Domaine technique de l'invention
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L'invention concerne le domaine des antennes embarquées dans des instruments électroniques tels que des montres, dont les boîtiers sont de petites tailles ou comprennent des enceintes disposant de faibles volumes pour l'agencement d'un dispositif d'antenne.
Arrière-plan technologique
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Dans l'état de la technique, il est connu d'intégrer un dispositif d'antenne dans un boîtier métallique d'un instrument électronique pour la réception de signaux GNSS dans le cadre de la mise oeuvre d'un système de navigation ou de guidage implémenté au sein de cet instrument.
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Toutefois, un des problèmes majeurs rencontré dans cette configuration réside dans le fait que les caractéristiques mécaniques, telles que la forme et l'agencement du boîtier métallique ou encore la présence d'autres composants ou pièces métalliques dans ce boîtier, ont un impact important sur les performances de ce dispositif d'antenne. En effet, ces performances sont sérieusement altérées par rapport à ce qu'elles seraient dans un contexte où ce dispositif d'antenne ne serait pas intégré à un tel boîtier métallique et ainsi confinées. Effectivement, l'environnement mécanique d'un tel dispositif d'antenne induit un impact fort sur ses performances, réduisant notamment ses performances en termes d'adaptation, de gain, de rayonnement, etc.
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De façon générale, l'état de la technique divulgue différentes méthodologies pour concevoir des dispositifs d'antenne, notamment miniatures, et en particulier présentant des caractéristiques d'émissions/réceptions dans les bandes de fréquences relatives aux signaux GNSS.
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Cependant, il n'est pas connu de solution satisfaisante pour ce qui concerne l'optimisation des performances de tels dispositifs d'antenne destinés à être enfermés dans des boîtiers métalliques.
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Dans ces conditions, on comprend qu'il existe un besoin de trouver des solutions alternatives à celles de l'état de la technique.
Résumé de l'invention
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Un des buts de l'invention est d'améliorer les performances d'un dispositif d'antenne agencé dans un boitier de petite taille comprenant au moins une partie métallique et/ou intégrant dans son enceinte au moins un élément métallique.
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Un des autres buts de l'invention est d'assurer voire de garantir une réception optimale de signaux électromagnétiques par ce dispositif d'antenne quelle que soit l'orientation ou la position de ce dispositif relativement à la source émettrice de ces signaux électromagnétiques.
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L'invention concerne un dispositif d'antenne destiné à être intégré dans un boîtier dont une partie au moins est électriquement conductrice, notamment dans un boîtier d'un instrument électronique susceptible d'être porté par un porteur, le dispositif comprenant :
- une première partie d'antenne destinée à être reliée en un premier connecteur à un module fonctionnel positionné sur une plaquette de circuit imprimé localisée à l'intérieur dudit boîtier, et
- une deuxième partie d'antenne constituée d'un plan de masse comprenant ladite partie au moins électriquement conductrice du boîtier auquel est relié un deuxième connecteur de la première partie d'antenne par l'intermédiaire d'un module électronique d'ajustement d'une fréquence de résonnance et d'augmentation de l'efficacité du dispositif d'antenne en fonction d'une position angulaire de ce dispositif.
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Un autre aspect de l'invention concerne :
- ledit module électronique comprend un circuit électrique configurable dynamiquement selon la position angulaire du dispositif d'antenne et un module de détection d'un changement de position angulaire de ce dispositif d'antenne ;
- le circuit électrique comprend deux composants : une bobine et un condensateur ;
- le circuit électrique comprend trois interrupteurs qui sont prévus pour paramétrer ce circuit électrique dans des premier et deuxième modes de configuration dans lesquels une bobine et un condensateur sont agencés respectivement en série et en parallèle ;
- des valeurs d'inductance de la bobine et de capacitance du condensateur dans les premier et deuxième modes de configuration, sont choisies de manière à vérifier l'équation suivante :
- le module de détection comprend au moins un capteur de position angulaire et une unité de traitement ;
- le dispositif d'antenne est configuré pour recevoir un ou plusieurs signaux GNSS transmis par des sources GNSS dans une bande de fréquence donnée ;
- le dispositif d'antenne est configuré pour rayonner dans une bande de fréquence correspondant à une longueur d'onde λ, la forme de la première partie d'antenne et sa longueur étant configurées de telle façon que cette première partie d'antenne a une longueur électrique de mesure λ/4 ;
- la bande de fréquence est comprise entre 1559 MHz et 1610 MHz.
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Dans un autre aspect, l'invention concerne un instrument électronique porté par un porteur comportant un boîtier pourvu d'une partie au moins électriquement conductrice configurée pour entrer en contact avec une partie du corps du porteur et dans lequel boîtier sont logés un dispositif d'antenne selon l'une quelconque des revendications précédentes et une plaquette de circuit imprimé comportant :
- le module fonctionnel qui est relié électriquement au premier connecteur de la première partie d'antenne, et
- le module électronique d'ajustement d'une fréquence de résonnance et d'augmentation de l'efficacité du dispositif d'antenne en fonction d'une position angulaire de ce dispositif, ce module électronique étant relié électriquement au deuxième connecteur et au plan de masse du dispositif d'antenne.
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Avantageusement, le plan de masse comprend une première partie comprise sur la plaquette de circuit imprimé et une deuxième partie comprenant la partie au moins électriquement conductrice du boîtier.
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En particulier, le module fonctionnel est un module récepteur de signaux GNSS comprenant un circuit de radiofréquence.
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Avantageusement, l'instrument électronique est une montre notamment une montre bracelet.
Brève description des figures
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D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description suivante d'un mode de réalisation particulier de l'invention, donné à titre de simple exemple illustratif et non limitatif, et des figures annexées, parmi lesquelles :
- la figure 1 est une représentation schématique du boîtier de l'instrument électronique ici une montre comprenant le dispositif d'antenne, selon des modes de réalisation de l'invention ;
- la figure 2A est un schéma de principe d'un circuit électrique dont les composants tels qu'une bobine et un condensateur, peuvent être configurés dans ce circuit pour être agencés en série ou en parallèle, selon des modes de réalisation de l'invention ;
- la figure 2B est un schéma de principe du circuit électrique dont la bobine et le condensateur sont configurés en série dans ce circuit, selon des modes de réalisation de l'invention ;
- la figure 2C est un schéma de principe du circuit électrique dont la bobine et le condensateur sont configurés en parallèle dans ce circuit, selon des modes de réalisation de l'invention ;
- la figure 3 est un diagramme de rayonnement du dispositif d'antenne intégré dans le boîtier de l'instrument électronique, ici un boîtier de montre, lorsque ce boîtier est agencé dans une position horizontale, selon des modes de réalisation de l'invention, et
- la figure 4 est un diagramme de rayonnement du dispositif d'antenne intégré dans le boîtier de l'instrument électronique, ici un boîtier de montre, lorsque ce boîtier est agencé dans une position verticale, selon des modes de réalisation de l'invention.
Description détaillée de l'invention
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Les figures 1 à 4 concernent un dispositif d'antenne 3 en particulier un dispositif d'antenne à faisceau ou directionnelle qui est apte à rayonner ou à recevoir une plus grande puissance dans des directions spécifiques. Ce dispositif d'antenne 3 est prévu pour être intégré dans un boîtier 2 d'un instrument électronique 1.
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Un tel instrument électronique 1 est un objet communicant dont la taille de son boîtier 2 est petite comparée aux longueurs d'onde utilisées pour la communication. Typiquement, le boîtier 2 de cet objet concerné par l'invention a des dimensions de l'ordre de quelques centimètres.
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Dans le cadre d'une application envisagée, ce dispositif d'antenne 3 est intégré dans un système de navigation ou de guidage implémenté dans cet instrument électronique 1 en étant confiné dans un boîtier 2 dont une partie au moins est électriquement conductrice. Un tel instrument électronique 1 est de préférence une montre mais dans d'autres alternatives, cet instrument 1 peut être de manière non limitative et non exhaustive un objet portable comme un ordiphone, un anneau tel qu'une bague, un habitronique, etc. Toutefois, on comprend que d'autres applications peuvent être envisagées pour une telle invention, dès lors qu'un dispositif d'antenne 3 de petite dimension est confiné dans un boîtier également de petite dimension.
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Cette montre 1 est par exemple une montre-bracelet classique comportant, outre le dispositif d'antenne 3, le boîtier 2, un bracelet attaché audit boîtier 2, une glace sous laquelle est disposé un dispositif d'affichage enfermé dans le boîtier 2, et des organes de commande. Le dispositif d'affichage comporte, dans le cas d'espèce, un affichage analogique comprenant deux ou trois aiguilles se déplaçant en regard d'un cadran notamment pour permettre une indication classique de l'heure et peut être complété par un affichage digital ou numérique mettant en oeuvre des technologies d'affichage de type LCD ou encore OLED.
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Dans cette montre 1, le boîtier 2 comprend une plaquette de circuit imprimé 10 incluant de nombreux emplacements destinés à recevoir une pluralité de composants électroniques et électriques de la montre 1 dont des éléments du dispositif d'antenne 3. Ces composants électroniques et électriques comportent notamment un moteur avec ses axes pour l'entraînement des aiguilles, une première partie 9A électriquement conducteur d'un plan de masse du dispositif d'antenne 3 ainsi qu'une source d'alimentation en énergie électrique alimentant notamment le dispositif d'affichage, un module fonctionnel 7 et un module électronique 4C inclus dans ce dispositif d'antenne 3. Cette source d'alimentation en énergie électrique peut être constituée d'une pile ou d'une batterie conventionnelle, d'un accumulateur rechargeable ou de toute autre source d'énergie électrique adéquate.
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Dans le contexte d'une montre 1 mettant en oeuvre un système de navigation ou de guidage, ce dispositif d'antenne 3 est configuré pour recevoir un ou plusieurs signaux GNSS transmis par des sources GNSS, dans une bande de fréquence utilisée par une constellation de satellites de positionnement global. Autrement dit, il est configuré pour recevoir des signaux de positionnement et de navigation par satellites, tels que des signaux GPS provenant du système de positionnement par satellites américain NAVSTAR ou d'autres signaux de positionnement provenant de systèmes analogues tels que le système chinois BEIDOU, le système russe GLONASS ou le système européen de positionnement et de navigation par satellites GALILEO.
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Dans ces conditions, ce dispositif d'antenne 3 est alors configuré pour recevoir des signaux appartenant à au moins une bande de fréquence comprise entre 1559 MHz et 1610 MHz. Plus précisément, il est configuré pour recevoir des signaux compris dans au moins une des bandes de fréquence suivantes :
- 1559 à 1610 MHz qui englobe les fréquences L1, E1, B1 ;
- 1215 à 1300 MHz qui englobe les fréquences L2, E6, B3, L6 ;
- 1164 à 1215 MHz qui englobe les fréquences L5, E5, B2, L3.
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Dans le cadre du mode de réalisation qui est décrit, on considérera que le dispositif d'antenne 3 est configuré pour recevoir un signal de fréquence L1 d'environ 1575,42 MHz.
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Ainsi que cela est connu dans l'état de la technique, des composants métalliques compris dans le boîtier 2 ou encore des parties métalliques de ce boîtier 2 confinant classiquement un dispositif d'antenne, sont susceptibles de former des masques atténuant les performances d'un tel dispositif. Dans ce contexte, l'invention propose de former un dispositif d'antenne 3 comprenant deux parties 4A, 4B, à savoir une première partie 4A ayant une structure d'antenne IFA (« antenne en F inversé » ou « inverted F antenna » en anglais) apte à être connectée à un module fonctionnel 7 compris sur la plaquette de circuit imprimée 10 et une deuxième partie 4B constituée du plan de masse 9A, 9B comprenant une partie au moins électriquement conductrice du boîtier 2.
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Ainsi, en référence à la figure 1, la première partie d'antenne 4A est constituée d'un segment, ou d'un brin, ayant une forme courbée. Ce segment est un élément électriquement conducteur qui sert d'élément rayonnant au dispositif d'antenne 3 et qui est orienté parallèlement à un plan comprenant une ouverture 13 aménagée dans la face du boîtier 2, cette ouverture 13 étant prévue pour être obturée par la glace de cette montre 1.
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Ce segment a une longueur égale à une fraction d'une longueur d'onde électromagnétique incidente à recevoir et qui est convertie en un signal électrique reçu par le module fonctionnel 7. Plus particulièrement, ce segment est configuré pour rayonner dans une bande de fréquence correspondant à longueur d'onde λ, sa forme, ainsi que sa longueur, étant configurées de telle façon qu'il ait une longueur électrique de λ/4. Dans ce mode de réalisation, le dispositif d'antenne 3 rayonne en réponse à une onde électromagnétique reçue ayant une fréquence L1 de 1575,42 MHz. Dans cette configuration, la longueur du segment est alors comprise entre 44 et 46 mm, et de préférence de 45,7 mm.
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On notera que dans ce boîtier 2 de la montre 1, la première partie d'antenne 4A, et en particulier le segment, est agencée au-dessus du cadran, par exemple dans la lunette ou encore dans le réhaut de cette montre 1, en étant orienté parallèlement au plan comprenant l'ouverture référencée 13 du boîtier 2. Dans ce contexte, cette lunette et ce réhaut sont réalisés dans un matériau non-conducteur (diélectrique) tel qu'un matériau plastique, permettant d'isoler électriquement du boîtier 2 le dispositif d'antenne 3.
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Cette première partie d'antenne 4A comporte un premier connecteur 8A compris sensiblement au milieu du segment c'est-à-dire dans une portion 11C située entre les deux extrémités 11A, 11B de ce segment. Ce premier connecteur 8A qui est également appelé « pied du dispositif d'antenne », « point d'alimentation du dispositif d'antenne » ou encore en anglais « antenna feed », est configuré pour être relié au module fonctionnel 7 destiné à être positionné sur la plaquette de circuit imprimé 10 agencée dans le boîtier 2.
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Ce module fonctionnel 7 est un module récepteur de signaux GNSS comprenant un circuit de radiofréquence. Dans ce mode de réalisation, il est configuré pour la réception d'un signal radio satellite déterminé de type L1 associé à une fréquence porteuse et à une largeur de bande. Ce module fonctionnel 7 est alimenté électriquement par la source d'alimentation en énergie électrique.
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Cette première partie d'antenne 4A comporte également un deuxième connecteur 8B compris à une des deux extrémités 11A, 11B du segment. Ce deuxième connecteur 8B également appelé « point de charge du dispositif d'antenne » ou encore en anglais « antenna load », est configuré pour être relié au plan de masse 9A, 9B et ce, par l'intermédiaire du module électronique 4C d'ajustement d'une fréquence de résonnance et d'augmentation de l'efficacité du dispositif d'antenne 3.
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Ainsi que nous l'avons déjà évoqué, ce module électronique 4C du dispositif d'antenne 3, est agencé sur la plaquette de circuit imprimé 10. Un tel module 4C est constitué d'un circuit électrique 5A configurable dynamiquement selon la position angulaire du dispositif d'antenne 3, et d'un module de détection 5B de changement de position angulaire de ce dispositif 3.
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Dans ce module 4C, le module de détection 5B comprend au moins un capteur de position angulaire 6A comportant de manière non limitative et non exhaustive une centrale inertielle et/ou un capteur gyroscopique. Ce module de détection 5B comprend aussi une unité de traitement 6B telle qu'un microcontrôleur. Cette unité de traitement 6B est apte à contrôler/piloter la configuration du circuit électrique 5A en fonction de mesures de position angulaire du boîtier 2, et donc du dispositif d'antenne 3, qu'il peut recevoir dudit capteur 6A.
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En référence aux figures 1 et 2A, ce circuit électrique 5A comprend un premier point de connexion P relié électriquement au deuxième connecteur 8B et un deuxième point de connexion M relié à la première partie du plan de masse 9A du dispositif d'antenne 3, défini sur la plaquette de circuit imprimé 10.
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Dans cette configuration, un tel circuit électrique 5A est configuré pour agir sur la charge de la première partie d'antenne 4A et non sur son alimentation. Dans ces conditions, ce circuit électrique 5A comprend deux composants : une bobine L et un condensateur C. Il comprend également trois interrupteurs S1, S2, S3 dont la fermeture et l'ouverture sont pilotées par l'unité de traitement 6B afin de paramétrer/configurer le circuit électrique 5A dans :
- un premier mode configuration visible sur la figure 2B, dans lequel la bobine L et le condensateur C sont agencés en série, par la fermeture de l'interrupteur S2 et l'ouverture des interrupteurs S1 et S3, et
- un deuxième mode de configuration visible sur la figure 2C dans lequel la bobine L et le condensateur C sont agencés en parallèle, par la fermeture des interrupteurs S1 et S3 et l'ouverture de l'interrupteur S2.
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Ces deux modes de configuration du circuit électrique 5A agissent de manière différente sur la charge de la première partie d'antenne 4A, en engendrant un déplacement des minimas et des maximas du rayonnement de cette première partie d'antenne 4A c'est-à-dire en faisant varier le gain du dispositif d'antenne 3 dans une direction de l'espace en fonction de positions angulaires différentes du boîtier 2 et donc du dispositif d'antenne 3.
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A titre d'exemple, lorsque le boîtier 2 est dans une position dite « horizontale », la première partie d'antenne 4A a alors sa face supérieure qui est agencée en regard ou sensiblement en regard de la source GNSS. Dans ces conditions, le circuit électrique 5A est alors paramétré par l'unité de traitement 6B, dans le premier mode de configuration. Dans ce premier mode, le diagramme de rayonnement du dispositif d'antenne 3 visible sur la figure 3, définit classiquement la répartition de la puissance de ce dispositif d'antenne 3 dans l'espace. Ce diagramme de rayonnement décrit la direction dans laquelle ce dispositif d'antenne 3 rayonne avec le plus de puissance, ici la direction de l'axe Oz.
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Dans ce diagramme de rayonnement de la figure 3 on observe que :
- le gain maximum est de -10,77 dBi -
- l'ouverture à 3 dB est 157,6 degrés
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Dans un autre exemple, lorsque le boîtier 2 passe de la position horizontale à une nouvelle position, ici une position verticale, le module électronique 4C détecte alors ce changement de position angulaire du boîtier 2. Dans ces conditions, ce module électronique 4C paramètre alors le circuit électrique 5A dans le deuxième mode de configuration. Dans ce contexte, le diagramme de rayonnement du dispositif d'antenne 3 visible sur la figure 4, décrit une direction dans laquelle ce dispositif d'antenne 3 rayonne avec le plus de puissance, ici une direction comprise dans entre les directions des axes Oy et Oz.
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Dans ce diagramme de rayonnement de la figure 4 on observe que :
- le gain maximum est de -10,65 dBi -
- l'ouverture à 3 dB est 147,2 degrés
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On notera que dans ces diagrammes de rayonnement, le boîtier 2 de la montre 1 est agencé sur le poignet 12 du porteur. Par ailleurs, on remarquera que l'on utilise des angles des coordonnées sphériques (θ, φ) comme le montrent les figures 3 et 4. L'angle « θ » est repéré par rapport à l'axe Oz et l'angle « φ » se trouve dans le plan xOy et est repéré par rapport à l'axe Ox.
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Dans ce circuit électrique 5A lorsque le condensateur C et la bobine L sont mises en oeuvre lors des premier et deuxième modes de configuration du circuit 5A, les valeurs de capacitance Csérie, Cparallèle du condensateur C et d'inductance Lsérie, Lparallèle de la bobine L sont choisies de manière que l'équation suivante soit vérifiée : avec :
- Lsérie et Csérie les valeurs d'inductance et de capacitance de la bobine L et du condensateur C dans la première configuration du circuit 5A ;
- Lparallèle et Cparallèle les valeurs d'inductance et de capacitance de la bobine L et du condensateur C dans la deuxième configuration du circuit 5A.
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La sélection ou le choix de ces valeurs d'inductance et de capacitance à partir de cette équation, participe à assurer une résonnance de la charge à la bonne fréquence. De plus, elle participe à augmenter l'efficacité du dispositif d'antenne comme l'illustre les diagrammes de rayonnement visibles sur les figures 3 et 4.
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Ainsi que nous l'avons évoqué, le dispositif d'antenne 3 comprend aussi la deuxième partie d'antenne 4B constituée du plan de masse 9A, 9B. Ce plan de masse 9A, 9B est un plan de masse élargi car il est constitué des première et deuxième parties 9A, 9B de ce plan, la deuxième partie 9B comprenant ladite partie au moins électriquement conductrice du boîtier 2. Ce plan de masse est relié au deuxième connecteur 8B de la première partie d'antenne 4A par l'intermédiaire du module électronique 4C.
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Dans ce plan de masse, la première partie 9A est reliée à la deuxième partie 9B par l'intermédiaire d'une piste conductrice. En effet, la plaquette de circuit imprimé 10 peut comprendre une telle piste conductrice ménagée sur une face inférieure de cette plaquette 10. Cette piste est alors reliée électriquement à la première partie 9A du plan de masse. Cette piste conductrice peut être ménagée sur la périphérie de la plaquette de circuit imprimé 10 et est notamment localisée dans une zone de contact mécanique entre la plaquette de circuit imprimé 10 et la partie au moins électriquement conductrice du boîtier 2 par l'intermédiaire par exemple d'un épaulement ménagé sur le corps de cette partie au moins électriquement conductrice. Cette piste conductrice peut s'étendre préférablement sur essentiellement toute la périphérie de la plaquette de circuit imprimé 10, bien qu'il soit envisageable d'interrompre cette piste conductrice en un ou plusieurs points de la périphérie. Ménager la piste sur pratiquement toute la périphérie de la plaquette de circuit imprimé 10, présente l'avantage d'améliorer la qualité du contact électrique avec la partie électriquement conductrice du boîtier 2. Par cette configuration, on comprend que la superficie du plan de masse est maximisée en l'étendant ainsi à la partie électriquement conductrice du boîtier 2. De plus cet élargissement du plan de masse du dispositif d'antenne améliore la sensibilité de détection de ce dispositif d'antenne.
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On notera que la partie électriquement conductrice est réalisée en un matériau électriquement conducteur, avantageusement en métal (par exemple en acier, en titane, ou en aluminium), ou en un matériau de base recouvert d'une couche externe électriquement conductrice. Cette partie électriquement conductrice comprend de préférence une zone ou une portion de ce boîtier 2 qui est destinée à être en contact avec une partie 12 du corps du porteur/utilisateur telle que son poignet, comme peut l'être par exemple le fond de ce boîtier 2.
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Grâce au dispositif selon l'invention, il est possible d'intégrer ce dispositif d'antenne 3 dans ce boîtier 2 de la montre 1, tout en exploitant une partie dudit boîtier 2 métallique pour optimiser les performances de ce dispositif d'antenne 3. De plus ainsi que nous l'avons vu, le module électronique 4C inclus dans ce dispositif d'antenne 3 permet d'intégrer des techniques de « beamforming (pour formation de faisceau) » et de « beamsteering (pour orientation de ce faisceau ou direction de ce faisceau) » dans le cadre du fonctionnement de ce dispositif 3 et aussi d'améliorer les performances de ce dispositif d'antenne 3, notamment en termes de gain, d'adaptation, d'efficacité et de rayonnement.
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Ainsi une montre 1 pourvue de ce dispositif d'antenne 3 et qui est portée au poignet 12 du porteur est apte à recevoir de manière optimale des signaux GNSS et ce, quel que soit sa position/son orientation vis-à-vis de la zone de réception de ces signaux GNSS induite par le mouvement du poignet de ce porteur lorsqu'il effectue une activité physique ou sportive (randonnée à pied, cyclisme, etc.).
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La présente invention est en particulier prévue pour une mise en oeuvre dans le domaine horloger, mais peut également être mise en oeuvre dans d'autres domaines.
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Il est précisé, en outre, que la présente invention n'est pas limitée aux exemples décrits ci-dessus et est susceptible de nombreuses variantes accessibles à l'homme de l'art.
Nomenclature
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- 1. Instrument électronique
- 2. Boîtier
- 3. Dispositif d'antenne
- 4A. Première partie d'antenne
- 4B. Deuxième partie d'antenne
- 4C. Module électronique
- 5A. Circuit électrique configurable dynamiquement
- 5B. Module de détection de changement de position angulaire
- 6A. Capteur de position angulaire
- 6B. Unité de traitement
- 7. Module fonctionnel
- 8A. Premier connecteur de la première partie d'antenne
- 8B. Deuxième connecteur de la première partie d'antenne
- 9A. Première partie du plan de masse du dispositif d'antenne
- 9B. Deuxième partie du plan de masse comprenant la partie électriquement conductrice du boîtier
- 10. Plaquette de circuit imprimé
- 11A.Première extrémité de la première partie d'antenne
- 11B.Deuxième extrémité de la première partie d'antenne
- 11 C.Portion située sensiblement à équidistance des extrémités du segment
- 12. Partie du corps du porteur telle que son poignet
- 13. Ouverture aménagée dans la face du boîtier