FR2953652A1 - Systeme d'antennes multi secteurs - Google Patents

Abstract

La présente invention concerne un système d'antennes multi-secteurs . Ce système comprend N antennes planaires constituées chacune d'un premier substrat muni d'un plan conducteur dans lequel est réalisé un premier élément rayonnant à rayonnement longitudinal excité par une première ligne d'alimentation, les N premiers substrats étant interconnectés selon un axe commun et montés perpendiculairement (12A, 12B, 12C, 12D) sur un second substrat (2) en délimitant N secteurs (20A, 20B, 20C, 20D). Selon l'invention, le second substrat est muni d'un plan conducteur et dans au moins un des N secteurs délimités par les premiers substrats est réalisée sur le second substrat un second élément rayonnant (21 A, 21B, 21C, 21D) à rayonnement longitudinal excité par une seconde ligne d'alimentation (22A, 22B, 22C, 22D). Application, notamment, aux télécommunications sans fils.

Description

La présente invention concerne un système d'antennes multi secteurs, plus particulièrement un système d'antennes multi secteurs à double polarisation orthogonale. On observe depuis plusieurs années un développement important des systèmes de communication sans fil. Ce succès est dû aux faibles coûts des équipements, à leur facilité d'installation et à leur coût de maintenance peu élevé. Cependant, avec la multiplication du nombre de points d'accès et d'utilisateurs, la capacité des réseaux sans fil est limitée plus par le problème des interférences que par les problèmes de bruit. II devient donc nécessaire de mettre au point des antennes multi-secteurs permettant d'émettre ou de recevoir plusieurs faisceaux étroits. Ainsi, on a déjà proposé dans la demande de brevet international WO2008/065311 publiée le 05 juin 2008 au nom de THOMSON LICENSING, une antenne multi-secteurs en 3D qui soit de conception simple et peu couteuse puisqu'elle peut être fabriquée en utilisant des technologies plastiques métallisées. Dans ce cas, le système est constitué d'antennes fente à rayonnement longitudinal, plus particulièrement d'antennes de type Vivaldi réalisées chacune sur un substrat. L'ensemble des substrats est fixé verticalement autour d'un axe central commun. Du fait de l'utilisation de la troisième dimension, l'arrangement décrit dans ce brevet offre une plus grande liberté dans l'optimisation des diagrammes de rayonnement et dans le contrôle du gain à l'intérieur de chaque faisceau ainsi que dans le contrôle du nombre de secteurs. Toutefois, ce type d'antennes ne fonctionne qu'en polarisation verticale.

Cependant, on assiste actuellement à un développement important de systèmes tels que les systèmes MIMO (« multiple input multiple output » en langue anglaise) ou tels que les passerelles (ou «gateways » en langue anglaise) pour lesquels il est intéressant de pouvoir bénéficier d'une double polarisation pour les antennes. En effet, pour les systèmes MIMO, la double polarisation permet de doubler le nombre des accès dé-corrélés sur un secteur donné. D'autre part, pour les « gateways » fonctionnant respectivement à une fréquence de 2.4GHz pour les liaisons Internet à très haut débit tels que requis par le standard IEEE11.n et à une fréquence de 5GHz pour les transmissions de plusieurs canaux vidéos haute définition, l'utilisation des polarisations orthogonales entraine une minimisation des interférences hors bande et permet d'apporter une solution aux problèmes d'isolation et de perturbation mutuelle entre les deux bandes. La double polarisation présente aussi un intérêt dans les réseaux maillés, dans lesquels l'on peut utiliser une polarisation à une première fréquence (respectivement dans la bande 2.4GHz ou 5 GHz) pour les liaisons internet à très haut débit et l'autre polarisation à une autre fréquence (respectivement dans la bande 5 GHz ou 2.4 GHz) pour le routage. Par ailleurs, pour les systèmes WiFi fonctionnant uniquement dans la bande 5 GHz, il est possible d'utiliser une polarisation (soit par exemple, la polarisation verticale) dans une sous-bande (soit par exemple la sous-bande inférieure : 5.15-5.35 GHz) pour la transmission des données Internet par exemple, et la polarisation orthogonale (en l'occurrence, la polarisation horizontale) dans une autre sous-bande (en l'occurrence la sous-bande supérieure : 5.47-5.725 GHz) pour la transmission de signaux video. Ainsi l'utilisation de polarisations orthogonales permet d'améliorer l'isolation entre les deux sous-bandes ; Enfin, dans le cas où l'antenne sectorisée est partagée par deux radios indépendantes fonctionnant chacune dans une sous-bande 5 GHz comme ci-dessus, l'isolation supplémentaire entre les deux sous-bandes apportées par l'utilisation de deux polarisations orthogonales permet de minimiser les contraintes (en particulier de filtrage) sur les circuits de chacune des radios indépendantes.

Pour obtenir un système d'antennes à double polarisation, la solution la plus évidente est d'utiliser deux systèmes d'antennes sectorisées fonctionnant chacune sur une polarisation. Toutefois, cette solution est encombrante, coûteuse et ne permet pas un contrôle facile du couplage de polarisation.

En conséquence, la présente invention a pour but de fournir un système d'antennes multi-secteurs à double polarisation qui soit peu encombrant avec une bonne flexibilité du facteur de forme et qui permette d'obtenir une grande diversité de diagrammes de rayonnement avec, pour un secteur donné, la possibilité d'activer deux polarisations orthogonales bien décorrélées. Ainsi, la présente invention a pour objet un système d'antennes multi-secteurs comprenant N antennes planaires constituées chacune d'un premier substrat muni d'un plan conducteur dans lequel est réalisé un premier élément rayonnant à rayonnement longitudinal excité par une première ligne d'alimentation, les N premiers substrats étant interconnectés selon un axe commun et montés perpendiculairement sur un second substrat en délimitant N secteurs, caractérisé en ce que le second substrat est muni d'un plan conducteur et que, dans au moins un des N secteurs délimités par les premiers substrats, est réalisé sur le second substrat un second élément rayonnant à rayonnement longitudinal excité par une seconde ligne d'alimentation.

De préférence, les premier et second éléments rayonnants à rayonnement longitudinal sont des antennes de type TLSA pour « tapered siot antenna » en langue anglaise ou antennes à fentes à ouverture progressive, plus particulièrement des antennes de type Vivaldi. Des antennes imprimées de type Yagi peuvent aussi être utilisées. D'autre part, les premières et secondes lignes d'alimentation sont des lignes micro-ruban réalisées sur la face du premier ou du second substrat opposée à la face recevant les premières ou secondes fentes à rayonnement longitudinal, de manière à obtenir une excitation électromagnétique des fentes selon le principe de Knorr. Toutefois, il est évident pour l'homme de l'art que d'autres types d'excitation peuvent être envisagés, en utilisant notamment la technologie coplanaire ou des lignes coaxiales alimentant directement les éléments rayonnants. Selon un premier mode de réalisation, le second substrat est un substrat multicouche.

Selon un autre mode de réalisation, le système d'antennes comporte un troisième substrat formant plan de masse pour les N premiers substrats, le troisième substrat étant monté parallèlement au second substrat. Dans ce cas, le troisième substrat est monté sur le bord des N premiers substrats opposé au bord recevant le second substrat et la distance D entre le second substrat et le troisième substrat est choisie pour avoir un angle d'interception du diagramme de rayonnement de l'élément rayonnant réalisé sur le second substrat évitant les réflexions sur le troisième substrat.

D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaitront à la lecture de divers modes de réalisations, cette lecture étant faite avec références aux dessins ci annexés dans lesquels : La figure 1 est une vue en perspective d'un premier mode de réalisation d'un système d'antennes multi-secteurs conforme à la présente invention ; La figure 2 est une vue de dessous du système de figure 1. La figure 3 est une vue en perspective d'un second mode de réalisation de la présente invention. La figure 4 est une autre vue en perspective du second mode de réalisation de la présente invention. La figure 5 est une vue schématique en élévation latérale du mode de réalisation des figures 3 et 4. La figure 6 représente des courbes d'adaptation pour différentes distances entre les second et troisième substrats.

Le tableau donné en annexe représente les diagrammes de rayonnement à une fréquence de 6GHz en fonction de la distance entre les deuxième et troisième substrats de la figure 3. Pour simplifier la description, dans les figures, les mêmes éléments portent les mêmes références.

On décrira tout d'abord, avec référence aux figures 1 et 2, un premier mode de réalisation d'un système d'antennes multi secteurs à double polarisation. La présente invention sera décrite en prenant pour antenne à élément rayonnant longitudinalement, une antenne de type TLSA pour « tapered slot antenna » en langue anglaise, plus particulièrement une antenne de type Vivaldi, les bords de l'antenne Vivaldi pouvant présenter une forme circulaire, rectiligne, exponentielle, etc. D'autre part, cette antenne sera alimentée de manière connue par couplage électromagnétique avec une ligne micro ruban selon le principe connu de Knorr. Selon ce principe, la ligne micro-ruban est réalisée sur la face du substrat opposée à la face dans laquelle est gravée la fente formant l'antenne fente. Cette ligne micro-ruban coupe la fente à une longueur Xm/4 de l'extrémité en circuit ouvert de la ligne micro-ruban et à une longueur Xs/4 de l'extrémité en court-circuit de la fente, Xm et Xs étant respectivement les longueurs d'onde à la fréquence de fonctionnement dans la ligne micro-ruban et dans la fente. Toutefois, il est évident pour l'Homme de l'art que d'autres types d'antennes planaires à rayonnement longitudinal ainsi que d'autres types d'alimentations peuvent être envisagés sans sortir du cadre de la présente invention, notamment une alimentation par ligne coplanaire ou par ligne coaxiale et des antennes planaires de type Yagi.

Ainsi, comme représenté sur la figure 1, le système d'antennes multi-secteurs de la présente invention comporte tout d'abord une première antenne multi secteurs à polarisation verticale constituée de quatre antennes Vivaldi 1 A, 1 B, 1 C, 1 D interconnectées selon un axe Z et montées perpendiculairement sur un second substrat 2. De manière plus spécifique, les quatre antennes Vivaldi sont constituées chacune d'un premier substrat 10A, 10B, 10C, 10D muni sur une première face d'une couche conductrice dans laquelle est gravée une fente à rayonnement longitudinal formant une antenne Vivaldi telle que représenté par les références 11A et 11D. Sur l'autre face de chaque premier substrat est réalisée une ligne micro ruban comme représenté par 12C sur la figure 1, chaque ligne micro-ruban se prolongeant jusqu'au bord du substrat. Dans ce mode de réalisation, l'excitation de chaque antenne Vivaldi est faite par couplage électromagnétique selon le principe de Knorr. D'autre part, le matériau du substrat utilisé pour réaliser les quatre antennes 1 A, 1 B, 1 C, 1 D peut être un matériau diélectrique classique, à savoir le substrat à base de fibre de verre connu par la dénomination FR4 (caractéristiques électriques : sr=4.4, Tan 6=0.02, h= 0.67mm) ou un matériau plastique tels que les matériaux thermoplastiques de la classe des PBT (Pour téréphtalate de poly-butylène), par exemple le matériau connu sous la dénomination commerciale Vestodur2230 (Er = 3.7, tant = 0.0012) ou le matériau connu sous la dénomination commerciale POCAN (Er = 3.4, tant = 0.01, h =1.5 mm). Ce substrat est recouvert sur une face d'un matériau conducteur tel qu'un métal formant plan de masse, notamment du cuivre. Comme représenté sur la figure 1, les bords du substrat venant se fixer sur le substrat 2 ou opposé au substrat 2 sont munis de picots 13A, 13B, 13C, 13D, ces picots venant s'encliqueter dans des ouvertures référencées 20A, 20B, 20C, 20D prévues dans le substrat 2. Ainsi comme représenté sur la figure 1, les antennes 1 A, 1 B, 1 C, 1 D déterminent quatre secteurs. Conformément à la présente invention, dans chacun de ces secteurs est réalisée sur le second substrat 2, une fente à rayonnement longitudinal, plus particulièrement une fente de type Vivaldi 21A, 21B, 21C, 21 D. Chacune de ces fentes est aussi alimentée par couplage électromagnétique avec une ligne micro ruban 22A, 22B, 22C, 22D selon le principe de Knorr rappelé ci-dessus. Chaque ligne micro ruban est réalisée sur la face inférieure du substrat 2 dont la face supérieure est métallisée. D'autre part, comme représenté sur la figure 2, l'ensemble des lignes micro-ruban alimentant les huit antennes Vivaldi ainsi réalisées, est connecté à un circuit de commutation référencé 30 sur la figure 2.Ce circuit de commutation permet de réaliser une commande sectorielle des différentes antennes comme cela sera expliqué ci-après. Ainsi, le circuit de commutation peut-être constitué d'un commutateur unique (2, 8) dans le cas où l'antenne multi-secteurs à double polarisation est utilisée dans un système MIMO à double accès et d'une manière générale, d'un commutateur (N,8) N< ou = 8, dans le cas d'un système MIMO à N accès. Dans le cas de l'utilisation du système d'antenne objet de la présente invention dans deux bandes de fréquence différentes (bandes 2.4 GHz et 5 GHz ou deux sous-bandes à 5 GHz) à l'intérieur d'une même radio (par exemple dans le cas où une bande de fréquence est allouée au trafic de donnée alors que l'autre bande de fréquence est allouée à la vidéo) ou dans le cas d'utilisation de deux radios indépendantes, le circuit de commutation (2,8) peut être constitué de deux circuits de commutation (1,4), chaque circuit étant dédié à une polarisation correspondant à une bande ou sous-bande de fréquence. On peut également, dans le cas d'un système MIMO à deux s accès, décider de choisir systématiquement deux accès, correspondant à des polarisations orthogonales. Dans ce cas particulier de système MIMO, le commutateur (2,8) peut être constitué de deux commutateurs (1,4). Le contrôle du circuit de commutation se fait par des signaux de contrôle de commutateurs classiques générés par le ou les circuits de Zo réception, selon des critères et algorithmes prédéfinis (par exemple : choisir parmi les _ secteurs, les deux secteurs présentant les niveaux de signal les plus élevés). Dans le mode de réalisation des figures 1 et 2, de préférence, le second substrat 2 est un substrat multicouche. Il est muni d'ouvertures 23A, 15 23B, 23C, 23D permettant le passage des lignes micro ruban 12A, 12B, 12C issues des antennes à polarisation verticale et leurs connections au circuit de commutation 30. Dans le cas du premier mode de réalisation tel que représenté dans les figures 1 et 2, pour optimiser l'encombrement de l'antenne, le 20 second substrat horizontal 2 sert à la fois de support au circuit d'alimentation et de commutation et aussi de support pour la réalisation de l'antenne à polarisation horizontale comme expliqué ci-dessus. Le substrat 2 est un substrat multicouche constitué de N couches métalliques avec sur la partie supérieure les antennes Vivaldi à polarisation horizontale 21A, 21B, 21C, 25 21D, les lignes d'excitation des antennes verticales 12A, 12B, 12C, 12D et l'accès principal RF du commutateur 13D issu des couches internes. Sur une des couches internes, l'on trouve les lignes d'excitation 22A, 22B, 22C, 22D des antennes Vivaldi à polarisation horizontale. En fait sur une autre couche interne ou sur la face inférieure se situe le circuit d'alimentation et de 30 commandes du dispositif de commutation qui doit être isolé de l'ensemble des circuits RF (radio-fréquence).

Lors du fonctionnement de ce type d'antennes et bien que les antennes 11 D et 21 D soient physiquement colocalisées, l'on observe que les perturbations mutuelles sont minimales. En fait, les antennes horizontales et verticales sont relativement bien découplées du fait du décalage angulaire et s des polarisations orthogonales. On décrira maintenant, avec références aux figures 3 et 4, un second mode de réalisation d'un système d'antennes multi-secteurs conforme à la présente invention. Comme représenté sur la figure 3, dans ce système les antennes planaires à polarisation verticale 1 A, 1 B, 1 C, 1 D sont 10 identiques aux antennes représentées à la figure 1 et de ce fait ne seront pas redécrites en détail. Les quatre antennes planaires qui déterminent quatre secteurs, sont montées entre un substrat 5 formant plan réflecteur pour les antennes à polarisation verticale et un substrat 4 recevant au moins une antenne planaire à polarisation horizontale. Dans le mode de réalisation 15 représenté, l'antenne planaire à polarisation horizontale est constitué de quatre fentes à rayonnement longitudinal de type Vivaldi 41A, 41B, 41C, 41 D, alimentées par des lignes d'alimentation micro-ruban selon le principe de Knorr. Dans ce cas et comme représenté sur la figure 4, la ligne 42D d'alimentation de la fente 41 B se prolonge par une ligne micro-ruban 42D' 20 réalisée sur le substrat d'une des antennes à polarisation verticale, comme représenté sur la figure 3 et vient ensuite se connecter par l'intermédiaire d'une ligne micro-ruban 42D" prévue sur le substrat 5 au circuit de commutation 60 fixé sur le substrat 5. Avec ce mode de réalisation, certaines précautions doivent être 25 prises concernant la distance D entre les deux substrats 4 et 5, comme représenté sur la figure 5. En effet, il est important que la présence du substrat 5 formant plan de masse inférieur ne perturbe pas ou introduise le minimum de perturbations dans le fonctionnement des antennes Vivaldi à polarisation horizontale 41A, 41 B, 41 C, 41 D réalisées sur le substrat 4. Il faut 30 donc que le niveau de champ dans la direction de l'angle d'interception a corresponde à un niveau suffisamment bas par rapport au niveau maximum du champ lorsque a =0. Des simulations de l'adaptation du système d'antennes de la figure 3 et de son diagramme de rayonnement en 3D représenté dans le tableau ci-annexé ont été réalisées pour des hauteurs D variant de 5mm à l'infini. Pour la simulation, les antennes à polarisation horizontale sont réalisées sur un support présentant un plan de masse métallique carré ayant un côté C = 90mm et le centre de phase de l'antenne Vivaldi, à savoir la distance entre le point B de la figure 5 et l'extrémité de l'antenne est de 12mm. Les résultats de la simulation montrent que l'influence du plan de masse inférieur 5 devient négligeable à partir d'une hauteur D de 35mm. Pour cette hauteur D, l'angle a est égal à 71 °.

Ainsi, le tableau en annexe montre sur un exemple de dimension (C = 90 mm) du substrat plan inférieur 5, les variations du diagramme et de la directivité en fonction de la hauteur D et donc de l'angle d'interception. On voit dans la deuxième colonne que les diagrammes de rayonnement sont déformés pour des hauteurs D faibles et qu'à partir d'une hauteur D égale à 35 mm (angle d'interception 71 °), les diagrammes de rayonnement correspondent à un diagramme de rayonnement classique et changent peu si l'on continue à augmenter la hauteur D. La directivité quant à elle décroit très lentement à partir de 6.5 dB pour atteindre 5.6 dB en l'absence de plan de masse (D infinie).

La figure 6 représentant les courbes d'adaptation du système de la figure 5 pour différentes valeurs de D confirme les résultats donnés dans le tableau. Il est aussi possible de faire varier l'angle d'interception en jouant sur les dimensions du substrat plan supérieur.

TABLEAU Diagramme de Angle rayonnement à 6GHz d'interception Angle d'interception UB(DirTotal) Géométrique 7.0000e+000 en fonction de Constaté sur "D" 4.0000e+000 Directivité Distance 1.0000e+000 "D" le diagramme la hauteur en mm pour -2.0000e+000 la maximale Remarques -S.aaaae+000 et selon -8.0000e+000 de une distance -1,10008+001 de (dBi) -1.4000e+001 position rayonnement "C" -1.7000¢+001 fixe de -2.0000¢+001 référence du en élévation 90 m m -2. 3000¢+061 -2.8000¢+001 centre de -2.9000¢+001 phase de 3.2006¢+661 -3.5000¢+001 (directivité) l'antenne La représentation du diagramme de . y_ rayonnement met en évidence une 5 23° 25° 7.2 déformation importante de celui ci et notamment dans la zone de couverture dans les 2 plans principaux 15 Comme précédemment, la trop grande proximité du plan métallique, 51° 40° 7.0 déforme le diagramme de -'f rayonnement et un creux apparait dans la zone utile 20 Y.E. t 7.0 59° 64° 7.0 25 IYYtN1.tY1, Y 6.6 ' >~ 68° La directivité a augmenté par rapport à l'antenne 71 ° 65° 6.5 sans plan de masse et on a une couverture parfaite dans le plan azimutal sans creux. 45 75° 70° 6.5 La directivité a augmenté par rapport à l'antenne sans plan de masse et on a une couverture parfaite dans le plan azimutal sans creux. 65 80° 6.1 Infinie (sans 90° 5.6 Forme parfaite du plan de diagramme de masse) rayonnement garantissant une couverture uniforme dans le plan azimutal xOy

Claims (8)

1. REVENDICATIONS1. Système d'antennes multi-secteurs comprenant N antennes planaires constituées chacune d'un premier substrat muni (10A, 10B, 10C, 10D) d'un plan conducteur dans lequel est réalisé un premier élément rayonnant (11A, 11B, 11C, 11 D) à rayonnement longitudinal excité par une première ligne d'alimentation, les N premiers substrats étant interconnectés selon un axe commun (Z) et montés perpendiculairement sur un second substrat (2) en délimitant N secteurs, caractérisé en ce que le second substrat est muni d'un plan conducteur et que, dans au moins un des N secteurs délimités par les premiers substrats est réalisée sur le second substrat un second élément rayonnant (21A, 21B, 21C, 21D) à rayonnement longitudinal excité par une seconde ligne d'alimentation (22A, 22B, 22C, 22D).
2. 2. Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que les premier et second éléments rayonnants à rayonnement longitudinal sont choisis parmi des antennes de type TLSA pour « tapered slot antenna » ou antennes à fentes à ouverture progressive, tels que des antennes de type Vivaldi, des antennes de type Yagi.
3. 3. Système selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que les premières et secondes lignes d'alimentation sont des lignes micro-ruban réalisées sur la face du premier ou du second substrat, opposée à la face recevant les premier et second éléments rayonnants à rayonnement longitudinal.
4. 4. Système selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce 30 que le second substrat est un substrat multicouches.
5. 5. Système selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'il comporte un troisième substrat (5) formant plan de masse pour les Npremiers substrats, le troisième substrat étant monté parallèlement au second substrat.
6. 6. Système selon la revendication 5, caractérisé en ce que le 5 troisième substrat est monté sur le bord des N premiers substrats opposé au bord recevant le second substrat.
7. 7. Système selon la revendication 6, caractérisé en ce que la distance D entre le second et le troisième substrat (4, 5) sont choisis pour 10 avoir un angle d'interception du diagramme de rayonnement de la fente réalisée sur le second substrat évitant les réflexions sur le troisième substrat.
8. 8. Système selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que l'ensemble des lignes d'alimentation (12A, 12B, 12C, 15 12D ; 22A, 22B, 22C, 22D) est connecté à un commutateur (N, M), N représentant le nombre d'accès et M le nombre de lignes d'alimentation.