EP4012839A1 - Antenna array with directive radiation - Google Patents

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EP4012839A1
EP4012839A1 EP21213414.2A EP21213414A EP4012839A1 EP 4012839 A1 EP4012839 A1 EP 4012839A1 EP 21213414 A EP21213414 A EP 21213414A EP 4012839 A1 EP4012839 A1 EP 4012839A1
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EP
European Patent Office
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antenna
metallic
antennas
antenna array
pair
Prior art date
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Pending
Application number
EP21213414.2A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Lotfi Batel
Lionel Rudant
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Original Assignee
Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
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Filing date
Publication date
Application filed by Commissariat a lEnergie Atomique CEA, Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA filed Critical Commissariat a lEnergie Atomique CEA
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    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q1/00—Details of, or arrangements associated with, antennas
    • H01Q1/12—Supports; Mounting means
    • 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
    • H01Q1/247—Supports; Mounting means by structural association with other equipment or articles with receiving set with frequency mixer, e.g. for direct satellite reception or Doppler radar
    • H—ELECTRICITY
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    • H01Q1/00—Details of, or arrangements associated with, antennas
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    • H01Q1/32—Adaptation for use in or on road or rail vehicles
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    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q21/00—Antenna arrays or systems
    • H01Q21/24—Combinations of antenna units polarised in different directions for transmitting or receiving circularly and elliptically polarised waves or waves linearly polarised in any direction
    • H—ELECTRICITY
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    • H01Q5/00—Arrangements for simultaneous operation of antennas on two or more different wavebands, e.g. dual-band or multi-band arrangements
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    • H01Q5/00—Arrangements for simultaneous operation of antennas on two or more different wavebands, e.g. dual-band or multi-band arrangements
    • H01Q5/30—Arrangements for providing operation on different wavebands
    • H01Q5/307—Individual or coupled radiating elements, each element being fed in an unspecified way
    • H01Q5/314—Individual or coupled radiating elements, each element being fed in an unspecified way using frequency dependent circuits or components, e.g. trap circuits or capacitors
    • H01Q5/335—Individual or coupled radiating elements, each element being fed in an unspecified way using frequency dependent circuits or components, e.g. trap circuits or capacitors at the feed, e.g. for impedance matching
    • 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
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
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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
    • H01Q9/04—Resonant antennas
    • H01Q9/30—Resonant antennas with feed to end of elongated active element, e.g. unipole
    • H01Q9/32—Vertical arrangement of element
    • H01Q9/36—Vertical arrangement of element with top loading

Definitions

  • the present invention relates to a directional radiation antenna array adapted to operate in at least one predetermined frequency band.
  • the invention lies in the field of communications in which directional radiation is desired, and more particularly in the field of communication for geolocation and satellite navigation.
  • a GNSS satellite geolocation system (acronym for "Global Navigation Satellite Systems”) comprises a receiver of signals emitted by satellites, equipped with an antenna or an antenna array for reception which has good directivity, maximum gain in direction of the zenith for the reception of signals emitted by the satellites, and a right circular polarization, also called RHCP polarization for “Right Hand Circular Polarization”.
  • GNSS receivers are on board a carrier, for example a motor vehicle, or any other type of vehicle.
  • ceramic antennas are known, for example patch antennas on ceramic substrate, which are miniature, and make it possible to produce directional radiation and radiation of right circular polarization, which allows good operation for the application in GNSS systems. Nevertheless, the cost of the material forming such antennas is incompressible, which limits the large-scale deployment of multi-band GNSS which requires ceramic patches superimposed on each other.
  • Multiwire antennas of helical geometry are also known, the wires being wound around a cylinder of dielectric material and resting on a reflective plane.
  • the number of wires of the antenna allows operation on several frequency bands for communication with several satellites.
  • the size of the antenna is significant and can reach heights of the order of 20 cm.
  • the object of the invention is to remedy the drawbacks of the state of the art by proposing an antenna array with directional radiation, in circular polarization, in particular in right circular polarization, which is both compact and inexpensive.
  • the proposed antenna array is made from metal antennas, the manufacturing cost of which is low, and the proposed arrangement makes it possible to achieve the properties of directivity and circular polarization while making it possible to make a compact antenna.
  • the antenna array according to the invention can also have one or more of the characteristics below, taken independently or according to all technically conceivable combinations.
  • the chosen circular polarization is a right circular polarization.
  • the antenna array comprises two pairs of metal antennas, each pair of metal antennas being adapted to operate in an associated frequency band, so as to produce a dual frequency band antenna.
  • a first pair of metallic antennae is formed by two antennae each having a radiating element of first length
  • a second pair of resonant metallic antennae is formed by two antennae each having a radiating element of second length, the second length being different from the first length
  • the predetermined angle of rotation is an angle of 90°.
  • the antenna array comprises four pairs of metal antennas, arranged symmetrically around a center of rotation of said sequential rotation.
  • Each metal antenna is an inverted-F planar antenna.
  • Each pair of metal antennas comprises two inverted-F planar metal antennas of the same dimensions, each inverted-F planar metal antenna comprising a folded capacitive roof connected to the ground plane by a short circuit and a metal supply wire connected to said circuit dump.
  • Each metal antenna of a pair of metal antennas is produced by printing on a card.
  • the load circuit is made up of passive components of a capacitive, inductive, resistive nature or a combination of these components.
  • the invention relates to a satellite geolocation system comprising an antenna array as briefly described above.
  • a first embodiment of an antenna array according to the invention, forming a micro array of antennas, is illustrated with reference to the figures 1 to 3 .
  • the figure 1 schematically represents, in top view, an antenna array 2 according to a first embodiment of the invention.
  • the figure 2 , 3 schematically represent the antenna array 2 in perspective, in an orthogonal 3D reference frame (X,Y,Z).
  • the antenna array 2 comprises a ground plane 4, on which is printed a load circuit 6 of the antenna array.
  • the antenna array 2 is configured to operate in a predetermined frequency band, centered on a given central frequency.
  • the antenna array 2 has a central frequency equal to 1575 MHz.
  • the antenna array 2 comprises, in the embodiment of the figure 1 , a pair of metallic antennas formed of a first metallic antenna 8 and a second metallic antenna 10.
  • Each metallic antenna 8, 10 comprises a radiating element whose central resonant frequency belongs to the chosen frequency band.
  • each of said first metallic antenna 8 and second metallic antenna 10 is an inverted-F antenna or PIFA antenna (acronym for “Planar Inverted F-Antenna”).
  • PIFA antennas are conventionally used in the field of radio communications.
  • the two PIFA antennas 8, 10 are structurally identical.
  • the second PIFA antenna 10 is arranged in sequential rotation with respect to the first PIFA antenna 8, orthogonally with respect to the first PIFA10 antenna.
  • each PIFA antenna 8, 10 extends along a respective axis A1, A2, the antennas being positioned so that the axes A1, A2 are perpendicular.
  • sequential rotation is meant a rotation, in a predetermined direction of rotation, with respect to a predetermined center of rotation, and a chosen associated angle of rotation.
  • the center of rotation is a point located substantially at the center of the antenna array, for example a point located on an axis perpendicular to the ground plane 4, which intersects the ground plane at the center of the antenna array.
  • the second PIFA antenna placed orthogonally to the first PIFA antenna corresponds to a sequential rotation of an angle of rotation equal to 90° from the initial position of the first PIFA antenna 8.
  • the center of rotation is referenced O on the figure 1 , this is a point located substantially at the center of the antenna array 2.
  • each pair of antennae comprising two antennae in sequential rotation with an associated angle of rotation, forming several sequences of rotation around the center O of the antenna array.
  • the antenna array 2 further comprises a monopole antenna 12, which is placed at the center of the antenna array.
  • the monopole antenna 12 has as its center of symmetry the point O which is placed substantially at the center of the antenna array 2.
  • Each PIFA antenna 8, 10 comprises a folded capacitive roof 14, 16, and a metal supply strand 18, 20.
  • the capacitive roof 8, 10 is connected to the ground plane 4 by a short circuit 22, 24.
  • the monopole antenna 12 comprises a capacitive roof 26 and a metal feed strand 28, which extends, in the illustrated embodiment, in the vertical direction when the ground plane 4 is horizontal.
  • the capacitive roof 26 of the monopole antenna 12 has a square or rectangular geometric shape in the plane of the antenna array 2. According to variants, the capacitive roof 26 of the monopole antenna 12 has a different geometric shape, for example a disk shape, or any other chosen geometric shape.
  • the metal antennas 8, 10 are antennas of the patch type (or “microstrip antennas”), which operate in a similar manner.
  • each antenna 8, 10 comprises a capacitive roof and a feed strand 18, 20.
  • PIFA antennas in the embodiment with patch antennas, there is no provision for a short circuit 22, 24.
  • Each of the power supply strands 18, 20, 28 is connected to the load circuit 6 which is printed on the ground plane 4.
  • the load circuit 6 is schematically illustrated in picture 3 , in dotted lines.
  • the metallic antennas 8, 10, 12 are coupled, and the load circuit 6 is optimized to obtain adequate radiation.
  • the metal antennas 8, 10 are resonant and the monopole antenna 12 is non-resonant, its radiation being used to cancel the unwanted radiation component generated by the metal antennas of the pair of antennas 8, 10 as explained below.
  • the load circuit 6 is a load circuit having load impedances calculated by a calculation method under constraints as described in the patent EP2840654 B1 , to achieve a radiation objective illustrated in Figure 4 .
  • This method is based on the use of the principle of decomposition into spherical waves, which decomposes the electromagnetic field radiated by each antenna into a series of modes, and this by taking into account the coupling between the different antennas of the antenna array.
  • This optimization tool allows to apply a weighting on the series of radiation modes by boosting the desired modes and attenuating the unwanted modes. The optimal weighting obtained is then converted into complex impedances making it possible to produce the antenna load circuit.
  • the antenna array 2 is configured for operation in a frequency band for receiving signals transmitted by satellites for application in a GNSS receiver. It is desired that the antenna array have a directional operation in a given direction, i.e. at the zenith, in right circular polarization.
  • the desired radiation breaks down into two radiation modes which are respectively the transverse electric mode TE- 11 and the transverse magnetic mode TM- 11 .
  • these two radiation modes have the same amplitude and have respective phases of 0° and 180°, or, in other words, are in phase opposition.
  • the other radiation modes, respectively the TE 10 and TE 11 and TM 10 and TM 11 modes are zero.
  • the combination of the transverse electric TE- 11 and transverse magnetic TM- 11 modes of radiation gives rise to a radiation pattern with a maximum right circular polarization gain (RHCP) at the zenith and a minimum cross-polarization gain (LHCP) at the zenith.
  • RHCP right circular polarization gain
  • LHCP minimum cross-polarization gain
  • a radiation diagram 30, called the reference radiation diagram, is illustrated in figure 4 .
  • the radiation diagram presents the angular distribution of the radiated power as a function of the azimuth ⁇ .
  • the power is expressed in circular isotropic decibel (dBic).
  • RHCP right circular polarization gain
  • LHCP left circular polarization
  • a metallic PIFA antenna powered by an electric current, generates the transverse electric modes TE -11 , TE 11 and the transverse magnetic modes TM -11 , TM 10 and TM 11 .
  • the radiations in electric transverse mode TE 11 of two antennas are in phase opposition, and therefore cancel each other out when they are of the same amplitude.
  • the radiations in transverse magnetic mode TM 11 from two antennas are in phase opposition, and therefore cancel each other out when they are of the same amplitude.
  • transverse electric TE- 11 and transverse magnetic TM- 11 modes of the two PIFA antennas in sequential rotation are in phase and add up.
  • transverse magnetic mode TM 10 which has a phase at 90° for example for the first metal antenna PIFA 8 and at 180° for the second metal PIFA antenna 10.
  • the monopole antenna 12 emits radiation in transverse magnetic mode TM 10 , which is oriented, thanks to the optimization of the load circuit, to compensate for the radiation in transverse magnetic mode TM 10 from the metallic PIFA antennas 8, 10.
  • the monopole antenna 12 has a destructive contribution, the radiation in transverse magnetic mode TM 10 is cancelled.
  • This load circuit is composed, in one embodiment, of passive components of a capacitive, inductive, resistive or a combination of these components.
  • the load circuit parameters are calculated using the method described in the patent EP 2 840 654 B1 .
  • an antenna network 2 is developed for a GNSS geolocation and navigation system, for a receiver on board a motor vehicle.
  • the antenna array has the following dimensions: a height of 10mm and a square support with a side of 35mm, for operation at the central frequency of 1.575GHz.
  • the antenna array is optimized to form radiation with a maximum gain of 2dBic at zenith, with an axial ratio of 1dB and an RHCP polarization in the L1 frequency band around 1.575 GHz.
  • the charging circuit 6 is such that the first metal PIFA antenna 8 is powered by a radio frequency (RF) source of 50 ⁇ impedance, the second PIFA metal antenna 10 is charged by a capacitance of 2.7 pF and the monopole antenna 12 is charged by a capacitance of 10pF.
  • RF radio frequency
  • the figure 5 shows the radiation pattern 35 obtained by the antenna array 2 produced according to this concrete embodiment, this pattern comprising the right circular polarization gain (RHCP) 36 and the left circular polarization gain (LHCP) 38.
  • RHCP right circular polarization gain
  • LHCP left circular polarization gain
  • the antenna array comprises more than one pair of resonant metallic antennas.
  • an antenna array 40 comprises two pairs 42, 44 of metal antennas, a first pair 42, composed of two metal antennas 46, 48 positioned orthogonally, in sequential rotation, and a second pair 44, composed of two metal antennas 50, 52.
  • the two metal antennas 50, 52 of the second pair 44 have different dimensions from the dimensions of the antennas 46, 48 of the first pair 42, and are respectively positioned above the antennas of the first pair.
  • the two metal antennas of the first pair have a resonant element of first length
  • the two metal antennas of the second pair have a resonant element of second length, less than the first length for example to target a lower frequency band dedicated to GNSS such as the L2 or L5 band.
  • the metallic antennas 46, 48, 50, 52 are PIFA antennas, as described in the first embodiment.
  • the antenna array also includes a monopole antenna 54, centered relative to the center of symmetry O of the antenna array 40 and non-resonant.
  • the first pair 42 of antennas is configured to operate in a first frequency band, for example the L1 band
  • the second pair 44 of antennas is configured to operate in a second frequency band , for example the L2 band.
  • the charging circuit (not visible on the figure 6 ) is parameterized to achieve operation of these pairs of antennas in dual frequency band.
  • an antenna array 60 comprises two pairs 62, 64 of metal antennas, a first pair of antennas 62, composed of two metal antennas 66, 68 positioned orthogonally, with sequential rotation, and a second pair of antennas 64, composed of two metal antennas 70, 72, also positioned in sequential rotation at an angle of rotation equal to 90°.
  • the two metal antennas 70, 72 of the second pair 64 have different dimensions from the dimensions of the antennas 66, 68 of the first pair 62, and are respectively positioned according to a translation offset with respect to the antennas 66 , 68 of the first pair 62.
  • the two metal antennas 66, 68 of the first pair 62 have a resonant element of first length
  • the two metal antennas 70, 72 of the second pair 64 have a resonant element of second length, less than the first length for example to target a lower frequency band dedicated to GNSS such as the band L2 or L5.
  • the metallic antennas 66, 68, 70, 72 are PIFA antennas, as described in the first embodiment.
  • the antenna array also includes a monopole antenna 74, centered relative to the center of symmetry O of the antenna array 60, and non-resonant.
  • the charging circuit (not visible on the figure 7 ) is parameterized to achieve operation of these pairs of antennas in dual frequency band.
  • the antenna array 80 comprises two pairs of antennas 82, 84, arranged symmetrically with respect to the point O which is located substantially at the center of the antenna array.
  • the first pair of antennas 82 is composed of two metallic antennas 86, 88 in sequential rotation at an angle of rotation equal to 90°
  • the second pair of antennas 84 is composed of two metallic antennas 90, 92, also positioned in sequential rotation at an angle of rotation equal to 90°.
  • the two pairs of antennas are arranged so that the second pair of antennas is rotated through 180° with respect to the first pair of antennas.
  • the metal antennas 86, 88, 90, 92 are structurally identical, they are for example PIFA antennas.
  • the resulting antenna array 80 is a centrally symmetrical antenna array.
  • the antenna array 80 further comprises a monopole antenna 94.
  • the antenna array 80 is adapted to operate in one or in two frequency bands.
  • the figure 9 schematically illustrates an arrangement of four pairs of antennae in sequential rotation, forming an antenna array structure of circular revolution.
  • This arrangement comprises a first pair of antennae 100, 102, in sequential rotation at an angle equal to 180° around the point O, a second pair of antennae 104, 106, in sequential rotation at an angle equal to 180° around the point O, a third pair of antennae 108, 110, in sequential rotation at an angle equal to 180° around the point O, a fourth pair of antennae 112, 114, in sequential rotation at an angle equal to 180° around the point O.
  • the second pair of antennae is rotated 45° relative to the first pair of antennae
  • the third pair of antennae is rotated 45° relative to the second pair of antennae
  • the fourth pair of antennae is rotated at 45° relative to the third pair of antennae.
  • the antennas 100, 102, 104, 106, 108, 110, 112 and 114 are, for example, metallic PIFA antennas, and their dimensions are chosen to form a substantially circular structure.
  • an antenna array suitable for supplying directional radiation in right circular polarization is formed.
  • the size and shape of the monopole antenna (not represented in the figure 9 ) are chosen in line with the type of radiation sought.
  • the example of the figure 9 has 4 pairs of sequentially rotating antennas. More generally, a greater number N of antenna pairs, for example PIFA metal antennas, is used.
  • the antenna array is composed of metal antennas printed on a dedicated card or PCB (acronym for “Printed Circuit Board”).
  • PCB printed Circuit Board
  • the dimensions of the antenna array are further reduced according to the permittivity or permeability value of the substrate.
  • the invention has been described above according to various embodiments, more particularly with PIFA metal antennas, since the use of such antennas makes it possible to produce a particularly compact antenna array.
  • the various embodiments apply with other types of metal antennas, for example patch antennas, which operate analogously and can be optimized for operation similar to that described above, by setting the load circuit for producing radiation in which the monopole antenna has a destructive contribution from a transverse magnetic radiation mode, making it possible to obtain, by the at least one pair of metallic patch antennas, radiation of chosen circular polarization .
  • an antenna array according to the invention makes it possible to produce directional radiation in circular polarization, with low bulk and low manufacturing cost.

Abstract

L'invention concerne un réseau antennaire à rayonnement directif adapté à fonctionner dans au moins une bande de fréquences prédéterminée, qui comprend au moins une paire d'antennes métalliques (8,10) formée d'une première antenne métallique et d'une deuxième antenne métallique, la deuxième antenne métallique étant positionnée en rotation séquentielle d'un angle de rotation prédéterminé par rapport à la première antenne métallique, un circuit de charge (6), chaque antenne métallique étant connectée audit circuit de charge, et une antenne monopôle (12), ayant une position centrale dans le réseau antennaire, connectée audit circuit de charge (6). Les antennes métalliques et l'antenne monopôle sont agencées sur un plan de masse (4) et couplées, le circuit de charge (6) étant paramétré pour réaliser un rayonnement dans lequel l'antenne monopôle (12) a une contribution destructive d'un mode de rayonnement transverse magnétique, permettant d'obtenir un rayonnement, par ladite au moins une paire d'antennes métalliques, de polarisation circulaire choisie.The invention relates to a directional radiation antenna array adapted to operate in at least one predetermined frequency band, which comprises at least one pair of metallic antennas (8, 10) formed by a first metallic antenna and a second metallic, the second metallic antenna being positioned in sequential rotation by a predetermined angle of rotation with respect to the first metallic antenna, a load circuit (6), each metallic antenna being connected to said load circuit, and a monopole antenna (12 ), having a central position in the antenna array, connected to said load circuit (6). The metal antennas and the monopole antenna are arranged on a ground plane (4) and coupled, the load circuit (6) being parameterized to produce radiation in which the monopole antenna (12) has a destructive contribution of a transverse magnetic radiation mode, making it possible to obtain radiation, by said at least one pair of metallic antennae, of chosen circular polarization.

Description

La présente invention concerne un réseau antennaire à rayonnement directif adapté à fonctionner dans au moins une bande de fréquences prédéterminée.The present invention relates to a directional radiation antenna array adapted to operate in at least one predetermined frequency band.

L'invention se situe dans le domaine des communications dans lesquelles un rayonnement directif est souhaité, et plus particulièrement dans le domaine de la communication pour la géolocalisation et la navigation par satellites.The invention lies in the field of communications in which directional radiation is desired, and more particularly in the field of communication for geolocation and satellite navigation.

Un système de géolocalisation par satellites GNSS (acronyme de « Global Navigation Satellite Systems ») comporte un récepteur de signaux émis par des satellites, équipé d'une antenne ou d'un réseau antennaire de réception qui présente une bonne directivité, un gain maximal en direction du zénith pour la réception de signaux émis par les satellites, et une polarisation circulaire droite, également appelée polarisation RHCP pour « Right Hand Circular Polarization ». Pour diverses applications pratiques, les récepteurs GNSS sont embarqués sur un porteur, par exemple un véhicule automobile, ou tout autre type de véhicule.A GNSS satellite geolocation system (acronym for "Global Navigation Satellite Systems") comprises a receiver of signals emitted by satellites, equipped with an antenna or an antenna array for reception which has good directivity, maximum gain in direction of the zenith for the reception of signals emitted by the satellites, and a right circular polarization, also called RHCP polarization for “Right Hand Circular Polarization”. For various practical applications, GNSS receivers are on board a carrier, for example a motor vehicle, or any other type of vehicle.

Dans l'état de la technique, on connaît des antennes céramiques, par exemple des antennes patch sur substrat céramique, qui sont miniatures, et permettent de réaliser un rayonnement directif et un rayonnement de polarisation circulaire droite, ce qui permet un bon fonctionnement pour l'application dans des systèmes GNSS. Néanmoins, le coût du matériau formant des telles antennes est incompressible, ce qui limite le déploiement à grande échelle du GNSS à bandes multiples qui nécessite des patchs céramiques superposés les uns sur les autres.In the state of the art, ceramic antennas are known, for example patch antennas on ceramic substrate, which are miniature, and make it possible to produce directional radiation and radiation of right circular polarization, which allows good operation for the application in GNSS systems. Nevertheless, the cost of the material forming such antennas is incompressible, which limits the large-scale deployment of multi-band GNSS which requires ceramic patches superimposed on each other.

On connaît également des antennes multifilaires de géométrie hélicoïdale, les fils étant enroulés autour d'un cylindre de matériau diélectrique et reposant sur un plan réflecteur. Dans un telle structure d'antenne, le nombre de fils de l'antenne permet un fonctionnement sur plusieurs bandes de fréquences pour une communication avec plusieurs satellites. Cependant, l'encombrement de l'antenne est important et peut atteindre des hauteurs de l'ordre de 20 cm.Multiwire antennas of helical geometry are also known, the wires being wound around a cylinder of dielectric material and resting on a reflective plane. In such an antenna structure, the number of wires of the antenna allows operation on several frequency bands for communication with several satellites. However, the size of the antenna is significant and can reach heights of the order of 20 cm.

L'invention a pour objet de remédier aux inconvénients de l'état de la technique en proposant un réseau antennaire à rayonnement directif, en polarisation circulaire, en particulier en polarisation circulaire droite, qui est à la fois compact et peu coûteux.The object of the invention is to remedy the drawbacks of the state of the art by proposing an antenna array with directional radiation, in circular polarization, in particular in right circular polarization, which is both compact and inexpensive.

A cet effet, l'invention propose un réseau antennaire à rayonnement directif adapté à fonctionner dans au moins une bande de fréquences prédéterminée, qui comprend:

  • au moins une paire d'antennes métalliques formée d'une première antenne métallique et d'une deuxième antenne métallique, la deuxième antenne métallique étant positionnée en rotation séquentielle d'un angle de rotation prédéterminé par rapport à la première antenne métallique,
  • un circuit de charge, chaque antenne métallique étant connectée audit circuit de charge,
  • une antenne monopôle, ayant une position centrale dans le réseau antennaire, connectée audit circuit de charge,
  • lesdites antennes métalliques et ladite antenne monopôle étant agencées sur un plan de masse et couplées, le circuit de charge étant paramétré pour réaliser un rayonnement dans lequel l'antenne monopôle a une contribution destructive d'un mode de rayonnement transverse magnétique, permettant d'obtenir, par ladite au moins une paire d'antennes métalliques, un rayonnement de polarisation circulaire choisie.
To this end, the invention proposes an antenna array with directional radiation adapted to operate in at least one predetermined frequency band, which comprises:
  • at least one pair of metallic antennae formed by a first metallic antenna and a second metallic antenna, the second metallic antenna being positioned in sequential rotation through a predetermined angle of rotation with respect to the first metal antenna,
  • a charging circuit, each metal antenna being connected to said charging circuit,
  • a monopole antenna, having a central position in the antenna array, connected to said load circuit,
  • said metal antennas and said monopole antenna being arranged on a ground plane and coupled, the load circuit being configured to produce radiation in which the monopole antenna has a destructive contribution of a transverse magnetic radiation mode, making it possible to obtain , by said at least one pair of metallic antennas, radiation of chosen circular polarization.

Avantageusement, le réseau antennaire proposé est réalisé à partir d'antennes métalliques dont le coût de fabrication est faible, et l'agencement proposé permet de réaliser les propriétés de directivité et de polarisation circulaire tout en permettant de réaliser une antenne compacte.Advantageously, the proposed antenna array is made from metal antennas, the manufacturing cost of which is low, and the proposed arrangement makes it possible to achieve the properties of directivity and circular polarization while making it possible to make a compact antenna.

Le réseau antennaire selon l'invention peut également présenter une ou plusieurs des caractéristiques ci-dessous, prises indépendamment ou selon toutes les combinaisons techniquement envisageables.The antenna array according to the invention can also have one or more of the characteristics below, taken independently or according to all technically conceivable combinations.

La polarisation circulaire choisie est une polarisation circulaire droite.The chosen circular polarization is a right circular polarization.

Le réseau antennaire comporte deux paires d'antennes métalliques, chaque paire d'antennes métalliques étant adaptée pour fonctionner dans une bande de fréquence associée, de manière à réaliser une antenne bi-bande de fréquences.The antenna array comprises two pairs of metal antennas, each pair of metal antennas being adapted to operate in an associated frequency band, so as to produce a dual frequency band antenna.

Une première paire d'antennes métalliques est formée de deux antennes ayant chacune un élément rayonnant de première longueur, et une deuxième paire d'antennes métalliques résonantes est formée de deux antennes ayant chacune un élément rayonnant de deuxième longueur, la deuxième longueur étant différente de la première longueur.A first pair of metallic antennae is formed by two antennae each having a radiating element of first length, and a second pair of resonant metallic antennae is formed by two antennae each having a radiating element of second length, the second length being different from the first length.

Pour la ou pour chaque paire d'antennes métalliques, l'angle de rotation prédéterminé est un angle de 90°.For the or each pair of metallic antennas, the predetermined angle of rotation is an angle of 90°.

Le réseau antennaire comporte quatre paires d'antennes métalliques, agencées symétriquement autour d'un centre de rotation de ladite rotation séquentielle.The antenna array comprises four pairs of metal antennas, arranged symmetrically around a center of rotation of said sequential rotation.

Chaque antenne métallique est une antenne planaire en F inversé.Each metal antenna is an inverted-F planar antenna.

Chaque paire d'antennes métalliques comporte deux antennes métalliques planaires en F inversé de mêmes dimensions, chaque antenne métallique planaire en F inversé comportant un toit capacitif replié relié au plan de masse par un court-circuit et un brin métallique d'alimentation connecté audit circuit de charge.Each pair of metal antennas comprises two inverted-F planar metal antennas of the same dimensions, each inverted-F planar metal antenna comprising a folded capacitive roof connected to the ground plane by a short circuit and a metal supply wire connected to said circuit dump.

Chaque antenne métallique d'une paire d'antennes métalliques est réalisée par impression sur une carte.Each metal antenna of a pair of metal antennas is produced by printing on a card.

Le circuit de charge est composé de composants passifs de nature capacitive, inductive, résistive ou d'une association de ces composants.The load circuit is made up of passive components of a capacitive, inductive, resistive nature or a combination of these components.

Selon un autre aspect, l'invention concerne un système de géolocalisation par satellite comportant un réseau antennaire tel que brièvement décrit ci-dessus.According to another aspect, the invention relates to a satellite geolocation system comprising an antenna array as briefly described above.

D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description qui en est donnée ci-dessous, à titre indicatif et nullement limitatif, en référence aux figures annexées, parmi lesquelles :

  • [Fig 1] la figure 1 représente schématiquement un réseau antennaire selon un premier mode de réalisation ;
  • [Fig 2] la figure 2 illustre la géométrie d'une partie de réseau antennaire selon le premier mode de réalisation ;
  • [Fig 3] la figure 3 illustre la géométrie du réseau antennaire selon le premier mode de réalisation ;
  • [Fig 4] la figure 4 illustre un diagramme de rayonnement de référence pour une application dans un système de géolocalisation par satellite ;
  • [Fig 5] la figure 5 illustre un diagramme de rayonnement réalisé par un agencement de réseau antennaire selon le premier mode de réalisation ;
  • [Fig 6] la figure 6 représente schématiquement un réseau antennaire selon un deuxième mode de réalisation ;
  • [Fig 7] la figure 7 représente schématiquement un réseau antennaire selon un troisième mode de réalisation ;
  • [Fig 8] la figure 8 représente schématiquement un réseau antennaire selon un quatrième mode de réalisation ;
  • [Fig 9] la figure 9 représente schématiquement un agencement à quatre paires d'antennes en rotation séquentielle.
Other characteristics and advantages of the invention will emerge from the description given below, by way of indication and in no way limiting, with reference to the appended figures, among which:
  • [ Fig 1 ] the figure 1 schematically represents an antenna array according to a first embodiment;
  • [ Fig 2 ] the picture 2 illustrates the geometry of an antenna array part according to the first embodiment;
  • [ Fig.3 ] the picture 3 illustrates the geometry of the antenna array according to the first embodiment;
  • [ Fig 4 ] the figure 4 illustrates a reference radiation pattern for application in a satellite geolocation system;
  • [ Fig.5 ] the figure 5 illustrates a radiation pattern produced by an antenna array arrangement according to the first embodiment;
  • [ Fig 6 ] the figure 6 schematically represents an antenna array according to a second embodiment;
  • [ Fig 7 ] the figure 7 schematically represents an antenna array according to a third embodiment;
  • [ Fig.8 ] the figure 8 schematically represents an antenna array according to a fourth embodiment;
  • [ Fig.9 ] the figure 9 schematically represents an arrangement with four pairs of antennas in sequential rotation.

Un premier mode de réalisation d'un réseau antennaire selon l'invention, formant un micro réseau d'antennes, est illustré en référence aux figures 1 à 3.A first embodiment of an antenna array according to the invention, forming a micro array of antennas, is illustrated with reference to the figures 1 to 3 .

La figure 1 représente schématiquement, en vue de dessus, un réseau antennaire 2 selon un premier mode de réalisation de l'invention.The figure 1 schematically represents, in top view, an antenna array 2 according to a first embodiment of the invention.

Les figures 2, 3 représentent schématiquement le réseau antennaire 2 en perspective, dans un référentiel 3D orthogonal (X,Y,Z).The figure 2 , 3 schematically represent the antenna array 2 in perspective, in an orthogonal 3D reference frame (X,Y,Z).

Le réseau antennaire 2 comporte un plan de masse 4, sur lequel est imprimé un circuit de charge 6 du réseau antennaire.The antenna array 2 comprises a ground plane 4, on which is printed a load circuit 6 of the antenna array.

Le réseau antennaire 2 est configuré pour fonctionner dans une bande de fréquences prédéterminée, centrée sur une fréquence centrale donnée. Pour un système GNSS, les fréquences d'émission des satellites sont les fréquences L1 =1 575,42 MHz et L2=1 227,60 MHz. Par exemple, le réseau antennaire 2 a une fréquence centrale égale à 1575 MHz.The antenna array 2 is configured to operate in a predetermined frequency band, centered on a given central frequency. For a GNSS system, the transmission frequencies of the satellites are the frequencies L1=1575.42 MHz and L2=1227.60 MHz. For example, the antenna array 2 has a central frequency equal to 1575 MHz.

Le réseau antennaire 2 comporte, dans le mode de réalisation de la figure 1, une paire d'antennes métalliques formée d'une première antenne métallique 8 et d'une deuxième antenne métallique 10.The antenna array 2 comprises, in the embodiment of the figure 1 , a pair of metallic antennas formed of a first metallic antenna 8 and a second metallic antenna 10.

Chaque antenne métallique 8, 10 comporte un élément rayonnant dont la fréquence de résonance centrale appartient à la bande de fréquences choisie.Each metallic antenna 8, 10 comprises a radiating element whose central resonant frequency belongs to the chosen frequency band.

Dans un mode de réalisation, chacune desdites première antenne métallique 8 et deuxième antenne métallique 10 est une antenne en F-inversé ou antenne PIFA (acronyme de « Planar Inverted F-Antenna »). Les antennes PIFA sont classiquement utilisées dans le domaine des radio communications.In one embodiment, each of said first metallic antenna 8 and second metallic antenna 10 is an inverted-F antenna or PIFA antenna (acronym for “Planar Inverted F-Antenna”). PIFA antennas are conventionally used in the field of radio communications.

Dans ce mode de réalisation, les deux antennes PIFA 8, 10 sont structurellement identiques.In this embodiment, the two PIFA antennas 8, 10 are structurally identical.

La deuxième antenne PIFA 10 est disposée en rotation séquentielle par rapport à la première antenne PIFA 8, orthogonalement par rapport à la première antenne PIFA10.The second PIFA antenna 10 is arranged in sequential rotation with respect to the first PIFA antenna 8, orthogonally with respect to the first PIFA10 antenna.

Dans ce mode de réalisation, chaque antenne PIFA 8, 10 s'étend le long d'un axe A1, A2 respectif, les antennes étant positionnées de manière à ce que les axes A1, A2 soient perpendiculaires.In this embodiment, each PIFA antenna 8, 10 extends along a respective axis A1, A2, the antennas being positioned so that the axes A1, A2 are perpendicular.

On entend par rotation séquentielle une rotation, dans un sens de rotation prédéterminé, par rapport à un centre de rotation prédéterminé, et d'un angle de rotation associé choisi. De préférence, le centre de rotation est un point situé sensiblement au centre du réseau antennaire, par exemple un point situé sur un axe perpendiculaire au plan de masse 4, qui intersecte le plan de masse au centre du réseau antennaire.By sequential rotation is meant a rotation, in a predetermined direction of rotation, with respect to a predetermined center of rotation, and a chosen associated angle of rotation. Preferably, the center of rotation is a point located substantially at the center of the antenna array, for example a point located on an axis perpendicular to the ground plane 4, which intersects the ground plane at the center of the antenna array.

Ainsi, la deuxième antenne PIFA placée orthogonalement à la première antenne PIFA correspond à une rotation séquentielle d'angle de rotation égal 90° à partir de la position initiale de la première antenne PIFA 8. Le centre de rotation est référencé O sur la figure 1, il s'agit d'un point situé sensiblement au centre du réseau antennaire 2.Thus, the second PIFA antenna placed orthogonally to the first PIFA antenna corresponds to a sequential rotation of an angle of rotation equal to 90° from the initial position of the first PIFA antenna 8. The center of rotation is referenced O on the figure 1 , this is a point located substantially at the center of the antenna array 2.

Selon des variantes, il est possible d'agencer ainsi un nombre supérieur de paires d'antennes métalliques, par exemples des antennes PIFA, chaque paire d'antennes comportant deux antennes en rotation séquentielle d'angle de rotation associé, formant plusieurs séquences de rotation autour du centre O du réseau antennaire.According to variants, it is thus possible to arrange a greater number of pairs of metallic antennae, for example PIFA antennae, each pair of antennae comprising two antennae in sequential rotation with an associated angle of rotation, forming several sequences of rotation around the center O of the antenna array.

Le réseau antennaire 2 comprend en outre une antenne monopôle 12, qui est placée au centre du réseau antennaire. En d'autres termes, l'antenne monopôle 12 a pour centre de symétrie le point O qui est placé sensiblement au centre du réseau antennaire 2.The antenna array 2 further comprises a monopole antenna 12, which is placed at the center of the antenna array. In other words, the monopole antenna 12 has as its center of symmetry the point O which is placed substantially at the center of the antenna array 2.

Chaque antenne PIFA 8, 10 comprend un toit capacitif replié 14, 16, et un brin métallique d'alimentation 18, 20. Le toit capacitif 8, 10 est relié au plan de masse 4 par un court-circuit 22, 24.Each PIFA antenna 8, 10 comprises a folded capacitive roof 14, 16, and a metal supply strand 18, 20. The capacitive roof 8, 10 is connected to the ground plane 4 by a short circuit 22, 24.

Dans un mode de réalisation, les dimensions des antennes PIFA 8, 10 sont les suivantes : longueur L=20mm ; largeur I=6mm et hauteur h=10mm.In one embodiment, the dimensions of the PIFA antennae 8, 10 are as follows: length L=20mm; width I=6mm and height h=10mm.

L'antenne monopôle 12 comprend un toit capacitif 26 et un brin métallique d'alimentation 28, qui s'étend, dans le mode de réalisation illustré, selon la direction verticale lorsque le plan de masse 4 est horizontal.The monopole antenna 12 comprises a capacitive roof 26 and a metal feed strand 28, which extends, in the illustrated embodiment, in the vertical direction when the ground plane 4 is horizontal.

Dans l'exemple illustré le toit capacitif 26 de l'antenne monopôle 12 a une forme géométrique carrée ou rectangulaire dans le plan du réseau antennaire 2. Selon des variantes, le toit capacitif 26 de l'antenne monopôle 12 a une forme géométrique différente, par exemple une forme de disque, ou toute autre forme géométrique choisie.In the example shown, the capacitive roof 26 of the monopole antenna 12 has a square or rectangular geometric shape in the plane of the antenna array 2. According to variants, the capacitive roof 26 of the monopole antenna 12 has a different geometric shape, for example a disk shape, or any other chosen geometric shape.

Selon une variante, les antennes métalliques 8, 10 sont des antennes de type patch (ou « antennes microrubans »), qui fonctionnement de manière analogue. Dans cette variante, chaque antenne 8, 10 comporte un toit capacitif et un brin d'alimentation 18, 20. Différemment des antennes PIFA, dans le mode de réalisation avec des antennes patch, il n'est pas prévu de court-circuit 22, 24.According to a variant, the metal antennas 8, 10 are antennas of the patch type (or “microstrip antennas”), which operate in a similar manner. In this variant, each antenna 8, 10 comprises a capacitive roof and a feed strand 18, 20. Unlike PIFA antennas, in the embodiment with patch antennas, there is no provision for a short circuit 22, 24.

Chacun des brins d'alimentation 18, 20, 28 est connecté au circuit de charge 6 qui est imprimé sur le plan de masse 4. Le circuit de charge 6 est illustré schématiquement à la figure 3, en traits pointillés.Each of the power supply strands 18, 20, 28 is connected to the load circuit 6 which is printed on the ground plane 4. The load circuit 6 is schematically illustrated in picture 3 , in dotted lines.

Les antennes métalliques 8, 10, 12 sont couplées, et le circuit de charge 6 est optimisé pour obtenir un rayonnement adéquat.The metallic antennas 8, 10, 12 are coupled, and the load circuit 6 is optimized to obtain adequate radiation.

Dans le réseau antennaire 2, les antennes métalliques 8, 10 sont résonantes et l'antenne monopôle 12 est non-résonante, son rayonnement étant utilisé pour annuler la composante de rayonnement non souhaitée générée par les antennes métalliques de la paire d'antennes 8, 10 comme expliqué ci-après.In the antenna array 2, the metal antennas 8, 10 are resonant and the monopole antenna 12 is non-resonant, its radiation being used to cancel the unwanted radiation component generated by the metal antennas of the pair of antennas 8, 10 as explained below.

De préférence, le circuit de charge 6 est un circuit de charge ayant des impédances de charge calculées par un procédé de calcul sous contraintes tel que décrit dans le brevet EP2840654 B1 , pour réaliser un objectif de rayonnement illustré à la Figure 4. Ce procédé est basé sur l'utilisation du principe de décomposition en ondes sphériques, qui décompose le champ électromagnétique rayonné par chaque antenne en série de modes, et ceci en tenant compte du couplage entre les différentes antennes du réseau antennaire. Cet outil d'optimisation permet d'appliquer une pondération sur la série de modes de rayonnement en amplifiant les modes souhaités et en atténuant les modes non désirés. La pondération optimale obtenue est alors convertie en impédances complexes permettant de réaliser le circuit de charge des antennes.Preferably, the load circuit 6 is a load circuit having load impedances calculated by a calculation method under constraints as described in the patent EP2840654 B1 , to achieve a radiation objective illustrated in Figure 4 . This method is based on the use of the principle of decomposition into spherical waves, which decomposes the electromagnetic field radiated by each antenna into a series of modes, and this by taking into account the coupling between the different antennas of the antenna array. This optimization tool allows to apply a weighting on the series of radiation modes by boosting the desired modes and attenuating the unwanted modes. The optimal weighting obtained is then converted into complex impedances making it possible to produce the antenna load circuit.

Le réseau antennaire 2 est configuré pour un fonctionnement dans une bande de fréquences de réception de signaux émis par des satellites pour une application dans un récepteur GNSS. Il est souhaité que le réseau antennaire ait un fonctionnement directif dans une direction donnée, i.e. au zénith, en polarisation circulaire droite.The antenna array 2 is configured for operation in a frequency band for receiving signals transmitted by satellites for application in a GNSS receiver. It is desired that the antenna array have a directional operation in a given direction, i.e. at the zenith, in right circular polarization.

Le rayonnement souhaité se décompose en deux modes de rayonnement qui sont respectivement le mode transverse électrique TE-11 et le mode transverse magnétique TM-11. Dans un fonctionnement adapté pour l'application visée, ces deux modes de rayonnement présentent la même amplitude et ont des phases respectives de 0° et de 180°, ou, en d'autres termes, sont en opposition de phase. Les autres modes de rayonnement, respectivement les modes TE10 et TE11 et TM10 et TM11 sont nuls.The desired radiation breaks down into two radiation modes which are respectively the transverse electric mode TE- 11 and the transverse magnetic mode TM- 11 . In an operation suitable for the intended application, these two radiation modes have the same amplitude and have respective phases of 0° and 180°, or, in other words, are in phase opposition. The other radiation modes, respectively the TE 10 and TE 11 and TM 10 and TM 11 modes are zero.

L'association des modes de rayonnement mode transverse électrique TE-11 et transverse magnétique TM-11 donne lieu à un diagramme de rayonnement avec un gain en polarisation circulaire droite (RHCP) maximal au zénith et un gain en polarisation croisée (LHCP) minimum au zénith.The combination of the transverse electric TE- 11 and transverse magnetic TM- 11 modes of radiation gives rise to a radiation pattern with a maximum right circular polarization gain (RHCP) at the zenith and a minimum cross-polarization gain (LHCP) at the zenith.

Un diagramme de rayonnement 30, dit digramme de rayonnement de référence, est illustré à la figure 4. Le diagramme de rayonnement présente la répartition angulaire de la puissance rayonnée en fonction de l'azimuth Φ. La puissance est exprimée en décibel isotrope circulaire (dBic).A radiation diagram 30, called the reference radiation diagram, is illustrated in figure 4 . The radiation diagram presents the angular distribution of the radiated power as a function of the azimuth Φ. The power is expressed in circular isotropic decibel (dBic).

Le diagramme de rayonnement 30 comprend le gain à polarisation circulaire droite (RHCP) 32, maximal à Φ=0° (zénith) et le gain à polarisation LHCP (polarisation circulaire gauche) 34, maximal à Φ=180°.The radiation pattern 30 includes the right circular polarization gain (RHCP) 32, maximum at Φ=0° (zenith) and the LHCP (left circular polarization) polarization gain 34, maximum at Φ=180°.

Une antenne métallique PIFA, alimentée par un courant électrique, génère les modes transverses électriques TE-11, TE11 et les modes transverses magnétiques TM-11, TM10 et TM11.A metallic PIFA antenna, powered by an electric current, generates the transverse electric modes TE -11 , TE 11 and the transverse magnetic modes TM -11 , TM 10 and TM 11 .

Avantageusement, grâce à l'agencement géométrique, en rotation séquentielle, des deux antennes métalliques PIFA 8, 10 de la paire d'antennes du réseau antennaire 2, les rayonnements en mode transverse électrique TE11 de deux antennes sont en opposition de phase, et donc s'annulent lorsqu'ils sont de même amplitude. De même, les rayonnements en mode transverse magnétique TM11 de deux antennes sont en opposition de phase, et donc s'annulent lorsqu'ils sont de même amplitude.Advantageously, thanks to the geometric arrangement, in sequential rotation, of the two metal antennas PIFA 8, 10 of the pair of antennas of the antenna array 2, the radiations in electric transverse mode TE 11 of two antennas are in phase opposition, and therefore cancel each other out when they are of the same amplitude. Similarly, the radiations in transverse magnetic mode TM 11 from two antennas are in phase opposition, and therefore cancel each other out when they are of the same amplitude.

Les modes transverse électrique TE-11 et transverse magnétique TM-11 des deux antennes PIFA en rotation séquentielle sont en phase et s'additionnent.The transverse electric TE- 11 and transverse magnetic TM- 11 modes of the two PIFA antennas in sequential rotation are in phase and add up.

Il subsiste un rayonnement en mode transverse magnétique TM10, qui présente une phase à 90° par exemple pour la première antenne métallique PIFA 8 et à 180° pour la deuxième antenne PIFA métallique 10. Avantageusement, l'antenne monopôle 12 émet un rayonnement en mode transverse magnétique TM10, qui est orienté, grâce à l'optimisation du circuit de charge, pour compenser le rayonnement en mode transverse magnétique TM10 des antennes PIFA métalliques 8, 10. Ainsi, l'antenne monopôle 12 a une contribution destructive, le rayonnement en mode transverse magnétique TM10 est annulé.There remains radiation in transverse magnetic mode TM 10 , which has a phase at 90° for example for the first metal antenna PIFA 8 and at 180° for the second metal PIFA antenna 10. Advantageously, the monopole antenna 12 emits radiation in transverse magnetic mode TM 10 , which is oriented, thanks to the optimization of the load circuit, to compensate for the radiation in transverse magnetic mode TM 10 from the metallic PIFA antennas 8, 10. Thus, the monopole antenna 12 has a destructive contribution, the radiation in transverse magnetic mode TM 10 is cancelled.

Le réglage des amplitudes et des phases des modes de rayonnement générés par les antennes métalliques 8, 10, 12 est effectué par la paramétrisation du circuit de charge 6. Ce circuit de charge est composé, dans un mode de réalisation, de composants passifs de nature capacitive, inductive, résistive ou d'une association de ces composants. Les paramètres du circuit de charge sont calculés en utilisant le procédé décrit dans le brevet EP 2 840 654 B1 .The adjustment of the amplitudes and phases of the radiation modes generated by the metallic antennas 8, 10, 12 is carried out by the parameterization of the load circuit 6. This load circuit is composed, in one embodiment, of passive components of a capacitive, inductive, resistive or a combination of these components. The load circuit parameters are calculated using the method described in the patent EP 2 840 654 B1 .

Par exemple, dans un mode de réalisation concret, un réseau antennaire 2 est mis au point pour un système de géolocalication et de navigation GNSS, pour un récepteur embarqué sur un véhicule automobile. Le réseau antennaire a les dimensions suivantes : une hauteur de 10mm et un support carré de côté 35mm, pour un fonctionnement à la fréquence centrale 1,575GHz. Le réseau antennaire est optimisé pour former un rayonnement avec un gain maximal de 2dBic au zénith, avec un rapport axial de 1dB et un polarisation RHCP dans la bande de fréquence L1 autour de 1,575 GHz.For example, in a concrete embodiment, an antenna network 2 is developed for a GNSS geolocation and navigation system, for a receiver on board a motor vehicle. The antenna array has the following dimensions: a height of 10mm and a square support with a side of 35mm, for operation at the central frequency of 1.575GHz. The antenna array is optimized to form radiation with a maximum gain of 2dBic at zenith, with an axial ratio of 1dB and an RHCP polarization in the L1 frequency band around 1.575 GHz.

Le circuit de charge 6 est tel que la première antenne métallique PIFA 8 est alimentée par une source radiofréquence (RF) d'impédance 50Ω, la deuxième antenne métallique PIFA 10 est chargée par une capacité de 2,7pF et l'antenne monopôle 12 est chargée par une capacité de 10pF. Ces valeurs de charge sont déterminées pour le réglage des amplitudes et phases des modes de rayonnement présents dans le réseau antennaire, de manière à conserver les modes TE-11, TM-11 et d'annuler le rayonnement en mode transverse magnétique TM10 comme expliqué ci-dessus.The charging circuit 6 is such that the first metal PIFA antenna 8 is powered by a radio frequency (RF) source of 50Ω impedance, the second PIFA metal antenna 10 is charged by a capacitance of 2.7 pF and the monopole antenna 12 is charged by a capacitance of 10pF. These load values are determined for adjusting the amplitudes and phases of the radiation modes present in the antenna array, so as to retain the TE -11 , TM -11 modes and to cancel the radiation in transverse magnetic mode TM 10 as explained above.

La figure 5 montre le diagramme de rayonnement 35 obtenu par le réseau antennaire 2 réalisé selon ce mode de réalisation concret, ce diagramme comportant le gain à polarisation circulaire droite (RHCP) 36 et le gain à polarisation circulaire gauche (LHCP) 38. Comme on peut le constater, le gain à polarisation circulaire droite RHCP est maximal à Φ=0° (au zénith), et est comparable au gain à polarisation RHCP 32 du diagramme de rayonnement de référence 30.The figure 5 shows the radiation pattern 35 obtained by the antenna array 2 produced according to this concrete embodiment, this pattern comprising the right circular polarization gain (RHCP) 36 and the left circular polarization gain (LHCP) 38. As can be seen , the right circular polarization gain RHCP is maximum at Φ=0° (at the zenith), and is comparable to the RHCP polarization gain 32 of the reference radiation pattern 30.

Selon des variantes de réalisation, le réseau antennaire comporte plus d'une paire d'antennes métalliques résonantes.According to variant embodiments, the antenna array comprises more than one pair of resonant metallic antennas.

Par exemple, comme illustré à la figure 6, un réseau antennaire 40 selon un deuxième mode de réalisation de l'invention comporte deux paires 42, 44 d'antennes métalliques, une première paire 42, composée de deux antennes métalliques 46, 48 positionnées orthogonalement, en rotation séquentielle, et une deuxième paire 44, composée de deux antennes métalliques 50, 52. Dans le mode de réalisation illustré, les deux antennes métalliques 50, 52 de la deuxième paire 44 ont des dimensions différentes des dimensions des antennes 46, 48 de la première paire 42, et sont respectivement positionnées au-dessus des antennes de la première paire. Ainsi, les deux antennes métalliques de la première paire ont un élément résonant de première longueur, et les deux antennes métalliques de la deuxième paire ont un élément résonant de deuxième longueur, inférieure à la première longueur par exemple pour cibler une bande de fréquences plus basse dédiée au GNSS telle que la bande L2 ou L5. Par exemple, les antennes métalliques 46, 48, 50, 52 sont des antennes PIFA, comme décrit dans le premier mode de réalisation.For example, as shown in figure 6 , an antenna array 40 according to a second embodiment of the invention comprises two pairs 42, 44 of metal antennas, a first pair 42, composed of two metal antennas 46, 48 positioned orthogonally, in sequential rotation, and a second pair 44, composed of two metal antennas 50, 52. In the illustrated embodiment, the two metal antennas 50, 52 of the second pair 44 have different dimensions from the dimensions of the antennas 46, 48 of the first pair 42, and are respectively positioned above the antennas of the first pair. Thus, the two metal antennas of the first pair have a resonant element of first length, and the two metal antennas of the second pair have a resonant element of second length, less than the first length for example to target a lower frequency band dedicated to GNSS such as the L2 or L5 band. For example, the metallic antennas 46, 48, 50, 52 are PIFA antennas, as described in the first embodiment.

Le réseau antennaire comporte également une antenne monopôle 54, centrée par rapport au centre de symétrie O du réseau antennaire 40 et non résonante.The antenna array also includes a monopole antenna 54, centered relative to the center of symmetry O of the antenna array 40 and non-resonant.

Avantageusement, dans ce mode de réalisation, la première paire 42 d'antennes est configurée pour fonctionner dans une première bande de fréquence, par exemple la bande L1, et la deuxième paire 44 d'antennes est configurée pour fonctionner dans une deuxième bande de fréquence, par exemple la bande L2. Le circuit de charge (non visible sur la figure 6) est paramétré pour réaliser un fonctionnement de ces paires d'antennes en bi-bande de fréquences.Advantageously, in this embodiment, the first pair 42 of antennas is configured to operate in a first frequency band, for example the L1 band, and the second pair 44 of antennas is configured to operate in a second frequency band , for example the L2 band. The charging circuit (not visible on the figure 6 ) is parameterized to achieve operation of these pairs of antennas in dual frequency band.

Selon un troisième mode de réalisation, illustré à la figure 7, un réseau antennaire 60 comporte deux paires 62, 64 d'antennes métalliques, une première paire d'antennes 62, composée de deux antennes métalliques 66, 68 positionnées orthogonalement, à rotation séquentielle, et une deuxième paire d'antennes 64, composée de deux antennes métalliques 70, 72, également positionnées en rotation séquentielle à angle de rotation égal à 90°.According to a third embodiment, illustrated in figure 7 , an antenna array 60 comprises two pairs 62, 64 of metal antennas, a first pair of antennas 62, composed of two metal antennas 66, 68 positioned orthogonally, with sequential rotation, and a second pair of antennas 64, composed of two metal antennas 70, 72, also positioned in sequential rotation at an angle of rotation equal to 90°.

Dans le mode de réalisation illustré, les deux antennes métalliques 70, 72 de la deuxième paire 64 ont des dimensions différentes des dimensions des antennes 66, 68 de la première paire 62, et sont respectivement positionnées selon un décalage en translation par rapport aux antennes 66, 68 de la première paire 62.In the illustrated embodiment, the two metal antennas 70, 72 of the second pair 64 have different dimensions from the dimensions of the antennas 66, 68 of the first pair 62, and are respectively positioned according to a translation offset with respect to the antennas 66 , 68 of the first pair 62.

Les deux antennes métalliques 66, 68 de la première paire 62 ont un élément résonant de première longueur, et les deux antennes métalliques 70, 72 de la deuxième paire 64 ont un élément résonant de deuxième longueur, inférieure à la première longueur par exemple pour cibler une bande de fréquences plus basse dédiée au GNSS telle que la bande L2 ou L5. Par exemple, les antennes métalliques 66, 68, 70, 72 sont des antennes PIFA, comme décrit dans le premier mode de réalisation.The two metal antennas 66, 68 of the first pair 62 have a resonant element of first length, and the two metal antennas 70, 72 of the second pair 64 have a resonant element of second length, less than the first length for example to target a lower frequency band dedicated to GNSS such as the band L2 or L5. For example, the metallic antennas 66, 68, 70, 72 are PIFA antennas, as described in the first embodiment.

Le réseau antennaire comporte également une antenne monopôle 74, centrée par rapport au centre de symétrie O du réseau antennaire 60, et non résonante.The antenna array also includes a monopole antenna 74, centered relative to the center of symmetry O of the antenna array 60, and non-resonant.

Le circuit de charge (non visible sur la figure 7) est paramétré pour réaliser un fonctionnement de ces paires d'antennes en bi-bande de fréquences.The charging circuit (not visible on the figure 7 ) is parameterized to achieve operation of these pairs of antennas in dual frequency band.

Selon un quatrième mode de réalisation, illustré à la figure 8, le réseau antennaire 80 comporte deux paires d'antennes 82, 84, disposées symétriquement par rapport au point O qui est situé sensiblement au centre du réseau antennaire. Dans ce mode de réalisation, la première paire d'antennes 82 est composée de deux antennes métalliques 86, 88 en rotation séquentielle à angle de rotation égal à 90°, et la deuxième paire d'antennes 84 est composée de deux antennes métalliques 90, 92, également positionnées en rotation séquentielle à angle de rotation égal à 90°. En d'autres termes, les deux paires d'antennes sont agencées de manière à ce que la deuxième paire d'antennes soit en rotation de 180° par rapport à la première paire d'antennes. Les antennes métalliques 86, 88, 90, 92 sont structurellement identiques, ce sont par exemple des antennes PIFA. Le réseau antennaire 80 résultant est un réseau antennaire à symétrie centrale. Le réseau antennaire 80 comporte en outre une antenne monopôle 94. Selon le paramétrage choisi du circuit de charge associé (non représenté), le réseau antennaire 80 est adapté à fonctionner dans une ou dans deux bandes de fréquences.According to a fourth embodiment, illustrated in figure 8 , the antenna array 80 comprises two pairs of antennas 82, 84, arranged symmetrically with respect to the point O which is located substantially at the center of the antenna array. In this embodiment, the first pair of antennas 82 is composed of two metallic antennas 86, 88 in sequential rotation at an angle of rotation equal to 90°, and the second pair of antennas 84 is composed of two metallic antennas 90, 92, also positioned in sequential rotation at an angle of rotation equal to 90°. In other words, the two pairs of antennas are arranged so that the second pair of antennas is rotated through 180° with respect to the first pair of antennas. The metal antennas 86, 88, 90, 92 are structurally identical, they are for example PIFA antennas. The resulting antenna array 80 is a centrally symmetrical antenna array. The antenna array 80 further comprises a monopole antenna 94. Depending on the chosen parameter setting of the associated charging circuit (not shown), the antenna array 80 is adapted to operate in one or in two frequency bands.

La figure 9 illustre schématiquement un agencement de quatre paires d'antennes en rotation séquentielle, formant une structure de réseau antennaire à révolution circulaire. Cet agencement comporte une première paire d'antennes 100, 102, en rotation séquentielle d'angle égal à 180° autour du point O, une deuxième paire d'antennes 104, 106, en rotation séquentielle d'angle égal à 180° autour du point O, une troisième paire d'antennes 108, 110, en rotation séquentielle d'angle égal à 180° autour du point O, une quatrième paire d'antennes 112, 114, en rotation séquentielle d'angle égal à 180° autour du point O. Dans cet agencement, la deuxième paire d'antennes est en rotation à 45° par rapport à la première paire d'antennes, la troisième paire d'antennes est en rotation à 45° par rapport à la deuxième paire d'antennes, et la quatrième paire d'antennes est en rotation à 45° par rapport à la troisième paire d'antennes. Les antennes 100, 102, 104, 106, 108, 110, 112 et 114 sont par exemple des antennes métalliques PIFA, et leurs dimensions sont choisies pour former une structure sensiblement circulaire. Avantageusement, en ajoutant une antenne monopôle centrée sensiblement sur le point O, et un circuit de charge paramétré de manière adéquate, un réseau antennaire adapté pour fournir un rayonnement directif en polarisation circulaire droit est formé. La taille et la forme de l'antenne monopôle (non représentée dans la figure 9) sont choisies en adéquation avec le type de rayonnement recherché.The figure 9 schematically illustrates an arrangement of four pairs of antennae in sequential rotation, forming an antenna array structure of circular revolution. This arrangement comprises a first pair of antennae 100, 102, in sequential rotation at an angle equal to 180° around the point O, a second pair of antennae 104, 106, in sequential rotation at an angle equal to 180° around the point O, a third pair of antennae 108, 110, in sequential rotation at an angle equal to 180° around the point O, a fourth pair of antennae 112, 114, in sequential rotation at an angle equal to 180° around the point O. In this arrangement, the second pair of antennae is rotated 45° relative to the first pair of antennae, the third pair of antennae is rotated 45° relative to the second pair of antennae , and the fourth pair of antennae is rotated at 45° relative to the third pair of antennae. The antennas 100, 102, 104, 106, 108, 110, 112 and 114 are, for example, metallic PIFA antennas, and their dimensions are chosen to form a substantially circular structure. Advantageously, by adding a monopole antenna centered substantially on point O, and a suitably parameterized load circuit, an antenna array suitable for supplying directional radiation in right circular polarization is formed. The size and shape of the monopole antenna (not represented in the figure 9 ) are chosen in line with the type of radiation sought.

L'exemple de la figure 9 comporte 4 paires d'antennes en rotation séquentielle. Plus généralement, un nombre N plus grand de paires d'antennes, par exemple des antennes métalliques PIFA, est utilisé.The example of the figure 9 has 4 pairs of sequentially rotating antennas. More generally, a greater number N of antenna pairs, for example PIFA metal antennas, is used.

Selon une autre variante, le réseau antennaire est composé d'antennes métalliques imprimées sur une carte dédiée ou PCB (acronyme de « Printed Circuit Board »). Avantageusement, dans ce mode de réalisation, les dimensions du réseau antennaire sont encore réduites suivant la valeur de permittivité ou perméabilité du substrat.According to another variant, the antenna array is composed of metal antennas printed on a dedicated card or PCB (acronym for “Printed Circuit Board”). Advantageously, in this embodiment, the dimensions of the antenna array are further reduced according to the permittivity or permeability value of the substrate.

Bien entendu, des combinaisons des modes de réalisation décrits ci-dessus sont envisageables.Of course, combinations of the embodiments described above are possible.

L'invention a été décrite ci-dessus selon divers modes de réalisation, plus particulièrement avec des antennes métalliques PIFA, car l'utilisation de telles antennes permet de réaliser un réseau antennaire particulièrement compact.The invention has been described above according to various embodiments, more particularly with PIFA metal antennas, since the use of such antennas makes it possible to produce a particularly compact antenna array.

Plus généralement, les divers modes de réalisation s'appliquent avec d'autres types d'antennes métalliques, par exemple de antennes patch, qui fonctionnement de manière analogue et peuvent être optimisées pour un fonctionnement similaire à celui décrit ci-dessus, en paramétrant le circuit de charge pour réaliser un rayonnement dans lequel l'antenne monopôle a une contribution destructive d'un mode de rayonnement transverse magnétique, permettant d'obtenir, par l'au moins une paire d'antennes métalliques patch, un rayonnement de polarisation circulaire choisie.More generally, the various embodiments apply with other types of metal antennas, for example patch antennas, which operate analogously and can be optimized for operation similar to that described above, by setting the load circuit for producing radiation in which the monopole antenna has a destructive contribution from a transverse magnetic radiation mode, making it possible to obtain, by the at least one pair of metallic patch antennas, radiation of chosen circular polarization .

Avantageusement, un réseau antennaire selon l'invention permet de réaliser un rayonnement directif en polarisation circulaire, de faible encombrement et de faible coût de fabrication.Advantageously, an antenna array according to the invention makes it possible to produce directional radiation in circular polarization, with low bulk and low manufacturing cost.

Claims (11)

Réseau antennaire à rayonnement directif adapté à fonctionner dans au moins une bande de fréquences prédéterminée, caractérisé en ce qu'il comprend: - au moins une paire d'antennes métalliques (8,10 ;46, 48 ; 50, 52 ; 66, 68 ; 70, 72 ; 86, 88 ; 90, 92 ; 100-114) formée d'une première antenne métallique et d'une deuxième antenne métallique, la deuxième antenne métallique étant positionnée en rotation séquentielle d'un angle de rotation prédéterminé par rapport à la première antenne métallique, - un circuit de charge (6), chaque antenne métallique étant connectée audit circuit de charge, - une antenne monopôle (12, 54, 74, 94), ayant une position centrale dans le réseau antennaire, connectée audit circuit de charge (6), - lesdites antennes métalliques et ladite antenne monopôle étant agencées sur un plan de masse (4) et couplées, le circuit de charge (6) étant paramétré pour réaliser un rayonnement dans lequel l'antenne monopôle (12, 54, 74, 94) a une contribution destructive d'un mode de rayonnement transverse magnétique, permettant d'obtenir, par ladite au moins une paire d'antennes métalliques, un rayonnement de polarisation circulaire choisie. Antenna array with directional radiation adapted to operate in at least one predetermined frequency band, characterized in that it comprises: - at least one pair of metallic antennas (8,10; 46, 48; 50, 52; 66, 68; 70, 72; 86, 88; 90, 92; 100-114) formed of a first metallic antenna and a second metallic antenna, the second metallic antenna being positioned in sequential rotation by a predetermined angle of rotation with respect to the first metallic antenna, - a charging circuit (6), each metal antenna being connected to said charging circuit, - a monopole antenna (12, 54, 74, 94), having a central position in the antenna array, connected to said load circuit (6), - said metal antennas and said monopole antenna being arranged on a ground plane (4) and coupled, the load circuit (6) being configured to produce radiation in which the monopole antenna (12, 54, 74, 94) has a destructive contribution of a magnetic transverse radiation mode, making it possible to obtain, by said at least one pair of metal antennas, radiation of chosen circular polarization. Réseau antennaire selon la revendication 1, dans lequel ladite polarisation circulaire choisie est une polarisation circulaire droite.An antenna array according to claim 1, wherein said selected circular polarization is right circular polarization. Réseau antennaire selon la revendication 1 ou 2, comportant deux paires (42, 44 ; 62, 64 ; 82, 84) d'antennes métalliques, chaque paire d'antennes métalliques étant adaptée pour fonctionner dans une bande de fréquence associée, de manière à réaliser une antenne bi-bande de fréquences.Antenna array according to Claim 1 or 2, comprising two pairs (42, 44; 62, 64; 82, 84) of metallic antennae, each pair of metallic antennae being adapted to operate in an associated frequency band, so as to make a bi-band frequency antenna. Réseau antennaire selon la revendication 3, dans lequel une première paire d'antennes métalliques est formée de deux antennes ayant chacune un élément rayonnant de première longueur, et une deuxième paire d'antennes métalliques résonantes est formée de deux antennes ayant chacune un élément rayonnant de deuxième longueur, la deuxième longueur étant différente de la première longueur.Antenna array according to Claim 3, in which a first pair of metallic antennas is formed of two antennas each having a radiating element of first length, and a second pair of resonant metallic antennas is formed of two antennas each having a radiating element of second length, the second length being different from the first length. Réseau antennaire selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel pour la ou pour chaque paire d'antennes métalliques, l'angle de rotation prédéterminé est un angle de 90°.An antenna array according to any one of claims 1 to 4, wherein for the or each pair of metallic antennas the predetermined angle of rotation is an angle of 90°. Réseau antennaire selon la revendication 1 ou 2, comportant quatre paires d'antennes métalliques (100, 102 ; 104, 106 ; 108, 110 ; 112, 114), agencées symétriquement autour d'un centre de rotation (O) de ladite rotation séquentielle.An antenna array according to claim 1 or 2, comprising four pairs of metallic antennas (100, 102; 104, 106; 108, 110; 112, 114), arranged symmetrically around a center of rotation (O) of said sequential rotation . Réseau antennaire selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, dans lequel chaque antenne métallique est une antenne planaire en F inversé.An antenna array according to any of claims 1 to 6, wherein each metal antenna is an inverted-F planar antenna. Réseau antennaire selon la revendication 7, dans lequel chaque paire d'antennes métalliques comporte deux antennes métalliques (8, 10) planaires en F inversé de mêmes dimensions, chaque antenne métallique planaire en F inversé comportant un toit capacitif replié (14, 16) relié au plan de masse (4) par un court-circuit (22,24) et un brin métallique d'alimentation (18, 20) connecté audit circuit de charge (6).An antenna array as claimed in claim 7, wherein each pair of metallic antennae comprises two inverted-F planar metallic antennae (8, 10) of the same dimensions, each inverted-F planar metallic antenna comprising a folded capacitive roof (14, 16) connected to the ground plane (4) by a short circuit (22,24) and a metal supply wire (18, 20) connected to said load circuit (6). Réseau antennaire selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, dans lequel chaque antenne métallique d'une paire d'antennes métalliques est réalisée par impression sur une carte.Antenna array according to any one of Claims 1 to 8, in which each metal antenna of a pair of metal antennas is produced by printing on a card. Réseau antennaire selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, dans lequel le circuit de charge (6) est composé de composants passifs de nature capacitive, inductive, résistive ou d'une association de ces composants.Antenna array according to any one of Claims 1 to 9, in which the load circuit (6) is composed of passive components of a capacitive, inductive, resistive nature or of a combination of these components. Système de géolocalisation par satellite comportant un réseau antennaire conforme aux revendications 1 à 10.Satellite geolocation system comprising an antenna array in accordance with claims 1 to 10.
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