FR2816114A1 - Antenne multibande - Google Patents

Abstract

Antenne destinée à rayonner dans au moins deux bandes de fréquences distinctes centrées respectivement autour des fréquences F1 et F2, F2 étant proche de deux fois la valeur F1, comportant un plan de masse et un premier élément résonnant à la fréquence F2 destinés à être reliés à un générateur/ récepteur, ledit premier élément résonnant étant connecté à au moins un second élément résonnant au moyen d'un coupleur sélectif de sorte que l'ensemble formé par le premier et second élément résonne à la fréquence F1, caractérisé en ce que ledit coupleur sélectif est formé par l'accès d'une ligne dont l'autre accès est en circuit ouvert; ladite ligne ayant une longueur électrique égale à lambda2 / 2, où lambda2 est la longueur d'onde correspondant à la fréquence F2.

Description

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ANTENNE MULTIBANDE

La présente invention concerne une antenne pour des systèmes de télécommunication par ondes radioélectriques. Elle concerne plus particulièrement une antenne multibande apte à être intégrée sur une simple plaque de circuit imprimée.

De nombreux systèmes de radio télécommunication ont été développés utilisant des fréquences et des bandes passantes différentes.

Les liaisons radio locales de type ISM (acronyme de Industrial Scientific Medical) traditionnellement utilisées à l'intérieur des locaux, par exemple pour permettre la communication entre un terminal de paiement bancaire et sa base, utilisent des fréquences comprises entre 868 et 928 MHz avec des bandes passantes AF/F étroites de l'ordre de 1%. Les liaisons de type GSM (acronyme de Group Special Mobile ou encore de Global System for Mobile communications) destinées aux radiotéléphones cellulaires utilisent des fréquences comprises entre 890 et 960 MHz (en Europe) ou entre 1850 et 1990 MHz (aux USA) avec des bandes passantes AF/F larges de l'ordre de 7%. Les liaisons de type DCS1800 (Digital Cellular System), également destinées aux radiotéléphones cellulaires utilisent des fréquences comprises entre 1710 et 1880 MHz avec des bandes passantes AF/F larges de l'ordre de 7%.

Afin de pallier le cloisonnement induit par cette diversité des systèmes de radiocommunication, il est apparu important de permettre aux systèmes de radio télécommunication de pouvoir fonctionner en utilisant différents protocoles de communication et plus particulièrement de fonctionner dans deux bandes de fréquences centrées respectivement autour de Fl=900MHz et F2=1800MHz. Pour permettre un tel fonctionnement avec différents protocoles de radio

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télécommunication, il est donc nécessaire de disposer d'antennes aptes à capter les deux bandes de fréquences précitées.

Différentes solutions ont été proposées. Une première solution consiste à équiper les systèmes de radiocommunication avec deux antennes, chaque antenne résonnant pour une bande de fréquence donnée. Cette approche est chère et difficile à mettre en oeuvre dans des appareils dont la taille est sans cesse plus réduite. Une seconde solution consiste à réaliser une antenne bi modale qui puisse résonner pour les deux bandes de fréquences.

Schématiquement, trois types d'antennes bibandes ont été développés à ce jour : l'antenne bibande fouet, l'antenne bibande plaque et l'antenne bibande céramique.

L'antenne bibande fouet se compose de deux éléments filiformes, encore appelées brins ou monopôles, s'étendant perpendiculairement à un plan de masse. Dans un premier montage, décrit notamment dans le document W09904452, ces deux brins sont disposés de manière colinéaire et sont connectés par un circuit bouchon LC accordé sur la fréquence haute : le brin supérieur se trouve ainsi désolidarisé pour les fréquences hautes. Dans un second montage, ces brins sont disposés de manière parallèle : les brins rayonnants sont intégrés à un circuit d'adaptation dans un même radôme. Une variante de ce type d'antenne est réalisée par un circuit imprimé disposant de deux brins rayonnants métallisés sur chaque face.

L'antenne plaque est formée d'une plaque métallique connectée à un plan de masse par des pattes de fixation, cette plaque est partiellement fendue afin d'obtenir deux cavités LC rayonnantes sur les fréquences FI et F2.

L'antenne céramique est formée par des résonateurs coaxiaux réalisés avec des matériaux de haute permittivité permettant de réaliser

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des antennes bibandes avec un haut facteur d'intégration, mais au détriment de la largeur de bande et de l'efficacité de rayonnement.

La présente invention vise donc à proposer une antenne multibande d'un nouveau type qui soit tout à la fois simple à réaliser du fait notamment de l'absence complète d'éléments actifs, d'un encombrement restreint, présentant de bonnes caractéristiques techniques notamment avec une largeur de bande AF/F de l'ordre de 10% et qui par ailleurs autorise des décalages entre les bandes de fréquences.

L'antenne multibande selon l'invention est destinée à rayonner dans au moins deux bandes de fréquences distinctes centrées respectivement autour des fréquences FI et F2, F2 étant proche, à au moins 20% près, de deux fois la valeur FI, comportant un plan de masse et un premier élément résonnant à la fréquence F2 destinés à être reliés à un générateur/récepteur, ledit premier élément résonnant étant connecté à au moins un second élément résonnant au moyen d'un coupleur sélectif de sorte que l'ensemble formé par le premier et second élément résonne à la fréquence FI.

Selon l'invention, l'antenne est caractérisée en ce que le coupleur sélectif est formé par l'accès d'une ligne dont l'autre accès est en circuit ouvert, la ligne ayant une longueur électrique égale à À2/2, où A2 est la longueur d'onde correspondant à la fréquence F2.

Selon une autre caractéristique de l'antenne multibande objet de la présente invention, le premier élément résonnant est formé par un brin conducteur.

Selon une autre caractéristique de l'antenne multibande objet de la présente invention, le second élément résonnant est formé par un toit capacitif.

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Selon une autre caractéristique de l'antenne multibande objet de la présente invention, le brin et/ou le toit capacitif sont formés par des dépôts métalliques surfaciques.

Selon une autre caractéristique de l'antenne multibande objet de la présente invention, la ligne est réalisée par deux pistes métalliques s'étendant à une distance prédéterminée constante l'une de l'autre.

Selon une autre caractéristique de l'antenne multibande objet de la présente invention, l'une des deux pistes définissant la ligne est formée par ledit toit capacitif.

Selon une autre caractéristique de l'antenne multibande objet de la présente invention, l'une des deux pistes définissant la ligne s'étend dans le prolongement du brin.

Selon une autre caractéristique de l'antenne multibande objet de la présente invention, tout ou partie du brin, du toit capacitif et des deux pistes sont réalisés par le dépôt d'une couche métallique correspondante sur la même face d'une carte de circuit imprimé.

Selon une autre caractéristique de l'antenne multibande objet de la présente invention, la carte de circuit imprimé est réalisée en matériau élastiquement déformable.

Selon une autre caractéristique de l'antenne multibande objet de la présente invention, le premier et le second élément résonnant sont portés par des panneaux distincts.

On comprendra mieux les buts, aspects et avantages de la présente invention, d'après la description donnée ci-après de différents modes de réalisation de l'invention, présentés à titre d'exemples non limitatifs, en se référant aux dessins annexés, dans lesquels : la figure 1 est une vue schématique d'une antenne monopôle classique ; la figure 2 est une vue similaire à la figure 1 présentant une antenne monopôle classique raccourcie grâce à un toit capacitif ;

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la figure 3 est une vue schématique présentant le principe d'une antenne bibande selon l'invention ; la figure 4 est une vue de dessus d'un premier mode de réalisation de l'antenne bibande selon l'invention ; la figure 5 est une vue de dessus d'un second mode de réalisation de l'antenne bibande selon l'invention ; la figure 6 est une vue en perspective d'un troisième mode de réalisation de l'antenne bibande selon l'invention ; la figure 7 est une vue en perspective d'un quatrième mode de réalisation de l'antenne bibande selon l'invention.

Seuls les éléments nécessaires à la compréhension de l'invention ont été figurés. Pour simplifier la lecture des dessins, les différentes réalisations d'un même organe ont été repérées, à l'exception de la figure 1, en utilisant un numéro de référence à deux chiffres : le chiffre des dizaines correspondant au numéro de la figure et le chiffre des unités correspondant à l'organe proprement dit.

En se reportant à la figure 1, on a représenté un dispositif pour engendrer un rayonnement électromagnétique comprenant une antenne fouet monobande à plan de masse (ground plane antenna) encore appelée monopôle quart d'onde. Elle est constituée d'un unique élément métallique filiforme, appelée brin, formant un élément conducteur rayonnant 1 disposé perpendiculairement à un plan de masse 2.

Le brin 1 et le plan de masse 2 sont reliés aux bornes correspondantes d'un générateur/récepteur non figuré, soit directement, soit par l'intermédiaire d'une ligne adaptée tel qu'un câble coaxial 3 dont le conducteur extérieur est soudé sur la surface libre du plan de masse 2 et dont le conducteur central est soudé au pied du brin 1 après avoir traversé sans le toucher le plan de masse 2.

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Le générateur/récepteur est connu en tant que tel et ne sera pas décrit plus avant, son rôle consiste simplement à apporter l'énergie à rayonner pour une fréquence de travail donnée.

La longueur d'onde À. du rayonnement, pour lequel un tel monopôle quart d'onde est adapté, est donc =4xL où L est la longueur électrique du brin 1. La longueur électrique du brin 1 est égale à la longueur mécanique du brin multipliée par un coefficient égal à la racine carrée de la permittivité efficace du milieu Eeff, laquelle dépend des

caractéristiques du matériau constituant le brin 1. La longueur d'onde À étant égale à v/F où v est la vitesse de l'onde électromagnétique dans le brin 1 et F la fréquence de l'onde, on voit que pour des fréquences de l'ordre d'un GHz, on a besoin d'un monopôle d'une longueur d'environs 6,34cm (L=v/4xF avec v égale la vitesse de la lumière divisée par la racine carrée de la permittivité efficace du milieu (seff=l, 4 dans l'exemple)).

La largeur de bande utilisable AF est donnée par la structure du monopôle : diamètre du brin, homogénéité du brin, caractéristiques du radôme, géométrie du plan de masse, etc.

La longueur du monopôle peut être réduite en utilisant le montage de la figure 2, c'est-à-dire en disposant une plaque conductrice 20 appelée toit capacitif, le plus souvent carrée ou circulaire, à l'extrémité libre du brin 21, ce toit capacitif 20 s'étendant parallèlement au plan de masse 22. Une telle antenne est appelée monopôle quart d'onde chargé. La longueur d'onde du rayonnement pour lequel un tel ensemble est adapté, est classiquement =8xL où L est la longueur électrique du brin 21.

On voit donc que pour des fréquences de l'ordre d'un GHz, on a besoin d'un monopôle quart d'onde chargé d'une longueur L d'environ

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3, 17 cm c'est-à-dire la moitié de la longueur d'un monopôle quart d'onde simple rayonnant à la même fréquence.

Inversement, pour un monopôle simple de longueur donnée, on voit que l'adjonction d'un toit capacitif approprié à son extrémité libre permet au nouvel ensemble de rayonner à la fréquence moitié de la fréquence pour laquelle rayonne le monopôle simple.

En se reportant à la figure 3, on a représenté un schéma de principe de l'antenne bibande selon l'invention. Il s'agit d'une antenne de type monopôle quart d'onde chargé dont le toit est approprié au brin 31 pour apporter le complément de longueur électrique afin que le monopole résonne à la fréquence FI correspondant à la longueur d'onde , l=8xL où L est la longueur électrique du brin seul. Le brin seul résonne donc à la fréquence F2 correspondant à la longueur d'onde k2=4xL, on a donc F2=2xFl.

La jonction entre le brin rayonnant 31 et le toit capacitif 30 est opérée par l'intermédiaire d'un dispositif coupleur sélectif 34. Ce coupleur sélectif 34 est adapté pour isoler électriquement le brin 31 du toit capacitif 30 à la fréquence F2 et à connecter électriquement le monopôle 31 au toit capacitif 30 à la fréquence FI.

Le brin 31 a une longueur de l'ordre de 3,5 cm (L = v/4F2) adaptée pour rayonner à la fréquence F2 de 1800MHz, pour laquelle le coupleur 34 n'est pas passant. Il en résulte qu'à la fréquence FI de 900MHz, le brin 31 se trouve couplé au toit capacitif 30, et est donc adapté à rayonner à la fréquence F2/2 c'est à dire à la fréquence FI. L'antenne ainsi réalisée est donc bien une antenne bibande puisqu'elle résonne aux deux fréquences FI et F2.

Le coupleur sélectif selon l'invention est formé par une ligne qui peut être réalisée par un élément de câble coaxial 34. A une extrémité, encore appelée accès, de cet élément de câble, l'âme centrale est connectée à l'extrémité du brin 31 tandis que la tresse métallique

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externe est connectée au toit capacitif 30. L'autre extrémité ou accès de l'élément de câble 34 est en circuit ouvert (Zl=oo).

Cet élément de câble est adapté pour avoir une impédance caractéristique Zc et une longueur électrique k2/2 (la longueur électrique est égale la longueur mécanique divisée par la racine carrée de la permittivité efficace de la ligne).

A la fréquence F2, la ligne formée par l'élément de câble 34 résonne donc en 2/2. Elle présente donc une impédance Z égale à Zl c'est à dire infinie puisqu'elle est fermée sur un circuit ouvert. Le monopôle 31 est donc isolé du toit capacitif 30.

A la fréquence FI ; la ligne résonne en kl/2, c'est-à-dire en k2/4.

Elle présente donc une impédance nulle à son accès connecté au toit capacitif 30 et au brin 31, Z= (Zc) 2/Zl=0. Le brin 31 est alors en courtcircuit avec le toit capacitif 30. L'architecture de l'antenne est alors analogue à celle décrite précédemment en fig2.

Les largeurs de bandes utilisables AF1 et AF2 relatives aux bandes de fréquence centrée sur FI et F2 dépendent du diamètre du brin 31, de la géométrie du toit capacitif 30 et de l'impédance caractéristique Zc de la ligne 34.

Dans le cas où le rapport F2/Fl (correspondant au rapport des fréquences centrales des deux bandes) est sensiblement différent de la valeur deux, le coupleur sélectif 34 résonne toujours en À. 21 4 à la fréquence F2 mais ne se comporte plus comme un court circuit à la fréquence FI : Il présente à cette fréquence FI une impédance capacitive (dans le cas ou FI < F2/2) ou une impédance selfique (si FI > F2/2). La surface du toit capacitif doit alors être ajustée en tenant compte de cette impédance parasite.

En se reportant à la figure 4, on a représenté un mode de réalisation particulièrement simple de l'invention. L'antenne bibande est

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réalisée par une simple plaque de circuit imprimé standard monoface 45. Le brin 41 est réalisé sous la forme d'une piste rectangulaire métallisée de longueur L=v/4*F2, c'est à dire 3.5cm. Sa largeur est de quelques milimètres. Le toit capacitif, formé par un simple pavé 40 rectangulaire métallisé, s'étend de façon adjacente au monopôle 41 sur la plaque 45. Le fait que le toit ne soit pas perpendiculaire au brin affecte l'isotropie de l'antenne sans toutefois affecter le rendement énergétique. Il est toutefois apparu que la modification de l'isotropie est relativement faible et sans conséquence majeure pour la qualité de transmission après intégration de l'antenne dans l'appareil de radio télécommunication.

La surface du toit est de quelques cm2. Elle est calculée pour présenter à la fréquence FI une impédance capacitive Zcap comparable

à l'impédance caractéristique du brin 41. Elle dépend donc de la largeur W du brin rayonnant.

La forme exacte de ce pavé n'est pas critique et peut donc être différente d'un simple rectangle. La ligne formant le coupleur sélectif entre le brin 41 et le toit 40 est formée par une piste métallisée 44 s'étendant à une distance"e"des bords du pavé 40, la piste 44 s'étendant dans le prolongement de la piste 41.

En effet, il est apparu que la connexion électrique de la totalité du conducteur externe de la ligne coaxiale 34 (fig. 3) au toit capacitif 30, c'est-à-dire l'intégration du conducteur extérieur au toit capacitif, ne modifie pas les caractéristiques électriques de la ligne 34.

Ainsi, le conducteur externe de la ligne du coupleur est confondu dans le plan conducteur du toit capacitif, de telle sorte que la ligne est constituée d'une seule piste et du toit capacitif.

La longueur mécanique de la ligne 44 est fonction de sa longueur électrique L, c'est à dire À. 2/2 (pour la fréquence F2) et de sa permittivité efficace Eeff sur la plaque imprimée (L = 2/2seff).

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L'impédance caractéristique d'une telle ligne plane est fonction de sa largeur"w", de l'espace"e"qui la sépare du plan 40 et de la permittivité relative er du matériau de la plaque imprimée.

Ainsi avec w = 0.3mm, e = 0.6mm et er = 4.5 on obtient une impédance caractéristique Zc de l'ordre de 130 Q. Cette valeur Zc, associée à une largeur W = 4 mm du brin 41, permet ainsi une largeur de bande AF/F de 8% pour la fréquence FI et la fréquence F2.

Ainsi, la masse métallique 40 forme tout à la fois le toit capacitif nécessaire pour le rayonnement à la fréquence FI et une partie de l'élément de ligne qui définit le coupleur sélectif reliant le toit capacitif 40 au monopôle 41, l'autre élément de la ligne étant formé par une simple piste prolongeant le monopôle 41 au voisinage de ladite masse métallique 40.

Une telle antenne bibande est donc extrêmement simple à réaliser et donc d'un coût des plus réduits. Aucun composant n'est nécessaire, la fabrication de l'antenne se limitant à une gravure cuivre standard sur un matériau pour circuit imprimé standard.

Par ailleurs, les performances en rendement énergétique pour chacune des bandes FI et F2 sont comparables à celles obtenues avec une antenne quart d'onde classique.

La figure 5 montre une variante de réalisation pour laquelle la bande métallisée constituant le brin 51 a une forme trapézoïdale permettant d'augmenter d'environ 15% les bandes passantes pour chacune des bandes.

La figure 6 montre une variante de réalisation pour laquelle le support formant la plaque 65 sur laquelle sont déposées les différentes pistes métalliques, est réalisé par un substrat en matériau élastiquement déformable tel que du kapton ou encore une résine polyamide. Il est ainsi possible d'insérer une telle antenne dans des

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logements non plans, épousant les formes plus ou moins tortueuses des boîtiers entourant les appareils de radio télécommunication.

La figure 7 montre un mode particulier de réalisation, en deux parties, de l'antenne selon l'invention. Le brin 71 et la piste 74 sont portés par une plaque 75 tandis que le pavé définissant tout à la fois le toit capacitif 70 et l'élément conducteur extérieur de l'élément de ligne constituant le coupleur sélectif est porté par une autre surface 76, telle que par exemple la face interne d'un corps de boîtier. La plaque 75 et la surface 76 sont agencées de façon que la piste 74 définissant le conducteur central de l'élément de coaxial constituant le coupleur sélectif, s'étende à une distance prédéterminée du toit capacitif 70 permettant ainsi une impédance de ligne souhaitée
Bien évidemment, les modes de réalisation illustrés n'ont été donnés qu'à titre d'exemples et ne sont absolument pas limitatifs de l'ensemble des solutions pouvant être mise en oeuvre grâce à la présente invention.

Claims (10)

REVENDICATIONS

1-Antenne multibande destinée à rayonner dans au moins deux bandes de fréquences distinctes centrées respectivement autour des fréquences FI et F2, F2 étant proche de deux fois la valeur FI, comportant un plan de masse et un premier élément résonnant à la fréquence F2 destinés à être reliés à un générateur/récepteur, ledit premier élément résonnant étant connecté à au moins un second élément résonnant au moyen d'un coupleur sélectif de sorte que l'ensemble formé par le premier et second élément résonne à la fréquence FI, caractérisé en ce que ledit coupleur sélectif est formé par l'accès d'une ligne dont l'autre accès est en circuit ouvert, ladite ligne ayant une longueur électrique égale à À. 2/2 où À. 2 est la longueur d'onde correspondant à la fréquence F2.

2-Antenne multibande selon la revendication 1, caractérisée en ce que le premier élément résonnant est formé par un brin conducteur.

3-Antenne multibande selon la revendication 2, caractérisée en ce que le second élément résonnant est formé par un toit capacitif.

4-Antenne multibande selon la revendication 3, caractérisée en ce que le brin et/ou le toit capacitif sont formés par des dépôts métalliques surfaciques.

5-Antenne multibande selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que ladite ligne est réalisée par deux pistes métalliques s'étendant à une distance prédéterminée constante l'une de l'autre.

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6-Antenne multibande selon les revendications 3 et 5, caractérisé en ce que l'une des deux pistes définissant la ligne est formée par ledit toit capacitif.

7-Antenne multibande selon les revendications 2 et 5, caractérisé en ce que l'une des deux pistes définissant la ligne s'étend dans le prolongement du brin.

8-Antenne multibande selon l'une quelconques des revendications 7 ou 8, caractérisée en ce que tout ou partie du brin, du toit capacitif et des deux pistes sont réalisés par le dépôt d'une couche métallique correspondante sur la même face d'une carte de circuit imprimé.

9-Antenne multibande selon la revendication 8, caractérisée en ce que la carte de circuit imprimé est réalisée en matériau élastiquement déformable.

10-Antenne multibande selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisée en ce que le premier et le second élément résonnant sont portés par des panneaux distincts.