FR2905526A1

FR2905526A1 - Systeme multi-antenne a diversite de polarisation

Info

Publication number: FR2905526A1
Application number: FR0653562A
Authority: FR
Inventors: Lionel Rudant; Christophe Delaveaud
Original assignee: Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Current assignee: Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date: 2006-09-04
Filing date: 2006-09-04
Publication date: 2008-03-07
Anticipated expiration: 2026-09-04
Also published as: US8094082B2; WO2008028892A1; FR2905526B1; US20090273528A1; EP2059973A1; EP2059973B1

Abstract

L'invention concerne un système multi-antenne à diversité de polarisation comprenant une première antenne de type fente (20) et une seconde antenne de type patch (30), lesdites première et seconde antennes partageant le même plan de masse (10), la fente de la première antenne étant aménagée dans ledit plan de masse et le patch de la seconde antenne surplombant au moins partiellement ladite fente.

Description

SYSTÈME MULTI-ANTENNE À DIVERSITÉ DE POLARISATION DESCRIPTION DOMAINE

TECHNIQUE La présente invention concerne le domaine des antennes, notamment celui des antennes à diversité de polarisation pour terminaux de télécommunication. ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE Parmi les nombreuses mesures pour améliorer le rapport signal à bruit dans un système de télécommunication mobile, il est connu de recourir à des techniques de diversité en émission et/ou en réception. Au niveau de la station de base, on pourra utiliser par exemple des antennes suffisamment éloignées les unes des autres (d'une distance supérieure au moins à la demi-longueur d'onde à la fréquence de fonctionnement, un réseau d'antennes pour former des faisceaux pointant dans des directions angulaires distinctes ou encore des antennes émettant selon des polarisations distinctes : on parle selon le cas de diversité spatiale, de diversité angulaire ou de diversité de polarisation. De manière similaire, les mêmes techniques de diversité sont en principe applicables au terminal mobile. On utilisera soit des antennes suffisamment éloignées les unes des autres de sorte que les signaux reçus aient subi des conditions de propagation non corrélées, des antennes présentant des diagrammes de réception pointant dans des directions angulaires distinctes ou encore des antennes 2905526 2 de polarisations distinctes, par exemple selon des polarisations linéaires orthogonales entre elles. Les terminaux mobiles se prêtent malheureusement mal à la mise en oeuvre des techniques de diversité. En 5 effet, les faibles dimensions des terminaux mobiles ne permettent généralement pas de séparer suffisamment les antennes de réception aux fréquences de fonctionnement couramment utilisées (80 MHz - 6 GHz). Il en résulte que les signaux reçus par les différentes antennes sont 10 corrélés en raison de conditions de propagation voisines ou en raison du couplage entre antennes. Les signaux reçus peuvent alors présenter un évanouissement simultané et le terminal mobile ne bénéficie pas pleinement des avantages de la diversité.

15 Un système multi-antenne à diversité de polarisation pour terminal mobile a été proposé dans l'article de N. Michishita et al. intitulé A polarization diversity antenna by printed dipole and a patch with a hale publié dans Proc. of IEEE Antennas 20 and Propagation Society International Symposium, vol. No. 3, Mai 2001, pages 368-371. Ce système est constitué d'une antenne patch (dite aussi antenne plaquée) et d'une antenne dipôle. Le patch est percé d'un trou à travers lequel passe l'antenne dipôle 25 imprimée sur un substrat. Ce système n'est pas plan et ne se prête pas aisément à une intégration dans un terminal mobile. Un système multi-antenne à diversité de polarisation pour station de base a été proposé dans l'article de N. Kuga et al. intitulé A patch-slot composite antenna for VH-polarization diversity base 2905526 3 stations publié dans Proc. of Asia-Pacific Microwave Conference, Dec. 2000. Il comprend deux réseaux d'antennes entrelacés : un premier réseau constitué d'éléments de type patch à polarisation horizontale et 5 un second réseau constitué d'éléments de type patch à polarisation verticale. Les éléments du premier réseau sont excités par des fentes découpées dans le plan de masse alors que les éléments du second réseau sont excités par des lignes microruban. Ce système multi- 10 antenne n'est pas non plus compatible avec une intégration dans un terminal mobile. Le but de la présente invention est de remédier aux inconvénients précités, c'est-à-dire de proposer un système multi-antenne à diversité, compact et aisément 15 intégrable dans un terminal mobile tout en ne présentant qu'un faible couplage entre antennes. EXPOSÉ DE L'INVENTION La présente invention est définie par un 20 système multi-antenne à diversité de polarisation comprenant une première antenne de type fente et une seconde antenne de type patch, lesdites première et seconde antennes partageant le même plan de masse, la fente de la première antenne étant aménagée dans ledit 25 plan de masse et le patch de la seconde antenne surplombant au moins partiellement ladite fente. Lesdites première et seconde antennes sont avantageusement disposées de manière à émettre ou recevoir selon deux polarisations sensiblement 30 orthogonales. Pour ce faire, lesdites première et 2905526 4 seconde antennes pourront présenter des directions d'établissement de résonance sensiblement parallèles. Typiquement, le patch possède une première forme allongée selon un premier axe de symétrie et la 5 fente possède une seconde forme allongée selon un second axe de symétrie, lesdits premier et second axes de symétrie étant sensiblement parallèles. Avantageusement, lesdites première et seconde antennes présentent une bande de fréquence de 10 fonctionnement commune. Selon un premier mode de réalisation, la longueur de la fente est sensiblement égale à un multiple entier de la demi-longueur d'onde guidée dans la fente, dans ladite bande de fréquence de 15 fonctionnement. Selon un second mode de réalisation, ladite fente est ouverte d'un côté sur sa largeur et sa longueur est sensiblement égale à un multiple impair du quart de la longueur d'onde guidée dans la fente, dans 20 ladite bande de fréquence de fonctionnement. Selon un troisième mode de réalisation le patch est de longueur sensiblement égale à un multiple entier de la demi-longueur d'onde guidée dans le patch, dans ladite bande de fréquence de fonctionnement.

25 Selon un quatrième mode de réalisation, le patch est relié électriquement au plan de masse et sa longueur est sensiblement égale à un multiple impair du quart de la longueur d'onde guidée dans le patch, dans ladite bande de fréquence de fonctionnement.

30 2905526 5 Enfin, lesdites antennes peuvent être excitées par un contact électrique direct et/ou par couplage électromagnétique.

5 BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture d'un mode de réalisation préférentiel de l'invention fait en 10 référence aux figures jointes parmi lesquelles : la Fig. 1 représente schématiquement un système multi-antenne selon un premier mode de réalisation de l'invention ; la Fig. 2 représente schématiquement un système 15 multi-antenne selon un deuxième mode de réalisation de l'invention ; la Fig. 3 représente schématiquement un système multi-antenne selon un troisième mode de réalisation de l'invention ; 20 la Fig. 4 représente schématiquement un système multi-antenne selon un quatrième mode de réalisation de l'invention ; la Fig. 5 représente les coefficients de réflexion et de couplage en fonction de la fréquence de 25 fonctionnement d'un système multi-antenne selon l'invention ; la Fig. 6 représente les diagrammes de directivité en fonction de la polarisation des antennes constitutives d'un système multi-antenne selon 30 l'invention.

2905526 6 EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS L'idée à la base de l'invention consiste à associer sur un même plan de masse une antenne de type patch et une antenne de type fente, le patch surplombant au 5 moins partiellement la fente. La géométrie et l'orientation du patch et de la fente sont choisies de manière à ce que l'antenne de type patch et l'antenne de type fente puissent chacune émettre et/ou recevoir selon une polarisation rectiligne, les directions de 10 polarisation associées aux deux antennes étant orthogonales entre elles. En mode réception, les signaux respectivement reçus par l'antenne patch et l'antenne fente peuvent être combinés de manière à fournir une diversité de réception.

15 Plus précisément, la géométrie et l'orientation du patch et de la fente sont choisies de manière à ce que les directions respectives d'établissement de la résonance dans le patch et la fente soient sensiblement parallèles. Classiquement, on sait que pour un patch la 20 distribution du champ électrique selon la direction d'établissement de la résonance est sinusoïdale et présente deux maxima à chaque extrémité du patch. De manière similaire, pour une fente, la distribution de champ électrique selon la direction d'établissement de 25 la résonance est sinusoïdale et présente deux zéros à chaque extrémité de la fente. Dans un cas comme dans l'autre, le nombre de périodes de la distribution sinusoïdale dépend de l'ordre de la résonance. Le champ électromagnétique généré par le patch est noté 30 conventionnellement TMno où n donne l'ordre de la résonance selon la direction de résonance x, le champ 2905526 7 électrique étant dirigé selon cette direction. De même, le champ électromagnétique généré par la fente est noté conventionnellement TEn,o où n' donne l'ordre de la résonance selon la direction de résonance x', le champ 5 électrique étant orthogonal à x' et parallèle au plan de la fente. De manière surprenante, il a été constaté que la co-localisation de l'antenne de type fente et de l'antenne de type patch selon l'invention ne modifiait 10 pas de manière significative les caractéristiques des deux antennes prises isolément. En particulier le niveau couplage entre les antennes est remarquablement faible. En outre, l'adaptation d'impédance peut être réalisée de manière indépendante pour l'une et l'autre 15 antennes dans une bande de fréquence de fonctionnement commune. La Fig. 1 illustre de manière schématique un premier mode de réalisation du système multi-antenne selon l'invention. On a représenté en (A) une vue en 20 perspective et en (B) une coupe verticale du système dans son plan médian. Celui-ci comprend un plan de masse métallique 10 commun à l'antenne de type patch et l'antenne de type fente. Le plan de masse est réalisé typiquement par une plaque métallique ou par une couche 25 métallique déposée sur un substrat diélectrique 15. Une fente 20 est aménagée dans le plan de masse et un patch métallique 30 est disposé de manière à surplomber au moins partiellement la fente. Le patch peut être réalisé soit par une plaque métallique soit par un 30 dépôt de couche(s) métallique(s) sur un substrat diélectrique. Ce dernier peut être le même que celui du 2905526 8 plan de masse. Dans ce cas, le patch est déposé sur la face du substrat opposée à celle sur laquelle est déposé le plan de masse. Préférentiellement, la fente présente une forme 5 trapézoïdale allongée selon une direction longitudinale. Elle peut toutefois être de toute forme symétrique, par exemple rectangulaire ou elliptique, voire non symétrique. De même, le patch métallique 30 présente une forme elliptique allongée selon une 10 direction longitudinale. Il peut toutefois être de toute forme symétrique, par exemple rectangulaire ou trapézoïdale, voire non symétrique. On a noté FF' et PP' respectivement les directions de résonance de la fente et du patch. Comme on l'a vu 15 plus haut, ces deux axes sont choisis sensiblement parallèles. Ces axes coïncident ici respectivement avec les axes de symétrie longitudinale de la fente et du patch. Les axes FF' et PP' peuvent être décalés 20 latéralement l'un par rapport à l'autre dans un plan parallèle au plan de masse ou bien contenus dans un même plan orthogonal au plan de masse auquel cas la projection orthogonale de l'axe PP' sur le plan de masse coïncide avantageusement avec l'axe FF'. En 25 Fig.l, les deux axes FF' et PP' appartiennent au plan médian du système, orthogonal au plan de masse. Le champ électrique généré par l'antenne de type fente possède une polarisation rectiligne orthogonale au plan médian. En revanche, le champ électrique généré 30 par l'antenne de type patch possède une polarisation rectiligne parallèle à l'axe PP'. De manière 2905526 9 réciproque, le signal reçu par l'antenne de type fente est maximal lorsque le champ électrique a une polarisation rectiligne orthogonale au plan médian et le signal reçu par l'antenne de type patch est maximal 5 lorsque le champ électrique a une polarisation parallèle à l'axe PP'. Etant donné que le patch surplombe au moins partiellement la fente, la projection orthogonale du patch sur le plan métallique présente une intersection 10 non vide avec cette dernière. Selon une variante de réalisation, la projection orthogonale du patch sur le plan de masse inclut entièrement la forme de la fente. Les antennes de type fente et de type patch sont ainsi co-localisées et le système multi-antenne est 15 particulièrement compact. L'antenne de type fente peut être excitée au moyen d'un câble coaxial ou d'une ligne coplanaire de manière connue de l'homme du métier. Alternativement, la fente peut être excitée par couplage avec une ligne 20 microruban imprimée sur le substrat du côté opposé au plan de masse. L'antenne de type patch peut être excitée au moyen d'une sonde métallique 35 comme représenté en Fig. 1 ou un câble coaxial dont l'âme est relié en un point du 25 patch, la masse étant reliée au plan de masse. Alternativement, le patch peut être excité par couplage avec une ligne microruban imprimée sur la face d'un substrat éventuellement dédié à l'excitation. De manière plus générale, les antennes de type 30 patch et de type fente peuvent être excitées par un 2905526 10 contact électrique direct et/ou par couplage électromagnétique. La longueur de la fente selon l'axe FF' est choisie sensiblement égale à un multiple entier de la demi- 5 longueur d'onde guidée, associée à la fréquence de fonctionnement. De même, la longueur du patch selon l'axe PP' est choisie sensiblement égale à un multiple entier de la demi-longueur d'onde guidée, associée à la fréquence de fonctionnement. On rappelle que la 10 longueur d'onde guidée diffère légèrement de la longueur d'onde en propagation libre du fait de la présence des champs de bord. Elle égale à deux fois la longueur de résonance fondamentale dans le guide. On trouvera une expression analytique de la longueur 15 d'onde guidée pour une antenne fente par exemple dans l'article de R. Garg et al. intitulé Expressions for wavelength and impedance of a slotline paru dans IEEE Trans. on Microwave Theory, Août 1976, page 532. De même, on peut généralement approximer la longueur 20 d'onde guidée Xg dans un patch par Xe 0.98, où X est la longueur d'onde en propagation libre dans le milieu constitutif du guide (air ou diélectrique). Les fréquences de fonctionnement des antennes fente et patch sont avantageusement choisies identiques. De 25 manière plus générale, comme on le verra plus loin, il est possible d'utiliser l'antenne fente et l'antenne patch dans une même bande de fréquence de fonctionnement sans couplage significatif entre les deux antennes. Typiquement, pour un système destiné à 30 être utilisé dans un terminal UMTS (Universal Mobile Telecommunication System), la fréquence de 2905526 11 fonctionnement sera de l'ordre de 2 GHz et les longueurs de fente et de patch de l'ordre de 6 à 7,5 cm. Ces longueurs sont compatibles avec les dimensions d'un terminal mobile.

5 Afin de réduire davantage les dimensions du système, il est proposé, selon un second mode de réalisation, d'utiliser une demi-fente au lieu d'une fente entière. Plus précisément, la fente est ouverte d'un côté 21 sur toute sa largeur. Ce mode de 10 réalisation est représenté en Fig. 2. Sur cette figure, on a supposé pour les besoins de l'illustration, que la fente totale était un rectangle et que le patch 30 était également rectangulaire mais d'autres formes peuvent être envisagées, comme précédemment indiqué. La 15 demi-fente 20 se présente sous la forme d'une encoche à la périphérie du plan de masse 10. La longueur de l'encoche selon l'axe FF' est égale à un multiple entier du quart de la longueur d'onde guidée à la fréquence de fonctionnement.

20 Il est également possible de réduire la longueur du patch dans la direction PP' comme indiqué en Fig. 3, selon un troisième mode de réalisation du système multi-antenne selon l'invention. Dans ce mode, un retour métallique 37 vers le plan de masse est prévu en 25 bordure du patch. Ce retour métallique peut être filaire ou, comme dans le mode de réalisation représenté en Fig. 4, réalisé au moyen d'une plaque métallique 37 sensiblement orthogonale au plan de masse. Cette plaque effectue alors la jonction 30 électrique entre le bord du patch, orthogonal à l'axe longitudinal PP', situé du côté opposé à la fente, avec 2905526 12 le plan de masse. La longueur du patch selon l'axe PP' est alors avantageusement choisie égale à un multiple entier du quart de la longueur d'onde guidée (dans le patch), associée à la fréquence de fonctionnement. La 5 fente 20 reste de longueur égale à un multiple entier de la demi-longueur d'onde guidée (dans la fente) comme dans le premier mode de réalisation. La Fig. 4 illustre schématiquement un quatrième mode de réalisation particulièrement avantageux du 10 système multi-antenne selon l'invention. Dans ce mode, la fente 20 et le patch 30 ont des longueurs respectives sensiblement égales à des multiples entiers du quart des longueurs d'onde guidées (respectivement dans la fente et dans le patch), associées à la 15 fréquence de fonctionnement. La fente débouche à la périphérie du plan de masse comme dans le second mode de réalisation et un retour métallique 37 est prévu sous forme de plaque en bordure du patch, comme déjà décrit. Bien entendu, le retour métallique peut être 20 filaire, comme représenté en Fig. 3. Typiquement, pour un système destiné à être utilisé dans un terminal UMTS, les longueurs de fente et de patch seront de l'ordre de 3 cm et la hauteur de la plaque 37 faisant office de retour à la masse est de l'ordre de 1 cm.

25 Afin de réduire encore davantage les dimensions des antennes précitées, on peut envisager de travailler à des fractions de longueur d'onde guidée encore plus faibles (Xg/8,Xg/10,...) et/ou utiliser des matériaux de constantes diélectriques plus élevées, permettant de 30 réduire Xg et/ou charger les antennes avec des éléments 2905526 13 (capacités, inductances,..) discrets ou distribués comme connu de l'homme du métier. Dans les second, troisième et quatrième modes de réalisation, l'excitation de la fente et du patch peut 5 être réalisée selon les mêmes variantes exposées pour le premier mode de réalisation. La Fig. 5 donne les modules des coefficients de la matrice S en fonction de la fréquence de fonctionnement pour un système multi-antenne selon le 10 quatrième mode de réalisation de l'invention, avec une fente et un patch quart d'onde. S11 et S22 représentent respectivement la proportion d'énergie réfléchie sur le port d'entrée de l'antenne 1 (antenne de type fente) et le port d'entrée de l'antenne 2 (antenne de type 15 patch), autrement dit les coefficients de réflexion sur ces ports d'entrée, exprimés en dB. S12 et S21 représentent respectivement le couplage d'énergie de l'antenne 1 vers l'antenne 2 et de l'antenne 2 vers l'antenne 1.

20 On voit que dans une plage de fréquence autour de 2 GHz, les coefficients de réflexion S11 et SZZ sont tous deux inférieurs à -10 dB, ce qui traduit la bonne adaptation d'impédance du système dans une bande de fréquence commune. En outre, dans cette même bande de 25 fréquence les coefficients de couplage S12 et S21 sont inférieurs à -30 dB. Le faible niveau de couplage entre les deux antennes permet d'exploiter au mieux la diversité de polarisation. La Fig. 6 montre les diagrammes de directivité de 30 l'antenne de type fente et de l'antenne de type patch 2905526 14 pour un champ électrique polarisé verticalement et un champ électrique polarisé horizontalement, dans un plan de coupe parallèle au plan de masse et équidistant entre celui-ci et le plan contenant le patch métallique 5 30. On remarque que pour une polarisation donnée du champ électrique, le maximum du diagramme de directivité d'une antenne correspond au minimum du diagramme de directivité de l'autre. Il convient de noter que plusieurs systèmes multi-10 antenne selon l'invention peuvent être associés de manière à constituer un système final à gain et/ou ordre de diversité plus élevés.

Claims

REVENDICATIONS

1. Système multi-antenne à diversité de polarisation comprenant une première antenne de type fente (20) et une seconde antenne de type patch (30), caractérisé en ce que lesdites première et seconde antennes partagent le même plan de masse (10), la fente de la première antenne étant aménagée dans ledit plan de masse et le patch de la seconde antenne surplombant au moins partiellement ladite fente.

2. Système multi-antenne selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdites première et seconde antennes sont disposées de manière à émettre ou recevoir selon deux polarisations sensiblement orthogonales.

3. Système multi-antenne selon la revendication 2, caractérisé en ce que lesdites première et seconde antennes présentent des directions d'établissement de résonance sensiblement parallèles.

4. Système multi-antenne selon la revendication 2 ou 3, caractérisé en ce que le patch possède une première forme allongée selon un premier axe de symétrie, en ce que la fente possède une seconde forme allongée selon un second axe de symétrie, et en ce que lesdits premier et second axes de symétrie sont sensiblement parallèles. 2905526 16

5. Système multi-antenne selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que lesdites première et seconde antennes présentent une bande de fréquence de fonctionnement commune. 5

6. Système multi-antenne selon la revendication 5, caractérisé en ce que la longueur de la fente est sensiblement égale à un multiple entier de la demi-longueur d'onde guidée dans la fente, dans 10 ladite bande de fréquence de fonctionnement.

7. Système selon la revendication 5, caractérisé en ce que ladite fente est ouverte d'un côté sur sa largeur et en ce que sa longueur est 15 sensiblement égale à un multiple impair du quart de la longueur d'onde guidée dans la fente, dans ladite bande de fréquence de fonctionnement.

8. Système multi-antenne selon l'une des 20 revendications 5 à 7, caractérisé en ce que le patch est de longueur sensiblement égale à un multiple entier de la demi-longueur d'onde guidée dans le patch, dans ladite bande de fréquence de fonctionnement. 25

9. Système multi-antenne selon l'une des revendications 5 à 7, caractérisé en ce que le patch est relié électriquement au plan de masse et en ce que sa longueur est sensiblement égale à un multiple impair du quart de la longueur d'onde guidée dans le patch, 30 dans ladite bande de fréquence de fonctionnement. 2905526 17

10. Système multi-antenne selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que lesdites antennes sont excitées par un contact électrique direct et/ou par couplage électromagnétique.