La présente invention concerne un dispositif formant antenne, capteur ou sonde électromagnétique caractérisé en ce qu'il comprend au moins un module (10) comportant au moins deux antennes (100, 200) à polarisations respectives orthogonales entre elles, portées sur un support commun (20), l'une première (100) au moins de ces antennes étant formée d'une pluralité d'éléments rayonnants réalisés en technologie imprimée et synthétisant, en combinaison, une boucle.
La présente invention concerne le domaine des antennes, capteurs ou sondes électromagnétiques.
La présente invention s'applique en particulier, mais non exclusivement, au domaine de la métrologie et des systèmes de télécommunications mobiles (3G, 4G).
Elle permet d'atteindre des fréquences supérieures au GHz.
De nombreuses structures d'antennes et de capteurs ou sondes électromagnétiques ont déjà été proposées.
On connaît notamment des antennes formées de structures élémentaires, par exemple sous forme d'un dipole, adaptées pour enregistrer le champ électrique dans une polarisation linéaire de référence (soit verticale, soit horizontale). Cependant généralement les structures de ce type connues présentent des diagrammes non isotropes.
Il a également été proposé de regrouper plusieurs antennes élémentaires pour enregistrer simultanément plusieurs polarisations associées à des angles de vue différents. De telles antennes, dites « décorrélées » ont des diagrammes et des polarisations complémentaires.
La présente invention a maintenant pour but principal de proposer un dispositif présentant des propriétés supérieures à celles des dispositifs antérieurs connus.
La présente invention a en particulier pour but auxiliaire de proposer un dispositif présentant un maximum de capteurs décorrélés. Un tel objectif est particulièrement important dans le contexte des télécommunications mobiles. En effet la décorrélation entre capteurs devient un paramètre critique qui permet de faire de la diversité d'antennes pour lutter contre les évanouissements dus aux multi-trajets (phénomène dénommé « le fading de Raleigh »). Le fait de disposer d'un maximum de capteurs décorrélés dans un minimum d'espace devient de fait un atout considérable pour accroître le débit de la transmission grâce à un traitement judicieux des signaux provenant des différents capteurs.
Le but précité est atteint dans le cadre de la présente invention grâce à un dispositif comprenant au moins un module comportant au moins deux antennes à polarisations respectives orthogonales entre elles, portées sur un support commun et deux accès séparés reliés respectivement à l'une des deux antennes, l'une première au moins de ces antennes étant formée d'une pluralité d'éléments rayonnants réalisés en technologie imprimée et synthétisant, en combinaison, une boucle.
Selon d'autres caractéristiques avantageuses de la présente invention :
A titre de documents antérieurs, le déposant cite WO00/79649, US-4814777 et FR-2797098.
Le document WO00/79649 décrit un dispositif d'émission ou de réception de signaux comprenant un élément rayonnant et un élément de compensation adapté pour compenser la composante croisée de l'élément rayonnant.
L'invention se distingue au moins par 3 aspects de ce document.
En premier lieu, l'invention concerne un dispositif comprenant deux antennes ayant chacune leur accès respectif. Au contraire, il est clair que selon WO00/79649 l'élément de compensation n'est pas connecté à un réseau d'excitation (voir page 5, ligne 11).
En second lieu, rien dans le document WO00/79649 ne suggère une pluralité d'éléments rayonnants synthétisant en combinaison une boucle.
En troisième lieu, le document WO00/79649 concerne exclusivement de la polarisation circulaire alors que l'invention utilise des polarisations linéaires, Verticale et Horizontale.
Rien dans US-4814777 ne suggère une antenne formée par une pluralité d'éléments rayonnants synthétisants en combinaison, une boucle.
Et le document FR-2797098 ne peut palier à cette carence. De fait, FR-2797098 décrit une antenne comprenant trois plaques et une pluralité de métallisation définissant deux dipôles imprimés en T orthogonaux. L'homme de l'art ne peut aucunement envisager de réunir ces deux dipôles puisque précisément, selon FR-2797098, ils doivent rester séparés.
On notera de plus que dans FR-2797098, le rayonnement principal s'effectue dans la direction normale au plan de métallisation alors que dans l'invention, le rayonnement s'effectue dans le plan de la métallisation.
D'autres caractéristiques, buts et avantages de la présente invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui va suivre, et en regard des dessins annexés, donnés à titre d'exemples non limitatifs et sur lesquels :
Comme indiqué précédemment le dispositif conforme à la présente invention comprend au moins un module 10 composé de deux antennes 100, 200 ayant des polarisations orthogonales entre elles.
Arbitrairement ces deux antennes 100 et 200 seront dénommés antenne à polarisation horizontale 100 et antenne à polarisation verticale 200.
On va maintenant décrire la structure de l'antenne 100 à polarisation horizontale en regard de la figure 5.
Cette antenne 100 est inspirée des moyens décrits et illustrés dans le document FR-A-2 713 020. Elle définit des éléments rayonnants du type dipole réalisés en technologie imprimée.
Elle comprend un substrat en matériau électriquement isolant 20 qui porte sous forme de métallisations, sur une face, une pluralité d'éléments rayonnants 110 coplanaires et sur l'autre face des lignes 150 d'alimentation 50 ohms respectivement associées.
Le substrat 20 peut être formé en tout matériau approprié. Il peut s'agir par exemple d'une plaque de duroid, présentant une permittivité diélectrique de l'ordre de 2,2 et une hauteur ou épaisseur de l'ordre de 0,76 mm.
Les éléments rayonnants 110 sont adaptés pour synthétiser en combinaison une boucle centrée sur un axe Z perpendiculaire au substrat 20. En d'autres termes les éléments rayonnants 110 constitués de segments isolés transversaux à l'axe Z, correspondent aux brins principaux d'une boucle fictive commune centrée sur cet axe et perpendiculaire à celui-ci.
Les éléments rayonnants 110 sont symétriques par rapport à l'axe Z.
Il est de préférence prévu un nombre d'éléments rayonnants 110 multiple de 2.
Comme on le voit notamment sur la figure 2 selon un mode de réalisation particulier de la présente invention, l'antenne à polarisation horizontale 100 est formée d'une métallisation comprenant 4 éléments 130 ayant chacun la forme générale d'un T reliés à leur base au niveau d'un pavé quadrangulaire commun central 120.
Les têtes ou barres horizontales 132 de chacun des 4 éléments 130, transversales à l'axe Z, sont divisées en deux brins latéraux 133, 134 (de préférence de longueur identique) par une fente de couplage médiane 135 radiale par rapport à l'axe Z. Chaque fente 135 a de préférence un contour rectangulaire.
Typiquement la longueur cumulée des deux brins 133, 134, considérée perpendiculairement à la fente 135, est de l'ordre de grandeur de la longueur d'onde de fonctionnement.
Il est ainsi formé 4 paires de brins latéraux 133, 134 disposés selon les côtés d'un carré et synthétisant, comme indiqué précédemment une boucle.
Le pied 136 de chaque élément 130 s'étend également radialement par rapport à l'axe Z et respectivement perpendiculairement à l'un des côtés du pavé 120.
Les lignes d'alimentation 150 sont formées de lignes microruban par exemple d'une largeur de l'ordre de 2,35 mm. Elles comprennent des brins principaux 152 associés respectivement à chaque paire d'éléments rayonnants 133, 134. Ces brins principaux 152 sont sous jacents aux éléments rayonnants 133, 134 et perpendiculaires aux fentes 135. Ils servent à l'alimentation des éléments rayonnants 133, 134. Les brins 152 coupent les fentes 135 et s'étendent de part et d'autre de celles-ci.
Les brins principaux 152 qui s'étendent transversalement à l'axe Z sont prolongés par des brins auxiliaires 154, dirigés vers l'axe Z et sensiblement radiaux par rapport à ce dernier.
Ces derniers sont eux mêmes reliés par un réseau de pistes 156. Celui-ci est relié à un connecteur, par exemple de type SMA, permettant de relier l'antenne 100 à un câble coaxial classique.
Les longueurs et largeurs des brins rayonnants 133, 134, de la fente 135, et des lignes d'alimentation 152, ainsi que la position relative des brins d'alimentation 152 et des fentes 135 (ie la localisation de leurs points de sécance et la longueur en dépassement respectif), seront aisément adaptées par l'homme de l'art en fonction des caractéristiques attendues de l'antenne. Bien entendu la présente invention n'est pas limitée au mode de réalisation particulier illustré sur les figures annexées.
La liaison du réseau de pistes 156 au connecteur précité est référencé 160 sur les figures annexées.
On notera que cette liaison 160 est excentrée par rapport à l'axe Z. Ceci permet de placer le dipole 200 au centre de l'antenne 100. Les inventeurs ont déterminé que cette disposition ne perturbe pas notablement le diagramme de l'antenne 100 puisque dans cette zone le champ électrique rayonné par les dipoles 110 de l'antenne horizontale est très faible.
De préférence l'alimentation de l'antenne 100 arrive sur la face du support 20 qui porte les éléments rayonnants 110 et elle traverse le support 20 pour atteindre le réseau 150 au point 160.
La polarisation de cette antenne 100 est dans le plan des dipoles 110. Plus précisément la direction du champ électrique pour chaque dipole 110 est illustrée sous la flèche référencée DiH sur la figure 2.
Le diagramme de rayonnement en énergie de l'antenne 100 est représenté sur la figure 6 pour quatre plans passant par l'axe Z. Il est dipolaire et très similaire à celui de l'antenne 200 lequel est illustré sur la figure 4.
On va maintenant décrire la structure de l'antenne 200 à polarisation verticale en regard de la figure 3.
Cette antenne 200 est inspirée des moyens décrits et illustrés dans le document FR-A-2 819 640.
Elle est formée d'un dipole à base d'une tige métallique 210 associée à une excitation coaxiale.
Comme illustré schématiquement sur la figure 3, la tige centrale 210, centrée sur l'axe Z, peut être entourée d'un manchon 220 en matériau électriquement conducteur, lequel est isolé électriquement de la tige 210. Ce manchon 220 peut être formé d'un simple cylindre de révolution ou peut être étagé. Il facilite la mise au point de l'impédance de l'antenne.
La tige 210 et le manchon 220 sont portés par le substrat précité 20. Ils font de préférence saillie sur la face de ce substrat 20 qui porte les lignes d'alimentation 150.
Le cas échéant l'antenne 200 peut comporter en outre un plan de sol 222 en matériau électriquement conducteur, transversal à la tige 210 et à l'axe Z et relié au manchon 220.
La direction du champ électrique d'une telle antenne 200 est parallèle à l'axe de la tige 210. Elle est illustrée sous la flèche référencée DiV sur la figure 3.
Le diagramme de rayonnement en énergie de l'antenne 200 est représenté sur la figure 4. Il est caractérisé par un nul de rayonnement dans la direction de l'axe de symétrie de la structure (qui coïncide avec l'axe Z).
On notera que les diagrammes de rayonnement de l'antenne 200 sont parfaitement symétriques de révolution autour de l'axe de la tige 210 et de l'axe Z. Pour cette raison on a illustré une seule courbe sur la figure 4.
Le module de base 10 illustré sur les figures 1 et 2 annexées comprend ainsi deux accès : l'un schématisé en 202 centré sur l'axe Z destiné au dipole de l'antenne verticale 200, l'autre 160 excentré par rapport à l'axe Z et destiné au dipole de l'antenne horizontale 100.
Ces deux accès permettent d'enregistrer simultanément le champ électrique suivant les deux polarisations respectivement parallèle aux brins rayonnants 110 (dénommée polarisation horizontale) et parallèle à la tige 210 (dénommée polarisation verticale) avec le même type de diagramme.
Comme on l'a illustré sur la figure 16, on peut placer trois modules 10 ainsi constitués comprenant chacun une antenne 100 à polarisation horizontale et une antenne 200 à polarisation verticale sur des faces adjacentes et orthogonales deux à deux (ie des faces non opposées) d'un cube support pour constituer une sonde trois axes. On obtient ainsi une sonde tri-dimensionnelle à 6 accès.
Plus précisément dans ce contexte de préférence un plan de masse 300 est ajouté à quelques centimètres de chacun des 3 substrats 20, en regard de la face de ceux-ci portant les éléments rayonnants 110.
Ces plans de masse 300 servent de moyens de fixation pour les 3 modules 10 comprenant chacun une antenne horizontale 100 et une antenne verticale 200. Ils servent également de support aux moyens de connexion et aux transitions associées nécessaires.
Les figures 7 et 8 représentent respectivement le Rapport d'Onde Stationnaire (ROS) d'une antenne verticale 200 et d'une antenne horizontale 100 portées sur un substrat commun 20 d'un module, obtenu successivement sur les deux accès du module en fermant sur une charge de 50 ohms l'accès non mesuré.
Le ROS de l'antenne verticale 200 vaut 1,38 à la fréquence de 2012,5MHz.
Le ROS de l'antenne horizontale 100 vaut 1,13 à la fréquence de 2012,5 MHz.
L'isolation entre les deux antennes est illustrée sur la figure 9. Elle vaut 35 dB à la fréquence de 2012,5 MHz.
Le diagramme de rayonnement en énergie de l'antenne 100 à polarisation horizontale est illustré sur la figure 10. La directivité est de 4,08dB.
La figure 11 représente le diagramme dans quatre plans passant par l'axe Z, respectivement pour ϕ = - 45°, ϕ = 0°, ϕ = + 45°, ϕ = + 90°, avec θ variable de - 180° à + 180°.
La figure 12 représente le diagramme dans le plan θ = 90°, avec ϕ variable de - 180° à + 180°.
Ces diagrammes présentent une bonne symétrie autour de l'axe Z avec un niveau d'ondulation de 3 à 4 dB entre les plans à 0° et 90° et les plans à + 45° et - 45°.
Ce phénomène résulte de la synthèse du dipole magnétique réalisé avec 4 dipoles électriques horizontaux.
Le diagramme de rayonnement en énergie de l'antenne 200 à polarisation verticale est illustré sur la figure 13. La directivité est de 2,72 dB.
La figure 14 représente le diagramme dans quatre plans passant par l'axe Z, respectivement pour ϕ = - 45°, ϕ = 0°, ϕ = + 45°, ϕ = + 90°, avec θ variable de - 180° à + 180°.
La figure 15 représente le diagramme dans le plan θ = 90°, avec ϕ variable de - 180° à + 180°.
Comme on le voit sur ces figures le diagramme de l'antenne 200 présente une symétrie quasi-parfaite autour de l'axe Z.
Bien entendu la présente invention n'est pas limitée au mode de réalisation particulier qui vient d'être décrit, mais s'étend à toutes variantes conformes à son esprit.
La présente invention permet de disposer d'un système multi-capteur compact avec des diagrammes de rayonnement similaires tout en étant fortement décorrélés par la polarisation.
Le système conforme à la présente invention peut fonctionner dans des bandes de fréquences identiques ou différentes pour le dipole vertical 200 et le dipole horizontal 100, ou entre les différents modules 10 de la sonde.
Par ailleurs la présente invention n'est pas limitée à un système comprenant 3 modules 10. A titre d'exemple non limitatif la présente invention permet également la réalisation d'un système comprenant 6 modules placés selon les 6 faces d'un cube, les câbles d'alimentation étant par exemple disposés sur un sommet ou angle du cube.