DISPOSITIF DE SYMETRISATION DE L'ACCES A UNE ANTENNE

La présente invention se rapporte à un dispositif de symétrisation de accès à une antenne et à une antenne intégrant ce dispositif de symétrisation. Cette invention s'applique notamment dans les communications sans fils utilisant le standard dénommé Ultra Large Bande ou UWB pour ΛUltra Wide Band' . Aujourd'hui, il existe de nombreuses techniques de communication sans fil pour des données numériques. La majorité des techniques conventionnelles consiste à moduler une porteuse haute fréquence par ces données numériques. Le signal résultant est ensuite amplifié puis transmis à l'antenne d'émission. En réception, l'opération inverse est réalisée. Une autre technique de transmission de l'information repose sur émission de trains d'impulsions gaussiennes de très courte durée (de l'ordre de 500 ps) dont on contrôle avec précision la récurrence. L'information utile à transmettre est contenue dans l'évolution de la période entre les impulsions consécutives. Cette technique de communication est appelée modulation de position d'impulsions (Puise Position Modulation ou PPM) . Elle permet une transmission sans porteuse de données à haut débit avec des puissances d'émission relativement faibles (inférieures au milli-Watt) . La forme d'onde de l'impulsion utilisée conduit à un signal très large bande dans le domaine fréquentiel. Des organismes de standardisation sont en cours de développement, grâce à cette technique, d'un standard UWB en adoptant des critères de limitations sévères tant au niveau de la puissance émise que de l'encombrement fréquentiel afin de ne pas causer d'interférences avec les nombreux médias de l'

communication déjà déployés. Ainsi, la plage fréquentielle réservée aux communications sans fil UWB a été limitée à [3,1GHz ; 10,6GHz avec une PIRE (Puissance Isotrope Rayonnée Equivalente) maximale de -41dBm/Mhz soit -2,25dBm sur la largeur de bande autorisée. Deux difficultés majeures sont posés par ces transmissions large bande UWB. Le premier est la cohabitation avec les dispositifs existants utilisant des bandes de fréquence proches des 5 GHz. Notamment, en Europe, le standard dénommé Hyρerlan2 de certains réseaux locaux utilise les bandes de fréquence [5,15 GHz ; 5,35 GHz] et [5,47 GHz ; 5,725 GHz]. Aux Etats-Unis, le standard dénommé 802.11a utilise des bandes de fréquence [5,15 GHz ; 5,35 GHz] et [5,725 GHz ; 5,825 GHz] . Il importe donc de pouvoir réduire la puissance d'émission des dispositifs UWB dans ces bandes de fréquence pour limiter les interférences potentielles avec d'autres dispositifs. Le deuxième problème découle du fait que, dans le cas de l'UWB, l'antenne joue un rôle essentiel dans la qualité de la transmission. Il importe en effet que l'antenne utilisée soit non dispersive dans toute la bande de fréquence allouée, tout en restant compacte et à bas coût pour assurer son succès. Notamment, l'antenne ne doit pas apporter de distorsion au signal émis ou reçu. Or, l'équilibrage d'une antenne (opération consistant à rendre symétriques ou à Λsymétriser' les accès d'une antenne) supprime la distorsion. Or, par exemple, accès asymétrique à une antenne est susceptible d'être réalisé par un câble coaxial. Un câble coaxial étant composé par un conducteur central entouré par un conducteur extérieur, dans le cadre de son utilisation pour des antennes UWB, des courants apparaissent à très haute fréquence dans le conducteur extérieur. Ces courants sont liés aux champs développés entre le conducteur central et la gaine du coaxial. Ces courants sont instables et donc très peu contrôlables en phase. Ils provoquent ainsi une forte distorsion des impulsions UWB et une dégradation sensible de la transmission. Il est connu du document US 5 697 088 de rendre symétrique l'accès asymétrique de l'antenne par l'utilisation d'un dispositif de symétrisation, appelé aussi balun, qui soit performant. La figure 1 décrit schémat.iquement le schéma de principe d'un dispositif de symétrisation ou balun 100 selon l'état de la technique cité . Ce balun 100 comprend un circuit 101 d'entrée, lui-même comprenant un demi-transformateur 102 et un demi-transformateur 106 et d'un circuit 103 de sortie, lui même comprenant un demi-transformateur 104 et un demi- transformateur 108 en série. Un signal 114 présent à l'entrée du balun 100 est ainsi transposé, par l'effet de couplage mutuel des demi- transformateurs 102 et 104 et des demi-transformateurs 106 et 108, en deux signaux 110 et 112 respectivement qui ont une même amplitude mais qui sont en opposition de phase. Ainsi, un accès asymétrique est transformé en deux accès symétriques en opposition de phase. Toutefois, la symétrie de diagramme de rayonnement associé à une antenne à accès symétrique peut s'avérer de faible qualité en raison des déséquilibres apportés par des baluns non adaptés. En outre, un balun non adapté peut conduire à une limitation de la bande passante de l'antenne où il s'intègre, ce qui est très préjudiciable pour des antennes devant avoir une grande bande passante. La réalisation de tels baluns par des techniques traditionnelles et connues, notamment avec des transformateurs et des ferrites, n'est pas possible dans le cadre de l'UWB en raison d'une part du facteur de qualité des ferrites aux hautes fréquences et d'autre part de la relativement grande largeur de bande utilisée notamment dans le cadre du standard UWB. La présente invention résout au moins le problème cité-ci dessus, à savoir l'absence d'adaptation aux hautes fréquences et aux larges bandes des baluns connus. C'est pourquoi, l'invention concerne un dispositif de symétrisation de l'accès d'une antenne, ce dispositif comprenant un circuit d'entrée qui comporte deux demi-transformateurs d'entrée, et un circuit de sortie qui comporte deux demi- transformateurs de sortie. Le circuit d'entrée et le circuit de sortie étant composés de lignes conductrices, le circuit d'entrée et le circuit de sortie sont couplés par la superposition des lignes conductrices qui réalisent la fonction des demi-transformateurs d'entrée, appelées lignes d'entrées, aux lignes conductrices, qui réalisent la fonction des demi-transformateurs de sortie, appelées lignes de sortie. Grâce à l'invention, il est possible d'intégrer dans une antenne un dispositif de couplage ou balun compact et à faible coût. Ce dispositif a une bonne réponse en fréquence aux fréquences élevées et sur des bandes de fréquences relativement larges. Il s'adapte donc très bien notamment au standard UWB. Ce dispositif, de par sa compacité, peut s'intégrer dans une antenne qui devient ainsi équilibrée ou à accès symétrique. Cette antenne, intégrant le dispositif de couplage, a ainsi de très bonnes performances dans le contexte du standard UWB. Enfin, grâce à l'ajout d'un filtre réjecteur au dispositif de couplage, comprenant notamment des résonateurs à ligne micro-ruban appelés stubs, il est possible de provoquer une réjection notable du dispositif, et de l'antenne à laquelle il est associé, pour des zones ou bandes fréquentielles où il peut y avoir des signaux interférents. Dans une réalisation, les lignes d'entrée ou de sortie sont des micro-rubans. l'

Selon une réalisation, le dispositif comporte au moins un filtre à réjection réalisé à l'aide d'au moins un résonateur à ligne micro-ruban, associé aux lignes d'entrée ou aux lignes de sortie. Dans une réalisation, le dispositif comprend des moyens pour que la bande de réjection du filtre à réjection inclut au moins la bande [5,15GHz ; 5,35GHz] de fréquence ou la bande [5,47GHz ; 5,725GHz] de fréquence ou la bande [5,725GHz ; 5,825GHz] de fréquence. Selon une réalisation, le dispositif comprend des moyens pour que sa bande passante soit comprise dans la bande (310, -538) [3,1 GHz ; 10,6 GHz] de fréquence. Dans une réalisation, les lignes conductrices sont réalisées par gravure ou dépôt de métal sur les faces en regard de deux substrats diélectriques, dits substrats de support. Selon une réalisation, un troisième substrat diélectrique, dit substrat intermédiaire, est placé entre les faces en regard des substrats de support. Dans une réalisation, les substrats sont constitués en matériaux Epoxy ou à structure Téflon. Selon une réalisation, les faces opposées aux faces en regard des substrats de support sont métallisées. Dans une réalisation, les faces métallisées extérieures sont reliées aux lignes par un ensemble de vias. L'invention concerne aussi une antenne. Conformément à l'invention, une telle antenne est caractérisée en ce que elle intègre un dispositif de symétrisation selon l'une des réalisations précédentes. Dans une réalisation, antenne comprend des moyens pour que sa bande passante soit au moins de 3,1 GHz à 10,6 GHz, moins la bande filtrée par un filtre à rejection, si ce filtre est associé au dispositif. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront avec la description effectuée ci-dessous à titre d'exemple non limitatif en se référant aux figures ci-jointes l'l'

sur lesquelles : La figure 1, déjà décrite, représente un schéma théorique d'un balun. La figure 2a représente schématiquement une réalisation de l'invention, La figure 2b représente une vue schématique du circuit d'entrée conformément à une réalisation de invention. La figure 2c représente une vue schématique du circuit de sortie conformément à une réalisation de invention. La figure 3 représente un diagramme de pertes et d'adaptation d'un balun conforme à l'invention, Les figures 4a, 4b et 4c sont des représentations schématiques d'une réalisation d'un balun conforme à l'invention intégrant un filtre réjecteur à stub, et Les figures 5a, 5b, 5c et 5d représentent des résultats de simulation de baluns conforme à l'invention. Une réalisation de l'invention repose sur l'utilisation de coupleur à ligne enterrée, comme décrit ultérieurement. En effet, la très grande largeur de bande nécessaire notamment dans le cadre de la norme UWB justifie un fort taux de couplage des lignes . Cette réalisation utilise une structure multicouche qui permet non seulement d'assurer le critère de la largeur de la bande passante mais garantit aussi de faibles pertes de conversion. La figure 2a représente schématiquement un balun 200 comprenant : Un substrat 210 diélectrique, dit substrat 210 de support, dont la face 216 supérieure est entièrement métallisée. Sur sa face 211 inférieure sont gravées ou déposées des lignes 202 et 206 correspondant aux demi- transformateurs compris dans le circuit d'entrée du balun, Un autre substrat 212 diélectrique, dit substrat 212 de support, dont la face 218 inférieure est entièrement métallisée. Sur sa face 213 supérieure, placée en regard de la face 211 du substrat 210, sont gravées ou déposées les lignes 204. et 208 correspondant aux demi-transformateurs compris dans le circuit de sortie du balun. Un troisième substrat 214 diélectrique, dit substrat intermédiaire, non métallisé et de très faible épaisseur, placé entre les deux faces en regard des précédents substrats de support. Ce substrat 214 permet d'assurer un fort taux de couplage entre les lignes {202, 204} et les lignes (206, 208} qui doivent être superposées avec grande précision. Ces lignes 202, 204, 206 et 208 sont réalisées en technologie micro-ruban. La liaison électrique des surfaces métallisées extérieures sont assurées par un grand nombre de vias. La figure 2b illustre schématiquement le positionnement des lignes 202 et 206 sur une vue sur la face 211 du substrat 210. La figure 2c illustre schématiquement le positionnement des lignes 204 et 208 sur une vue sur la face 213 du substrat 212. Cette réalisation a été simulée avec deux substrats 210 et 212 diélectriques de support d'épaisseur 800 μm. Le diélectrique 214 central, de même constante diélectrique que les substrats 210 et 212 (constante diélectrique Er = 3.38), a 100 μm d'épaisseur. La figure 3 montre les performances obtenues. Cette figure est un diagramme 300 montrant la courbe 306 de pertes et la courbe 308 d'adaptation en dB en ordonnées 302 en fonction de la fréquence en GHz en abscisses 304. On remarque que, dans la bande 310 de fréquence UWB, à savoir [3,1 GHz ; 10,6 GHz], les pertes sont meilleures que -IdB l'l'l'

et l'adaptation est de l'ordre de -1OdB. Ces résultats montrent donc la validité du balun conforme à invention dans la large bande de fréquence propre au standard UWB. Une variante de invention repose sur intégration au sein du balun d'un filtre à réjection des signaux potentiellement interférents ou perturbables par les dispositifs utilisant la technologie UWB. Des émetteurs-récepteurs sont actuellement déployés dans des bandes interférentes [5,15 GHz ; 5,35 GHz] et [5,47 GHz ; 5,725 GHz] en Europe (standard Hyperlan2) et dans des bandes [5,15 GHz ; 5,35GHz] et [5,725 GHz ; 5,825 GHz] aux Etats-Unis (standard 802.lia) . Pour couvrir ces deux standards Hyperlan2 et 802.11a, on définit une bande de réjection pour les systèmes UWB entre 4,9 GHz et 5,9 GHz. On utilise une partie des lignes micro-ruban des coupleurs pour élaborer un réseau de réjection à résonateur à ligne micro-ruban, appelé aussi stub. Les figures 4a, 4b et 4c sont des représentations schématiques d'une réalisation d'un balun 400 conforme à l'invention intégrant au moins un filtre réjecteur à stub. Les lignes 402 et 406 formant le circuit de sortie du balun 400 sont gravées ou déposées sur la face 409 du substrat 410 de support. Les lignes 404 et 408 formant le circuit d'entrée du balun 400 sont gravées ou déposées sur la face 411 du substrat 412 de support. On place symétriquement sur le substrat 410 ensuite le stub 416 et le stub 418 en circuits ouverts. Le stub 416 est dimensionné pour réaliser la réjection des fréquences autour de 5,2 GHz. Le stub 418 est dimensionné pour réaliser la réjection des fréquences autour de 5,7 GHz. La figure 4c montre la vue schématique sur la face 409 d'une telle réalisation. La figure 4b montre la vue schématique sur la face 411 d'une telle réalisation. Diverses simulations sur divers baluns conformes à l'invention ont été menées. Certains résultats sont montrés dans les diagrammes des figures 5a, 5b, 5c et 5d. Une première simulation est menée sur un balun conforme à l'invention, ayant deux stubs similaires aux stubs 416 et 418 de la figure 4 (mais n'ayant pas le stub équivalent au stub 420 de la figure 4) . Le résultat de cette simulation est 3e diagramme 500 de la figure 5a qui représente la courbe 506 de pertes en dB (ordonnées 502) et la courbe 508 d'adaptation en dB (ordonnées 502) en fonction de la fréquence (abscisses 504) de 4 GHz à 7 GHz. La simulation montre que ces deux stubs 416 et 418 en circuit ouvert permettent de rejeter de -10 dB à -20 dB l'énergie de la bande interférente 510 [5,15 GHz ; 5,35 GHz] (autour du creux 511 de la courbe 506) et de la bande interférente 512 [5,725 GHz ; 5,825 GHz] (autour du creux 513 de la courbe 506) . Par contre, la courbe 508 d'adaptation devient supérieure à -10 dB autour des bandes 510 et 512. Ainsi, ce balun équipé des stubs 416 et 418 rejette bien les bandes 510 et 512 (appelées aussi canaux 510 et 512) de la norme 802.11a, où il peut y avoir des signaux interférents pour les communications selon le standard UWB- La figure 5b représente un diagramme 520 montrant la courbe 522 de pertes en dB (ordonnées 502) et la courbe 524 d'adaptation en dB (ordonnées 502) en fonction de la fréquence (abscisses 504) de 4 GHz à 7 GHz pour un balun 400 (figure 4) équipé des stubs 416, 418 et 420. L'adjonction d'un troisième stub 420, dimensionné pour contribuer à la réjection des fréquences autour de 5,6 GHz et disposé sur la ligne 404 (figure 4) , permet de rejeter simultanément les bandes 510 et 512 de la norme 802.11a mais aussi la bande 514 (figure 5b) de la norme Hyperlan2. En effet, le diagramme 500 montre que la courbe 522 de pertes passe en-dessous de -10 dB pour une bande 526 incluant les bandes 510, 512 et 514 des standards 802.11a et Hyperlan2. En parallèle, la courbe 524 d'adaptation devient proche de 0 dB sur cette bande 526. La figure 5c est un diagramme 530 montrant la courbe 534 de pertes en dB (ordonnées 502) et la courbe 536 d'adaptation en dB (ordonnées 502) en fonction de la fréquence (abscisses 532) sur une bande de 0 Ghz à 14 GHz, incluant la bande 538 propre à la norme UWB, d'un balun 400. Ce diagramme 5c montre que la présence des stubs dans le balun permet d'optimiser les pertes dans les zones limites ou frontières de l'UWB (3.1GHz et 10.6GHz). Enfin, la figure 5d représente la réponse en ΛGroup Delay' (Temps de groupe : dérivée de la phase en fonction de la fréquence) exprimée en seconde (IE"9 s = 1 nanoseconde) en ordonnées 552 en fonction de la fréquence sur une bande de fréquence de 0 à 14 GHz, incluant la bande 538 propre au standard UWB. Ainsi, il est montré grâce à cette simulation que, malgré la présence des éléments réjecteurs, le dispositif de symétrisation ou balun conserve une caractéristique de temps de groupe ( ΛGroup Delay') constante dans l'ensemble de la bande utile (bande 538 moins les bandes 802.11a ou/et Hyperlan2) . Cette propriété garantit un minimum de distortion des impulsions tant à l'émission qu'à la réception. Cette invention est suceptible de nombreuses variantes notamment en fonction des fréquences à entraver par le filtre réjecteur, le nombre et la place des stubs et les matériaux utilisés pour les substrats.