FR2911998A1

FR2911998A1 - Antenne large bande

Info

Publication number: FR2911998A1
Application number: FR0752990A
Authority: FR
Inventors: Benoit Bonnet; Francois Dupont
Original assignee: STMicroelectronics SA
Current assignee: STMicroelectronics SA
Priority date: 2007-01-31
Filing date: 2007-01-31
Publication date: 2008-08-01
Anticipated expiration: 2027-01-31
Also published as: FR2911998B1; US20080180350A1

Abstract

L'invention concerne une antenne comportant une piste plane conductrice qui suit, depuis une première extrémité (33) destinée à être raccordée à un circuit (3) d'émission-réception radiofréquence jusqu'à une deuxième extrémité libre (34), un tracé en forme de serpentin (31') comportant au moins trois tronçons primaires (35') parallèles et de même longueur, reliés, à l'exception d'un premier et d'un dernier, par leur extrémités respectives à une des extrémités d'un tronçon précédent et d'un tronçon suivant par des tronçons secondaires (36) rectilignes et de même longueur, perpendiculaires aux tronçons primaires.

Description

B7737 - 06-T0-270 1 ANTENNE LARGE BANDE

Domaine de l'invention La présente invention concerne de façon générale les antennes de réception radiofréquence et, plus particulièrement, la réalisation d'une antenne large bande.

Exposé de l'art antérieur L'invention concerne les antennes planes réalisées par des pistes conductrices sur un support isolant. De telles antennes ont une longueur fonction de la fréquence de résonance souhaitée (approximativement la fréquence centrale de la bande de fréquences devant être captée par l'antenne). Cette longueur correspond au quart (X/4) de la longueur d'onde (X) de la fréquence de résonance souhaitée. Un problème qui se pose est qu'une antenne en X/4 est d'autant plus longue que sa fréquence de fonctionnement est faible, conduisant souvent à un encombrement incompatible avec les souhaits de miniaturisation des dispositifs de télé-communication. Résumé de l'invention La présente invention vise à pallier tout ou partie 20 des inconvénients des antennes de l'art antérieur. Un objet vise plus particulièrement la réalisation d'une antenne de faible encombrement.

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2 Un autre objet vise une antenne particulièrement adaptée à la réception de signaux dans des bandes de fréquence de plusieurs gigahertz avec préférentiellement une bande passante de plus d'un gigahertz.

Un autre objet vise une antenne omnidirectionnelle. Pour atteindre tout ou partie de ces objets ainsi que d'autres, il est prévu une antenne comportant une piste plane conductrice, cette piste suivant, depuis une première extrémité destinée à être raccordée à un circuit d'émission-réception radiofréquence jusqu'à une deuxième extrémité libre, un tracé en forme de serpentin comportant au moins trois tronçons primaires parallèles et de même longueur, reliés, à l'exception d'un premier et d'un dernier, par leurs extrémités respectives à une des extrémités d'un tronçon précédent et d'un tronçon suivant par des tronçons secondaires rectilignes et de même longueur, perpendiculaires aux tronçons primaires. Selon un mode de réalisation, un substrat isolant sur lequel elle est réalisée est dépourvu de plan de masse au moins à son aplomb.

Selon un mode de réalisation, la direction globale du serpentin est parallèle à un tronçon de liaison à un circuit d'émission-réception. Selon un mode de réalisation, l'antenne comporte six tronçons primaires.

Selon un mode de réalisation, les tronçons primaires sont rectilignes. Selon un mode de réalisation, la longueur développée du serpentin correspond approximativement au quart de la longueur d'onde de la fréquence centrale de la bande passante.

Selon un mode de réalisation, les tronçons primaires ont des bords non rectilignes. Selon un mode de réalisation, les tronçons primaires ont des bords de forme elliptique. Selon un mode de réalisation, la bande passante est 35 supérieure à 1 GHz.

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3 Il est également prévu un dispositif de télé-communication. Brève description des dessins Ces objets, caractéristiques et avantages, ainsi que d'autres de la présente invention seront exposés en détail dans la description suivante de modes de mise en oeuvre et de réalisation particuliers faite à titre non-limitatif en relation avec les figures jointes parmi lesquelles : la figure 1 est une représentation partielle, sous 10 forme de blocs, d'un dispositif de télécommunication du type auquel s'applique la présente invention ; la figure 2 représente un exemple d'antenne à ligne usuelle ; la figure 3 représente un exemple d'antenne à ligne 15 repliée usuelle ; la figure 4 est une vue de dessus d'une antenne selon un mode de réalisation de la présente invention ; la figure 5 est une représentation en perspective de l'antenne de la figure 4 ; 20 la figure 6 est une vue de dessus d'une antenne selon un autre mode de réalisation de la présente invention ; la figure 7 est une représentation en perspective de l'antenne de la figure 6 ; la figure 8 illustre la réponse en fréquence d'antennes 25 selon les modes de réalisation des figures 4 à 7 ; la figure 9 illustre la réponse en fréquence d'an- tennes selon les modes de réalisation des figures 4 à 7 ; et la figure 10 est une vue de dessus d'une antenne selon un autre mode de réalisation de la présente invention. 30 Description détaillée De mêmes éléments ont été désignés par les mêmes réfé- rences aux différentes figures qui ont été tracées sans respect d'échelle. Pour des raisons de clarté, seuls les éléments utiles à la compréhension de l'invention ont été représentés et seront 35 décrits. En particulier, les circuits de télécommunications susceptibles d'exploiter une antenne selon l'invention n'ont pas B7737 - 06-T0-270

4 été détaillés, l'invention étant compatible avec tout dispositif d'émission-réception radiofréquence habituel. Un exemple d'application de la présente invention concerne les antennes destinées à des systèmes de télé- communication sans fil susceptibles de fonctionner sur une ou plusieurs larges bandes de fréquences. Il s'agit, par exemple, de systèmes de communication sur courtes distances (inférieures à une centaine de mètres) avec des fréquences de fonctionnement de plusieurs gigahertz (par exemple connus sous les standards UWB - Ultra Wide Band, ou IEEE 802.15). Selon cet exemple, la bande de fréquence entre 3,1 et 10,6 GHz est divisée en cinq groupes de deux ou trois canaux chacun, chaque canal ayant une bande passante de 528 MHz. L'invention concerne par exemple le premier groupe de trois canaux allant de 3,168 GHz (3,1) à 4,752 GHz (4,8) requérant des dispositifs capables de fonctionner sur toute la bande du groupe, large de plus d'1,5 GHz. La figure 1 représente, sous forme de blocs, un circuit d'émission-réception radiofréquence du type auquel s'applique à titre d'exemple la présente invention (par exemple, un circuit d'émission-réception d'un téléphone mobile pour liaison haut débit avec un autre circuit d'émission-réception du même type, par exemple d'un ordinateur portable). Une antenne 1 est connectée par un tronçon de liaison 2 à un circuit 3 (HF T/R) constituant un séparateur de voies (entre émission et réception). Les deux voies du circuit 3 sont reliées à des bornes d'émission Tx et de réception Rx d'un circuit 4 d'émission-réception radiofréquence. Le reste des éléments du dispositif de télécommunication (par exemple, ceux d'un ordinateur portable ou d'un téléphone mobile) n'a pas été illustré en figure 1. La figure 2 représente un exemple d'antenne à ligne usuelle. L'antenne comporte une piste conductrice rectiligne 11 dont la longueur est fonction de la fréquence de résonance souhaitée (approximativement la fréquence centrale de la bande de fréquences devant être captée par l'antenne). Cette longueur correspond au quart (X/4) de la longueur d'onde (X) de la B7737 - 06-TO-270

fréquence de résonance souhaitée. Une première extrémité de la piste est reliée à une borne 21 de connexion au dispositif d'émission/réception (circuit 3, figure 1) et une deuxième extrémité est libre. 5 La figure 3 représente un exemple d'une antenne usuelle constituée d'une ligne conductrice repliée, formée de deux tronçons parallèles 15 et 16. Une première extrémité du tronçon 15 est reliée à une première extrémité du tronçon 16 par un tronçon perpendiculaire 17. L'autre extrémité du tronçon 15 est reliée à une borne 21 de connexion au dispositif d'émission-réception tandis que l'autre extrémité du tronçon 16 est libre. L'objectif du repliement est de diminuer l'encombrement de l'antenne. Toutefois, le couplage entre les tronçons oblige à allonger la longueur développée de la ligne par rapport au quart de la longueur d'onde de la fréquence de résonance. La figure 4 représente, vue de dessus, un mode de réalisation d'une antenne selon la présente invention. La figure 5 est une vue en perspective d'une telle antenne portée par un substrat isolant.

L'antenne comporte une piste plane conductrice 31 sur un substrat isolant 32 (figure 5). La piste est, par exemple, obtenue par dépôt et gravure d'une couche métallique sur une première face (appelée ici face avant) du substrat 32 (par exemple en silicium, en verre, en résine époxy, etc.). Une première extrémité 33 de la piste 31 est reliée par un tronçon de liaison 40 à un plot 40' de connexion au circuit de télécommunication (par exemple, le circuit 3 de la figure 1). Le tronçon 40 et le plot 40' sont de préférence obtenus dans la même couche que la piste 31. Le tronçon 40 est dimensionné pour présenter une impédance caractéristique (par exemple, 50 ohms). De plus, un plan de masse 50 est réalisé en face arrière du substrat 32 (ou est enterré dans celui-ci) sauf au moins sous le serpentin 31. Aux figures 4 et 5, l'aplomb du plan de masse a été illustré par un pointillé 501 et cet aplomb est perpendiculaire à la direction générale du serpentin 31. Le cas échéant, l'extrémité 33 de la piste 31 est reliée au tronçon 40 B7737 - 06-TO-270

6 par l'intermédiaire d'un tronçon 33' plus étroit que la piste 31. Une deuxième extrémité 34 de la piste 31 forme l'extrémité libre de l'antenne. La piste 31 suit le tracé d'un serpentin à cinq méandres. Depuis l'extrémité libre 34, le serpentin comporte six tronçons primaires 35 (356, 355, 354, 353, 352 et 351) rectilignes et parallèles entre eux, et cinq tronçons secondaires 36 (366, 365, 364, 363 et 362) rectilignes, également parallèles entre eux mais perpendiculaires aux tronçons pri-maires. Un dernier tronçon secondaire 361 relie le tronçon 40, ou une liaison 33', à une extrémité d'un premier tronçon primaire 351 et les cinq autres tronçons secondaires 362 à 366 relient deux tronçons primaires 35 entre eux par leurs extrémités respectives en alternant les extrémités d'un tronçon primaire à l'autre. Le trajet parcourt donc successivement, depuis l'extrémité 33 définie comme étant l'extrémité du tronçon 361 côté tronçon 40', les tronçons 361, 351, 362, 352, 363, 353, 364, 354, 365, 355, 366 et 356. La longueur W des tronçons 35 est, dans cet exemple, supérieure à la longueur G des tronçons 36. L'inverse est toutefois possible. La direction générale du serpentin 31 est de préférence perpendiculaire à l'aplomb 501 du plan de masse donc parallèle au tronçon 40 qui se trouve aligné avec la moitié des tronçons secondaires 36. Cela participe au caractère omnidi- rectionnel de l'antenne. Une antenne selon le mode de réalisation des figures 4 et 5 comporte plusieurs paramètres. Un paramètre est le nombre de méandres qui, plus il est faible, plus la bande passante est large. Toutefois, plus le nombre de méandres est élevé, plus l'encombrement est réduit. Un autre paramètre est la longueur W des tronçons 35 qui, plus elle est faible, plus la bande passante et la fréquence de résonance sont élevées. Un autre paramètre est la largeur B de la ligne conductrice formant les tronçons 35 qui, plus elle est élevée, plus la bande passante et la fréquence de résonance sont B7737 - 06-T0270

7 élevées. De préférence, cette largeur B est comprise entre 0,1 et 1 mm. Un autre paramètre est l'écart G entre les tronçons 35 qui correspond à la longueur des tronçons 36 et qui conditionne le couplage entre les méandres. Plus l'écart G est faible, plus le couplage est fort, moins l'antenne est encombrante mais plus la longueur développée devra être importante pour une fréquence de résonance donnée. Les paramètres ci-dessus conditionnent également la longueur totale développée de la piste (entre les extrémités 33 et 34) qui avec la longueur du tronçon 361 conditionne la fréquence de résonance. Dans l'exemple des figures 4 et 5, cette longueur développée correspond approximativement au quart de la longueur d'onde de la fréquence de résonance qui correspond approximativement à la fréquence centrale de la bande passante. Un autre paramètre est l'écart M entre le serpentin 31 et l'aplomb du plan de masse 50 qui correspond à la longueur du tronçon 33' ajoutée le cas échéant à un bout du tronçon 40. Cette caractéristique ressort mieux de la figure 5. Plus cet écart est important, plus la fréquence de résonance est réduite. Les dimensions du plan de masse permettent d'obtenir une seconde résonance afin d'élargir la bande passante de l'antenne. A titre d'exemple, ces dimensions peuvent être de l'ordre de 16 à 20 mm pour la largeur et de l'ordre de 22 à 26 mm pour la longueur. Les figures 6 et 7 représentent, respectivement de dessus et en perspective, un autre mode de réalisation d'une antenne selon la présente invention. Par rapport au mode de réalisation des figures 4 et 5, les tronçons 35' ont des largeurs variables. Dans cet exemple, les bords latéraux des tronçons 35' ont des formes courbes de telle sorte qu'ils ont une largeur minimale approximativement à mi-longueur et une largeur maximale aux extrémités. Les bords des tronçons 35' décrivent alors des portions d'ellipses.

Ce mode de réalisation tire profit du fait que les fréquences élevées ont tendance à passer au milieu des tronçons B7737 - 06-T0-270

8 alors que les fréquences basses ont tendance à passer sur les bords. Or le trajet des bords se trouvant plus long, il correspond au quart d'une longueur d'onde plus importante que celle à laquelle correspond le trajet plus court passant par le chemin le plus direct (milieu des tronçons). Par conséquent, cela permet de réduire la fréquence de résonance par rapport à une antenne du mode de réalisation des figures 4 et 5 de même encombrement global. Dans ce mode de réalisation, la longueur d'onde de la fréquence de résonance correspond approximativement à quatre fois la longueur développée du trajet central (le plus court) et est par conséquent décalée vers les basses fréquences de la bande passante. Les figures 8 et 9 illustrent les réponses en fréquence d'antennes telles que représentées aux figures précédentes. La figure 8 représente l'adaptation "A" de l'antenne (en dB) en fonction de la fréquence f (en Hz). La figure 9 représente le taux d'onde stationnaire ou T.O.S. (VSWR - Voltage Standing Wave Ratio) en fonction de la fréquence f.

Sur chacune des figures 8 et 9 ont été illustrées la réponse d'un exemple d'antenne 314 du type de celle représentée aux figures 4 et 5 avec L = 8,1 mm, G = 0,9 mm, M = 1 mm, B = 0,6 mm et W = 2,8 mm, et les réponses d'exemples d'antennes 316 et 316' du type de celle représentée aux figures 6 et 7 avec L = 8 , 1 mm, G = 0 , 9 mm, M = 1 mm, B = 0 , 6 mm, b= 0, 2 mm et W = 3,2 mm pour l'antenne 316 et W = 3,2 mm pour l'antenne 316'. Il ressort de ces exemples que le mode de réalisation des figures 6 et 7 permet, pour un même encombrement (antennes 314 et 316) d'élargir la bande vers les fréquences inférieures au prix, pour les fréquences supérieures, d'une adaptation moindre et d'un T.O.S. légèrement supérieur. Pour une antenne, on considère une adaptation comme satisfaisante à partir de -6 dB et bonne en dessous de -10 dB, et un T.O.S. inférieur à 3 comme satisfaisant et en dessous de 2 comme bon.

Les trois exemples 314, 316 et 316' conviennent donc pour la bande de 3,1 à 4,8 GHz avec, dans cette bande, une B7737 - 06-T0-270

9 meilleure adaptation et un meilleur T.O.S. pour les antennes 316 et 316'. Les antennes 314, 316 et 316' ont toutes des gains maximum supérieurs à 3 dBi (par rapport à une antenne isotrope), ce qui est considéré comme bon, un gain supérieur à 0 dBi étant satisfaisant. La figure 10 est une vue de dessus d'un autre mode de réalisation d'une antenne selon la présente invention. Selon ce mode de réalisation, les tronçons 35" du serpentin 31" présen- tent des fentes 37 perpendiculaires dans leurs bords longitudinaux. Ces fentes jouent un rôle similaire à la déformation des bords présentée en relation avec les figures 6 et 7 pour allonger le trajet en périphérie. Un avantage de la présente invention est que la forme de l'antenne proposée lui confère une bande large et un faible encombrement global (surface dans laquelle s'inscrit le serpentin). Un autre avantage de la présente invention est que l'antenne obtenue présente à la fois un T.O.S., une atténuation 20 et un gain satisfaisants. Bien entendu, la présente invention est susceptible de diverses variantes et modifications qui apparaîtront à l'homme de l'art. En particulier, le choix des différents paramètres en fonction des fréquences souhaitées pour le fonctionnement de 25 l'antenne est à la portée de l'homme du métier à partir des indications fonctionnelles et des exemples donnés ci-dessus. De plus, bien que l'invention ait été illustrée par un exemple d'antenne à six tronçons primaires parallèles, le nombre de méandres pourra être plus ou moins important (au moins 30 trois). Par ailleurs, en variante aux exemples représentés où le tronçon de liaison 40 est parallèle à la direction globale du serpentin, ce tronçon peut être incliné par rapport à cette direction (par exemple jusqu'à quelques dizaines de degrés), 35 voire présenter une inclinaison quelconque par rapport à la B7737 -06-T0-270

10 direction du serpentin sous réserve de respecter l'impédance caractéristique (par exemple, 50 ohms). En outre, d'autres circuits passifs ou actifs peuvent être portés par le substrat 32 pourvu de respecter, autour du serpentin, une zone omnidirectionnelle dépourvue de plan de masse ou autre élément conducteur (à l'exception du tronçon de liaison 361) avec lequel un couplage néfaste pourrait apparaître. Enfin, une antenne selon l'invention trouvera de multiples applications, de préférence, dans des dispositifs mobiles (par exemple, un ordinateur portable, téléphone cellulaire, etc.) pour communiquer avec un autre dispositif mobile ou avec un équipement fixe (par exemple, un ordinateur, une base d'émission-réception, etc.), que cet autre équipement utilise ou non une antenne du même type.

Claims

REVENDICATIONS

1. Antenne comportant une piste plane conductrice, caractérisée en ce que la piste suit, depuis une première extrémité (33) destinée à être raccordée à un circuit (3) d'émission-réception radiofréquence jusqu'à une deuxième extrémité libre (34), un tracé en forme de serpentin (31, 31', 31") comportant au moins trois tronçons primaires (35, 35', 35") parallèles et de même longueur (W), reliés, à l'exception d'un premier (351) et d'un dernier (356), par leurs extrémités respectives à une des extrémités d'un tronçon précédent et d'un tronçon suivant par des tronçons secondaires (36) rectilignes et de même longueur (G), perpendiculaires aux tronçons primaires.

2. Antenne selon la revendication 1, dans laquelle un substrat isolant (32) sur lequel elle est réalisée est dépourvu de plan de masse (50) au moins à son aplomb.

3. Antenne selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, dans laquelle la direction globale du serpentin (31, 31', 31") est parallèle à un tronçon (40) de liaison à un circuit d'émission-réception (3).

4. Antenne selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, comportant six tronçons primaires (35, 35', 35").

5. Antenne selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans laquelle les tronçons primaires (35) sont rectilignes.

6. Antenne selon la revendication 5, dans laquelle la longueur développée du serpentin (31) correspond approxima- tivement au quart de la longueur d'onde de la fréquence centrale de la bande passante.

7. Antenne selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans laquelle les tronçons primaires (35', 35") ont des bords non rectilignes.

8. Antenne selon la revendication 7, dans laquelle les tronçons primaires (35') ont des bords de forme elliptique.

9. Antenne selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, dont la bande passante est supérieure à 1 GHz.B7737 - 06-T0-270 12

10. Dispositif de télécommunication comportant au moins une antenne conforme à l'une quelconque des revendications 1 à 9.