FR2928508A1 - Circuit integrant une antenne accordable a correction de taux d'onde stationnaire - Google Patents
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Abstract
L'invention concerne un circuit électronique intégré (5) d'émission-réception radiofréquence, comportant : au moins une borne (521) destinée à recevoir un signal à émettre ou à transmettre un signal reçu ; au moins une antenne plane (51), à fréquence de résonance réglable ; au moins un coupleur bidirectionnel (52) dont une ligne primaire est intercalée entre ladite borne et l'antenne et dont les bornes respectives (523, 524) d'une ligne secondaire fournissent des informations représentatives de la puissance transmise et de la puissance réfléchie côté ligne primaire ; au moins un détecteur (53, 54) de la puissance transmise et de la puissance réfléchie ; et un circuit (56) de sélection de la fréquence de résonance de l'antenne en fonction du rapport entre la puissance transmise et la puissance réfléchie.
Description
B8413 - 07-T0-193 1 CIRCUIT INTÉGRANT UNE ANTENNE ACCORDABLE À CORRECTION DE TAUX D'ONDE STATIONNAIRE
Domaine de l'invention La présente invention concerne de façon générale les circuits électroniques et, plus particulièrement, les circuits d'émission-réception radiofréquence, destinés à des très hautes fréquences (supérieures à 100 MHz) Exposé de l'art antérieur Un problème particulièrement sensible pour des fréquences élevées est que l'environnement du système a une influence directe sur l'impédance de l'antenne. Il en résulte que, même pour une antenne ayant de bonnes caractéristiques nominales en terme de rapport de la puissance réfléchie sur la puissance transmise (RL - Return Loss), ce rapport peut être perturbé par l'environnement, par exemple, lorsque la main d'un utilisateur s'approche de l'antenne. Or, les gammes de fré- quences élevées sont largement utilisées dans des applications mobiles (téléphone portable, liaison sans fil d'un ordinateur portable, etc.), de sorte que l'effet du corps humain (ou autre élément perturbateur) sur l'impédance de l'antenne n'est pas négligeable.
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2 Les modifications de l'impédance de l'antenne ont conduit jusqu'à présent à intercaler des circuits d'adaptation d'impédance. La figure 1 est un schéma bloc illustrant une solution usuelle d'adaptation d'impédance. Une tête d'émission 1 (SEND), est reliée, par l'intermédiaire d'un circuit intégré 2, à une antenne 3 d'émission-réception. Le circuit 2 inclut un circuit 21 (MATCH) d'adaptation d'impédance ajustable. L'ajustement de l'impédance est effectuée grâce à un premier coupleur 22 de type distribué, intercalé entre la tête d'émission 1 et l'adaptateur d'impédance 21, et un deuxième coupleur 23, intercalé entre l'élément d'adaptation d'impédance 21 et l'antenne 3. Le cou-pleur 22 fournit, sur une borne de sortie ISO de sa ligne secondaire, une information sur la puissance réfléchie par l'antenne.
Le coupleur 23 fournit une information sur la puissance transmise à l'antenne à un détecteur 25 (DETECT) afin de minimiser les pertes d'insertion du circuit 21. Les deux détecteurs 24 et 25 fournissent les informations mesurées à un circuit de commande 26 (CRTL) qui ajuste les paramètres du circuit d'adap- tation d'impédance 21 en fonction d'une consigne (par exemple, 50 ohms) afin de minimiser les pertes d'insertion du circuit 21 et d'améliorer l'adaptation d'impédance au niveau de la tête 1. Dans l'exemple représenté, on considère le cas d'une liaison bifilaire entre les circuits 26 et 21, transmettant une infor- mation en tension permettant l'adaptation du circuit 21. Le circuit d'adaptation est le plus souvent un circuit inductif et capacitif (LC) dont les éléments capacitifs sont réglables par le circuit 26. Lorsque l'antenne se trouve perturbée par un élément externe, la modification de son impédance d'entrée est détectée sous la forme d'une variation de puissance transmise et/ou réfléchie, ce qui permet au circuit 26 de modifier l'impédance du circuit 21 pour maintenir une adaptation censée être optimale entre le circuit 1 et l'antenne 3.
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3 Toutefois, les circuits d'adaptation ont généralement des bandes de fonctionnement étroites, c'est-à-dire qu'ils doivent être choisis en fonction de la plage de fréquences à laquelle est destiné le circuit d'émission-réception.
De plus, la présence d'un circuit d'adaptation ajoute des pertes dans la chaîne de transmission par les éléments capacitifs et inductifs en série entre la sortie de la tête d'émission 1 et l'antenne 3. En outre, la tenue en puissance est dégradée pour les 10 composants constituant le circuit 21 lorsque la désadaptation est importante. Résumé de l'invention Il serait souhaitable de disposer d'un circuit d'émission-réception qui fonctionne dans une large gamme de fré-15 quences. Il serait également souhaitable de disposer d'une tête d'émission-réception dont la sensibilité à l'environnement extérieur est réduite. Il serait également souhaitable de disposer d'une tête 20 d'émission-réception dans laquelle les pertes en ligne sont réduites. Pour atteindre tout ou partie de ces objets ainsi que d'autres, il est prévu un circuit électronique intégré d'émission-réception radiofréquence, comportant : 25 au moins une borne destinée à recevoir un signal à émettre ou à transmettre un signal reçu ; au moins une antenne plane, à fréquence de résonance réglable ; au moins un coupleur bidirectionnel dont une ligne 30 primaire est intercalée entre ladite borne et l'antenne et dont les bornes respectives d'une ligne secondaire fournissent des informations représentatives de la puissance transmise et de la puissance réfléchie côté ligne primaire ; au moins un détecteur de la puissance transmise et de 35 la puissance réfléchie ; et B8413 - 07-T0-193
4 un circuit de sélection de la fréquence de résonance de l'antenne en fonction du rapport entre la puissance transmise et la puissance réfléchie. Un mode de réalisation prévoit un tel circuit dépourvu 5 de circuit d'adaptation d'impédance. Selon un mode de réalisation, l'antenne à fréquence réglable comporte un ou plusieurs commutateurs électromécaniques miniatures intercalés entre des éléments conducteurs. Selon un mode de réalisation, l'antenne fréquence 10 variable comporte un ou plusieurs éléments à capacité réglable. Il est également prévu un dispositif d'émission- réception radiofréquence. Un mode de réalisation prévoit un tel dispositif dépourvu de circuit d'adaptation d'impédance. 15 Brève description des dessins Ces objets, caractéristiques et avantages, ainsi que d'autres seront exposés en détail dans la description suivante de modes de réalisation particuliers faite à titre non-limitatif en relation avec les figures jointes parmi lesquelles : 20 la figure 1 décrite précédemment est destinée à illustrer l'état de la technique et le problème posé ; la figure 2 est un schéma bloc d'un exemple de chaîne d'émission-réception radiofréquence ; la figure 3 est un schéma bloc d'un autre exemple de 25 chaîne d'émission-réception radiofréquence ; la figure 4 est un schéma bloc d'encore un autre exemple de chaîne d'émission-réception radiofréquence ; la figure 5 est un schéma bloc d'un circuit d'antenne selon un mode de réalisation de l'invention ; 30 la figure 6 représente schématiquement un mode de réalisation d'une antenne ajustable ; la figure 7 représente un autre mode de réalisation d'une antenne ajustable ; et la figure 8 représente encore un autre mode de réali-35 sation d'une antenne ajustable.
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De mêmes éléments ont été désignés par de mêmes références aux différentes figures. Description détaillée Par souci de clarté, seuls les éléments utiles à la 5 compréhension ont été représentés et seront décrits. En particulier, les circuits de génération des signaux à émettre et de traitement des signaux reçus n'ont pas été détaillés, l'invention étant compatible avec les circuits usuels. La figure 2 est un schéma bloc d'un exemple de chaîne 10 d'émission-réception radiofréquence du type auquel s'applique la présente invention. Côté émission, un signal Tx à émettre traverse un amplificateur 31 (PA) avant d'être traité par un filtre passe-bande 32 (BPF) pour émission par une antenne 41 ou 42. Un 15 commutateur 40, dit diversifié, est chargé d'aiguiller le signal à émettre depuis le filtre 32 jusqu'à l'antenne 41 ou 42. Côté réception, le commutateur 40 aiguille un signal reçu depuis l'antenne 41 ou 42 jusqu'à un filtre passe-bande 33. Le filtre 33 est, en réception, suivi d'un transformateur à changement de 20 mode 34 (BALUN) et d'un amplificateur à faible bruit 35 (LNA) fournissant un signal Rx à des circuits de traitement. Le schéma de la figure 2 correspond, par exemple, à une architecture d'émission-réception de type bluetooth. La figure 3 illustre un autre exemple d'application 25 d'une chaîne d'émission-réception radiofréquence. Dans ce cas, le signal à transmettre Tx traverse un amplificateur d'émission 31 puis un commutateur 45 (Rx/Tx) chargé d'aiguiller le signal reçu par rapport au signal émis. Le commutateur 45 est suivi d'un filtre passe-bande 36, commun à l'émission et à la récep- 30 tion, relié à une antenne commune 43. En réception, un signal provenant de l'antenne 43 et ayant traversé le filtre 36 traverse le commutateur 45, puis un transformateur à changement de mode 34, et un amplificateur 35 pour fournir le signal Rx. La réalisation de la figure 3 correspond par exemple à un circuit 35 d'émission-réception de type ultra large bande (UWB).
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6 La figure 4 illustre encore un autre exemple d'application dans lequel une antenne 44 est partagée par plusieurs circuits d'émission-réception au moyen d'un coituttutateur d'antenne 46. Par exemple, des voies d'un premier groupe 37, comprenant chacune un filtre passe-bande 33 et un amplificateur faible bruit 35, sont destinées à la réception de signaux de téléphonie mobile dans différentes bandes de fréquence. Des voies d'un deuxième groupe 38, comportant chacune un filtre passe-bas 39 et un amplificateur d'émission 31, sont destinées à l'émission de signaux de téléphonie mobile dans différentes bandes de fréquence. Une troisième voie comporte un duplexeur 47 (typiquement de type filtre passe-bande) entre un amplificateur d'émission 31 et un amplificateur de réception 35 de signaux à émettre et de signaux reçus. Cette voie correspond, par exemple, à des trans- missions de données. Dans toutes les applications ci-dessus, une perturbation de l'environnement de l'antenne risque d'engendrer des pertes importantes dans l'émission ou la réception sous l'effet d'une désadaptation.
La figure 5 est un schéma bloc d'un circuit 5 d'antenne selon un mode de réalisation. Ce circuit intègre une antenne plane 51 dont l'accès 511 est relié à une première extrémité 522 d'une ligne principale d'un coupleur 52 en lignes distribuées, l'autre extrémité 521 de cette ligne principale du coupleur étant destinée à être connectée à des circuits 1 d'émission-réception (E/R) radiofréquence. Les deux extrémités 523 et 524 d'une ligne secondaire (ou couplée) du coupleur 52 sont respectivement reliées à des circuits 53 et 54 de détection (DETECT) dont des sorties respectives sont connectées à un circuit intégré 56 (CTRL) de commande d'un ajustement de la fréquence d'accord de l'antenne 51. Le circuit d'antenne 5 est par exemple destiné à constituer l'antenne 41, 42, 43 ou 44 des circuits des figures 2 à 4, la tête 1 étant alors supposée contenir les différents filtres, baluns, commutateurs d'antenne, etc.
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7 Le coupleur 52 est un coupleur bidirectionnel et est donc capable, par exemple en émission, de fournir sur l'accès 523 (CPLD) une information sur la puissance transmise PF entre les accès 521 (IN) et 522 (OUT) du coupleur, et sur l'autre accès 524 (ISO) de la ligne couplée une information sur la puissance réfléchie PR par l'antenne. L'exploitation de ces deux informations, mesurées par les circuits 53 et 54 et fournies au circuit 56 permet de déterminer le rapport entre les puissances réfléchies et transmises, et de modifier en conséquence la fré- quence de résonance de l'antenne 51. Le cas échéant, le coupleur 52 peut également servir, par l'intermédiaire du détecteur 53, à fournir une information (liaison 531) à destination du circuit 1 pour ajuster la puissance d'émission de l'amplificateur que comporte ce circuit, en lui fournissant une information sur la puissance transmise. Le coupleur 52 est, de préférence, un coupleur bidirectionnel large bande de façon à être capable de fonctionner sur toute la bande de fréquences à laquelle est destiné le circuit 5. Il présente de plus une bonne directivité pour être en mesure de distinguer la puissance transmise de la puissance réfléchie. Pour un coupleur bidirectionnel, on considère qu'une bonne directivité correspond à une différence de puissance entre les ports CPLD et ISO d'au moins 25 dB alors que tous les ports sont chargés par des impédances de 50 ohms.
Par rapport à l'insertion de circuits d'adaptation d'impédance, le circuit 5 réduit les pertes d'insertion dans la mesure où il n'existe plus qu'un coupleur entre le circuit 1 et l'antenne 51. De faibles pertes d'insertion correspondent à des pertes inférieures à 1 dB et, de préférence, inférieures à 0,5 dB. L'ajustement en fréquence de l'antenne 51 au moyen du circuit 56 s'effectue sous commande de signaux 561 à 56n (n>_1) fournis par le circuit 56. Le nombre n de signaux et leur type dépend du type d'antenne ajustable prévu.
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8 La figure 6 représente un premier exemple d'antenne plane à fréquence de résonance ajustable. Il s'agit d'une antenne filaire constituée d'un serpentin conducteur 60, déposé sur un substrat isolant (non représenté). Ce serpentin 60 est susceptible d'être interrompu à, par exemple, deux endroits (commutateurs 61 et 62). L'ouverture d'un des commutateurs provoque un raccourcissement de la longueur de l'antenne, donc un changement de sa fréquence d'accord depuis son accès 511. Par exemple, les commutateurs sont de type électromécaniques minia- tures (MEMS) et reçoivent, par exemple, des signaux de commande continus 561 à 562 du circuit 56. La figure 7 représente schématiquement un deuxième exemple d'une antenne plane constituée d'une antenne dite fente. Un tronçon conducteur plan 71 est réalisé dans une fente ou fenêtre 72 formée dans un plan de masse 73 sur un substrat isolant (non représenté). La fente a une forme approximative en T et le tronçon 71 s'étend dans toute la branche verticale du T. Dans cet exemple, deux commutateurs 75, 76 respectivement 77 et 78 sont prévus de part et d'autre de la branche verticale du T pour relier les deux bords du plan conducteur 73 à deux endroits des parties horizontales du T. Là encore, une fermeture d'un des interrupteurs 75 à 78 modifie la fréquence de résonance de l'antenne. Les interrupteurs, par exemple des coituttutateurs électromécaniques miniatures, sont commandés individuellement par des signaux 561 à 564. La figure 8 est une vue schématique en perspective d'un troisième exemple de réalisation d'une antenne ajustable de type PIFA. Un tronçon conducteur plan 81 est formé sur une couche isolante 82 au-dessus d'un plan de masse 83. Une extré-mité de la bande 81, destinée à constituer l'accès 511 de l'antenne, est par exemple ramenée en dessous du plan de masse 83 par un via conducteur 84 traversant une fenêtre 834 du plan de masse. A l'autre extrémité du tronçon 81 est prévue une connexion 85 à un élément capacitif de capacité variable 86 (illustré schématiquement en pointillé). L'élément de capacité B8413 - 07-T0-193
9 variable 86 peut être une diode Varicap, un réseau de capacités commutées, une diode PIN, etc. Les modes de réalisation exposés permettent d'éviter l'utilisation d'un réseau d'adaptation d'impédance.
Par ailleurs, on peut ainsi utiliser une même antenne pour plusieurs fréquences et pour plusieurs types d'émission (par exemple, plusieurs bandes d'émission-réception de télé-phonie mobile). Pour une adaptation de l'antenne en fonction de consignes fournies par la tête d'émission-réception (par exemple pour un changement de bande de fréquences, le circuit 56 de commande reçoit un ou plusieurs signaux de consigne (liaison en pointillés 57, figure 5) lui permettant d'ajuster la consigne exploitée en fonction des résultats fournis par les détecteurs 53 et 54.
Ainsi, il est possible non seulement d'asservir la fréquence de l'antenne pour maintenir un rapport entre la puissance transmise et la puissance réfléchie pour une bande de fréquences donnée, mais également de modifier la fréquence d'accord en fonction de l'application.
On a ainsi obtenu une antenne adaptable à correction de taux d'onde stationnaire (VSWR - Voltage Standing Wave Ratio). Divers modes de réalisation ont été décrits. Diverses variantes et modifications sont à la portée de l'homme de l'art, notamment pour ce qui est du choix du type d'antenne ajustable en fonction, par exemple, du circuit de commande disponible ou facilement réalisable dans le circuit. De plus, la réalisation pratique de l'invention est à la portée de l'homme du métier à partir des indications fonctionnelles données ci-dessus.
Claims (6)
1. Circuit électronique intégré (5) d'émission-réception radiofréquence, comportant : au moins une borne (521) destinée à recevoir un signal à émettre ou à transmettre un signal reçu ; au moins une antenne plane (51), à fréquence de résonance réglable ; au moins un coupleur bidirectionnel (52) dont une ligne primaire est intercalée entre ladite borne et l'antenne et dont les bornes respectives (523, 524) d'une ligne secondaire fournissent des informations représentatives de la puissance transmise et de la puissance réfléchie côté ligne primaire ; au moins un détecteur (53, 54) de la puissance transmise et de la puissance réfléchie ; et un circuit (56) de sélection de la fréquence de réso-15 nance de l'antenne en fonction du rapport entre la puissance transmise et la puissance réfléchie.
2. Circuit selon la revendication 1, dépourvu de circuit d'adaptation d'impédance.
3. Circuit selon la revendication 1 ou 2, dans lequel 20 l'antenne (51) à fréquence réglable comporte un ou plusieurs commutateurs électromécaniques miniatures (61, 62 ; 75, 76, 77, 78) intercalés entre des éléments conducteurs.
4. Circuit selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel l'antenne (51) à fréquence variable comporte un 25 ou plusieurs éléments à capacité réglable.
5. Dispositif d'émission-réception radiofréquence caractérisé en ce qu'il comporte un circuit conforme à l'une quel-conque des revendications 1 à 4.
6. Dispositif selon la revendication 5, dépourvu de 30 circuit d'adaptation d'impédance.
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