FR2894079A1 - Systeme frontal d'antennes bi-bandes - Google Patents

Abstract

La présente invention concerne un système d'antennes bi-bandes à multiples accès ainsi que de l'interface associé formé de commutateurs DPDT ou SPDT, intégrable sur une même structure multicouches.

Description

L'invention concerne un système formé de plusieurs antennes bi-bandes à

double accès et d'interfaces pour la réception et l'émission de signaux électromagnétiques. Elle concerne également tout dispositif de traitement de signaux doté d'un tel système.

Aujourd'hui les modems sans fil permettent d'établir une liaison entre une station de base et un terminal équipé d'une carte sans fil. La majorité des produits sur le marché sont conformes au standard IEEE 802.11b fonctionnant dans la bande 2,4 GHz. Ce standard permet des débits pouvant aller jusqu'à 11 Mbps. Pour des débits plus élevés, pouvant atteindre théoriquement 54Mbps, les produits doivent être conforme au standard IEEE802.11 g et au standard IEEE 802.11a fonctionnant dans la bande 5GHz. Certains produits fonctionnent simultanément suivant les standards b et g. 15 D'autres suivant le standard a. A terme, pour des raisons de compatibilité avec des produits existants et afin d'utiliser la capacité maximale disponible, la majorité des stations de base seront compatibles avec simultanément les 3 standards à savoir IEEE802.11a, b et g, devant donc pouvoir fonctionner aux fréquences 20 2.4GHz et 5GHz.

Le document US 6 246 377 décrit un émetteur/récepteur de signaux dans une bande 2,4 - 5 GHz. Deux antennes large bande de type Vivaldi sont utilisées séparément l'une pour la réception et l'autre pour l'émission, évitant 25 ainsi l'utilisation d'un commutateur RX/TX. Mais ce système n'assure pas la diversité d'antennes. Afin d'améliorer la robustesse et la portée de la liaison sans fil, il est intéressant de pouvoir disposer d'une diversité d'antennes au moins d'ordre 2. Les solutions de diversité envisageables pour l'instant nécessitent le 30 doublement des chaînes de réception.

Il n'existe pas à ce jour de solution pour un système à diversité d'antennes répondant aux contraintes des différents standards et nécessitant le doublement des chaînes de réception.

L'invention propose donc un système d'antennes bi-bandes et interface associée pour une émission et une réception à diversité d'antennes large bande suivant les différents standards IEEE 802.11a, b et g. L'invention propose un système d'antennes bi-bandes à diversité pour émission et réception de signaux électromagnétiques comportant au moins deux antennes et des moyens d'interface reliant les antennes avec un circuit de traitement de signaux. Chaque antenne dispose de deux accès séparés, chaque accès correspondant à une réception et/ou une émission dans une bande de fréquence déterminée et les dits moyens d'interface permettent la sélection et la transmission des signaux dans la bande de fréquence déterminée. Préférentiellement, le système comporte deux antennes bi-bandes à deux accès séparés et le moyen d'interface comprend au moins un moyen de commutation dans au moins une des deux bandes de fréquence assurant ainsi la diversité de réception et l'émission des signaux dans cette bande. Ce moyen de commutation est préférentiellement un commutateur DPDT (en anglais : Dual Port Dual Throw).

Selon une variante de l'invention, le système d'antennes comporte trois antennes bi-bandes à deux accès séparés et le moyen d'interface (3) comprend des moyens de commutation associé aux accès réception dans les deux bandes, assurant ainsi la diversité de réception dans ces bandes.

Préférentiellement les moyens de commutation sont des commutateurs SPDT (en anglais : Single Port Dual Throw) Dans un mode de réalisation, les antennes permettant une réception à diversité pour 2 bandes séparées sont rassemblés sur la face du plan de masse de la structure multicouche opposée à la couche supportant les lignes d'alimentation et commutateurs des circuits de réception alors que la troisième antenne permettant l'émission est implémentée sur l'autre face du plan de masse opposée à la couche supportant les lignes d'alimentation et commutateurs des circuits d'émission alors que dans un autre mode de réalisation les antennes permettant une réception à diversité pour 2 bandes séparées et la troisième antenne permettant l'émission sont rassemblés sur une face du plan de masse de la structure multicouche . Selon une variante de l'invention les moyens d'interface comprennent des amplificateurs pour amplifier les signaux émis/reçus vers le circuit de traitement de signaux.

Préférentiellement, les antennes sont des antennes fente de type Vivaldi alimentées par couplage électromagnétique et la réception et l'émission des signaux sont compatibles avec une norme appartenant au standard IEEE802.11a, b ou g.

L'invention se rapporte également à un dispositif de traitement de signaux qui comporte un tel système d'antennes. Dans les trois configurations particulières le système frontal d'antennes selon l'invention est composé d'une partie antennes et d'une autre partie dite interface (ou en anglais Front End), et est situé en amont du circuit RFIC (Radio Frequency Integral Circuit ) de la chaîne de réception / émission de signaux. Ce système frontal présente 4 bornes d'entrées / sorties pour la connexion avec le circuit RFIC, correspondant respectivement aux accès réception Rx et émission Tx à la fréquence 2.4GHz et réception Rx et émission Tx à la fréquence 5GHz.

Le système, selon le premier mode de réalisation, comporte deux antennes Al et A2 à large bande ou double bandes couvrant l'ensemble des bandes à 2,4GHz et à 5 GHz allouées par les standards a, b ou g permettant une réception simple à la fréquence 5GHz et une réception à diversité d'antennes d'ordre 2 uniquement à la fréquence 2,4GHz. Cette paire d'antennes de type fente à rayonnement longitudinal, par exemple de type Vivaldi, Al et A2 à double accès séparés N1 et N2 pour les fréquences 2,4 GHz et 5GHz permet la réception et la transmission de signaux dans ces bandes de fréquence.

L' accès N1 de l'antenne Al et l'accès NI de l'antenne A2 sont reliés par l'intermédiaire d'un interface aux bornes Tx 2,4GHz et Rx 2,4GHz du RFIC . Cet interface est, par exemple, un circuit de commutation à double entrée double sortie de type DPDT à bande étroite dans la bande 2,4GHz. Il gère la commutation des signaux entre les points d'accès NI à 2.4GHz de chacune des antennes Al, A2 et chacune des bornes du circuit RFIC à 2,4GHz, correspondant à l'accès émission Tx ou réception Rx. II gère donc la sélection soit d'une des voies de réception à 2,4GHz des antennes (diversité d'antennes) soit d'une voie de transmission à 2.4GHz de l'une ou l'autre des antennes.

Les deux autres accès N2 à 5GHz, de l'antenne Al pour l'émission et de l'antenne A2 pour la réception, sont reliés respectivement et directement aux accès Tx et Rx à 5GHz du circuit RFIC. Cette solution d'interface n'utilise qu'un seul composant externe, le circuit de commutation DPDT, intégrable à la structure proposée pour l'implémentation des antennes qui sera ultérieurement explicitée. De plus ce composant fonctionne en fréquence basse et à bande étroite puisque limitée seulement à la bande 2,4GHz. Les pertes intrinsèques du composant sont donc réduites.

Les antennes sont formées sur un substrat par exemple un substrat très bas coût tel le FR4. Le plan de masse incluant le profil des 2 antennes est situé sur la couche inférieure du substrat. es antennes Vivaldi sont alimentées par couplage électromagnétique à une ligne micro-stip d'alimentation gravée sur la face opposée du substrat La couche supérieure est donc utilisée pour les circuits d'alimentation et pour l'interface de commutation.

Eventuellement, en cas de besoin, pour l'émission, des amplificateurs de puissance, extérieurs au RFIC, peuvent être connectés aux bornes émissions Tx du circuit RFIC pour amplifier le signal à transmettre. De même, en cas de besoin, pour la réception, des amplificateurs à faible bruit peuvent être connectés aux bornes réception du circuit RFIC pour amplifier le signal reçu. Une deuxième configuration du système selon l'invention pour lequel la diversité d'antennes est recherchée à 2,4GHz et également à 5 GHz correspond à une paire d'antennes fente de type Vivaldi Al et A2 à double accès séparés N1 et N2 à 2,4 GHz et à 5GHz respectivement et qui permet la réception de signaux dans ces bandes de fréquence. Les accès N1 à 2,4GHz ainsi que les accès N2 à 5GHz des antennes Al et A2 sont des accès multiples. Ils sont utilisés pour la transmission et la réception des données et sont reliées à des circuits de couplage formant la partie interface avec le circuit RFIC.

Ce circuit est, par exemple, un circuit commutateur DPDT à bande étroite dans la bande 2,4GHz. II permet de commuter chacune des antennes A1, A2 à chacune des entrées correspondant à l'accès Tx ou Rx. Il gère donc la sélection à 2,4GHz soit d'une des voies de réception des antennes (diversité d'antennes) soit d'une voie de transmission de l'une ou l'autre des antennes.

De même, le circuit est par exemple un circuit commutateur DPDT à bande étroite dans la bande 5GHz. Il permet de commuter chacune des antennes Al et A2 à chacune des entrées correspondant à l'accès Tx ou Rx du circuit RFIC. Il gère donc la sélection à 5GHz soit d'une des voies de réception des antennes (diversité d'antennes) soit d'une voie de transmission de l'une ou l'autre des antennes.

Cette solution utilise deux composants externes, intégrables à la structure proposée pour l'implémentation des antennes.

Eventuellement, en cas de besoin, pour l'émission, des amplificateurs de puissance, extérieurs au RFIC, peuvent être connectés aux bornes émissions Tx du circuit RFIC pour amplifier le signal à transmettre. De même, pour la réception, des amplificateurs à faible bruit peuvent être connectés aux bornes réception du circuit RFIC pour amplifier le signal reçu.

La couche supérieure est utilisée pour l'implémentation les circuits d'alimentation et des 2 interfaces de commutation. Une troisième configuration du système selon l'invention pour lequel la diversité d'antennes est recherchée à 2,4GHz et à 5 GHz se caractérise par l'implémentation sur la structure multi couches de 3 antennes. Une paire d'antennes fente de type Vivaldi Al et A2 à double accès séparés NI et N2 à 2,4 GHz et à 5GHz permettant uniquement la réception de signaux dans ces bandes de fréquence, sont implantés sur une face de la structure. Une interface permet de sélectionner le signal reçu parmi les 2 signaux réceptionnés à la fréquence 2,4 GHz. De même, une interface permet de sélectionner le signal reçu parmi les 2 signaux réceptionnés à la fréquence 5 GHz. Un commutateur tel par exemple un circuit SPDT (en anglais Single Port Dual Throw), représente un commutateur suffisant. L'interface permettant la réception des signaux à 2,4 GHz et à 5GHz, formé par 2 circuits SPDT, est donc minimisé car il n'est plus nécessaire de coupler les accès transmission ùréception à une certaine fréquence. Ces circuits sont intégrables sur une face de la structure multicouche.

Une troisième antenne fente de type Vivaldi, destinée à l'émission de signaux dans les bandes 2,4 GHz et 5GHz, est placée sur l'autre face du substrat. Les bornes d'entrée Tx du signal à transmettre sont reliées directement aux différents points d'accès de cette antenne. En transmission un couplage direct entre l'élément RFIC de la chaîne de transmission et les antennes permet de supprimer les pertes qui étaient dues à la présence d'un circuit DPDT.

Il est possible d'implémenter les antennes Vivaldi d'une manière telle que les deux antennes Vivaldi pour la réception des données à diversité dans les bandes 2,4 et 5 GHz soient gravées sur la face supérieure du plan de masse M sur 2 bords à 90 d'un PCB multi couches de type FR4 classique supportant la carte mère. La troisième antenne est gravée sur la face inférieure dans l'angle de la structure multi couches de type FR4. Les antennes Vivaldi sont alimentées par couplage électromagnétique à une ligne micro-stip d'alimentation gravée sur les faces opposées du substrat .Les circuits d'alimentation pour l'émission ATX se trouvent sur la face inférieure et les circuits d'alimentation pour la réception ARX se trouvent sur la face supérieure de la structure multi couches du substrat. Cette structure à trois antennes Vivaldi, gravées sur les faces du plan de masse commun, permet de plus d'assurer une meilleure isolation entre les circuits d'alimentation pour l'émission et les circuits d'alimentation pour la réception.

D'autres positionnements permettant de séparer l'émission et la réception des données et par conséquence de simplifier l'interface associée, sont envisageables. Eventuellement, en cas de besoin, des amplificateurs à faible bruit pour la réception et des amplificateurs de puissance pour l'émission peuvent être connectés aux bornes du circuit RFIC comme décrit précédemment.

Dans un autre mode de réalisation, les 3 antennes Vivaldi sont positionnées .sur la même face du plan de masse.

Claims (11)

REVENDICATIONS

1. Système d'antennes bi-bandes à diversité pour émission et réception de signaux électromagnétiques comportant au moins deux antennes et des moyens d'interface reliant les antennes avec un circuit de traitement de signaux, caractérisé en ce que : chaque antenne dispose de deux accès séparés, chaque accès correspondant à une réception et/ou une émission dans une bande de fréquence déterminée, et les dits moyens d'interface permettent la sélection et la transmission des signaux dans la bande de fréquence déterminée.

2. Système d'antennes selon la revendication 1 caractérisé en ce que le système comporte deux antennes bi-bandes à deux accès séparés et en ce que le moyen d'interface comprend au moins un moyen de commutation dans au moins une des deux bandes de fréquence assurant ainsi la diversité de réception et l'émission des signaux dans cette bande.

3. Système d'antennes selon la revendication 2 caractérisé en ce que le moyen de commutation est un commutateur DPDT.

4. Système d'antennes selon la revendication 1 caractérisé en ce que le système comporte trois antennes bi-bandes à deux accès séparés et en ce que le moyen d'interface comprend des moyens de commutation associés aux accès réception dans les deux bandes, assurant ainsi la diversité de réception dans ces bandes.

5. Système d'antennes selon la revendication 4 caractérisé en ce que les moyens de commutation sont des commutateurs SPDT.

6. Système d'antennes selon la revendication 5, caractérisé en ce que les antennes permettant une réception à diversité pour 2 bandes séparées sont rassemblées sur la face du plan de masse de la structure multicouche opposée à la couche supportant les lignes d'alimentation et commutateurs des circuits de réception alors que la troisième antenne permettant l'émission est implémentée sur l'autre face du plan de masse opposée à la couche supportant les lignes d'alimentation et commutateurs des circuits d'émission.

7 Système d'antennes selon la revendication 6, caractérisé en ce que les antennes permettant une réception à diversité pour 2 bandes séparées et la troisième antenne permettant l'émission sont rassemblées sur une face du plan de masse de la structure multicouche .

8. Système d'antennes selon la revendication 1 caractérisé en ce que les moyens d'interface comprennent des amplificateurs pour amplifier les signaux émis/reçus vers le circuit de traitement de signaux.

9. Système d'antennes selon les revendications 1 à 8 caractérisé en ce que les antennes sont des antennes fente de type Vivaldi alimenté par couplage électromagnétique.

10. Système d'antennes selon l'une quelconque des revendications 1 à 9 caractérisé en ce que la réception et l'émission des signaux sont compatibles avec une norme appartenant au standard IEEE802.11a, b ou g.

11. Dispositif de traitement de signaux caractérisé en ce qu'il comporte un système d'antenne selon l'une des revendications 1 à 10.