FR2942915A1

FR2942915A1 - Systeme d'antennes compact

Info

Publication number: FR2942915A1
Application number: FR0951441A
Authority: FR
Inventors: Philippe Minard; Jean Francois Pintos; Philippe Chambelin
Original assignee: Thomson Licensing SAS
Priority date: 2009-03-06
Filing date: 2009-03-06
Publication date: 2010-09-10
Also published as: US20100225553A1; EP2226894B1; CN101826656A; CN106207455A; JP5620124B2; US8384607B2; JP2010213270A; KR20100100677A; KR101690563B1; EP2226894A1; TW201034291A; TWI509884B; ATE531098T1

Abstract

Le présente invention concerne un système d'antennes comprenant sur un substrat (3), au moins un premier et un second éléments rayonnants (1,2) imprimés, alimentés chacun par une ligne d'alimentation (4,5), avec, entre les deux éléments rayonnants, au moins une ligne de transmission (10) comportant une première extrémité (10a) et une seconde extrémité (10a). La première et la seconde extrémités de la ligne de transmission sont respectivement couplées (1a,2a) avec le premier et le second éléments rayonnants selon une fonction de couplage présentant un rapport 1 :b, b>1 et une phase φ, liée à l'écart physique entre les éléments rayonnants, la longueur de la ligne de transmission rapportant un déphasage θ tel que θ compense φ. L'invention s'applique aux antennes compatibles avec le WIFI

Description

La présente invention concerne un système d'antennes compact, plus particulièrement un système d'antennes pour appareil de communication sans fils tel que les plates-formes numériques multistandards.

Les plates-formes numériques actuellement sur le marché proposent de multiservices à travers des liaisons sans fils. Elles doivent donc pouvoir supporter divers standards, notamment les standards mis en place pour les communications sans fils à haut-débit tels les standards IEEE802.11 a, b, g et maintenant le standard 802.11n pour la fonction WIFI io Ce type de communication sans fils a aussi lieu à l'intérieur de locaux fermés où l'on observe, notamment, des conditions de propagation des ondes électromagnétiques très pénalisantes. Pour améliorer le bilan de liaison ainsi que le débit entre deux appareils sans fils, on utilise une technique connue sous le terme MIMO (pour Multiple Output Multiple 15 Input en langue anglaise). Cette technique nécessite au moins deux antennes et requiert une bonne décorrélation et une bonne isolation entre les antennes. Pour répondre au problème de l'isolation entre deux antennes, la solution habituellement utilisée est d'éloigner spatialement les antennes 20 l'une de l'autre de manière à assurer une isolation suffisante. Cependant, cette solution ne permet pas d'obtenir un système compact. Une autre solution permettant d'améliorer l'isolation entre deux antennes a été présentée dans l'article de A. DIALLO, C. LUXEY, Ph. LE THUG, R. STARAJ, G. KOSSIAVAS, intituled Enhanced two-antenna 25 structures for universal mobile telecommunications system diversity terminal . IET Microwaves, Antennas and Propagation, vol. 2, n° 1, p. 93-101, février 2008. Cette solution propose de relier deux antennes de type PIFA, à savoir des antennes en F inversé par une ligne conductrice. Cette ligne conductrice suspendue est directement connectée à l'antenne au point 30 de court-circuit de l'antenne et permet de compenser le couplage électromagnétique existant entre les deux antennes. Cette ligne apporte une fraction du signal d'une antenne à l'autre, ce qui les isole plus au moins selon la longueur de la ligne. Il a aussi été proposé d'ajouter des encoches quart-d'onde entre deux antennes pour augmenter l'isolation entre antennes.

La présente invention concerne une solution spécifique s'appliquant aux antennes de type fente telles que les fentes 1/4 d'onde ou '/2 onde, les fentes annulaires, les fentes évasées (TSA pour tapered Slot Antenna en anglais, Vivaldi) mais aussi aux antennes de type patchs ou autres antennes imprimées. io La présente invention se rapporte donc à un système d'antennes comprenant sur un substrat, au moins un premier et un second éléments rayonnants imprimés, alimentés chacun par une ligne d'alimentation, avec, entre les deux éléments rayonnants, au moins une ligne de transmission comportant une première extrémité et une seconde extrémité, caractérisé en 15 ce que la première et la seconde extrémités de la ligne de transmission sont respectivement couplées avec le premier et le second éléments rayonnants selon une fonction de couplage présentant un rapport 1 :b, b>1 et une phase 1, liée entre autre à l'écart physique entre les éléments rayonnants la longueur de la ligne de transmission rapportant un déphasage O tel que O 20 compense (P. Selon un mode de réalisation préférentiel, les éléments rayonnants sont des antennes de type fente et la ligne de transmission est une ligne fente. Les éléments rayonnants peuvent aussi être des patchs et dans ce cas la ligne de transmission est une ligne micro-ruban ou une ligne 25 coplanaire. La fonction de couplage est réalisée en positionnant une portion de l'élément rayonnant en parallèle avec l'extrémité correspondante de la ligne de transmission, la distance d entre les parties en parallèle ainsi que la longueur des parties en parallèle déterminant les paramètres de la fonction 30 de couplage.

D'autre part, la longueur totale de la ligne de transmission permet de minimiser la composante du signal complexe provenant de l'autre antenne, ce qui permet d'obtenir une bonne isolation entre les deux éléments rayonnants de type fente.

D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront à la lecture de la description d'un mode de réalisation préférentiel de la présente invention, cette description étant faite avec référence aux dessins ci-annexés, dans lesquels : Figure 1 est une représentation schématique d'un système MIMO io à deux antennes expliquant le principe de la présente invention. Figure 2 est une représentation schématique de dessus de deux éléments rayonnants de type fente auxquels s'applique la présente invention. Figure 3 représente des courbes en fonction de la fréquence 15 donnant l'adaptation de chacune des antennes ainsi que l'isolation entre les deux éléments rayonnants. Figure 4 est une vue en plan de dessus schématique d'un système d'antennes conforme à la présente invention. Figure 5 représente les courbes d'adaptation et d'isolation du 20 système de la figure 4 en fonction de la fréquence. Figure 6 représente schématiquement différents modes de réalisation de la présente invention dans lesquels on a fait varier la distance D entre les parties parallèles de la ligne de transmission et des éléments rayonnants. 25 Figures 7a et 7b représentent respectivement en a) les courbes d'adaptation en fonction de la fréquence et de la valeur de D et b) les courbes d'isolation entre les deux éléments rayonnants, en fonction de la distance D. Figure 8 est une représentation schématique de différents modes 30 de réalisation de l'invention en fonction de la longueur électrique 6 de la ligne de transmission.

Figures 9a et 9b représentent respectivement les courbes d'adaptation et d'isolation des différents modes de réalisation de la figure 8. Figure 10 est une vue en plan de dessus schématique d'un système d'antennes conforme à un autre mode de réalisation de la présente invention. Figure 11 a et b représentent les courbes d'adaptation et d'isolation en fonction de la fréquence respectivement d'un système d'antennes sans ligne de transmission figure 11 a et comme représenté sur la figure 10, figure 11 b. io Figure 12 est une vue en plan de dessus schématique d'un système d'antennes conforme à encore un autre mode de réalisation de la présente invention. Figure 13a et b représentent les courbes d'adaptation et d'isolation en fonction de la fréquence respectivement d'un système 15 d'antennes sans ligne de transmission figure 13a et comme représenté sur la figure 12, figure 13 b. Figure 14 est une vue en plan de dessus schématique d'une variante de réalisation de la présente invention. Figure 15 est une vue en plan de dessus schématique d'une autre 20 variante de réalisation de la présente invention. Figure 16a et b et figure 17a et b représentent respectivement les courbes d'adaptation (courbes a) et les courbes d'isolation (courbes b) du mode de réalisation de la figure 15 sans ligne de transmission et avec les lignes de transmission tel que représenté à la figure 15. 25 Pour simplifier la description, dans les figures les mêmes éléments portent les mêmes références.

On expliquera tout d'abord le principe mis en oeuvre dans la 30 présente invention avec référence à la figure 1 qui représente deux antennes Al et A2 utilisant la technologie MIMO.

Pour bénéficier au mieux de l'apport de la technologie MIMO, chaque antenne doit transmettre un signal dans un canal de propagation qui lui est propre, c'est-à-dire qu'au niveau du système d'antennes, les antennes doivent être découplées et, en premier lieu, isolées. La figure 1 représente schématiquement un système à deux antennes utilisé en réception,. Dans ce cas, chaque antenne reçoit un signal P différentié, à savoir P1 sur l'antenne Al et P2 sur l'antenne A2. Les deux antennes de réception étant proches, elles se couplent selon un rapport 1:a avec a > 1 et une phase 1 liée à la distance qui sépare io les deux antennes. De ce fait, l'antenne Al reçoit un signal P1 + aP2ee, de même l'antenne A2 reçoit un signal P2 + aP1 Conformément à la présente invention, un élément réalisant une fonction de couplage est ajouté dans la structure même de chaque antenne avec un rapport de couplage 1 :b avec b > 1. Ces deux éléments de 15 couplage sont reliés par une ligne de transmission ayant une longueur électrique présentant un déphasage de O. Ainsi, l'ajustement de la valeur de 0 par rapport à 1 permet de minimiser la composante du signal complexe provenant de l'autre antenne. Selon un mode de réalisation de la présente invention et comme 20 représenté sur la figure 2, les deux antennes sont réalisées par deux éléments rayonnants de type fente 1, 2. De préférence, les fentes 1 et 2 ont été gravées sur un substrat métallisé 3. Les fentes rayonnantes qui peuvent être des fentes quart d'onde ou demi onde, présentent une longueur telle que ou Xg/2, a,g étant la longueur d'onde guidée à la fréquence de 25 fonctionnement du système d'antennes. Pour limiter leur encombrement, les fentes 1 et 2 sont pliées à 90°, avec leurs extrémités en court circuit se faisant face. Toutefois d'autres structures peuvent être envisagées sans sortir du cadre de la présente invention, notamment des fentes linéaires. De manière connue et, comme représenté sur la figure 2, les 30 éléments rayonnants de type fente 1 et 2 sont alimentés par couplage électromagnétique par une ligne d'alimentation respectivement 4, 5 réalisée en technologie microruban sur la face du substrat opposée à la face métallisée. Chaque ligne micro-ruban se prolonge vers un port d'excitation respectivement 6, 7, par un tronçon de ligne 8, 9 formant transformateur d'impédance Dans ce cas, le couplage ligne/fente peut être réalisé comme décrit dans la demande de brevet publiée W02006/018567 au nom de Thomson Licensing. Un système tel que représenté à la figure 2 a été simulé en utilisant un logiciel commercial IE3D (de la société Zeland) basé sur la méthode des moments. io Les simulations électromagnétiques ont été réalisées en utilisant un substrat de type FR4 avec les caractéristiques suivantes : Permittivité = 4.4. Tangente de perte = 0.023. Epaisseur du substrat = 1.4 mm. 15 Epaisseur de la métallisation = 17.5 pm. Dans ce cas, on a réalisé deux éléments rayonnants 1, 2 constitué par des fentes quart d'onde qui présentent une largeur de fente de 0.3 mm, les deux éléments rayonnants étant distants d'une longueur de 29.5 mm. 20 Les résultats de la simulation sont donnés par les courbes de la figure 3 qui représentent les paramètres d'adaptation S11 et S22 en fonction de la fréquence des deux éléments rayonnants et l'isolation S21 en fonction de la fréquence entre les deux éléments rayonnants. Les courbes de la figure 3 montrent une isolation de seulement 11.5dB pour des fréquences de 25 fonctionnement de 2.4 GHz. Conformément à la présente invention et comme représenté à la figure 4, une ligne de transmission 10 constituée par une ligne fente est placée entre les deux éléments rayonnants 1, 2 pour former, comme expliqué avec référence à la figure 1, un élément de couplage avec les 30 éléments rayonnants.

De manière plus précise, et comme représenté sur la figure 4, les deux éléments rayonnants 1, 2 comportent une portion de fente la, 2a qui correspond à la partie pliée à 90° pour limiter l'encombrement du système. Chaque extrémité 10a de la ligne de transmission 10 est positionnée parallèlement aux portions de fente 1 a, 2a des éléments rayonnants 1 et 2 du système d'antennes. La longueur L de la partie 10a ainsi que la distance d entre l'élément 10a de la ligne de transmission et les portions respectivement la et 2a des éléments rayonnants sont choisies pour réaliser un couplage avec chacun des éléments rayonnants comme expliqué avec io référence à la figure 1. D'autre part, pour permettre son intégration entre les deux éléments rayonnants 1 et 2, la ligne de transmission 10 est courbée, comme représenté sur la figure 4. La longueur L' de la ligne de transmission 10 entre les deux éléments de couplage est choisie pour optimiser l'isolation 15 entre les deux éléments rayonnants 1 et 2 en compensant le déphasage 1 comme cela sera expliqué de manière plus détaillée ci-après. La structure représentée à la figure 4 est un exemple de configuration optimisée de la ligne fente de transmission et des deux éléments rayonnants de manière à minimiser l'encombrement total du 20 système d'antennes. Cette structure a été simulée, comme la structure de la figure 2. Les résultats de la simulation sont représentés à la figure 5. On observe que l'adaptation en impédance sur 50 Ohm sur les deux ports 6 et 7 est supérieure à -14dB dans la bande de fréquences correspondant au standard 802.11b, g, à savoir la bande 2.4 GHz. 25 L'isolation entre les deux accès est supérieure à 27dB dans la bande de fréquences considérée alors que, comme mentionné avec référence à la figure 2, sans la ligne de transmission en fente, l'isolation n'était que de 11.5dB pour un même encombrement. On montrera ci-après avec référence aux figures 6 à 9, l'influence 30 de différents paramètres tels que la distance d entre les extrémités 10a de la ligne de transmission et les portions 2a et la des éléments rayonnants de type fente et la longueur de la ligne de transmission, par rapport au résultat recherché. Figure 6 permet de montrer l'impact du couplage des éléments rayonnants de type fente à la ligne de transmission de type fente par l'ajustement de la distance d entre les deux extrémités 10a et les portions de fentes respectivement 2a, 1 a, comme représenté sur les figures 6a, b, c, d. Dans ce cas, la longueur L de la portion de fente au niveau du couplage est fixe et est égale à 52mm tandis que D varie par pas de 0.6mm avec d=1 mm, la distance optimale. io La figure 6a correspond à une distance Dl égale à la distance d + 1.2 mm. La figure 6b correspond à D2 = d + 0.6 mm. La figure 6c correspond D3 = d, distance optimale.et la figure 6d correspond à D4 = d ù 0.6 mm. Sur la figure 7a et 7b, on a représenté, pour chacune des quatre configurations Dl, D2, D3, D4 ci-dessus, la courbe d'adaptation S11 en 15 impédance sur 50 Ohm d'un élément rayonnant de type fente sur la bande 2.4 GHz et la courbe d'isolation S12 entre les deux éléments rayonnants de type fente sur cette même bande. Ces courbes montrent que pour un niveau d'adaptation meilleur que -17dB, l'ajustement de la distance D permet d'obtenir une isolation 20 optimale meilleure que 17.5dB Sur la figure 8, on a représenté différentes longueurs et positions pour l'intégration de la ligne de transmission de type fente entre les éléments rayonnants, pour montrer l'influence de la longueur physique et donc de la phase de la ligne fente couplée aux deux éléments rayonnants. 25 La phase de la ligne fente entre les deux coupleurs varie de 90°+p (configuration L1) à -90° + O (configuration L5) par pas de 45° (configurations L2, L3, L4), où O a pour valeur 225° à la fréquence de 2.45GHz soit une longueur de 52mm. Pour les cinq configurations L1, L2, L3, L4, L5 représentées sur la figure 8, la distance entre les extrémités de la 30 ligne fente de transmission et les portions des fentes rayonnantes est identique et est égale à d=l mm.

Pour chacune de ces cinq configurations, les figures 9a et 9b représentent respectivement, les courbes d'adaptation en impédance sur 50 Ohm à l'accès d'un élément rayonnant dans la bande des 2.4GHz et d'isolation entre les deux éléments rayonnants dans la même bande de fréquence. Ces courbes montrent que pour un niveau d'adaptation meilleur que -12dB, l'ajustement de la longueur de la ligne de transmission de type fente permet d'obtenir une isolation optimale meilleure que 18dB. On décrira maintenant avec référence aux figures 10 et 11, un autre mode de réalisation de la présente invention. Dans ce cas, chaque io élément rayonnant 20,21 est constitué par une fente évasée telle que par exemple une antenne de type Vivaldi. De manière classique, la fente évasée est alimentée par couplage électromagnétique par une ligne micro-ruban 22,23. Conformément à la présente invention, une ligne de transmission 24 constituée par une ligne fente est prévue entre les deux fentes évasées de 15 sorte que les extrémités 24a de la ligne fente soient parallèle avec le bord évasé 20a et 21a des fentes évasées. Dans ce cas, la fonction de couplage a lieu après la transition ligne/fente, c'est-à-dire sur une partie du profil de l'élément rayonnant. La figure 11-a et 11-b représente respectivement les paramètres 20 S de la configuration sans ligne de transmission et la configuration de la figure 10. Ces courbes montrent un niveau d'adaptation meilleur que -10dB dans la bande de fréquence des 2.4GHz pour les deux configurations. Ainsi selon le principe mis en oeuvre dans cette configuration, l'isolation entre antennes, initialement supérieure à 6dB (Figure 11-a), est améliorée pour 25 atteindre dans cet exemple un niveau supérieur à 19dB. On décrira maintenant avec référence aux figures 12 et 13, encore un autre mode de réalisation de la présente invention. Dans ce cas, les éléments rayonnants sont constitués par des patchs 30 et 31. La figure 12a représente deux patchs 30 et 31 de 30mm de coté sur un 30 substrat FR4 de mêmes caractéristiques que précédemment. Les deux patchs sont espacés de 4mm de bord à bord. La figure 13a représente les 2942915 i0 paramètres S d'une telle structure, où les deux antennes patchs sont adaptées à -10dB autour de 2.45GHz. L'isolation autour de cette fréquence est de -9.5dB. La figure 12b représente deux patchs 30 et 31 dans la même 5 configuration que précédemment. Dans ce cas, les fonctions de couplage sont placées sur un des cotés 30a et 31a du patch de manière à présenter un couplage électromagnétique. La ligne de transmission 32 entre les deux coupleurs C est une ligne micro-ruban dont la longueur permet d'ajuster l'isolation. La figure 13b représente les paramètres S d'une telle structure, io où les deux antennes sont adaptées à -10dB autour de 2.45GHz. L'isolation autour de cette fréquence est de 19dB soit une amélioration de presque 10dB. On décrira maintenant avec référence aux figures 14 à 17, d'autres variantes de réalisation de la présente invention. 15 Sur la figure 14, un système d'antennes telle que représenté à la figure 4 est utilisé. Toutefois, dans ce mode de réalisation, une seconde ligne de transmission de type fente 11 est intégrée de la même façon que la première ligne fente de transmission 10 dans une zone telle qu'il est possible de réaliser deux coupleurs 11a, 10a, la et 11 a,10a, 2a et les relier 20 entre eux par deux lignes de transmission 10 et 11. La longueur de la ligne de transmission et la distance entre chaque ligne de transmission et les éléments rayonnants sont ajustées de manière à rejeter soit une fréquence proche de la fréquence de fonctionnement des antennes, soit une fréquence plus éloignée pour rejeter une fréquence indésirable au fonctionnement du 25 système d'antenne. Dans le cas où la ligne de transmission est une ligne fente cela peut être fait entre la transition ligne/ fente et le plan de court-circuit de l'élément rayonnant de type fente 1,2 ou de l'autre coté de la transition ligne/ fente. Sur la figure 15, on a représenté un autre mode de réalisation 30 avec 3 éléments rayonnants A10, A20, A30, l'élément du milieu A20 devant être isolé des deux autres éléments.

Il Ainsi, par rapport à la figure 4, une troisième fente quart d'ondes A30 est ajoutée comme représenté sur la figure 15. Deux fonctions de couplage (Cl' et Cl") sont disposées sur l'élément rayonnant A20 et une fonction de couplage (C2 et C3) sur chacun des deux autres éléments rayonnants A10 et A30. Une première ligne fente L'l relie les fonctions de couplage Cl' à C2 respectivement de l'élément rayonnant A10 et de l'élément rayonnant A20. Une seconde ligne fente L'2 relie les fonctions de couplage Cl" à C3, respectivement de l'élément rayonnant A10 et de l'élément rayonnant A30. La seconde ligne fente L'2 est intégrée de la même io façon que la première ligne fente L'l dans une zone telle qu'il est possible de placer deux coupleurs et les relier entre eux par une ligne de transmission. Les figures 16a et 16b représentent les paramètres S de la configuration de la figure 15 mais sans ligne de transmission tandis que les 15 figures 17a et 17b représentent ces mêmes paramètres mais pour la configuration de la figure 15. Comme représenté sur les figures 17a et 17b, l'adaptation sur 50 Ohm dans la bande de fréquence des 2.4GHz est meilleure que 13dB. Ainsi selon le principe mis en oeuvre dans cette configuration, l'isolation entre antennes, initialement supérieur à 9dB (Figure 20 16a), est améliorée pour atteindre, dans cet exemple, un niveau supérieur à 18dB.

Claims

Revendications1-Un système d'antennes comprenant sur un substrat (3), au moins un premier et un second éléments rayonnants (1,2) imprimés, alimentés chacun par une ligne d'alimentation (4,5), avec, entre les deux éléments rayonnants, au moins une ligne de transmission (10) comportant une première extrémité (10a) et une seconde extrémité (10a), caractérisé en ce que la première et la seconde extrémités de la ligne de transmission sont respectivement couplées (1 a,2a) avec le premier et le second éléments rayonnants selon une fonction de couplage présentant un rapport 1 :b, b>1 et une phase 1, liée à l'écart physique entre les éléments rayonnants, la longueur de la ligne de transmission rapportant un déphasage O tel que O compense (P.
2- Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'élément rayonnant est constitué par une antenne imprimée de type fente (1, 2, 20) ou patch (30,31).
3-Système selon l'une des revendications 1ou 2, caractérisé en ce que la ligne de transmission est une ligne fente(10,24), une ligne micro-ruban (32).
4-Système selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'élément réalisant la fonction de couplage est formé d'une portion de l'élément rayonnant (la, 2a, 30a, 31a) en parallèle avec une extrémité de la ligne de transmission (10a).
5- Système selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le couplage est fonction de la longueur L des portions en parallèle et de la distance d entre les portions en parallèle.