[0001] La présente invention concerne un procédé de détermination d'un réseau antennaire.
La présente invention se rapporte également à un réseau antennaire.
[0002] L'invention s'applique au domaine des réseaux antennaires. Pour de nombreuses applications,
un rayonnement directif est souhaité. A titre d'illustration, la détection et la communication
avec une cible requièrent un rayonnement focalisé dans une direction privilégiée.
Eviter la pollution électromagnétique en dehors des zones utiles est un autre exemple
d'application impliquant un rayonnement relativement directif.
[0003] Pour augmenter la directivité d'un réseau antennaire, il est connu de l'état de la
technique d'utiliser des réflecteurs tels des paraboles, de mettre en réseau des antennes
ou d'associer des antennes couplées comme pour les antennes de type Yagi-Uda.
[0004] Toutefois, ces solutions augmentent fortement la taille du réseau antennaire. En
effet, la directivité d'une antenne à réflecteur est classiquement estimée par
où A est la surface projetée visible selon la direction principale de rayonnement.
Notamment, cela signifie que pour un disque réflecteur de rayon R,
[0005] Il est également connu d'exciter conjointement un mode de rayonnement de type transverse
électrique (TE) et un mode magnétique (TM) au sein d'un même réseau antennaire. Une
structure de réseau antennaire supportant un tel fonctionnement est appelée une source
de Huygens. Par exemple, dans le document
FR-A-2 949 611, il est proposé une structure à base d'un résonateur constitué d'une hélice conductrice
en anneau réalisant une source de Huygens avec une taille d'antenne réduite.
[0006] Toutefois, le niveau de directivité maximum atteignable avec ce type de structure
de réseau antennaire est limité par la directivité de la source de Huygens idéale,
qui est de 4,7 dBi. L'unité dBi signifie « décibel isotrope ». De manière générale,
la directivité d'une antenne s'exprime normalement en dBi, en prenant pour référence
une antenne isotrope, c'est-à-dire une antenne fictive de même puissance totale rayonnée
qui rayonne uniformément dans toutes les directions avec un rayonnement de 0 dBi.
Le document
US 2006/232492 A1 décrit un réseau d'antennes comprenant une antenne primaire et plusieurs antennes
secondaires couplées à des impédances, où les impédances servent à modifier la directivité
du réseau.
[0008] Il existe donc un besoin pour un procédé de détermination d'un réseau antennaire
permettant d'obtenir un réseau antennaire présentant une directivité améliorée avec
une compacité réduite.
[0009] Selon l'invention, ce but est atteint par un procédé de détermination d'un réseau
antennaire propre à générer une onde électromagnétique selon la revendication 1.
[0010] Suivant des modes de réalisation particuliers, le procédé comprend une ou plusieurs
des caractéristiques suivantes, prise(s) isolément ou suivant toutes les combinaisons
techniquement possibles :
- l'étape de calcul comprend une sous-étape de calcul d'un vecteur d'excitation du réseau
antennaire à partir des coefficients de décomposition souhaités, et de détermination
des paramètres influençant l'onde électromagnétique générée par le réseau antennaire
de chaque circuit du réseau antennaire à partir du vecteur d'excitation calculé.
- les étapes de décomposition et de calcul sont effectuées à l'aide de calcul matriciel.
- la base est la base des modes sphériques.
- au moins une charge comprend deux composants distincts, un premier composant étant
une résistance et le deuxième composant étant choisi parmi une inductance ou une capacité.
- au moins une charge comprend une résistance négative.
[0011] D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de
la description qui suit de modes de réalisation de l'invention, donnés à titre d'exemple
uniquement et en référence aux dessins qui sont :
- figure 1, une représentation schématique générique d'un réseau antennaire selon un
mode de réalisation,
- figure 2, une représentation schématique d'un réseau antennaire selon un premier mode
de réalisation,
- figure 3, une représentation schématique d'un réseau antennaire selon un deuxième
mode de réalisation,
- figure 4, un schéma de rayonnement pour un réseau antennaire obtenu par le procédé
selon l'invention.
[0012] Il est proposé un réseau antennaire 10 tel qu'illustré de façon générique en figure
1 et par les deux modes de réalisations des figures 2 et 3. Un réseau antennaire est,
généralement, au moins constitué d'une antenne primaire et d'une antenne secondaire.
Chacune des antennes faisant partie du réseau antennaire comprend une ou plusieurs
parties rayonnantes. Les parties rayonnantes de chaque antenne distincte sont séparées
physiquement. Par l'expression « séparées physiquement », il est entendu qu'il n'existe
pas de contact physique entre deux parties rayonnantes appartenant à deux antennes
distinctes.
[0013] Pour la suite, il est défini deux axes X et Y contenus dans les figures 1 à 3. L'axe
X est perpendiculaire à l'axe Y. Une direction parallèle à l'axe X est appelée une
direction longitudinale et une direction parallèle à l'axe Y est appelée une direction
transversale.
[0014] Le réseau antennaire 10 comporte une source 12, une première antenne 14, une deuxième
antenne 16, une troisième antenne 18 et un circuit 19 (non représenté en figure 1).
[0015] La première antenne 14 est une antenne associée à la source 12. La source 12 délivrant
un signal utile pour l'application considérée pour le réseau 10, la première antenne
14 est considérée comme une antenne primaire. Ainsi, la première antenne 14 est dite
antenne primaire dans la suite.
[0016] La deuxième antenne 16 est une antenne associée à une charge passive ou active. La
deuxième antenne 16 n'est pas directement associée à une source délivrant un signal
utile. La deuxième antenne 16 est, en ce sens, une antenne secondaire alors que la
première antenne 14 est une antenne primaire. La même remarque s'applique pour la
troisième antenne 18. Ainsi, la deuxième antenne 16 et la troisième antenne 18 sont
dites antennes secondaires dans la suite de la description.
[0017] Le nombre d'antennes du réseau antennaire 10 est donné à titre d'exemple, tout type
de réseau antennaire 10 comprenant au moins une antenne pouvant être reliée à un circuit
19 pouvant être considéré.
[0018] En particulier, le réseau antennaire 10 comprend, dans certains modes de réalisation,
plusieurs antennes primaires.
[0019] En variante, le réseau antennaire 10 comprend un grand nombre, par exemple une dizaine
ou une centaine, d'antennes secondaires.
[0020] Le réseau antennaire 10 est propre à générer une onde électromagnétique notée Ototale.
Le réseau antennaire 10 est ainsi propre à fonctionner pour au moins une longueur
d'onde notée λ dans la suite de la description. La longueur d'onde λ est comprise
entre quelques centièmes de millimètres et quelques dizaines de mètres. Cela correspond,
en termes de fréquences, à des fréquences comprises entre la bande haute fréquence
(souvent désignée par l'acronyme HF) et des fréquences de l'ordre de quelques TéraHertz.
[0021] Selon l'application considérée (téléphonie cellulaire, domotique...), le réseau antennaire
10 est propre à fonctionner sur des gammes de fréquences plus restreintes.
[0022] Avantageusement, le réseau antennaire 10 est propre à fonctionner pour une bande
de fréquences comprises entre 30 MHz et 90 GHz. Cela rend le réseau antennaire 10
considéré particulièrement adapté pour les radiocommunications.
[0023] Le circuit 19 est un circuit présentant des paramètres influençant l'onde électromagnétique
générée par le réseau antennaire 10.
[0024] Le circuit 19 est soit un circuit de couplage à base de guides d'ondes associé à
une charge Z comme l'illustre la figure 2, soit au moins une charge comme le montre
la figure 3, soit un circuit hybride entre le circuit de couplage de la figure 2 et
la charge montrée en figure 3.
[0025] Dans la figure 2, le circuit 19 est un guide d'ondes reliant la deuxième antenne
16 à la troisième antenne 18 par l'intermédiaire d'une charge Z (qui peut ne pas être
présente). Cet agencement simple peut être rendu aussi complexe que désiré selon les
modes de réalisation envisagés.
[0026] Dans le cas du circuit 19 de la figure 2, les paramètres influençant l'onde électromagnétique
Ototale générée par le réseau antennaire 10 sont les paramètres caractérisant la forme
du circuit de couplage. Par exemple, l'impédance de la charge Z, l'impédance propre
du guide d'ondes utilisé, la longueur du guide d'ondes sont des exemples de paramètres
caractérisant le circuit de couplage. Dans le cas de la figure 3, le circuit 19 comporte
deux charges 20, 21, la première charge 20 étant reliée à la deuxième antenne 16 et
la deuxième charge 21 étant reliée à la troisième antenne 18.
[0027] Dans cet exemple, les paramètres influençant l'onde électromagnétique Ototale générée
par le réseau antennaire 10 sont la valeur de l'impédance de chacune des deux charges
20, 22.
[0028] De préférence, au moins une charge parmi la première charge 20 et la deuxième charge
22 comprend deux composants distincts, un premier composant étant une résistance et
l'autre composant étant choisi parmi une inductance ou une capacité.
[0029] Par « composant distinct », il est entendu que chaque composant présente des impédances
parasites négligeables par rapport à son impédance principale. Ainsi, une résistance
a une valeur de résistance bien supérieure à la résistance parasite d'une inductance
ou d'une capacité. De même, une capacité a une valeur de capacitance bien supérieure
à la capacitance parasite d'une inductance ou d'une résistance et une inductance a
une valeur d'inductance bien supérieure à l'inductance parasite d'une résistance ou
d'une capacité.
[0030] Dans le cas de la figure 3, à titre d'exemple, ce sont les deux charges 20 et 22
qui comportent deux composants distincts.
[0031] De préférence, l'impédance de chaque charge 20, 22 présente :
- une partie réelle strictement inférieure à 0, ou
- une partie imaginaire non nulle et une partie réelle non nulle.
[0032] Selon un autre mode de réalisation, au moins une charge 20, 22 présente une impédance
réglable. Cela rend le réseau antennaire 10 plus flexible.
[0033] En variante, au moins une charge 20, 22 est un composant actif.
[0034] Il est proposé de déterminer le réseau antennaire 10 illustré à la figure 2 ou à
la figure 3 à l'aide d'un procédé de détermination.
[0035] Le procédé de détermination comporte une étape de choix d'un critère à vérifier pour
l'onde Ototale générée par le réseau antennaire 10.
[0036] De manière générale, le critère est soit un critère de performance soit un critère
de conformité à un masque.
[0037] La directivité du réseau antennaire 10 dans une direction donnée et le rapport du
retour avant/arrière du réseau antennaire 10 sont deux exemples de critère de performance.
[0038] Que le diagramme de rayonnement du réseau 10 soit sensiblement identique à un diagramme
de rayonnement obtenu selon un masque spécifique, ou que le diagramme de rayonnement
du réseau 10 dans un environnement perturbé soit identique à un diagramme de rayonnement
désiré sont deux exemples de critère de conformité à un masque.
[0039] Le procédé s'appuie sur une étape suivante de décomposition d'une onde dans une base.
Le procédé comporte aussi une étape de détermination des coefficients de décomposition
souhaités, par exemple en décomposant une onde vérifiant le critère choisi. De préférence,
la base utilisée à l'étape de décomposition est la base des modes sphériques. Cette
base permet de simplifier les calculs à effectuer tout en gardant une bonne précision.
En effet, choisir cette base n'implique pas d'utiliser une approximation.
[0040] Avantageusement, l'étape de décomposition est effectuée à l'aide d'un calcul matriciel
pour diminuer le temps de mise en œuvre de cette étape.
[0041] Le procédé comprend alors une étape de calcul des paramètres influençant l'onde électromagnétique
Ototale générée par le réseau antennaire 10, par exemple les paramètres de chaque
circuit 20, 22 du réseau antennaire 10 pour que l'écart entre les coefficients de
décomposition sur la base de l'onde générée par le réseau antennaire 10 et les coefficients
de décomposition souhaités soit minimum.
[0042] Appliqué au cas de la figure 2, cette étape de calcul permet d'obtenir les paramètres
caractérisant la forme du circuit de couplage formant le circuit 19.
[0043] Appliqué au cas de la figure 3, cette étape de calcul permet d'obtenir la valeur
des impédances Z1 et Z2 des deux charges 20, 22.
[0044] Avantageusement, l'étape de calcul est effectuée à l'aide de calcul matriciel, ce
qui simplifie la mise en œuvre de cette étape.
[0045] De préférence, l'étape de calcul comporte une sous-étape de calcul d'un vecteur d'excitation
Λ du réseau antennaire 10 permettant d'obtenir les coefficients de décomposition souhaités
et une sous-étape de détermination des paramètres influençant l'onde électromagnétique
Ototale générée par le réseau antennaire 10 de chaque charge 20, 22 du réseau antennaire
10 à partir du vecteur d'excitation Λ calculé.
[0046] Le procédé permet ainsi d'optimiser le réseau antennaire 10 pour que le réseau antennaire
10 réponde à un critère voulu. Cette optimisation est une optimisation permettant
de trouver la meilleure valeur si elle existe et ce de manière exacte, sans avoir
à effectuer une optimisation itérative.
[0047] Ainsi, il est obtenu un réseau antennaire 10 présentant des propriétés améliorées.
[0048] Le réseau antennaire 10 ainsi déterminé trouve son application dans de nombreux système.
A titre d'exemple, il peut être cité un véhicule, un terminal, un téléphone mobile,
un point d'accès de réseau sans-fil, une station de base, une sonde d'excitation radiofréquence
...
[0049] Dans la suite, il est détaillé, à titre d'exemple, le réseau antennaire 10 de la
figure 3 ainsi que le procédé de détermination appliqué au réseau antennaire 10 de
la figure 3, étant entendu que l'extension de l'application du procédé de détermination
au réseau antennaire 10 décrit dans la figure 2 est accessible à l'homme du métier
à l'aide des enseignements ci-après.
[0050] La figure 3 illustre une représentation schématique d'un réseau antennaire 10 comportant
une source 12, une première antenne 14, une deuxième antenne 16, une troisième antenne
18, un circuit 19 comprenant une première charge 20 et une deuxième charge 22.
[0051] La source 12 est, par exemple, un générateur d'ondes radiofréquences. La source 12
est propre à fournir des ondes radiofréquences d'excitation de l'antenne primaire
14 à la longueur d'onde λ. La source 12 est reliée à la première antenne 14. La source
12 peut présenter une impédance interne de 50 Ohms.
[0052] Selon l'exemple de la figure 3, la première antenne 14 se présente sous la forme
d'un fil conducteur s'étendant le long d'une direction longitudinale. Le long de cette
direction longitudinale, la première antenne 14 présente une dimension égale à λ/2.
[0053] Selon l'exemple de la figure 3, la deuxième antenne 16 se présente également sous
la forme d'un fil conducteur s'étendant le long d'une direction longitudinale. Le
long de cette direction longitudinale, la deuxième antenne 16 présente une dimension
égale à λ/2. La deuxième antenne 16 est disposée parallèlement à la première antenne
14 à une distance de λ/10 par rapport à la première antenne 14 le long d'une direction
transversale.
[0054] Selon l'exemple de la figure 3, la troisième antenne 18 se présente également sous
la forme d'un fil conducteur s'étendant le long d'une direction longitudinale. Le
long de cette direction longitudinale, la troisième antenne 18 présente une dimension
égale à λ/2. La troisième antenne 18 est disposée parallèlement à la première antenne
14 à une distance de λ/10 par rapport à la première antenne 14 le long d'une direction
transversale. La troisième antenne 18 est aussi disposée parallèlement à la deuxième
antenne 16 à une distance de λ/5 par rapport à la deuxième antenne 16 le long de la
direction transversale. Autrement formulé, la première antenne 14 est disposée au
milieu de la deuxième antenne 16 et de la troisième antenne 18. Cet agencement n'est
décrit qu'à titre d'exemple, étant entendu que tout autre agencement est envisageable.
[0055] La première charge 20 est reliée à la deuxième antenne 16.
[0056] La première charge 20 comprend au moins deux composants distincts. Par exemple, la
première charge 20 est l'association d'un condensateur et d'une résistance. En variante,
la première charge 20 est l'association d'une inductance et d'une résistance.
[0057] L'impédance de la première charge 20 est notée Z1.
[0058] Avantageusement, l'impédance Z1 de la première charge 20 présente une partie réelle
strictement inférieure à 0, ou une partie imaginaire non nulle et une partie réelle
non nulle. En effet, la mise en œuvre de ces types de charge permet d'obtenir une
décomposition de l'onde plus proche de coefficients recherchés, en comparaison avec
les solutions classiques qui excluent l'utilisation de résistances associées aux réactances
pour limiter les pertes dans le réseau antennaire 10.
[0059] Cela signifie que la première charge 20 n'est pas une résistance pure ou une réactance
pure.
[0060] Ainsi, selon un mode de réalisation, l'impédance Z1 de la première charge 20 est
équivalente à l'association en série d'une résistance et d'une bobine, l'inductance
de la bobine étant supérieure à 1 nH.
[0061] Selon un autre mode de réalisation, l'impédance Z1 de la première charge 20 est équivalente
à l'association en série d'une résistance et d'un condensateur, la capacité du condensateur
étant supérieure à 0,1 pF. Selon encore un autre mode de réalisation, l'impédance
Z1 de la première charge 20 est équivalente à l'association en série d'une résistance
et d'un condensateur ou d'une bobine, la résistance étant supérieure à 0,1 Ohms.
[0062] Selon une variante, l'impédance Z1 présente une partie réelle négative. La réalisation
d'une résistance négative se fait de manière connue dans l'état de la technique par
introduction d'un dispositif actif, par exemple un amplificateur opérationnel pour
réaliser une résistance négative.
[0063] Selon une autre variante, l'impédance Z1 présente une partie imaginaire négative.
La réalisation d'une capacité ou d'une inductance négative se fait à l'aide d'un montage
de type Negative Impedance Converter (NIC).
[0064] Ainsi, selon ces deux variantes qui peuvent se combiner, la première charge 20 comprend
un ou plusieurs composants actifs.
[0065] Un autre avantage des composants actifs est qu'il permette de réaliser aisément des
composants ayant l'impédance opposée qui serait difficile à réaliser pratiquement.
Typiquement, une grande inductance de faible encombrement est difficile à obtenir
à l'aide d'une inductance mais peut être obtenue avec un montage réalisant une capacité
négative. De même, une petite capacitance est plus facilement obtenue en utilisant
un montage réalisant une inductance négative.
[0066] Préférentiellement, l'impédance Z1 correspond à l'impédance d'une charge mixte à
la fois résistive et réactive. Autrement dit, l'impédance Z1 présente une partie réelle
non nulle et une partie imaginaire non nulle.
[0067] La deuxième charge 22 est reliée à la troisième antenne 18.
[0068] La deuxième charge 22 présente une impédance Z2. Les mêmes remarques que celles faites
précédemment pour l'impédance Z1 de la première charge 20 s'appliquent pour l'impédance
Z2 de la deuxième charge 22.
[0069] Le fonctionnement du réseau antennaire 10 est maintenant décrit.
[0070] En fonctionnement, la source 12 émet une onde radiofréquence propre à exciter la
première antenne 14.
[0071] La première antenne 14 émet alors une première onde radiofréquence O1 sous l'effet
de l'excitation due à la source 12. Cette onde radiofréquence O1 correspond à un premier
champ électrique noté E1.
[0072] Le champ électrique E1 excite ensuite les antennes secondaires 16 et 18.
[0073] En réponse, la deuxième antenne 16 émet une deuxième onde radiofréquence O2 sous
l'effet de l'excitation due au champ électrique E1. Cette deuxième onde radiofréquence
O2 correspond à un deuxième champ électrique noté E2. Le deuxième champ électrique
E2 dépend notamment de la valeur de l'impédance Z1 de la première charge 20.
[0074] Similairement, en réponse, la troisième antenne 16 émet une troisième onde radiofréquence
O3 sous l'effet de l'excitation due au champ électrique E1. Cette troisième onde radiofréquence
O3 correspond à un troisième champ électrique noté E3. Le troisième champ électrique
E3 dépend notamment de la valeur de l'impédance Z3 de la deuxième charge 22.
[0075] Ainsi, lorsque la source 12 émet une onde radiofréquence, le réseau antennaire 10
émet une onde radiofréquence Ototale qui correspond à la superposition de la première
onde générée par la première antenne 14 et des deuxième et troisième ondes générées
par les deuxième et troisième antennes 16 et 18. En termes de champ électrique, en
notant Etotal le champ électrique du réseau antennaire 10 associé à l'onde radiofréquence
Ototal, une telle superposition implique que le champ électrique du réseau antennaire
10 est la somme des trois champs électriques des trois antennes 14, 16, 18 du réseau.
Cela s'écrit mathématiquement suivant la relation suivante :
[0076] Dans la précédente relation, il a été mis en évidence que le champ électrique du
réseau antennaire 10 est fonction de la valeur des impédances Z1 et Z2 des première
et deuxième charges 20, 22 via le deuxième champ E2 et le troisième champ E3.
[0077] Cette dépendance confère au réseau antennaire 10 une possibilité de réglage du champ
électrique générée par le réseau antennaire 10 indépendante de la structure propre
du réseau antennaire 10 (nombres d'antennes 14, 16, 18, forme des antennes 14, 16,
18 et positions relatives des antennes 14, 16, 18). Ceci est particulièrement avantageux
dans la mesure où la modification de la structure du réseau antennaire 10 entraîne
des modifications du champ électrique produite par le réseau antennaire 10 souvent
difficile à prévoir.
[0078] Par la modification des valeurs des impédances Z1 et Z2 des charges 20 et 22, il
est possible de modifier le diagramme de rayonnement obtenu pour le réseau antennaire
10. En particulier, selon un mode de réalisation préféré, le diagramme de rayonnement
est rendu directif dans une direction privilégiée en imposant les valeurs d'impédances
Z1 et Z2. Cette propriété est obtenue tout en conservant un réseau antennaire 10 compact.
En effet, le réseau antennaire 10 présente une dimension de λ/2 le long d'une direction
longitudinale et une dimension de λ/5 le long d'une direction transversale.
[0079] La propriété du réseau antennaire 10 selon laquelle le rayonnement total produit
est contrôlable par le choix des impédances Z1, Z2 des charges 20, 22 est notamment
exploitable dans le cadre d'un procédé de détermination du réseau antennaire 10 pour
que l'onde radiofréquence totale Ototale générée par le réseau antennaire 10 respecte
un critère souhaité. Un exemple de mise en œuvre d'un tel procédé est décrit dans
ce qui suit.
[0080] Pour une meilleure compréhension, le procédé est d'abord présenté dans un cas général
d'un réseau antennaire 10 quelconque comprenant un nombre quelconque d'antennes puis
appliqué au cas particulier du réseau antennaire 10 présenté à la figure 3.
[0081] Le procédé de détermination comprend d'abord une étape de choix d'un critère à vérifier
pour l'onde radiofréquence totale Ototale générée par le réseau antennaire 10
[0082] A titre d'exemple, pour la suite de la description, il est supposé que le critère
choisi est une meilleure directivité du réseau antennaire 10 dans une direction d'angle
d'élévation θ
0 et d'angle d'azimut ϕ
0. D'autres critères peuvent être envisagés comme l'optimisation vis-à-vis d'un critère
de performances de l'antenne comme la réduction d'un niveau de polarisation croisée
(c'est-à-dire perpendiculaire à la polarisation principale de l'onde considérée) dans
une direction donnée ou encore la maximisation d'un rapport avant-arrière etc. Le
critère peut être aussi la conformité à un type de rayonnement donné par exemple un
rayonnement de type dipolaire ou tout autre rayonnement spécifié par un masque de
rayonnement.
[0083] Le procédé s'appuie sur une décomposition d'une onde dans une base. Le procédé comporte
aussi une étape de détermination des coefficients de décomposition permettant d'atteindre
le critère choisi par exemple en décomposant une onde vérifiant le critère choisi.
[0084] Selon l'exemple illustré, la base choisie est la base des modes sphériques parce
que cette base permet de simplifier les calculs à effectuer tout en gardant une bonne
précision. En effet, choisir cette base n'implique pas de réaliser une approximation.
[0085] En variante, toute autre base pourrait être considérée. Notamment, la base des ondes
planes est utilisable pour décomposer l'onde considérée.
[0086] La base des modes sphériques se définit à partir de l'observation suivante : dans
un milieu isotrope, homogène et sans source, un champ électrique E s'exprime dans
une base sphérique repérée par les coordonnées r, θ et ϕ sous la forme :
[0087] Où:
- η est l'impédance du vide (milieu de propagation),
- j le nombre complexe,
- k est la norme du vecteur d'onde associé au champ électrique E,
- Qsmn est le coefficient de décomposition du champ électrique E sur le mode s, m, n de
la base des modes sphériques, et
- K1mn(θ,ϕ) et K2mn(θ,ϕ) sont les différents modes sphériques.
[0089] D'un point de vue matriciel, l'existence de la base des modes sphériques traduit
que dans un milieu isotrope, homogène et sans source, un champ électrique E s'exprime
comme :
[0091] L'emploi du formalisme matriciel permet de simplifier les calculs du procédé de détermination.
[0092] Lorsque ce formalisme matriciel est appliqué au cas particulier de l'obtention d'une
plus grande directivité du réseau antennaire 10 dans une direction par l'angle d'élévation
θ
0 et l'angle d'azimut ϕ
0, il est possible de montrer qu'une onde vérifiant un tel critère est une onde dont
la matrice regroupant les différents coefficients Q
smn de décomposition du champ électrique vérifie la relation suivante :
[0093] Où:
- a est une constante de normalisation,
- «.» désigne la multiplication scalaire, et
- «*» désigne l'opération mathématique de conjugaison complexe.
[0094] Cette dernière relation permet donc d'obtenir des coefficients de décomposition souhaités.
[0095] Le procédé de détermination comporte ensuite une étape de calcul des valeurs des
impédances Z1, Z2 de chaque charge 20, 22 du réseau antennaire 10 pour que l'écart
entre les coefficients de décomposition sur la base de l'onde générée par le réseau
antennaire 10 et les coefficients de décomposition souhaités soit minimisé.
[0096] L'étape de calcul comporte une sous-étape d'expression de l'onde générée par le réseau
antennaire 10 sur la base des modes sphériques.
[0097] Selon un mode de réalisation préféré, cette sous-étape d'expression est mise en œuvre
en décomposant le champ électrique associé à l'onde générée par le réseau antennaire
10 en champ électrique élémentaire produit par chaque antenne faisant partie du réseau
antennaire 10.
[0098] Ainsi qu'expliqué précédemment, pour le cas spécifique du réseau antennaire 10 de
la figure 3, le champ électrique E1 lié à la première antenne 14, le champ électrique
E2 généré par la deuxième antenne 16 et le champ électrique E3 généré par la troisième
antenne 18 sont liés au champ électrique total Etotal produit par le réseau antennaire
10 selon la relation :
[0099] Cette décomposition en champs électriques élémentaires permet de faciliter les calculs
effectués dans la suite de la mise en œuvre du procédé. En effet, cette décomposition
prend uniquement en compte la structure propre de chaque antenne et pas les éventuelles
charges auxquelles cette antenne pourrait être reliée.
[0100] La sous-étape d'expression comporte ensuite l'expression de chaque champ électrique
élémentaire dans la base des modes sphériques, ce qui se traduit mathématiquement
par :
[0101] Où:
- la dépendance en θ et ϕ n'est pas reprise pour alléger les notations,
- Ei est le champ électrique généré par la i-ème antenne, et
- Qi est la matrice regroupant les différents coefficients Qsmn de décomposition du champ électrique généré par la i-ème antenne.
[0102] La sous-étape d'expression comprend ensuite une étape de concaténation des différentes
matrices Qi regroupant les différents coefficients Q
smn de décomposition du champ électrique généré par la i-ème antenne pour obtenir une
matrice Qtot correspondant à l'expression de l'onde générée par le réseau antennaire
10 sur la base des modes sphériques.
[0103] L'étape de calcul comprend une sous-étape de calcul du vecteur d'excitation permettant
d'obtenir les coefficients de décomposition souhaités représentés par la matrice Q
OPT. Ceci revient à résoudre l'équation suivante :
[0104] Où:
- Λ est le vecteur d'excitation du réseau antennaire 10, et
- Qtot est l'association au sein d'une seule matrice des Qi.
[0105] A l'issue de la sous-étape de calcul du vecteur d'excitation Λ, il est obtenu un
vecteur d'excitation dépendant uniquement de la structure du réseau antennaire 10
et du critère choisi pour l'onde Ototale générée par le réseau antennaire 10.
[0106] L'étape de calcul comprend ensuite une sous-étape de détermination des valeurs des
impédances Z1, Z2 de chaque charge 20, 22 du réseau antennaire 10 à partir du vecteur
d'excitation Λ calculé.
[0107] Pour cela, selon un mode de réalisation, l'équation suivante est résolue :
[0108] Où:
- M est la matrice décrivant les couplages ainsi que les réflexions associées à chacune
des charges du réseau antennaire 10 soit, dans le cas particulier de la figure 3,
aux première et deuxième charges 20, 22,
- P est la matrice représentant les connections entre le réseau antennaire 10 et des
signaux externes, et
- U est un vecteur décrivant la pondération des signaux externes.
[0109] Appliquée au réseau antennaire 10 de la figure 3, la résolution de l'équation matricielle
précédente permet de trouver les solutions suivantes :
et
[0110] Pour de telles valeurs des impédances des deux charges 20, 22 du réseau 10, une bonne
directivité dans la direction d'angle d'élévation θ
0 et d'angle d'azimut ϕ
0 est obtenue.
[0111] Cela apparaît notamment à l'étude de la figure 4. Dans cette figure 4, quatre diagrammes
de rayonnement sont représentés. Chaque diagramme de rayonnement présente la répartition
angulaire de la puissance rayonnée en fonction de l'angle d'azimut ϕ
0 à angle d'élévation constant (en l'occurrence θ
0 = 90°).
[0112] Le diagramme représenté par une courbe 100 correspond au diagramme obtenu pour le
réseau 10 en présence d'une charge résistive à la place de chacune des première et
deuxième charges 20, 22 ; le diagramme représenté par une courbe 102 correspond au
diagramme obtenu pour le réseau 10 en présence d'un court-circuit à la place de chacune
des première et deuxième charges 20, 22 ; le diagramme représenté par une courbe 104
correspond au diagramme obtenu pour le réseau 10 en présence d'une charge réactive
à la place de chacune des première et deuxième charges 20, 22 et le diagramme représenté
par une courbe 106 en noir tracé en gras correspond au diagramme obtenu pour le réseau
10 en présence des première et deuxième charges 20, 22 présentant les valeurs déterminées
précédemment.
[0113] Il apparaît que pour la direction d'angle d'élévation θ
0 = 90° et d'angle d'azimut ϕ
0 = 0°, la directivité du réseau 10 selon l'invention est de 10 dBi (dBi pour décibel
isotrope). De manière générale, la directivité d'une antenne s'exprime normalement
en dBi, en prenant pour référence une antenne isotrope, c'est-à-dire une antenne fictive
qui rayonne uniformément dans toutes les directions. La directivité de cette antenne
fictive est donc égal à 1, soit 0 dBi. La directivité du réseau 10 selon l'invention
est donc supérieure aux directivités des autres courbes.
[0114] Le gain en directivité s'observe aussi en examinant les formes des courbes 100, 102,
104 et 106. En effet, pour le réseau antennaire de la figure 3, il est observé une
réduction du rayonnement en dehors de la direction principale.
[0115] De ce fait, le réseau 10 de la figure 3 présente une directivité améliorée dans la
direction d'angle d'élévation θ
0 = 90° et d'angle d'azimut ϕ
0 = 0°.
[0116] En variante, au lieu de considérer comme critère la directivité, d'autres critères
voulus pour le réseau antennaire 10 sont considérés.
[0117] A titre d'exemple, le critère correspond à imposer que le rapport avant/arrière (aussi
désigné sous le terme anglais de Front/Back ratio) du réseau 10 soit supérieur à une
valeur désirée, que le diagramme de rayonnement du réseau 10 soit identique à un diagramme
de rayonnement obtenu avec un masque spécifique ou que le diagramme de rayonnement
du réseau 10 dans un environnement perturbé soit identique à un diagramme de rayonnement
désiré.
[0118] Dans chacun des cas proposés, une manière de prendre en compte le critère est d'imposer
une matrice spécifique pour la matrice regroupant les différents coefficients Q
smn de décomposition du champ électrique à l'étape de décomposition d'une onde vérifiant
le critère choisi dans une base pour obtenir des coefficients de décomposition souhaités.
[0119] Par exemple, c'est le cas lorsque le critère correspond à imposer que le diagramme
de rayonnement du réseau 10 dans un environnement perturbé soit identique à un diagramme
de rayonnement désiré. A titre d'exemple d'application, le réseau antennaire 10 est
destiné à être fixé sur une partie supérieure de forme allongée d'un véhicule. La
forme allongée perturbe le rayonnement du réseau antennaire 10. En réalisant l'optimisation
de l'antenne selon le procédé objet de l'invention, il est possible d'obtenir une
forme d'onde voulue générée par l'ensemble du véhicule.
[0120] Le procédé de détermination précédemment décrit s'applique à tout type de réseau
antennaire 10 comprenant au moins une antenne pouvant être reliée à une charge. En
particulier, le réseau antennaire 10 comprend, dans certains modes de réalisation,
plusieurs antennes primaires.
[0121] En variante, le procédé de détermination comprend également des modifications des
caractéristiques de la structure du réseau antennaire 10 de manière à favoriser le
respect du critère choisi. Par exemple, il est possible de modifier la distance entre
la première antenne 14 et la deuxième antenne 16. Alternativement, il est choisi de
modifier la longueur de la deuxième antenne 16. Pour cela, il suffit de prendre en
compte les caractéristiques de la structure du réseau antennaire 10 à faire varier
dans la sous-étape d'expression de l'onde générée par le réseau antennaire 10 sur
la base des modes sphériques. Le vecteur d'excitation comprendra alors les caractéristiques
de la structure du réseau antennaire 10 à faire varier. La résolution de l'équation
au niveau de la sous-étape de détermination comprendra non seulement la détermination
des valeurs des impédances Z1, Z2 des charges 20, 21 mais également la détermination
des caractéristiques de la structure du réseau antennaire 10 que l'on souhaite faire
varier.
[0122] Dans tous les cas, il est obtenu un réseau antennaire 10 présentant des propriétés
améliorées. Selon les modes de réalisation, le réseau antennaire 10 est fixe, ni la
structure ni les valeurs des impédances Z1, Z2 des charges 20, 21 n'étant ajustables.
Par exemple, dans le cas d'une utilisation du réseau antennaire 10 pour pointer l'objet
(une télécommande par exemple) avec lequel l'utilisateur communique, la propriété
de bonne directivité sera favorisée au détriment des autres. Dans d'autres modes de
réalisation, selon les utilisations, il convient de favoriser l'une ou l'autre des
propriétés du réseau antennaire (passage d'une configuration directive à une configuration
non-directive). Dans ce cas, il est particulièrement avantageux que les charges 20,
21 soient ajustables. Typiquement, les charges 20, 21 sont des potentiomètres associés
à un composant d'inductance variable ou de capacitance variable. Cela permet d'accroître
encore le caractère adaptable du réseau antennaire 10 selon l'invention.
1. Procédé de détermination d'un réseau antennaire (10) propre à générer une onde électromagnétique
(Ototale), le réseau (10) comprenant :
- au moins une antenne primaire et une antenne secondaire (16, 18),
- au moins un circuit (19, 20, 22) présentant des paramètres (Z, Z1, Z2) influençant
l'onde électromagnétique (Ototale) générée par le réseau antennaire (10) et relié
à au moins une antenne (16, 18),
le circuit (19) étant un circuit de couplage à base de guide d'ondes, les paramètres
influençant l'onde électromagnétique (Ototale) générée par le réseau antennaire (10)
étant les paramètres caractérisant l'impédance du guide d'ondes, la longueur du guide
et l'impédance d'une charge (Z) associée au circuit de couplage ou le circuit (19,
20, 22) étant au moins une charge (20, 22), les paramètres (Z1, Z2) influençant l'onde
électromagnétique (Ototale) générée par le réseau antennaire (10) étant la valeur
de l'impédance de chaque charge (20, 22), les paramètres étant déterminés par un procédé
comportant les étapes de :
- choix d'un critère à vérifier pour l'onde (Ototale) générée par le réseau antennaire
(10), le critère étant choisi dans un groupe constitué des éléments suivants :
- la directivité du réseau antennaire (10) dans une direction donnée,
- le rapport du retour avant/arrière du réseau antennaire (10),
- le diagramme de rayonnement du réseau (10) est sensiblement identique à un diagramme
de rayonnement obtenu avec un masque spécifique, et
- le diagramme de rayonnement du réseau (10) dans un environnement perturbé est identique
à un diagramme de rayonnement désiré, caractérisé en ce que le procédé comprend les étapes additionnelles de
- détermination de coefficients de décomposition souhaités d'une onde dans une base
permettant d'atteindre le critère choisi,
- calcul des paramètres (Z, Z1, Z2) influençant l'onde électromagnétique (Ototale)
générée par le réseau antennaire (10) pour chaque circuit (19, 20, 22) du réseau antennaire
(10) de façon que l'écart entre les coefficients de décomposition sur la base de l'onde
générée par le réseau antennaire (10) et les coefficients de décomposition souhaités
soit minimum,
- configuration du réseau antennaire avec les paramètres (Z, Z1, Z2) calculés.
2. Procédé de détermination d'un réseau selon la revendication 1, dans lequel l'étape
de calcul du procédé par lequel les paramètres sont obtenus comprend une sous-étape
de :
- calcul d'un vecteur d'excitation (Λ) du réseau antennaire (10) à partir des coefficients
de décomposition souhaités, et
- détermination des paramètres (Z, Z1, Z2) influençant l'onde électromagnétique (Ototale)
générée par le réseau antennaire (10) de chaque circuit (19, 20, 22) du réseau antennaire
(10) à partir du vecteur d'excitation (Λ) calculé.
3. Procédé de détermination d'un réseau selon la revendication 1 ou 2, dans lequel les
étapes de décomposition et de calcul du procédé par lequel les paramètres sont obtenus
sont effectuées à l'aide de calcul matriciel.
4. Procédé de détermination d'un réseau selon l'une quelconque des revendications 1 à
3, dans lequel la base utilisée dans l'étape de détermination du procédé par lequel
les paramètres sont obtenus est la base des modes sphériques.
5. Procédé de détermination d'un réseau selon l'une quelconque des revendications 1 à
4, dans lequel le circuit (19, 20, 22) est au moins une charge (20, 22), les paramètres
(Z1, Z2) influençant l'onde électromagnétique (Ototale) générée par le réseau antennaire
(10) étant la valeur de l'impédance de chaque charge (20, 22) et dans lequel au moins
une charge (20, 22) comprend deux composants distincts, un premier composant étant
une résistance et le deuxième composant étant choisi parmi une inductance ou une capacité.
6. Procédé de détermination d'un réseau selon l'une quelconque des revendications 1 à
5, dans lequel le circuit (19, 20, 22) est au moins une charge (20, 22), les paramètres
(Z1, Z2) influençant l'onde électromagnétique (Ototale) générée par le réseau antennaire
(10) étant la valeur de l'impédance de chaque charge (20, 22) et dans lequel au moins
une charge (20, 22) comprend une résistance négative.
1. Verfahren zum Bestimmen einer Gruppenantenne (10), die geeignet ist, eine elektromagnetische
Welle (Ototale) zu erzeugen, wobei die Gruppenantenne (10) umfasst:
- mindestens eine Primärantenne und Sekundärantenne (16, 18),
- mindestens einen Schaltkreis (19, 20, 22), der Parameter (Z, Z1, Z2) aufweist, die
die von der Gruppenantenne (10) erzeugte elektromagnetische Welle (Ototale) beeinflussen,
und der mit mindestens einer Antenne (16, 18) verbunden ist,
wobei der Schaltkreis (19) ein Koppelkreis auf Basis eines Wellenleiters ist, die
die elektromagnetische Welle (Ototale) beeinflussenden Parameter die Impedanz des
Wellenleiters charakterisieren, die Länge des Wellenleiters und die Impedanz einer
Last (Z), die dem Koppelkreis oder dem Schaltkreis (19, 20, 22) zugeordnet ist, mindestens
eine Last (20, 22) sind, die Parameter (Z1, Z2), die die von der Gruppenantenne (10)
erzeugte elektromagnetische Welle (Ototale) beeinflussen, der Wert der Impedanz jeder
Last (20, 22) sind, wobei die Parameter durch ein Verfahren bestimmt werden, das die
folgenden Schritte aufweist:
- Auswählen eines zu verifizierenden Kriteriums für die von der Gruppenantenne (10)
erzeugten Welle (Ototale), wobei das Kriterium ausgewählt ist aus einer Gruppe, die
von den folgenden Elementen gebildet ist:
- Richtcharakteristik der Gruppenantenne (10) in eine gegebene Richtung,
- Vor-Rück-Verhältnis der Gruppenantenne (10),
- das Strahlungsdiagramm der Gruppenantenne (10) ist im Wesentlichen identisch zu
einem Strahlungsdiagramm, das mit einer spezifischen Maske erhalten wird und
- das Strahlungsdiagramm der Gruppenantenne (10) in einer gestörten Umgebung ist identisch
zu einem gewünschten Strahlungsdiagramm,
dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren die zusätzlichen Schritte umfasst:
- Bestimmen von gewünschten Zerlegungskoeffizienten einer Welle in einer Basis, die
ermöglicht, das gewählte Kriterium zu erzielen,
- Berechnen der Parameter (Z, Z1, Z2), die die von der Gruppenantenne (10) erzeugte
elektromagnetische Welle (Ototale) beeinflussen, für jeden Schaltkreis (19, 20, 22)
der Gruppenantenne (10) derart, dass die Differenz zwischen den Zerlegungskoeffizienten
auf der Basis der von der Gruppenantenne (10) erzeugten Welle und den gewünschten
Zerlegungskoeffizienten minimal ist,
- Konfigurieren der Gruppenantenne mit den berechneten Parametern (Z, Z1, Z2).
2. Verfahren zum Bestimmen einer Gruppenantenne nach Anspruch 1, bei dem der Schritt
des Berechnens des Verfahrens, durch das die Parameter erhalten werden, die Unterschritte
umfasst:
- Berechnen eines Erregungsvektors (Λ) der Gruppenantenne (10) aus den gewünschten
Zerlegungskoeffizienten und
- Bestimmen der Parameter (Z, Z1, Z2), die die von der Gruppenantenne (10) jedes Schaltkreises
(19, 20, 22) der Gruppenantenne (10) erzeugte elektromagnetische Welle (Ototale) beeinflussen,
aus dem berechneten Erregungsvektor (Λ).
3. Verfahren zum Bestimmen einer Gruppenantenne nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Schritte
der Zerlegung und der Berechnung des Verfahrens, durch das die Parameter erhalten
werden, mithilfe der Matrixberechnung durchgeführt werden.
4. Verfahren zum Bestimmen einer Gruppenantenne nach einem beliebigen der Ansprüche 1
bis 3, bei dem die bei dem Schritt des Bestimmens verwendete Basis des Verfahrens,
durch das die Parameter erhalten werden, die Basis der Kugelmodi ist.
5. Verfahren zum Bestimmen einer Gruppenantenne nach einem beliebigen der Ansprüche 1
bis 4, bei dem der Schaltkreis (19, 20, 22) mindestens eine Last (20, 22) ist, wobei
die Parameter (Z1, Z2), die die von der Gruppenantenne (10) erzeugte elektromagnetische
Welle (Ototale) beeinflussen, der Impedanzwert jeder Last (20, 22) sind, und bei dem
mindestens eine Last (20, 22) zwei unterschiedliche Komponenten umfasst, wobei eine
erste Komponente ein Widerstand ist und die zweite Komponente ausgewählt ist aus einer
Induktivität oder einer Kapazität.
6. Verfahren zum Bestimmen einer Gruppenantenne nach einem beliebigen der Ansprüche 1
bis 5, bei dem der Schaltkreis (19, 20, 22) mindestens eine Last (20, 22) ist, wobei
die Parameter (Z1, Z2), die die von der Gruppenantenne (10) erzeugte elektromagnetische
Welle (Ototale) beeinflussen, der Impedanzwert jeder Last (20, 22) sind, und bei dem
mindestens eine Last (20, 22) einen negativen Widerstand umfasst.
1. Method for determining an antenna array (10) capable of generating an electromagnetic
wave (Ototal), the array (10) comprising:
- at least one antenna (16, 18),
- at least one circuit (19, 20, 22) having parameters (Z, Z1, Z2) having an influence
on the electromagnetic wave (Ototal) generated by the antenna array (10) and connected
to at least one antenna (16, 18),
the circuit (19) being a coupling circuit based on a waveguide, the parameters having
an influence on the electromagnetic wave (Ototal) generated by the antenna array (10),
being the parameters characterizing the impedance of the waveguide, the length of
the guide and the impedance of an associated load (Z) with the coupling circuit or
the circuit (19, 20, 22) is at least one load (20, 22), the parameters (Z1, Z2) having
an influence on the electromagnetic wave (Ototal) generated by the antenna array (10),
being the value of the impedance of each load (20, 22), the parameters being determined
by a method comprising the steps for:
- selecting a criterion to be met for the wave (Ototal) generated by the antenna array
(10), the criterion is selected from a group consisting of the following elements:
- the directivity of the antenna array (10) in a given direction,
- the ratio of the front/back return of the antenna array (10),
- the radiation diagram of the array (10) is substantially identical with a radiation
diagram obtained with a specific mask, and
- the radiation diagram of the array (10) in a perturbed environment is identical
with a desired radiation diagram,
characterized in that the method comprises the additional steps of:
- determining desired decomposition coefficients of a wave in a basis giving the possibility
of attaining the selected criterion,
- calculating the parameters (Z, Z1, Z2) having an influence on the electromagnetic
wave (Ototal) generated by the antenna array (10) for each circuit (19, 20, 22) of
the antenna array (10) so that the difference between the decomposition coefficients
on the basis of the wave generated by the antenna array (10) and the desired decomposition
coefficients be minimal, and
- configuring the antenna array with the calculated parameters (Z, Z1, Z2).
2. The method for determining according to claim 1, wherein the calculating step comprises
a sub-step for:
- calculating an excitation vector (Λ) of the antenna array (10) from desired decomposition
coefficients, and
- determining the parameters (Z, Z1, Z2) having an influence on the electromagnetic
wave (Ototal) generated by the antenna array (10) of each circuit (19, 20, 22) of
the antenna array (10) from the calculated excitation vector (Λ).
3. The method for determining according to claim 1 or 2, wherein the decomposition and
calculating steps by which the parameters are obtained are carried out by means of
a matrix calculation.
4. The method for determining according to any of the claims 1 to 3, wherein the basis
used in the step of determining by which the parameters are obtained is the basis
of spherical modes.
5. The method for determining according to any of claims 1 to 4, wherein the circuit
(19) is a coupling circuit based on a waveguide, the parameters having an influence
on the electromagnetic wave (Ototal) generated by the antenna array (10), being the
parameters characterizing the impedance of the waveguide, the length of the guide
and the impedance of an associated load (Z) with the coupling circuit and wherein
at least one load (20, 22) comprises two separate components, a first component being
a resistor and the second component being selected from an inductor or a capacitor.
6. The method for determining according to any of claims 1 to 5, wherein the circuit
(19, 20, 22) is at least one load (20, 22), the parameters (Z1, Z2) having an influence
on the electromagnetic wave (Ototal) generated by the antenna array (10), being the
value of the impedance of each load (20, 22) and wherein at least one load (20, 22)
has a negative resistance.