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EP1168499A1 - Reconfigurable antenna arrangement for a base station - Google Patents

Reconfigurable antenna arrangement for a base station Download PDF

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Publication number
EP1168499A1
EP1168499A1 EP01401513A EP01401513A EP1168499A1 EP 1168499 A1 EP1168499 A1 EP 1168499A1 EP 01401513 A EP01401513 A EP 01401513A EP 01401513 A EP01401513 A EP 01401513A EP 1168499 A1 EP1168499 A1 EP 1168499A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
antenna device
antenna
radiating elements
configuration means
spatial
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP01401513A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
David c/o Mitsubishi Eletric ITE Mottier
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Mitsubishi Electric R&D Centre Europe BV Netherlands
Original Assignee
Mitsubishi Electric Information Technology Corp
Mitsubishi Electric Information Technology Center Europe BV Nederlands
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Mitsubishi Electric Information Technology Corp, Mitsubishi Electric Information Technology Center Europe BV Nederlands filed Critical Mitsubishi Electric Information Technology Corp
Publication of EP1168499A1 publication Critical patent/EP1168499A1/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q21/00—Antenna arrays or systems
    • H01Q21/06—Arrays of individually energised antenna units similarly polarised and spaced apart
    • H01Q21/08—Arrays of individually energised antenna units similarly polarised and spaced apart the units being spaced along or adjacent to a rectilinear path
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q1/00—Details of, or arrangements associated with, antennas
    • H01Q1/12—Supports; Mounting means
    • H01Q1/22—Supports; Mounting means by structural association with other equipment or articles
    • H01Q1/24—Supports; Mounting means by structural association with other equipment or articles with receiving set
    • H01Q1/241—Supports; Mounting means by structural association with other equipment or articles with receiving set used in mobile communications, e.g. GSM
    • H01Q1/246—Supports; Mounting means by structural association with other equipment or articles with receiving set used in mobile communications, e.g. GSM specially adapted for base stations
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q21/00—Antenna arrays or systems
    • H01Q21/06—Arrays of individually energised antenna units similarly polarised and spaced apart
    • H01Q21/22—Antenna units of the array energised non-uniformly in amplitude or phase, e.g. tapered array or binomial array
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q3/00—Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system
    • H01Q3/02—Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system using mechanical movement of antenna or antenna system as a whole
    • H01Q3/04—Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system using mechanical movement of antenna or antenna system as a whole for varying one co-ordinate of the orientation
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q3/00—Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system
    • H01Q3/22—Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system varying the orientation in accordance with variation of frequency of radiated wave

Definitions

  • the present invention relates generally to an antenna device, in particular for a telecommunications station and more particularly to an antenna device comprising a periodic arrangement of radiating elements.
  • Such an antenna consists of an array of elementary antennas with a pitch less than or equal to the half wavelength of the transmission frequency, which can be used both in transmission and in reception.
  • the input or output signals of the elementary antennas are phase shifted and weighted so as to obtain the desired radiation pattern.
  • a smart antenna fitted to a base station can form a beam pointing in the direction of a mobile terminal and / or eliminate interference from a determined direction.
  • reception diversity is then exploited, for example by selecting, at a given instant, the diversity branch giving the best signal to noise ratio (Selective Combining) or by summing the different branches after having them weighted by a gain equal to the conjugate complex of the complex attenuation coefficient on the branch considered (Maximal Ratio Combining).
  • the antenna arrays as mentioned above are ill-suited to operating in spatial diversity since the signals received by two consecutive antennas are generally not sufficiently decorrelated.
  • increasing the pitch inevitably introduces lattices into the radiation pattern, which affects the spatial selectivity of the system.
  • the object of the invention is to propose an intelligent antenna which does not have the abovementioned drawbacks, namely allowing both beam formation and diversity reception and which can easily be adapted to a new standard in mobile telephony.
  • the antenna device comprises a plurality of radiating elements arranged in a periodic arrangement having at least a spatial periodicity, characterized in that it comprises antenna configuration means adapted to vary the value of said spatial periodicity as a function of the transmission conditions.
  • the antenna device comprises a beam former adapted to form a beam in at least a first direction from the input and / or output signals of the radiating elements.
  • the antenna device comprises at least one beam former adapted to reject an interfering signal in at least a second direction from the output signals of the radiating elements.
  • the antenna device comprises a receiver or a transmitter adapted to receive or transmit in spatial diversity.
  • Another embodiment of the invention comprises a mixed system capable of operating either as a beam former or as a receiver in spatial diversity, the configuration means fixing the pitch of the network to a value less than or equal to half a length of wave when the mixed system operates as a beam former and at a value substantially greater than the wavelength when it functions as a receiver in spatial diversity.
  • the configuration means are adapted to place the antenna in an intermediate configuration without antenna processing during the phase of variation of the spatial periodicity.
  • the configuration means comprise hysteresis or timing means capable of eliminating untimely changes in said spatial periodicity.
  • the configuration means comprise at least one rail in which the supports of the radiating elements can slide.
  • the radiating elements consist of a plurality of elementary antennas.
  • the configuration means comprise a plurality of units suitable for weighting and summing a set of output signals from adjacent elementary antennas, a switch directing certain output signals from said units to the inputs of at least one training trainer. beam, the spatial periodicity of the radiating elements being modified by selecting the output signals of elementary antennas and the output signals of these units.
  • the transmission conditions are one or more characteristics of the transmission among the bit error rate, the packet error rate, the signal to noise plus interference ratio, the quality of service, the power consumed by the transmitter responsible for the transmission.
  • the antenna device according to the invention can be integrated into a mobile terminal or a base station.
  • the antenna device generally comprises an antenna array the pitch of which is variable as a function of the transmission conditions.
  • antenna array is meant any arrangement of antennas having at least one spatial periodicity.
  • the network can be linear, circular, matrix, hexagonal without affecting the generality of the invention.
  • transmission conditions is meant any characteristic of the transmission or any factor which may affect it. It will be in the first place the frequency of the carrier used. This will then be the type of propagation: propagation with high or low spatial diversity, multipath propagation with direct or specular line component (Rice model) or lacking such a component (Rayleigh model). It will also be the presence or absence of interfering sources. These will be other factors influencing or characterizing the error rate (binary or packet) such as for example the signal power to noise plus interference ratio (SIR), the quality of service (QoS).
  • SIR signal power to noise plus interference ratio
  • QoS quality of service
  • the transmission conditions set out above in a nonlimiting manner may make one prefer a mode of use of the network according to a reception (or emission) mode in spatial diversity or a beam forming mode.
  • a reception (or emission) mode in spatial diversity or a beam forming mode.
  • the antenna network of a base station receives a signal from a mobile terminal having undergone Rayleigh dispersion, it may be advantageous to opt for a spatial diversity configuration.
  • interfering sources are present or if the system must operate in multiple access by spatial division (SDMA)
  • SDMA spatial division
  • the choice of configuration depends on the performance level of the transmission in terms of bit or packet error rate, signal-to-noise plus interference (SIR), quality of service (QoS) or power consumed by l 'transmitter.
  • SIR signal-to-noise plus interference
  • QoS quality of service
  • this level of performance is predictable: for example, in the case of a signal propagation without Rice-type dispersion and in the absence of interfering signals, it will be advantageous to opt for a configuration in beam formation , both on transmission and on reception, in order to minimize the power consumed by the transmitter.
  • the choice of configuration will be based on simulation results or usage statistics. In the absence of such criteria, the choice will depend on real-time measurements made for one and / or the other configuration.
  • the pitch of the network will be fixed at a value lower or equal to the half wavelength of the carrier frequency used for the transmission whereas if the system opts for the configuration in spatial diversity, the network pitch will be fixed at a value greater than the wavelength.
  • the antenna device according to the invention obviously works both in reception and in transmission. This is easily conceivable when a beam is directed towards a transmitting or receiving station but applies just as validly in the framework of spatial diversity. Thus, when the environment of a base station is not conducive to propagation along multiple paths, the antenna array can be configured so as to introduce spatial diversity to the transmission by increasing its pitch.
  • Fig. 1 schematically represents a first embodiment of the invention.
  • the network 110 consisting of antennas 110 1 ... 110 n is here, by way of example, a linear network but a network of another type could have been used.
  • the antenna device has been illustrated in reception mode.
  • the output signals from the antennas 110 i are transmitted by the duplexers 120 i to the inputs of low noise amplifiers (LNA) 130 i .
  • LNA low noise amplifiers
  • the signals are supplied to an antenna processing module 140 which can either be a LF beam former or a DR spatial diversity receiver if only one or the other configuration is authorized, or even a system mixed allowing both as we will see later.
  • the device further comprises a module 160 analyzing the transmission conditions and choosing, if necessary, between a configuration in beam formation and a configuration in spatial diversity.
  • the decision algorithm will advantageously have hysteresis or respect a time delay after switching in order to avoid untimely configuration changes.
  • the module 160 provides the calculation module 170 with the parameters making it possible to calculate the phase shifts and the weighting coefficients necessary for the beam former as well as the complex coefficients of fading gains necessary for the diversity receiver.
  • the calculation module provides the phase shifts and weighting coefficients to all the trainers.
  • the module 160 supplies the antenna position controller with the network step value to be adopted.
  • the module 160 transmits the necessary signals to the antenna displacement device (s) so that the antennas are positioned according to the desired pitch.
  • the output signals from the beam former are for example directed to an equalization device or to a channel decoder. More generally, antenna processing can be nested with other processing functions of the baseband signal. Thus the equalization can also be carried out branch by branch (diversity configuration) or channel by channel (configuration in beam formation), before the antenna processing.
  • Fig. 2 schematically represents a second embodiment of the invention.
  • the device comprises a network 210 consisting of antennas 210 1 ... 210 n , coupled through duplexers 220 1 ... 220 n to a low noise amplification stage 230.
  • the amplified signals are then directed by means of switches S 1 S 2 ... S n to one (or more) beam trainer (s) 241 or else to a receiver working in spatial diversity 242.
  • the state of the switches is controlled by a module 260 analyzing the transmission conditions. This module also provides the antenna positioning controller with the value of the network step to be adopted. It also transmits to a first calculation module 271 a set of parameters making it possible to determine the phase shifts and the weighting coefficients required for beam formation.
  • These parameters are for example the direction of arrival of the signal to be received, the direction of arrival of an interfering signal, the lobe width of the beam, the mean square error or the instantaneous error between the received signal and a signal reference. It provides a second calculation module 272 with the parameters necessary for estimating the complex fading gains to be applied to the signals of the different antennas.
  • Switching from one configuration mode to another is done by switching the switches and changing the pitch of the network.
  • the grating pitch is fixed at a value less than or equal to the half-wavelength of the carrier frequency used, whereas for reception in spatial diversity, a pitch substantially greater than the wavelength, typically from 4 to 10 times its value, will be retained.
  • the modification of the pitch is not instantaneous, it is important to reduce the transients during switching. To do this, the switching is prepared as follows. Let us suppose the case of a passage from configuration in formation of beam to a configuration in spatial diversity or to another configuration of beam with no different network.
  • phase shifts are tilted, or more advantageously gradually brought to the zero value and the weighting coefficients to the value 1, resulting in widening and depointing of the beam (or of the beams).
  • the network is of the circular type, we will go from a sector diagram to an omnidirectional diagram. If the network covers only one sector, the same will pass from a narrow lobe diagram to a sector diagram.
  • the antenna processing here the beam formation
  • the device is not very sensitive to a variation of the pitch of the network and the modification of the pitch can occur without risk of generation of outliers.
  • the device passes the phase shifts and the weighting coefficients to their new values calculated by the module 271.
  • the device switches the switches S; and applies the spatial diversity treatment.
  • Fig. 3 represents a mixed system which can be used in the production of the antenna device illustrated in FIG. 1.
  • Block 140 of FIG. 1 comprises a plurality of 300 k modules and a pair of summers 360, 361.
  • the structure of the 300 k module follows from the observation that certain operations performed for beamforming and for diversity reception are similar.
  • the signal r k (t) at the output of the LNA 130 k first undergoes quadrature demodulation by means of the multipliers 310 and 311 then a low-pass filtering thanks to the filters 330 and 331 which eliminate the components at 2f c .
  • the complex signal r k of components r k I and r k Q is then multiplied by a complex value G k of components G k I and G k Q to obtain a complex product of components r k I * G k I -r k Q * G k Q and r k I * G k Q + r k Q * G k I.
  • the complex products from the modules 300 k are summed by the summers 360 and 361 and the resulting sum is directed to the outputs I and Q of the module 140. If the configuration of beam formation is selected the complex value G k is chosen equal to ⁇ k exp (-j ⁇ k ) where ⁇ k is the weighting coefficient and ⁇ k of phase shift applicable to the antenna k.
  • the 300 k modules associated with summers 360 and 361 then operate as a conventional baseband beam former.
  • the complex value G k is chosen equal to g * k where g k is the complex gain of fading associated with the antenna k.
  • the combination of the 300 k modules, the summers 360 and 361, then function as a diversity receiver of the MRC (Maximum Ratio Combining) type.
  • MRC Maximum Ratio Combining
  • the passage from one configuration to another and more generally the change in the pitch of the network is prepared by fixing the coefficients G k to the value 1, or more advantageously, by gradually bringing, in an initial phase, the coefficients G k at the value 1 in order to avoid any transient phenomenon.
  • the pitch of the network is then modified in an intermediate phase.
  • the coefficients G k are fixed at their new set values, or more advantageously brought gradually, in a final phase, to their new set values in order to avoid any transient phenomenon.
  • the initial phase and the final phase can obviously be instantaneous. However, if one wishes to avoid any transient effect downstream of the 300 k module, smoothing will advantageously be used in the initial phase and the final phase.
  • Fig. 4 shows a first mechanical device for moving the antennas of a network.
  • the device comprises a rail 400 having a U-shaped profile the edges of which are curved towards the center of the rail and in which antenna supports 410 can move. Easy sliding is ensured by rollers (not shown) equipping the bottom and the interior walls of the rail or any other equivalent means.
  • a tab 430 On each antenna support is fixed a tab 430 having at its free end a threaded passage 431.
  • Motors 440 rotate endless screws 420 rotating in the threaded passages 431.
  • the antenna supports can be translated so as to respect a given spacing.
  • Fig. 5 shows a second mechanical device for moving the antennas of an array.
  • the antenna supports 510 can also slide there inside a rail 500.
  • For each support are provided two blades 520 which can pivot around an axis 530.
  • the blades of a support are connected at their ends by axes 540 at the ends of the blades of the adjacent supports.
  • the assembly of the blades therefore forms a trellis which can be compressed or unfolded at will while guaranteeing identical spacing between the different antennas.
  • the compression or expansion of the trellis is ensured by an endless screw driven by a motor and a threaded passage secured to the antenna support at a movable end of the trellis.
  • the second end can be fixed or also mobile.
  • the two movable ends will advantageously both be equipped with the displacement device.
  • the network is matrix, several parallel rails will be used and the inter-rail spacing will be adjusted by means of worm or deformable lattice devices such as described in Figs. 4 and 5.
  • the network is circular, devices for moving the antenna on a rack in an arc or by means of an umbrella-type mechanism are also conceivable.
  • Fig. 6 illustrates an embodiment of the invention using an electronic device for varying the pitch of the network.
  • the device lends itself well to applications requiring rapid reconfiguration. For reasons of clarity, the low noise duplexers and amplifiers have not been shown.
  • the device consists of a large number of elementary antennas 611 j , for example slot antennas or antennas of the microstrip type, each elementary antenna 611 j being connected to a set of grouping units 620 jk , .., 620 d + k . Equivalently, each grouping unit 620 j receives on its inputs the signals from the elementary antennas 611 jk , ..., 611 j + k .
  • each grouping unit is connected to a switch 630 directing certain outputs of grouping units (in fact the outputs of the active units as we will see below) towards the inputs of the beam former 640 (or even beam operating in parallel) or to a receiver with spatial diversity or even to a mixed system as seen above.
  • the role of grouping circuits is to simulate a network of desired steps. The operation of the grouping circuits is explained in Fig. 7. Three examples of network step simulations A, B, C are shown. On the abscissa are the order numbers j of the elementary antennas and on the ordinate are the values of the weighting coefficients.
  • Example A is a simple case where the elementary antennas are grouped in packets of the same size q.
  • the step of the equivalent network is then q * d where d is the step of the basic network.
  • the output signals of the elementary antennas all undergo the same weighting in the grouping units before being summed there.
  • Below the abscissa line are indicated the active grouping units in the form C z j where j is the index of the active unit 620 j and z is a subset of (-k, -k + 1 , ..., 0, k-1, k) of the connections retained for the weighting, the others being multiplied by a zero coefficient or inhibited.
  • Example B shows the realization of an equivalent network of pitch of form (2p + 1) d / 2 where p is an integer.
  • example C illustrates the general case where one wishes to simulate a network of fractional steps d * q / p with q, integers and q> p.
  • D the amplitude distribution D corresponding to the desired radiation pattern of an equivalent antenna 610 j , for example by means of an inverse Fourier transform. This distribution is repeated at the desired periodicity and the weighting coefficients are obtained as the values of this distribution taken at the points of the basic network.
  • the values are then normalized (not shown) so that the power received per packet is constant.
  • the distribution illustrated is triangular although in practice it will be Gaussian or correspond to a portion of cardinal sinus.
  • the set of 2k + 1 points of higher amplitude are used for weighting and this set determines the grouping unit which will be active for this antenna.
  • the weighting coefficients illustrated are real, it is clear that in general these coefficients will be complex so as to take into account the phase differences between elementary antennas for a given angle of incidence. In the latter case, however, operation in multibeam mode would require replication of the grouping stage for each beam former.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
  • Variable-Direction Aerials And Aerial Arrays (AREA)
  • Mobile Radio Communication Systems (AREA)
  • Radio Transmission System (AREA)

Abstract

L'invention est de manière générale relative à un dispositif d'antenne pour station de télécommunication, apte à émettre ou à recevoir un signal et comprenant une pluralité d'éléments rayonnants disposés selon un arrangement périodique présentant au moins une périodicité spatiale. Le dispositif comporte des moyens de configuration d'antenne adaptés à faire varier la valeur de ladite périodicité spatiale en fonction des conditions de transmission. Le dispositif d'antenne peut notamment être configuré de manière à opérer selon un mode de formation de faisceau ou selon un mode de diversité spatiale. <IMAGE>The invention relates generally to an antenna device for a telecommunication station, capable of transmitting or receiving a signal and comprising a plurality of radiating elements arranged in a periodic arrangement having at least one spatial periodicity. The device comprises antenna configuration means adapted to vary the value of said spatial periodicity as a function of the transmission conditions. The antenna device can in particular be configured so as to operate according to a beam forming mode or according to a spatial diversity mode. <IMAGE>

Description

La présente invention concerne de manière générale un dispositif d'antenne, notamment pour station de télécommunication et plus particulièrement un dispositif d'antenne comprenant un arrangement périodique d'éléments rayonnants.The present invention relates generally to an antenna device, in particular for a telecommunications station and more particularly to an antenna device comprising a periodic arrangement of radiating elements.

Les développements récents des systèmes d'antennes pour la téléphonie mobile ont mis en évidence un intérêt croissant pour les antennes dites « intelligentes ». Une telle antenne est constituée d'un réseau d'antennes élémentaires de pas inférieur ou égal à la demi-longueur d'onde de la fréquence de transmission, pouvant être utilisées aussi bien en émission qu'en réception. Selon le cas, les signaux d'entrée ou de sortie des antennes élémentaires sont déphasés et pondérés de manière à obtenir le diagramme de rayonnement souhaité. Ainsi, par exemple, une antenne intelligente équipant une station de base peut former un faisceau pointant dans la direction d'un terminal mobile et/ou supprimer une interférence provenant d'une direction déterminée.Recent developments in antenna systems for mobile telephony have highlighted an increasing interest in so-called “smart” antennas. Such an antenna consists of an array of elementary antennas with a pitch less than or equal to the half wavelength of the transmission frequency, which can be used both in transmission and in reception. Depending on the case, the input or output signals of the elementary antennas are phase shifted and weighted so as to obtain the desired radiation pattern. Thus, for example, a smart antenna fitted to a base station can form a beam pointing in the direction of a mobile terminal and / or eliminate interference from a determined direction.

On connaît également les systèmes de téléphonie mobile dits à diversité spatiale permettant de combattre l'évanouissement (fading) du signal dû à la propagation selon des trajets multiples. Ces systèmes utilisent une pluralité d'antennes, espacées typiquement de quatre à dix fois la longueur d'onde de la fréquence de transmission et mettent à profit le fait que les signaux reçus par des antennes suffisamment distantes sont décorrélés. Ainsi des signaux s'étant propagés selon plusieurs trajets jusqu'à une première antenne (première branche de diversité) donnant lieu à une interférence destructive, pourront en revanche donner lieu à une interférence constructive à une autre antenne (seconde branche de diversité). La diversité de réception est alors exploitée, par exemple en ce que l'on sélectionne, à un instant donné, la branche de diversité donnant le meilleur rapport signal sur bruit (Selective Combining) ou que l'on somme les différentes branches après les avoir pondérées par un gain égal au complexe conjugué du coefficient complexe d'atténuation sur la branche considérée (Maximal Ratio Combining).Also known as so-called spatial diversity mobile telephone systems making it possible to combat the fading of the signal due to the propagation according to multiple paths. These systems use a plurality of antennas, typically spaced four to ten times the wavelength of the transmission frequency and take advantage of the fact that the signals received by sufficiently distant antennas are decorrelated. Thus signals having propagated along several paths to a first antenna (first branch of diversity) giving rise to destructive interference, may on the other hand give rise to constructive interference to another antenna (second branch of diversity). The reception diversity is then exploited, for example by selecting, at a given instant, the diversity branch giving the best signal to noise ratio (Selective Combining) or by summing the different branches after having them weighted by a gain equal to the conjugate complex of the complex attenuation coefficient on the branch considered (Maximal Ratio Combining).

Les réseaux d'antennes tels qu'évoqués plus haut s'accommodent mal d'un fonctionnement en diversité spatiale car les signaux reçus par deux antennes consécutives ne sont généralement pas suffisamment décorrélés. On peut alors penser à augmenter le pas du réseau, comme cela a été proposé dans l'article de H. Yoshinaga et al. intitulé « Performance of adaptive array antenna with widely spaced antenna éléments » paru dans Proceedings of VTC '99, pages 72-76. Cependant, l'augmentation du pas introduit inévitablement des lobes de réseau dans le diagramme de rayonnement, ce qui nuit à la sélectivité spatiale du système.The antenna arrays as mentioned above are ill-suited to operating in spatial diversity since the signals received by two consecutive antennas are generally not sufficiently decorrelated. We can then think of increasing the pitch of the network, as was proposed in the article by H. Yoshinaga et al. entitled "Performance of adaptive array antenna with widely spaced antenna elements" published in Proceedings of VTC '99, pages 72-76. However, increasing the pitch inevitably introduces lattices into the radiation pattern, which affects the spatial selectivity of the system.

On sait, d'autre part, que les systèmes de télécommunications mobiles utilisent différentes fréquences de transmission, typiquement 900 MHz et 1800 MHz pour les systèmes GSM, 2GHz pour les futurs systèmes UMTS et des fréquences encore plus élevées, probablement dans la bande 20-30 GHz, pour la téléphonie mobile par satellite. Les réseaux d'antennes étant, on l'a vu, conçus pour une fréquence donnée, les antennes intelligentes déployées pour une génération de téléphonie mobile ne fonctionneront pas ou fort mal à la génération suivante. L'opérateur doit alors supporter à chaque génération le coût considérable d'un nouvel équipement.We know, on the other hand, that mobile telecommunications systems use different transmission frequencies, typically 900 MHz and 1800 MHz for GSM systems, 2GHz for future UMTS systems and even higher frequencies, probably in the 20- band. 30 GHz, for mobile telephony by satellite. The antenna networks being, as we have seen, designed for a given frequency, the intelligent antennas deployed for a generation of mobile telephony will not work or very badly for the next generation. The operator must then bear with each generation the considerable cost of new equipment.

Le but de l'invention est de proposer une antenne intelligente ne présentant pas les inconvénients précités, à savoir permettant aussi bien la formation de faisceau que la réception en diversité et pouvant facilement s'adapter à une nouvelle norme de téléphonie mobile.The object of the invention is to propose an intelligent antenna which does not have the abovementioned drawbacks, namely allowing both beam formation and diversity reception and which can easily be adapted to a new standard in mobile telephony.

A cet effet, le dispositif d'antenne selon l'invention comprend une pluralité d'éléments rayonnants disposés selon un arrangement périodique présentant au moins une périodicité spatiale, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens de configuration d'antenne adaptés à faire varier la valeur de ladite périodicité spatiale en fonction des conditions de transmission.To this end, the antenna device according to the invention comprises a plurality of radiating elements arranged in a periodic arrangement having at least a spatial periodicity, characterized in that it comprises antenna configuration means adapted to vary the value of said spatial periodicity as a function of the transmission conditions.

Selon une première caractéristique de l'invention, le dispositif d'antenne comprend un formateur de faisceau adapté à former un faisceau dans au moins une première direction à partir des signaux d'entrée et/ou de sortie des éléments rayonnants.According to a first characteristic of the invention, the antenna device comprises a beam former adapted to form a beam in at least a first direction from the input and / or output signals of the radiating elements.

Selon une seconde caractéristique de l'invention, le dispositif d'antenne comprend au moins un formateur de faisceau adapté à rejeter un signal interférent dans au moins une seconde direction à partir des signaux de sortie des éléments rayonnants.According to a second characteristic of the invention, the antenna device comprises at least one beam former adapted to reject an interfering signal in at least a second direction from the output signals of the radiating elements.

Selon une troisième caractéristique de l'invention le dispositif d'antenne comprend un récepteur ou un émetteur adapté à recevoir ou à émettre en diversité spatiale.According to a third characteristic of the invention, the antenna device comprises a receiver or a transmitter adapted to receive or transmit in spatial diversity.

Un autre mode de réalisation de l'invention comprend un système mixte apte à fonctionner soit comme formateur de faisceau soit comme récepteur en diversité spatiale, les moyens de configuration fixant le pas du réseau à une valeur inférieure ou égale à une demi-longueur d'onde lorsque le système mixte fonctionne comme formateur de faisceau et à une valeur sensiblement supérieure à la longueur d'onde lorsqu'il fonctionne comme récepteur en diversité spatiale.Another embodiment of the invention comprises a mixed system capable of operating either as a beam former or as a receiver in spatial diversity, the configuration means fixing the pitch of the network to a value less than or equal to half a length of wave when the mixed system operates as a beam former and at a value substantially greater than the wavelength when it functions as a receiver in spatial diversity.

Avantageusement, les moyens de configuration sont adaptés à placer l'antenne dans une configuration intermédiaire sans traitement d'antenne pendant la phase de variation de la périodicité spatiale.Advantageously, the configuration means are adapted to place the antenna in an intermediate configuration without antenna processing during the phase of variation of the spatial periodicity.

Avantageusement encore, les moyens de configuration comprennent des moyens d'hystérésis ou de temporisation aptes à supprimer les changements intempestifs de ladite périodicité spatiale.Advantageously also, the configuration means comprise hysteresis or timing means capable of eliminating untimely changes in said spatial periodicity.

Selon une première variante de l'invention, les moyens de configuration comprennent au moins un rail dans lequel les supports des éléments rayonnants peuvent coulisser.According to a first variant of the invention, the configuration means comprise at least one rail in which the supports of the radiating elements can slide.

Selon une seconde variante de l'invention les éléments rayonnants sont constitués d'une pluralité d'antennes élémentaires. Les moyens de configuration comprennent une pluralité d'unités adaptées à pondérer et sommer un ensemble de signaux de sortie d'antennes élémentaires adjacentes, un commutateur dirigeant certains signaux de sortie desdites unités vers les entrées d'au moins un formateur de faisceau, la périodicité spatiale des éléments rayonnants étant modifiée en sélectionnant les signaux de sortie d'antennes élémentaires et les signaux de sortie de ces unités.According to a second variant of the invention, the radiating elements consist of a plurality of elementary antennas. The configuration means comprise a plurality of units suitable for weighting and summing a set of output signals from adjacent elementary antennas, a switch directing certain output signals from said units to the inputs of at least one training trainer. beam, the spatial periodicity of the radiating elements being modified by selecting the output signals of elementary antennas and the output signals of these units.

Avantageusement, les conditions de transmission sont une ou plusieurs caractéristiques de la transmission parmi le taux d'erreurs binaires, le taux d'erreurs paquets, le rapport puissance du signal à bruit plus interférence, la qualité de service, la puissance consommée par l'émetteur responsable de la transmission.Advantageously, the transmission conditions are one or more characteristics of the transmission among the bit error rate, the packet error rate, the signal to noise plus interference ratio, the quality of service, the power consumed by the transmitter responsible for the transmission.

Enfin, le dispositif d'antenne selon l'invention peut être intégré dans un terminal mobile ou une station de base.Finally, the antenna device according to the invention can be integrated into a mobile terminal or a base station.

Les caractéristiques de l'invention mentionnées ci-dessus, ainsi que d'autres, apparaîtront plus clairement à la lecture de la description suivante d'exemples de réalisation, ladite description étant faite en relation avec les dessins joints parmi lesquels :

  • La Fig. 1 représente un dispositif d'antenne selon un premier mode de réalisation de l'invention ;
  • La Fig. 2 représente un dispositif d'antenne selon un second mode de réalisation de l'invention ;
  • La Fig. 3 représente un système mixte utile au premier mode de réalisation de l'invention ;
  • La Fig. 4 représente un premier dispositif de déplacement d'antenne utile à la réalisation de l'invention ;
  • La Fig. 5 représente un deuxième dispositif de déplacement d'antenne utile à la réalisation de l'invention ;
  • La Fig. 6 illustre un mode de réalisation de l'invention utilisant un troisième dispositif de déplacement d'antenne ;
  • La Fig. 7 illustre le fonctionnement du mode de réalisation de l'invention représentée en Fig. 6.
The characteristics of the invention mentioned above, as well as others, will appear more clearly on reading the following description of exemplary embodiments, said description being made in relation to the accompanying drawings among which:
  • Fig. 1 shows an antenna device according to a first embodiment of the invention;
  • Fig. 2 shows an antenna device according to a second embodiment of the invention;
  • Fig. 3 shows a mixed system useful in the first embodiment of the invention;
  • Fig. 4 shows a first antenna displacement device useful for carrying out the invention;
  • Fig. 5 shows a second antenna displacement device useful for carrying out the invention;
  • Fig. 6 illustrates an embodiment of the invention using a third antenna displacement device;
  • Fig. 7 illustrates the operation of the embodiment of the invention shown in FIG. 6.

Le dispositif d'antenne selon l'invention comprend de manière générale un réseau d'antennes dont le pas est variable en fonction des conditions de transmission. Par réseau d'antennes on entend tout arrangement d'antennes présentant au moins une périodicité spatiale. En d'autres termes, le réseau peut être linéaire, circulaire, matriciel, hexagonal sans que la généralité de l'invention en soit affectée.
Par conditions de transmission on entend toute caractéristique de la transmission ou tout facteur pouvant l'affecter. Ce sera en premier lieu la fréquence de la porteuse utilisée. Ce sera ensuite le type de la propagation : propagation à forte ou faible diversité spatiale, propagation à trajets multiples avec composante en ligne directe ou spéculaire (modèle de Rice) ou dépourvue d'une telle composante (modèle de Rayleigh). Ce sera aussi la présence ou l'absence de sources interférentes. Ce sera encore d'autres facteurs influençant ou caractérisant le taux d'erreurs (binaires ou paquets) comme par exemple le rapport puissance du signal à bruit plus interférence (SIR), la qualité de service (QoS).The antenna device according to the invention generally comprises an antenna array the pitch of which is variable as a function of the transmission conditions. By antenna array is meant any arrangement of antennas having at least one spatial periodicity. In other words, the network can be linear, circular, matrix, hexagonal without affecting the generality of the invention.
By transmission conditions is meant any characteristic of the transmission or any factor which may affect it. It will be in the first place the frequency of the carrier used. This will then be the type of propagation: propagation with high or low spatial diversity, multipath propagation with direct or specular line component (Rice model) or lacking such a component (Rayleigh model). It will also be the presence or absence of interfering sources. These will be other factors influencing or characterizing the error rate (binary or packet) such as for example the signal power to noise plus interference ratio (SIR), the quality of service (QoS).

Les conditions de transmission énoncées ci-dessus de manière non limitative peuvent faire préférer un mode d'utilisation du réseau selon un mode de réception (ou d'émission) en diversité spatiale ou un mode de formation de faisceau. Par exemple, si le réseau d'antennes d'une station de base reçoit un signal d'un terminal mobile ayant subi une dispersion de Rayleigh, il pourra y avoir avantage à opter pour une configuration en diversité spatiale. En revanche si des sources interférentes sont présentes ou si le système doit fonctionner en accès multiple par division spatiale (SDMA), il y aura lieu d'opter pour la configuration en formation de faisceau. Le choix de la configuration dépend du niveau de performance de la transmission en terme de taux d'erreurs binaires ou paquets, de rapport puissance du signal à bruit plus interférence (SIR), de qualité de service (QoS) ou de puissance consommée par l'émetteur. Dans certains cas, ce niveau de performance est prévisible: par exemple, dans le cas d'une propagation du signal sans dispersion de type Rice et en l'absence de signaux interférents, il y aura intérêt à opter pour une configuration en formation de faisceau, tant à l'émission qu'à la réception, ce afin de minimiser la puissance consommée par l'émetteur. Dans d'autres cas encore, le choix de la configuration sera fondé sur des résultats de simulation ou des statistiques d'utilisation. En l'absence de tels critères, le choix dépendra de mesures en temps réel effectuées pour l'une et/ou l'autre configuration .The transmission conditions set out above in a nonlimiting manner may make one prefer a mode of use of the network according to a reception (or emission) mode in spatial diversity or a beam forming mode. For example, if the antenna network of a base station receives a signal from a mobile terminal having undergone Rayleigh dispersion, it may be advantageous to opt for a spatial diversity configuration. On the other hand, if interfering sources are present or if the system must operate in multiple access by spatial division (SDMA), it will be necessary to opt for the configuration in beam formation. The choice of configuration depends on the performance level of the transmission in terms of bit or packet error rate, signal-to-noise plus interference (SIR), quality of service (QoS) or power consumed by l 'transmitter. In certain cases, this level of performance is predictable: for example, in the case of a signal propagation without Rice-type dispersion and in the absence of interfering signals, it will be advantageous to opt for a configuration in beam formation , both on transmission and on reception, in order to minimize the power consumed by the transmitter. In still other cases, the choice of configuration will be based on simulation results or usage statistics. In the absence of such criteria, the choice will depend on real-time measurements made for one and / or the other configuration.

Si le système opte pour une configuration en formation de faisceau, le pas du réseau sera fixé à une valeur inférieure ou égale à la demi-longueur d'onde de la fréquence porteuse utilisée pour la transmission alors que si le système opte pour la configuration en diversité spatiale, le pas du réseau sera fixé à une valeur supérieure à la longueur d'onde.If the system opts for a configuration in beam formation, the pitch of the network will be fixed at a value lower or equal to the half wavelength of the carrier frequency used for the transmission whereas if the system opts for the configuration in spatial diversity, the network pitch will be fixed at a value greater than the wavelength.

Le dispositif d'antenne selon l'invention fonctionne bien entendu aussi bien en réception qu'en émission. Ceci se conçoit aisément lorsqu'un faisceau est dirigé vers une station émettrice ou réceptrice mais s'applique tout aussi valablement dans le cadre de la diversité spatiale. Ainsi lorsque l'environnement d'une station de base n'est pas propice à la propagation selon des trajets multiples, le réseau d'antennes peut être configuré de manière à introduire de la diversité spatiale à l'émission en augmentant son pas.The antenna device according to the invention obviously works both in reception and in transmission. This is easily conceivable when a beam is directed towards a transmitting or receiving station but applies just as validly in the framework of spatial diversity. Thus, when the environment of a base station is not conducive to propagation along multiple paths, the antenna array can be configured so as to introduce spatial diversity to the transmission by increasing its pitch.

La Fig. 1 représente schématiquement un premier mode de réalisation de l'invention. Le réseau 110 constitué d'antennes 1101...110n est ici, à titre d'exemple, un réseau linéaire mais un réseau d'un autre type aurait pu être utilisé. Le dispositif d'antenne a été illustré en mode de réception. Les signaux de sortie des antennes 110i sont transmis par les duplexeurs 120i aux entrées d'amplificateurs à faible bruit (LNA) 130i. Après amplification, les signaux sont fournis à un module 140 de traitement d'antenne qui peut être soit un formateur de faisceau BF, soit un récepteur en diversité spatiale DR si seule l'une ou l'autre configuration est autorisée, soit encore un système mixte permettant l'une et l'autre comme nous le verrons plus loin. En mode d'émission, les signaux issus du module 140 sont dirigés vers les amplificateurs de puissance 131i puis vers les duplexeurs 120i avant d'être envoyés sur les antennes 110i. Le dispositif comprend en outre un module 160 analysant les conditions de transmission et choisissant, le cas échéant, entre une configuration en formation de faisceau et une configuration en diversité spatiale. L'algorithme de décision présentera avantageusement une hystérésis ou respectera une temporisation après commutation afin d'éviter les changements de configuration intempestifs. Le module 160 fournit au module de calcul 170 les paramètres permettant de calculer les déphasages et les coefficients de pondération nécessaires au formateur de faisceau ainsi que les coefficients complexes de gains de fading nécessaires au récepteur en diversité. Bien que le système représenté ne comporte qu'un seul formateur de faisceau, il va de soi cependant que plusieurs formateurs de faisceau travaillant en parallèle pour former des faisceaux dans des directions différentes sont envisageables. Dans ce cas, le module de calcul fournit les déphasages et coefficients de pondération à tous les formateurs. Enfin, le module 160 fournit au contrôleur de position des antennes la valeur de pas de réseau à adopter. Le module 160 transmet les signaux nécessaires au(x) dispositif(s) de déplacement d'antenne afin que les antennes soient positionnées selon le pas souhaité.Fig. 1 schematically represents a first embodiment of the invention. The network 110 consisting of antennas 110 1 ... 110 n is here, by way of example, a linear network but a network of another type could have been used. The antenna device has been illustrated in reception mode. The output signals from the antennas 110 i are transmitted by the duplexers 120 i to the inputs of low noise amplifiers (LNA) 130 i . After amplification, the signals are supplied to an antenna processing module 140 which can either be a LF beam former or a DR spatial diversity receiver if only one or the other configuration is authorized, or even a system mixed allowing both as we will see later. In transmission mode, the signals from the module 140 are sent to the power amplifiers 131 i then to the duplexers 120 i before being sent to the antennas 110 i . The device further comprises a module 160 analyzing the transmission conditions and choosing, if necessary, between a configuration in beam formation and a configuration in spatial diversity. The decision algorithm will advantageously have hysteresis or respect a time delay after switching in order to avoid untimely configuration changes. The module 160 provides the calculation module 170 with the parameters making it possible to calculate the phase shifts and the weighting coefficients necessary for the beam former as well as the complex coefficients of fading gains necessary for the diversity receiver. Although the system shown only has one beam former, it goes without saying, however, that several beam former working in parallel to form beams in different directions can be envisaged. In this case, the calculation module provides the phase shifts and weighting coefficients to all the trainers. Finally, the module 160 supplies the antenna position controller with the network step value to be adopted. The module 160 transmits the necessary signals to the antenna displacement device (s) so that the antennas are positioned according to the desired pitch.

Les signaux de sortie du formateur de faisceau sont par exemple dirigés vers un dispositif d'égalisation ou vers un décodeur de canal. Plus généralement, le traitement d'antenne peut être imbriqué avec d'autres fonctions de traitement du signal en bande de base. Ainsi l'égalisation peut aussi être effectuée branche par branche (configuration en diversité) ou voie par voie (configuration en formation de faisceau), préalablement au traitement d'antenne.The output signals from the beam former are for example directed to an equalization device or to a channel decoder. More generally, antenna processing can be nested with other processing functions of the baseband signal. Thus the equalization can also be carried out branch by branch (diversity configuration) or channel by channel (configuration in beam formation), before the antenna processing.

La Fig. 2 représente schématiquement un second mode de réalisation de l'invention. Le dispositif comprend un réseau 210 constitué d'antennes 2101...210n, couplées à travers des duplexeurs 2201...220n à un étage d'amplification faible bruit 230. Les signaux amplifiés sont ensuite dirigés au moyen de commutateurs S1 S2 ...Sn vers un (ou des) formateur(s) de faisceau 241 ou bien vers un récepteur travaillant en diversité spatiale 242. L'état des commutateurs est commandé par un module 260 analysant les conditions de transmission. Ce module fournit également au contrôleur de positionnement des antennes la valeur du pas de réseau à adopter. Il transmet en outre à un premier module de calcul 271 un jeu de paramètres permettant de déterminer les déphasages et les coefficients de pondération requis pour la formation de faisceau. Ces paramètres sont par exemple la direction d'arrivée du signal à recevoir, la direction d'arrivée d'un signal interférent, la largeur de lobe du faisceau, l'erreur quadratique moyenne ou l'erreur instantanée entre le signal reçu et un signal de référence. Il fournit à un second module de calcul 272 les paramètres nécessaires à l'estimation des gains complexes de fading à appliquer aux signaux des différentes antennes.Fig. 2 schematically represents a second embodiment of the invention. The device comprises a network 210 consisting of antennas 210 1 ... 210 n , coupled through duplexers 220 1 ... 220 n to a low noise amplification stage 230. The amplified signals are then directed by means of switches S 1 S 2 ... S n to one (or more) beam trainer (s) 241 or else to a receiver working in spatial diversity 242. The state of the switches is controlled by a module 260 analyzing the transmission conditions. This module also provides the antenna positioning controller with the value of the network step to be adopted. It also transmits to a first calculation module 271 a set of parameters making it possible to determine the phase shifts and the weighting coefficients required for beam formation. These parameters are for example the direction of arrival of the signal to be received, the direction of arrival of an interfering signal, the lobe width of the beam, the mean square error or the instantaneous error between the received signal and a signal reference. It provides a second calculation module 272 with the parameters necessary for estimating the complex fading gains to be applied to the signals of the different antennas.

Le passage d'un mode de configuration à l'autre se fait en basculant les commutateurs et en modifiant le pas du réseau. Pour la formation de faisceau le pas du réseau est fixé à une valeur inférieure ou égale à la demi-longueur d'onde de la fréquence porteuse utilisée alors que pour la réception en diversité spatiale un pas sensiblement supérieur à la longueur d'onde, typiquement de 4 à 10 fois sa valeur, sera retenu. La modification du pas n'étant pas instantanée, il importe de réduire les transitoires lors de la commutation. Pour ce faire, la commutation est préparée de la manière suivante. Supposons le cas d'un passage de configuration en formation de faisceau à une configuration en diversité spatiale ou à une autre configuration de faisceau avec pas de réseau différent. Les déphasages sont basculés, ou plus avantageusement progressivement amenés à la valeur nulle et les coefficient de pondération à la valeur 1, entraînant un élargissement et un dépointage du faisceau (ou des faisceaux). Ainsi par exemple, si le réseau est du type circulaire, on passera d'un diagramme sectoriel à un diagramme omnidirectionnel. Si le réseau ne couvre qu'un secteur, on passera de même d'un diagramme à lobe étroit à un diagramme sectoriel. Lorsque le traitement d'antenne (ici la formation de faisceau) est ainsi supprimé, le dispositif est peu sensible à une variation du pas du réseau et la modification du pas peut intervenir sans risque de génération de valeurs aberrantes.Switching from one configuration mode to another is done by switching the switches and changing the pitch of the network. For beamforming, the grating pitch is fixed at a value less than or equal to the half-wavelength of the carrier frequency used, whereas for reception in spatial diversity, a pitch substantially greater than the wavelength, typically from 4 to 10 times its value, will be retained. As the modification of the pitch is not instantaneous, it is important to reduce the transients during switching. To do this, the switching is prepared as follows. Let us suppose the case of a passage from configuration in formation of beam to a configuration in spatial diversity or to another configuration of beam with no different network. The phase shifts are tilted, or more advantageously gradually brought to the zero value and the weighting coefficients to the value 1, resulting in widening and depointing of the beam (or of the beams). So for example, if the network is of the circular type, we will go from a sector diagram to an omnidirectional diagram. If the network covers only one sector, the same will pass from a narrow lobe diagram to a sector diagram. When the antenna processing (here the beam formation) is thus eliminated, the device is not very sensitive to a variation of the pitch of the network and the modification of the pitch can occur without risk of generation of outliers.

Si la configuration d'arrivée est également une formation de faisceau, le dispositif fait passer les déphasages et les coefficients de pondération à leurs nouvelles valeurs calculées par le module 271.If the incoming configuration is also a beamforming, the device passes the phase shifts and the weighting coefficients to their new values calculated by the module 271.

Si la configuration d'arrivée est la diversité spatiale, le dispositif bascule les commutateurs S; et applique le traitement de diversité spatiale.If the incoming configuration is spatial diversity, the device switches the switches S; and applies the spatial diversity treatment.

La Fig. 3 représente un système mixte pouvant être utilisé dans la réalisation du dispositif d'antenne illustré en Fig. 1. Le bloc 140 de la Fig. 1 comprend une pluralité de modules 300k et un couple de sommateurs 360, 361. La structure du module 300k découle de la constatation que certaines opérations effectuées pour la formation de faisceau et pour la réception en diversité sont analogues. Le signal rk(t) en sortie du LNA 130k subit d'abord une démodulation en quadrature au moyen des multiplicateurs 310 et 311 puis un filtrage passe-bas grâce aux filtres 330 et 331 qui éliminent les composantes à 2fc. Le signal complexe rk de composantes rk I et rk Q est ensuite multiplié par une valeur complexe Gk de composantes Gk I et Gk Q pour obtenir un produit complexe de composantes rk I*Gk I-rk Q*Gk Q et rk I*Gk Q+rk Q*Gk I. Les produits complexes issus des modules 300k sont sommés par les sommateurs 360 et 361 et la somme résultante est dirigée vers les sorties I et Q du module 140. Si la configuration de formation de faisceau est sélectionnée la valeur complexe Gk est choisie égale à ρk exp(-jΦk) où ρk est le coefficient de pondération et Φk de déphasage applicable à l'antenne k. Les modules 300k associés aux sommateurs 360 et 361 opèrent alors comme un formateur de faisceau en bande de base conventionnel. En revanche si la configuration en diversité est retenue, la valeur complexe Gk est choisie égale à g*k où gk est le gain complexe de fading associé à l'antenne k. La combinaison des modules 300k, des sommateurs 360 et 361, fonctionnent alors comme un récepteur en diversité de type MRC (Maximum Ratio Combining). Bien entendu, d'autres types de traitement de diversité sont envisageables : ainsi l'on pourra choisir Gk=G*δ(k-k0) où k0 est l'indice de la branche donnant le meilleur rapport sur bruit (Selective Combining) ou bien encore Gk=G ∀k où G est un gain donné.Fig. 3 represents a mixed system which can be used in the production of the antenna device illustrated in FIG. 1. Block 140 of FIG. 1 comprises a plurality of 300 k modules and a pair of summers 360, 361. The structure of the 300 k module follows from the observation that certain operations performed for beamforming and for diversity reception are similar. The signal r k (t) at the output of the LNA 130 k first undergoes quadrature demodulation by means of the multipliers 310 and 311 then a low-pass filtering thanks to the filters 330 and 331 which eliminate the components at 2f c . The complex signal r k of components r k I and r k Q is then multiplied by a complex value G k of components G k I and G k Q to obtain a complex product of components r k I * G k I -r k Q * G k Q and r k I * G k Q + r k Q * G k I. The complex products from the modules 300 k are summed by the summers 360 and 361 and the resulting sum is directed to the outputs I and Q of the module 140. If the configuration of beam formation is selected the complex value G k is chosen equal to ρ k exp (-jΦ k ) where ρ k is the weighting coefficient and Φ k of phase shift applicable to the antenna k. The 300 k modules associated with summers 360 and 361 then operate as a conventional baseband beam former. On the other hand if the configuration in diversity is retained, the complex value G k is chosen equal to g * k where g k is the complex gain of fading associated with the antenna k. The combination of the 300 k modules, the summers 360 and 361, then function as a diversity receiver of the MRC (Maximum Ratio Combining) type. Of course, other types of diversity processing can be envisaged: thus one can choose G k = G * δ (kk 0 ) where k 0 is the index of the branch giving the best noise-to-noise ratio (Selective Combining) or else G k = G ∀k where G is a given gain.

Le passage d'une configuration à l'autre et de manière plus générale le changement du pas du réseau est préparée en fixant les coefficients Gk à la valeur 1, ou plus avantageusement, en amenant progressivement, dans une phase initiale, les coefficients Gk à la valeur 1 afin d'éviter tout phénomène transitoire. Le pas du réseau est ensuite modifié dans une phase intermédiaire. Après le changement du pas, les coefficients Gk sont fixés à leurs nouvelles valeurs de consigne, ou plus avantageusement amenés progressivement, dans une phase finale, à leurs nouvelles valeurs de consigne afin d'éviter tout phénomène transitoire. Dans le cas où le module 300k est réalisé de manière numérique, par exemple au moyen de convertisseurs A/D en sortie des filtres 330 et 331, la phase initiale et la phase finale peuvent évidemment être instantanées. Cependant si l'on souhaite éviter tout effet transitoire en aval du module 300k, un lissage sera avantageusement utilisé dans la phase initiale et la phase finale.The passage from one configuration to another and more generally the change in the pitch of the network is prepared by fixing the coefficients G k to the value 1, or more advantageously, by gradually bringing, in an initial phase, the coefficients G k at the value 1 in order to avoid any transient phenomenon. The pitch of the network is then modified in an intermediate phase. After the change of the pitch, the coefficients G k are fixed at their new set values, or more advantageously brought gradually, in a final phase, to their new set values in order to avoid any transient phenomenon. In the case where the module 300 k is produced digitally, for example by means of A / D converters at the output of the filters 330 and 331, the initial phase and the final phase can obviously be instantaneous. However, if one wishes to avoid any transient effect downstream of the 300 k module, smoothing will advantageously be used in the initial phase and the final phase.

La Fig. 4 représente un premier dispositif mécanique de déplacement des antennes d'un réseau. Le dispositif comprend un rail 400 ayant un profil en U dont les bords sont recourbés vers le centre du rail et dans lequel peuvent se déplacer des supports d'antennes 410. Un glissement aisé est assuré par des rouleaux (non représentés) équipant le fond et les parois intérieures du rail ou tout autre moyen équivalent. Sur chaque support d'antenne est fixée une patte 430 possédant à son extrémité libre un passage fileté 431. Des moteurs 440 entraînent en rotation des vis sans fin 420 tournant dans les passages filetés 431. Ainsi, en commandant les moteurs 440 de manière appropriée, les supports d'antenne peuvent être translatés de manière à respecter un espacement donné.Fig. 4 shows a first mechanical device for moving the antennas of a network. The device comprises a rail 400 having a U-shaped profile the edges of which are curved towards the center of the rail and in which antenna supports 410 can move. Easy sliding is ensured by rollers (not shown) equipping the bottom and the interior walls of the rail or any other equivalent means. On each antenna support is fixed a tab 430 having at its free end a threaded passage 431. Motors 440 rotate endless screws 420 rotating in the threaded passages 431. Thus, by controlling the motors 440 appropriately, the antenna supports can be translated so as to respect a given spacing.

La Fig. 5 représente un second dispositif mécanique de déplacement des antennes d'un réseau. Les supports d'antenne 510 peuvent là aussi glisser à l'intérieur d'un rail 500. Pour chaque support sont prévues deux lames 520 pouvant pivoter autour d'un axe 530. Les lames d'un support sont reliées en leurs extrémités par des axes 540 aux extrémités des lames des supports adjacents. L'ensemble des lames forme donc un treillis comprimable ou dépliable à volonté tout en garantissant un espacement identique entre les différentes antennes. La compression ou l'expansion du treillis est assurée par une vis sans fin entraînée par un moteur et un passage fileté solidaire du support d'antenne à une extrémité mobile du treillis. La seconde extrémité peut être fixe ou également mobile. Dans ce dernier cas, les deux extrémités mobiles seront avantageusement équipées toutes deux du dispositif de déplacement. Il est clair que d'autres dispositifs peuvent être envisagés selon le type du réseau. Par exemple si le réseau est matriciel, plusieurs rails parallèles seront employés et l'écartement inter-rail sera réglé au moyen de dispositifs à vis sans fin ou à treillis déformable comme décrits en Figs. 4 et 5. Si le réseau est circulaire, des dispositifs de déplacement d'antenne sur crémaillère en arc de cercle ou au moyen d'un mécanisme de type parapluie sont également envisageables.Fig. 5 shows a second mechanical device for moving the antennas of an array. The antenna supports 510 can also slide there inside a rail 500. For each support are provided two blades 520 which can pivot around an axis 530. The blades of a support are connected at their ends by axes 540 at the ends of the blades of the adjacent supports. The assembly of the blades therefore forms a trellis which can be compressed or unfolded at will while guaranteeing identical spacing between the different antennas. The compression or expansion of the trellis is ensured by an endless screw driven by a motor and a threaded passage secured to the antenna support at a movable end of the trellis. The second end can be fixed or also mobile. In the latter case, the two movable ends will advantageously both be equipped with the displacement device. It is clear that other devices can be envisaged depending on the type of network. For example if the network is matrix, several parallel rails will be used and the inter-rail spacing will be adjusted by means of worm or deformable lattice devices such as described in Figs. 4 and 5. If the network is circular, devices for moving the antenna on a rack in an arc or by means of an umbrella-type mechanism are also conceivable.

La Fig. 6 illustre un mode de réalisation de l'invention utilisant un dispositif électronique de variation du pas du réseau. Ce dispositif se prête bien aux applications nécessitant une reconfiguration rapide. Pour des raisons de clarté, les duplexeurs et les amplificateurs bas bruit n'ont pas été représentés. Le dispositif est constitué d'un grand nombre d'antennes élémentaires 611j, par exemple des antennes à fente (slot antennas) ou des antennes de type microstrip, chaque antenne élémentaire 611j étant reliée à un ensemble des unités de groupage 620j-k,.., 620j+k. De manière équivalente, chaque unité de groupage 620j reçoit sur ses entrées les signaux des antennes élémentaires 611j-k,...,611j+k. La sortie de chaque unité de groupage est reliée à un commutateur 630 dirigeant certaines sorties d'unités de groupage (en fait les sorties des unités actives comme nous le verrons plus loin) vers les entrées du formateur de faisceau 640 (voire à des formateurs de faisceau opérant en parallèle) ou à un récepteur à diversité spatiale ou bien encore à un système mixte comme vu plus haut. Le rôle des circuits de groupage est de simuler un réseau de pas désiré. Le fonctionnement des circuits de groupage est expliqué en Fig. 7. Trois exemples de simulation de pas de réseau A,B,C y sont représentés. En abscisse sont portés les numéros d'ordre j des antennes élémentaires et en ordonnées sont portées des valeurs de coefficients de pondération. L'exemple A est un cas simple où les antennes élémentaires sont groupées par paquets de même taille q. Le pas du réseau équivalent est alors q*d où d est le pas du réseau de base. Les signaux de sortie des antennes élémentaires subissent tous la même pondération dans les unités de groupage avant d'y être sommés. Au dessous de la ligne des abscisses ont été indiquées les unités de groupage actives sous la forme Cz j où j est l'indice de l'unité 620j active et z est un sous-ensemble de (-k,-k+1,...,0,k-1,k) des connections retenues pour la pondération, les autres étant multipliées par un coefficient nul ou inhibées. L'exemple B montre la réalisation d'un réseau équivalent de pas de forme (2p+1)d/2 où p est un entier. Le réseau est simulé en alternant des paquets de p et de p+1 antennes élémentaires. La différence de niveau de pondération entre les paquets de p et de p+1 éléments est due à la normalisation en fonction du nombre d'antennes élémentaires par paquet. Enfin l'exemple C illustre le cas général ou l'on souhaite simuler un réseau de pas fractionnaire d*q/p avec q, p entiers et q>p. On détermine tout d'abord la distribution d'amplitude D correspondant au diagramme de rayonnement désiré d'une antenne équivalente 610j, par exemple au moyen d'une transformée de Fourier inverse. Cette distribution est répétée à la périodicité souhaitée et les coefficients de pondération sont obtenus comme les valeurs de cette distribution prises aux points du réseau de base. Les valeurs sont ensuite normalisées (non représentées) pour que la puissance reçue par paquet soit constante. Pour des raisons de simplification, la distribution illustrée est triangulaire bien qu'en pratique elle sera gaussienne ou correspondra à une portion de sinus cardinal. Pour chaque antenne équivalente l'ensemble des 2k+1 points de plus forte amplitude sont retenus pour la pondération et cet ensemble détermine l'unité de groupage qui sera active pour cette antenne. Bien que les coefficients de pondération illustrés soient réels, il est clair qu'en général ces coefficients seront complexes de manière à prendre en compte les différences de phase entre antennes élémentaires pour un angle d'incidence donné. Dans ce dernier cas, toutefois, le fonctionnement en mode multifaisceau nécessiterait la réplication de l'étage de groupage pour chaque formateur de faisceau.Fig. 6 illustrates an embodiment of the invention using an electronic device for varying the pitch of the network. This device lends itself well to applications requiring rapid reconfiguration. For reasons of clarity, the low noise duplexers and amplifiers have not been shown. The device consists of a large number of elementary antennas 611 j , for example slot antennas or antennas of the microstrip type, each elementary antenna 611 j being connected to a set of grouping units 620 jk , .., 620 d + k . Equivalently, each grouping unit 620 j receives on its inputs the signals from the elementary antennas 611 jk , ..., 611 j + k . The output of each grouping unit is connected to a switch 630 directing certain outputs of grouping units (in fact the outputs of the active units as we will see below) towards the inputs of the beam former 640 (or even beam operating in parallel) or to a receiver with spatial diversity or even to a mixed system as seen above. The role of grouping circuits is to simulate a network of desired steps. The operation of the grouping circuits is explained in Fig. 7. Three examples of network step simulations A, B, C are shown. On the abscissa are the order numbers j of the elementary antennas and on the ordinate are the values of the weighting coefficients. Example A is a simple case where the elementary antennas are grouped in packets of the same size q. The step of the equivalent network is then q * d where d is the step of the basic network. The output signals of the elementary antennas all undergo the same weighting in the grouping units before being summed there. Below the abscissa line are indicated the active grouping units in the form C z j where j is the index of the active unit 620 j and z is a subset of (-k, -k + 1 , ..., 0, k-1, k) of the connections retained for the weighting, the others being multiplied by a zero coefficient or inhibited. Example B shows the realization of an equivalent network of pitch of form (2p + 1) d / 2 where p is an integer. The network is simulated by alternating packets of p and p + 1 elementary antennas. The difference in weighting level between the packets of p and p + 1 elements is due to normalization as a function of the number of elementary antennas per packet. Finally, example C illustrates the general case where one wishes to simulate a network of fractional steps d * q / p with q, integers and q> p. We first determine the amplitude distribution D corresponding to the desired radiation pattern of an equivalent antenna 610 j , for example by means of an inverse Fourier transform. This distribution is repeated at the desired periodicity and the weighting coefficients are obtained as the values of this distribution taken at the points of the basic network. The values are then normalized (not shown) so that the power received per packet is constant. For reasons of simplification, the distribution illustrated is triangular although in practice it will be Gaussian or correspond to a portion of cardinal sinus. For each equivalent antenna, the set of 2k + 1 points of higher amplitude are used for weighting and this set determines the grouping unit which will be active for this antenna. Although the weighting coefficients illustrated are real, it is clear that in general these coefficients will be complex so as to take into account the phase differences between elementary antennas for a given angle of incidence. In the latter case, however, operation in multibeam mode would require replication of the grouping stage for each beam former.

Bien que certaines fonctionnalités de l'invention aient été représentées sous une forme de traitement analogique, il est bien entendu qu'elles peuvent être implémentées de manière numérique et être exécutées par des processeurs numériques dédiés ou universels.Although certain functionalities of the invention have been represented in the form of analog processing, it is understood that they can be implemented digitally and be executed by dedicated or universal digital processors.

Claims (18)

Dispositif d'antenne, notamment pour station de télécommunication, apte à émettre ou à recevoir un signal, comprenant une pluralité d'éléments rayonnants (110j,210j,610j) disposés selon un arrangement périodique présentant au moins une périodicité spatiale (P), caractérisé en ce qu'il comporte des moyens de configuration d'antenne (150,160,170,250,260,271,272) adaptés à faire varier la valeur de ladite périodicité spatiale en fonction des conditions de transmission.Antenna device, in particular for telecommunication station, capable of transmitting or receiving a signal, comprising a plurality of radiating elements (110 d , 210 d , 610 d ) arranged in a periodic arrangement having at least one spatial periodicity (P ), characterized in that it comprises antenna configuration means (150,160,170,250,260,271,272) adapted to vary the value of said spatial periodicity as a function of the transmission conditions. Dispositif d'antenne selon la revendication 1 caractérisé en ce qu'il comprend au moins un formateur de faisceau (140, 241) adapté à former un faisceau dans au moins une première direction à partir des signaux d'entrée et/ou de sortie desdits éléments rayonnants.Antenna device according to claim 1 characterized in that it comprises at least one beam former (140, 241) adapted to form a beam in at least a first direction from the input and / or output signals of the said signals radiant elements. Dispositif d'antenne selon la revendication 1 ou 2 caractérisé en ce qu'il comprend au moins un formateur de faisceau (140, 241) adapté à rejeter un signal interfèrent dans au moins une seconde direction à partir des signaux de sortie desdits éléments rayonnants.An antenna device according to claim 1 or 2 characterized in that it comprises at least one beam former (140, 241) adapted to reject an interfering signal in at least a second direction from the output signals of said radiating elements. Dispositif d'antenne selon la revendication 2 ou 3, caractérisé en ce que, la transmission du signal se faisant sur une fréquence porteuse, lesdits moyens de configuration fixent ladite périodicité spatiale à une valeur inférieure ou égale à la demi-longueur d'onde de ladite fréquence porteuse.An antenna device according to claim 2 or 3, characterized in that , the transmission of the signal being carried out on a carrier frequency, said configuration means fix said spatial periodicity at a value less than or equal to the half wavelength of said carrier frequency. Dispositif d'antenne selon la revendication 1 caractérisé en ce qu'il comprend un récepteur ou un émetteur (140, 242) adapté à recevoir ou à émettre en diversité spatiale.Antenna device according to claim 1 characterized in that it comprises a receiver or a transmitter (140, 242) adapted to receive or transmit in spatial diversity. Dispositif d'antenne selon la revendication 5, caractérisé en ce que, la transmission se faisant sur une fréquence porteuse, les moyens de configuration fixent ladite périodicité spatiale à une valeur supérieure à la longueur d'onde de ladite fréquence porteuse.An antenna device according to claim 5, characterized in that , the transmission being carried out on a carrier frequency, the configuration means fix said spatial periodicity at a value greater than the wavelength of said carrier frequency. Dispositif d'antenne selon les revendications 2 ou 3 et 4 ou 5 caractérisé en ce qu'il comprend une pluralité de commutateurs (Sj) dirigeant les signaux d'entrée ou sortie d'antenne soit vers le formateur de faisceau (241) soit vers l'émetteur ou le récepteur (242) en diversité spatiale, les moyens de configuration fixant le pas du réseau à une valeur inférieure ou égale à une demi-longueur d'onde de la fréquence porteuse des signaux lorsque ceux-ci sont commutés vers le formateur de faisceau et à une valeur supérieure à ladite longueur d'onde s'ils sont commutés vers l'émetteur ou le récepteur en diversité spatiale.Antenna device according to claims 2 or 3 and 4 or 5 characterized in that it comprises a plurality of switches (S j ) directing the antenna input or output signals either to the beam former (241) or to the spatial diversity transmitter or receiver (242), the configuration means setting the pitch of the network to a value less than or equal to half a wavelength of the carrier frequency of the signals when these are switched to the beam trainer and at a value greater than said wavelength if they are switched to the transmitter or receiver in spatial diversity. Dispositif d'antenne selon la revendication 1 caractérisé en ce qu'il comprend un système mixte (140) apte à fonctionner soit comme formateur de faisceau soit comme récepteur en diversité spatiale, les moyens de configuration fixant le pas du réseau à une valeur inférieure ou égale à une demi-longueur d'onde lorsque le système mixte fonctionne comme formateur de faisceau et à une valeur supérieure à la longueur d'onde lorsqu'il fonctionne comme récepteur en diversité spatiale.Antenna device according to claim 1 characterized in that it comprises a mixed system (140) able to function either as a beam former or as a receiver in spatial diversity, the configuration means fixing the pitch of the network to a lower value or equal to half a wavelength when the mixed system functions as a beam former and to a value greater than the wavelength when it functions as a spatial diversity receiver. Dispositif d'antenne selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les moyens de configuration sont adaptés à placer l'antenne dans une configuration intermédiaire sans traitement d'antenne pendant la phase de variation de ladite périodicité spatiale.Antenna device according to one of the preceding claims, characterized in that the configuration means are adapted to place the antenna in an intermediate configuration without antenna processing during the phase of variation of said spatial periodicity. Dispositif d'antenne selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les moyens de configuration comprennent des moyens d'hystérésis ou de temporisation aptes à supprimer les changements intempestifs de ladite périodicité spatiale.Antenna device according to one of the preceding claims, characterized in that the configuration means comprise hysteresis or delay means capable of suppressing untimely changes in said spatial periodicity. Dispositif d'antenne selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que, les éléments rayonnants étant fixés sur des supports (410,510), les moyens de configuration comprennent au moins un rail (400,500) dans lequel les supports des éléments rayonnants peuvent coulisser.Antenna device according to one of the preceding claims, characterized in that , the radiating elements being fixed on supports (410,510), the configuration means comprise at least one rail (400,500) in which the supports of the radiating elements can slide . Dispositif d'antenne selon la revendication 11, caractérisé en ce que les moyens de configuration comprennent une pluralité de vis sans fin (420) engagées dans des passages filetés (431) solidaires des supports des éléments rayonnants, l'espacement entre les éléments rayonnants variant en fonction de la rotation desdites vis.Antenna device according to claim 11, characterized in that the configuration means comprise a plurality of endless screws (420) engaged in threaded passages (431) integral with the supports of the radiating elements, the spacing between the radiating elements varying depending on the rotation of said screws. Dispositif d'antenne selon la revendication 11, caractérisé en ce que les moyens de configuration comprennent un treillis déformable (520,540) dont les noeuds (530) sont reliés aux supports des éléments rayonnants, l'espacement entre éléments rayonnants variant en fonction de la compression ou de l'expansion dudit treillis.Antenna device according to claim 11, characterized in that the configuration means comprise a deformable lattice (520,540), the nodes (530) of which are connected to the supports of the radiating elements, the spacing between radiating elements varying according to the compression. or expansion of said trellis. Dispositif d'antenne selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les éléments rayonnants (610j) sont constitués d'une pluralité d'antennes élémentaires (611j).Antenna device according to one of the preceding claims, characterized in that the radiating elements (610 j ) consist of a plurality of elementary antennas (611 j ). Dispositif d'antenne selon la revendication 14, caractérisé en ce que les moyens de configuration comprennent une pluralité d'unités (620j) adaptées à pondérer et sommer un ensemble de signaux de sortie d'antennes élémentaires adjacentes (611j-k,...,611j+k), un commutateur (630) dirigeant certains signaux de sortie desdites unités vers les entrées d'au moins un formateur de faisceau (640), la périodicité spatiale des éléments rayonnants étant modifiée en sélectionnant les signaux de sortie d'antennes élémentaires et les signaux de sortie desdites unités.Antenna device according to claim 14, characterized in that the configuration means comprise a plurality of units (620 j ) suitable for weighting and summing a set of output signals from adjacent elementary antennas (611 jk , ... , 611 j + k ), a switch (630) directing certain output signals from said units to the inputs of at least one beam former (640), the spatial periodicity of the radiating elements being modified by selecting the output signals of elementary antennas and the output signals of said units. Dispositif d'antenne pour station de télécommunication selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que lesdites conditions de transmission sont une ou plusieurs caractéristiques de la transmission parmi le taux d'erreurs binaires, le taux d'erreurs paquets, le rapport puissance du signal à bruit plus interférence, la qualité de service, la puissance consommée par l'émetteur responsable de la transmission.Antenna device for telecommunication station according to one of the preceding claims, characterized in that said transmission conditions are one or more characteristics of the transmission among the bit error rate, the packet error rate, the power ratio signal to noise plus interference, quality of service, power consumed by the transmitter responsible for the transmission. Terminal mobile comprenant un dispositif d'antenne selon l'une des revendications précédentes.Mobile terminal comprising an antenna device according to one of the preceding claims. Station de base comprenant un dispositif d'antenne selon l'une des revendications 1 à 16.Base station comprising an antenna device according to one of claims 1 to 16.
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