EP4758681A1 - Système antennaire et antenne réseau correspondante - Google Patents

Système antennaire et antenne réseau correspondante

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EP4758681A1
EP4758681A1 EP24761276.5A EP24761276A EP4758681A1 EP 4758681 A1 EP4758681 A1 EP 4758681A1 EP 24761276 A EP24761276 A EP 24761276A EP 4758681 A1 EP4758681 A1 EP 4758681A1
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EP
European Patent Office
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antenna
frequency band
impedance
frequency
primary
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Pending
Application number
EP24761276.5A
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Inventor
Serge Bories
Loic Marnat
Christophe DALL'OMO
Marwan JADID
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Commissariat à l'Énergie Atomique et Aux Énergies Alternatives
Original Assignee
Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Commissariat à l'Énergie Atomique et Aux Énergies Alternatives
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Abstract

L'invention concerne un système antennaire comprenant : - une antenne primaire configurée pour fonctionner dans au moins une bande de fréquences; - au moins une antenne secondaire configurée pour être apte à fonctionner dans l'au moins une bande de fréquences. L'antenne secondaire est chargée par une impédance configurée pour que le diagramme de rayonnement du système présente, pour au moins une fréquence donnée de la ou des bande(s) de fréquences, une atténuation dans une direction prédéterminée. L'antenne secondaire est couplée à l'antenne primaire via un dispositif de couplage électromagnétique comprenant au moins une ligne de propagation guidée configurée pour le transfert d'énergie électromagnétique entre l'antenne primaire et l'antenne secondaire, la ligne de propagation guidée présentant une impédance caractéristique comprise entre 25 Ohms et 100 Ohms.

Description

DESCRIPTION
TITRE : Système antennaire et antenne réseau correspondante.
Domaine de l'invention
Le domaine de l'invention est celui des antennes à diagrammes de rayonnement reconfigurables. L'invention se rapporte plus particulièrement à une antenne permettant un filtrage spatial via le contrôle d'atténuations (ou « nuis » ou « creux » ou « zéros ») dans son diagramme de rayonnement dans des directions angulaires correspondantes.
L'invention a ainsi des applications, notamment, mais non exclusivement, dans les domaines dans lesquels un signal voulu en provenance d'une direction donnée doit être reçu en présence de signaux interférents venant d'autres directions, l'ajustement d'atténuations dans le diagramme de rayonnement permettant la rejection des signaux interférents. De tels domaines concernent par exemple la réception de signaux GNSS (pour « Global Navigation Satellite Systems » en anglais), les réseaux de télécommunications, le radar, etc.
Art antérieur et ses inconvénients
Afin de rejeter un signal interfèrent (ou signal brouilleur) au niveau d'un récepteur, différentes techniques mettant en oeuvre le système antennaire sont connues afin d'obtenir un filtrage spatial. A titre d'exemple, on peut citer : la formation de faisceau par pondération de signaux numérisés (ou « Digital Beamforming » dans la littérature anglosaxonne). Cependant, une telle technique, nécessite une acquisition synchrone sur plusieurs voies de réception. Par ailleurs, une telle technique nécessite de maintenir les signaux reçus dans la plage linéaire de chaque voie de réception sous peine de ne plus pouvoir estimer correctement les pondérations à appliquer afin d'obtenir le filtrage spatial, ni même de traiter le signal utile. Or les signaux reçus peuvent occuper une dynamique importante. Par exemple, le signal d'intérêt peut avoir une faible amplitude alors que les signaux interférents peuvent avoir une forte amplitude relativement à l'amplitude du signal voulu. Ceci conduit à avoir plusieurs chaînes d'acquisition présentant une grande dynamique de convertisseurs Analogiques Numériques et donc une consommation et un coût supplémentaires ; la mise en oeuvre d'un réseau d'antennes, dans lequel la pondération en module et phase du signal issu de chaque antenne du réseau, est implémentée via un circuit RF (radiofréquence) de formation de voies, visant à contrôler la position d'une atténuation (ou « nul » ou « creux » ou « zéro ») dans le diagramme de rayonnement du réseau d'antennes dans la direction du signal interfèrent. Cependant, un tel circuit de formation de voies nécessite la mise en oeuvre de composants RF reconfigurables tels que des amplificateurs, des atténuateurs variables, et déphaseurs contrôlables qui sont coûteux et potentiellement non stables en température ; et la mise en oeuvre d'une antenne à géométrie reconfigurable, solution qui consiste à changer la taille ou la forme d'un élément rayonnant principal en contrôlant, à l'aide de commutateurs radiofréquences (RF), e.g. à l'aide de diodes, le courant RF dans certaines parties de l'antenne afin de créer une atténuation de rayonnement dans une direction prédéterminée. Cependant, afin d'obtenir différentes atténuations en azimut et/ou en élévation, il est nécessaire de mettre en oeuvre autant de configurations et donc de portions commutables d'antennes. La complexité et la surface de l'antenne globale ainsi obtenue rend une telle approche non- concurrentielle.
Afin de s'affranchir des limitations des techniques listées ci-dessus, il est possible de mettre en oeuvre un système antennaire de la famille des antennes parasitées, ou ESPAR (pour « Electronically Steered Parasitic Antenna » en anglais. Il est à noter que l'on rencontre également la dénomination « Aerial beamforming by space-coupled parasites » dans la littérature anglosaxonne). Un tel système ne nécessite en effet pas de circuit de formation de voies et conserve une complexité de mise en oeuvre raisonnable.
Par exemple, le système antennaire 100 du type ESPAR de la [Fig.l] comprend : une antenne primaire 110 destinée à être connectée à un récepteur et/ou émetteur RF ; une antenne secondaire 120 chargée par une impédance de charge 130 dont la valeur impacte le comportement en rayonnement du système antennaire 100 (directivité ou au contraire synthèse d'atténuations dans le diagramme de rayonnement).
Plus particulièrement, les courants RF induits sur l'antenne secondaire 120 et incidents sur l'impédance de charge 130 proviennent du couplage électromagnétique (EM) par proximité (e.g. par rayonnement) entre l'antenne secondaire 120 et l'antenne primaire 110.
Le calcul de la valeur de l'impédance de charge 130 pour une direction angulaire d'atténuation dans le diagramme de rayonnement du système antennaire 100 n'est pas direct. Dans ce but, des optimiseurs peuvent être utilisés comme décrit e.g. dans l'article de M. Ohira, A. Miura, M.
Taromaru et M. Ueba, “Efficient Gain Optimization Techniques for Azimuth Beam/Null Steering of Inverted-F Multiport Parasitic Array Radiator (MuPAR) Antenna," IEEE Transactions on Antennas and Propagation, vol. 60, no. 3, pp. 1352-1361, March 2012.
Par exemple, une valeur ZL donnée de l'impédance de charge 130 conduit à avoir les composantes EQ2 et E 2 du champ rayonné par l'antenne secondaire 120 qui annulent sensiblement les composantes Edl et E^ du champ rayonné par l'antenne primaire 110 dans une direction prédéterminée. Cependant, la valeur de l'impédance de charge 130 devant être mise en oeuvre pour une direction angulaire donnée n'est pas forcément à partie réelle positive, ce qui la rend, en pratique, difficilement ou non réalisable.
Il existe ainsi un besoin pour un système antennaire permettant de mettre en oeuvre un filtrage spatial de manière reconfigurable sur une large plage de directions angulaires et qui ne présente pas les inconvénients de l'art antérieur décrit ci-dessus.
Exposé de l'invention
Dans un mode de réalisation de l'invention, il est proposé un système antennaire comprenant : une antenne primaire configurée pour fonctionner dans au moins une bande de fréquences ; au moins une antenne secondaire configurée pour être apte à fonctionner dans ladite au moins une bande de fréquences.
L'antenne secondaire est chargée par une impédance configurée pour que le diagramme de rayonnement du système présente, pour au moins une fréquence donnée de ladite au moins une bande de fréquences, une atténuation dans une direction prédéterminée. L'antenne secondaire est couplée à l'antenne primaire via un dispositif de couplage électromagnétique comprenant au moins une ligne de propagation guidée configurée pour le transfert d'énergie électromagnétique entre l'antenne primaire et l'antenne secondaire. Une telle ligne de propagation guidée présente une impédance caractéristique comprise entre 25 Ohms et 100 Ohms, de préférence 50 Ohms. Ainsi, l'invention propose une solution nouvelle et inventive pour mettre en oeuvre un filtrage spatial de manière reconfigurable sur une large plage de directions angulaires.
Plus particulièrement, le système antennaire proposé implémente une (ou plusieurs) ligne de propagation guidée pour le transfert d'énergie EM entre l'antenne primaire et l'antenne secondaire. En effet, une telle ligne de couplage permet d'obtenir une valeur de couplage suffisante entre ces antennes et ainsi d'obtenir des valeurs d'impédances de charge de l'antenne secondaire à parties réelles positives pour la création d'une (ou plusieurs) atténuation dans une direction prédéterminée du diagramme de rayonnement, rendant par là-même possible l'implémentation du système antennaire. Ceci reste vrai pour une large plage de directions angulaires. Par ailleurs, une ligne de propagation guidée présentant une impédance caractéristique comprise entre 25 Ohms et 100 Ohms permet de s'affranchir e.g. de l'effet inductif que peut procurer une connexion du type filaire, notamment lorsque la distance entre l'antenne primaire et les antennes secondaires augmente, un tel effet inductif pouvant compromettre le couplage (e.g. rayonnement de ligne indésirable et perte de puissance couplée) entre l'antenne primaire et les antennes secondaires. Selon la présente technique, il est ainsi possible d'augmenter la distance entre l'antenne primaire et les antennes secondaires de sorte à réduire le couplage EM par proximité entre l'antenne primaire et les antennes secondaires. Ceci permet de contrôler finement le couplage entre l'antenne primaire et les antennes secondaires via la ligne de propagation. Ceci laisse plus de latitudes dans la formation du diagramme de rayonnement (positionnement des atténuations). Une telle ligne de propagation guidée appartient par exemple au groupe comprenant : une ligne micro-ruban, une ligne coplanaire, une ligne coaxiale, une ligne à fente et une ligne triplaque.
Dans certains modes de réalisation, l'impédance est de valeur variable dans une plage de valeurs prédéterminée.
Ainsi, la direction angulaire de l'atténuation (ou des atténuations) dans le diagramme de rayonnement est variable dans une plage de directions angulaires correspondant à la plage de valeurs prédéterminée.
Dans certains modes de réalisation, l'impédance est une impédance sélectionnable parmi un jeu d'impédances discrètes prédéterminées. Chaque impédance du jeu d'impédances est configurée pour que le diagramme de rayonnement du système présente, pour une fréquence donnée de ladite au moins une bande de fréquences, une atténuation dans une direction prédéterminée. Ainsi, la valeur d'impédance est particulièrement stable vis-à-vis des variations environnementales (e.g. température, niveau de signal RF reçu/émis).
Dans certains modes de réalisation, ladite au moins une bande de fréquences comprend une pluralité de bandes de fréquences. L'impédance comprend un dispositif de multiplexage fréquentiel configuré pour multiplexer en fréquences des impédances unitaires, chaque impédance unitaire étant associée à une bande de fréquences respective de la pluralité et étant configurée pour que le diagramme de rayonnement du système présente, pour une fréquence donnée de la bande de fréquences respective, une atténuation dans une direction prédéterminée. Ainsi, des atténuations sont obtenues simultanément dans différentes bandes de fréquences. Dans certains modes de réalisation, au moins une impédance unitaire associée à une bande de fréquences respective est sélectionnable parmi un jeu d'impédances unitaires.
Dans certains modes de réalisation, le dispositif de couplage comprend, pour le transfert de l'énergie électromagnétique entre, d'une part, la ligne de propagation guidée et, d'autre part, l'antenne primaire ou l'antenne secondaire, au moins un élément appartenant au groupe comprenant ; un contact électrique ; une sonde électrique ; ou une boucle magnétique.
Dans certains modes de réalisation, le système antennaire comprend une pluralité d'antennes secondaires, la pluralité comprenant : au moins une première antenne secondaire couplée à l'antenne primaire via un premier dispositif de couplage électromagnétique, la première antenne secondaire étant chargée par une première impédance configurée pour que le diagramme de rayonnement du système présente, pour une première fréquence donnée de ladite au moins une bande de fréquences et pour une première polarisation du champ électromagnétique rayonné, une atténuation dans une première direction prédéterminée ; au moins une deuxième antenne secondaire couplée à l'antenne primaire via un deuxième dispositif de couplage électromagnétique, la deuxième antenne secondaire étant chargée par une deuxième impédance configurée pour que le diagramme de rayonnement du système présente, pour une deuxième fréquence donnée de ladite au moins une bande de fréquences et pour une deuxième polarisation du champ électromagnétique rayonné, une atténuation dans une deuxième direction prédéterminée.
Ainsi, des atténuations de rayonnement peuvent être obtenues selon différentes polarisations. Dans certains modes de réalisation, la première polarisation et la deuxième polarisation sont des polarisations orthogonales.
Dans certains modes de réalisation, la première fréquence et la deuxième fréquence sont une même fréquence.
Dans certains modes de réalisation, la première direction prédéterminée et la deuxième direction prédéterminée sont une même direction prédéterminée.
Dans certains modes de réalisation, un diagramme de rayonnement de l'antenne primaire présente un axe de révolution. Les antennes de la pluralité d'antennes secondaires sont équiréparties autour de l'antenne primaire dans un plan sensiblement orthogonal à l'axe de révolution.
Ainsi, les atténuations de rayonnement peuvent être sensiblement équiréparties autour de l'axe de révolution. Dans certains modes de réalisation, l'antenne primaire et ladite au moins une antenne secondaire sont de natures différentes.
Avoir des antennes primaire et secondaire de natures différentes (e.g. l'antenne primaire est du type patch imprimé et l'au moins une antenne secondaire est du type dipôle imprimé replié ou boucle magnétique) réduit encore le couplage EM par proximité entre les antennes primaire et secondaire. Ainsi, la mise en oeuvre d'une ligne de propagation guidée pour le transfert d'énergie électromagnétique entre les antennes primaire et secondaire permet de s'affranchir de cette problématique et d'envisager des antennes primaire et secondaire de natures différentes. L'invention concerne également un une antenne réseau comprenant une pluralité de systèmes antennaires selon l'un quelconque des modes de réalisation précités.
Ainsi, un deuxième niveau de filtrage spatial est obtenu via la mise en réseau de systèmes antennaires selon l'invention (e.g. via une mise en oeuvre de formation de faisceau en bande de base ou via une mise en oeuvre d'un circuit de formation de voies).
Liste des figures
D'autres buts, caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description suivante, donnée à titre de simple exemple illustratif, et non limitatif, en relation avec les figures, parmi lesquelles :
[Fig.l], décrite ci-dessus en relation avec l'art antérieur, illustre un exemple de structure d'un système antennaire selon une technique connue ;
[Fig. ] illustre un exemple de structure d'un système antennaire comprenant un dispositif de couplage EM selon un mode de réalisation de l'invention ;
[Fig.2a] illustre un exemple de structure d'un système antennaire comprenant un dispositif de couplage EM selon un autre mode de réalisation de l'invention ;
[Fig.3] illustre un exemple de système antennaire selon un mode de réalisation de l'invention ; [Fig.3a] illustre un exemple d'implémentation de jeux d'impédances de charge des antennes secondaires du système antennaire de la [Fig.3] selon un mode de réalisation de l'invention ;
[Fig.3b] illustre un exemple de diagramme de rayonnement du système antennaire de la [Fig.3] obtenu pour une configuration donnée des jeux d'impédances de charge de la [Fig.3a] ;
[Fig.4] illustre un exemple de structure d'un jeu d'impédances de charge permettant d'adresser la création d'atténuations dans le diagramme de rayonnement du système antennaire de la [Fig.3] dans plusieurs bandes de fréquences selon un mode de réalisation de l'invention ; [Fig.4a] illustre un exemple de structure d'impédance de charge permettant d'adresser la création d'atténuations dans le diagramme de rayonnement du système antennaire de la [Fig.3] dans plusieurs bandes de fréquences selon un autre mode de réalisation de l'invention ; et
[Fig.5] illustre une antenne réseau comprenant une pluralité de systèmes antennaires selon un mode de réalisation de l'invention.
Description détaillée de modes de réalisation de l'invention
On présente désormais, en relation avec la [Fig. ] un exemple de structure d'un système antennaire 200 comprenant un dispositif de couplage EM 210 selon un mode de réalisation de l'invention.
Plus particulièrement, le système antennaire 200 est configuré pour fonctionner dans une (ou plusieurs) bande de fréquences. En d'autres termes, le système antennaire 200 est configuré pour recevoir et/ou émettre des signaux dans la (ou les) bande de fréquences en question. Pour ce faire, le système antennaire 200 comprend, tout comme le système antennaire 100 de la [Fig.l] : une antenne primaire 110 destinée à être connectée à un récepteur et/ou émetteur RF pour recevoir et/ou émettre des signaux dans la (ou les) bande de fréquences en question. L'antenne primaire 110 est ainsi configurée pour fonctionner dans la (ou les) bande de fréquences en question ; une antenne secondaire 120 chargée par une impédance de charge 130 dont la valeur impacte le comportement du rayonnement résultant (directivité ou au contraire synthèse d'une atténuation 350 (ou « nul » ou « creux » ou « zéro ») dans le diagramme de rayonnement du système antennaire 200). Plus particulièrement, l'impédance de charge 130 est configurée pour que le diagramme de rayonnement du système antennaire 200 présente, pour au moins une fréquence donnée de la (ou des) bande de fréquences considérée, une atténuation 350 dans une direction prédéterminée.
Dans d'autres modes de réalisation, e.g. le mode de réalisation de la [Fig.3], le système antennaire 200 comprend une pluralité d'antennes secondaires 120 chargées par une impédance de charge 130 respective.
Quel que soit le mode de réalisation considéré, l'antenne (ou les antennes) secondaire 120 est une antenne configurée pour être apte à fonctionner dans la (ou les) bande de fréquences dans laquelle le système antennaire 200 (et donc l'antenne primaire 110) est configurée pour fonctionner. En cela, le système antennaire 200 selon la présente technique se distingue des antennes à géométries reconfigurables décrites ci-dessus en relation avec la section « Art antérieur et ses inconvénients ». En effet, dans une telle antenne à géométrie reconfigurable, les éléments physiques que l'on vient alimenter ou non en courant afin de changer la géométrie globale de l'antenne ne sont pas des éléments aptes à fonctionner par eux-mêmes, ne serait-ce que de par leurs dimensions, comme une antenne dans la (ou les) bande de fréquences de fonctionnement de l'antenne globale. A contrario, l'antenne (ou les antennes) secondaire 120 selon la présente technique est apte à un tel fonctionnement dans la (ou les) bande de fréquences de fonctionnement du système antennaire 200.
De retour à la [Fig.2], la valeur de l'impédance de charge 130 devant être mise en oeuvre pour obtenir une atténuation 350 dans une direction angulaire donnée est e.g. obtenue via la technique décrite dans l'article précité de M. Ohira, A. Miura, M. Taromaru et M. Ueba. En pratique, la valeur de l'impédance de charge 130 devant être mise en oeuvre pour obtenir une atténuation 350 dans une direction angulaire donnée est dépendante du niveau de couplage entre l'antenne primaire 110 et l'antenne secondaire 120 considérée. Plus particulièrement, pour des valeurs de couplage faibles, la valeur de l'impédance de charge 130 nécessaire est souvent à partie réelle négative ce qui la rend, en pratique, difficilement ou non réalisable. Une telle valeur de couplage est par ailleurs naturellement fonction de la distance entre l'antenne primaire 110 et l'antenne secondaire 120, mais également fonction de différents paramètres comme la nature des antennes primaire 110 et secondaire 120. Par exemple, dans certains modes de réalisation les antennes primaire 110 et secondaire 120 sont de natures différentes. De tels modes de réalisation sont intéressant e.g. : lorsque l'antenne primaire 110 présente un diagramme de rayonnement propre optimisé pour la réception du signal voulu en provenance d'une direction donnée, alors que l'antenne (ou les antennes) secondaire 120 présente un diagramme de rayonnement propre optimisé pour la réception (et donc l'annulation dans le système complet au final) d'un signal interfèrent en provenance d'une autre direction. C'est le cas e.g. lors de la réception d'un signal GNSS en présence d'un signal interfèrent (ou « jammer » dans la littérature anglosaxonne). Le signal GNSS est en effet émis depuis un satellite en orbite terrestre alors que le signal interfèrent est souvent émis depuis un dispositif à la surface de la Terre ; ou lorsque plusieurs antennes secondaires 120 sont mises en oeuvre avec des champs EM rayonnés présentant des polarisations différentes dans une direction donnée (comme e.g. dans le mode de réalisation de la [Fig.3]). Dans une telle configuration, des atténuations 350 dans le diagramme de rayonnement du système antennaire 200 peuvent être obtenues selon les différentes polarisations. De retour à la [Fig.2], afin de s'affranchir de ces problématiques de faible couplage, contrairement au système antennaire 100 de la [Fig.l], l'antenne secondaire 120 est ici couplée à l'antenne primaire 110 via le dispositif de couplage EM 210. Plus particulièrement, le dispositif de couplage EM 210 comprend une (ou plusieurs) ligne de propagation guidée 210a configurée pour le transfert d'énergie EM entre l'antenne primaire 110 et l'antenne secondaire 120.
Ainsi, il est obtenu une valeur de couplage suffisante entre l'antenne primaire 110 et l'antenne secondaire 120 pour permettre de créer des atténuations 350 dans le diagramme de rayonnement du système antennaire 200 en mettant en oeuvre des impédances de charge 130 à parties réelles positives, et cela dans une large plage de directions angulaires des atténuations 350.
Plus particulièrement, le niveau de couplage ne doit être ni trop élevé (e.g. de préférence le module du paramètre S21 entre l'antenne primaire 110 et l'antenne secondaire 120 est inférieur à -10 dB), sous peine de coupler trop de puissance avec pour impact direct une détérioration du gain de l'antenne primaire 110, ni trop faible (e.g. de préférence le module du paramètre S21 entre l'antenne primaire 110 et l'antenne secondaire 120 est supérieur à -15 dB) pour assurer le bon fonctionnement des antennes secondaires 120.
Une telle ligne de propagation guidée présente une impédance caractéristique comprise entre 25 Ohms et 100 Ohms, de préférence 50 Ohms. La ligne de propagation guidée est e.g. une ligne micro-ruban, une ligne coplanaire, une ligne coaxiale, une ligne à fente, une ligne triplaque, etc. Plus particulièrement, une ligne configurée de la sorte permet de s'affranchir e.g. de l'effet inductif que peut procurer une connexion du type filaire, notamment lorsque la distance entre l'antenne primaire et les antennes secondaires augmente, un tel effet inductif pouvant compromettre le couplage (e.g. rayonnement de ligne indésirable et perte de puissance couplée) entre l'antenne primaire et les antennes secondaires. Selon la présente technique, il est ainsi possible d'augmenter la distance entre l'antenne primaire et les antennes secondaires de sorte à réduire le couplage EM par proximité entre l'antenne primaire et les antennes secondaires. Ceci permet de contrôler finement le couplage entre l'antenne primaire et les antennes secondaires via la ligne de propagation. Ceci laisse plus de latitudes dans la formation du diagramme de rayonnement (positionnement des atténuations).
Le dispositif de couplage EM 210 comprend en outre : une sonde électrique 210b pour le couplage EM entre l'antenne primaire 110 et la (ou les) ligne de propagation guidée 210a ; et une sonde électrique 210b pour le couplage EM entre la (ou les) ligne de propagation guidée 210a et l'antenne secondaire 120.
A contrario, dans le mode de réalisation de la [Fig.2a], le dispositif de couplage EM 210 comprend : un contact électrique 210c pour le couplage EM entre l'antenne primaire 110 et la (ou les) ligne de propagation guidée 210a ; et un contact électrique 210c pour le couplage EM entre la (ou les) ligne de propagation guidée 210a et l'antenne secondaire 120.
Alternativement, un couplage par boucle magnétique peut être envisagé pour le couplage EM entre l'antenne primaire 110 et la (ou les) ligne de propagation guidée 210a, ainsi que pour le couplage EM entre la (ou les) ligne de propagation guidée 210a et l'antenne secondaire 120. Par ailleurs, des couplages de natures différentes (i.e. par contact, par sonde ou par boucle) peuvent être envisagés pour le couplage entre, d'une part, les extrémités de la (ou les) ligne de propagation guidée 210a et, d'autre part, l'antenne primaire 110 ou l'antenne secondaire 120. Ainsi, dans des modes de réalisation, le dispositif de couplage EM 210 comprend, pour le transfert de l'énergie EM entre, d'une part, la (ou les) ligne de propagation guidée 210a et, d'autre part, l'antenne primaire 110 ou l'antenne secondaire 120, au moins un élément appartenant au groupe comprenant : un contact électrique ; une sonde électrique ; ou une boucle magnétique.
On présente désormais, en relation avec la [Fig.3] un exemple de système antennaire 200 selon un mode de réalisation de l'invention.
Plus particulièrement, l'antenne primaire 110 est une antenne patch circulaire. La symétrie de révolution permet e.g. d'adresser plus facilement toutes les directions possibles pour les atténuations 350 dans le diagramme de rayonnement.
Cependant, dans certains modes de réalisation, d'autres types d'antennes primaires 110 sont utilisés, e.g. des antennes dipôle, spirale, cornet, etc. De telles antennes présentent ou non une symétrie de révolution et sont configurées pour fonctionner dans une seule bande de fréquences ou dans une pluralité de bandes de fréquences.
De retour à la [Fig.3], l'antenne primaire 110 est ici une antenne GNSS à polarisation circulaire droite multi-bande. D'un diamètre de 131 mm et de hauteur 59 mm, elle couvre les bandes E6 (1260 - 1300 MHz) et El (1559 - 1591 MHz). Pour réaliser les deux bandes de fréquences El et E6, l'antenne primaire 110 comprend deux patchs circulaires, empilés et centrés l'un au-dessus de l'autre de façon à assurer une symétrie de révolution sur une bande de fréquences suffisante (meilleur rapport axial sur les bandes considérées par rapport à une antenne patch quasi carrée voire tronquée).
Par ailleurs, afin de diminuer les dimensions de l'antenne primaire 110 d'un facteur proche de deux, les antennes patch sont réalisées sur un substrat épais hyperfréquences (e.g. de référence R04003CTM, sr = 3,38 et tan ô = 0,0027 à 10 GHz). Le réglage de la fréquence centrale et de la largeur de la bande passante est assuré par le diamètre du patch et l'épaisseur de son substrat respectivement. Son diamètre est ici de 70 mm avec une épaisseur de 6,4 mm pour le patch inférieur couvrant la bande E6 (empilement de quatre substrats de 1,524 mm) et de diamètre
55.2 mm avec une épaisseur de 3,15 mm pour le patch supérieur couvrant la bande El (empilement de deux substrats de 1,524 mm).
Afin de réaliser la polarisation circulaire droite, les antennes sont alimentées par quatre sondes d'alimentation 300 en quadrature situées à 8 mm du centre de la structure et de diamètre
2.2 mm. Ces sondes d'alimentation 300 viennent exciter le premier mode transverse magnétique TM110 de l'antenne primaire 110.
Les sondes d'alimentation 300 sont connectées à un circuit d'alimentation situé sur la couche arrière du circuit imprimé de l'antenne primaire 110 ([Fig.3a] ). Le circuit d'alimentation comprend un balun 320 (e.g. de référence ADTL2-18+ de Mini-Circuits) alimentant deux coupleurs hybrides 3dB-90° 330 (e.g. de référence QCN-19+ de Mini-Circuits) reliés aux sondes d'alimentation 300 de manière à garantir sur chacune des sondes d'alimentation 300 des signaux de même amplitude mais déphasés l'un par rapport à l'autre de 90° (0°; 90°; 180°; 270°). Enfin une connectique 340 (e.g. de type SMA) est reliée à l'entrée du balun de façon à connecter l'antenne primaire 110 e.g. à un câble coaxial.
De retour à la [Fig.3], afin d'alimenter les antennes secondaires 120 situées autour de l'antenne primaire 110, des sondes de couplage 210b électriques sont disposées à proximité des sondes d'alimentation 300. Ces sondes de couplage 210b sont identiques, sensiblement parallèles aux sondes d'alimentation 300 et sont positionnées par rapport à ces dernières de manière à assurer un niveau de couplage sensiblement égal à -13 dB dans les bandes de fréquences El et E6. De manière générale, les sondes de couplage 210b sont positionnées en fonction du niveau de couplage que l'on désire. Par ailleurs, comme décrit ci-dessus en relation avec la [Fig.2] et la [Fig.2a], dans certains modes de réalisation, d'autres types de couplages entre l'antenne primaire 110 et la ligne de propagation guidée 210a peuvent être envisagés (e.g. un contact électrique 210c ou un couplage par boucle magnétique).
De retour à la [Fig.3], les antennes secondaires 120 sont configurées pour être aptes à fonctionner dans les bande de fréquences E6 et El et comprennent : quatre premières antennes secondaires 120a, chaque première antenne secondaire 120a étant couplée à l'antenne primaire 110 via un premier dispositif de couplage EM 210 respectif ; et quatre deuxièmes antennes secondaires 120b, chaque deuxième antenne secondaire 120a étant couplée à l'antenne primaire 110 via un deuxième dispositif de couplage EM 210 respectif.
Plus particulièrement, les premières antennes secondaires 120a et les deuxièmes antennes secondaires 120b sont de natures différentes. Par ailleurs, les premières antennes secondaires 120a et les deuxièmes antennes secondaires 120b rayonnent des champs EM présentant des polarisations orthogonales dans au moins une direction de rayonnement. Ceci permet d'obtenir des atténuations 350 dans le diagramme de rayonnement du système antennaire 200 selon différentes polarisations dans la (ou les) directions en question.
Les premières antennes secondaires 120a sont ici des dipôles imprimés sur substrat. Les deuxièmes antennes secondaires 120b sont ici des boucles magnétiques imprimées sur substrat. Cependant, dans des modes de réalisation, d'autres types d'antennes secondaires 120a, 120b sont utilisés, e.g. des antennes dipôle, spirale, cornet, etc.
Dans des modes de réalisation, les premières antennes secondaires 120a et les deuxièmes antennes secondaires 120b sont de même nature. Dans des modes de réalisation, les premières antennes secondaires 120a et les deuxièmes antennes secondaires 120b rayonnent des champs EM présentant des mêmes polarisations.
De retour à la [Fig.3], les premières antennes secondaires 120a et les deuxièmes antennes secondaires 120b sont chargées par des impédances de charge 130 situées sur la face arrière du système antennaire 200 ([Fig.3a]).
Plus particulièrement, l'impédance de charge 130 d'une antenne secondaire donnée 120a, 120b est de valeur variable dans une plage de valeurs prédéterminée. Ainsi, la direction angulaire de l'atténuation (ou des atténuations) 350 dans le diagramme de rayonnement du système antennaire 200 est variable dans une plage de directions angulaires reliée à la plage de valeurs prédéterminée.
Plus particulièrement encore, l'impédance de charge 130 d'une antenne secondaire donnée 120a, 120b est ici une impédance sélectionnable parmi un jeu d'impédances discrètes prédéterminées. Chaque impédance du jeu d'impédances est configurée pour que le diagramme de rayonnement du système antennaire 200 présente, pour une fréquence donnée de la bande de fréquences El ou de la bande de fréquences E6, une atténuation 350 dans une direction prédéterminée.
Par exemple, un circuit de commutation de charge associé à chaque antenne secondaire 120a, 120b comprend un commutateur RF 310 du type SP8T (e.g. de référence PE42282 de PSemi) afin de sélectionner jusqu'à huit valeurs d'impédances de charge 130 différentes (possibilité de créer e.g. jusqu'à sept atténuations 350 différentes dans le diagramme de rayonnement, la dernière valeur permettant un fonctionnement nominal du système antennaire 200, i.e. sans atténuation 350). Chaque ligne de charge est chargée par une résistance et une réactance (e.g. capacité ou inductance) montées en série sur une ligne microruban terminée par un retour à la masse. L'avantage de la commutation de valeurs discrètes de l'impédance de charge 130 par rapport à une variation continue réside dans la grande stabilité des valeurs d'impédances obtenues par rapport aux variations opérationnelles (e.g. température, niveau de signal RF). Ceci permet de garantir une stabilité des performances d'un produit implémentant un tel système antennaire 200.
Ainsi, selon une telle approche, dans certains modes de réalisation l'impédance de charge 130 est une impédance sélectionnable parmi un jeu d'impédances discrètes prédéterminées. Chaque impédance du jeu d'impédances est configurée pour que le diagramme de rayonnement du système antennaire 200 présente, pour une fréquence donnée de la (ou les) bande de fréquences dans laquelle (lesquelles) le système antennaire 200 est configuré pour fonctionner, une atténuation 350 dans une direction prédéterminée dans le diagramme de rayonnement. Cependant, dans certains modes de réalisation, la valeur de l'impédance de charge 130 varie continûment dans la plage de valeurs prédéterminée considérée.
De retour à la [Fig.3], les antennes secondaires 120a, 120b sont équiréparties autour de l'antenne primaire 110 dans un plan (ici le plan xoy) sensiblement orthogonal à l'axe de révolution (ici l'axe z) du diagramme de rayonnement de l'antenne primaire 110. Ainsi, les atténuations 350 obtenues dans le diagramme de rayonnement sont sensiblement équiréparties autour de l'axe de révolution comme illustré sur la [Fig.3b] .
Cependant, dans certains modes de réalisation, les antennes secondaires 120 ne sont pas équiréparties autour de l'antenne primaire 110. Par ailleurs, dans certains modes de réalisation les antennes secondaires 120 ne sont pas implémentées dans un plan. De retour à la [Fig.3b], quatre premières antennes secondaires 120a et quatre deuxièmes antennes secondaires 120b sont couplées à l'antenne primaire 110. Cependant, dans certains modes de réalisation, un autre nombre d'antennes secondaires 120 est implémenté.
Ainsi, dans certains modes de réalisation, le système antennaire 200 est configuré pour fonctionner dans une (ou plusieurs) bande de fréquences et comprend : au moins une première antenne secondaire 120a couplée à l'antenne primaire 110 via un premier dispositif de couplage EM. La première antenne secondaire 120a est chargée par une première impédance 130 configurée pour que le diagramme de rayonnement du système présente, pour une première fréquence donnée de la (ou les) bande de fréquences et pour une première polarisation du champ EM rayonné, une atténuation 350 dans une première direction prédéterminée ; au moins une deuxième antenne secondaire 120b couplée à l'antenne primaire 110 via un deuxième dispositif de couplage EM. La deuxième antenne secondaire 120b est chargée par une deuxième impédance 130 configurée pour que le diagramme de rayonnement du système présente, pour une deuxième fréquence donnée de la (ou les) bande de fréquences et pour une deuxième polarisation du champ EM rayonné, une atténuation 350 dans une deuxième direction prédéterminée.
Ainsi, des atténuations 350 de rayonnement peuvent être obtenues selon différentes polarisations.
Dans certains modes de réalisation, la première polarisation et la deuxième polarisation sont des polarisations orthogonales (e.g. la première polarisation est une polarisation circulaire (ou elliptique) droite et la deuxième polarisation est une polarisation circulaire (ou elliptique) gauche. Alternativement, la première polarisation et la deuxième polarisation sont des polarisations rectilignes orthogonales). Dans certains modes de réalisation, la première polarisation et la deuxième polarisation sont des polarisations différentes (orthogonales ou non). Dans certains modes de réalisation, la première polarisation et la deuxième polarisation sont des mêmes polarisations.
Dans certains modes de réalisation, la première fréquence et la deuxième fréquence sont une même fréquence. Dans certains modes de réalisation, la première fréquence et la deuxième fréquence sont des fréquences différentes.
Dans certains modes de réalisation, la première direction prédéterminée et la deuxième direction prédéterminée sont une même direction prédéterminée. Dans certains modes de réalisation, la première direction prédéterminée et la deuxième direction prédéterminée sont des directions prédéterminées différentes.
Dans certains modes de réalisation, le système antennaire 200 comprend des antennes secondaires 120 toutes de même nature. Dans certains modes de réalisation, les antennes secondaires 120 sont, au moins en partie, de natures différentes.
Dans certains modes de réalisation, le système antennaire 200 comprend une seule antenne secondaire 120.
On présente désormais, en relation avec la [Fig.4] un exemple de structure d'un jeu d'impédances de charge 130 permettant d'adresser la création d'atténuations 350 dans le diagramme de rayonnement du système antennaire 200 dans plusieurs bandes de fréquences selon un mode de réalisation de l'invention.
Plus particulièrement, la structure de la [Fig.4] est particulièrement adaptée pour adresser séquentiellement la création d'atténuations 350 dans une pluralité de bandes de fréquences. Pour ce faire un commutateur RF 400 (où un agencement de plusieurs commutateurs RF) est configuré pour pouvoir être connecté à différentes impédances de charge 130 correspondant aux atténuations 350 devant être créés dans les différentes bandes de fréquences. Dans le cas illustré sur la [Fig.4], deux impédances de charge 130 sont considérées par bande de fréquences : Zonl et Zoffl pour une première bande de fréquences, Zon2 et Zoff2 pour une deuxième bande de fréquences et Zon3 et Zoff3 pour une troisième bande de fréquences. Plus particulièrement, une impédance de charge 130 est configurée pour la création d'une atténuation 350 pour une fréquence donnée de la bande de fréquences respective et dans une direction donnée du diagramme de rayonnement du système antennaire 200 (Zonl pour la première bande de fréquences, Zon2 pour la deuxième bande de fréquences et Zon3 pour la troisième bande de fréquences). L'autre impédance de charge 130 est configurée pour le fonctionnement nominal du système antennaire 200, i.e. sans atténuation 350 (Zoffl pour la première bande de fréquences, Zoff2 pour la deuxième bande de fréquences et Zoff3 pour la troisième bande de fréquences).
Cependant, dans certains modes de réalisation, un autre nombre d'impédances de charge 130 par bande de fréquences et/ou un autre nombre de bandes de fréquences est considéré.
On présente désormais, en relation avec la [Fig.4a] un exemple de structure d'impédance de charge 130 permettant d'adresser la création d'atténuations 350 dans le diagramme de rayonnement du système antennaire 200 dans plusieurs bandes de fréquences selon un autre mode de réalisation de l'invention. Plus particulièrement, la structure de la [Fig.4a] est particulièrement adaptée pour adresser la création simultanée d'atténuations 350 dans une pluralité de bandes de fréquences. Pour ce faire, l'impédance de charge 130 comprend un dispositif de multiplexage fréquentiel 410 (e.g. un duplexeur pour deux bandes de fréquences ou un triplexeur pour trois bandes de fréquences, etc.) configuré pour multiplexer en fréquences différentes impédances unitaires 430. Chaque impédance unitaire est associée à une bande de fréquences respective de la pluralité et est configurée pour que le diagramme de rayonnement du système antennaire 200 présente, pour une fréquence donnée de la bande de fréquences respective, une atténuation 350 dans une direction de rayonnement prédéterminée.
Dans certains modes de réalisation, au moins une impédance unitaire 430 associée à une bande de fréquences respective est sélectionnable (e.g. via la mise en oeuvre d'un commutateur RF) parmi un jeu d'impédances unitaires 430.
Par exemple, dans le cas illustré sur la [Fig.4a], deux impédances unitaires 430 sont considérées par bande de fréquences (Zonl et Zoffl pour une première bande de fréquences, Zon2 et Zoff2 pour une deuxième bande de fréquences et Zon3 et Zoff3 pour une troisième bande de fréquences), sélectionnâmes via un commutateur RF 420. Une impédance unitaire 430 est configurée pour la création d'une atténuation 350 pour une fréquence donnée de la bande de fréquences respective et dans une direction donnée du diagramme de rayonnement (Zonl pour la première bande de fréquences, Zon2 pour la deuxième bande de fréquences et Zon3 pour la troisième bande de fréquences). L'autre impédance unitaire 430 est configurée pour le fonctionnement nominal du système antennaire 200 sans atténuation 350 de rayonnement (Zoffl pour la première bande de fréquences, Zoff2 pour la deuxième bande de fréquences et Zoff3 pour la troisième bande de fréquences). Dans certains modes de réalisation, un autre nombre d'impédances unitaires 430 par bande de fréquences et/ou un autre nombre de bandes de fréquences est considéré.
Ainsi, des atténuations 350 peuvent être obtenues simultanément dans différentes bandes de fréquences.
[Fig.5] illustre une antenne réseau 500 comprenant une pluralité de systèmes antennaires 200 selon un mode de réalisation de l'invention.
Plus particulièrement, l'antenne réseau 500 met en oeuvre une formation de faisceau, e.g. en via une mise en oeuvre d'un circuit de formation de voies analogique ou numérique. De la sorte des atténuations 350 supplémentaires dans le diagramme de rayonnement global de l'antenne réseau 500 peuvent être obtenues en plus de celles liées aux diagrammes de rayonnement des systèmes antennaires 200. Ainsi, un deuxième niveau de filtrage spatial est obtenu en plus de celui lié à la mise en œuvre des systèmes antennaires 200.
Selon les implémentations, une telle antenne réseau 500 met en œuvre des systèmes antennaires 200 selon l'un quelconque des modes de réalisation décrit ci-dessus.

Claims

REVENDICATIONS
1. Système antennaire (200) comprenant :
- une antenne primaire (110) configurée pour fonctionner dans au moins une bande de fréquences ;
- au moins une antenne secondaire (120, 120a, 120b) configurée pour être apte à fonctionner dans ladite au moins une bande de fréquences, l'antenne secondaire étant chargée par une impédance (130) configurée pour que le diagramme de rayonnement du système présente, pour au moins une fréquence donnée de ladite au moins une bande de fréquences, une atténuation (350) dans une direction prédéterminée, caractérisé en ce que l'antenne secondaire est couplée à l'antenne primaire via un dispositif de couplage électromagnétique (210) comprenant au moins une ligne de propagation guidée (210a) configurée pour le transfert d'énergie électromagnétique entre l'antenne primaire et l'antenne secondaire, la ligne de propagation guidée présentant une impédance caractéristique comprise entre 25 Ohms et 100 Ohms.
2. Système antennaire selon la revendication 1, dans lequel l'impédance est de valeur variable dans une plage de valeurs prédéterminée.
3. Système antennaire selon la revendication 1 ou 2, dans lequel l'impédance est une impédance sélectionnable parmi un jeu d'impédances discrètes prédéterminées, chaque impédance du jeu d'impédances étant configurée pour que le diagramme de rayonnement du système présente, pour une fréquence donnée de ladite au moins une bande de fréquences, une atténuation dans une direction prédéterminée.
4. Système antennaire selon la revendication 1 ou 2, dans lequel ladite au moins une bande de fréquences comprend une pluralité de bandes de fréquences, et dans lequel l'impédance comprend un dispositif de multiplexage fréquentiel (410) configuré pour multiplexer en fréquences des impédances unitaires (430), chaque impédance unitaire étant associée à une bande de fréquences respective de la pluralité et étant configurée pour que le diagramme de rayonnement du système présente, pour une fréquence donnée de la bande de fréquences respective, une atténuation dans une direction prédéterminée.
5. Système antennaire selon la revendication 4, dans lequel au moins une impédance unitaire associée à une bande de fréquences respective est sélectionnable parmi un jeu d'impédances unitaires.
6. Système antennaire selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel le dispositif de couplage comprend, pour le transfert de l'énergie électromagnétique entre, d'une part, la ligne de propagation guidée et, d'autre part, l'antenne primaire ou l'antenne secondaire, au moins un élément appartenant au groupe comprenant :
- un contact électrique ;
- une sonde électrique ; ou
- une boucle magnétique.
7. Système antennaire selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, comprenant une pluralité d'antennes secondaires, la pluralité comprenant :
- au moins une première antenne secondaire (120a) couplée à l'antenne primaire via un premier dispositif de couplage électromagnétique, la première antenne secondaire étant chargée par une première impédance configurée pour que le diagramme de rayonnement du système présente, pour une première fréquence donnée de ladite au moins une bande de fréquences et pour une première polarisation du champ électromagnétique rayonné, une atténuation dans une première direction prédéterminée ;
- au moins une deuxième antenne secondaire (120b) couplée à l'antenne primaire via un deuxième dispositif de couplage électromagnétique, la deuxième antenne secondaire étant chargée par une deuxième impédance configurée pour que le diagramme de rayonnement du système présente, pour une deuxième fréquence donnée de ladite au moins une bande de fréquences et pour une deuxième polarisation du champ électromagnétique rayonné, une atténuation dans une deuxième direction prédéterminée.
8. Système antennaire selon la revendication 7, dans lequel la première polarisation et la deuxième polarisation sont des polarisations orthogonales.
9. Système antennaire selon la revendication 7 ou 8, dans lequel la première fréquence et la deuxième fréquence sont une même fréquence.
10. Système antennaire selon l'une quelconque des revendications 7 à 9, dans lequel la première direction prédéterminée et la deuxième direction prédéterminée sont une même direction prédéterminée.
11. Système antennaire selon l'une quelconque des revendications 7 à 10, dans lequel un diagramme de rayonnement de l'antenne primaire présente un axe de révolution, et dans lequel les antennes de la pluralité d'antennes secondaires sont équiréparties autour de l'antenne primaire dans un plan sensiblement orthogonal à l'axe de révolution.
12. Système antennaire selon l'une quelconque des revendications 1 à 11, dans lequel l'antenne primaire et ladite au moins une antenne secondaire sont de natures différentes.
13. Système antennaire selon l'une quelconque des revendications 1 à 12, dans lequel l'antenne primaire est du type patch imprimé et l'au moins une antenne secondaire est du type dipôle imprimé replié ou boucle magnétique.
14. Antenne réseau (500) comprenant une pluralité de systèmes antennaires selon l'une quelconque des revendications 1 à 13.
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