EP2018680A1 - Antenne compacte portable pour la television numerique terrestre avec rejection de frequences - Google Patents

Antenne compacte portable pour la television numerique terrestre avec rejection de frequences

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Publication number
EP2018680A1
EP2018680A1 EP07766006A EP07766006A EP2018680A1 EP 2018680 A1 EP2018680 A1 EP 2018680A1 EP 07766006 A EP07766006 A EP 07766006A EP 07766006 A EP07766006 A EP 07766006A EP 2018680 A1 EP2018680 A1 EP 2018680A1
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EP
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arm
antenna
band
slot
antenna according
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP07766006A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Philippe Minard
Jean-François PINTOS
Ali Louzir
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THOMSON LICENSING
Original Assignee
Thomson Licensing SAS
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Filing date
Publication date
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Withdrawn legal-status Critical Current

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    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q1/00—Details of, or arrangements associated with, antennas
    • H01Q1/44—Details of, or arrangements associated with, antennas using equipment having another main function to serve additionally as an antenna, e.g. means for giving an antenna an aesthetic aspect
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q1/00—Details of, or arrangements associated with, antennas
    • H01Q1/08—Means for collapsing antennas or parts thereof
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    • H—ELECTRICITY
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    • H01Q1/12—Supports; Mounting means
    • H01Q1/22—Supports; Mounting means by structural association with other equipment or articles
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    • H01Q1/2275—Supports; Mounting means by structural association with other equipment or articles used with computer equipment associated to expansion card or bus, e.g. in PCMCIA, PC cards, Wireless USB
    • H—ELECTRICITY
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    • H01Q1/38—Structural form of radiating elements, e.g. cone, spiral, umbrella; Particular materials used therewith formed by a conductive layer on an insulating support
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    • H01Q5/30—Arrangements for providing operation on different wavebands
    • H01Q5/307—Individual or coupled radiating elements, each element being fed in an unspecified way
    • H01Q5/342—Individual or coupled radiating elements, each element being fed in an unspecified way for different propagation modes
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    • H01Q5/364—Creating multiple current paths
    • H01Q5/371—Branching current paths
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q9/00—Electrically-short antennas having dimensions not more than twice the operating wavelength and consisting of conductive active radiating elements
    • H01Q9/04—Resonant antennas
    • H01Q9/16—Resonant antennas with feed intermediate between the extremities of the antenna, e.g. centre-fed dipole
    • H01Q9/28—Conical, cylindrical, cage, strip, gauze, or like elements having an extended radiating surface; Elements comprising two conical surfaces having collinear axes and adjacent apices and fed by two-conductor transmission lines
    • H01Q9/285—Planar dipole

Definitions

  • the present invention relates to a portable compact antenna, more particularly an antenna for receiving television signals, in particular the reception of digital signals on a portable electronic device such as a laptop, a PDA (Personal Assistant) or any other device similar in need of an antenna for receiving electromagnetic signals.
  • a portable compact antenna more particularly an antenna for receiving television signals, in particular the reception of digital signals on a portable electronic device such as a laptop, a PDA (Personal Assistant) or any other device similar in need of an antenna for receiving electromagnetic signals.
  • Devices currently on the market generally consist of an independent antenna such as a whip or loop type antenna mounted on a housing carrying a USB connector.
  • the Applicant has proposed in French Patent Application No. 05 51009 filed April 20, 2005, a compact broadband antenna covering the entire UHF band, consisting of a dipole type antenna.
  • This antenna is associated with an electronic card that can connect to a portable device using a USB type connector.
  • the antenna described in French Patent Application No. 05 51009 comprises a first and a second differential-powered conductor arm, one arm, said first arm, forming at least one cover for a card electronic.
  • the first arm has the shape of a housing in which is inserted the electronic card comprising the processing circuits of the signals received by the dipole type antenna.
  • These circuits are most often connected to a USB type connector for connection to a laptop or other similar device. Improvements to this particular antenna to achieve diversity have been proposed in French Patent Application No. 05 52401 filed on 1 August 2005 on behalf of the applicant.
  • the GSM transmit band (880-915 MHz) is close to the upper limit of the UHF band (862 MHz). Indeed, unlike DVB-H systems, where it was decided to limit the UHF broadcast band for these systems at the high frequency of 698 MHz, for broadcasting DVB-T, all UHF channels and therefore the highest channels can be used.
  • LNA Low Noise Amplifier
  • a first solution to mitigate this problem of interference with GSM systems would be to place a filter at the input of the receiver, to reject the GSM band.
  • this filter, low pass or cut band is not easy to achieve because of: i) the extreme proximity of the band to reject from the top of the useful UHF band, which imposes a very high rejection factor for this filter (order very high filter> 11 poles) ii) the need for compactness of this filter to include it inside the USB key. Indeed the more sought rejection is strong, the more the filter is bulky.
  • the use of a filter with a significant rejection of the GSM band means that the frequencies located at the top of the UHF band also undergo attenuation.
  • the present invention therefore proposes an antenna solution that responds in particular to the constraints of space and reception of UHF and VHF bands and for rejecting a transmission frequency band close to these bands such as the GSM band.
  • the present invention relates to a portable compact antenna formed of a first dipole-type radiating element operating in a first frequency band and comprising a first and at least a second differential-fed conductor arm, the first arm, called a cold arm, forming at least one cover for an electronic card and the second arm, said hot arm, being connected to the cold arm at the power supply.
  • the hot arm comprises at least one filter slot etched in the conductive portion of the hot arm and dimensioned to resonate in a second frequency band.
  • the slot is a U-slot engraved in the conductive portion of the hot arm, this conductive portion may be constituted by a conductive U-shaped element made on an insulating substrate as described in the French patent application filed on same day as the present application and entitled "Portable Compact Antenna for Digital Terrestrial Television".
  • the first frequency band is the UHF band (band between 470 and 862 MHz) and the second frequency band is the GSM band (band between 880 and 915 MHz).
  • the hot arm has several slots of different length so that each of the slots resonates at different frequencies, etched in the conductive portion of the hot arm, which allows the broadening of the rejection of the second frequency band.
  • the end of the slot may be modified so that it ends in two slots of different lengths. In this case, the slot resonates at two near frequencies, which makes it possible to widen the width of the rejection band.
  • a second radiating element consisting of a conductive element bent in meanders, as described in the French patent application. filed the same day as the present application, can be made between the branches of the U-shaped element.
  • the second radiating element is sized to operate in a third frequency band such as the VHF band, more particularly VHF-III (174-225-230 MHz).
  • FIG. 1 is a schematic perspective view of an antenna as described in French Patent Application No. 05 51009 in the name of the Applicant.
  • FIG. 2 is a schematic perspective view of another embodiment of an antenna such as that of FIG.
  • FIG. 3 is a schematic perspective view of a first embodiment of an antenna according to the present invention.
  • FIG. 4 represents the real and imaginary parts of the simulated antenna 3 in the 400 MHz - 1000 MHz frequency band.
  • FIG. 5 is a schematic view of an adaptation circuit used at the antenna output.
  • FIG. 6 represents the yield curves of the antenna of FIG. 3.
  • FIG. 7 represents the gain and directivity curves obtained by simulating an antenna according to FIG.
  • FIG. 8 represents the offset of the efficiency of the antenna provided by the slot according to the present invention.
  • FIG. 9 shows a second embodiment of an antenna according to the present invention and operating in the UHF and VHF band with GSM rejection.
  • FIG. 10 represents the radiation efficiency of the antenna of FIG. 9.
  • FIG. 11 is a schematic view of an adaptation circuit used with the antenna of FIG. 9.
  • FIG. 12 represents the yield curves of the antenna of FIG.
  • FIG. Figure 13 shows the gain and directivity curves of the antenna of Figure 10.
  • FIG. 14 represents the radiation patterns respectively in the UHF and VHF bands obtained by simulation of an antenna according to FIG. 10.
  • FIGS. 15, 16, 17, 18 and 19 represent alternative embodiments of an antenna according to the invention.
  • FIG. 20 is a schematic representation of an electronic card used with the antennas according to the present invention.
  • this dipole antenna comprises a first conducting arm 1 also called a cold arm and a second conducting arm 2 also called a hot arm, the two arms being connected to one another via a hinge zone 3 located at one end of each of the arms.
  • the arm 1 has substantially the shape of a housing for receiving in particular an electronic card, an embodiment of which will be described later.
  • the housing has a portion 1a of substantially rectangular shape, extending by a curved portion 1b flaring gradually so that the energy is radiated gradually, which promotes adaptation to a wider frequency band.
  • the length L1 of the arm 1 is substantially equal to ⁇ 1 / 4 where ⁇ 1 represents the wavelength at the central operating frequency.
  • the length L1 of the arm 1 is close to 112 mm for operation in the UHF band (frequency band between 470 and 862 MHz).
  • the antenna comprises a second arm 2 rotatably mounted around the axis 3 which also represents the point of connection of the antenna to the signal processing circuit, namely to the electronic card, not shown. inserted in the housing formed by the arm 1.
  • the electrical connection of the antenna is made by a metal wire, for example a coaxial cable or the like, while the axis of rotation 3 is made of a material relatively transparent to electromagnetic waves.
  • the articulable arm 2 about the axis 3 has a length L1 substantially equal to ⁇ 1 / 4.
  • the arm 2 also has a curved profile followed by a flat rectangular part for folding it completely against the arm 1 in the closed position.
  • the arm 2 being rotatably mounted at 3 with respect to the arm 1, this makes it possible to modify the orientation of the arm 2 so as to optimize the reception of the television signal.
  • FIG. 2 A further embodiment of a dipole antenna will now be described with reference to FIG. 2, this embodiment being the subject of the patent application filed on the same day as the present application and having the title "Antenna compact notebook for digital terrestrial television.
  • the antenna comprises a first arm 1 said cold arm having the shape of a housing and a second arm, said hot arm, connected to the arm 1 by a hinge 3.
  • the hot arm is constituted by a U-shaped element 21 made of conductive material, produced on an insulating substrate 20.
  • the substrate consists of a material known under the name "KAPTON" covered with a copper layer which is etched to produce the U-shaped element.
  • each branch of U 21 has a length substantially equal to ⁇ 1 / 4.
  • the U-shaped element is connected at the joint 3, by an electrical connection element such as a metal wire, to a not shown electronic card inserted inside the cold arm. 1 forming a housing.
  • an electrical connection element such as a metal wire
  • the antenna of Figure 2 is sized to operate in the UHF band.
  • This antenna therefore comprises a first arm 1 or cold arm having, like the cold arm 1 of FIGS. 1 and 2, the shape of a housing made of conductive material that can receive an electronic card.
  • the cold arm 1 is extended by a second arm, called hot arm which, in the embodiment shown, is of the same type as the hot arm 20 of Figure 2.
  • the hot arm 20 is constituted by a U-shaped conductive element 21 made on an insulating substrate.
  • the U-shaped conductive element 21 can be etched in the metal layer covering a "Kapton" substrate.
  • This hot arm 20 is rotatably connected to the cold arm 1 via an axis 3 at which the electrical connection is made.
  • a slot 40 is formed on the U-shaped conductive member 21 of the hot arm 20.
  • This slot is sized to resonate in a narrow band around a given frequency, namely the GSM frequency in one embodiment of the invention. the invention. More specifically, the slot 40 is a U-shaped slot in the U-shape of the conductive element 21.
  • the width of the slot makes it possible to adapt the level of rejection.
  • the antenna of Figure 3 was simulated on the electromagnetic IE3D software which is based on the method of moments, in the frequency band (400 MHz - 1000 MHz). The results of the simulation are given in FIG. 4 which represents the real and imaginary parts of the antenna showing a resonance at 900 MHz.
  • Complementary simulations have been performed using an adaptation circuit as shown in FIG. 5 between the antenna and the low-noise amplifier of the electronic card.
  • This circuit comprises a capacitor C1 of 12 pF connected in series between the output antenna A and a point p, an inductor L1 of 42 nH mounted between the point p and the ground, a second 1.6 pF C2 capacitor connected in series between the point p and a point p1 of connection to the LNA of the electronic card and a parallel circuit LC formed of a capacitance C3 of 1 pF and a self-inducting L2 of 14 nH, mounted between the point p1 and the mass.
  • the curve D1 of FIG. the total efficiency of the antenna in the UHF band with the matching cell is greater than 65% with a very good rejection of the GSM band since the efficiency around 900 MHz is between 1 and 10%.
  • Curve D2 shows a rejection around 900 MHz from the radiation yield of the antenna.
  • the curve D3 of FIG. 7 shows a gain of the antenna in the vicinity of 0 dBi in the UHF band and a rejection between 10 dB and 20 dB around the GSM band, namely close to 900 MHz.
  • the simulations carried out show that it is necessary to refocus the rejection band around 900 MHz. It is, in fact, necessary to take into account the technology used to make the device, in particular the permittivity of the materials used to make the second arm.
  • a second embodiment of the present invention will now be described with reference to FIGS. 9 to 14 for operating also in a third frequency band such as the VHF band.
  • This embodiment proposes, as in the French patent application filed on the same day as the present, to make between the branches of the U-shaped element of the hot arm, a second radiating element consisting of a conductive element bent into meanders.
  • This conductive element is sized to operate in the VHF frequency band, more particularly the VHF-III frequency band (174-230 MHz).
  • the total electrical length of the meandering conductive element is equal to k * ⁇ 2 / 2-L1 where ⁇ 2 is the wavelength at the center frequency of the third frequency band, L1 the length of the cold arm and k a positive integer representing a harmonic of the third frequency band.
  • the antenna comprises a cold arm 1 only a part of which is shown, and a hot arm 20, the two arms being connected by the hinge 3 at the level of the connection to the circuits. exploitation.
  • the hot arm 20 comprises on an insulating substrate a U-shaped conductive element 21 into which a U-shaped slot 40 has been etched as for the embodiment of FIG. 2.
  • a meandering conductive element 50 is formed between the branches of the U-shaped conductive element 21.
  • the meander element 50 is formed such that the meander portions 50 'of the smallest length are parallel to the branches 21, since the orthogonal directions currents flowing in the meanders and at the edges of the U conductor greatly reduce the coupling. This is confirmed by the simulation results given by the curve of FIG. 10 which gives the efficiency of the antenna of FIG. 9.
  • an adaptation circuit as shown in FIG. 11 is mounted between the antenna A and the low noise amplifier LNA.
  • the matching circuit comprises a capacitance C'1 of 2pF mounted between the antenna output point p 'and the ground, an inductor L 1 of 35 nH connected in series between the point p' and a point p'1 , a second capacitance C'2 of 35 pF mounted between the point p'1 and the ground, a second inductor L'2 mounted between the point p'1 and a point p'2 of connection to the amplifier LNA and a third self The 3 rise between the point p'2 and the mass.
  • the curve D'1 represents the efficiency of the simulated antenna of FIG. 9 with the matching circuit of FIG. 11. A yield greater than 65% is thus obtained with a good rejection around 900 MHz. (GSM band).
  • the curve D'2 represents the rejection obtained around 900 MHz and derived from the radiation efficiency of the antenna.
  • the curve C'3 shows a gain of the antenna in the vicinity of OdB in the UHF band, a rejection between 1OdB and 2OdB in the GSM band around 900 MHz and a gain of the order of 1OdBi in the VHF band.
  • Figure 14 shows the VHF and UHF band radiation patterns of the simulated antenna of Figure 9. These diagrams show the omnidirectional nature of the antenna radiation.
  • Figures 15 to 17 show different embodiments of an antenna according to the invention.
  • the second radiating element 50 ' is formed by a meandering conductor element whose meander gap is changed.
  • the length of the zone 50 ' is reduced and the coupling between this zone and the branches of the U-shaped conductive element 21 can be limited.
  • FIG. 21 perspective view of another embodiment of an antenna according to the invention and a longitudinal section of the hot arm.
  • the two antenna patterns namely the U-shaped conductive element 21 and the second radiating element 50.
  • an excess thickness 60 of plastic material is deposited at above the slot (not shown) formed in the U-shaped conductive element 21.
  • FIGS. 1 or 2 The other parts of the antenna, namely the cold arm 1 and the hinge zone, are identical to those of FIGS. 1 or 2.
  • Figures 18 and 19 have been shown alternative embodiments of the rejection slot.
  • three slots 40, 41 and 42 of different lengths have been etched in the U-shaped conducting element 21 of the hot arm 20 containing a second radiating element 50.
  • the three slots 40, 41 and 42 having different electrical lengths resonate on different frequencies. It is therefore possible to expand the rejection of the GSM band.
  • FIG 19 there is shown the end of a slot 40 formed on the conductive element 21 in U.
  • the end is divided into two parts 4OA and 4OB of different length.
  • the slot then resonates at two frequencies, which makes it possible to widen the rejection bandwidth.
  • an embodiment of an electronic card of dimensions 70-80 mm by 15-25 mm which can be introduced into the housing formed by the cold arm 1 and connected to the antenna.
  • This electronic card 100 comprises a low-noise amplifier LNA 101 to which the coaxial cable of the antenna is connected at the joint 3.
  • the LNA 101 is connected to an integrated tuner 102 processing both the VHF band and the band UHF.
  • the tuner 102 is connected to a demodulator 100 whose output is connected to a USB interface 104, itself connected to a USB connector 105. It is therefore possible with this system to connect the antenna to the USB input of a laptop or other display element, which can receive especially digital terrestrial television on a computer, a PDA or any other portable device.

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Abstract

L'invention concerne une antenne compacte portable formée d'un premier élément rayonnant de type dipôle fonctionnant dans une première bande de fréquences et comprenant un premier (1) et au moins un second (20) bras conducteurs alimentés en différentiel, le premier bras, appelé bras froid, formant au moins un capot pour une carte électronique et le second bras, dit bras chaud, étant relié au bras froid au niveau de l'alimentation. Selon l'invention, le bras chaud (20) comporte au moins une fente (40) résonnant dans une seconde bande de fréquences telle que la bande GSM.

Description

ANTENNE COMPACTE PORTABLE POUR LA TELEVISION NUMERIQUE TERRESTRE AVEC REJECTION DE FREQUENCES
La présente invention concerne une antenne compacte portable, plus particulièrement une antenne destinée à la réception de signaux de télévision, notamment la réception de signaux numériques sur un dispositif électronique portable tel qu'un ordinateur portable, un PDA (assistant personnel) ou tout autre dispositif similaire ayant besoin d'une antenne pour recevoir des signaux électromagnétiques.
Il existe actuellement sur le marché des accessoires, des équipements permettant de recevoir les signaux pour la télévision numérique terrestre (TNT) directement sur son ordinateur portable. La réception des signaux de télévision numérique terrestre sur un ordinateur portable permet de bénéficier de la puissance de calcul dudit ordinateur pour le décodage d'une image numérique, notamment pour décoder un flux d'images numériques compressées au format MPEG2 ou MPEG4. Le plus souvent, ces équipements sont commercialisés sous la forme d'un boîtier avec deux interfaces, à savoir une interface terrestre RF (Radio - Fréquences) pour une connexion à une antenne VHF-UHF intérieure ou extérieure et une interface USB pour la connexion à l'ordinateur.
Les dispositifs actuellement sur le marché sont en général constitués d'une antenne indépendante telle qu'une antenne de type fouet ou boucle montée sur un boîtier portant un connecteur USB. La demanderesse a proposé dans la demande de brevet français n° 05 51009 déposée le 20 avril 2005, une antenne compacte large bande couvrant l'ensemble de la bande UHF, constituée par une antenne de type dipôle. Cette antenne est associée à une carte électronique pouvant se connecter sur un appareil portable en utilisant notamment un connecteur de type USB. De manière plus spécifique, l'antenne décrite dans la demande de brevet français n° 05 51009, comporte un premier et un second bras conducteurs alimentés en différentiel, l'un des bras, dit premier bras, formant au moins un capot pour une carte électronique. De préférence, le premier bras a la forme d'un boîtier dans lequel vient s'insérer la carte électronique comportant les circuits de traitement des signaux reçus par l'antenne de type dipôle. Ces circuits sont le plus souvent reliés à un connecteur de type USB permettant la connexion à un ordinateur portable ou à tout autre dispositif similaire. Des perfectionnements à cette antenne permettant notamment d'obtenir de la diversité ont été proposés dans la demande de brevet français n° 05 52401 déposée le 1 er août 2005 au nom de la demanderesse.
D'autre part, dans la demande de brevet français déposée le même jour que la présente demande et ayant pour titre « Antenne compacte portable pour la télévision numérique terrestre », on décrit un nouveau mode de réalisation du bras chaud qui est constitué par un élément conducteur en U réalisé sur un substrat isolant et qui peut comporter entre les branches de l'élément en U, un second élément rayonnant fonctionnant en bande VHF.
Les solutions proposées dans les demandes de brevet mentionnées ci-dessus dédiées à la réception portable de la télévision numérique terrestre (TNT) souffrent des interférences avec le système GSM de téléphonie cellulaire.
Plusieurs raisons sont à l'origine de ce problème :
1. La bande d'émission GSM (880-915 MHz) est proche de la limite supérieure de la bande UHF (862 MHz). En effet, contrairement aux systèmes DVB-H, où il a été décidé de limiter la bande de diffusion UHF pour ces systèmes à la fréquence haute de 698 MHz, pour la diffusion de la TNT en DVB-T, tous les canaux UHF et donc les canaux les plus hauts peuvent être utilisés.
2. La différence importante de niveaux émis par les téléphones cellulaires (En principe des PIRE (Puisance Isotrope Rayonnée équivalente) de 2Watt = 33 dBm sont autorisées) par rapport à la sensibilité des récepteurs TNT portables (autour de -80 dBm).
3. De plus en situation de portabilité, et en particulier afin d'assurer une réception à l'intérieur d'un local, à savoir en « indoor » où le signal souffre des évanouissements liés aux multi -trajets et d'une atténuation supplémentaire pour pénétrer à l'intérieur des bâtiments, on cherche à améliorer le seuil de sensibilité du récepteur en ajoutant un amplificateur à faible bruit : LNA (Low Noise Amplifier) à l'entrée du récepteur TNT. La présence de ce dernier augmente les risques de saturation du récepteur.
4. L'usage massif de téléphones portables augmente la probabilité de se trouver à proximité d'un émetteur GSM. De plus, l'utilisation d'antennes à diagramme quasi-omnidirectionnel pour la réception portable de la TNT, augmente les chances de captation de signaux GSM
Une première solution pour atténuer ce problème d'interférences avec les systèmes GSM consisterait à placer un filtre à l'entrée du récepteur, permettant de rejeter la bande GSM. Toutefois, ce filtre, passe- bas ou coupe bande, n'est pas facile à réaliser à cause : i) de l'extrême proximité de la bande à rejeter du haut de la bande UHF utile, qui impose un très fort facteur de réjection pour ce filtre (ordre du filtre très élevé > 11 pôles) ii) du besoin de compacité de ce filtre pour pouvoir l'inclure à l'intérieur de la clé USB. En effet plus la réjection recherchée est forte, plus le filtre est encombrant.
Par ailleurs, l'utilisation d'un filtre avec une réjection importante de la bande GSM veut dire que les fréquences situées dans le haut de la bande UHF subissent également une atténuation.
La présente invention propose donc une solution d'antenne répondant notamment aux contraintes d'encombrement et de réception des bandes UHF et VHF et permettant de rejeter une bande de fréquence d'émission proche de ces bandes telle que la bande GSM.
Ainsi, la présente invention concerne une antenne compacte portable formée d'un premier élément rayonnant de type dipôle fonctionnant dans une première bande de fréquences et comprenant un premier et au moins un second bras conducteurs alimentés en différentiel, le premier bras, appelé bras froid, formant au moins un capot pour une carte électronique et le second bras, dit bras chaud, étant relié au bras froid au niveau de l'alimentation. Selon une caractéristique de la présente invention, le bras chaud comporte au moins une fente formant filtre gravée dans la partie conductrice du bras chaud et dimensionnée pour résonner dans une seconde bande de fréquences. L'utilisation d'une fente telle que définie ci- dessus permet d'obtenir une réjection à la fréquence de résonance en modifiant la distribution de courant à cette fréquence particulière de manière à annuler le rayonnement initial de l'antenne et permettre ainsi sa réjection.
Selon un mode de réalisation préférentiel, la fente est une fente en U gravée dans la partie conductrice du bras chaud, cette partie conductrice pouvant être constituée par un élément en U conducteur réalisé sur un substrat isolant comme décrit dans la demande de brevet français déposée le même jour que la présente demande et ayant pour titre « Antenne compacte portable pour la télévision numérique terrestre ».
Pour obtenir une résonance à une fréquence spécifique, la longueur totale de la fente est sensiblement égale à λg/2 où λg est la longueur d'onde guidée dans la fente avec λg = λO/Vεreff avec εreff la permittivité équivalente du matériau vu par la fente.
Selon un mode de réalisation particulier, la première bande de fréquences est la bande UHF (bande comprise entre 470 et 862 MHz) et la seconde bande de fréquences est la bande GSM (bande comprise entre 880 et 915 MHz). Selon d'autres caractéristiques de la présente invention permettant d'élargir et/ou d'améliorer la réjection dans la seconde bande de fréquences, le bras chaud comporte plusieurs fentes de longueur différente de telle sorte que chacune des fentes résonne à des fréquences différentes, gravées dans la partie conductrice du bras chaud, ce qui permet l'élargissement de la réjection de la seconde bande de fréquences. Selon une autre solution, on peut modifier l'extrémité de la fente pour qu'elle se termine par deux fentes de longueurs différentes. Dans ce cas, la fente résonne à deux fréquences proches, ce qui permet d'élargir la largeur de la bande de réjection.
Selon encore une autre caractéristique de la présente invention, lorsque le second bras est réalisé par un élément en U conducteur dans lequel est gravée la fente, un second élément rayonnant constitué par un élément conducteur plié en méandres, comme décrit dans la demande de brevet français déposée le même jour que la présente demande, peut être réalisé entre les branches de l'élément en U conducteur. Dans ce cas, le second élément rayonnant est dimensionné pour fonctionner dans une troisième bande de fréquences telle que la bande VHF, plus particulièrement VHF-III (174-225 - 230 MHz).
D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront à la lecture de la description de différents modes de réalisation, cette description étant faite avec référence aux dessins ci-annexés dans lesquels :
FIG. 1 est une vue en perspective schématique d'une antenne telle que décrite dans la demande de brevet français n° 05 51009 au nom de la demanderesse. FIG. 2 est une vue en perspective schématique d'un autre mode de réalisation d'une antenne telle que celle de la figure 1.
FIG. 3 est une vue en perspective schématique d'un premier mode de réalisation d'une antenne conforme à la présente invention.
FIG. 4 représente les parties réelle et imaginaire de l'antenne de figure 3 simulée dans la bande de fréquences 400 MHz - 1000 MHz. FIG. 5 est une vue schématique d'un circuit d'adaptation utilisé en sortie d'antenne.
FIG. 6 représente les courbes de rendement de l'antenne de la figure 3. FIG. 7 représente les courbes de gain et de directivité obtenues en simulant une antenne conforme à la figure 3.
FIG. 8 représente le décalage du rendement de l'antenne apporté par la fente conforme à la présente invention.
FIG. 9 représente un second mode de réalisation d'une antenne conforme à la présente invention et fonctionnant en bande UHF et VHF avec réjection GSM.
FIG. 10 représente le rendement du rayonnement de l'antenne de la figure 9.
FIG. 11 est une vue schématique d'un circuit d'adaptation utilisé avec l'antenne de la figure 9.
FIG. 12 représente les courbes de rendement de l'antenne de la figure 10.
FIG. 13 représente les courbes de gain et de directivité de l'antenne de la figure 10. FIG. 14 représente les diagrammes de rayonnement respectivement dans les bandes UHF et VHF obtenus par simulation d'une antenne selon la figure 10..
FIGS. 15, 16, 17, 18 et 19 représentent des variantes de réalisation d'une antenne conforme à l'invention. FIG. 20 est une représentation schématique d'une carte électronique utilisée avec les antennes conformes à la présente invention.
Pour simplifier la description, dans les figures les mêmes éléments portent les mêmes références. On décrira tout d'abord avec référence à la figure 1 , un mode de réalisation d'une antenne de type dipôle, utilisable pour la réception de la télévision numérique terrestre sur un ordinateur portable ou dispositif similaire, telle que décrite dans la demande de brevet français n° 05 51009 déposée au nom de la demanderesse.
Comme représenté sur la figure 1 , cette antenne de type dipôle comporte un premier bras 1 conducteur appelé aussi bras froid et un second bras 2 conducteur appelé aussi bras chaud, les deux bras étant reliés l'un à l'autre par l'intermédiaire d'une zone d'articulation 3 située à l'une des extrémités de chacun des bras.
De manière plus spécifique, le bras 1 présente sensiblement la forme d'un boîtier permettant de recevoir notamment une carte électronique dont un mode de réalisation sera décrit ultérieurement. Le boîtier présente une partie 1a de forme sensiblement rectangulaire, se prolongeant par une partie incurvée 1 b s'évasant progressivement pour que l'énergie soit rayonnée progressivement, ce qui favorise l'adaptation sur une plus large bande de fréquences. La longueur L1 du bras 1 est sensiblement égale à λ1/4 où λ1 représente la longueur d'onde à la fréquence centrale de fonctionnement. Ainsi, la longueur L1 du bras 1 est proche de 112 mm pour un fonctionnement dans la bande UHF (bande de fréquences comprise entre 470 et 862 MHz).
Comme représenté sur la figure 1 , l'antenne comporte un second bras 2 monté à rotation autour de l'axe 3 qui représente aussi le point de connexion de l'antenne au circuit de traitement de signal, à savoir à la carte électronique non représentée insérée dans le boîtier formé par le bras 1. La connexion électrique de l'antenne est réalisée par un brin métallique, par exemple un câble coaxial ou similaire, tandis que l'axe de rotation 3 est réalisé en un matériau relativement transparent aux ondes électromagnétiques. Comme représenté sur la figure 1 , le bras 2 articulable autour de l'axe 3 présente une longueur L1 sensiblement égale à λ1/4. Le bras 2 présente aussi un profil incurvé suivi d'une partie rectangulaire plate permettant de le replier complètement contre le bras 1 en position fermée. Le bras 2 étant monté à rotation en 3 par rapport au bras 1 , cela permet de modifier l'orientation du bras 2 de manière à optimiser la réception du signal de télévision.
On décrira maintenant avec référence à la figure 2, un autre mode de réalisation d'une antenne de type dipôle, ce mode de réalisation faisant l'objet de la demande de brevet déposée le même jour que la présente demande et ayant pour titre « Antenne compacte portable pour la télévision numérique terrestre ».
Comme représenté sur la figure 2, l'antenne comporte un premier bras 1 dit bras froid ayant la forme d'un boîtier et un second bras, dit bras chaud, connecté au bras 1 par une articulation 3. Dans ce cas, le bras chaud est constitué par un élément en U 21 en matériau conducteur, réalisé sur un substrat 20 isolant. Selon un mode de réalisation non limitatif, le substrat est constitué par un matériau connu sous la dénomination « KAPTON » recouvert d'une couche de cuivre qui est gravée pour réaliser l'élément en U.
Comme décrit ci-dessus, le bras froid et le bras chaud présentent chacun une longueur L1 sensiblement égale à λ1/4 où λ1 représente la longueur d'onde à la fréquence centrale de fonctionnement. Ainsi, chaque branche du U 21 présente une longueur sensiblement égale à λ1/4.
Comme représenté clairement sur la figure 2, l'élément en U est relié au niveau de l'articulation 3, par un élément de connexion électrique tel qu'un brin métallique, à une carte électronique non représentée insérée à l'intérieur du bras froid 1 formant boîtier. Ainsi l'antenne de la figure 2 est dimensionnée pour fonctionner en bande UHF.
On décrira maintenant avec référence à la figure 3, un premier mode de réalisation d'une antenne compacte conforme à la présente invention. Cette antenne comporte donc un premier bras 1 ou bras froid présentant, comme le bras froid 1 des figures 1 et 2, la forme d'un boîtier en matériau conducteur pouvant recevoir une carte électronique. Le bras froid 1 se prolonge par un second bras, appelé bras chaud qui, dans le mode de réalisation représenté, est de même type que le bras chaud 20 de la figure 2. De manière plus spécifique, le bras chaud 20 est constitué par un élément conducteur 21 en U réalisé sur un substrat isolant. A titre d'exemple, l'élément conducteur 21 en U peut être gravé dans la couche métallique recouvrant un substrat en « Kapton ». Ce bras chaud 20 est relié à rotation au bras froid 1 par l'intermédiaire d'un axe 3 au niveau duquel est réalisée la connexion électrique. Pour fonctionner en bande UHF, c'est-à-dire recevoir les signaux de télévision numérique terrestre (TNT), les bras 1 et 20 sont dimensionnés comme mentionné ci-dessus pour les figures 1 et 2. Conformément à un mode de réalisation de la présente invention, une fente 40 est réalisée sur l'élément conducteur 21 en U du bras chaud 20. Cette fente est dimensionnée pour résonner dans une bande étroite autour d'une fréquence donnée, à savoir la fréquence GSM dans un mode de réalisation de l'invention. De manière plus spécifique, la fente 40 est une fente en U suivant la forme en U de l'élément conducteur 21. La longueur électrique totale de la fente 40 est environ égale à λg/2 où λg la longueur d'onde guidée dans la fente est telle que λg = λO/Vεreff avec εreff la permittivité équivalente du matériau vu par la fente. D'autre part, la largeur de la fente permet d'adapter le niveau de réjection.
L'antenne de la figure 3 a été simulée sur le logiciel électromagnétique IE3D qui est basé sur la méthode des moments, dans la bande de fréquences (400 MHz - 1000 MHz). Les résultats de la simulation sont donnés sur la figure 4 qui représente les parties réelle et imaginaire de l'antenne faisant apparaître une résonance à 900 MHz.
Des simulations complémentaires ont été réalisées en utilisant entre l'antenne et l'amplificateur faible bruit de la carte électronique un circuit d'adaptation tel que représenté à la figure 5. Ce circuit comporte une capacité C1 de 12 pF montée en série entre la sortie d'antenne A et un point p, une self L1 de 42 nH montée entre le point p et la masse, une seconde capacité C2 de 1.6 pF montée en série entre le point p et un point p1 de connexion au LNA de la carte électronique et un circuit parallèle LC formé d'une capacité C3 de 1 pF et d'une self L2 de 14 nH, monté entre le point p1 et la masse. Les simulations réalisées avec l'antenne de la figure 3 et le circuit d'adaptation de la figure 5 ont donné les courbes de rendement, de gain et de directivité représentées sur les figures 6 et 7. La courbe D1 de la figure 6 montre que le rendement total de l'antenne dans la bande UHF avec la cellule d'adaptation est supérieure à 65 % avec une très bonne réjection de la bande GSM puisque le rendement autour de 900 MHz est compris entre 1 et 10 %. La courbe D2 montre une réjection autour de 900 MHz provenant du rendement de rayonnement de l'antenne. D'autre part, la courbe D3 de la figure 7 montre un gain de l'antenne au voisinage de 0 dBi dans la bande UHF et une réjection entre 1OdB et 2OdB autour de la bande GSM, à savoir près de 900 MHz.
En fait, les simulations réalisées montrent qu'il est nécessaire de recentrer la bande de réjection autour de 900 MHz. Il est, en fait, nécessaire de tenir compte de la technologie utilisée pour réaliser le dispositif, en particulier de la permittivité des matériaux utilisés pour réaliser le second bras. Les résultats donnés sur la figure 8 montrent dans le cas d'un matériau plastique d'épaisseur 1 mm et de permittivité relative εr égale à 3, le décalage du rendement de rayonnement de l'antenne apporté par la fente en U vers les fréquences basses par rapport à une fente gravée sur un matériau de permittivité relative εr=1 et le recentrage obtenu en tenant compte d'une permittivité équivalente à 1.2 pour une fente de largeur 1 mm et dont la longueur totale est inférieure à la longueur théorique.
Ce phénomène peut être expliqué de la manière suivante : Puisque la longueur de l'antenne dépend de εeff si le design est fait dans l'air, la longueur de la fente est λO/2. Dans le cas d'un plastique ajouté autour de la fente, εeff n'est plus 1 mais, par exemple, 2 (mélange entre εr de l'air et εr du plastique. Donc pour une même longueur physique de la fente, celle-ci est plus grande électriquement et sa fréquence de résonance est plus basse. Pour corriger ce problème, il suffit de diminuer la longueur de la fente pour la recaler sur la bonne fréquence de résonance.
On décrira maintenant, avec référence aux figures 9 à 14, un second mode de réalisation de la présente invention permettant de fonctionner aussi dans une troisième bande de fréquences telle que la bande VHF. Ce mode de réalisation propose, comme dans la demande de brevet français déposée le même jour que la présente, de réaliser entre les branches de l'élément en U conducteur du bras chaud, un second élément rayonnant constitué par un élément conducteur plié en méandres. Cet élément conducteur est dimensionné pour fonctionner dans la bande de fréquences VHF, plus particulièrement la bande de fréquences VHF-III (174- 230 MHz). Ainsi, la longueur électrique totale de l'élément conducteur en méandres est égale à k*λ2/2-L1 où λ2 est la longueur d'onde à la fréquence centrale de la troisième bande de fréquences, L1 la longueur du bras froid et k un entier positif représentant une harmonique de la troisième bande de fréquences. Dans le mode de réalisation représenté à la figure 9, l'antenne comporte un bras froid 1 dont seulement une partie est représentée, et un bras chaud 20, les deux bras étant reliés par l'articulation 3 au niveau de la connexion aux circuits d'exploitation. Le bras chaud 20 comporte sur un substrat isolant un élément conducteur 21 en U dans lequel a été gravée une fente 40 en U comme pour le mode de réalisation de la figure 2. Conformément à ce mode de réalisation, un élément conducteur 50 en méandres est réalisé entre les branches de l'élément conducteur 21 en U. Dans ce cas, l'élément 50 en méandres est formé de sorte que les parties 50' du méandre ayant la longueur la plus petite soient parallèles aux branches 21 , car les sens orthogonaux des courants circulant dans les méandres et sur les bords du conducteur en U réduisent fortement le couplage. Cela est confirmé par les résultats de simulation donnés par la courbe de la figure 10 qui donne le rendement de l'antenne de la figure 9. D'autre part, pour optimiser les résultats dans les trois bandes de fréquences, un circuit d'adaptation tel que représenté sur la figure 11 est monté entre l'antenne A et l'amplificateur faible bruit LNA.
Le circuit d'adaptation comporte une capacité C'1 de 2pF montée entre le point p' de sortie d'antenne et la masse, une self L'1 de 35 nH montée en série entre le point p' et un point p'1 , une seconde capacité C'2 de 35 pF montée entre le point p'1 et la masse, une seconde self L'2 montée entre le point p'1 et un point p'2 de connexion à l'amplificateur LNA et une troisième self L'3 montée entre le point p'2 et la masse. Sur la figure 12, la courbe D'1 représente le rendement de l'antenne simulée de la figure 9 avec le circuit d'adaptation de la figure 11. On obtient donc un rendement supérieur à 65% avec une bonne réjection autour de 900 MHz (bande GSM). La courbe D'2 représente la réjection obtenue autour de 900 MHz et provenant du rendement de rayonnement de l'antenne.
Sur la figure 13, la courbe C'3 montre un gain de l'antenne au voisinage de OdB dans la bande UHF, u ne réjection entre 1OdB et 2OdB dans la bande GSM autour de 900 MHz et un gain de l'ordre de -1OdBi dans la bande VHF. D'autre part, la figure 14 représente les diagrammes de rayonnement en bande VHF et en bande UHF de l'antenne simulée de la figure 9. Ces diagrammes montrent la nature omnidirectionnelle du rayonnement de l'antenne.
Sur les figures 15 à 17 sont représentées différentes variantes de réalisation d'une antenne conforme à l'invention. Sur la figure 15, le second élément rayonnant 50' est formé par un élément conducteur en méandres dont l'écart entre les méandres est modifié. Dans ce cas, la longueur de la zone 50' est réduite et l'on peut limiter le couplage entre cette zone et les branches de l'élément conducteur en U 21. Sur la figure 16, la fente 40' réalisée dans l'élément conducteur
21 en U est gravée de sorte que la partie de la fente se trouvant dans chaque branche soit repliée de manière à former deux éléments 40'A et 40' B de fente en parallèle. Cette solution permet de dégager de la surface sur la partie haute des branches de l'élément en U. Il s'agit d'une variante plus compacte de la fente dans la branche du U. Sur la figure 17, on a représenté respectivement une vue en perspective d'un autre mode de réalisation d'une antenne conforme à l'invention ainsi qu'une coupe longitudinale du bras chaud. Dans ce cas, sur un substrat plastique 20 sont réalisés les deux motifs d'antenne, à savoir l'élément conducteur 21 en U et le second élément rayonnant 50. Conformément à ce mode de réalisation, une surépaisseur 60 en matériau plastique est déposée au dessus de la fente (non représentée) réalisée dans l'élément conducteur 21 en U. Les autres parties de l'antenne, à savoir le bras froid 1 et la zone d'articulation, sont identiques à celles des figures 1 ou 2. Sur les figures 18 et 19 ont été représentées des variantes de réalisation de la fente de réjection. Sur la figure 18, trois fentes 40, 41 et 42 de longueurs différentes ont été gravées dans l'élément conducteur 21 en U du bras chaud 20 contenant un second élément rayonnant 50. Les trois fentes 40, 41 et 42 ayant des longueurs électriques différentes résonnent sur des fréquences différentes. Il est donc possible d'élargir la réjection de la bande GSM.
Sur la figure 19, on a représenté l'extrémité d'une fente 40 réalisée sur l'élément conducteur 21 en U. Dans ce cas, l'extrémité est divisée en deux parties 4OA et 4OB de longueur différente. La fente résonne alors à deux fréquences, ce qui permet d'élargir la largeur de bande de réjection.
Ainsi, les divers modes de réalisation non limitatifs décrits ci- dessus permettent d'obtenir une antenne compacte, bas coût, transportable comme une clé USB, couvrant la totalité de la bande UHF et éventuellement la bande VHF-III tout en permettant une bonne résistance aux interférences avec le système GSM de téléphonie cellulaire. On décrira maintenant avec référence à la figure 20, un mode de réalisation d'une carte électronique de dimensions 70-80 mm par 15-25 mm qui peut être introduite dans le boîtier formé par le bras froid 1 et connectée à l'antenne. Cette carte électronique 100 comporte un amplificateur faible bruit LNA 101 auquel vient se connecter le câble coaxial de l'antenne au niveau de l'articulation 3. Le LNA 101 est relié à un tuner intégré 102 traitant à la fois la bande VHF et la bande UHF. Le tuner 102 est relié à un démodulateur 100 dont la sortie est connectée à une interface USB 104, elle-même reliée à un connecteur USB 105. Il est donc possible avec ce système de connecter l'antenne sur l'entrée USB d'un ordinateur portable ou de tout autre élément d'affichage, ce qui permet de recevoir en particulier la télévision numérique terrestre sur un ordinateur, un PDA ou tout autre dispositif portable.
Il est évident pour l'homme de l'art que les modes de réalisation décrits ci-dessus sont donnés à titre illustratif et peuvent être modifiés, notamment en ce qui concerne la forme et la disposition des fentes et/ou des méandres qui doivent simplement répondre aux critères de longueur, de largeur et d'espacement donnés ci-dessus. D'autre part, pour obtenir de la diversité, au moins deux bras chauds présentant les caractéristiques décrites ci-dessus, sont connectés à l'extrémité du bras froid.

Claims

REVENDICATIONS
1 - Antenne compacte portable formée d'un premier élément rayonnant de type dipôle fonctionnant dans une première bande de fréquences et comprenant un premier (1) et au moins un second (20) bras conducteurs alimentés en différentiel, le premier bras, appelé bras froid, formant au moins un capot pour une carte électronique et le second bras, dit bras chaud, étant relié au bras froid au niveau de l'alimentation, caractérisée en ce que le bras chaud (20) comporte au moins une fente (40,41 ,42) formant filtre gravée dans la partie conductrice du bras chaud et dimensionnée pour résonner dans une seconde bande de fréquences.
2 - Antenne selon la revendication 1 , caractérisée en ce que le bras chaud est constitué par un élément conducteur (21 ) en U réalisé sur un substrat isolant.
3 - Antenne selon les revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que la fente (40) est une fente en U.
4 - Antenne selon la revendication 3, caractérisée en ce que la longueur totale de la fente est sensiblement égale à λg/2 où λg est la longueur d'onde guidée dans la fente avec λg = λO/Vεreff avec εreff la permittivité équivalente du matériau vu par la fente.
5 - Antenne selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que le bras chaud comporte plusieurs fentes (40,41 ,42) de longueurs différentes gravées dans la partie conductrice du bras chaud . 6 - Antenne selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que les extrémités des fentes sont constituées d'au moins deux éléments (4OA, 40B) fente parallèles de longueurs différentes.
7 - Antenne selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisée en ce que la première bande de fréquences est la bande UHF (bande comprise entre 470 et 862 MHz) et la seconde bande de fréquences est la bande GSM (bande comprise entre 880 et 915 MHz).
8 - Antenne selon l'une des revendications 2 à 7, caractérisée en ce qu'un second élément rayonnant (50) fonctionnant dans une troisième bande de fréquences est réalisé sur le bras chaud entre les branches de l'élément en U conducteur.
9 - Antenne selon la revendication 8, caractérisée en ce que le second élément rayonnant est constitué par un élément conducteur plié en méandres.
10 - Antenne selon l'une des revendications 7 et 8, caractérisée en ce que l'élément conducteur est dimensionné pour fonctionner dans la bande VHF.
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