WO2007006982A1

WO2007006982A1 - Systeme d'antenne a diversite d'ordre 2 et carte pour appareil de communication sans fil munie d'un tel systeme

Info

Publication number: WO2007006982A1
Application number: PCT/FR2006/001737
Authority: WO
Inventors: Françoise Le Bolzer; Franck Thudor; Geert Matthys; François BARON
Original assignee: Thomson Licensing
Priority date: 2005-07-13
Filing date: 2006-07-13
Publication date: 2007-01-18
Also published as: KR20080025703A; JP2009501468A; FR2888675A1; US20090073047A1; EP1902491A1; CN101223672A

Abstract

La présente invention concerne un système d'antennes à diversité d'ordre 2 comprenant sur un même substrat 1 comportant un plan de métallisation 2 des premier et second éléments rayonnants 3 et 4 constitués chacun par une antenne de type F-inversé imprimé côté plan de métallisation, les premier et second éléments étant positionnés perpendiculairement l'un par rapport à l'autre près de la périphérie du substrat et étant reliés par leur extrémité formant masse 32, 42.

Description

SYSTEME D'ANTENNE A DIVERSITE D'ORDRE 2 ET CARTE POUR APPAREIL DE COMMUNICATION SANS FIL MUNIE D'UN TEL SYSTEME

La présente invention concerne un système d'antennes à diversité d'ordre 2. Elle concerne aussi une carte pour appareil de communication sans fils comportant un tel système d'antennes.

Dans le domaine des communications sans fils, en particulier à l'intérieur d'un local, on observe des phénomènes de multi -trajets. Ces phénomènes peuvent être très pénalisants pour la qualité du signal reçu. On observe en effet des phénomènes d'interférences ainsi que d'évanouissement du signal.

Pour remédier à ces problèmes de fluctuation dans les signaux reçus, on a recours, de manière habituelle, à des techniques de diversité. Une des solutions largement utilisée dans les dispositifs de communication sans fils de type WIFI, consiste à avoir deux antennes de réception et à commuter entre l'une ou l'autre de ces antennes de manière à choisir la meilleure. Pour assurer une bonne diversité, il est donc nécessaire que les deux antennes soient complètement décorrelées. De ce fait, les antennes doivent être suffisamment espacées l'une de l'autre.

Ainsi, les systèmes les plus couramment utilisés dans les dispositifs WIFI sont constitués de deux antennes externes de type dipôle. Cette solution présente l'avantage d'une intégration aisée puisque les antennes sont alors reliées à la carte sans fil par des câbles souples coaxiaux. Toutefois, le coût de cette solution est relativement élevé. D'autre part, l'antenne étant un élément externe, elle est fragile et peut être facilement détruite ou endommagée.

Pour remédier à ces inconvénients, on a cherché à intégrer l'antenne à la carte sans fil. Différentes techniques ont donc été proposées. Ainsi, dans la demande de brevet US 2003/0210191 publiée le 13 novembre 2003, on décrit une carte électronique comportant à sa périphérie deux antennes de type PIFA (Planar Inverted - F-Antenna ou Antenne planaire de type F inversé). Dans ce cas, les deux antennes de type PIFA sont constituées chacune d'une plaque rayonnante et de deux pattes perpendiculaires l'une formant plan de masse et l'autre formant ligne d'alimentation. Cette antenne présente donc une épaisseur non-négligeable. D'autre part, pour obtenir une bonne décorrélation des antennes, les deux antennes sont espacées l'une de l'autre. De ce fait, le système décrit dans cette demande de brevet reste encombrant et nécessite le report de composants métalliques 3D sur la carte. D'autre part, dans la demande de brevet US 2003/022823 publiée le 4 décembre 2003, on décrit un système d'antennes bi-bande constitué par des antennes de type F inversé réalisées dans la feuille de blindage RF d'un afficheur portable. Comme dans le cas ci-dessus, les antennes sont éloignées les unes des autres pour obtenir une bonne décorrélation desdites antennes.

La présente invention concerne un système d'antennes à diversité d'ordre 2 très compact, facilement intégrable sur une carte électronique pour appareil de communication sans fil et présentant des propriétés de décorrélation importantes.

La présente invention concerne donc un système d'antennes à diversité d'ordre 2 comprenant, sur un même substrat, des premier et second éléments rayonnants positionnés sur deux côtés adjacents du substrat près de la périphérie dudit substrat, caractérisé en ce que, le substrat comportant un plan de métallisation, les premier et second éléments rayonnants sont constitués chacun par une antenne de type F inversé imprimée côté plan de métallisation du substrat, les premier et second éléments rayonnants étant positionnés sur le substrat au niveau de l'angle formé par les deux côtés adjacents et étant reliés l'un à l'autre au niveau de leur extrémité reliée au plan de métallisation. L'invention ainsi définie présente la forme d'une tête de flèche (ou « Arrowhead » en langue anglaise).

Malgré la proximité des deux antennes, cette solution, qui permet d'obtenir un système très compact, présente une bonne décorrélation des deux antennes. La qualité de la décorrélation obtenue est loin d'être implicite pour l'homme de l'art qui a plutôt tendance à éloigner les 2 éléments rayonnants ou à ajouter des artifices de masse pour assurer cette décorrélation comme décrit dans les documents de l'art antérieur.

Selon un premier mode de réalisation, l'antenne de type F inversé est gravée dans le plan de métallisation.

Selon un autre mode de réalisation et dans le cas de substrats multicouches, l'antenne de type F inversé est gravée dans au moins 2 plans de métallisation du substrat, chaque plan métallique du substrat ainsi gravé et formant le corps ou brin de l'antenne F-inversée étant relié les uns aux autres par l'intermédiaire de vias ou trous métallisés.

D'autre part, l'antenne de type F inversé est constituée par un brin conducteur parallèle à un côté du substrat, le brin conducteur se prolongeant par une partie d'extrémité reliée au plan de métallisation du substrat, l'antenne étant reliée à une ligne d'alimentation adaptée perpendiculaire au brin conducteur.

De préférence, la fréquence de résonance du brin conducteur est donnée par la relation :

Dl+ H = ° ,

A.Fres.^ε_eff où c représente la vitesse de la lumière dans le vide, ε_etf la permittivité effective du milieu de propagation, F_res la fréquence de résonance, D1 la longueur du brin conducteur entre son extrémité libre et le point de connexion avec la ligne d'alimentation et H la hauteur entre le brin conducteur et le plan de métallisation du substrat.

Selon une autre caractéristique de la présente invention, pour améliorer la décorrélation entre les deux éléments rayonnants, une fente est réalisée au niveau de leurs extrémités reliées au plan de métallisation. La longueur de cette fente peut être choisie pour que sa fréquence de résonance corresponde à celle des brins de l'antenne. Cela permet d'obtenir un élargissement de la bande de fonctionnement de l'antenne. La présente invention concerne aussi une carte électronique pour dispositif de communication sans fil munie d'un système d'antennes à diversité d'ordre 2 tel que décrit ci-dessus.

D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront à la lecture de la description de plusieurs modes de réalisation, cette description étant faite avec référence aux dessins ci-annexés dans lesquels :

La figure 1a est une vue en perspective partielle d'un premier mode de réalisation d'un système conforme à la présente invention et la figure 1b est une représentation très schématique du substrat utilisé.

La figure 2 représente les différentes courbes d'adaptation et d'isolation du système de la figure 1.

Les figures 3 et 4 représentent respectivement les diagrammes de rayonnement obtenus en excitant l'une ou l'autre des antennes du système de la figure 1.

La figure 5 est une vue en perspective partielle d'un autre mode de réalisation d'un système conforme à la présente invention.

La figure 6 représente les courbes d'adaptation et d'isolation du système de la figure 5.

La figure 7 représente une vue en perspective partielle d'un troisième mode de réalisation de la présente invention.

La figure 8 représente les courbes d'adaptation et d'isolation du mode de réalisation de la figure 7.

Les figures 9 et 10 représentent les diagrammes de rayonnement obtenus en excitant l'une ou l'autre des antennes du système représenté à la figure 7.

La figure 11 représente une vue en perspective partielle d'un autre mode de réalisation d'un système conforme à la présente invention.

La figure 12 représente les différentes courbes d'adaptation et d'isolation du système de la figure 11. Les figures 13 et 14 représentent les diagrammes de rayonnement obtenus en excitant l'une ou l'autre des antennes du système de la figure 11.

La figure 15 représente les courbes d'adaptation et d'isolation d'un système d'antennes selon le mode de réalisation de la figure 11 dans lequel la largeur de la fente a été optimisée.

La figure 16 représente une vue en perspective partielle d'encore un autre mode de réalisation d'un système d'antennes conforme à la présente invention.

Pour simplifier la description dans les figures, les mêmes éléments portent les mêmes références.

On décrira tout d'abord, avec référence aux figures 1 , 2, 3 et 4, un premier mode de réalisation d'un système d'antennes à diversité d'ordre 2 conforme à la présente invention.

Comme représenté sur la figure 1a, sur un substrat 1 muni au moins sur sa face supérieure d'une couche conductrice formant plan de métallisation ou plan de masse 2, on a réalisé deux antennes 3 et 4 du type F inversé. Ces antennes 3 et 4 sont réalisées en gravant le plan de masse 2 le long de la périphérie du substrat 1 de telle sorte que les antennes 3 et 4 soient perpendiculaires l'une à l'autre tout en étant reliées par leurs extrémités formant masse. Dans cette configuration, le système d'antennes présente la forme d'une tête de flèche (Arrowhead).

De manière plus spécifique et comme représenté clairement sur la figure 1a, l'antenne 3 qui présente une longueur totale L et se trouve positionnée le long d'un bord du substrat 1 comporte un brin conducteur présentant une première partie 30 de longueur D1 et une seconde partie 31 de longueur D2. La partie 31 se prolonge par une partie 32 formant masse qui est connectée au plan de masse 2. Les deux parties 30, 31 sont alimentées par une ligne d'alimentation 33 perpendiculaire au brin conducteur, au point de jonction des parties 30, 31. Cette ligne d'alimentation 33 se termine par un port 34 et est adaptée à 50Ω. De manière semblable, l'antenne inversée 4 comporte un brin conducteur présentant une première partie 40 se prolongeant par une seconde partie 41 qui se prolonge par une partie formant masse 42. Cette partie 42 est reliée à la partie formant masse 32 de l'antenne 3 au niveau d'un coin externe du substrat. Les parties 40, 41 sont alimentées par une ligne d'alimentation adaptée à 50Ω reliée au port 44.

Conformément à la présente invention, la fréquence de résonance des antennes 3 ou 4 est obtenue par l'équation suivante :

£>1 + H = ^c—=_≈

4.Fres.Jε_eff dans laquelle :

D1 représente la longueur des parties 30 ou 40 du brin conducteur,

Η représente la hauteur ou dimension entre le plan de masse 2 et le brin conducteur, c représente la vitesse de la lumière dans le vide, ε_eff représente la permittivité effective du milieu de propagation et,

F_res représente la fréquence de résonance des brins conducteurs.

Dans ce cas, la dimension D2 de la partie 31 ou 41 est choisie de manière à jouer sur l'impédance d'entrée de la partie résonante 30 ou 40 du brin conducteur. Ainsi à fréquence constante, c'est-à-dire pour Η et D1 fixés, une augmentation (respectivement une réduction) de D2 aura pour effet de réduire (respectivement d'augmenter) l'impédance d'entrée du brin résonnant. Les parties formant masse 32 et 42 sont reliées au plan de masse. Ces parties présentent une longueur D3 dont la valeur constitue un degré de liberté pour intégrer le système d'antennes à une carte électronique. En effet, cette partie sans courant peut recevoir des plots de fixation ou autres éléments même métalliques, permettant l'intégration de la carte et la tenue mécanique de l'ensemble.

On a réalisé une simulation 3D en utilisant un simulateur électromagnétique du commerce basé sur la méthode des éléments finis connus sous la marque HFSS Ansoft. Cette simulation a été faite en utilisant un substrat FR4 multicouches présentant une épaisseur totale de 1.6 mm et une permittivité εr de 4.4. Comme représenté sur la figure 1 B, l'empilage du substrat est constitué d'un substrat FR4 4 couches comportant 2 couches externes d'un matériau connu sous la dénomination Prepreg de 254μm d'épaisseur et d'une couche interne de FR4 de 889μm d'épaisseur. L'interface entre les 3 couches de substrat est constituée de 2 couches internes de cuivre de 35μm d'épaisseur. Les 2 couches conductrices externes ou plan de métallisation sont elles réalisées avec du cuivre de 17,5μm.

La ligne d'alimentation est définie sur les couches supérieures 1 pour le signal et plan de masse 2 pour la masse. Pour la simulation, la tête de flèche (Arrowhead) est métallisée sur toute l'épaisseur du substrat, de même pour le plan de masse.

Le système d'antennes du type F-inversé tel que représenté sur la figure 1 présente les dimensions suivantes :

D1 = 14.4 mm

D2 = 12 mm

D3 = 18 mm

H = 6 mm

W = 2 mm

L = 45.5 mm.

Un système de ce type fonctionne dans la bande de fréquences 2.4 GHz à 2.5 GHz.

Dans le cas de ce mode de réalisation, les deux antennes de type F-inversé sont identiques. Toutefois, il est évident que dans le cadre de la présente invention, les deux antennes 3 et 4 peuvent être de longueur différente, de manière à fonctionner sur des bandes de fréquence différentes.

Les résultats de la simulation donnent les courbes d'adaptation et d'isolation S11 , S22 et S21 représentées à la figure 2. Les courbes S11 et S22 de la figure 2 montrent une adaptation supérieure à -15dB sur les deux ports 32 et 42 sur toute la bande concernée, à savoir 2.4 - 2.5 GHz. D'autre part, l'isolation donnée par la courbe S21 est de -14dB.

Comme représenté sur les figures 3 et 4 qui montrent respectivement sur la figure 3, le rayonnement de l'antenne 3 et sur la figure 4, le rayonnement de l'antenne 4, les deux diagrammes de rayonnement présentent une bonne décorrélation par rapport à l'axe de symétrie défini par la direction de la flèche (Arrowhead) dans les diagrammes, cette direction correspondant à Phi = -45°.

Ainsi, avec une structure d'antennes à diversité d'ordre 2 très compacte, les deux antennes étant très proches l'une de l'autre et réalisées en utilisant une technologie imprimée, on obtient de manière non implicite pour l'homme de l'art une bonne décorrélation des deux antennes.

On décrira maintenant avec référence aux figures 5 et 6, une variante de réalisation d'un système d'antennes conforme à la présente invention.

Dans ce cas, on réalise deux antennes du type F-inversé 3', 4' en gravant la métallisation d'un substrat 1 muni d'un plan de masse 2. Pour réduire encore plus l'encombrement, le système d'antennes représenté à la figure 5 présente pour chaque antenne 3' et 4', une partie formant masse 32', 42' dont la longueur D3 a été réduite. Une structure de ce type a été simulée, comme mentionné ci-dessus, en prenant pour D3 une valeur de 10 mm.

Les résultats de la simulation sont donnés par les courbes de la figure 6. Dans ce cas, on obtient des courbes d'adaptation S11 et S22 montrant une adaptation supérieure à -15dB sur la bande de fréquence 2.4 GHz à 2.5 GHz et une courbe d'isolation S21 montant à -12dB, les points de retour masse étant plus rapprochés du fait d'une valeur D3 plus faible.

On décrira maintenant avec référence aux figures 7 à 10, un autre mode de réalisation d'un système d'antennes conforme à la présente invention. Dans ce cas, les antennes 3 et 4 de type F-inversé sont identiques aux antennes de la figure 1. Toutefois, comme représenté sur la figure 7, seule une partie du plan de masse 2' déposé sur l'ensemble du substrat 1 a été évidé. Un système de ce type a été simulé en utilisant un appareil tel que mentionné ci-dessus.

Les dimensions simulées dans l'exemple de réalisation de la figure 7 sont les suivantes.

D1 = 12.4 mm

D2 = 12 mm

D3 = 18 mm

H = 6 mm

W = 2 mm

L ≈ 43.5 mm.

La distance e entre l'extrémité des brins et le plan de masse 2' est de 7 mm.

Comme représenté sur les courbes d'adaptation S11, S22 et d'isolation S21 de la figure 8, on note que l'adaptation reste très bonne pour la bande de fréquences autour de 2.5 GHz tandis que l'isolation représentée par la courbe S21 est de -12dB.

De manière identique au mode de réalisation représenté à la figure 1 , la diversité des diagrammes est maintenue, comme on le voit sur les diagrammes des figures 9 et 10 représentant respectivement le rayonnement de l'antenne 3, figure 9 et le rayonnement de l'antenne 4, figure 10.

On décrira maintenant avec référence aux figures 11 à 15, une variante de réalisation d'un système d'antennes conforme à la présente invention. Dans ce cas, sur un substrat 1 muni d'un plan de masse 2, on a réalisé les deux antennes de type F-inversé comme dans le mode de réalisation de la figure 1.

Toutefois, pour améliorer la décorrélation entre les antennes de type F-inversé 3 et 4, on réalise une gravure du plan de masse au niveau des parties formant masse 32 et 42. Cette gravure forme une fente 6, comme représenté sur la figure 11. Cette gravure permet d'augmenter l'isolation entre les deux antennes de type F-inversé 3 et 4.

Une structure telle que représentée à la figure 11 , a été simulée en utilisant l'appareil mentionné ci-dessus. Dans ce cas, les dimensions suivantes ont été utilisées pour la simulation, à savoir :

D1 = 15.4 mm

D2 = 12 mm

D3 = 18 mm

H = 6 mm

W = 2 mm

L = 46 mm.

La fente 6 présente une largeur de 2 mm et une longueur de 23 mm. La fente réalisée dans le plan de masse est une fente rectangulaire placée dans l'axe de symétrie de la structure, comme représenté sur la figure 11 , de manière à conserver la symétrie des diagrammes.

Sur la figure 12 donnant les courbes d'adaptation S11 , S22 et d'isolation S21 du système de la figure 11 , on note une amélioration de l'isolation entre les deux ports, cette isolation présentant des valeurs jusqu'à -22dB. On note aussi une adaptation sur toute la bande de fréquence autour de 2.5 GHz.

La présence de la fente 6 permet donc de renforcer la décorrélation entre le rayonnement des antennes 3 et 4, comme on peut le voir sur les figures 13 et 14 représentant respectivement le diagramme de rayonnement de l'antenne 3 et le diagramme de rayonnement de l'antenne 4.

Il est possible de dimensionner la fente 6 de manière à ce que sa fréquence de résonance soit proche de celle des antennes 3 et 4. On obtient alors un élargissement de la bande de fonctionnement de l'antenne, comme représenté sur la figure 15. . Par rapport à la structure sans fente, on observe ainsi l'apparition d'un second pic d'adaptation (S11<-10dB) autour de 2.1GHz correspondant à la résonance de la fente et qui concourre à l'adaptation de la structure complète sur toute la bande de 2GHz à 2.5GHz soit une bande passante de 22% contre 16% pour la structure sans fente.

Sur la figure 16, on a représenté encore un autre mode de réalisation d'un système d'antennes conforme à la présente invention. Dans ce cas, sur un substrat 1 comportant au moins une couche conductrice supérieure et une couche conductrice inférieure, on a gravé deux antennes du type F-inversé en gravant un brin 3A sur une face et un brin 3B sur l'autre face du substrat, de même pour l'antenne 4. Ces brins 3A, 3B ou 4A, 4B sont reliés par des vias ou trous métallisés 3C comme représenté sur la figure 16. L'avantage de cette réalisation est l'élargissement de la bande de fréquences d'un brin. La figure 16 représente une antenne de type F-inversé gravée sur 2 couches métalliques. Toutefois, l'invention s'applique aussi à des antennes gravées sur plusieurs couches reliées par des trous métallisés.

Il est évident pour l'homme de l'art que les modes de réalisation décrits ci-dessus peuvent être modifiés de nombreuses manières. Avec l'invention, on obtient une solution d'antennes intégrant une diversité de rayonnement d'ordre 2 compatible avec les contraintes de coût les plus strictes et très facilement intégrable sur une carte mère pour un dispositif de communication sans fil tel qu'un dispositif de type WIFI. L'intégration du système d'antennes décrit ci-dessus est possible sur tout dispositif de transmission sans fils. Les accès antennes sont adaptés à 50 ohms et sont donc directement intégrables à un commutateur de type SPDT (« Single Port Double Through » en langue anglaise) ou DPDT (« Double Port Double Through » en langue anglaise) et l'encombrement du système est tel que son utilisation sur des cartes déjà existantes peut être envisagée très facilement.

Claims

REVENDICATIONS

1 - Système d'antennes à diversité d'ordre 2 comprenant, sur un même substrat (1), des premier et second éléments rayonnants (3,4) positionnés sur deux côtés adjacents du substrat, près de la périphérie dudit substrat, caractérisé en ce que, le substrat (1) comportant un plan de métallisation (2), les premier et second éléments rayonnants sont constitués chacun par une antenne de type F-inversé imprimée côté plan de métallisation du substrat, les premier et second éléments étant positionnés sur le substrat au niveau de l'angle formé par les deux côtés adjacents et étant reliés l'un à l'autre au niveau de leur extrémité reliée au plan de métallisation.

2 - Système selon la revendication 1 , caractérisé en ce que chaque antenne de type F-inversé est gravée dans le plan de métallisation.

3 - Système selon la revendication 1 , caractérisé en ce que chaque antenne de type F-inversé est gravée dans au moins deux plans de métallisation du substrat, les brins ainsi gravés étant reliés par l'intermédiaire de vias ou trous métallisés.

4 - Système selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l'antenne de type F-inversé (3,4) comporte un brin conducteur parallèle (30,31 ;40,41) à un côté du substrat, le brin conducteur se prolongeant par une partie d'extrémité (32,42) reliée au plan de métallisation du substrat, l'antenne étant reliée à une ligne d'alimentation (33,43) adaptée perpendiculaire au brin conducteur.

5 - Système selon la revendication 4, caractérisé en ce que l'antenne présente une fréquence de résonance obtenue à l'aide de la relation : £>i + H =

4.Fresψ_eff où c représente la vitesse de la lumière dans le vide, ε_θff la permittivité effective du milieu de propagation, F_res la fréquence de résonance, D1 la longueur du brin conducteur entre son extrémité libre et le point de connexion avec la ligne d'alimentation et Η la hauteur entre le brin conducteur et le plan de métallisation du substrat.

6 - Système selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la longueur des brins conducteurs de deux éléments rayonnants est identique.

7 - Système selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la longueur des brins conducteurs des deux éléments rayonnants est différente.

8 - Système selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce qu'une fente (6) est réalisée entre les deux éléments rayonnants (3,4) au niveau de leurs extrémités reliées au plan de métallisation.

9 - Système selon la revendication 8, caractérisé en ce que la longueur de la fente est choisie pour que sa fréquence de résonance corresponde à celle d'au moins une antenne (3 ou 4).

10 - Carte électronique pour dispositif de communication sans fils, caractérisée en ce qu'elle est munie d'un système d'antennes à diversité d'ordre 2 selon l'une des revendications 1 à 9.