EP1580834B1

EP1580834B1 - Système et procédé de commande dynamique de la largeur de la bande passante d'une antenne, téléphone associé.

Info

Publication number: EP1580834B1
Application number: EP05102363A
Authority: EP
Inventors: Fernando Romao
Original assignee: Apple Inc
Current assignee: Apple Inc
Priority date: 2004-03-25
Filing date: 2005-03-23
Publication date: 2012-09-19
Anticipated expiration: 2025-03-23
Also published as: FR2868215B1; FR2868215A1; EP1580834A1; ES2396132T3

Description

DOMAINE TECHNIQUE GENERAL

La présente invention concerne une technique de commande dynamique de la largeur de la bande passante d'une antenne.
Plus précisément, elle concerne la commande de la largeur de la bande passante d'une antenne d'un téléphone mobile.

ETAT DE L'ART

Actuellement, les antennes utilisées dans les téléphones mobiles souffrent de la miniaturisation et de la diversité des fonctions intégrées dans ceux-ci. La place disponible pour les antennes se réduit.
La conséquence directe de la réduction de la place disponible pour l'antenne dans un téléphone mobile est une diminution du rendement et de la bande passante de l'antenne.
Face à ce problème, différentes stratégies sont actuellement mises en oeuvre par les constructeurs de téléphones mobiles.
Premièrement, on peut concevoir un téléphone mobile de petite taille et se satisfaire de performances médiocres du téléphone.
Par exemple, les pertes de l'antenne d'un mobile pour lequel le volume de l'antenne est restreint sont typiquement en bout de bande GSM (« Global System for Mobile communications » ou système mondial de communications mobiles) de 2 dB, et les pertes en bout de bande DCS (« Digital Communication System ») et PCS (« Personal Communications Services ») comprises entre 1.7 dB et 3 dB. Ces pertes sont relativement importantes et la fréquence de résonance centrale de l'antenne d'un téléphone est choisie de façon à trouver un compromis entre les pertes en transmission et les pertes en réception.
Deuxièmement, on peut renoncer à concevoir un mobile aussi petit que le voudrait le consommateur pour privilégier les performances de l'antenne.
On voit clairement que ces deux premières stratégies n'apportent pas satisfaction.
Troisièmement, on peut élaborer des systèmes complexes de commutation soit au sein de l'antenne, soit sur ses accès de masse dans le cas des antennes avec retour de masse - comme les antennes « patch », « PIFA (Plane Inverted F Antenna) », etc.
Un exemple d'un système connu de commutation au sein de l'antenne est représenté schématiquement sur la figure 1.
Deux éléments de commutation, par exemple sous forme d'impédances L, sont placés entre deux surfaces rayonnantes 1 et 2 d'une antenne d'un téléphone mobile. En fonction de la fréquence d'utilisation de l'antenne, les impédances L relient ou non les deux surfaces rayonnantes 1 et 2 et effectuent ainsi une commutation au sein de l'antenne. D'autres éléments de commutation sont bien entendu connus, et combinent des capacités et/ou des diodes à des inductances.
De tels systèmes de commutation au sein de l'antenne ne sont cependant pas satisfaisants.
En effet, ils sont générateurs de pertes, au-delà de la complexité introduite par l'ajout de composants au sein de l'antenne. Du fait de la présence d'un fort courant efficace sur la périphérie de la surface de l'antenne, le facteur de qualité Q des composants est primordial. Par exemple, pour une utilisation dans la bande GSM, le gain du système de commutation de la figure 1 est de -3 dBiso pour une impédance L égale à 10 nh et ayant un facteur de qualité Q de 80, alors que le gain est de -4 dBiso pour une impédance L égale à 10 nh et ayant un facteur de qualité Q de 50.
Les systèmes connus de commutation sur les retours de masse, sur les antennes patch par exemple, présentent les mêmes inconvénients que les systèmes de commutation au sein de l'antenne. Ils introduisent des pertes importantes.
On peut également élaborer des systèmes complexes d'adaptation de l'impédance de l'antenne sur ses chaînes de réception RX et de transmission TX. Le principe de commutation d'impédance est largement connu pour accorder en fréquence une antenne.
Un exemple de système connu d'adaptation d'impédance est représenté schématiquement sur la figure 2.
Un tel système comporte ainsi une antenne 3 d'émission/réception reliée à un module émetteur/récepteur 4 dans lequel tous les éléments numériques et radio d'un téléphone sont présents.
Le module 4 comporte ainsi une sortie 47 de chaîne de réception RX d'une bande GSM, une sortie 48 de chaîne de transmission TX GSM, et par exemple une sortie 49 de chaîne de réception RX d'une bande DCS et une sortie 50 de chaîne de transmission TX DCS. D'autres bandes peuvent bien entendu être prévues en complément de la bande ou en remplacement de la bande DCS, comme une bande PCS par exemple.
Des moyens de commutation 41 commandés par des moyens de commande 42 permettent d'effectuer une commutation entre des circuits d'adaptation d'impédances. Ainsi, un circuit d'adaptation 43 d'impédance RX GSM est branché entre les moyens de commutation 41 et la sortie 47, un circuit d'adaptation 44 d'impédance TX GSM est branché entre les moyens de commutation 41 et la sortie 48, un circuit d'adaptation 45 d'impédance RX DCS est branché entre les moyens de commutations 41 et la sortie 49, et un circuit d'adaptation 46 d'impédance TX DCS est branché entre les moyens de commutation 41 et la sortie 50. Comme le montre la figure 4, tous ces moyens sont inclus dans le module émetteur/récepteur 4.
On peut ainsi adapter globalement l'antenne à la chaîne RX ou TX de chaque bande GSM et DCS par exemple.
Un tel système de commutation comporte cependant de nombreux inconvénients.
En effet, si on veut pouvoir tester les performances en radiofréquences RF du dispositif au point 5, il faut que l'impédance de sortie du module 4 soit sensiblement égale à 50 Ω en ce point.
Or, avec un tel système, il n'y a plus de point à 50 Ω qui soit commun à toutes les bandes de fréquences. Ce manque de point commun à 50 Ω pose les problèmes suivants.
Il est difficile, voire impossible, d'insérer au module émetteur/récepteur 4 un connecteur pour un accès à une antenne externe.
Il est difficile de définir un point de contrôle unique en fabrication et lors des contrôles de recettes chez les opérateurs recevant les téléphones mobiles fabriqués. Il est nécessaire d'effectuer de nombreux calibrages pour ces contrôles.
Il est difficile, voire impossible, pour les fabricants de modules complets émetteurs/récepteurs comportant une bande de base et une bande radiofréquences de fabriquer des modules standard indépendants de l'application des clients.
Il est difficile, voire impossible, pour les fabricants de modules frontaux (« front end » en anglais) comportant un amplificateur de puissance et un module de commutation de fabriquer des modules standard indépendants de l'application des clients.
Il est difficile d'adapter le module émetteur/récepteur 4 d'un téléphone mobile à l'autre. Le module 4, notamment le module frontal, dépend de l'antenne 3 utilisée.
De plus, les moyens 41 de commutation sont généralement caractérisés à 50 Ω également, ce qui introduit également des pertes au niveau du gain de l'antenne 3.
Les documents JP-A-409331206 et US-A-5923297 divulguent des systèmes et des procédés de l'état de l'art.

PRESENTATION DE L'INVENTION

L'invention propose de pallier au moins un des inconvénients de l'art antérieur.
Un des buts de l'invention est de proposer une technique de commande de la largeur de bande d'une antenne qui permette une réduction des dimensions de l'antenne tout en gardant des performances en rendement et en largeur de bande qui soient acceptables.
Un des buts de l'invention est de proposer une technique de commande de la largeur de bande d'une antenne qui permette d'effectuer une adaptation des impédances sur les chaînes de réception RX et de transmission TX lorsque la caractéristique de l'antenne est trop éloignée de 50 Ω.
Un des buts de l'invention est de proposer une technique de commande de la largeur de bande d'une antenne qui permette d'avoir un point à 50 Ω qui soit commun à toutes les bandes de fréquences.
Notamment, un des buts de l'invention est de proposer une technique de commande de la largeur de bande d'une antenne qui permette d'insérer au module émetteur/récepteur standard comportant une bande de base et une bande radiofréquences un connecteur pour un accès à une antenne externe.
Un des buts de l'invention est également de proposer une technique de commande de la largeur de bande d'une antenne qui permette de définir un point de contrôle unique en fabrication et lors des contrôles de recettes chez les opérateurs
Un des buts de l'invention est en outre de proposer une technique de commande de la largeur de bande d'une antenne qui permette aux fabricants de modules émetteurs/récepteurs complets comportant une bande de base et une bande radiofréquences de fabriquer des modules standard indépendants de l'application des clients et/ou aux fabricants de modules frontaux (« front end ») comportant un amplificateur de puissance et un module de commutation de fabriquer des modules standard indépendants de l'application des clients.
Un des buts de l'invention est de proposer une technique de commande de largeur de bande qui permette d'adapter un module émetteur/récepteur comportant une bande de base et une bande radiofréquences d'un téléphone mobile à l'autre.
A cet effet, l'invention propose un système selon la revendication 1.
Des modes de réalisation préférés sont présentés dans les revendications secondaires.
L'invention concerne également un téléphone et un procédé de mise en oeuvre du système.
L'invention présente notamment l'avantage d'étendre la bande passante de l'antenne d'un téléphone mobile en configuration multibande.

PRESENTATION DES FIGURES

D'autres caractéristiques, buts et avantages de l'invention ressortiront de la description qui suit, qui est purement illustrative et non limitative, et qui doit être lue en regard des dessins annexés sur lesquels :

la figure 1, déjà commentée, représente schématiquement un exemple d'un système connu de commutation au sein d'une antenne d'un téléphone mobile ;
la figure 2, déjà commentée, représente schématiquement un exemple d'un système connu de commutation permettant une adaptation d'impédance ;
la figure 3 montre un schéma de principe ;
les figures 4A et 4B représentent schématiquement deux états d'un système de commutation d'impédance ;
la figure 5 représente le diagramme des pertes de l'antenne en fonction des fréquences ;
la figure 6 montre un premier exemple schématique possible d'un système de commutation ;
les figures 7A à 7B montrent plusieurs choix possibles pour l'impédance Z d'adaptation ;
la figure 8 montre schématiquement un exemple possible complet d'un commutateur comportant un système de commutation ; et
la figure 9 montre une variante de la figure 8 dans laquelle l'impédance Z est variable et commandée par les moyens de commande.

Les éléments similaires portent des références numériques identiques.

DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION

La figure 3 montre un schéma de principe. L'inventeur s'est rendu compte qu'en associant un système 6 de commutation d'impédance relativement simple directement en série sur le point d'attaque B d'une antenne 3 multibande (dans le domaine conduit) et en sortie A d'un module émetteur/récepteur 4, on pouvait étendre la bande passante de l'antenne 3.
Le principe est simple et permet d'étendre la bande passante d'une antenne 3 multibande à partir d'une antenne présentant des caractéristiques de bande passante insuffisante pour une application donnée.
Le système de commutation 6 placé entre les points A et B permet de commuter entre au moins deux modes de bande. Chaque mode de bande correspond à un état correspondant au branchement en série d'une impédance entre ladite antenne 3 et ledit module 4.
Le premier mode de bande est représenté schématiquement à la figure 4A. Dans cette configuration, l'impédance entre les points A et B est nulle et le diagramme des pertes en fonction des fréquences est par exemple celui en trait plein sur la figure 5.
Le deuxième mode de bande est représenté schématiquement à la figure 4B. Dans cette configuration, l'impédance entre les points A et B est égale à une impédance d'adaptation Z et le diagramme des pertes en fonction des fréquences est celui en traits pointillés sur la figure 5. Le diagramme des pertes est décalé dans le domaine des fréquences (phénomène de « frequency shifting » en anglais). On peut ainsi améliorer les performances de l'antenne 3 en fonction de la fréquence d'utilisation.
L'impédance Z varie en fonction de la fréquence d'utilisation de l'antenne 3. Ainsi, L'impédance Z vaut une première valeur Z₁ pour la valeur de fréquence égale f₁ et Z vaut une deuxième valeur Z₂ pour la valeur de fréquence égale f₂.
La figure 6 montre un premier exemple schématique possible d'un système 6 de commutation.
Le système 6 est ainsi principalement composé d'un élément actif 61 de commutation pouvant être passant ou bloqué entre le module 4 et l'antenne 3, l'impédance passive Z, étant composée quant à elle par exemple d'une inductance 62 montée en série d'une capacité 63, l'inductance 62 et la capacité 63 étant montées en parallèle de l'élément actif 61 aux points A et B.
Avantageusement, l'élément actif est une diode active 61.
Préférentiellement, la diode active 61 est du type diode PIN (semiconducteur de configuration : couche P - couche intrinsèque - couche n). Ainsi, à l'état bloqué, la diode 61 est équivalente à une capacité de 0.2 pF en parallèle avec une résistance de 10 kΩ. Elle matérialise ainsi une impédance infinie approchée. A l'état passant, la diode 61 est équivalente à une résistance de 0.3 Ω en série avec une inductance de 0.4 nh. Elle matérialise ainsi un court-circuit approché.
Bien entendu, la diode active 61 peut être remplacée par tout autre dispositif apte à réaliser une commutation entre un court circuit et un circuit ouvert pour des signaux du type considéré.
Notamment, la diode 61 peut être remplacée par un transistor à effet de champ, ou un commutateur électromécanique miniature en technologie MEMS (« micro-electronic mechanical system »).
On donne dans le tableau 1 des exemples d'applications numériques pour des valeurs de l'impédance Z_A de l'antenne 3 pour une bande GSM sur la chaîne RX dans le cas de la figure 6, la diode 61 étant passante. On rappelle que le TOS est le Taux d'Ondes Stationnaires de l'antenne et caractérise l'éloignement de la caractéristique de l'antenne par rapport à la valeur idéale de 50 Ω. Plus le TOS s'approche de -∞, plus l'antenne est idéale. Tableau 1

Fréquence f (MHz) Impédance Z_A TOS (dB) Pertes (dB)

925 27 Ω + 2.3 nh -9.4 0.5

948 20 Ω + 6.5 nh -4.26 2

960 21 Ω + 8.8 nh -3.3 2.7
Si on place, dans le schéma de la figure 6, une capacité 63 de 4.3 pF en série de l'antenne 3, on compense l'élément inductif de 6.5 nh de l'antenne 3. Pour ce faire, on place la capacité 63 en série avec l'antenne 3 en mettant la diode 61 en état bloqué et en mettant une inductance 62 de valeur négligeable. On contrecarre l'impédance parasite de l'antenne 3 et on obtient les résultats du tableau 2. Tableau 2

Fréquence f (MHz) Impédance Z_A TOS (dB) Pertes (dB)

925 27 Ω + 6.7 pF -7.3 0.88

948 20 Ω -7.3 0.88

960 21 Ω + 2.2 nh -6.95 0.88
On va donc travailler avec une diode 61 à l'état passant pour les fréquences autour de 925 MHz pour obtenir les bons résultats de la première ligne du tableau 1, et travailler avec une diode à l'état bloqué autour de 948 MHz et 960 MHz pour obtenir les résultats des deux dernières lignes du tableau 2. On a ainsi une utilisation de l'antenne 3 qui est optimisée en fonction de la fréquence.
Les développements qui précèdent s'appliquent à une bande unique. Pour le cas d'une antenne 3 ayant plusieurs fréquences de résonance, le choix de Z est bien entendu différent de ce qui est représenté à la figure 6. Il tient compte notamment de la présence de la diode 61 et de son schéma électrique équivalent.
Les figures 7A à 7E montrent plusieurs choix possibles pour Z, le choix étant fait en fonction des différentes bandes.

La figure 7A représente une capacité en parallèle avec une inductance montée en série avec une capacité, la figure 7B représente une inductance en série avec une capacité, la figure 7C représente une inductance montée en parallèle avec une capacité, le montage étant en série avec une inductance, la figure 7D représente une inductance en série avec une capacité et la figure 7E représente une inductance montée en parallèle avec une capacité. Le tableau 3 reprend les caractéristiques électriques équivalentes de chaque Z en fonction de la bande d'utilisation.

Tableau 3

Schémas	Comportement de Z pour la bande GSM	Comportement de Z pour la bande DCS/PCS
Figure 7A	C₁	C₂
Figure 7B	L₁	L₂ (L₁<L₂)
Figure 7C	L₁	L₂ (L₁>L₂)
Figure 7D	C₁	L₂
Figure 7E	L₁	C₂

On cherche ainsi à ce que l'impédance Z, en fonction des fréquences, soit équivalente à une capacité lorsque l'antenne 3 comporte un élément inductif parasite et que Z soit équivalente à une inductance lorsque l'antenne 3 comporte un élément capacitif parasite. Z compense ainsi toujours le comportement parasite de l'antenne 3 pour une fréquence donnée, pour que le TOS et les pertes soient les plus faibles possibles.
La largeur de la bande passante de l'antenne est ainsi commandée dynamiquement.
La figure 8 montre schématiquement un exemple possible complet d'un commutateur comportant un système 6 de commutation.
Le système 6 est branché, comme sur les figures 3 et 6 par exemple, entre le module émetteur/récepteur 4 et l'antenne 3. La liaison entre le système 6 et le module 4 est matérialisée par le point 5, qui est le point commun à 50 Ω de toutes les bandes de fréquences. La liaison entre le système 6 et l'antenne 3 est matérialisée quant à elle par le pôle 8.
Le téléphone comporte de plus des moyens 7 formant processeur central définissant la stratégie de commutation de l'élément actif 61, préférentiellement la diode active 61, en communication. Les moyens 7 comportent ainsi des moyens mémoire aptes à stocker un programme de commutation de la diode active 61 et des moyens formant microprocesseur permettant la mise en oeuvre du programme.
La stratégie de commutation de la diode active 61 est ainsi prédéfinie dans le programme de commutation et dépend de la fréquence et du cycle de communication (phase de transmission, réception ou d'écoute de contrôle). La liaison entre le système 6 et les moyens 7 s'effectue par un pôle référencé par 9.
Les moyens 7 commandent également, grâce à une liaison 68, des moyens 41 de commutation des différentes chaînes (RX, TX et d'écoute de contrôle) des différentes bandes GSM/DCS/PCS du téléphone. Les moyens 41 de commutation des différentes chaînes sont similaires aux moyens référencés par 41 sur la figure 1. La commande des moyens 41 de commutation des bandes s'effectue en synchronisme de la commande du système 6 de commutation de la diode active 61.
Le système 6 est par ailleurs relié à la masse du téléphone grâce au pôle 10.
Comme précédemment, l'impédance Z et la diode active 61 sont branchées en parallèles l'une de l'autre entre les points A et B. Le point A est relié au point 5 et le point B est relié au point 8.
Une capacité 66 est branchée entre le pôle 10 et une borne 67 interne au système 6. Une résistance de contrôle 65 est quant à elle branchée entre le point 67 et le pôle 9.
Une inductance « self de choc » 64 est branchée entre le point 67 et le point A.
Si selon le programme de commutation, la diode 61 est toujours passante en TX et que la diode est bloquée en RX, alors le voltage de commande de la diode arrivant au pôle 9 est de 3 V pour l'état passant et de 0 V pour l'état bloqué. Il n'y a en effet pas d'harmoniques générées.
Par contre, le programme de commutation peut fixer que la diode active 61 peut être bloquée en TX également. Dans ce cas, il y a risque de création d'harmoniques. Par conséquent, le voltage de commande arrivant au pôle 9 est cette fois 3 V pour l'état passant et de -20/-30 V pour l'état bloqué. On évite ainsi la création d'harmoniques.
Le signal de commande peut également être un courant de commande.
Le signal de commande arrivant au pôle 9 commande ainsi l'ouverture ou la fermeture de la diode 61 en fonction de la fréquence d'utilisation et du cycle de communication (transmission TX, réception RX ou d'écoute de contrôle). La commande est ainsi dynamique.
La commutation de la diode 61 d'un état à l'autre s'effectue pendant les phases d'inactivité radio du téléphone, et dans un temps très court (de l'ordre de quelques dizaines de microsecondes) en fonction de la stratégie prédéfinie dans les moyens 7.
Avec un tel système, on peut obtenir des pertes de l'ordre de 0.1 dB seulement (à cause de l'inductance de contrôle et de la résistance de la diode), alors que des systèmes de commutation au sein de l'antenne présentent au mieux des pertes de 1.2 dB.
Les développements qui précèdent s'appliquent à un téléphone ayant une seule antenne. On peut bien entendu étendre l'invention à un téléphone comportant plus d'une antenne. On peut ainsi prévoir une autre antenne dédiée à la bande UMTS (« Universal Mobile Telecommunication System » ou système universel de communication avec les mobiles) par exemple en parallèle de l'antenne déjà décrite dédiée au GSM, DCS, PCS.
Les développements qui précèdent s'appliquent également à une inductance Z active.
La figure 9 montre un mode de réalisation possible d'un commutateur selon l'invention. Le dispositif est similaire à celui de la figure 8 et les éléments ne sont pas repris pour plus de clarté. La différence dans le mode de réalisation de la figure 9 par rapport à l'exemple de la figure 8 est que l'impédance Z est variable. La valeur de l'impédance Z est réglée par les moyens de commande 7 grâce à une liaison 69. Les moyens 7 commandent ainsi la valeur de l'impédance Z en même temps que l'état de la diode active 61 pour une utilisation optimisée de l'antenne.
L'invention présente l'avantage de permettre une commande dynamique de la largeur de la bande passante de l'antenne grâce à un dispositif simple.

Claims

Système de commande de la largeur de la bande passante d'une antenne (3) d'un téléphone mobile comportant un module (4) émetteur/récepteur et un système (6) de commutation d'impédance comportant un élément actif (61) de commutation apte à commuter entre au moins deux états de commutation, le système (6) de commutation étant commandé par des moyens dynamiques (7) de commande comportant des moyens mémoire aptes à stocker un programme de commutation du système (6) de commutation et des moyens formant microprocesseur permettant la mise en oeuvre du programme, dans lequel un état passant ou bloqué de l'élément actif (61) est commandé par les moyens (7) dynamiques de commande, ledit élément actif (61) étant monté en parallèle d'une impédance (Z) d'adaptation, chaque état de commutation correspondant au branchement en série d'une impédance entre ladite antenne (3) et ledit module (4), dans lequel
l'élément actif (61) est une diode active et l'impédance (Z) d'adaptation est une impédance variable dont une valeur est commandée par les moyens (7) dynamiques de commande.
Système selon la revendication 1, dans lequel l'élément actif (61) est apte à commuter entre un premier état où l'antenne (3) est directement reliée au module (4) et un deuxième état où l'impédance (Z) d'adaptation est branchée en série entre ladite antenne (3) et ledit module (4).
Système selon la revendication 1 ou 2, dans lequel le système de commutation (6) comporte au moins un pôle de liaison à la masse du téléphone, un pôle de liaison à l'antenne (3), un pôle de liaison au module (4) émetteur/récepteur et un pôle de liaison aux moyens dynamiques (7) de commande apte à recevoir une tension ou courant de commande.
Système selon l'une des revendications 1 à 3, dans lequel le module (4) comporte des moyens (41) de commutation multibande.
Système selon la revendication 3, dans lequel les moyens (41) de commutation multibande sont commandés par les moyens (7) dynamiques de commutation.
Téléphone mobile comportant au moins une antenne (3) et un module (4) émetteur/récepteur, dans lequel il comporte au moins un système de commande selon l'une des revendications 1 à 5.
Procédé de commande de la largeur de la bande passante d'une antenne (3) d'un téléphone mobile comportant un module (4) émetteur/récepteur, comportant une étape consistant à commander dynamiquement un système (6) de commutation d'impédance comportant un élément actif (61) de commutation par des moyens dynamiques (7) de commande comportant des moyens mémoire aptes à stocker un programme de commutation du système (6) de commutation et des moyens formant microprocesseur permettant la mise en oeuvre du programme pour commuter ledit système (6) de commutation entre au moins deux états de commutation, dans lequel un état passant ou bloqué de l'élément actif (61) est commandé par les moyens (7) dynamiques de commande, ledit élément actif (61) étant monté en parallèle d'une impédance (Z) d'adaptation, le procédé comportant en outre une étape consistant à commander des moyens (41) de commutation multibande du module (4) en synchronisme avec le système (6) de commutation, chaque état de commutation correspondant au branchement en série d'une impédance entre ladite antenne (3) et ledit module (4), et une étape de commande, par les moyens (7) dynamiques de commande, d'une valeur de l'impédance (Z) d'adaptation, qui est une impédance variable.