FR2825206A1 - Dispositif pour la reception et/ou l'emission d'ondes electromagnetiques a rayonnement omnidirectionnel - Google Patents
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Abstract
La présente invention concerne un dispositif pour la réception et/ ou l'émission d'ondes électromagnétiques à rayonnement omnidirectionnel du type comprenant :un premier ensemble (100a, 100b, 100c, 100d) de moyens de réception et/ou d'émission d'ondes à rayonnement longitudinal du type antenne imprimée, lesdits moyens étant agencés pour recevoir un secteur large en azimut et au moins un second moyen (104) de réception et/ ou d'émission d'ondes à rayonnement transversal du type antenne imprimée, le second moyen présentant un rayonnement complémentaire au rayonnement du premier moyen et des moyens (103) aptes à connecter en émission lesdits premier et second moyens de réception et/ ou d'émission d'ondes.L'invention s'applique notamment aux réseaux domestiques.
Description
caractérisé en ce qu'il est réalisé en circuit intégré.
La présente invention concerne un dispositif pour la réception eVou l'émission d'ondes électromagnétiques à rayonnement omnidirectionnel utilisable plus particulièrement dans le domaine des
transmissions sans fil.
s Dans le cas des réseaux domestiques utilisant des transmissions sans fil, la conception d'antenne doit répondre à des exigences particulières qui découlent notamment de la topologie de l'environnement. Ainsi, comme représenté sur la figure 1, dans ce type d'application, on est amené à considérer des dispositifs communicants pouvant se situer en des points o quelconques d'une même pièce, dans différentes pièces ou encore sur différents étages ou niveaux. Par exemple, on a représenté sur la figure 1 une maison de quatre pièces dont trois 1, 1', 1" comportent des appareils communicants. La pièce 1 comporte un décodeur 2 relié à un téléviseur 3, le décodeur étant connecté à une antenne 4 communiquant avec un satellite S. s D'autre part, I'ensembie décodeur 2 / téléviseur 3 est muni d'une antenne 6 appartenant à un réseau sans fil susceptible de communiquer par l'intermédiaire d'une antenne 9 avec un ordinateur 7 et un lecteur de CD ROM 8 placé dans une autre pièce 1'. Ces ensembles doivent aussi pouvoir communiquer avec un autre téléviseur 10 positionné dans une pièce 1" à un o étage inférieur. Dans ces conditions et de façon à assurer une couverture complète de l'espace de communication en vue d'une connexion entre tous les terminaux du réseau, il appara^t nocessaire de concevoir des antennes
présentant un rayonnement omnidirectionnel.
Actuellement, les antennes les plus couramment utilisées pour s répondre à des besoins de rayonnement omnidirectionnel sont constituées
par des antennes dipôles ou des antennes de type patch.
Comme représenté sur la figure 2, une antenne dipôle référencoe permet d'obtenir une couverture omnidirectionnelle en azimut, toutefois elle présente un trou dans l'axe défini par l'élément rayonnant. En o conséquence, si l'antenne dipôle peut communiquer avec le téléphone 21 et le téléviseur 22 situés au même étage, elle n'assure pas une connexion avec
le calculateur 23 situé à un étage supérieur.
En ce qui concerne les antennes imprimées de type " patch " comme représenté sur la figure 3, elles comportent schématiquement un substrat 30 sur lequai est réalisée une pastille ou " patch " 31 imprimée. De ce fait, I'antenne de type " patch " présente un rayonnement 32 de type hémisphérique, ce qui limite la couverture au demi-espace supérieur au plan
de masse 30.
Pour pallier le problème de couverture, plusieurs topologies o d'antennes ont été proposées. Toutefois, elles aboutissent toutes à des configurations en trois dimensions dans lesquelles les antennes imprimées sont réalisées sur des supports de forme quelconque. Or, ces solutions restent encombrantes et leur fabrication délicate pour une production en
grandes séries.
La présente invention a donc pour but de remédier aux inconvénients cidessus en proposant une nouvelle topologie d'antenne assurant d'une part une couverture globale de l'espace et présentant, d'autre part, un encombrement limité. Cette nouvelle topologie s'appuie sur un type d'antennes imprimées telles que les antennes Vivaldi, proposé dans la odemande de brevet français n 9813855 déposee au nom de la demanderesse. Cette antenne proposée dans la demande de brevet ci dessus est constituée d'un arrangement circulaire coplanaire, autour d'un point central, d'éléments rayonnants imprimés de type Vivaldi, permettant de présenter séquentiellement dans le temps plusieurs faisceaux directifs, I'ensemble des faisceaux donnant une couverture complète à 360 de l'espace. Des perfectionnements ont été apportés à ce type d'antennes, en particulier, dans la demande de brevet français n 00 15715 déposée au nom de la demanderesse. Dans cette demande, on a proposé une réalisation permettant un mode de fonctionnement non plus séquentiel mais so simultané, c'est-àdire que l'ensemble des faisceaux fonctionne en même temps, de man ière à générer u n rayo n nement om n id irection nel en opposition avec le rayonnement directif du mode de réalisation décrit dans la demande précédente. Toutefois, le diagramme de la structure ainsi excitée présente des nuis de champs dans un secteur angulaire entourant les directions orthogonales au plan du substrat, ce secteur étant appelé zone aveugle. Ces zones aveugles sont définies par l'ouverture dans le plan H du
diagramme de rayonnement d'une antenne " Vivaldi " élémentaire.
La présente invention a donc pour but de proposer un perfectionnement à la structure décrite ci-dessus qui permet d'éliminer les
nuis de champs décrits ci-dessus.
o En conséquence, la présente invention a pour objet un dispositif pour la réception eVou l'émission d'ondes électromagnétiques à rayonnement omnidirectionnel du type comprenant un premier ensemble de moyens de réception eVou d'émission d'ondes à rayonnement longitudinal du type antenne imprimée, lesdits moyens étant agencés pour recevoir un s secteur large en azimut, caractérisé en ce qu'il comporte de plus, au moins un second moyen de réception eVou d'émission d'ondes à rayonnement transversal du type antenne imprimoe, le second moyen présentant un rayonnement complémentaire au rayonnement du premier moyen et des moyens aptes à connecter en émission lesdits premier et second moyens de
o réception eVou d'émission d'ondes.
Selon un mode de réalisation préférentiel, les moyens aptes à connocter en émission le premier ensemble de moyens de réception eVou d'émission d'ondes à rayonnement longitudinal et le second moyen de réception eVou d'émission d'ondes à rayonnement transversal sont constitués par une ligne d'alimentation commune réalisée en technologie imprimée. Cette ligne d'alimentation commune est formée d'une ligne microruban ou d'une ligne coplanaire croisant l'ensemble des fentes des antennes imprimées à fente constituant le premier ensemble de réception eVou d'émission ainsi que le second moyen d'émission eVou réception de type fente, la longueur de la ligne entre deux fentes du premier ensemble étant égale, à la fréquence centrale de fonctionnement du système à km, la longueur de la ligne entre la dernière fente du premier ensemble et la fente du second moyen de réception eVou d'émission étant égale à la fréquence centrale de fonctionnement du système à km/2 et la longueur de la ligne entre une extrémité de la ligne et la fente du second moyen de s réception eVou d'émission étant égale à k'\m/4 o m = kO/lúreff avec \0 1a longueur d'ondes dans le vide, sreff la permittivité équivalente de la ligne et k et k' un entier. Dans le cas o le second moyen d'émission eVou réception de type fente est constitué par une pastille ou " patch ", la ligne d'alimentation est directement reliée au " patch " sans longueur
o supplémentaire.
D'autre part, chaque moyen de réception eVou d'émission d'ondes à rayonnement longitudinal du type antenne imprimoe est constitué par une antenne imprimée à fente de type antenne Vivaldi ou antenne YAGI, les antennes ci-dessus étant réqulièrement agencées autour d'un point unique et étant coplanaires, de manière à pouvoir rayonner dans un secteur
d'angle de 360 .
De même, le second moyen de réception eVou d'émission d'ondes à rayonnement transversal du type imprimé est constitué par une fente de forme symétrique par rapport à un point ou une antenne de o type < patch " dans le cas o une connexion vers l'étage supérieur ou inférieur est uniquement nécessaire. Cette fente ou ce " patch " est circulaire ou carrée. Ainsi, selon une caractéristique de l' invention, le premier ensemble de moyens de réception eVou d'émission d'ondes à rayonnement longitudinal et le second moyen de réception eVou d'émission d'ondes à rayonnement transversal sont réalisés sur un même substrat de manière à
être symétriques autour d'un même point.
D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention
appara^tront à la lecture de la description faite ci-après de différents modes
de réalisation préférentiels, cette description étant faite avec référence aux
so dessins ci-annexés dans lesquels: la figure 1 déjà décrite est une vue en coupe schématique d'une maison munie d'appareils connectés entre eux selon une technologie sans fils, permettant d'expliquer le problème que doit résoudre la présente invention, la figure 2 déjà décrite est une vue schématique expliquant le fonctionnement d'un mode de réalisation selon l'art antérieur, la figure 3 déjà décrite est une représentation schématique d'un autre type d'antenne utilisée dans l'art antérieur, la figure 4 est une vue schématique d'un dispositif selon un mode o de réalisation de la demande de brevet français N OO 15715 qui peut être utiilsé dans le cadre de la présente invention, la figure 5 est une vue en plan de dessus d'un premier mode de réalisation de la présente invention, la figure 6 représente le diagramme de rayonnement d'une fente annulaire telle qu'utilisée dans le mode de réalisation de la figure 5, la figure 7 est une vue en plan de dessus d'un second mode de réalisation de ia présente invention, la figure 8 est une vue en plan de dessus d'un troisième mode de réalisation de la présente invention, et o la figure 9 est une vue en plan de dessous d'un quatrième mode
de réalisation de la présente invention.
Pour simplifier la description dans les figures, les mêmes
éléments portent les mêmes références.
Sur la figure 4, on a représenté schématiquement une antenne compacte du type de celle décrite dans la demande de brevet français n 9813855 et comportant une ligne d'alimentation telle que décrite dans la demande de brevet français n 00 15715. Pour recevoir sur un secteur large en azimut, ies moyens de réception eVou d'émission à rayonnement longitudinal sont constitués dans ce cas par quatre antennes imprimées à fente 1 OOa, 1 OOb, 1 OOc, 1 OOd, réalisées sur un même substrat 100 et régulièrement espacées autour d'un point central 101, les quatre antennes étant positionnées perpendiculairement les unes aux autres sur le substrat commun. Comme représenté schématiquement sur la figure 4, les antennes à fente comportent une ligne fente s'évasant progressivement depuis le centre 101 vers l'extérieur de la structure de manière à constituer une antenne de type Vivaldi. La structure et les performances de l'antenne Vivaldi sont bien connues de l'homme de l'art et sont décrites notamment dans les docoments " IEEE Transactions on Antennas and propagations " de S. Prasad et S. Mahapatra - Volume 2 AP-31 n 3, Mai 1983 et dans " Study of discontinuities in openwave guide - Application to improvement of o a radiating source model " de A. Louzir, R. Clequin, S. Toutain et P. Gélin,
LestUra C.N.R.S. n 1329.
Comme représenté sur la figure 4, les quatre antennes 100a, b, 100c, 100d sont reliées les unes aux autres par l'intermédiaire d'une ligne 103 réalisée en technologie microruban. Cette ligne microruban permet de réaliser des transitions ligne/fente par couplage électromagnétique et est positionnée de telle sorte que la longueur de la ligne entre deux fentes telles que la fente de l'antenne 100a et la fente de l'antenne 100b soit égale à la fréquence centrale de fonctionnement du système, à km, km donnant un fonctionnement en phase dans laquelle m = kO/4Ereff avec \0 la longueur o d'ondes dans le vide, k un entier et Ereff la permittivité relative équivalente de la ligne. D'autre part, pour obtenir un fonctionnement correct en mode omnidirectionnel, I'extrémité de la ligne microruban 103 se trouve à une distance k'\m/4 de l'antenne Vivaldi 100d la plus proche, k' étant un nombre impair et m étant donné par la relation ci-dessus. L'autre extrémité de la ligne d'alimentation est connectée en émission à des moyens d'émission de signaux de type connu, lesdits moyens comportant notamment un amplificateur de puissance. Lorsque les fentes des antennes Vivaldi sont alimentées par une ligne d'alimentation du type microruban présentant une longueur m ou km, comme représenté sur la figure 4, on obtient un so fonctionnement en phase des antennes, ce qui donne un diagramme de rayonnement optimal, comme représenté sur la figure 4 par les flèches E donnant le champ électrique rayonné. Toutefois, le diagramme de rayonnement de la structure ci-dessus présente des nuis de champs dans un secteur angulaire appelé zone aveugle entourant les directions orthogonales au plan du substrat. Ces zones aveugles sont connues puisqu'elles sont définies par l'ouverture dans le plan H du diagramme de rayonnement d'une antenne Vivaldi élémentaire. En conséquence, conformément à la présente invention, pour compléter les deux régions de couverture faisant défaut, comme représenté sur la figure 5, on associe à l'antenne à rayonnement omnidirectionnel décrite ci- dessus, une antenne o constituée par une fente annulaire 104. Comme représenté sur la figure 5, cette antenne à fente annulaire est alimentée par la ligne microruban 103 et se trouve à une distance km/2 de la fente de l'antenne Vivaldi 100d, de préférence km avec m défini tel que ci- dessus. Dans ce cas, I'extrémité de
la ligne microruban 103 est à une distance k'\m/4 de la fente annulaire 104.
s L'utilisation d'une antenne à fente annulaire, comme représenté sur la figure , permet de réaliser tout le dispositif pour la réception eVou l'émission d'ondes électromagnétiques à rayonnement omnidirectionnel sur un même substrat 100, en utilisant une technologie microruban, ce qui permet d'avoir
une antenne compacte et facilement réalisable.
o Comme on peut le voir sur la figure 6, le rayonnement d'une antenne à fente annulaire est constitué de deux lobes répartis de part et d'autre du substrat dans lequel est gravée l'antenne. De ce fait, avec la structure de la figure 5, on complète la zone de couverture avec des liaisons inter-étages. s De plus, dans le mode de réalisation décrit ci- dessus, I'alimentation de toutes les antennes est réalisée par la même ligne d'alimentation, en technologie microruban. Cette excitation permet, en fonction de l'impédance présentée par chaque élément rayonnant, de contrôler l'énergie émise par chacun d'eux. Il est donc possible de générer o un diagramme parfaitement isotrope lorsque tous les éléments présentent la même impédance ou de privilégier le rayonnement sur un ou plusieurs
secteurs particuliers.
On décrira maintenant avec référence à la figure 7, un autre mode de réalisation d'un dispositif pour la réception eVou l'émission d'ondes électromagnétiques avec rayonnement omnidirectionnel, conforme à la présente invention. Dans ce cas, les antennes de type Vivaldi ont été remplacées par des antennes imprimées de type YAGI 200a, 200b, 200c, d positionnées perpendiculairement les unes aux autres et symétriquement autour d'un point central commun 201. Ces antennes de o type YAGI sont rénlisées sur un substrat commun 200 en utilisant une technologie microruban. On réalise ainsi dans un plan de masse métallique un dipôle 200'a, 200'b, 200'c, 200'd de type YAGI associé à deux directeurs "a, 200"b, 200"c, 200"d et 200"'a, 200"'b, 200"'c, 200"'d. Comme représenté sur la figure 7, les antennes sont alimentées par une ligne d'alimentation commune 203 réalisée aussi en technologie microruban, la longueur de ligne entre chaque antenne répondant aux mêmes critères que
dans le cas des antennes de type Vivaldi.
Comme représenté sur la figure 7, le second moyen de réception et/ou d'émission d'ondes à rayonnement transversal du type antenne o imprimée est donc, dans ce cas, constitué par une fente annulaire 204 alimentée par la ligne commune 203. Le fonctionnement des antennes YAGI est identique au fonctionnement des antennes de type Vivaldi et elles donnent un rayonnement sur un secteur d'angle de 360 , l'antenne à fente annulaire 204 permettant une couverture perpendiculairement à la couverture des antennes YAGI. Le fonctionnement des antennes de type type YAGI est connu de l'homme de l'art et décrit notamment dans l'article " Copolar wavequide fed quasi-Yagi antenna ", J. Sor, Yongxi Quian and T.
Itoh, Electronics Letters 6th Jaouary 2000 Vol.36 No. 1.
so On décrira avec référence à la figure 8, un autre mode de réalisation de l'invention utilisant des antennes de type Yagi 300a, 300b, 300c, 300d avec un dipôle et deux directeurs comme dans le mode de réalisation de la figure 7. Dans ce cas, les antennes sont excitées par une ligne d'excitation 303 réalisoe en technologie microruban. Alors que dans le mode de réalisation de la figure 7, les antennes de type Yagi étaient excitées par fente, à savoir par couplage électromagnétique entre la ligne 203 et les fentes des antennes, dans le présent cas, les antennes de type Yagi sont excitées directement par la ligne microruban 303. De ce fait, les dipales des antennes se prolongent par deux lignes microruban 301 a-301 'a, 301b-301'b, 301c-301 'c, 301d-301 'd de longueur différente. Le fonctionnement d'une o antenne de ce type est connu de l'homme de i'art et décrit dans l'article " Investigation into the operation of a microstrip fed uniplanar quasi-Yagi antenna " H.J. Song, M.E. Bialkowski, The University of Queensland,
Australia - APS 2000.
Conformément à l'invention, le second moyen d'émission eVou de réception est constitué par une fente annulaire 304 et la connexion par ligne microruban 303 est réalisée comme dans le mode de réalisation de la figure 7. Dans le mode de réalisation de la figure 9, des antennes imprimées de type Yagi 400a, 400b, 400c, 400d du même type que ci o dessus sont utilisées. Toutefois, dans ce cas, la ligne d'alimentation 403 est une ligne de type coplanaire réalisé de manière connue dans le plan de masse 402. Le fonctionnement d'une structure de ce type est décrit dans l'article de " First demonstration of a conductor backed coplanar waveguide fed quasi-Yagi antenna " de K.M.K.. Leong et al de University of California
Los Angeles paru dans 2000 IEEE.
Dans ce cas aussi, le second moyen d'émission eVou de réception d'ondes à rayonnement transversal est constitué par une fente 404. Si un rayonnement transversal unilatéral est suffisant, le second
so moyen peut être réalisé avec une antenne de type " patch ".
Il est evident pour l'homme de l'ad que les examples cl-dessus sont implement Lust et peuven1 Tire modifies sons sorer du cadre des
revendications.
Claims (7)
1 - Dispositif pour la réception eVou l'émission d'ondes électromagnétiques à rayonnement omnidirectionnel du type comprenant: - un premier ensemble (100a, 100b, 100c, 100d; 200a, 200b, c, 200d; 300a, 300b, 300c, 300d; 400a, 400b, 400c, 400d) de moyens de réception eVou d'émission d'ondes à rayonnement longitudinal du type antenne imprimée, lesdits moyens étant agencés pour recevoir un secteur large en azimut, caractérisé en ce qu'il comporte de plus, - au moins un second moyen (104, 204, 304, 404) de réception eVou d'émission d'ondes à rayonnement transversal du type antenne imprimée, le second moyen présentant un rayonnement complémentaire au rayonnement du premier moyen et des moyens (103, 203, 303, 403) aptes à connecter en émission lesdits premier et second moyens de réception eVou
s d'émission d'ondes.
2 - Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que chaque moyen de réception eVou d'émission d'ondes à rayonnement longitudinal du type antenne imprimée est constitué par une antenne
imprimée de type antenne Vivaldi ou une antenne Yagi.
3 - Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que les antennes sont réqulièrement agencoes autour d'un point unique et sont
coplanaires de manière à pouvoir rayonner dans un secteur d'angle de 360 .
4 - Dispositif selon les revendications 1 à 3, caractérisé en ce que
le second moyen de réception eVou d'émission d'ondes du type imprimoe est constitué par une fente de forme symétrique par rapport à un point ou
une antenne de type " patch ".
- Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que la
fente ou le " patch " est circulaire ou carrée.
6 - Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 5,
s caractérisé en ce que le premier ensemble de moyens de réception eVou d'émission d'ondes à rayonnement longitudinai et le second moyen de réception eVou d'émission d'ondes à rayonnement transversal sont réalisés
sur un même substrat de manière à être symétrique autour d'un même point.
o 7 - Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 6,
caractérisé en ce que les moyens aptes à connecter en émission le premier ensemble de moyens de réception eVou d'émission d'ondes à rayonnement longitudinal et le second moyen de réception eVou d'émission d'ondes à rayonnement transversal sont constitués par une ligne d'alimentation
commune réalisée en technologie imprimée.
8 - Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce que la ligne d'alimentation commune est constituée par une ligne microruban ou une ligne coplanaire croisant l'ensemble des fentes des antennes imprimées à fente constituant le premier ensemble de réception eVou d'émission ainsi que le second moyen de réception eVou d'émission de type fente, la longueur de la ligne entre deux fentes du premier ensemble étant égale à la fréquence centrale de fonctionnement du système à km, la longueur de la ligne entre la dernière fente du premier ensemble et la fente du second moyen de réception eVou d'émission étant égaie à la fréquence centrale de fonctionnement du système à km/2 et la longueur de la ligne entre l'extrémité de la ligne et la fente du second moyen de réception eVou d'émission étant égale à k'\m/4 o m = \0/,lsreff avec \0 1a longueur d'ondes dans le vide et sreff la permittivité équivalente de la ligne, k un entier
et k' un autre entier impair.
9 - Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce que la ligne d'alimentation commune est constituée par une ligne microruban ou une ligne coplanaire croisant l'ensemble des fentes antennes imprimées à fente constituant le premier ensemble de réception eVou d'émission, la s longueur de la ligne entre deux fentes du premier ensemble est km et la longueur de la ligne entre la dernière fente du premier ensemble et le second moyen de réception eVou d'émission de type " patch " étant égale à la fréquence centrale de fonctionnement du système à km/2 o m = kO/> Isreff avec \0 1a iongueur d'ondes dans le vide, k un entier, sreff la
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