OBJET DE L'INVENTION

[0001] La présente invention se rapporte au domaine de la détection anticollision. Plus particulièrement, la présente invention se rapporte à une antenne qui couplée à un module de détection radiofréquence délimite une zone de balisage adaptée selon les besoins. La présente invention se rapporte en outre au système de détection anticollision comprenant cette antenne.

ARRIERE-PLAN TECHNOLOGIQUE

[0002] Pour prévenir les collisions entre engins, entre engin et personnes ou encore entre engin et structures fixes, il est connu de munir les engins de systèmes de détection anticollision. Il existe plusieurs technologies (radar, onde radio, caméra, etc.) disponibles pour assurer la détection. Beaucoup de technologies (ultrasons, optiques, etc.) ne sont pas fiables dans tous les environnements climatiques (nuit, forte luminosité, pluie, neige, etc.) et dans des conditions difficiles (poussières, boue, etc.) que l'on retrouve entre autres sur les chantiers de construction.

[0003] Les solutions de détection basées sur une détection par ondes radio (RF) sont très efficaces mais manquent de précision et peuvent signaler une présence alors qu'il n'y a pas de risques de collision. Elles génèrent ainsi trop de fausses alarmes.

[0004] Pour améliorer la précision, il existe des antennes qualifiées de directives où la radiation n'est pas uniforme sur les 3 axes X, Y et Z. Ainsi, les systèmes de détection dans les documents WO 2004/090830, US 2008/0018472 et US 2011/0227748 mentionnent l'utilisation d'antennes directives ou d'antennes avec une configuration métallique spécifique permettant de façonner la forme de la zone de détection.

[0005] Dans les antennes dites directives, la directivité est seulement partielle, la radiation restant présente sur 360 degrés comme montré à la figure 1 en traits continus. L'antenne est considérée comme directive parce que le signal est poussé plus fort dans une direction spécifique par rapport à tous les autres points du cercle de transmission. De telles antennes ont en fait une radiation sur les 3 axes simplement de forces différentes. Elles ne sont que partiellement directives. Le besoin d'une précision accrue de la directivité de transmission RF se pose régulièrement, comme expliqué ci-dessus pour le balisage de sécurité, ou pour la détection de circulation, d'objet, etc. dont le champ d'action doit être précis.

BUTS DE L'INVENTION

[0006] La présente invention vise à développer une antenne qui permette de générer un faisceau d'ondes présentant une directivité accrue. La présente invention vise ainsi à développer une antenne permettant d'obtenir un signal dirigé vers une cible précise, de limiter au maximum toute radiation hors de la directivité souhaitée, notamment de limiter le rayonnement latéral et de supprimer le rayonnement dans la direction opposée à la cible. Le faisceau d'ondes ainsi généré est, selon les besoins, de largeur variable et peut être réduit à un faisceau d'ondes RF rectilignes, presque totalement directives, tel un faisceau laser.

[0007] Elle vise en outre à développer une antenne miniature afin de permettre son intégration dans tout appareil.

PRINCIPAUX ÉLÉMENTS CARACTÉRISTIQUES DE L'INVENTION

[0008] La présente invention se rapporte à une antenne directionnelle pour ondes radiofréquences comprenant :

- une antenne source dite directive émettant un rayonnement radiofréquence plus marqué dans une direction donnée,

- une enveloppe comprenant une base reliant des faces disposées latéralement par rapport à la direction donnée, aussi appelées faces latérales, ladite antenne source étant disposée à l'intérieur de l'enveloppe, caractérisée en ce que les faces latérales comprennent un premier matériau absorbant le rayonnement radiofréquence latéral et comprennent une première couche métallique et une seconde couche métallique disposées de part et d'autre du premier matériau absorbant. [0009] Selon des modes particuliers de l'invention, l'antenne directionnelle présente au moins une ou une combinaison appropriée des caractéristiques suivantes :

la première couche métallique et/ou la seconde couche métallique reposent sur un plan de masse d'un PCB ;

elle comprend à l'intérieur de l'enveloppe un support de forme parabolique recouvert partiellement d'une feuille métallique, l'antenne source étant disposée dans l'espace délimité par la forme parabolique et orientée pour émettre le rayonnement radiofréquence plus marqué vers le centre de la forme parabolique.

le support comporte une surface recouverte d'un second matériau absorbant le rayonnement radiofréquence, ladite surface étant disposée en regard de l'antenne source et de dimensions sensiblement équivalentes à celles de la surface de l'antenne source ;

le second matériau absorbant est interrompu en son centre par un réflecteur du rayonnement radiofréquence ;

l'antenne source comporte sur sa face opposée à celle en regard du support, un troisième matériau absorbant le rayonnement radiofréquence ;

l'antenne source est disposée sur un support plan formé par la base de l'enveloppe, ladite antenne source émettant un rayonnement radiofréquence dans une direction donnée opposée au support plan ;

le support plan est formé du plan de masse du PCB ;

les faces latérales de l'enveloppe sont recouvertes à leurs extrémités libres intérieures à l'enveloppe d'un quatrième matériau absorbant le rayonnement radiofréquence ;

le quatrième matériau absorbant est disposé sous forme d'un anneau accolé au support de forme parabolique ;

le premier matériau absorbant, et, la première couche métallique et la seconde couche métallique disposées de part et d'autre du premier matériau absorbant s'étendent dans toute ladite base ;

elle occupe un volume inférieur à 100 cm ³ ;

elle comporte un boîtier muni de ladite enveloppe fermée par un couvercle ;

les première et seconde couches métalliques s'étendent sur toute la surface des parois latérales de l'enveloppe jusqu'au couvercle ;

la seconde couche métallique est formée par une paroi du boîtier ; le couvercle comporte un support pour l'antenne source et le troisième matériau absorbant ;

l'antenne source est une antenne céramique ou une trace sur un circuit imprimé ; elle comporte un module radiofréquence ;

l'anneau comporte une ouverture pour permettre le passage d'un câble radiofréquence depuis l'antenne source vers le module radiofréquence.

[0010] La présente invention se rapporte également à un système de détection anticollision comprenant l'antenne décrite ci-dessus.

BRÈVE DESCRIPTION DES FIGURES

[0011] La figure 1 représente dans les plans XZ et YZ les diagrammes de rayonnement des antennes directionnelles selon l'invention (traits pointillés) comparés aux diagrammes de rayonnement d'antennes directives selon l'état de l'art (traits continus).

[0012] La figure 2 est une vue tridimensionnelle du boîtier formant l'antenne directive selon l'invention.

[0013] Les figures 3 (a)(b)(c) représentent schématiquement en coupe différentes configurations de l'antenne selon l'invention avec le chemin parcouru par le rayonnement au sein de l'antenne. Pour des raisons de clarté, le chemin n'est montré aux figures 3(a)(b) que pour une partie de l'antenne, un chemin similaire étant évidemment parcouru de l'autre côté de l'axe de symétrie de l'antenne. Pour chaque configuration, la zone de balisage résultante est également représentée.

[0014] La figure 4 représente une vue tridimensionnelle d'une partie de l'antenne selon l'invention. Afin de visualiser l'anneau en matériau absorbant, la couche métallique externe n'a pas été représentée et la couche métallique interne n'est que partiellement représentée. Sur la figure, elle ne s'étend pas sur toute la hauteur de l'antenne contrairement à la réalité.

[0015] La figure 5 représente une vue tridimensionnelle du couvercle du boîtier de l'antenne selon l'invention. La figure montre plus précisément le support pour l'antenne source.

[0016] Légende

(1) Boîtier (2) Couvercle

(3) Enveloppe

(3a) Base

(3b) Faces latérales

(4) Antenne source

(5) Matière absorbante RF

(5a) Latérale et éventuellement sur la base de l'enveloppe pour l'absorption des ondes RF (5b) En sortie de l'enveloppe pour limiter la réfraction

(5c) Sur le bloc central

(5d) A l'arrière de l'antenne

(6) Couche métallique

(6a) Tournée vers l'intérieur du boîtier

(6b) Tournée vers l'extérieur du boîtier

(7) PCB (Printed circuit board ou circuit imprimé en français)

(7a) Plan de masse

(8) Module RF

(9) Support

(10) Feuille métallique

(11) Bloc central

(12) Cône de réflexion aussi appelé réflecteur

(13) Ouverture

(14) Support dans le couvercle

(15) PCB de l'antenne source servant de support mécanique à cette dernière

(16) Connecteur de l'antenne

DESCRIPTION DE L'INVENTION

[0017] L'antenne selon l'invention est conçue pour être miniature et intégrable dans tout appareil électronique dont les contraintes de dimensions sont importantes et requérant une transmission d'un signal radio hautement directionnelle. Typiquement, l'antenne selon l'invention a pour dimension 60 mm*60 mm*20 mm de profondeur voire plus petit, soit un volume inférieur à 100 cm ³ et, ce, de préférence, pour la bande de fréquences micro-ondes 24 à 60Ghz.

[0018] La figure 1 illustre la différence entre les antennes à directivité partielle connue selon l'état de l'art (traits continus) et celles selon l'invention présentant une directivité presque totale pouvant aller entre un faisceau étroit (traits pointillés au centre) et un faisceau large (traits pointillés extérieurs).

[0019] Les figures 3 représentent schématiquement les différentes configurations d'antennes selon l'invention qui permettent de moduler la largeur du faisceau. Dans les configurations 1 et 2 des figures 3(a) et 3(b) respectivement, le faisceau est étroit avec une zone de balisage de portée plus importante dans le cas de la configuration de la figure 3(b). Dans ces configurations, l'antenne source est disposée dans l'assiette d'un miroir parabolique et émet un rayonnement en direction dudit miroir. Dans la configuration de la figure 3(c), le faisceau est plus large, voire quasiment rectangulaire. Dans cette configuration, l'antenne source est disposée sur un support plan et émet un rayonnement électromagnétique dans une direction opposée au support plan.

[0020] L'assemblage formant l'antenne directive selon l'invention comporte pour l'ensemble des configurations, un boîtier 1 muni d'un couvercle 2 fermant une enveloppe 3 intégrant dans son volume intérieur une antenne source 4 émettant un rayonnement électromagnétique, aussi appelée antenne émettrice, et un PCB 7 comprenant un module RF 8 (voir figures 2 et 3). L'antenne source est dite directive car elle émet préférentiellement dans une direction, même si sa directivité n'est que partielle comme montré à la figure 1 pour les antennes selon l'état de l'art. Il peut s'agir d'une antenne céramique (céramique patch antenna). Il peut également s'agir d'une trace sur PCB qui offre une polarisation sur points spécifiques pour la directivité.

[0021] Dans les exemples illustrés aux figures 3, l'enveloppe 3 définit les contours d'un parallélépipède rectangle avec une base 3a surmontée de faces latérales 3b fermées par le couvercle 2. Ce dernier est réalisé dans un matériau non conducteur, par exemple dans un matériau plastique. L'enveloppe 3 forme selon l'invention une micro-chambre anéchoïque permettant de limiter les réflexions néfastes à l'intérieur du boîtier et de limiter la portée du flux électromagnétique en dehors de la micro-chambre. Pour ce faire, l'enveloppe est formée d'une matière 5a absorbant le rayonnement électromagnétique. Cette matière est par exemple réalisée en silicone à cavités ou en nitrile à cavités. Elle est disposée au moins latéralement par rapport à l'antenne source 4 pour absorber les ondes RF latérales et assurer ainsi la directivité du faisceau RF. En d'autres mots, la matière absorbante 5a est disposée sur les faces latérales 3b de l'enveloppe 3. La matière absorbante 5a est encadrée par une première couche métallique 6a tournée vers l'intérieur de l'enveloppe, appelée aussi couche intérieure, et une seconde couche métallique 6b tournée vers l'extérieur de l'enveloppe, aussi appelée couche extérieure. Chaque couche métallique, par exemple en cuivre, forme un mur s' étendant tout comme la matière absorbante 5a jusqu'au couvercle 2 avec au moins une des deux couches s'appuyant sur le plan de masse 7a du PCB 7 disposé à la base 3a de l'enveloppe. La première couche 6a isole au même titre qu'une cage de Faraday et la seconde couche 6b coupe le rayonnement éventuel émis par la première couche par exemple par réverbération, vibrations à l'absorption, etc. Cette double couche permet ainsi de contenir le flux dans le jeu d'air restreint entre la surface de l'antenne émettrice et le plan de masse, ce qui limite grandement la portée du rayonnement derrière l'antenne. L'espace minimum requis entre les deux couches est de 0.5 mm. Dans la configuration des figures 3 où la couche extérieure est distincte d'une paroi du boîtier, c'est la couche extérieure 6b qui s'appuie sur le plan de masse 7a du PCB 7. Il est également envisageable que la couche extérieure 6b soit formée d'une paroi du boîtier lorsque ce dernier est métallique. Dans ce cas, le PCB doit être agencé différemment. Il est alors positionné de l'autre côté de la base 3a entre le support 9 dont on parlera plus loin, et la couche intérieure 6a avec, dans ce cas, cette dernière qui s'appuie sur le plan de masse du PCB.

[0022] Pour limiter la réfraction du rayonnement sur le coin métallique de la première couche 6a à hauteur du couvercle 2 et donc contenir la portée de l'antenne, il peut être avantageux de disposer une matière absorbante 5b à cet endroit. Cette matière absorbante 5b se présente sous forme d'une bande disposée à une extrémité de l'enveloppe sur sa première couche métallique 6a à la jonction avec le couvercle.

[0023] Afin de moduler la largeur et la portée du faisceau, les configurations 1 à 3 ont des spécificités différentes. Dans les configurations 1 et 2 des figures 3(a) et 3(b) respectivement, l'assemblage comporte à l'intérieur de l'enveloppe 3 un support 9 non conducteur de forme parabolique avec l'antenne source 4 localisée dans l'espace délimité par la forme parabolique. Cette antenne sert comme transmetteur au point de la focale. La présente invention vise ainsi à contenir le rayonnement d'une antenne conçue pour assemblage sur PCB, donc très petite, dans la forme d'un faisceau en utilisant la trajectoire inverse d'une antenne de réception de signal pour laquelle la forme parabolique est habituellement utilisée. La position du point de focal est un des éléments clés de la dimension de l'assemblage final de l'antenne. Pour être miniature et pour récupérer une partie de la radiation latérale, c.à.d. perpendiculaire à la directivité voulue afin d'avoir un maximum d'énergie mais aussi de directivité, l'antenne émettrice 4 doit être le plus proche possible de l'assiette parabolique, idéalement entièrement contenue à l'intérieur du volume de l'assiette parabolique.

[0024] Le support parabolique est couvert partiellement d'une feuille métallique 10 mince, par exemple en cuivre, assurant la réflexion du rayonnement issu de l'antenne source. La feuille métallique peut par exemple être formée par pression sur le support avec un outil servant de contrepartie au moment du formage. Elle est collée sur une partie de la surface parabolique du support plastique. Pour éviter un effet de résonnance qui détruirait le signal radio (la partie centrale de l'assemblage parabolique étant sujette au phénomène de résonance), le centre de la parabole est non réflectif. Ainsi, un bloc central 11 forme une zone non cuivrée traversant le support 9 au centre. Il est sensiblement de mêmes dimensions que l'antenne source 4 qui se trouve en face et est couvert en regard de l'antenne 4 par une matière absorbante 5c disposée au centre de la parabole. Pour compenser la perte d'énergie émise au centre de la focale, un réflecteur optionnel 12 en cuivre formant un cône est ajouté au centre de la parabole dans la configuration 2 afin de paralléliser le rayonnement du centre aux extrémités de la parabole.

[0025] Le rayonnement de l'antenne focale derrière celle-ci doit également être éliminé car le signal transmis n'aura pas parcouru la même distance que celui réfléchi par la parabole conduisant à un déphasage sur le contenu du signal et dès lors à une confusion sur le signal. Pour remédier à cet inconvénient, une matière absorbante RF 5d est disposée à l'arrière de l'antenne 4.

[0026] Comme déjà mentionné, la radiation latérale hors champs de la parabole doit aussi être stoppée pour assurer l'intégrité de la directivité de l'assemblage. Dès lors, la matière absorbante 5a et les couches métalliques 6a et 6b sont disposées sur tout le pourtour 3a, 3b de l'enveloppe 3 formant dans l'exemple une section en U. De même, pour limiter la réfraction à l'extrémité ouverte de l'enveloppe sur le coin de la première couche métallique 6a, la bande 5b de matériau absorbant est disposée sous forme d'anneau entre le support 9 et le couvercle 2 à la sortie de la parabole. De préférence, cet anneau est disposé latéralement en regard de la matière absorbante 5d. Cet anneau 5b visible à la figure 4 peut comporter une ouverture 13 permettant le passage du câble RF depuis le connecteur 16 de l'antenne visible à la figure 5 vers le connecteur (non représenté) du PCB assurant une impédance standard de 50 ohms.

[0027] Pour supporter l'antenne 4 et la matière absorbante 5d disposée derrière celle- ci, le couvercle 2 peut être moulé avec un support 14 visible à la figure 5. Selon l'invention, l'antenne 4 peut être montée sur un PCB 15 distinct du PCB 7 comprenant le module RF. Ce PCB 15 sert lui-même de support mécanique qui vient s'appuyer sur une paroi intérieure du support 14 comme montré à la figure 5. L'antenne 4 est montée d'un côté du PCB 15 et la matière absorbante 5d de l'autre côté du PCB 15.

[0028] La méthode de blindage et d'isolation décrite ci-dessus peut être appliquée sur la même antenne source (en exemple l'antenne céramique ou autres) sans l'usage de la partie parabolique ce qui permet d'obtenir un balisage RF de forme plus rectangulaire et configurable comme montré à la figure 3(c).

[0029] Dans la configuration 3, l'antenne source 4 repose sur un support plan qui est la base 3a de l'enveloppe 3. Elle s'appuie sur le plan de masse 7a du PCB 7 qui est beaucoup plus grand que l'antenne. L'antenne source émet dans une direction opposée par rapport aux configurations 1 et 2. L'assemblage comporte toujours sur les faces latérales 3b de l'enveloppe 3 la matière absorbante 5a encadrée par les première 6a et seconde 6b couches avec la couche intérieure 6a qui repose sur le plan de masse 7a du PCB. Il est également envisageable que la couche extérieure 6b repose aussi sur le plan de masse 7a du PCB. L'assemblage peut optionnellement comporter la bande 5b de matière absorbante en sortie de l'enveloppe. En fonction de l'angle d'ouverture souhaité, la présence de la bande absorbante 5b est requise ou non. Si un faisceau plus large est recherché, la bande n'est pas présente.

[0030] En conclusion, il est possible grâce à l'invention de moduler la zone spécifique de balayage en fonction de l'obstacle, du type d'engin, de sa vitesse, du mode opératoire. Les configurations 1 et 2 des figures 3(a) et 3(b) sont privilégiées pour le balisage sur des zones étroites comme dans le cas des transpalettes alors que la configuration de la figure 3(c) est privilégiée pour équiper des gros engins, des camions, la machinerie de construction, les foreuses, etc. En outre, pour chaque configuration, il est encore possible de changer l'angle de visée du faisceau en jouant sur la géométrie au sein de l'assemblage. Par exemple, en changeant la position de l'antenne émettrice par rapport à l'enveloppe dans le cas de la configuration avec parabole, on peut moduler l'angle de visée. Aussi dans le cas d'une antenne émettrice sous forme de traces sur PCB, le fait de modifier la surface du plan de masse ou encore la distance entre le plan de masse et la trace antenne change la géométrie de la zone RF ainsi que la proportion entre la portée du faisceau et sa largeur. Il s'agit de prendre la forme la plus pertinente pour chaque application.

[0031] L'assemblage antenne avec le module RF selon l'invention peut être intégré au sein d'un système de détection anticollision comprenant d'autres moyens de détection tels qu'une caméra et un ou plusieurs composants de détection comme suit :

o détection de personne

o signal de mise en marche du véhicule

o signal de recul

o signal d'opérations

o senseur de mouvement

o senseur de vitesse

o senseur d'inclinaison

o senseur de température

o et autres senseurs ou signaux appropriés.

[0032] Le système de détection peut en outre comporter un bloc d'alimentation et un processeur utilisant les informations issues des différents composants. Selon l'invention, l'ensemble des éléments formant le système de détection peut être intégré au sein d'un même boîtier.

[0033] Le système de détection selon l'invention tient ainsi compte de la zone spécifique de danger réel et comprend un ensemble de composants de détection qui permettent de mieux cibler le risque de collisions et donc de limiter les fausses alarmes.

[0034] On ajoutera que le module RF couplé à l'antenne peut en outre être utilisé comme radar à distance fixe. En effet, le système de détection peut détecter un risque de collision avec une machine ou une structure qui n'a ni balise, ni rien (entre les grues, contre une machine extérieure au chantier, porte conteneur et structure du navire, transpalette contre structures de stockage, charge de grues contre immeuble et autres structures, etc.). Encore une fois, il faut limiter les fausses alarmes et donc détecter la proximité une fois assez proche de l'obstacle mais pas trop. Trop loin pour la détection par induction, trop proche pour un radar conventionnel car la vitesse de la lumière étant ce qu'elle est, il faudrait un processeur d'une rapidité incroyable (et incroyablement cher et gros) pour arriver à calculer le temps de déplacement d'une onde EM sur quelques mètres seulement. Ainsi, l'antenne selon l'invention a aussi une option radar pour de telles distances. L'antenne avec son module RF ayant une portée limitée connue et configurable, elle offre une fonction radar de la manière suivante. Une deuxième antenne telle que décrite ci-dessus est utilisée et sert de récepteur car la distance est trop proche pour qu'une seule antenne puisse passer assez rapidement de transmission à écoute pour capter la réflexion. La deuxième antenne avec son propre module RF reste à l'écoute et aussitôt que la réflexion du signal reçu est acquise, un processeur en déduit la présence de l'obstacle qui se trouve à la distance entre zéro et la portée connue avec précision de l'antenne. Connaître la distance exacte n'est pas important, ce qui est important c'est de détecter la distance minimale qui déclenche une alerte de risque de collision, ce que fait très bien ce modèle radar à distance fixe. Il est néanmoins nécessaire d'isoler les deux antennes pour éviter que l'antenne réceptrice ne capte par erreur la transmission de l'antenne émettrice en interne.

[0035] Pour finir, on précisera que le module RF et l'antenne forment un système de balisage qui peut, bien que cela ne soit requis, communiquer avec une balise apte à agir en conséquence pour prévenir du danger la personne porteuse de la balise. A titre d'exemple, la balise peut être intégrée dans une montre et vibrée lorsqu'une zone de balisage a été détectée.

[0036] Avantages

[0037] L'invention permet d'obtenir un signal dirigé vers une cible précise, de limiter au maximum toute radiation hors de la directivité souhaitée tout en étant si petite qu'elle est intégrable à toutes applications nécessitant un espace réduit.

[0038] Le boîtier n'est pas juste un support pour l'antenne mais fait intégrante de l'antenne. Il joue un rôle actif en servant de micro-chambre anéchoïque.