Titre de l'invention : Antenne multimode, multiport et multistandard pour système de communication adaptable

Domaine Technique

L’invention concerne les antennes et plus particulièrement une antenne et un procédé pour des antennes multiport et multibande pouvant adresser plusieurs standards de communications.

Technique antérieure

De par l’existence et l’utilisation d’une pluralité de standards de communication cellulaire ou non cellulaire, il est intéressant pour des systèmes de communication sans fil d’avoir la capacité d’être adapté pour communiquer selon différents standards de communication.

La manière la plus simple pour un système de communication d’être adapté à différents standards de communication est d’utiliser autant d’antennes que possible sur une unique plateforme, chaque antenne étant configurée pour communiquer selon un standard de communication distinct. En d’autres termes, une solution avec une plateforme dotée de plusieurs antennes de réception différentes.

Cette solution a pour inconvénient de générer un encombrement spatial non négligeable ou bien de limiter le nombre de standards de communication opérables en fonction de la taille du dispositif d’antenne. En outre, la plupart du temps un circuit d’adaptation, ou « matching circuit » en anglais, est nécessaire pour exciter les différentes antennes de manière appropriée. De plus, l’utilisation de ce type de circuit a pour inconvénient d’opérer que sur une bande de fréquence étroite induisant une faible efficacité de rayonnement.

Il existe un besoin pour des systèmes de communication permettant de gérer simultanément différentes technologies de communication.

Dans l’article intitulé « Integrated Wide-narrow Band Antenna for Multistandard Radio » de E. Ebrahimi et al., paru dans la revue “IEEE transactions on antennas and propagation » en 2011 , il est décrit une antenne intégrée à large bande fréquentielle sur une première face d’un substrat et une antenne à bande fréquentielle étroite sur une seconde face du substrat opposée à la première face, l’antenne à bande étroite utilisant un circuit d’accordage pour obtenir la bande fréquentielle désirée.

Il y a de nombreux inconvénients à ce type d’antennes dont notamment le fait qu’il soit utilisé deux antennes à proximité, obligeant à l’utilisation d’un circuit d’adaptation pour éviter les interférences comme évoquer précédemment.

Dans l’article intitulé « Considérations for reconfigurable multistandard antennas for mobile terminais » de D. Manteuffel et al. dans la revue « IEEE International Workshop on Antenna » en 2008, et dans l’article intitulé « Compact and low profile frequency agile antenna for multistandard wireless communication Systems » rédigé par Genovesi et al. dans la revue « IEEE transactions on antennas and propagation » en 2014 est décrit l’utilisation de dispositifs actifs et de réseaux d’adaptation pour obtenir un système de communication avec des performance appropriées pour les antennes.

Il y a aussi plusieurs inconvénients à ce type de solution notamment car il y a un besoin de polarisation/d’alimentation pour opérer les dispositifs actifs ce qui rend le système de communication plus encombrant, les antennes présentent une efficacité réduite et un faible gain, et il est relativement difficile d’accorder le réseau de configuration reconfigurable.

Dans l’article d’E. Antonio-Daviu et al. intitulé « Design of a Multimode MIMO antenna using characteristic modes » paru dans « IEEE European Conférence on Antennas and Propagation » en 2009, et dans l’article de D. Manteuffel et al. intitulé « Compact Multimode multi element antenna for indoor UWB massive MIMO » paru dans la revue « IEEE transactions on antennas and propagation » en 2016, il est décrit un système de communication doté d’une unique antenne alimentée via différentes entrées offrant ainsi un aspect multiport à l’unique antenne tout en conservant une certaine compacité.

Cependant, cette solution répond à la problématique de systèmes à entrées et sortie multiples (MIMO) : elle n’est adaptée qu’à la réception d’un seul standard de communication et elle nécessite une architecture complexe de réseau d’alimentation pour alimenter l’antenne à différents endroits.

En outre, il est connu du document EP2840651 un système de communication ayant une antenne dotée d’une pluralité de point d’entrée avec des modules d’accordage individuels pour chaque point d’entrée. L’antenne décrite couvre une plage fréquentielle comprise entre 700 et 960 MHz pour une entrée et une plage fréquentielle comprise entre 2400 et 2690 MHz sur une autre entrée. Des capacités sont utilisées pour réaliser l’accordage fréquentiel.

Cependant, pour réaliser l’accordage fréquentiel, il est aussi nécessaire d’utiliser un circuit de polarisation entraînant une efficacité réduite et une couverture fréquentielle réduite, c’est-à-dire un fonctionnement sur une plage fréquentielle étroite.

Dans la solution proposée, les différents standards sont couverts par des circuits actifs, c’est-à-dire non pas par des circuits passifs.

Le document EP2528158 décrit un système de réception sans fil avec une antenne mécanique reconfigurable pour supporter simultanément la réception et la transmission de signaux. L’antenne mécanique reconfigurable comprend au moins deux antennes qui peuvent être mécaniquement reconfigurées pour couvrir des plages fréquentielles différentes. Un réseau de découplage et de correspondance est utilisé et contrôlé électriquement pour changer d’état de fonctionnement à chaque changement de configuration mécanique de l’antenne.

Cependant, la reconfiguration mécanique nécessite l’utilisation de moteurs électriques et d’aimants qui augmentent l’encombrement du système de communication. En outre, dans la solution proposée, les différents standards sont couverts par des circuits actifs, c’est-à-dire non passifs, comme des contrôleurs ou des capteurs avec des réseaux de découplage et de correspondance.

Le document EP2064774 décrit une antenne compacte accordable en utilisant différentes formes de l’élément rayonnant et des interrupteurs radiofréquences, des duplexeurs et des diplexeurs pour accorder l’antenne sur différentes fréquences souhaitées.

Cette solution requiert l’utilisation d’un circuit de contrôle pour accorder l’antenne en commandant le circuit d’interrupteurs.

Le document EP 1776737 divulgue un procédé utilisant une antenne plate circulaire avec une pluralité d’entrées spatialement distinctes. Tous les ports résonnent sur la même bande fréquentielle ce qui résulte en une configuration MIMO particulière.

Cette solution ne permet pas de traiter plusieurs standards à la fois. Exposé de l’invention

L'invention vise à résoudre ce problème particulier en proposant une antenne munie d’un unique élément rayonnant configuré pour recevoir et traiter simultanément des signaux de différentes technologies de communication utilisant différents standards de communication, sans réseau de paramétrage ou d’adaptation.

Un objet de l’invention propose une antenne multimode, multiport et multistandard comprenant un substrat sur lequel est disposé un unique élément rayonnant planaire, une pluralité de ports de communication connectés à l’élément rayonnant chacun à un emplacement distinct de l’élément rayonnant et destinés à être couplés à différents moyens de communication à la fois utilisant différents standards de communication.

Selon une caractéristique générale de l’invention, l’élément rayonnant comprend une forme elliptique.

La forme elliptique de l’antenne selon l’invention permet d’avoir un unique élément rayonnant capable de gérer plusieurs accès, chaque accès étant dédié à un système de communication particulier avec un standard de communication particulier, tout en ayant une isolation naturelle entre ces standards, c’est-à-dire une absence d’interférence.

Cette antenne multimode multiport et multistandard offre une compacité plus importante et une masse réduite que ce qui existe et qui peut être appliquée sans restriction à tout système communicant multistandard.

En outre, à surface égale, la forme elliptique de l’antenne offre une résonance à plus basse fréquence et sur une plus large bande par rapport aux antennes ayant une autres forme géométrique planaire (polygonale, circulaire).

Par ailleurs, l’antenne selon l’invention n’a pas besoin d’un réseau de paramétrage ou d’adaptation pour fonctionner, ce qui permet de simplifier l’architecture de l’antenne, de réduire son encombrement et de l’alléger.

Selon un premier aspect de l’antenne, chaque emplacement de l’élément rayonnant auquel est connecté un port de communication correspond de préférence à un emplacement où le rayonnement est maximal pour un mode de résonnance distinct des autres modes de résonnance pour lesquels un port de communication est connecté.

Le courant total de l’antenne est décomposé en modes caractéristiques. Ces modes de courant sont naturellement orthogonaux les uns par rapport aux autres et sont ainsi indépendants les uns des autres.

On entend par mode de résonance un mode caractéristique du courant. Chaque mode caractéristique est utilisé autour de sa fréquence de résonnance pour s’assurer que l’antenne présente une bonne adaptation à son port d’excitation et que son efficacité de rayonnement sera maximisée.

Les ports sont chacun placés à un emplacement où se situe le maximum de courant du mode auquel on s’intéresse, ils sont ainsi isolés les uns des autres, aucune interférence ne venant perturber leurs émissions ou réceptions de signaux sur leur plage fréquentielle.

L’élément rayonnant peut être dimensionné pour supporter autant de modes résonants que nécessaire. Chacun de ces modes peut être excité par un port proposant ainsi plus de trois ports.

Selon un deuxième aspect de l’antenne, la dimension de l’élément rayonnant peut varier en fonction de la fréquence minimale du rayonnement à émettre ou recevoir.

Les dimensions de l’antenne sont ainsi ajustables en fonction de l’utilisation souhaitée, c’est-à-dire en fonction des différents standards de communication avec laquelle on souhaite l’utiliser et le nombre de ports souhaité.

Selon un troisième aspect de l’antenne, l’antenne peut comprendre en outre une piste de masse disposée sur le substrat et électriquement isolée de l’élément rayonnant, la piste présentant une impédance adaptée à une plage de fréquences pour un standard de communication.

En adaptant la piste de masse pour avoir une impédance correspondant à celle de la plage fréquentielle du standard de communication, l’antenne peut s’affranchir de l’utilisation d’un module d’adaptation ou autre.

Selon un quatrième aspect de l’antenne, l’antenne peut comprendre en outre une ligne d’alimentation de type guide d’onde coplanaire pour exciter l’élément rayonnant en différents endroits qui permet d’entraîner une excitation indépendante des différents modes caractéristiques.

Selon un cinquième aspect de l’antenne, laquelle la largeur de la ligne d’alimentation dépend de l’impédance du port de communication avec l’élément rayonnant, et l’écart entre la ligne d’alimentation et la piste de masse dépend de la bande passante souhaitée

Un autre objet de l’invention propose un appareil de communication comprenant une antenne telle que définie ci-dessus.

Brève description des dessins

[Fig. 1] La figure 1 présente schématiquement le concept d’architecteur de l’antenne selon l’invention.

[Fig. 2] La figure 2 présente une vue de dessus d’une antenne multimode, multiport et multistandard selon un mode de réalisation de l’invention.

[Fig. 3A-3C] Les figures 3A, 3B et 3C présentent la distribution de courant sur la surface de l’élément rayonnant de l’antenne de la figure 2 respectivement pour le premier mode de résonnance, le quatrième mode de résonnance et le neuvième mode de résonnance.

Description des modes de réalisation

La figure 1 présente schématiquement le concept d’architecteur de l’antenne selon l’invention.

L’antenne 1 multimode, multiport et multistandard comprend un unique élément rayonnant 2 et plusieurs ports, et plus particulièrement trois ports 3, 4 et 5 dans l’exemple illustré sur la figure 1. L’antenne 1 est connectée à quatre modules de communication 6, 7, 8 et 9 ayant chacun un standard de communication différent. Chaque port 3 à 5 est couplé à chacun des quatre modules 6 à 9.

Dans l’exemple illustré sur la figure 1 , le premier module de communication 6 utilise le standard de communication de télécommunication dénomme en anglais « Long Term Evolution » et connu sous l’abréviation LTE, le deuxième module de communication 7 utilise le protocole de communication sans fil à Internet à haut débit dénommé WiFi, le troisième module de communication 8 utilise les standards de communication de télécommunication de troisième génération 3G, et le quatrième module de communication utilise le standard de télécommunication de cinquième génération d’accès radio, 5G NR.

La figure 2 présente une vue de dessus d’une antenne multimode, multiport et multistandard selon un mode de réalisation de l’invention.

Dans le mode de réalisation illustré sur la figure 2, l’antenne 1 comprend trois ports 3, 4 et 5 comme dans la représentation schématique de la figure 1.

Comme cela est illustré, l’antenne multimode comprend un substrat 10 sur lequel est disposé l’unique élément rayonnant 2. L’élément rayonnant 2 est un élément planaire, autrement dit bidimensionnel, réalisé par un dépôt de matériau conducteur sur le substrat 10 électriquement isolant. Pour permettre son fonctionnement et ainsi isoler les ports les uns des autres sans avoir recours à un réseau d’adaptation, l’élément rayonnant 2 présente une forme elliptique.

Chaque port de communication 3, 4 et 5 est connecté à une première extrémité, respectivement notée 30, 40 et 50, à l’élément rayonnant 2, chacun à un emplacement de l’élément rayonnant 2 distinct des autres ports. Chaque port de communication 3, 4 et 5 comprend à une seconde extrémité, respectivement notée 32, 42 et 52, une borne de connexion permettant de raccorder un ou plusieurs câble(s) pour relier le port à un ou plusieurs modules de communication 6 à 9.

Le courant total de l’antenne est décomposé en modes caractéristiques. Les modes de courant sont naturellement orthogonaux les uns par rapport aux autres et sont ainsi indépendants les uns des autres.

Comme cela est illustré sur les figures 3A, 3B et 3C, chaque mode de résonnance présente des emplacements sur l’élément rayonnement 2 où le rayonnement est plus important. Cette distribution de courant est quasi-constante sur toute la bande de fréquence incluant les standards de communication considérés.

La figure 3A présente la distribution en courant sur la surface elliptique de l’élément rayonnant 2 pour le premier mode de résonnance, tandis que la figure 3B représente la distribution en courant pour le quatrième mode de résonnance et la figure 3C pour le neuvième mode de résonnance.

Chaque emplacement de l’élément rayonnant 2 auquel est connecté un port de communication 3 à 5 correspond à un emplacement 60 où le rayonnement est maximal pour un mode de résonnance distinct des autres modes de résonnance pour lesquels un port de communication est connecté. Ils sont ainsi isolés les uns des autres, aucune interférence ne venant perturber leurs émissions ou réceptions de signaux sur leur plage fréquentielle. L’antenne 1 comprend en outre des pistes de masse 11, 12, 13, 14 et 15 disposées sur le substrat 10 et électriquement isolée de l’élément rayonnant 2. Les pistes de masse 11 à 15 présentent chacune une impédance adaptée à une des plages de fréquences utilisées pour un standard de communication. Dans le mode de réalisation illustré sur la figure 2, chacune des cinq pistes de masse 11 à 15 peut être ainsi adaptée à un standard de communication différent.

L'invention fournit ainsi une antenne munie d’un unique élément rayonnant configuré pour recevoir et traiter simultanément des signaux de différentes technologies de communication utilisant différents standards de communication, sans réseau de paramétrage ou d’adaptation.