WO2015082287A1 - Système d'antennes destiné à être monté sur ou au-dessus d'un objet tout en protégeant ledit objet des rayonnements desdites antennes - Google Patents

Système d'antennes destiné à être monté sur ou au-dessus d'un objet tout en protégeant ledit objet des rayonnements desdites antennes Download PDF

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antenna system
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antenna
man
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Tsitoha ANDRIAMIHARIVOLAMENA
Franck TIRARD
Smail Tedjini
Pierre Lemaitre-Auger
Pascal Pierron
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Institut Polytechnique de Grenoble
Safran Electronics and Defense SAS
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ARDEJE
Institut Polytechnique de Grenoble
Sagem Defense Securite SA
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    • H01Q9/04—Resonant antennas
    • H01Q9/16—Resonant antennas with feed intermediate between the extremities of the antenna, e.g. centre-fed dipole

Definitions

  • Antenna system for mounting on or above an object while shielding said object from radiation from said antennas
  • the present invention relates to an antenna system for mounting on or above an object while protecting said object from radiation from said antennas.
  • the present invention finds application whenever antennas are required to transmit signals and that these antennas, due to either constraints due to the particular use envisaged, or implementation constraints of the devices on which they are mounted, are mounted on or above an object which must also be protected from electromagnetic fields emitted by said antennas.
  • object is taken in its broadest sense and therefore relates to any material object, living, etc.
  • the object in question may be a device, for example rolling, flying or flying, which comprises, on the one hand, telecommunication means for transmitting signals by means of one or more antennas and secondly , circuits, for example, electronic, which are also sensitive to electromagnetic fields and which must be protected from those emitted by said antennas.
  • the object in the sense given here in the present description, can also be a living being, such as a human.
  • a living being such as a human.
  • each person concerned with a transmitter / receiver connected to an antenna system that carries said person to transmit and receive RF radio signals vector vectors information, data, images, etc.. transmitting.
  • This antenna system consists of a plurality of antennas, for example themselves constituted by radiating elements shaped to the body of the person. These radiating elements can be integrated into the clothing of the person, for example by being printed there. They can also be simple elements in a flexible material, placed and fixed for example by gluing, sewing, etc. on the garment worn by the person. By multiplying these radiating elements, the shadow zones, that is to say the zones of non-reception or non-emission, are avoided because, at least one of the radiating elements can ensure communication. In addition, by positioning them so that their radiation lobes overlap each other, the quality of remission / reception remains correct even if one or more radiating elements are in shadows.
  • the spatial distribution of the electromagnetic field radiated by the antenna or antennas used in particular to respect minimum radio frequency field emission levels, such as an absorption rate.
  • SAR Specific Absorption Rate, SAR
  • EMC Electromagnetic Field
  • the first is to position the antenna or antennas far enough from the object to maintain a level of non-damaging absorbed energy. Nevertheless, this translates into very bulky structures and a lack of penalizing ergonomics.
  • a second approach is to provide protection of the object generally in the form of a metal plane, high impedance surface or layers of absorbent materials. This solution results in a complexity of implementation and also a lack of ergonomics.
  • the object of the present invention is to provide an antenna system that solves the problems mentioned above.
  • the present invention relates to an antenna system intended to be mounted on or above an object while protecting said object from the radiation of said antennas. It is characterized in that it consists of at least one group of at least two antennas, the antennas being positioned relative to one another so that their emission lobes turned towards the space where find said object overlap, said antennas being energized so that the electromagnetic fields respectively emitted in said emission lobes facing said space interfere with each other and so that the electromagnetic field energy resulting from these interferences is reduced in said space compared to what it would be without interference.
  • said antennas of an antenna group are flat but non-coplanar.
  • an antenna group consists of at least two antennas, one of which is said to be intended to be positioned near the chest of said man, a scapula said to be positioned near a scapula of said man and said end to be positioned near the upper arm of said man.
  • said or each group of antennas is printed on a substrate consisting of a fabric, a knit, a nonwoven or a film constituting a garment intended to be worn by said man.
  • it comprises several groups of antennas supplied with RF signals via a power divider.
  • at least one group of antennas is fed via a phase shifter controlled by a control signal so that the phase of the supply signal of said group of antennas is continuously variable in time.
  • several groups of antennas are supplied with RF signals via a switch controlled by a control signal in order to select said groups of antennas consecutively one after another.
  • each group of antennas comprises a power divider arranged to receive the RF signal and feed each antenna of said group of antennas.
  • said or each group of antennas is printed on a flexible substrate, possibly including said power divider.
  • Said flexible substrate is for example made of a fabric, a knit, a nonwoven or a film. This substrate may be constitutive of a garment intended to be worn by a man.
  • said antennas are of the monopole type in planar configuration, or of the dipole type.
  • Fig. 1 is a top view of a man carrying an antenna system according to a particular embodiment of the invention
  • Fig. 2 is a view of an antenna group of an antenna system according to the invention as shown in FIG. 1
  • Fig. 3 is a view of a group of antennas according to the present invention which is above a transceiver and an electronic apparatus,
  • Fig. 4 is a view of a group of three antennas illustrating the general principle of the present invention
  • Fig. 5 is a block diagram of an antenna supply circuit of an antenna group of an antenna system according to the present invention.
  • Figs. 6a to 6c are block diagrams of antenna group feed circuits according to various embodiments of the present invention.
  • Fig. 7 is a view of a monopole type antenna according to a first embodiment of an antenna system according to the present invention
  • Fig. 8 is a diagram showing the reflection coefficient SU in dB as a function of the frequency between 1 and 3 GHz of an antenna system according to the invention, in the configuration of FIGS. 1 to 3 above,
  • Fig. 9 is a radiation diagram of an antenna of an antenna system according to the invention, in the configuration of FIGS. 1 to 3 above,
  • Fig. 10 is a view of a dipole elementary antenna according to a second embodiment of an antenna system according to the present invention.
  • Fig. 11 shows an exemplary embodiment of an antenna group according to the present invention.
  • An antenna system consists of at least one group of antennas which, because of its use, is intended to be placed on or above an object which must also be protected from electromagnetic fields. These electromagnetic fields which are respectively radiated by these antennas interfere with each other, creating field minima in particular places.
  • the principle of the present invention is to control these places, on the one hand, by the relative positioning of each antenna of the or each group relative to the others of said group and, on the other hand, by the power supply of each antenna relatively in phase and amplitude compared to others. This control is carried out so that the minimum or minimum electromagnetic field are located where the object to be protected is located.
  • the control of the position of these electromagnetic field minima is done, for example once and for all, by optimization by means of electromagnetic simulation tools, taking into account the couplings between antennas.
  • This optimization process makes it possible to find the relative position of the antennas considered and the phase and amplitude of supply of each antenna relative to the other antennas and this, according to the desired positions of the minima.
  • FIGS. 1 and 2 We will now describe in relation to FIGS. 1 and 2 a particular embodiment of the present invention, in an application where the antenna system in question is worn by a man.
  • Fig. 1 represents a man 10 seen from above with his shoulders 11 and 12 and his head 13. On the shoulder 11, is a first group of antennas 21 and, on the shoulder 12, is a second group of antennas 22.
  • This group of antennas 22 is composed of three antennas, one 223 said chest positioned near the chest of said man, another said scapula 221 positioned near a scapula of said man, another end said 222 positioned near the upper arm of said man.
  • Each antenna 221, 222, 223 is placed near the shoulder 12 at a distance x from the body such that its performance is correct (too close to the body, the antennas could be detuned and thus be disturbed in their operation).
  • the distance between the end antenna 222 at the end of the shoulder and an axis passing through the two other antennas 221 and 223 is necessarily greater than the distance x.
  • the distance between the chest antenna 223 and the scapula antenna 221 is D.
  • the antennas 221, 222 and 223 are not coplanar and they provide between them a space inside which is the object to be protected, in this case the shoulder of the man 10.
  • the antennas 221, 222, 223 of the or each group of antennas 21, 22 are geometrically positioned relative to each other and relative to the body of said man and / or are energized staggered in phase and / or in amplitude with respect to each other so that the electromagnetic fields respectively emitted by said antennas interfere with one another so that the energy of the electromagnetic field resulting from these interferences is reduced in the region where the body of the human is located. compared to what it would be without interference.
  • chest antennas 223 and scapula 221 are phased with respect to each other while end antenna 222 is energized out of phase by an angle ⁇ (whose value depends on the positioning of the end antenna 222 relative to the other two antennas of the same group) relative to the other antennas 221 and 223.
  • the power amplitudes are for example identical for the three antennas.
  • FIG. 3 there is shown a transmitter / receiver 100 to which is connected the antenna system 110 and an electronic device 120, which is for example sensitive to electromagnetic waves causing disturbances in its operation.
  • An example could be a 2GHz radio transceiver and a Global Positioning System (GPS) on a frequency of 1.7 GHz, one and the other placed on the same device, for example a robot.
  • GPS Global Positioning System
  • the antenna system 110 is here constituted of a single group comprising an antenna 111, on the left side inclined with respect to the vertical, a horizontal antenna 112 just above the electronic apparatus 120 and an antenna on the side right also inclined to the vertical.
  • the antennas 111, 112 and 113 are not coplanar and that they provide between them a space inside which is the object to be protected, in the electronic device 120.
  • the antennas 111, 112, 113 are positioned geometrically with respect to each other and with respect to the object to be protected, here the electronic device 120, and / or are supplied shifted in phase and / or in amplitude relative to each other so that the electromagnetic fields respectively emitted by said antennas interfere with one another so that the energy of the electromagnetic field resulting from these interferences is reduced in the region where said object is located; that is, the electronic apparatus 120 compared to what it would be without interference.
  • the left and right antennas 111 are fed in phase with respect to each other while the horizontal antenna 112 is powered out of phase by an angle ⁇ (whose value depends on the positioning of the horizontal antenna 112 relative to the other two antennas 111 and 113) relative to the other antennas 11 1 and 113.
  • the power amplitudes are for example identical for the three antennas.
  • FIG. 4 there is shown a group of 3 antennas 201, 202 and 203 non-coplanar. They form between them a space E within which the amplitude of the electromagnetic fields radiated by the antennas 201 to 203 is controlled.
  • Each of these antennas 201, 202 and 203 radiates by its front face 2010, 2020, 2030 (face opposite to that which is turned towards the space E) but also by its back side 2011, 2021, 2031 (the one which is turned towards space E).
  • the emission lobes 2012, 2022 and 2032 are represented by their respective front faces and the emission lobes 2013, 2023 and 2033 by their respective rear faces.
  • the electromagnetic waves respectively emitted by the antennas 201 to 203 by their rear faces 2011, 2021 and 2031 interfere with each other in the zone E, so that the field energy electromagnetic resulting from these interferences is reduced in the space E, according to the relative position of the antennas and according to their respective power supplies shifted in phase and / or in amplitude relative to each other.
  • FIG. 5 there is shown the antenna supply circuit of an antenna group (here, for example, three antennas 201, 202 and 203. These antennas could respectively correspond to a chest antenna 223, a scapula antenna 221 and an end antenna 222, as in Fig. 2 or an inclined left antenna 111, a horizontal antenna 112 and an inclined right antenna 113).
  • This circuit comprises a power divider 50 which receives the radio frequency signal RF on its input and which delivers it on its outputs (three in number here) to respective supply lines 51, 52 and 53.
  • These lines 51 to 53 are provided respectively to feed the antennas 201 to 203 with respective phases which depend essentially on the respective lengths of these lines 51 to 53.
  • the number of antennas of the group considered was n, the number of outputs of the power divider 50 and the number of supply lines 51 to 5n would also be n.
  • each group of antennas for example each group of antennas 21, 22 of Fig. 1
  • it can be performed in parallel.
  • FIG. 6a where it is seen that the RF radio frequency signal is supplied to the input of a power divider 5 which delivers it to lines 3 and 4 of respective power supply antenna groups 1 and 2 (which could respectively correspond to the antenna groups 21 and 22 of Fig. 1).
  • feed lines 3 and 4 consist of RF cables (such as coaxial cables).
  • the amplitudes and phases of the signals supplied to the antenna groups may be different or identical.
  • the power supply of each group of antennas is also performed in parallel as in FIG. 6a, but in the circuit of the supply line 4 is mounted a phase shifter 6 provided to introduce the RF signal passing through a phase shift of a variable angle according to a control signal 7 applied to another of its entries.
  • the control signal 7 varies continuously and rapidly over time.
  • the power supply of each group of antennas is performed in a switched manner.
  • the power divider 5 of the embodiments of the Figs. 6a and 6b is replaced by a switch 8 which has a control input for a control signal 9 for selecting the antenna group that will receive the RF signal.
  • the antenna groups 1 and 2 are thus selected consecutively one after another.
  • the number of antenna groups considered is p, the number of outputs of the power divider 5 and the number of supply lines 1 to p would also be p.
  • the present invention operates with any type of antenna, including monopole antennas, dipole antennas, patch antennas, etc.
  • FIG. 7 a first embodiment of an elementary antenna 30 used for each antenna of each group. It is of the monopole type in planar configuration. It comprises two planes of mass 31 and 32, of rectangular shape, and a radiating strand 33, part of which is framed by each of the two ground planes 31 and 32 and another part protrudes beyond the ground planes 31 and 32 on a length L.
  • Such an antenna is for example made on a flexible substrate, or on a fabric, a knit, a nonwoven or a film, for example constituting a garment intended to be worn by said man.
  • tan ( ⁇ ) 0.009.
  • thickness of the conductive layers between 1 and 10 ⁇ .
  • the average SAR rate for the same 1 Watt injected electromagnetic power is 0.022 W / kg, which is well below the allowed value of 0.08 W / kg.
  • the DAS flow rate located on 10g of tissue for electromagnetic power injected 1 Watt is 0.62 W / kg. This is much lower than the maximum allowed value, 2W / kg.
  • the average SAR rate for the same injected electromagnetic power of 1 Watt is also 0.022 W / kg much lower than the allowed value which is 0.08 W / kg.
  • FIG. 8 shows the reflection coefficient SU in dB as a function of the frequency between 1 and 3 GHz.
  • FIG. 9 it shows the radiation pattern both in the azimuthal plane (black line) and in the site plan (double black line).
  • a dipole antenna 40 which can be used as an elementary antenna of a group of antennas according to the invention.
  • This antenna 40 is for example made in micro-planar or co-planar technology. It is the object of a double-sided printed circuit: in thin lines in FIG. 10, the printed circuit on the rear face and in strong lines, the printed circuit on the front face.
  • the antenna 40 On the rear face, the antenna 40 consists of two radiating strands 41 and 42 respectively connected via coupling lines 43 and 44 to a ground plane 45. On the front face, it consists of a power supply line U-shaped main 46, with a strand 47 just above the feed line 43 and a strand 48 just above the feed line 44. The feeding of the radiating strands 41 and 42 is by coupling between the main supply line 46 and the coupling lines 43 and 44. The antenna 40 is supplied at the end of the main power supply line 46 at point 49.
  • FIG. 11 a group of antennas made on the same circuit board 400 double-sided.
  • This group of antennas consists of three antennas 401, 402 and 403 which are of the dipole type identical to that of FIG. 6.
  • the feed point 491, 492 and 493 of each antenna is connected to a common supply point 495 via a line 101, 102, 103.
  • each ground plane 451, 452, 453 is connected to a common ground plane 455 via a ground line 201, 202, 203.
  • the common supply point 495 and the common ground plane 455 constitute the power divider of the considered antenna group. It is powered by lines 410 and 420.

Landscapes

  • Variable-Direction Aerials And Aerial Arrays (AREA)
  • Details Of Aerials (AREA)
  • Support Of Aerials (AREA)

Abstract

La présente invention concerne un système d'antennes destiné à être monté sur ou au-dessus d'un objet tout en protégeant ledit objet des rayonnements desdites antennes. Selon la présente invention, il est constitué d'au moins un groupe (21, 22; 100) d'au moins deux antennes, les antennes (221, 222, 223; 111, 112, 113) étant positionnées l'une par rapport à une autre de manière que leurs lobes d'émission tournésvers l'espace E où se trouve ledit objet se chevauchent, lesdites antennes étant alimentées de manière que les champs électromagnétiques respectivement émis dans lesdits lobes d'émission tournés vers ledit espace E interfèrent les uns avec les autres et de manière que l'énergie du champ électromagnétique résultant de ces interférences soit diminuée dans ledit espace E comparée à ce qu'elle serait sans interférence.

Description

Système d'antennes destiné à être monté sur ou au-dessus d'un objet tout en protégeant ledit objet des rayonnements desdites antennes
La présente invention concerne un système d'antennes destiné à être monté sur ou au-dessus d'un objet tout en protégeant ledit objet des rayonnements desdites antennes.
La présente invention trouve application à chaque fois que des antennes sont requises pour transmettre des signaux et que ces antennes, du fait soit de contraintes dues à l'utilisation particulière envisagée, soit de contraintes d'implémentation des dispositifs sur lesquels elles sont montées, sont montées sur ou au-dessus d'un objet qui doit par ailleurs être protégé des champs électromagnétiques émis par lesdites antennes.
Dans la présente description, le terme "objet" est pris en son sens le plus large et concerne donc tout objet matériel, vivant, etc.
Ainsi, l'objet en question peut être un dispositif, par exemple roulant, volant ou navigant, qui comporte, d'une part, des moyens de télécommunication pour transmettre des signaux au moyen d'une ou plusieurs antennes et, d'autre part, des circuits, par exemple, électroniques, qui sont par ailleurs sensibles aux champs électromagnétiques et qui doivent être protégés de ceux émis par lesdites antennes.
L'objet, dans le sens qui est donné ici dans la présente description, peut également être un être vivant, tel qu'un humain. Ainsi, dans certains corps de métier où les personnes agissent à plusieurs sur un terrain d'opération, il est souvent nécessaire que celles-ci puissent communiquer entre elles ou avec un opérateur centralisé pour transmettre des informations, des données, des images, etc. C'est par exemple le cas pour des pompiers, des personnes engagées dans des opérations de sauvetage suite à des catastrophes naturelles, des tremblements de terre, ou encore des militaires en opération.
Pour ce faire, il est connu de munir chaque personne concernée d'un émetteur/récepteur relié à un système d'antennes que porte ladite personne pour émettre et recevoir des signaux radio fréquences RF vecteurs des informations, données, images, etc. à transmettre. Ce système d'antennes est constitué d'une pluralité d'antennes, par exemple elles-mêmes constituées d'éléments rayonnants conformés au corps de la personne. Ces éléments rayonnants peuvent être intégrés au vêtement de la personne, par exemple en y étant imprimés. Ils peuvent également être de simples éléments dans un matériau souple, posés et fixés par exemple par collage, couture, etc. sur le vêtement porté par la personne. En multipliant ces éléments rayonnants, les zones d'ombre, c'est-à-dire les zones de non réception ou de non émission, sont évitées car, au moins un des éléments rayonnants peut assurer la communication. De plus, en les positionnant de manière que leurs lobes de rayonnement se chevauchent mutuellement, la qualité de rémission/réception reste correcte même si un ou plusieurs éléments rayonnants sont dans des zones d'ombre.
On pourra se reporter au document de brevet WO2011/095796 qui décrit un tel système d'antennes pour des personnes pourvues d'un émetteur/récepteur.
Dans les applications ainsi envisagées de l'invention, il est nécessaire de contrôler la distribution spatiale du champ électromagnétique rayonné par la ou les antennes utilisées, notamment pour respecter des niveaux d'émission de champ radiofréquence minimaux, tels qu'un débit d'absorption spécifique, DAS, (en anglais : Spécifie Absorption Rate, SAR) ou un niveau CEM (Champ électromagnétique) imposés par les normes en vigueur.
Deux solutions sont alors généralement considérées pour ce faire. La première consiste à positionner la ou les antennes assez loin de l'objet pour maintenir un niveau d'énergie absorbée non dommageable. Néanmoins, cela se traduit par des structures très encombrantes et un manque d'ergonomie pénalisant.
Une seconde approche consiste à prévoir une protection de l'objet généralement sous la forme d'un plan métallique, de surface à haute impédance ou encore de couches de matériaux absorbants. Cette solution se traduit par une complexité de mise en œuvre et également par un manque d'ergonomie.
Le but de la présente invention est de proposer un système d'antennes qui résolve les problèmes évoqués ci-dessus.
Pour ce faire, la présente invention concerne un système d'antennes destiné à être monté sur ou au-dessus d'un objet tout en protégeant ledit objet des rayonnements desdites antennes. Il est caractérisé en ce qu'il est constitué d'au moins un groupe d'au moins deux antennes, les antennes étant positionnées l'une par rapport à une autre de manière que leurs lobes d'émission tournés vers l'espace où se trouve ledit objet se chevauchent, lesdites antennes étant alimentées de manière que les champs électromagnétiques respectivement émis dans lesdits lobes d'émission tournés vers ledit espace interfèrent les uns avec les autres et de manière que l'énergie du champ électromagnétique résultant de ces interférences soit diminuée dans ledit espace comparée à ce qu'elle serait sans interférence.
Selon une caractéristique avantageuse de la présente invention, lesdites antennes d'un groupe d'antennes sont planes mais non-coplanaires.
Selon une autre caractéristique avantageuse, dans le cadre d'une application dans laquelle ledit système est destiné à être porté par un homme constituant ledit objet, un groupe d'antennes est constitué d'au moins deux antennes dont une dite de poitrine destinée à être positionnée à proximité de la poitrine dudit homme, une dite d'omoplate destinée à être positionnée à proximité d'une omoplate dudit homme et une dite d'extrémité destinée à être positionnée à proximité de la partie haute du bras dudit homme.
Selon une autre caractéristique avantageuse, ledit ou chaque groupe d'antennes est imprimé sur un substrat constitué d'un tissu, d'un tricot, d'un non-tissé ou d'un film constitutif d'un vêtement destiné à être porté par ledit homme.
Selon une autre caractéristique avantageuse, il comporte plusieurs groupes d'antennes alimentés en signaux RF via un diviseur de puissance. Selon une autre caractéristique avantageuse, au moins un groupe d'antennes est alimenté via un déphaseur commandé par un signal de commande afin que la phase du signal d'alimentation dudit groupe d'antennes soit continûment variable dans le temps.
Selon une autre caractéristique avantageuse, plusieurs groupes d'antennes sont alimentés en signaux RF via un commutateur commandé par un signal de commande afin de sélectionner lesdits groupes d'antennes consécutivement l'un après un autre.
Selon une autre caractéristique avantageuse, chaque groupe d'antennes comporte un diviseur de puissance prévu pour recevoir le signal RF et alimenter chaque antenne dudit groupe d'antennes.
Selon une autre caractéristique avantageuse, ledit ou chaque groupe d'antennes est imprimé sur un substrat souple, incluant éventuellement ledit diviseur de puissance. Ledit substrat souple est par exemple constitué d'un tissu, d'un tricot, d'un non-tissé ou d'un film. Ce substrat peut être constitutif d'un vêtement destiné à être porté par un homme.
Selon une autre caractéristique avantageuse, lesdites antennes sont du type monopôle en configuration planaire, ou du type dipôle.
Les caractéristiques mentionnées ci-dessus, ainsi que d'autres, apparaîtront plus clairement à la lecture de la description suivante d'exemples de réalisation, ladite description étant faite en relation avec les dessins joints, parmi lesquels :
La Fig. 1 est une vue de dessus d'un homme portant un système d'antennes selon un mode de réalisation particulier de l'invention,
La Fig. 2 est une vue d'un groupe d'antennes d'un système d'antennes selon l'invention telle que représentée à la Fig. 1,
La Fig. 3 est une vue d'un groupe d'antennes selon la présente invention qui se trouve au-dessus d'un émetteur/récepteur et d'un appareil électronique,
La Fig. 4 est une vue d'un groupe de trois antennes illustrant le principe général de la présente invention,
La Fig. 5 est un schéma synoptique d'un circuit d'alimentation des antennes d'un groupe d'antennes d'un système d'antennes selon la présente invention,
Les Figs. 6a à 6c sont des schémas synoptiques de circuits d'alimentation de groupes d'antennes selon différents modes de réalisation de la présente invention,
La Fig. 7 est une vue d'une antenne élémentaire de type monopôle selon un premier mode de réalisation d'un système d'antennes selon la présente invention, La Fig. 8 est un diagramme montrant le coefficient de réflexion SU en dB en fonction de la fréquence entre 1 et 3 GHz d'un système d'antennes selon l'invention, dans la configuration des Figs. 1 à 3 précédentes,
La Fig. 9 est un diagramme de rayonnement d'une antenne d'un système d'antennes selon l'invention, dans la configuration des Figs. 1 à 3 précédentes,
La Fig. 10 est une vue d'une antenne élémentaire de type dipôle selon un second mode de réalisation d'un système d'antennes selon la présente invention, et
La Fig. 11 montre un exemple de réalisation d'un groupe d'antennes selon la présente invention.
Un système d'antennes selon la présente invention est constitué d'au moins un groupe d'antennes qui, du fait de son utilisation, est destiné à être placé sur ou au- dessus d'un objet qu'il faut par ailleurs protéger des champs électromagnétiques. Ces champs électromagnétiques qui sont respectivement rayonnés par ces antennes interfèrent entre eux, créant des minima de champ en des endroits particuliers. Le principe de la présente invention est de contrôler ces endroits, d'une part, par le positionnement relatif de chaque antenne du ou de chaque groupe par rapport aux autres dudit groupe et, d'autre part, par l'alimentation de chaque antenne relativement en phase et en amplitude par rapport aux autres. Ce contrôle est réalisé de manière que le ou les minima de champ électromagnétique se trouvent là où l'objet à protéger est situé.
Le contrôle de la position de ces minima de champ électromagnétique est fait, par exemple une fois pour toutes, par optimisation au moyen d'outils de simulation électromagnétique, prenant en compte les couplages entre antennes. Ce processus d'optimisation permet de trouver la position relative des antennes considérées et la phase et l'amplitude d'alimentation de chaque antenne relativement aux autres antennes et, ce, en fonction des positions souhaitées des minima.
On va maintenant décrire en relation avec les Figs. 1 et 2 un mode particulier de réalisation de la présente invention, dans une application où le système d'antennes en question est porté par un homme.
La Fig. 1 représente donc un homme 10 vu de dessus avec ses épaules 11 et 12 et sa tête 13. Sur l'épaule 11, se trouve un premier groupe d'antennes 21 et, sur l'épaule 12, se trouve un second groupe d'antennes 22.
A la Fig. 2, on retrouve l'épaule 12 et des antennes 221 à 223, formant le groupe d'antennes 22. Ce groupe d'antennes 22 est donc constitué de trois antennes, l'une 223 dite de poitrine positionnée à proximité de la poitrine dudit homme, une autre 221 dite d'omoplate positionnée à proximité d'une omoplate dudit homme, une autre 222 dite d'extrémité positionnée à proximité de la partie haute du bras dudit homme. Chaque antenne 221, 222, 223 est placée près de l'épaule 12 à une distance x du corps telle que ses performances soient correctes (trop près du corps, les antennes pourraient être désaccordées et ainsi être perturbées dans leurs fonctionnements). La distance entre l'antenne d'extrémité 222 en bout d'épaule et un axe passant par les deux autres antennes 221 et 223 est d, nécessairement supérieure à la distance x. La distance entre l'antenne 223 de poitrine et l'antenne 221 d'omoplate est D.
On notera que les antennes 221, 222 et 223 ne sont pas coplanaires et qu'elles ménagent entre elles un espace à l'intérieur duquel se trouve l'objet à protéger, en l'occurrence l'épaule de l'homme 10.
Selon l'invention, les antennes 221, 222, 223 du ou de chaque groupe d'antennes 21, 22 sont positionnées géométriquement les unes par rapport aux autres et par rapport au corps dudit homme et/ou sont alimentées décalées en phase et/ou en amplitude les unes par rapport aux autres de manière que les champs électromagnétiques respectivement émis par lesdites antennes interfèrent les uns avec les autres si bien que l'énergie du champ électromagnétique résultant de ces interférences soit diminuée dans la région où se trouve le corps dudit homme comparée à ce qu'elle serait sans interférence.
Par exemple, les antennes de poitrine 223 et d'omoplate 221 sont alimentées en phase l'une par rapport à l'autre alors que l'antenne d'extrémité 222 est alimentée déphasée d'un angle φ (dont la valeur dépend du positionnement de l'antenne d'extrémité 222 par rapport aux deux autres antennes du même groupe) par rapport aux autres antennes 221 et 223. Les amplitudes d'alimentation sont par exemple identiques pour les trois antennes.
On va maintenant décrire en relation avec la Fig. 3 un mode particulier de réalisation de la présente invention, dans une application où le système d'antennes en question est au-dessus d'un appareil électronique.
Ainsi, à la Fig. 3, est représenté un émetteur/récepteur 100 auquel est relié le système d'antennes 110 ainsi qu'un appareil électronique 120, qui est par exemple sensible aux ondes électromagnétiques créant des perturbations dans son fonctionnement. Un exemple pourrait être un émetteur/récepteur radio travaillant sur une fréquence de 2GHz et un système GPS (Global Positionning System) travaillant sur une fréquence de 1,7 GHz, l'un et l'autre placés sur un même dispositif, par exemple un robot.
Le système d'antennes 110 est constitué ici d'un seul groupe comprenant une antenne 111, sur le côté gauche incliné par rapport à la verticale, une antenne 112 horizontale juste au-dessus de l'appareil électronique 120 et une antenne sur le côté droit également inclinée par rapport à la verticale.
On notera que les antennes 111, 112 et 113 ne sont pas coplanaires et qu'elles ménagent entre elles un espace à l'intérieur duquel se trouve l'objet à protéger, en l'appareil électronique 120.
Selon l'invention, les antennes 111, 112, 113 sont positionnées géométriquement les unes par rapport aux autres et par rapport à l'objet à protéger, ici l'appareil électronique 120, et/ou sont alimentées décalées en phase et/ou en amplitude les unes par rapport aux autres de manière que les champs électromagnétiques respectivement émis par lesdites antennes interfèrent les uns avec les autres si bien que l'énergie du champ électromagnétique résultant de ces interférences soit diminuée dans la région où se trouve ledit objet, c'est-à-dire l'appareil électronique 120 comparée à ce qu'elle serait sans interférence.
Par exemple, les antennes gauche 111 et droite 113 sont alimentées en phase l'une par rapport à l'autre alors que l'antenne horizontale 112 est alimentée déphasée d'un angle φ (dont la valeur dépend du positionnement de l'antenne horizontale 112 par rapport aux deux autres antennes 111 et 113) par rapport aux autres antennes 11 1 et 113. Les amplitudes d'alimentation sont par exemple identiques pour les trois antennes.
A la Fig. 4, on a représenté un groupe de 3 antennes 201, 202 et 203 non coplanaires. Elles forment entre elles un espace E à l'intérieur duquel l'amplitude des champs électromagnétiques rayonnés par les antennes 201 à 203 est contrôlée. Chacune de ces antennes 201, 202 et 203 rayonne par sa face avant 2010, 2020, 2030 (face opposée à celle qui est tournée vers l'espace E) mais également par sa face arrière 2011, 2021, 2031 (celle qui est tournée vers l'espace E). On a représenté les lobes d'émission 2012, 2022 et 2032 par leurs faces avant respectives et les lobes d'émission 2013, 2023 et 2033 par leurs faces arrière respectives. On constate que, du fait que les antennes 201 à 203 ne sont pas coplanaires, les ondes électromagnétiques respectivement émises par les antennes 201 à 203 par leurs faces arrière 2011, 2021 et 2031 interfèrent entre elles dans la zone E, si bien que l'énergie du champ électromagnétique résultant de ces interférences est diminuée dans l'espace E, selon la position relative des antennes et selon leurs alimentations respectives décalées en phase et/ou en amplitude les unes par rapport aux autres.
A la Fig. 5, on a représenté le circuit d'alimentation des antennes d'un groupe d'antennes (ici, à titre d'exemple, de trois antennes 201, 202 et 203. Ces antennes pourraient respectivement correspondre à une antenne de poitrine 223, une antenne d'omoplate 221 et une antenne d'extrémité 222, à l'instar de la Fig. 2 ou une antenne gauche inclinée 111, une antenne horizontale 112 et une antenne droite inclinée 113). Ce circuit comporte un diviseur de puissance 50 qui reçoit le signal radio fréquence RF sur son entrée et qui le délivre sur ses sorties (au nombre de trois, ici) à des lignes d'alimentation respectives 51, 52 et 53. Ces lignes 51 à 53 sont prévues pour respectivement alimenter les antennes 201 à 203 avec des phases respectives qui dépendent essentiellement des longueurs respectives de ces lignes 51 à 53.
Si le nombre d'antennes du groupe considéré était de n, le nombre de sorties du diviseur de puissance 50 et le nombre de lignes d'alimentation 51 à 5n seraient également de n.
En ce qui concerne l'alimentation de chaque groupe d'antennes (par exemple chaque groupe d'antennes 21, 22 de la Fig. 1), elle peut être réalisée en parallèle. Cela est illustré à la Fig. 6a où l'on voit que le signal radio fréquence RF est fourni à l'entrée d'un diviseur de puissance 5 qui le délivre à des lignes 3 et 4 d'alimentation respectives des groupes d'antennes 1 et 2 (qui pourraient respectivement correspondre aux groupes d'antennes 21 et 22 de la Fig. 1). Par exemple, les lignes d'alimentation 3 et 4 sont constituées de câbles RF (tels que des câbles coaxiaux).
Selon les caractéristiques du diviseur de puissance 5 et des lignes 3 et 4, les amplitudes et phases des signaux fournis aux groupes d'antennes peuvent être différentes ou au contraire identiques.
A la Fig. 6b, l'alimentation de chaque groupe d'antennes est également réalisée en parallèle à l'instar de la Fig. 6a, mais, dans le circuit de la ligne d'alimentation 4, est monté un déphaseur 6 prévu pour introduire au signal RF le traversant un déphasage d'un angle variable en fonction d'un signal de commande 7 appliqué sur une autre de ses entrées. Par exemple, le signal de commande 7 varie continûment et rapidement dans le temps.
A la Fig. 6c, l'alimentation de chaque groupe d'antennes est réalisée de façon commutée. Pour ce faire, le diviseur de puissance 5 des modes de réalisation des Figs. 6a et 6b est remplacé par un commutateur 8 qui dispose d'une entrée de commande pour un signal de commande 9 servant à la sélection du groupe d'antennes qui recevra le signal RF. Les groupes d'antennes 1 et 2 sont ainsi sélectionnés consécutivement l'un après un autre.
Si le nombre de groupes d'antennes considéré est de p, le nombre de sorties du diviseur de puissance 5 et le nombre de lignes d'alimentation 1 à p seraient également de p.
La présente invention fonctionne avec tout type d'antennes, notamment des antennes monopôle, des antennes dipôle, des antennes patch, etc.
On a représenté à la Fig. 7 un premier exemple de réalisation d'une antenne élémentaire 30 utilisée pour chaque antenne de chaque groupe. Elle est du type monopôle en configuration planaire. Elle comprend deux plans de masse 31 et 32, de forme rectangulaire, et un brin rayonnant 33 dont une partie est encadrée par chacun des deux plans de masse 31 et 32 et une autre partie fait saillie au delà des plans de masse 31 et 32 sur une longueur L. Une telle antenne est par exemple réalisée sur un substrat souple, ou sur un tissu, un tricot, un non-tissé ou un film, par exemple constitutif d'un vêtement destiné à être porté par ledit homme.
Dans un mode de réalisation de l'invention qui donne entière satisfaction, un substrat souple de polyimide a été utilisé. Sa permittivité diélectrique est de 3,6 et le coefficient de perte δ est donné par tan(ô) = 0,009. Pour une fréquence de rayonnement de l'ordre de 2,06 GHz, les dimensions des différents éléments de l'antenne sont les suivantes :
- petit côté du rectangle de chaque plan de masse 31 , 32 = c = 25 mm,
- grand côté du rectangle de chaque plan de masse 31, 32 = C = 28,29 mm, - longueur de la partie du brin 33 en saillie au dessus des plans de masse 31 , 32 = L = 31 ,79 mm,
- largeur du brin 33 = w = 3,2 mm,
- largeur de l'espace entre le brin 33 et chaque plan de masse 31, 32 = g = 115 μΏΐ,
- épaisseur des couches conductrices entre 1 et 10 μιη.
On a réalisé avec une telle antenne un système d'antennes tel que celui qui fait l'objet des Figs. 1 et 2, c'est-à-dire un système d'antennes constitué de deux groupes de trois antennes. Plus précisément, la distance entre chaque antenne 221, 222 et 223 et le corps est de 2 cm, l'espacement entre les deux antennes de poitrine 223 et d'omoplate 221 est D = 14,5 cm, la distance entre l'antenne d'extrémité 222 et une ligne passe entre les deux autres antennes 221 et 223 est d = 3,6 cm.
Les antennes de poitrine 223 et d'omoplate 221 sont alimentées en phase alors que l'antenne d'extrémité 222 est alimentée de manière déphasée d'un angle φ = 210° par rapport aux autres antennes 221 et 223.
Concernant un tel système d'antennes, on a effectué des simulations pour déterminer le débit DAS et on a obtenu les résultats suivants.
Pour un groupe d'antennes alimenté à la fois, le débit DAS localisé sur 10g de tissu pour une puissance électromagnétique crête injectée de 1 Watt = 1,24 W/kg. C'est bien inférieur à la valeur maximale autorisée, soit 2W/kg.
Le débit DAS moyen pour la même puissance électromagnétique injectée de 1 Watt est égal à 0,022 W/kg, ce qui est bien inférieur à la valeur autorisée de 0,08 W/kg.
Pour deux groupes d'antennes alimentés simultanément, le débit DAS localisé sur 10g de tissu pour une puissance électromagnétique injectée de 1 Watt est de 0,62 W/kg. C'est bien inférieur à la valeur maximale autorisée, soit 2W/kg. Le débit DAS moyen pour la même puissance électromagnétique injectée de 1 Watt est aussi de 0,022 W/kg bien inférieur à la valeur autorisée qui est 0,08 W/kg.
Le diagramme de la Fig. 8 montre le coefficient de réflexion SU en dB en fonction de la fréquence entre 1 et 3 GHz. Quant à la Fig. 9, elle montre le diagramme de rayonnement aussi bien dans le plan azimutal (trait noir) que dans le plan de site (double trait noir).
On a représenté à la Fig. 10, une antenne dipôle 40 qui peut être utilisée en tant qu'antenne élémentaire d'un groupe d'antennes selon l'invention. Cette antenne 40 est par exemple réalisée en technologie micro-planaire ou co-planaire. Elle est l'objet d'un circuit imprimé double face : en traits fins sur la Fig. 10, le circuit imprimé sur la face arrière et en traits forts, le circuit imprimé sur la face avant.
Sur la face arrière, l'antenne 40 est constituée de deux brins rayonnants 41 et 42 respectivement reliés via des lignes de couplage 43 et 44 à un plan de masse 45. Sur la face avant, elle est constituée d'une ligne d'alimentation principale 46 en forme de U, avec un brin 47 juste au-dessus de la ligne d'alimentation 43 et un brin 48 juste au- dessus de la ligne d'alimentation 44. L'alimentation des brins rayonnants 41 et 42 se fait par couplage entre la ligne d'alimentation principale 46 et les lignes de couplage 43 et 44. L'alimentation de l'antenne 40 est faite à l'extrémité de la ligne d'alimentation principale 46 au point 49.
A titre d'exemple, on a représenté à la Fig. 11, un groupe d'antennes réalisé sur un même circuit imprimé 400 à double face. Ce groupe d'antennes est constitué de trois antennes 401, 402 et 403 qui sont du type dipôle identique à celui de la Fig. 6. Le point d'alimentation 491, 492 et 493 de chaque antenne est relié à un point commun d'alimentation 495 via une ligne 101, 102, 103. De même, chaque plan de masse 451, 452, 453 est relié à un plan de masse commun 455 via une ligne de masse 201, 202, 203. Le point commun d'alimentation 495 et le plan de masse commun 455 constituent le diviseur de puissance du groupe d'antennes considéré. Il est alimenté par les lignes 410 et 420.

Claims

REVENDICATIONS
1) Système d'antennes destiné à être monté sur ou au-dessus d'un objet tout en protégeant ledit objet des rayonnements desdites antennes, ledit système d'antennes étant constitué d'au moins un groupe (21, 22; 100) d'au moins deux antennes, caractérisé en ce que les antennes (221, 222, 223 ; 111, 112, 113) de chaque groupe étant positionnées l'une par rapport à une autre de manière que leurs lobes d'émission tournés vers l'espace E où se trouve ledit objet se chevauchent et en ce que chaque groupe dudit système d'antennes comporte un circuit d'alimentation (5, 50, 8) prévu pour alimenter décalées en phase et/ou en amplitude lesdites antennes dudit groupe les unes par rapport aux autres de manière que, d'une part, les champs électromagnétiques respectivement émis dans lesdits lobes d'émission tournés vers ledit espace E interfèrent les uns avec les autres et, d'autre part, que l'énergie du champ électromagnétique résultant de ces interférences soit diminuée dans ledit espace E comparée à ce qu'elle serait sans interférence.
2) Système d'antennes selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdites antennes d'un groupe d'antennes sont planes mais non-coplanaires. 3) Système d'antennes selon la revendication 1 ou 2, ledit système étant destiné à être porté par un homme constituant ledit objet, caractérisé en ce qu'un groupe d'antennes (21, 22) est constitué d'au moins trois antennes (221, 222, 223) : l'une (223) dite de poitrine destinée à être positionnée à proximité de la poitrine dudit homme, une autre (221) dite d'omoplate destinée à être positionnée à proximité d'une omoplate dudit homme, une autre (222) dite d'extrémité destinée à être positionnée à proximité de la partie haute du bras dudit homme.
4) Système d'antennes selon la revendication 3, caractérisé en ce que ledit ou chaque groupe d'antennes est imprimé sur un substrat constitué d'un tissu, d'un tricot, d'un non-tissé ou d'un film constitutif d'un vêtement destiné à être porté par ledit homme. 5) Système d'antennes selon une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte plusieurs groupes d'antennes (21, 22) alimentés en signaux RF via un diviseur de puissance (5). 6) Système d'antennes selon la revendication 5, caractérisé en ce qu'au moins un groupe d'antennes est alimenté via un déphaseur (6) commandé par un signal de commande (7) afin que la phase du signal d'alimentation dudit groupe d'antennes soit continûment variable dans le temps. 7) Système d'antennes selon une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que plusieurs groupes d'antennes (21, 22) sont alimentés en signaux RF via un commutateur (8) commandé par un signal de commande (9) afin de sélectionner lesdits groupes d'antennes (21, 22) consécutivement l'un après un autre. 8) Système d'antennes selon une des revendications précédentes, caractérisé en ce que chaque groupe d'antennes (21 , 22, 1 10) comporte un diviseur de puissance (50) prévu pour recevoir le signal RF et alimenter chaque antenne (201, 202, 203) dudit groupe d'antenne (21, 22, 1 10). 9) Système d'antennes selon une des revendications précédentes, caractérisé en ce que ledit ou chaque groupe d'antennes est imprimé sur un substrat souple, incluant éventuellement ledit diviseur de puissance.
10) Système d'antennes selon la revendication 9, caractérisé en ce que ledit substrat souple est constitué d'un tissu, d'un tricot, d'un non-tissé ou d'un film.
11) Système d'antennes selon la revendication 10, caractérisé en ce que ledit substrat est constitutif d'un vêtement destiné à être porté par un homme. 12) Système d'antennes selon une des revendications précédentes, caractérisé en que lesdites antennes sont du type monopôle en configuration planaire.
13) Système d'antennes selon une des revendications 1 à 11, caractérisé en ce que lesdites antennes sont du type dipôle.
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