FR2923658A1 - Systeme de deux antennes isolees a une frequence de travail - Google Patents

Abstract

L'invention concerne un système de deux antennes associées sur un même support dimensionné de manière à isoler les antennes à une certaine fréquence de travail.

Description

La présente invention concerne un système de deux antennes à rayonnement longitudinal situées sur le même support. Cette invention se place dans le contexte de développement de point accès WIFI qui évolue actuellement vers des systèmes double bandes 2.4GHz (standard 802.11 b/g) et 5GHz (standard 802.11a).

Pour les communications sans fil indoor, les phénomènes de trajets multiples sont très pénalisants. Des techniques de diversité implémentée dans les dispositifs WIFI consiste à commuter entre 2 antennes de réception de manière à choisir la meilleure. Dans le cas de diversité spatiale, les antennes peuvent être espacées. Dans le cas de diversité de polarisation, les antennes présentent des polarisations orthogonales et dans le cas de diversité de rayonnement, elles présentent des diagrammes de rayonnement complémentaires. Par ces diversités, les 2 antennes sont décorrélées.

Ainsi, des systèmes sans fil double bandes (802.11 a/b/g) à diversité sont implémentés dans des produits tels que par exemple des modems ADSL ou des cartes PCMCIA.

La demande de brevet FR0512148 décrit un tel système antenne composé de deux antennes imprimées à rayonnement longitudinal fonctionnant à 2.4GHz et 5GHz, et possédant par antenne deux accès séparés pour chacune des fréquences. Les antennes sont imprimées sur un même substrat. Les antennes imprimées sont suffisamment éloignées l'une de l'autre pour réaliser une isolation entre antennes.

Or devant la contrainte de compacité du système, les antennes Al et A2 sont rapprochées l'une de l'autre et leur niveau d'isolation diminue. Si l'isolation entre les voies émission/réception est trop faible, il y a des perturbations importantes dues aux interférents. Il peut en découler un risque de saturation de la chaîne de réception et un risque d'oscillation de l'amplification de puissance de la chaîne émission qui engendrent un disfonctionnement du système.

Les solutions habituellement utilisées pour augmenter l'isolation dans une bande de fréquences entre antennes sont : 1- l'éloignement des antennes :cette solution a été décrite précédemment ; 2- l'utilisation des surfaces haute impédance ou des structures à bande interdite photonique (BIP) ; 3-L'ajout d'une fente gravée entre les deux antennes dans le plan de masse recouvrant le substrat. La demande de brevet FR0552194 décrit une telle méthode d'isolation de 2 antennes gravées dans le plan de masse recouvrant le substrat. Le substrat intègre de plus les circuits de fonction RF associés aux 2 antennes. Le brevet US 6 549 170 décrit également une solution dans laquelle un plan de masse métallique protubérant est introduit entre deux antennes fentes. Or lorsque on cherche à rapprocher les antennes, l'isolation entre les antennes d'un système d'émission/ réception devient insuffisante.

L'invention concerne donc un système de deux antennes comprenant sur un même support : une première antenne reliée à au moins un premier point d'accès (port 1) pour l'émission/réception dans une première bande de fréquences, une seconde antenne reliée à au moins un second point d'accès (port 3) pour l'émission/réception dans une seconde bande de fréquences identique ou différente de la première, et chaque antenne définissant un point de référence (Ml, M2) caractérisé par le projeté du centre géométrique de chaque antenne sur le bord le plus proche du support, le point de référence (Ml) de la première antenne au niveau du périmètre du support est distant d'une longueur périmétrique (L1) dans un sens et d'une longueur périmétrique (L2) dans l'autre sens, du point de référence (M2) de la seconde antenne.

Le système est caractérisé en ce que le su pport est dimensionné tel que la différence L1-L2 des longueurs périmétriques séparant les points de référence (Ml, M2) est fonction de la demi longueur d'onde À/2 modulo k À, k entier positif, où À est la longueur d'onde correspondant à une fréquence d'isolation fr.

L'invention a l'avantage de permettre une isolation importante sans apport de circuits extérieurs tels des circuits filtrants.

Préférentiellement l'isolation entre les antennes est complémentée par au moins une fente de longueur et de largeur définies par la fréquence à rejeter et réalisée entre les deux antennes sur le chemin le plus court (L1) ou sur le chemin le plus long dimensionnée de façon à ramener un plan de haute impédance au bord du plan de masse.

Préférentiellement, les antennes sont de type à fentes évasées, ou de type antennes monopoles ou de type antennes PIFA.

Préférentiellement, le support est rectangulaire ou les antennes sont à diversité d'ordre 2 ou les antennes sont bi bandes. Les caractéristiques et avantages de l'invention mentionnée ci-dessus, ainsi que d'autres, apparaîtront plus clairement à la lecture de la description suivante, faite en relation avec les dessins joints, dans lesquels : - la figure 1 a est une représentation initiale du substrat supportant deux 20 antennes bi bandes et la figure lb la configuration optimisée selon l'invention avec une isolation optimale entre antennes dans une certaine bande de fréquences ; - la figure 2 correspond à un premier graphe représentant des courbes d'isolation entre deux ports de deux antennes installées sur le même 25 substrat. Ces courbes sont paramétrées suivant la longueur du substrat, pour les fréquences de la bande 2.4GHz ; - la figure 3 correspond à un graphe représentant des courbes d'isolation entre deux ports de deux antennes installées sur le même substrat. Ces courbes sont, paramétrées suivant la longueur du substrat, pour les 30 fréquences de la bande 2.4GHz ; - la figure 4 correspond à une configuration d'isolation optimisée selon l'invention due à la présence de fentes entre antennes.15 La figure 1 montre un système bi bande émission/réception réalisé sur un support isolant comme un substrat. Il comprend de préférence une première antenne bi bande Al à deux accès permettant la transmission de signaux dans la bande 2.4GHz sur un premier point d'accès et la transmission de signaux dans la bande 5GHz sur un deuxième point d'accès, une deuxième antenne bi bande A2 permettant la transmission de signaux dans la bande 5GHz sur un premier point d'accès et la transmission de signaux dans la bande 2.4GHz sur un deuxième point d'accès. La première antenne Al correspond à une première ligne microruban d'excitation à la fréquence centrale de la première bande de fréquence et à une deuxième ligne microruban d'excitation à la fréquence centrale de la deuxième bande de fréquence gravées sur une face du substrat et couplées à la ligne fente excitatrice de l'antenne gravée sur la face opposée du substrat. L'antenne est à fente évasée. La ligne fente se termine donc par une ouverture de forme conique gravée également dans le plan de masse. Pour que le couplage de la ligne microruban à la ligne fente soit maximal, il faut que les deux lignes soient orthogonales entre elles. Car dans le plan de croisement, le champ magnétique Hm de la ligne microruban et le champ électrique Es de la ligne fente sont maximum. Il correspond donc théoriquement à un plan de court circuit pour la ligne micro ruban et à un plan de circuit ouvert pour la ligne fente à la fréquence centrale de couplage. La deuxième antenne A2 est formée de la même manière : elle correspond à une troisième ligne microruban d'excitation à la fréquence centrale de la première bande de fréquences et à une quatrième ligne microruban d'excitation à la fréquence centrale de la deuxième bande de fréquences qui sont gravées sur une face du substrat et couplées à la ligne fente excitatrice de la deuxième antenne à fente évasée. La ligne fente se termine donc par une ouverture de forme conique gravée sur la face opposée dans le plan de masse. Ces antennes sont à fente évasée (TSA pour Tapered Slot Antenna en anglais) par exemple avec un profil de type vivaldi (profil sensiblement exponentiel). L'exemple décrit des antennes imprimées. L'invention concerne aussi tous autres types d'antennes à rayonnement longitudinal, aux antennes utilisant un plan de masse comme par exemples les antennes monopoles, les antennes P I FA. Les antennes à isoler peuvent être de types différents ou d'applications différentes (WIFI, Bluetooth, DECT ...) au vu d'une isolation à une certaine fréquence. Les antennes sont par exemple disposées orthogonalement. Elles pourraient être également colinéaires avec une position arbitrairement défini sur le substrat.

Les différents points d'accès (port en anglais) sont reliés à un circuit de base RF permettant la transmission des signaux vers les circuits RF de réception ou d'émission. Les ouvertures des 2 antennes de forme conique, gravés dans le plan de masse, ont en bordure du substrat une certaine largeur correspondant à l'ouverture de l'antenne. Un plan médian ou centre géométrique permet de définir un point de référence M1, M2 appartenant à la périphérie du substrat et situé à égal distance des extrémités de l'ouverture d'une antenne de forme conique. Les points de référence M1, M2 de chacune des antennes sont éloignés d'une distance périmétrique de L1 dans un sens et d'une distance L2 dans l'autre sens. Le substrat est par exemple de forme rectangulaire de longueur L et de largeur 1. II peut également avoir d'autres formes propices au système requis.

L'invention se fonde sur l'observation suivante : les courants induits générées 25 par une antenne sur chacun des chemins L1 et L2 le long du plan de masse se recombinent.

Ainsi, pour une isolation optimale à une certaine fréquence de travail fr, les courants induits générés par une antenne sur chacun des chemins le long du 30 plan de masse doivent se recombiner en opposition de phase avec les courants générés par l'autre antenne. Pour se combiner en opposition de phase, la différence des longueur des chemins entre les deux antennes le long du plan de masse doit donc être un multiple de lambda/2 (modulo lambda) où lambda est la longueur d'onde correspondant à la fréquence de travail fr de façon à ce que les courants générés par une antenne sur chacun des chemins le long du plan de masse se recombinent en opposition de phase avec les courants générés par la seconde antenne, améliorant ainsi l'isolation entre antennes.

La méthode selon l'invention consiste donc à paramétrer les longueurs L1 et L2 de façon à ce que la différence de ces longueurs soient un multiple de 0,5 À. Pour des raisons de réalisation technique, plus le substrat est dimensionné de façon à ce que L2 û L1 se rapproche de 0,5 À, plus l'isolation à la fréquence de travail sera importante, l'isolation étant maximale pour une valeur de L2-L1 égale à 0,5 À.

Par exemple pour une fréquence de travail de 2.4GHz, correspondant à une longueur d'onde de 125mm, et avec L1= 1,03 À et L2 = 0,53 À, la différence entre les longueurs L2 et L1 du substrat est égale à (1.03 -0.53) À= 0.5 À, soit environ 60mm, et les courant s générés par les antennes sont donc en opposition de phase. Le même raisonnement a lieu si on souhaite augmenter l'isolation à 5GHz. Connaissant la relation entre ces valeurs de L1 et L2, l'homme de métier peut facilement en déduire mathématiquement les rapports entre les différentes dimensions L et I du substrat.

La figure 2 représente les résultats obtenus entre les points d'accès 1 et 3 correspondant à la transmission des signaux à la fréquence 2.4GHz pour 25 différentes longueurs du substrat. La première courbe Cl ou courbe de référence correspond à une longueur L de base, par exemple L = X 70mm , la largeur du substrat I étant fixe et par exemple égal à 45mm. Grâce à cette courbe, il est possible de constater une isolation de -10dB dans la bande de fréquences de 2.4GHz. 30 La deuxième courbe C2 correspond à la longueur L de base augmentée de 15mm, donc L = X +1,5cm. Grâce à cette courbe, il est possible de constater une isolation de -12dB à la fréquence de 2.4GHz.

La troisième courbe C3 correspond à la longueur L de base augmentée de 30mm, donc L = X +3 cm. Grâce à cette courbe, il est possible de constater une isolation de -13dB à la fréquence de 2.4GHz.

La quatrième courbe C4 correspond à la longueur L de base augmentée de 39mm, donc L = X +3,9 cm. Grâce à cette courbe, il est possible de constater une isolation de -16dB à la fréquence de 2.4GHz Suite à l'étude comparative de ces différentes courbes, il apparaît que l'isolation entre les antennes 1 et 2 dépend de la longueur du substrat. Elle est maximale pour une valeur ajoutée de 39mm, soit une différence L2-L1 60mm qui correspond à 0.5À.

La figure 3 représente de même les résultats obtenus entre les points d'accès 1 et 3 correspondant à l'émission et la réception des signaux à la fréquence 2.4GHz pour différentes longueurs du substrat, ces différentes longueurs correspondant à des différences entre L1 et L2 d'un multiple de À. La courbe D1 correspond à L1-L2 À/2, la courbe D2 à L1-L2 À, la courbe D3à L1-L23À/2. La courbe D4 à L1-L22À.

La figure 3 présente donc des isolations obtenues à partir de la configuration optimales (valeur 0) à laquelle le plan de masse a été rallongé de lambda/2 (pas de 60mm). Cette figure fait bien apparaître la périodicité de lambda pour laquelle l'isolation est la meilleure dans le cas où le dimensionnement du substrat est proche de À/2+ KÀ. En effet cette optimisation permet de passer d'une isolation à plus de 16dB. Suivant le dimensionnement sélectionné de la carte, des circuits RF ou/et des circuits digitaux pourront être ajoutés aux éléments nécessaires à la réalisation des antennes. Inversement, Il est évidemment possible de dimensionner le substrat support d'un nombre défini d'éléments.

D'une manière complémentaire et dans le cas ou malgré ces mesures d'isolation entre les antennes, le niveau d'isolation est insuffisant car les dimensions de la carte PCB sont imposées par des contraintes d'encombrement d'intégration de la fonction antenne et des fonctions RF, une isolation par l'intermédiaire d'une ou plusieurs fentes disposées entre les deux antennes peut être réalisée. La figure 4 présente une topologie d'antennes dans laquelle est intégrés 3 5 fentes entre les deux antennes sur le chemin L1 et une autre fente sur le chemin L2. La ou les fentes utilisées présentent une largeur inférieure à 1 mm et de longueurs préférentiellement de l'ordre de lambda/4 où lambda est la longueur d'onde guidée dans la fente à la fréquence de travail. Par leurs 10 dimensionnements, les fentes ramènent alors un plan de haute impédance au bord du plan de masse. De ce fait, les courants générés par une antenne sont atténués sur ce chemin, améliorant l'isolation par rapport à l'autre antenne. Chaque fente entrainant une isolation à une certaine fréquence, l'assemblage de plusieurs fentes entrainent l'isolation aux fréquences associées aux fentes. 15 Sur des cartes de petites tailles, les courants sont également induits sur l'autre chemin de la carte. De la même manière une ou plusieurs fentes peuvent être placées le long de ce chemin, de manière à isoler les deux antennes.

20 Le positionnement de ces fentes le long du plan de masse, ainsi que leur largeur, est déterminé par la capacité d'adaptation de l'antenne. Ce point peut être mis en évidence par un simulateur électromagnétique.

L'utilisation d'une ou plusieurs fentes est liée à la largeur de bande requise 25 et/ou au niveau d'isolation demandé.

Ces techniques peuvent donc avantageusement remplacer ou compléter des dispositifs connus à base de commutateurs RF. Ceux-ci peuvent être mis en oeuvre en série ou en parallèle en entrée réception pour ne pas saturer la voie 30 réception et limiter la puissance de signal parasite réinjecté à l'entrée de l'amplificateur de puissance.

Claims (6)

Revendications

1. Système de deux antennes comprenant sur un même support : une première antenne reliée à au moins un premier point d'accès (port 1) pour l'émission/réception dans une première bande de fréquences, une seconde antenne reliée à au moins un second point d'accès (port 3) pour l'émission/réception dans une seconde bande de fréquences identique ou différente de la première, et chaque antenne définissant un point de référence (M1, M2) caractérisé par le projeté du centre géométrique de chaque antenne sur le bord le plus proche du support, le point de référence (Ml) de la première antenne au niveau du périmètre du support est distant d'une longueur périmétrique (L1) dans un sens et d'une longueur périmétrique (L2) dans l'autre sens, du point de référence (M2) de la seconde antenne, le système étant caractérisé en ce que le support est dimensionné tel que la différence L1-L2 des longueurs périmétriques séparant les points de référence (M1, M2) est fonction de la demi longueur d'onde À/2 modulo k À, k entier positif, où À est la longueur d'onde correspondant à une fréquence de travail fr.

2. Système de deux antennes selon la revendication 1 caractérisé en ce que l'isolation entre les antennes est complémentée par au moins une fente (F1) de longueur et de largeur définies par la fréquence à rejeter et réalisée entre les deux antennes, soit sur le chemin le plus court (L1), soit sur le chemin le plus long (L2), dimensionnée de façon à ramener un plan de haute impédance au bord du plan de masse.

3. Système de deux antennes selon la revendication 1 et 2 caractérisé en ce que les antennes sont de type à fentes évasées, ou de type 30 antennes monopoles ou de type antennes PIFA.

4. Système de deux antennes selon la revendication 1 à 3 caractérisé en ce que le support est rectangulaire.

5. Système de deux antennes selon la revendication 1 à 3 caractérisé en ce que les antennes sont à diversité d'ordre 2.

6. Système de deux antennes selon la revendication 1 à 3 caractérisé en ce que les antennes sont bi bandes.