SYSTEME D'ANTENNE POLYVALENT

La présente invention concerne un système d'antenne destiné à être utilisé dans une liaison sans fil, plus particulièrement en milieu domestique pour la transmission vidéo haut débit. De tels systèmes doivent présenter des topologies intégrant de la diversité.

De telles situations se rencontrent dans le domaine de la télévision numérique où il s'agit de relier, par exemple, à l'aide d'une liaison sans fil, un écran et une boite de traitement de contenus vidéo (« Front End Box » en langue anglaise) .

Il s'agit ainsi d' implémenter une liaison sans fil dans deux équipements présentant des géométries et des orientations différentes mais faisant partie d'un même produit. Les contraintes d'intégration d'un dispositif rayonnant sont largement dictées par la géométrie et l'agencement de l'équipement : cela conditionne le choix du type d'antennes. Or comme de telles antennes sont polarisées, deux configurations d'utilisation différentes, par exemple, sur deux équipements d'un même produit, induisent le plus souvent l'usage de deux structures de dispositifs rayonnants différents . Cela génère des coûts de développement et de production car des dispositifs distincts doivent être mis au point .

La présente invention propose un type de système d'antenne pouvant être utilisé selon diverses configurations géométriques de manière à ce que les systèmes intégrés dans deux équipements présentant des contraintes géométriques différentes puissent être identiques .

La présente invention concerne un système d' antenne pour liaison sans fils fonctionnant en émission et en réception comportant au moins deux éléments rayonnants avec un premier élément rayonnant fonctionnant en réception (Rx) selon une première direction de polarisation et un second élément rayonnant fonctionnant en transmission (Tx) selon une seconde direction de polarisation. Dans ce cas, les premier et second

éléments rayonnants sont positionnés l'un à côté de l'autre pour qu'un premier système d'antenne fonctionne avec un second système d'antenne identique, orienté parallèlement ou à 90° par rapport au premier système d'antenne. En permettant de conserver les directions de polarisation utilisées en réception et en émission dans deux configurations géométriques distinctes d'un même système d'antenne, l'invention autorise à utiliser le même système dans des équipements aux contraintes géométriques distinctes . Cela limite les coûts de développement et de production puisqu'une seule structure est nécessaire.

Selon une réalisation, les éléments rayonnants sont réalisés sur un premier substrat rigide comportant une couche en matériau flexible se prolongeant au-delà de la partie recevant les éléments rayonnants, la couche en matériau flexible comportant à son autre extrémité un second substrat rigide .

Un tel système peut être intégré dans deux équipements à contraintes géométriques distinctes sans avoir à apporter de modification à la structure même du système d' antenne .

Dans une réalisation, la couche de matériau flexible constitue une couche interne des substrats rigides .

Dans une réalisation, trois éléments rayonnants distincts sont utilisés, un en transmission et deux en réception.

Cette réalisation résout un problème bien connu des liaisons sans fil en milieu domestique (liaisons intra- bâtiment ou « indoor ») qui souffrent de dégradations du canal de propagation liées aux phénomènes de trajets multiples ou multitrajets qui sont occasionnés par les réflexions du signal sur les obstacles (murs, meubles...) . On observe de plus que ce canal peut varier avec le temps en fonction des mouvements des personnes dans la maison par exemple. Des fluctuations sur le niveau de signal reçu ont alors lieu en fonction des combinaisons constructive ou destructrice des trajets. Pour

pallier à ce problème, il est connu de l'homme de l'art d'utiliser deux antennes de réception de manière à intégrer une diversité spatiale, de polarisation ou de rayonnement à la réception . Selon une première réalisation, les éléments rayonnants présentent un rayonnement dans le plan du premier substrat rigide sur lequel ils sont intégrés, les éléments rayonnants étant réalisés en technologie circuit imprimé, par exemple de type fente, Vivaldi, dipôle imprimé, Yagi imprimé. Selon une seconde réalisation, les éléments rayonnants présentent un rayonnement dans un plan perpendiculaire au plan du premier substrat rigide sur lequel ils sont intégrés, les éléments rayonnants pouvant être réalisés selon une technologie choisie parmi les technologies circuit imprimé, diélectrique, céramique, métal 3D.

Dans une caractéristique de l'invention, lorsque les première et seconde directions de polarisation sont perpendiculaires, le second système d'antennes est orienté à 90° par rapport au premier système d'antenne. Une telle topologie d'antenne peut être intégrée aisément dans un équipement. L' orthogonalité de la polarisation entre l'émission et la réception est utilisée de manière à pouvoir appairer cette solution d' antenne sur des équipements présentant des orientations différentes (typiquement horizontal : Front End Box) et vertical (écran plasma) . En effet pour les liens haut débit qui nous intéressent, la liaison entre les deux équipements est le plus souvent en vue directe. Ce qui veut dire que le lien est optimal si la polarisation de l'antenne d'émission du premier équipement est identique à celle de l'antenne de réception du second équipement et réciproquement.

Selon un mode de réalisation, les éléments rayonnants sont ici choisis parmi les guides d'ondes, les patch micro ruban, les dipôles, les fentes rayonnantes, les guides d'ondes pouvant être réalisés à partir de tôle étamée

emboutie ou d'un moulage plastique avec des inserts métalliques et pouvant aussi être carrés.

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

Fig. la et Ib représentent schématiquement un dispositif rayonnant selon un mode de réalisation de l'invention dans deux configurations géométriques distinctes.

Fig. 2 montre deux courbes représentant le coefficient de réflexion du dispositif rayonnant dans les deux configurations des figures la et Ib. Fig. 3 montre deux courbes représentant les pertes d' insertion obtenues avec le dispositif rayonnant dans les deux configurations des figures la et Ib.

Fig. 4a et 4b représentent schématiquement des liaisons sans fil réalisées à l'aide de dispositifs rayonnants selon la réalisation de la figure 1, respectivement pour des dispositifs comprenant des éléments rayonnants à rayonnement longitudinal et transverse.

Fig. 5 représente schématiquement un dispositif rayonnant selon une autre réalisation de l'invention. Fig. 6 représente les diagrammes de rayonnement 3D et 2D obtenu dans chacun des guides d' ondes du dispositif rayonnant de la figure 5.

Fig. 7 est un schéma d'un dispositif rayonnant selon la réalisation de la figure 5 et blindé. Fig. 8 représente schématiquement une liaison sans fil réalisée à l'aide de dispositifs rayonnants selon la réalisation de la figure 5.

Sur la figure 1 est représenté un système d'antenne

10 selon un mode de réalisation de l'invention. Le système 10 inclut trois éléments rayonnants (RxI, Rx2, Tx) intégrés sur un premier substrat rigide 11 et un circuit de commande de ces

éléments rayonnants intégré sur un second substrat rigide 12. Le circuit de commande inclut classiquement des fonctions hyperfréquences et bande de base et des fonctions numériques . Le système 10 inclut une couche de matériau flexible 13 entre les deux substrats plans rigides 11 et 12. Une ou plusieurs lignes microruban 14 sont intégrées sur cette portion flexible 13 de manière à réaliser les connexions entre les substrats rigides 11 et 12. La portion flexible 13 permet de modifier la configuration géométrique du dispositif 10 par pliage de la couche flexible 13 tout en conservant une position constante pour le substrat rigide 11 sur lequel sont intégrés les éléments rayonnants. Les substrats rigides 11 et 12 sont avantageusement plans et peuvent présenter des moyens de fixation tels des clips, ou encore des rainures. Les couches de matériau rigide sont par exemple réalisées dans des matériaux bas coût tel les matériaux de type FR4. La ou les couches de matériau flexible peuvent être réalisée en matériau de type Kapton et constituer également les couches internes des substrats rigides 11 et 12. Cette dernière caractéristique permet d'éviter les discontinuités de lignes entre les fonctions assurées sur chacun des substrats rigides 11 et 12. D'autres matériaux flexibles, comme des matières plastiques telles que les Polyethylene Terephtalate

(PET) ou les Polybutylene Terephtalate (PBT) ou les polyesters dérivés du type Thermoplastic Elastomer (TPE) , sont également compatibles avec un usage dans un dispositif selon 1' invention.

L'utilisation du matériau flexible offre une grande souplesse dans l'utilisation et le placement du système d'antenne 10 en conservant les directions de polarisations qui conviennent à une liaison sans fil donnée.

Le fonctionnement obtenu dans les deux configurations proposées sur la figure 1 a été simulé à l'aide du logiciel de modélisation électromagnétique 3D HFSS (Ansoft) . Pour cela, le matériau rigide choisi est de type FR4 (Er=4,4 ; tan delta=0,023 ; h=0,54 mm), le matériau flexible

est de type Kapton (Er=3,5 ; tan delta=0,009 ; h=0,075 rtim) . Une ligne microruban d' impédance caractéristique 50 ohms a été simulée . La largeur de la ligne microruban 50 ohms est égale à 0,14 mm au niveau des substrats rigides des parties circuit et éléments rayonnants et à 0,185 mm au niveau du matériau flexible seul.

Les résultats obtenus en terme d'adaptation et de pertes d' insertion sont représentés sur les figures 2 et 3. La courbe 2a représente le coefficient de réflexion observé pour le système resté plan de la figure la et la courbe 2b représente le coefficient de réflexion observé pour le système plié de la figure Ib. La courbe 3a représente les pertes d' insertion observées pour le dispositif resté plan de la figure la et la courbe 3b représente les pertes d ^λ insertion observées pour le dispositif plié de la figure Ib. On vérifie ainsi que, dans le domaine de fréquence où le système d'antenne de la présente invention est appelé à fonctionner, la contrainte mécanique imposée au substrat flexible ne dégrade pas l'adaptation ni les pertes d'insertion. En effet le coefficient de réflexion est très faible dans les deux cas (<-25dB) ce qui signifie que la quasi totalité de l'énergie injectée à une extrémité de la ligne est effectivement transmise à l'autre extrémité. De la même manière, on note que les pertes d' insertion sont très faibles (<0.3dB) dans les deux configurations de ligne, ce qui signifie que peu d'énergie est dissipée le long de cette ligne.

Les figures 4a et 4b représentent deux exemples d'utilisation d'une connexion sans fil réalisée entre un écran plasma 41 pour afficher des vidéos et une boite de traitement de contenu vidéo 42 (Front End Box en anglais) à l'aide d'une paire de systèmes d'antenne 10 selon l'invention. Le traitement de contenu vidéo est varié et va de la réception numérique d'émissions venant d'un décodeur câble ou satellite ou même d'un serveur. La boite de traitement peut être éloignée de l'écran et se situer soit dans la même pièce, soit dans une pièce voisine. Une liaison sans fil est donc

particulièrement adaptée à une telle application. Par nature, l'écran plasma est très plat, fixé à un mur ou posé sur un socle en position verticale alors que la boite de traitement de contenus vidéo est de forme parallélépipédique et utilisée en position horizontale. Les caractéristiques des écrans plasma et celles des boites de traitement de contenu vidéo sont donc telles que leurs dimensions géométriques s'étendent dans des dimensions perpendiculaires . Comme il est préférable que la mise en place d'un système d'antenne nécessaire à la mise en œuvre de la liaison sans fil n'implique pas d'augmenter les dimensions de ces deux éléments techniques, l'invention trouve ici une application.

Sur la figure 4a, trois éléments rayonnants distincts sont intégrés : un en transmission Tx et deux en réception RxI et Rx2, les flèches représentant les orientations des polarisations linéaires utilisées . L' utilisation de deux éléments rayonnants en réception permet d'obtenir un schéma de diversité d'ordre 2 en réception. L' onde émise par les trois éléments rayonnants présente une polarisation linéaire horizontale et un rayonnement longitudinal, c'est-à-dire dans le plan du substrat, ainsi que représenté par les diagrammes de rayonnement 44 et 45 schématiquement portés sur la figure. Dans un tel cas, le système d'antennes, ainsi que représenté sur la figure la, peut être placé horizontalement sur la boite de traitement de contenu vidéo sans contrainte de pliage. Du coté de l'écran, un système d' antennes identique doit en revanche étendre ses dimensions dans le sens vertical étant donné la faible épaisseur de l'écran. Un système identique est alors placé verticalement, mais afin d'assurer la compatibilité en terme de rayonnement et de polarisation, ce positionnement nécessite de couder le système de manière à ramener le substrat rigide intégrant les éléments rayonnants à l'horizontale, ainsi que représenté sur la figure Ib. La place disponible pour placer un tel dispositif est par exemple, trouvée au niveau du haut-

parleur 43. Alors les directions de polarisation sont compatibles en émission et réception.

Les éléments rayonnants présentant un rayonnement longitudinal sont avantageusement réalisés en technologie imprimée et correspondent par exemple à des structures de type Vivaldi, dipôle imprimé, Yagi imprimé...

Sur la figure 4b, est représenté un autre exemple dans lequel sont mis en œuvre des éléments rayonnants à rayonnement transversal, c'est-à-dire dans le plan perpendiculaire au substrat, ainsi que représenté par les diagrammes de rayonnement 44 et 45 schématiquement portés sur la figure 4b. La configuration de la liaison sans fil change alors. Le système nécessitant un pliage est alors disposé sur la boite de traitement de contenu vidéo et un autre système est placé verticalement à plat sur l'écran.

Les éléments rayonnants présentant un rayonnement transversal peuvent être réalisés en technologie imprimée (patch, Annular Slot Antenna...) , diélectrique ou céramique (DRA : Dielectric Resonator Antenna...) , Métal 3D (PIFA : Planar Inverted F Antenna, guides d'ondes...) .

Sur la figure 5 est représenté un système d' antennes 10 selon un autre mode de réalisation de l'invention. Dans ce mode de réalisation le système comprend au moins deux éléments rayonnants, un en réception Rx et un en transmission Tx ayant des directions de polarisation orientées à 90° l'une de l'autre. Sur la figure 5, trois éléments rayonnants sont représentés, deux en réception RxI et Rx2 et un en transmission Tx. On obtient ainsi un schéma de diversité d'ordre 2 en réception. L'onde émise par l'élément rayonnant Tx possède une polarisation perpendiculaire à l'onde reçue par les éléments rayonnants Rx. Ainsi, il est possible de réaliser une liaison sans fil entre de tels systèmes en tournant l'un des systèmes de 90° par rapport à l'autre. Cela permet d'utiliser le même système dans des objets de géométrie variée tout en respectant l'orientation des polarisations en réception et en émission.

Sur la figure 5, les éléments rayonnants sont représentés en technologie guides d' ondes ouverts . Une telle structure peut être réalisée en tôle étamée emboutie, en moulage ou en surmoulage plastique avec des inserts métalliques réalisés en tôle pliée par exemple. Le moulage peut avantageusement être réalisé en même temps que les boîtiers d' écran et/ou de boîte de traitement de contenu vidéo. Ils peuvent cependant être réalisés à l'aide de diverses technologies comme la technologie imprimée (patch, dipôles, fentes rayonnantes...) , la technologie filaire... Plusieurs de ces technologies peuvent aussi être utilisées dans un même dispositif : par exemple, des guides d'onde rectangulaires en réception et un dipôle en transmission. Il est aussi possible d'utiliser des guides d'onde carrés au lieu de guides d'onde rectangulaires pour ajouter un schéma de diversité de polarisation.

Un système ainsi que représenté sur la figure 5 a été simulé à l'aide du logiciel HFSS de la société Ansoft, basé sur la méthode des éléments finis. Il comporte trois guides d'ondes ouverts rectangulaires identiques de dimensions a=18 mm, b=36 mm, h=40 mm disposés les uns à côté de autres. La distance entre chaque guide est de d=13 mm. L'encombrement total est alors de 98 mm x 36 mm x 40 mm. Cela est compatible avec nombre d'applications où des liaisons sans fil sont utiles.

Les diagrammes de rayonnement obtenus pour un fonctionnement à 5500 MHz sont présentés sur la figure 6. Ils sont conformes à ceux obtenus pour un guide d' ondes ouvert pris isolément, avec une légère déformation des diagrammes de rayonnement du guide RxI due à la présence du second guide Rx2 et réciproquement.

Ainsi que représenté sur la figure 7, il est possible de positionner un blindage 70 supplémentaire entre les guides d'onde de la figure 5 pour éviter les fuites électromagnétiques et obtenir une bonne compatibilité

électromagnétique. Ce blindage 70 est constitué par une plaque sur laquelle sont placés les guides d' onde .

Sur la figure 8 est représenté un exemple d'utilisation d'un système 50 ainsi que représenté sur la figure 5. Dans l'écran 81, le dispositif 50 est placé verticalement alors qu' il est positionné horizontalement dans la boite de traitement de contenus vidéo 82.

Ainsi, l'invention permet d'utiliser un même modèle de systèmes d'antennes pour de multiples applications de géométries diverses sans modifier les dimensions des objets sur lesquels une liaison sans fil est implémentée. L'invention donne ainsi une grande polyvalence d'applications aux dispositifs rayonnants obtenus . La mise en œuvre de liaisons sans fil est donc facilitée. On remarque que les coûts de développement et de fabrication de telles liaisons sont faibles grâce à l'invention. De plus, des matériaux largement utilisés dans les produits grand public peuvent être utilisés dans les dispositifs rayonnants selon l'invention et cela réduit d'autant le coût de la solution. L'invention n'est pas limitée aux réalisations décrites et l'homme du métier reconnaîtra l'existence de diverses variantes de réalisation comme par exemple l'utilisation de schéma de diversité des éléments rayonnants variés, diverses possibilités de design des parties rigides et flexibles, la seule contrainte consistant à trouver des dimensions du dispositif rayonnant compatibles avec les zones d' intégration de la solution, diverses applications comme l'affichage sur panneaux, par exemple dans les aéroports et les gares...