EP1576696A1 - Une antenne de faible volume notamment pour radiotelephones portatifs - Google Patents

Abstract

L’invention concerne une antenne de très faible volume large bande pour appareil portatif. Elle comprend -une première surface conductrice (10), sensiblement disposée dans une première surface géométrique, ayant une forme non fermée entourant un espace interne (18) et raccordable au module émetteur récepteur en masse indépendante dudit appareil ; et - une deuxième surface conductrice (20) disposée sensiblement dans une deuxième surface géométrique et située dans ledit espace interne (18) et formant un ensemble rayonnant raccordable au conducteur de l’alimentation de l’antenne, ce par quoi ladite antenne est semi-indépendante des éléments dudit appareil.

Description

"Une antenne de faible volume, notamment pour radiotéléphones portatifs"

La présente invention a pour objet une antenne de faible volume destinée à être utilisée notamment mais non exclusivement dans un radiotéléphone portatif.

Dans les radiotéléphones portatifs, on connaît l'utilisation d'antennes en forme d'hélice qui sont le plus souvent montées à l'extérieur du boîtier du radiotéléphone. Ces antennes peuvent avoir une dimension relativement réduite mais elles sont disposées à l'extérieur du boîtier pour être associées à un plan de masse qui est disposé lui à l'intérieur du boîtier du radiotéléphone.

On sait que la tendance dans la réalisation des radiotéléphones est de supprimer toute antenne externe pour disposer celle-ci à l'intérieur du boîtier. La tendance est également à la réduction des dimensions du radiotéléphone ou du moins à l'intégration dans le radiotéléphone pour une dimension externe donnée d'un plus grand nombre de composants.

Il en résulte qu'il est intéressant pour la conception d'un radiotéléphone de disposer d'une antenne interne et de dimensions relativement réduites. Pour satisfaire à la première condition, on a proposé d'utiliser dans les radiotéléphones des antennes à plaque du type PiFa ou similaire. Ces antennes à plaque qui sont constituées essentiellement par un plan de masse et par une plaque rayonnante, plus généralement un élément radiant sensiblement parallèle au plan de masse, comportent également une connexion de court-circuit entre l'élément radiant et le plan de masse ainsi qu'une alimentation d'antenne généralement à 50 Ohms mais non exclusivement et réalisée le plus souvent à l'aide d'une ligne microstrip ou de connecteurs coaxiaux ou de connecteurs à contacts parallèles dont l'impédance caractéristique est voisine de 50 Ohms. Dans la gamme de fréquences utilisées pour les radiotéléphones et notamment pour la gamme de fréquences correspondant au GSM, dont la fréquence centrale est de l'ordre de 920 MHz, la distance minimale entre l'élément radiant et le plan de masse est de l'ordre de 7 à 10 mm, du moins lorsque le diélectrique disposé entre l'élément radiant et le plan de masse est de l'air. Cette épaisseur de l'ordre de 7 à 10 mm est considérée comme trop importante pour la réalisation des radiotéléphones. Or, on constate que, si l'on cherche à réduire l'épaisseur de l'antenne PiFa pour porter celle-ci par exemple à moins de 5 mm, la bande passante de cette antenne est considérablement réduite, ce qui la rend pratiquement inutilisable. Les antennes à plaque connues ne répondent donc pas davantage à la deuxième condition énoncée ci-dessus.

Un objet de la présente invention est de fournir une antenne notamment utilisable dans un radiotéléphone portatif qui présente un très faible volume dont l'épaisseur est réduite.

De préférence également l'antenne doit être d'une architecture qui permet son utilisation au moins dans deux bandes de fréquence.

Pour atteindre ce but selon l'invention l'antenne de très faible volume pour appareil portatif comprend :

- une première surface conductrice sensiblement disposée dans une première surface géométrique ayant une forme non fermée entourant un espace interne et raccordable au module émetteur récepteur en masse indépendante dudit appareil ; et - une deuxième surface conductrice disposée sensiblement dans une deuxième surface géométrique sensiblement confondue avec ladite première surface géométrique et située dans ledit espace interne et formant un ensemble rayonnant raccordable au conducteur de l'alimentation de l'antenne, ce par quoi ladite antenne ainsi formée est semi-indépendante des éléments dudit appareil. On comprend que l'antenne étant constituée par les deux surfaces conductrices sensiblement disposées sur une même surface géométrique mentionnées ci-dessus, l'antenne peut avoir une épaisseur très réduite qui est soit l'épaisseur de la tôle métallique dans laquelle ses surfaces sont découpées, soit l'épaisseur du substrat isolant flexible ou non flexible sur lequel des métallisations ont été réalisées. En fait, c'est la connectique qui augmente localement l'épaisseur de cette antenne.

En outre, on comprend que l'on peut donner à la deuxième métallisation qui constitue l'ensemble radiant de l'antenne une forme telle que l'antenne puisse fonctionner dans les gammes GSM 850 (USA), GSM 900 (Europe) et dans les gammes DCS 1800 (Europe) et PCS 1900 (USA).

Comme on l'expliquera ultérieurement plus en détail, cette antenne présente une très large bande, par exemple de l'ordre de 25% et se caractérise par une semi-indépendance vis à vis des éléments et composants du poste radiotéléphone. Par semi-indépendance, on veut dire que le fonctionnement de l'antenne n'est pas affectée par les autres composants ou éléments du dispositif dans lequel l'antenne est montée. L'antenne n'est perturbée que par la présence, à sa proximité immédiate, d'une masse ou d'une source de radiations ex : batterie. On notera aussi que la masse de l'antenne doit être alimentée directement au module émetteur récepteur en masse indépendante de la masse de l'appareil.

De préférence, cette antenne est montée à l'intérieur de l'appareil qu'elle équipe. Cependant, compte tenu de sa forme sensiblement disposée sur une même surface géométrique, il peut être intéressant de la déposer dans l'organe mécanique externe qui constitue l'accroche de l'appareil notamment dans le cas d'un radiotéléphone.

On comprend également que, grâce à l'invention, il est possible de fabriquer l'antenne par la réalisation de métallisation de géométries convenables sur un support isolant flexible qui est initialement plan. Ensuite, cette antenne peut être fixée sur une pièce mécanique ou un composant qui n'est pas plan, le support isolant flexible s'adaptant à la forme particulière de la pièce mécanique ou du composant, l'antenne ayant alors la forme d'une surface géométrique gauche. En outre, différentes solutions d'alimentation de l'antenne sont possibles : a) asymétrique

Liaison coaxiale, (connecteurs, câbles) b) symétrique lignes parallèles, (connecteurs)

Du fait que les éléments radiants et plaque conductrice sont sur un même plan, il devient facile d'intégrer des composants électroniques actifs ou passifs permettant un réglage de la fréquence.

D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront mieux à la lecture de la description qui suit de plusieurs modes de réalisation de l'invention donnés à titre d'exemples non limitatifs. La description se réfère aux figures annexées sur lesquelles : la figure 1A est une vue de dessus d'un mode de réalisation de l'antenne ; la figure 1B est une vue en coupe verticale de l'antenne de la figure 1A selon la ligne B-B ; les figures 2A, 2B et 2C montrent des premières variantes de réalisation de la première surface conductrice ; les figures 2D et 2E montrent des deuxièmes variantes de réalisation de la première surface conductrice ; la figure 3 montre une variante de réalisation de l'antenne dans laquelle elle comprend des composants actifs ; la figure 3A montre des courbes illustrant l'effet des composants additionnels ; la figure 4 est une vue de dessus d'un mode préféré de réalisation ; et la figure 5 est une courbe montrant le fonctionnement de l'antenne de la figure 4. En se référant tout d'abord aux figures 1A et 1B, on va décrire un premier mode de réalisation de l'antenne selon l'invention. L'antenne est constituée par une première surface conductrice 10 sensiblement plane constituée par une bande conductrice 12 dont la ligne moyenne 14 a sensiblement la forme d'un rectangle à l'exception d'une ouverture 16 et dont la largeur e est sensiblement constante. La longueur du rectangle est égale à L et sa largeur I. La bande conductrice 12 définit intérieurement un espace interne 18.

Dans l'espace interne 18, l'antenne comporte une deuxième surface conductrice 20 sensiblement plane et sensiblement disposée dans le même plan que la première surface conductrice 10.

La surface conductrice 20 est constituée par une portion de connexion 22 et par une portion formant l'élément radiant de l'antenne 24.

Dans ce mode de réalisation, l'élément radiant 24 est constitué par une première branche 26 raccordée à la zone de connexion 22 et par une deuxième branche plus courte 28.

Par sensiblement plane, il faut entendre que les surfaces conductrices sont planes aux défauts de planéité près liés à la technologie pour les réaliser. Par l'expression "les deux surfaces conductrices sont disposées sensiblement dans un même plan" il faut entendre également que les plans de ces deux surfaces conductrices sont confondus au défaut technologique de réalisation près.

Dans ce mode de réalisation, les surfaces conductrices 10 et 20 sont constituées par des métallisations réalisées sur un support isolant 30. Ce support isolant 30 peut être de toute nature convenable, par exemple réalisé en époxy, ou du type substrat isolant souple. Ainsi qu'on l'a déjà indiqué, lorsque le support isolant est souple ou flexible, l'antenne réalisée peut ensuite être fixée sur un support non plan dont le support flexible épousera la forme.

C'est pourquoi, dans sa définition la plus large, l'antenne est constituée par les deux surfaces conductrices qui sont sensiblement disposées sur une même surface géométrique qui peut être gauche.

La zone de connexion 22 de la deuxième surface conductrice 20 définit un point 32 de connexion du conducteur d'antenne et la première surface conductrice 10 comporte une métallisation supplémentaire 34 constituant une connexion de masse raccordable au module émetteur récepteur en masse indépendante.

L'antenne peut comporter en outre un connecteur 38 pour relier effectivement l'élément radiant 24 au conducteur d'antenne et pour relier le point de masse 34 à reliée au module émetteur récepteur en masse indépendante de l'appareil dans lequel l'antenne est intégrée. Le connecteur 38 peut être un connecteur coaxial. Il faut que les points de connexion 32 et 34 soient placés de telle manière à avoir une impédance généralement proche de 50 Ohms pour être raccordés au conducteur central et au conducteur extérieur du connecteur coaxial 38. Le connecteur peut également être un connecteur double voies à deux contacts parallèles dont la distance entre les deux contacts sera judicieusement choisie pour avoir une impédance caractéristique d'entrée généralement proche de 50 Ohms.

Comme on l'expliquera plus en détail ultérieurement en liaison avec la figure 4, l'antenne ainsi réalisée présente un volume très réduit. Sa longueur L et sa largeur I peuvent être respectivement de l'ordre de 28 à 33 mm et de 7 à 13 mm. Son épaisseur qui est celle du substrat isolant 30 peut être de l'ordre de 0,1 mm. En fait, c'est l'épaisseur du connecteur 38 et /ou des composants passifs et/ou actifs qui définissent dans cette direction l'encombrement total de l'antenne. Il faut ajouter que la géométrie de la première surface conductrice 10 pourrait être différente car cette surface conductrice doit être appariée à l'élément radiant 24. Il faut cependant qu'elle entoure effectivement l'espace interne 18 avec une ouverture dont la longueur est très réduite par rapport à celle de la surface conductrice.

Les figures 2D et 2E montrent deux autres formes possibles pour la première surface conductrice 12.

Sur la figure 2D, la première surface conductrice 12a comporte un petit côté 13 qui a une largeur supérieure aux autres côtés. De plus, l'ouverture 16' réalisée dans le deuxième petit côté 13' n'a pas une position médiane.

Sur la figure 2E, la première surface conductrice 12b a une forme polygonale irrégulière à six côtés. Une telle forme permet d'adapter l'encombrement de l'antenne à l'environnement externe tout en entourant la deuxième surface conductrice constituant l'ensemble rayonnant.

On comprend que l'on ne sortirait pas de l'invention si les surfaces conductrices 10 et 20 n'étaient pas constituées par des. métallisations réalisées sur un substrat isolant 30 et ultérieurement gravées par tout procédé convenable pour définir la forme particulière de ses deux surfaces, mais obtenues par découpe d'une tôle métallique. Cette tôle métallique pourrait avoir une épaisseur de l'ordre de 0,2 à 0,3 mm. Il serait alors bien sûr nécessaire de prévoir un support mécanique isolant pour maintenir l'une par rapport à l'autre les deux surfaces conductrices. les figures 2A, 2B et 2C montrent des variantes de réalisation de la première surface conductrice. La deuxième surface conductrice peut avoir une forme telle qu'elle définisse deux éléments radiants ou plus dont les dimensions correspondant à deux bandes de fréquence distinctes ou plus de deux. Dans ce cas, la première surface conductrice, ayant la forme d'une bande conductrice définissant un rectangle ouvert, ne peut être accordée avec les deux éléments radiants.

Il a été constaté qu'en ajoutant à la bande conductrice 12 représentée sur les figures 1A et 2 au moins une extension conductrice équivalent à un filtre ou à un piège, une amélioration de la semi- indépendance pour les bandes de fréquences utilisées.

Sur la figure 2A, on a représenté la bande conductrice ouverte 12 et, symboliquement, les deux éléments radiants 20'. La première surface conductrice comprend en outre une extension conductrice 70 raccordée au point médian A du petit côté non ouvert 72 de la bande 12. Pour des raisons de compacité, l'extension 70 est disposée le long d'un des grands côtés de la bande 12.

Dans le cas du mode de réalisation de la figure 2B, l'extension conductrice 74 a une extrémité 74a qui est raccordée à une extrémité ouverte 76 de la bande 12.

Dans le mode de réalisation représenté sur la figure 2C, la première surface conductrice comprend en plus de la bande 12 deux extensions conductrices 78 et 80, la première extrémité 78a, 80a des extensions étant raccordée à une extrémité ouverte 76, 76' de la bande 12.

La figure 3 montre un exemple de réalisation de l'antenne équipée de composants actifs.

Sur la figure 3, on retrouve la première métallisation constituée par la bande conductrice 12 avec son ouverture 16 et sa zone de contact de masse 34a.

On retrouve également la deuxième surface conductrice 20 qui, dans ce mode de réalisation, est constituée par deux éléments radiants 21 et 23 raccordés à la zone de connexion 25 qui comporte elle-même la zone de contact d'antenne 32a. On y a également fait apparaître le câble d'antenne 90 avec son conducteur central 90a et son blindage 90b.

Dans ce mode de réalisation, la bande conductrice 12 et l'élément radiant 23 sont chacun munis d'un composant actif constitué respectivement par les varactors VI et V2 montés en série sur la métallisation correspondante, l'énergie électrique d'alimentation des varactors est apportée par le blindage 90b du câble d'antenne qui alimente une source d'alimentation continue variable 92. Le point milieu 92c de la source d'alimentation 92 est raccordé au blindage du câble, alors que les bornes de sortie 92a et 92b de la source servent à alimenter les varactors VI et V2. La zone de contact 32a est raccordée au conducteur central 90a du câble par une métallisation 94 raccordée à la zone de contact 32a, traversant l'ouverture 16, et par une capacité de blocage C. La borne de sortie 92a de la source 92 est raccordée à la métallisation 94 par une self d'arrêt Ll. La borne de sortie 92b de la source 92 est raccordée à la zone de contact de masse 34a par une self d'arrêt L2 et une extension conductrice 96. L'extrémité 23a de la métallisation 23 est raccordée à la zone de contact de masse 34a par une self d'arrêt L3 pour l'alimentation du varactor V2 et la métallisation 21 est raccordée à la bande conductrice L4 pour l'alimentation du varactor VI.

En faisant varier la tension continue délivrée par la source 92, on modifie la capacité aux bornes des varactors VI et V2.

Ces composants actifs ou passifs, qui peuvent être des varactors, Jfet, MEMS, des inductances, des capacités ou des combinaisons des deux, permettent d'augmenter la longueur électrique de l'élément radiant ou éventuellement concomitamment de la deuxième surface conductrice pour adapter l'antenne à une autre bande de fréquence sans modifier le dessin de l'antenne. La figure 3A montre la transformation d'une résonance de 890 MHz à 984 MHz soit environ 100 MHz par commutation d'un élément passif.

En se référant maintenant à la figure 4, on va décrire un mode perfectionné de réalisation de l'antenne, cette antenne étant capable de fonctionner dans deux plages de fréquence correspondant dans ce cas particulier respectivement à 4 bandes GSM 850, GSM 900, DCS 1800 et

PCS 1900.

Dans ce mode de réalisation, la première surface conductrice est constituée par la bande conductrice 12' dont la ligne moyenne 14' est un rectangle à l'exception de l'ouverture 16', la largeur e sensiblement constante de cette bande étant égale à 1 mm dans ce mode de réalisation. Les contacts de masse 34' et alimentation d'antenne 42 sont matérialisés par une métallisation de surface supplémentaire, par exemple en or pour l'utilisation par exemple de contacts à ressort.

La deuxième surface conductrice 20' qui est entièrement disposée à l'intérieur de l'espace interne 18' limité par la bande conductrice 12' constitue un ensemble radiant pour l'antenne, cet ensemble radiant définissant dans ce cas particulier deux éléments radiants accordés sur deux bandes de fréquence distinctes. Plus précisément, la surface conductrice 20' comporte une zone de connexion 40 munie du contact d'antenne 42. La surface conductrice 20' comporte une première portion 44 constituant un premier élément radiant pour la bande de fréquence la plus élevée, DCS ou PCS. L'élément radiant 44 a la forme générale d'un U constitué par les deux branches 46 et 48 raccordées à une de leurs extrémités par la portion conductrice 50. L'extrémité 48a de la branche 48 est raccordée à la zone de connexion 40. Le deuxième élément radiant 52, correspondant à la bande de fréquences la plus basse, est accordé sur la bande de fréquence GSM 850 ou 900. Cette portion 52 comprend une première branche rectiligne 54 dont l'extrémité 54a est raccordée à la zone de connexion 40 et une deuxième branche 56, les extrémités 54b et 56b sont raccordées entre elles par une portion de surface conductrice 58 en forme de U dont l'axe x,x' est orthogonal à la direction des branches 54 et 56. La bande conductrice 12' est définie de telle manière qu'elle soit accordée avec les éléments radiants 44.

De préférence, pour que la première surface conductrice soit accordée sur les deux bandes de fréquence correspondant aux deux éléments radiants, la bande conductrice 12' est complétée par une extension 80 constituée par une bande métallique additionnelle dont une extrémité 80a est raccordée électriquement au centre 82 du petit côté non ouvert de la bande 12'. L'autre extrémité 80b de la métallisation 80 est libre.

Dans le mode de réalisation représenté sur la figure 4, l'ouverture 16' ménagée dans la bande 12' a une longueur égale à 2 mm.

Plus généralement, cette ouverture doit avoir une longueur très réduite par rapport à celle de la bande conductrice 12'. De préférence, l'ouverture a une longueur inférieure à 3 mm.

Dans tous les modes de réalisation de l'antenne selon l'invention, la seule liaison électrique qui peut exister entre les deux surfaces conductrices est une liaison capacitive, une liaison inductive ou une combinaison de ces deux types de liaison.

La figure 5 illustre le fonctionnement de l'antenne représentée sur la figure 4. Elle montre le ROS (VSWR) en fonction de la fréquence F, et fait apparaître l'importance de la bande passante pour la gamme

GSM 850, 900 MHz et pour la gamme DCS, PCS.

Il est important de noter que l'ensemble des métallisations constituant la première surface conductrice 12' et la deuxième surface conductrice 20' est très compact et occupe la plus grande partie du rectangle de longueur L et de largeur I. Quant à l'épaisseur de l'antenne, elle est égale à l'épaisseur du substrat isolant 30' sur lequel elle est réalisée si l'on excepte l'épaisseur du connecteur qui lui est associé.

Ainsi qu'on l'a déjà expliqué, l'antenne représentée sur la figure 4 peut être réalisée sur un support isolant souple. Cette antenne peut être fixée sur une surface non plane du dispositif sur lequel elle est montée. Les surfaces géométriques contenant les deux surfaces conductrices sont alors gauches et les courbes définissant ces surfaces sont des courbes à 3 dimensions.

Claims

REVENDICATIONS

1. Antenne de très faible volume large bande pour appareil portatif caractérisée en ce qu'elle comprend :

- une première surface conductrice, sensiblement disposée dans une première surface géométrique, ayant une forme non fermée entourant un espace interne et raccordable au module émetteur récepteur en masse indépendante dudit appareil ; et

- une deuxième surface conductrice disposée sensiblement dans une deuxième surface géométrique sensiblement confondue avec ladite première surface géométrique et située dans ledit espace interne et formant un ensemble rayonnant raccordable au conducteur de l'alimentation de l'antenne, ce par quoi ladite antenne est semi-indépendante des éléments dudit appareil.

2. Antenne selon la revendication 1, caractérisée en ce que ladite première surface a la forme générale d'une bande conductrice dont la ligne moyenne a la forme d'un polygone définissant une ouverture entre ses deux extrémités.

3. Antenne selon la revendication 2, caractérisée en ce que ladite ouverture a une longueur au plus égale à 3 mm.

4. Antenne selon la revendication 2 ou 3, caractérisée en ce que ladite deuxième surface définit au moins deux éléments radiants adaptés en longueur pour résonner dans les bandes de fréquences de travail de l'antenne.

5. Antenne selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que ladite deuxième surface définit une zone de connexion et d'une pluralité d'éléments radiants correspondant à des bandes de fréquences de travail.

6. Antenne selon la revendication 4, caractérisée en ce que la bande formant ladite première surface est accordée à un des éléments radiants.

7. Antenne selon la revendication 6, caractérisée en ce ladite première surface comprend en plus de ladite bande au moins une extension conductrice raccordée électriquement à ladite bande.

8. Antenne selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisée en ce qu'elle comprend en outre au moins un composant actif ou passif, raccordé électriquement à au moins une desdites surfaces conductrices.

9. Antenne selon la revendication 8, caractérisée en ce que ledit composant est actif et l'alimentation continue dudit composant actif se fait par l'alimentation coaxiale RF de l'antenne.

10. Antenne selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisée en ce qu'elle comprend en outre un connecteur coaxial relié à chacune desdites surfaces conductrices.

11. Antenne selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisée en ce qu'elle comprend en outre un connecteur double voies, chaque voie étant respectivement connectée à une desdites surfaces conductrices.

12. Antenne selon l'une quelconque des revendications 1 à 11, caractérisée en ce qu'elle comprend en outre un support isolant rigide ou flexible sur une des faces duquel sont réalisées lesdites première et deuxième surfaces conductrices.

13. Antenne selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisée en ce que lesdites surfaces conductrices sont constituées par une tôle conductrice usinée.

14. Antenne selon l'une quelconque des revendications 1 à 13, caractérisée en ce que ladite surface géométrique est gauche.

15. Antenne selon l'une quelconque des revendications 1 à 13, caractérisée en ce que ladite surface géométrique est un plan.