4.
  • Each antenna is also connected to a connection line to the ground plane, also called a short-circuit line, designated by the general reference 7 for the antenna 3 and by the general reference 8, for the antenna 6.
  • An inter-element decoupling neutralization line is also illustrated in this figure and is designated by the general reference 9.
  • this neutralization line can be associated as illustrated in the supply lines of the radiating elements or to the connection lines to the ground plane thereof.
  • this neutralization line 9 is suspended between the radiating elements 3 and 4.
  • this neutralization line can be integrated in the ground plane, or formed partly by the ground plane to which are connected conductive elements connected to the radiating elements and in part by these conductive elements.
  • the neutralization line is associated with at least one active component having at least one controllable impedance characteristic for controlling the inter-decoupling frequency. -Elements.
  • this neutralization line is associated with an active component having at least one controllable impedance characteristic for controlling the inter-element decoupling frequency.
  • This active component is designated by the general reference 10 on this figure 3 and is formed by a Varicap diode.
  • this active component may be envisaged, the latter having to have at least one impedance characteristic that can be controlled, for example in voltage or current.
  • an active component has been integrated in this neutralization line, of which at least one of the electrical properties can be controlled for example by a DC voltage.
  • a neutralization line as defined in the state of the art, connected between two points of two radiating elements makes it possible, when it is passive, to reduce the coupling observed between accesses for a given frequency band.
  • the active component used is a Varicap diode.
  • This component has the property to present between its terminals, a variable capacitance whose value can be fixed by a DC voltage applied in reverse, the diode must remain blocked.
  • the neutralization line previously described as being suspended may for example also be printed on a thin substrate.
  • the control bias voltage of the diode can be supplied by one of the supply lines also serving as a power supply. Antenna power supply in RF radio frequency.
  • the other polarization point is ensured by the connection of the diode to the ground plane, that is to say for example to the printed circuit board.
  • the figure 4 illustrates the feasibility of this structure.
  • the technique of the conventional neutralization line generally makes it possible simultaneously to obtain good reflection coefficients for a band of frequency in which the isolation coefficients are also optimized as previously described.
  • the reflection coefficient on access 1 is S11.
  • S22 is the coefficient that can be read on input 2. This is theoretically identical to S11 in a symmetric structure, so it is not usually presented.
  • this technique can be applied to radiating elements that are already initially broad bands and therefore capable of absorbing these variations.
  • the insulation cavity visible on the figure 4 , is controlled in the UMTS band and makes it possible to obtain very good performances on the parameter S21 for the chosen frequency.
  • the parameter S11 is not optimized on the same frequency values because its variation is slower depending on the capacity. But over the entire UMTS band chosen, it remains below the value of -7 dB which is a value generally considered critical in applications such as mobile telephony.

Landscapes

  • Variable-Direction Aerials And Aerial Arrays (AREA)

Description

  • La présente invention concerne un système d'antenne en diversité.
  • Plus particulièrement, l'invention se rapporte à un tel système d'antenne qui comporte des moyens formant plan de masse, sur lesquels sont disposés au moins deux éléments rayonnants et une ligne de neutralisation de découplage inter-éléments.
  • En fait, l'invention s'intéresse à la réduction du couplage électromagnétique qui existe naturellement entre deux éléments rayonnants placés sur un même support, ce qui permet d'améliorer les performances des systèmes multi-antennes en MIMO pour « Multiple Input-Multiple Output » encore appelés à entrées et sorties multiples ou en diversité.
  • Il a déjà été proposé une solution permettant la réduction du couplage électromagnétique, qui consiste à placer une ligne métallique suspendue entre deux éléments rayonnants de type PIFA pour « Planar Inverted Folded Antenna » (antenne quart d'onde court-circuitée), soit entre les lignes d'alimentation de ceux-ci, soit entre les lignes de raccordement de ceux-ci au plan de masse.
  • Cette technique est appelée neutralisation et la ligne correspondante est appelée ligne de neutralisation.
  • On a en effet constaté une amélioration de l'isolation entre les ports d'alimentation en mettant en oeuvre cette technique ce qui entraîne une bonne efficacité totale, un bon gain de diversité et une amélioration du débit dans le cas d'un système MIMO.
  • Cependant les effets d'une telle ligne de neutralisation de découplage inter-éléments restent pour l'instant limités.
  • Le but de l'invention est donc de résoudre ces problèmes.
  • L'article Diallo A et al. "MIMO performance of enhanced UMTS four-antenna structures for mobile phones in the presence of the user's head", ANTENNAS AND PROPAGATION INTERNATIONAL SYMPOSIUM, 2007 IEEE, IEEE, PISCATAWAY, NJ, USA, 1 juin 2007 (2007-06-01) pages 2853 - 2856, décrit un système d'antennes MIMO comprenant deux antennes, montées sur un même substrat (intégrant un plan de masse), et une ligne de neutralisation suspendue entre ces antennes et connectant entre eux les points d'alimentation de chacune de ces antennes.
  • US 1 708 944 A décrit un système de neutralisation des effets de couplage capacitif entre deux antennes fonctionnant à des fréquences différentes f1 et f2 en interposant, au pied de chaque antenne, un premier circuit anti-résonant présentant une résonance à f1 et un second circuit anti-résonant présentant une résonance à f2 afin d'annuler les courants circulant entre les antennes à ces fréquences.
  • US 2009/027286 A1 vise à améliorer l'isolation entre des éléments antennaires montés sur une plaque de circuit imprimé. Le circuit imprimé comporte une couche métallique recouverte d'une couche de diélectrique. Selon ce document, deux chemins sont offerts au courant circulant d'une antenne à l'autre, la différence des longueurs électriques de ces chemins étant maintenue à la moitié de la longueur d'onde de fonctionnement des antennes pour éliminer les couplages.
  • EP 1 777 773 A1 divulgue un circuit dont la capacité peut être ajustée
  • A cet effet, l'invention a pour objet un système d'antenne comme défini dans la revendication 1.
  • Selon d'autres caractéristiques prises seules ou en combinaison :
    • la ligne de neutralisation est associée à des lignes d'alimentation des éléments rayonnants,
    • la ligne de neutralisation est associée à des lignes de raccordement au plan de masse des éléments rayonnants,
    • la ligne de neutralisation est suspendue entre les éléments rayonnants,
    • la ligne de neutralisation est intégrée dans le plan de masse,
    • la ligne de neutralisation est formée en partie par le plan de masse, auxquels sont raccordés des éléments conducteurs reliés aux éléments rayonnants et en partie par ces éléments conducteurs,
    • les moyens formant plan de masse comportent une plaque de circuit imprimé, et
    • les éléments rayonnants sont de type PIFA.
  • L'invention sera mieux comprise à l'aide de la description qui va suivre donnée uniquement à titre d'exemple et faite en se référant aux dessins annexés sur lesquels :
    • la figure 1 représente un schéma synoptique illustrant l'implantation de deux antennes de type PIFA sur un plan de masse,
    • la figure 2 représente deux antennes de type PIFA avec une ligne de neutralisation de l'état de la technique,
    • la figure 3 représente deux antennes PIFA avec une ligne de neutralisation active selon l'invention,
    • la figure 4 illustre le coefficient de couplage S21 entre deux accès obtenu par simulation électromagnétique en fonction de la variation de capacité, et
    • la figure 5 représente le coefficient de réflexion S11 sur les accès en fonction de la variation de la capacité, obtenu par simulation électromagnétique.
  • On a en effet illustré sur la figure 1, un système d'antenne en diversité qui est désigné par la référence générale 1 et qui comporte des moyens formant plan de masse désignés par la référence générale 2 sur lesquels sont disposés au moins deux éléments rayonnants désignés par les références 3 et 4.
  • Ces éléments rayonnants sont par exemple deux antennes de type PIFA de type classique.
  • Pour améliorer les performances de ces systèmes multi-antennes on a déjà proposé d'utiliser une ligne de neutralisation de découplage inter-éléments.
  • Ceci est par exemple illustré sur la figure 2, sur laquelle on reconnaît le système d'antenne en diversité toujours désigné par la référence générale 1, la plaque de circuit imprimé désignée par la référence générale 2 formant plan de masse et les deux antennes de type PIFA, 3 et 4.
  • Chacune de ces antennes est alors associée à une ligne d'alimentation telle que la ligne désignée par la référence générale 5 pour l'antenne 3 et par la référence générale 6 pour l'antenne 4.
  • Chaque antenne est également raccordée à une ligne de raccordement au plan de masse, également appelée ligne de court-circuit, désignée par la référence générale 7 pour l'antenne 3 et par la référence générale 8, pour l'antenne 6.
  • Une ligne de neutralisation de découplage inter-éléments est également illustrée sur cette figure et est désignée par la référence générale 9.
  • En fait, cette ligne de neutralisation peut être associée comme cela est illustré aux lignes d'alimentation des éléments rayonnants ou encore aux lignes de raccordement au plan de masse de ceux-ci.
  • Dans l'exemple de réalisation représenté sur cette figure 2, cette ligne de neutralisation 9 est suspendue entre les éléments rayonnants 3 et 4.
  • Il va de soi bien entendu que d'autres modes de réalisation peuvent être envisagés et que cette ligne de neutralisation peut être intégrée dans le plan de masse, voire formée en partie par le plan de masse auquel sont raccordés des éléments conducteurs reliés aux éléments rayonnants et en partie par ces éléments conducteurs.
  • Pour améliorer encore les performances de ces systèmes, dans le système d'antenne à diversité selon l'invention, la ligne de neutralisation est associée à au moins un composant actif présentant au moins une caractéristique d'impédance commandable pour contrôler la fréquence de découplage inter-éléments.
  • Ceci est par exemple illustré sur la figure 3 où l'on reconnaît les différents éléments déjà décrits en regard de la figure 2, à savoir le système d'antenne en diversité 1, le plan de masse 2, les antennes 3 et 4 et la ligne de neutralisation 9.
  • Selon l'invention cette ligne de neutralisation est associée à un composant actif présentant au moins une caractéristique d'impédance commandable pour contrôler la fréquence de découplage inter-éléments.
  • Ce composant actif est désigné par la référence générale 10 sur cette figure 3 et est formé par une diode Varicap.
  • Bien entendu, d'autres modes de réalisation de ce composant actif peuvent être envisagés, celui-ci devant présenter au moins une caractéristique d'impédance commandable par exemple en tension ou en courant.
  • Ainsi, selon l'invention, on a intégré dans cette ligne de neutralisation, un composant actif dont au moins une des propriétés électriques peut être commandée par exemple par une tension continue.
  • Une ligne de neutralisation, telle que définie dans l'état de la technique, connectée entre deux points de deux éléments rayonnants permet, lorsqu'elle est passive, de diminuer le couplage observé entre accès pour une bande de fréquence donnée.
  • En insérant ou en associant un composant actif dans une telle ligne de neutralisation, on peut modifier de manière dynamique la bande de fréquence neutralisée par la ligne.
  • Dans l'exemple de réalisation décrit, le composant actif utilisé est une diode Varicap.
  • Ce composant possède la propriété de présenter entre ses bornes, une capacité variable dont la valeur peut être fixée par une tension continue appliquée en inverse, la diode devant demeurer bloquée.
  • Afin de rendre la réalisation plus facile, la ligne de neutralisation précédemment décrite comme étant suspendue, peut par exemple également être imprimée sur un substrat de faible épaisseur.
  • Puisque la ligne de neutralisation relie par exemple les deux lignes d'alimentation ou de court-circuit de chacune des deux antennes décrites, la tension de polarisation de commande de la diode peut être amenée par l'une des lignes d'alimentation servant également d'alimentation aux antennes en radiofréquence RF.
  • L'autre point de polarisation est assuré par la connexion de la diode au plan de masse c'est-à-dire par exemple à la plaque de circuit imprimé.
  • Il suffit alors de prévoir d'éventuels découplages radiofréquence/alimentation continue RF/DC, notamment du fait de la présence des lignes de court-circuit connectées initialement directement au plan de masse, par le biais de fentes annulaires pratiquées autour des points de connexion de ces lignes sur la plaque de circuit imprimé.
  • Bien entendu, on peut également envisager de placer cette diode de manière série dans la continuité de la ligne de neutralisation, les problèmes de découplage RF/DC pouvant être résolus par les mêmes techniques que décrites précédemment.
  • La figure 4 illustre la faisabilité de cette structure.
  • Un couplage électromagnétique important entre deux éléments rayonnants proches se traduit par une valeur généralement élevée du coefficient de transmission S21 mesuré ou simulé entre les deux accès 1 et 2.
  • Sur la figure 4 on observe également que la ligne de neutralisation associée à la capacité variable permet d'obtenir une plongée du coefficient S21 pour des fréquences dépendant de la valeur de la capacité et donc dans l'exemple décrit, de la tension de commande de la diode Varicap correspondante intégrée dans cette ligne de neutralisation.
  • En ce qui concerne l'adaptation des entrées qui se traduit par un coefficient de réflexion sur chacune des entrées, le plus faible possible, la technique de la ligne de neutralisation classique permet généralement l'obtention simultanée de bons coefficients de réflexion pour une bande de fréquence dans laquelle les coefficients d'isolation sont également optimisés comme décrits précédemment.
  • Le coefficient de réflexion sur l'accès 1 est S11.
  • S22 est le coefficient qui peut être relevé sur l'entrée 2. Celui-ci étant en théorie identique à S11 dans le cadre d'une structure symétrique, il n'est généralement pas présenté.
  • Dans le cas de l'invention, basée sur l'introduction d'un composant actif dans la ligne de neutralisation, lorsque la capacité commandée modifie la fréquence pour laquelle l'isolation est optimisée, elle modifie également et dans le même sens, la fréquence pour laquelle l'adaptation est également optimisée, comme cela ressort de ces figures 4 et 5.
  • Ce double effet va donc dans le sens d'une amélioration globale de l'efficacité du système.
  • Un inconvénient qui peut être noté, est que cette variation en fréquence est moins rapide pour le paramètre S11 que dans le cas du paramètre d'isolation S21.
  • Des solutions de compensation existent cependant.
  • En effet, on peut appliquer cette technique sur des éléments rayonnants qui sont déjà initialement larges bandes et donc capables d'absorber ces variations.
  • C'est la solution retenue pour la structure dont les résultats sont présentés en figures 4 et 5.
  • Pour différentes valeurs de capacité, le creux d'isolation, visible sur la figure 4, est piloté dans la bande UMTS et permet d'obtenir de très bonnes performances sur le paramètre S21 pour la fréquence choisie.
  • Le paramètre S11 n'est pas optimisé sur les mêmes valeurs de fréquence car sa variation est moins rapide en fonction de la capacité. Mais sur l'ensemble de la bande UMTS choisie, il reste sous la valeur de - 7 dB qui est une valeur généralement considérée comme critique dans les applications par exemple en téléphonie mobile.
  • On peut également accroître la vitesse de ces variations en ajoutant une seconde capacité variable de même type placée en extrémité des éléments rayonnants ou dans un emplacement même plus optimisé, et commandée par la même tension que la diode/capacité placée dans la ligne de neutralisation.
  • En effet, une augmentation de la charge capacitive sur les bords d'un élément rayonnant est connue pour décroître la fréquence de celle-ci.
  • Il va de soi bien entendu que d'autres modes de réalisation encore peuvent être envisagés et que cette structure peut être appliquée par exemple à des systèmes d'antenne à diversité, multi-bandes comme par exemple penta-bandes en GSM, DCS, PCS, UMTS et WLAN.

Claims (9)

  1. Système d'antenne en diversité, du type comportant des moyens formant plan de masse (2), sur lesquels sont disposés au moins deux éléments rayonnants (3, 4), du type antennes radiofréquences RF, et une ligne de neutralisation de découplage inter-éléments (9), la ligne de neutralisation (9) intégrant au moins un composant actif (10) caractérise en ce que le composant actif comporte au moins une diode Varicap présentant au moins une caractéristique d'impédance commandable en tension pour contrôler la fréquence de découplage inter-éléments, la tension de polarisation de commande de la diode Varicap étant amenée par l'une des lignes d'alimentation servant également d'alimentation des éléments rayonnants, l'autre point de connexion de la diode étant assuré par la connexion de la diode Varicap au plan de masse.
  2. Système d'antenne selon la revendication 1, caractérisé en ce que la ligne de neutralisation (9) est associée à des lignes d'alimentation (5, 6) des éléments rayonnants (3, 4).
  3. Système d'antenne selon la revendication 1, caractérisé en ce que la ligne de neutralisation (9) est associée à des lignes de raccordement (7, 8) au plan de masse (2) des éléments rayonnants (3, 4).
  4. Système d'antenne selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la ligne de neutralisation (9) est suspendue entre les éléments rayonnants (3, 4).
  5. Système d'antenne selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la ligne de neutralisation (9) est intégrée dans le plan de masse (2).
  6. Système d'antenne selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la ligne de neutralisation (9) est formée en partie par le plan de masse (2), auquel sont raccordés des éléments conducteurs reliés aux éléments rayonnants (3, 4) et en partie par ces éléments conducteurs.
  7. Système d'antenne selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte des découplages radiofréquence/alimentation continue RF/DC, du fait de la présence des lignes de court-circuit connectées directement au plan de masse, par le biais de fentes annulaires pratiquées autour des points de connexion desdites lignes sur la plaque de circuit imprimé.
  8. Système d'antenne selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les moyens formant plan de masse (2) comportent une plaque de circuit imprimé.
  9. Système d'antenne selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les éléments rayonnants (3, 4) sont de type PIFA.
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