FR2967536A1 - Antenne compacte adaptable en impedance - Google Patents

Abstract

Il est proposé une antenne compacte comprenant un élément rayonnant (100) et un plan de masse (101). L'antenne comprend en outre au moins un élément d'adaptation (204, 205) de l'impédance d'entrée de ladite antenne, en contact électrique direct avec ledit élément rayonnant (100) et reliant électriquement ledit élément rayonnant (100) audit plan de masse (101). Ledit au moins un élément d'adaptation réalise une adaptation d'impédance capacitive si l'antenne est de type inductive ou une adaptation d'impédance inductive si l'antenne est de type capacitive.

Description

Antenne compacte adaptable en impédance 1. DOMAINE DE L'INVENTION Le domaine de l'invention est celui des antennes. Plus précisément, l'invention concerne une antenne de réception et/ou d'émission destinée à fonctionner dans une bande de fréquence donnée. Par exemple, l'invention peut être appliquée à une antenne imprimée ou antennes « patch » (encore appelée antenne plane, ou antenne à microrubans) à fentes. 2. ARRIÈRE-PLAN TECHNOLOGIQUE On s'attache plus particulièrement dans la suite de ce document à décrire la problématique existant dans le domaine des antennes imprimées ou antennes « patch », à laquelle ont été confrontés les inventeurs de la présente demande de brevet. L'invention ne se limite bien sûr pas à ce domaine particulier d'application, mais présente un intérêt pour autre type d'antenne (par exemple, une antenne quart d'onde court-circuitée plus communément appelée PIFA (« Planar Inverted-F Antenna ») à fentes) devant faire face à une problématique proche ou similaire. Les dispositifs portables (tel les téléphones mobiles, les PDA, les ordinateurs portables) proposent de plus en plus de services et de fonctionnalités aux utilisateurs, du fait notamment de l'augmentation de puissance de ceux-ci, et dans un même temps de la miniaturisation des composants électroniques. Le service permettant à un utilisateur de réceptionner des chaînes de télévisions sur ces dispositifs portables est un service qui devient de plus en plus sollicité par le grand public. Par exemple, lors des retransmissions en direct d'événements sportifs, les utilisateurs souhaitent pouvoir regarder ceux-ci où qu'ils soient (métro, voiture, etc...). C'est pourquoi les dispositifs portables intègrent de plus en plus fréquemment des antennes compatibles avec les normes DVB-H, DVB-T, etc... afin de satisfaire la demande des utilisateurs. Toujours dans un souci d'avoir les dispositifs portables qui soient les moins encombrants sur le marché, la problématique visant à concevoir une antenne la plus compacte possible est de plus en plus récurrente chez les constructeurs de dispositifs portables.

Pour rappel, une antenne (en émission) alimentée par un signal de fréquence f produira des ondes électromagnétiques à la même fréquence f. Cependant, on préfère caractériser l'onde émise par l'antenne par sa longueur d'onde 2 (qui est reliée à la fréquence f par la relation suivante 2 = c/f où c est la célérité de l'onde émise (dans le vide c = 300 000 km/s). La géométrie d'une antenne (et plus précisément les dimensions de l'élément rayonnant de l'antenne) est corrélée à la longueur d'onde 2.

Une antenne peut-être modélisée par un circuit électrique (R, L, C) en série permettant, dés lors, de calculer l'impédance en entrée d'une antenne (aux bornes A et B). L'impédance d'entrée de l'antenne ZAB est donnée par la relation suivante : ZAB = VAB /'input où VAB est la tension aux bornes A et B, et 'input correspond au courant d'alimentation de l'antenne. On peut aussi écrire que ZAB = RAB + j XAB où RAB est la partie résistive de l'impédance (encore appelée partie active) qui est reliée aux champs rayonnés et aux pertes joules, XAB est la partie réactive de l'impédance qui est due aux champs d'induction au voisinage de l'antenne, et j est le nombre imaginaire tel que j2 _ -1.

Afin de maximiser la puissance transférée entre un générateur (ayant une impédance de sortie Zs = Rs + j Xs), qui délivre un signal de fréquence f, et une antenne (ayant une impédance d'entrée ZAB = RAB + j XAB), il faut adapter les composantes de l'impédance d'entrée de l'antenne de sorte que XAB = - Xs et RAB = Rs . C'est-à-dire, d'un point de vue mathématique, que les deux impédances doivent être conjuguées.

Ainsi, en fonction de la fréquence appliquée à l'entrée de l'antenne, l'impédance de l'antenne est dite résistive (lorsque la partie imaginaire de l'impédance d'entrée de l'antenne est nulle ; on parle aussi de « résonance ». A la résonance, l'antenne est donc équivalente à une résistance pure : toute l'énergie envoyée vers l'antenne disparaît sous forme de chaleur dans la résistance ohmique et sous la forme de rayonnement dans la résistance de rayonnement), capacitive (lorsque la partie imaginaire de l'impédance d'entrée de l'antenne est strictement négative; on parle aussi de «réactance capacitive ») ou inductive (lorsque la partie imaginaire de l'impédance d'entrée de l'antenne est strictement positive ; on parle aussi de «réactance inductive »). Ainsi, si aucune adaptation n'est effectuée, l'antenne est généralement soit capacitive, soit inductive. Lorsqu'une antenne a une dimension suffisamment grande, il n'est pas nécessaire de procéder à une adaptation d'antennes.

Cependant, lorsque l'on cherche à miniaturiser des antennes, il devient nécessaire de procéder à l'adaptation d'une telle antenne miniaturisée car l'énergie liée à la partie réactive de l'impédance peut endommager d'autres composants à proximité de l' antenne.

Pour pallier ce problème d'adaptation d'impédance d'entrée, il existe dans l'état de la technique plusieurs solutions. Afin d'adapter une antenne Ge d'adapter l'impédance d'entrée d'une antenne), une première technique, bien connue de l'Homme du Métier, consiste à intégrer, entre l'antenne et le module récepteur/émetteur de signaux, des circuits LC (circuits LC série/parallèle, circuit LC en pi, circuit LC en T). Selon cette première technique, l'adaptation en impédance consiste : - soit à compenser la composante selfique Ge faire disparaître une self à une fréquence donnée) en intégrant un circuit comprenant un condensateur en parallèle qui amène la composante selfique à résonance (c'est une adaptation capacitive d'un antenne inductive); - soit à compenser la composante capacitive Ge faire disparaître un condensateur à une fréquence donnée) en intégrant un circuit comprenant une self en parallèle qui amène la composante capacitive à résonance (c'est une adaptation selfique d'un antenne capacitive).

Un inconvénient de cette technique réside dans le fait que l'ajout de ces circuits entraîne un encombrement supplémentaire. Afin d'adapter l'impédance d'une antenne, une deuxième technique, bien connue de l'Homme du Métier, consiste à modifier la forme de l'antenne (soit en modifiant la structure de l'élément rayonnant (en repliant, par exemple, l'élément rayonnant), ou en ajoutant, à proximité de l'élément rayonnant, un élément métallique parasite). Un inconvénient de cette deuxième technique réside dans le fait que celle-ci ne peut pas être mise en oeuvre dans des antennes déjà existantes sur le marché. 3. OBJECTIFS DE L'INVENTION L'invention, dans au moins un mode de réalisation, a notamment pour objectif de pallier ces différents inconvénients de l'état de la technique.

Plus précisément, dans au moins un mode de réalisation de l'invention, un objectif est de fournir une antenne qui soit facilement adaptable en impédance ainsi qu'agile en fréquence sur une large bande passante, sans modifier l'encombrement de l' antenne.

Au moins un mode de réalisation de l'invention a également pour objectif de fournir une telle technique qui ne nécessite pas l'ajout d'éléments métalliques parasites autour de l'élément rayonnant de l'antenne, ni l'ajout de circuits électroniques à l'extérieur de l'antenne. Un autre objectif d'au moins un mode de réalisation de l'invention est de fournir une telle technique qui soit simple à mettre en oeuvre et qui soit applicable à tout type de topologie d'antenne déjà existante. Un autre objectif d'au moins un mode de réalisation de l'invention est de fournir une telle technique qui facilement modulable. 4. EXPOSÉ DE L'INVENTION Dans un mode de réalisation particulier de l'invention, il est proposé une antenne compacte comprenant un élément rayonnant et un plan de masse. Cette antenne est remarquable en ce qu'elle comprend au moins un élément d'adaptation de l'impédance d'entrée de ladite antenne, en contact électrique direct avec ledit élément rayonnant et reliant électriquement ledit élément rayonnant audit plan de masse, ledit au moins un élément d'adaptation réalisant une adaptation d'impédance capacitive si l'antenne est de type inductive ou une adaptation d'impédance inductive si l'antenne est de type capacitive. Dans un autre mode de réalisation de l'invention, ledit au moins un élément d'adaptation d'une telle antenne comprend une portion de piste électriquement conductrice s'étendant à partir dudit élément rayonnant, et au moins un premier élément capacitif reliant électriquement ladite portion de piste audit plan de masse. Dans un autre mode de réalisation de l'invention, une telle antenne est remarquable en ce ledit au moins un premier élément capacitif est un élément à capacité variable.

Dans un autre mode de réalisation de l'invention, l'élément rayonnant comprend un point ou une zone d'alimentation et ladite portion de piste s'étend à partir d'un point ou une zone de connexion audit élément rayonnant qui est situé à proximité du point ou de la zone d'alimentation. Dans un autre mode de réalisation de l'invention, une telle antenne est remarquable en ce que la distance entre le point ou la zone d'alimentation et le point ou la zone de connexion est inférieur à 2inf / 70, avec 2inf correspondant à une fréquence la plus basse d'une bande de fonctionnement de l'antenne. Dans un autre mode de réalisation de l'invention, l'antenne comprend au moins un élément de contrôle de fréquence comprenant au moins un second élément capacitif, et ledit au moins un premier élément capacitif et ledit au moins un second élément capacitif sont commandés par une même tension d'alimentation. Dans un autre mode de réalisation de l'invention, l'élément rayonnant est un monopole possédant une géométrie de type méandre. Dans un autre mode de réalisation de l'invention, l'antenne est remarquable en ce qu'elle comprend une première fente placée entre l'élément rayonnant et le plan de masse, et en ce que ledit au moins un élément d'adaptation comprend au moins un premier élément capacitif placé dans la première fente et permettant d'en réduire la longueur. Dans un autre mode de réalisation de l'invention, l'antenne est remarquable en ce qu'elle comprend au moins un élément de contrôle de fréquence comprenant au moins un second élément capacitif. Dans un autre mode de réalisation de l'invention, ledit au moins un premier élément capacitif est un élément à capacité fixe. Dans un autre mode de réalisation de l'invention, l'élément rayonnant comprend un point ou une zone d'alimentation, et ledit au moins un premier élément capacitif est situé à proximité du point ou de la zone d'alimentation. Dans un autre mode de réalisation de l'invention, l'antenne est remarquable en ce que la distance entre le point ou la zone d'alimentation et ledit au moins un élément capacitif est inférieur à 2inf l 70, avec 2inf correspondant à une fréquence la plus basse d'une bande de fonctionnement de l'antenne.

Dans un autre mode de réalisation de l'invention, l'élément rayonnant comprend une seconde fente possédant une géométrie de type spirale.

Dans un autre mode de réalisation de l'invention, l'élément rayonnant est un monopole possédant une géométrie de type spirale. Dans un autre mode de réalisation de l'invention, l'antenne est remarquable ne ce que la longueur du côté le plus grand de l'élément rayonnant est inférieure à 2infl 30, avec 2inf correspondant à la fréquence la plus basse de la bande de fonctionnement de l' antenne. 5. LISTE DES FIGURES D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description suivante, donnée à titre d'exemple indicatif et non limitatif, et des dessins annexés, dans lesquels : - la figure 1 présente, en relation avec l'art antérieur, une partie d'une antenne planaire dont l'élément rayonnant est sous forme de méandre; - la figure 2 présente un premier mode de réalisation de l'invention appliqué à l'antenne planaire de la figure l; - la figure 3 présente un deuxième mode de réalisation de l'invention appliqué à l'antenne planaire de la figure l; - la figure 4 présente un troisième mode de réalisation de l'invention appliqué à une antenne planaire à fentes sous forme de spirale Ge avec un élément rayonnant dans lequel se trouve une fente en forme de spirale); - la figure 5 présente un quatrième mode de réalisation de l'invention appliqué à une antenne planaire comprenant un élément rayonnant en forme de spirale. 6. DESCRIPTION DÉTAILLÉE Sur toutes les figures du présent document, les éléments et étapes identiques sont désignés par une même référence numérique. La figure 1 présente, en relation avec l'art antérieur, une partie d'une antenne planaire dont l'élément rayonnant est sous forme de méandre. Le choix de la forme d'un élément rayonnant 100 est determiné en fonction de plusieurs critères (tels que la longueur d'onde de la fréquence minimale de résonance de l'antenne, etc...). Cette partie d'une antenne planaire comprend un point d'alimentation 103 (ou point d'entrée d'une ligne de transmission) permettant de relier l'élément rayonnant 100 25 30 à un dispositif émetteur (ou récepteur) capable de générer (ou traiter) un signal radiofréquence. A proximité de l'élément rayonnant 100, il est monté un plan de masse 102 (le plan de masse est encore appelé un élément non chaud, au sens où aucun courant n'alimente celui-ci). La présente antenne planaire a la particularité d'être agile en fréquence Ge elle possède plusieurs fréquences de fonctionnement). Ceci est dû au fait que le brin rayonnant 100 est relié au plan de masse 101 par une varicap 102. La figure 2 présente un premier mode de réalisation de l'invention appliqué à l'antenne planaire de la figure 1. L'antenne dans laquelle est mise en oeuvre l'invention est une antenne de type inductive. Ainsi, cette technique permet d'effectuer une adaptation capacitive. Plus précisément, la figure 2 présente un élément rayonnant 100, relié à une ligne de transmission au niveau d'un point d'alimentation 103. Cet élément rayonnant 100 possède une structure géométrique dite en forme de méandre. Dans un mode de réalisation de l'invention, visant à adapter l'impédance d'entrée de l'antenne, il est proposé de relier une portion, située en bord de l'élément rayonnant, à une portion du plan de masse, par un premier élément conducteur 204, comprenant à l'une des deux extrémité une première varicap 205. La valeur de la varicap doit être choisie de sorte que celle-ci permette une adaptation capacitive de l'antenne. Contrairement aux techniques de l'art antérieur, la présente technique nécessite uniquement l'adjonction d'un court-circuit entre l'élément rayonnant 100 et le plan de masse 101, avec à l'extrémité (préférentiellement du côté du plan de masse) de ce court circuit, une varicap.

Dans un mode de réalisation préférentiel, le choix de la portion située en bord de l'élément rayonnant 100 est effectué de sorte que celle-ci soit proche du point d'alimentation 103. Il convient de remarquer que rien n'incitait l'Homme du Métier, dans l'état de la technique à procéder de la sorte pour résoudre le problème technique de l'adaptation en impédance d'une antenne compacte.

Dans un mode de réalisation préférentiel, les dimensions de l'élément rayonnant sont choisies de telle sorte que les longueurs L1 et Lz des différentes parties de celui-ci soient telles que L1 = 2inf l 42, avec 2inf correspondant à la fréquence la plus basse de la bande de fonctionnement de l'antenne (soit L1 =15,5 mm dans un mode de réalisation particulier) et Lz = 2inf l 38 (soit soit Lz =17,5 mm dans un mode de réalisation particulier). La figure 3 présente la structure simplifiée d'un deuxième mode de réalisation de l'invention appliqué à l'antenne de la figure 1. L'antenne dans laquelle est mise en oeuvre l'invention est une antenne de type inductive. Ainsi, la technique décrite en relation avec cette figure permet d'effectuer une adaptation capacitive. Plus précisément, la figure 3 présente 100, relié à une ligne de transmission au niveau d'un point d'alimentation 103. Cet élément rayonnant 100 possède une structure géométrique dite en forme de méandres. Dans un mode de réalisation de l'invention, visant à adapter l'impédance d'entrée de l'antenne, il est proposé de relier une portion au bord de l'élément rayonnant 100 à une pluralité de portions situées en bord du plan de masse par un premier élément conducteur 301 à l'extrémité duquel (du côté de la pluralité des portions au bord du plan de masse) on trouve une pluralité de varicap 303, 304, 305 ainsi qu'une capacité fixe 302. Dans un mode de réalisation préférentiel, les dimensions de l'élément rayonnant sont choisis de telle sorte que les longueurs L1 et Lz des différents côtés de celui-ci soient tels que L1 = 2inf l 42, avec 2inf correspondant à la fréquence la plus basse de la bande de fonctionnement de l'antenne (soit L1 =15,5 mm dans un mode de réalisation particulier) et Lz = 2inf l 38 (soit soit Lz =17,5 mm dans un mode de réalisation particulier).

La figure 4 présente un troisième mode de réalisation de l'invention appliqué à une antenne planaire à fentes sous forme de spirale (Le avec un élément rayonnant dans lequel se trouve une fente en forme de spirale). L'antenne dans laquelle est mise en oeuvre l'invention est une antenne de type capacitive. Ainsi, la technique décrite en relation avec cette figure permet d'effectuer une adaptation selfique.

Plus précisément, la figure 4 présente un élément rayonnant 100, relié à une ligne de transmission au niveau d'un point d'alimentation 103. Afin de rendre agile en fréquence cette antenne, une varicap 402 est insérée dans la fente en spirale afin de relier deux bords de la fente. De plus, une capacité 403, de valeur fixe, est positionnée à l'extrémité (interne) de la fente en spirale, permettant d'assurer une fonction de découplage. Dans un mode de réalisation de l'invention, visant à adapter l'impédance d'entrée de l'antenne il est proposé de relier une portion en bord de l'élément rayonnant, et à proximité du point d'alimentation 103, au plan de masse via une capacité 401 en parallèle dont la valeur est choisie de sorte d'adapter au mieux l'impédance d'entrée de l' antenne. Dans un mode de réalisation préférentiel, les dimensions de l'élément rayonnant sont choisis de telle sorte que les longueurs L3 et L4 de différentes parties de celui-ci soient telles que L3 = 2inf l 42, avec 2inf correspondant à la fréquence la plus basse de la bande de fonctionnement de l'antenne (soit L3 =15 mm dans un mode de réalisation particulier) et L4 = 2infl 38 (soit soit Lz =17 mm dans un mode de réalisation particulier). La figure 5 présente un présente un quatrième mode de réalisation de l'invention appliqué à une antenne planaire comprenant un élément rayonnant en forme de spirales. L'antenne dans laquelle est mise en oeuvre l'invention est une antenne de type inductive. Ainsi, la technique décrite en relation avec cette figure permet d'effectuer une adaptation capacitive. Plus précisément, la figure 5 présente un élément rayonnant 100, représenté sous la forme d'une spirale, relié à une ligne de transmission au niveau d'un point d'alimentation 103. Afin de rendre agile en fréquence cette structure d'antenne, une première et une deuxième varicap sont utilisées. La première varicap 502 est intégrée au sein même de l'élément rayonnant 100, et la deuxième varicap 503 est montée à l'extrémité (interne) de l'élément rayonnant 100. Afin de permettre l'adaptation d'une telle antenne, un mode de réalisation de l'invention consiste à relier une portion, en bord de l'élément rayonnant, et à proximité du point d'alimentation 103, au plan de masse via l'insertion d'un condensateur d'une valeur fixe.

Claims (15)

1. REVENDICATIONS1. Antenne compacte comprenant un élément rayonnant (100) et un plan de masse (101), caractérisée en ce qu'elle comprend au moins un élément d'adaptation de l'impédance d'entrée de ladite antenne, en contact électrique direct avec ledit élément rayonnant (100) et reliant électriquement ledit élément rayonnant (100) audit plan de masse, ledit au moins un élément d'adaptation réalisant une adaptation d'impédance capacitive si l'antenne est de type inductive ou une adaptation d'impédance inductive si l'antenne est de type capacitive.
2. 2. Antenne selon la revendication 1, caractérisée en ce que ledit au moins un élément d'adaptation comprend une portion de piste électriquement conductrice s'étendant à partir dudit élément rayonnant, et au moins un premier élément capacitif reliant électriquement ladite portion de piste audit plan de masse.
3. 3. Antenne selon la revendication 2, caractérisée en ce ledit au moins un premier élément capacitif est un élément à capacité variable.
4. 4. Antenne selon l'une quelconque des revendications 2 et 3, caractérisée en ce l'élément rayonnant comprend un point ou une zone d'alimentation (103) et en ce que ladite portion de piste s'étend à partir d'un point ou une zone de connexion audit élément rayonnant qui est situé à proximité du point ou de la zone d'alimentation.
5. 5. Antenne selon la revendication 4, caractérisée en ce que la distance entre le point ou la zone d'alimentation et le point ou la zone de connexion est inférieur à 2inf l 70, avec 2inf correspondant à une fréquence la plus basse d'une bande de fonctionnement de l' antenne.
6. 6. Antenne selon l'une quelconque des revendications 2 à 5, caractérisée en ce que qu'elle comprend au moins un élément de contrôle de fréquence comprenant au moins un second élément capacitif, et en ce que ledit au moins un premier élément capacitif et ledit au moins un second élément capacitif sont commandés par une même tension d'alimentation.
7. 7. Antenne selon l'une quelconque des revendications 2 à 6, caractérisée en ce que l'élément rayonnant est un monopole possédant une géométrie de type méandre.
8. 8. Antenne selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle comprend une première fente placée entre l'élément rayonnant et le plan de masse, et en ce que ledit aumoins un élément d'adaptation comprend au moins un premier élément capacitif placé dans la première fente et permettant d'en réduire la longueur.
9. 9. Antenne selon la revendication 8, caractérisée en ce qu'elle comprend au moins un élément de contrôle de fréquence comprenant au moins un second élément capacitif.
10. 10. Antenne selon l'une quelconque des revendications 8 et 9, caractérisée en ce que ledit au moins un premier élément capacitif est un élément à capacité fixe.
11. 11. Antenne selon l'une quelconque des revendications 8 à 10, caractérisée en ce l'élément rayonnant comprend un point ou une zone d'alimentation, et en ce que ledit au moins un premier élément capacitif est situé à proximité du point ou de la zone d'alimentation.
12. 12. Antenne selon la revendication 11, caractérisée en ce que la distance entre le point ou la zone d'alimentation et ledit au moins un élément capacitif est inférieur à 2infl 70, avec 2inf correspondant à une fréquence la plus basse d'une bande de fonctionnement de l'antenne.
13. 13. Antenne selon l'une quelconque des revendications 8 à 12, caractérisée en ce que l'élément rayonnant comprend une seconde fente possédant une géométrie de type spirale.
14. 14. Antenne selon l'une quelconque des revendications 8 à 12, caractérisée en ce que l'élément rayonnant est un monopole possédant une géométrie de type spirale.
15. 15. Antenne selon l'une quelconque des revendications 1 à 14, caractérisée en ce que la longueur du côté le plus grand de l'élément rayonnant est inférieure à 2inf l 30, avec 2inf correspondant à la fréquence la plus basse de la bande de fonctionnement de l' antenne.