Brevet FR2704986A1 — publié le 19941110

ANTENNE POUR APPAREIL ÉLECTRONIQUE Cette invention concerne, de façon globale, une antenne et un dispositif de couplage d'antenne pour un équipement radio et, plus particulièrement, une structure d'antenne montée sur un élément mobile de corps et couplée à un émetteur/récepteur radio portable. Les antennes pour équipement radio portable posent des problèmes particuliers du point de vue de l'efficacité et de la fiabilité. De préférence, une antenne aura une taille liée à la longueur d'onde de fonctionnement de l'équipement radio et devra être située dans une position écartée de matériaux conducteurs ou absorbants. Une antenne externe pouvant remplir ces critères est cependant soumise à une usure et des préjudices raccourcissant la durée de vie de l'antenne. On a montré qu'une antenne pourrait être placée dans une position à l'intérieur du corps d'un radiotéléphone portable; par exemple, voir les Brevets U.S. NO 5 014 346 et NO 5 170 173 attribués au titulaire de la présente invention. Les antennes décrites sont situées dans un élément basculant du corps, réalisant ainsi une séparation de l'antenne du reste du corps et une protection des éléments d'émission/réception de l'antenne. Un couplage vers/à partir de l'antenne est réalisé par un couplage capacitif ou inductif (transformateur) situé dans les charnières de l'articulation. D'autres techniques de couplage via un joint tournant utilisent des éléments glissants à ressort flexible ou des câbles coaxiaux minces pour ponter les éléments articulés. Chacune des ces techniques présente des inconvénients : les câbles coaxiaux sont encombrants, mécaniquement bruyants et sujets à une rupture par fatigue tandis que des connecteurs du type à contact sont électriquement bruyants et sujets à l'usure. Un couplage fixe aux antennes à travers un milieu tel que le verre, qui est devenu populaire pour le montage d'antennes de radiotéléphone cellulaire sur le pare brise de véhicule, ne présente pas les problèmes associés au déplacement des éléments de couplage. Les enseignements de telles techniques de couplage fixe sont d'une valeur limitée pour le mode de mise en oeuvre de la présente invention. Le placement d'une antenne dans le corps de l'équipement radio ou dans un élément basculant peut nécessiter des compromis dans la configuration de l'antenne. Une compensation de ces compromis peut nécessiter un circuit additionnel prenant plus de volume physique dans l'équipement radio portable. On recherchera alors à inclure une antenne dans un élément de protection de corps tout en minimisant le volume et le nombre d'éléments dans un dispositif couplant l'antenne à l'équipement radio. Selon ces problèmes, la présente invention concerne une antenne possédant une partie conductrice équilibrée d'émission ou de réception d'énergie électromagnétique avec une première valeur d'impédance et couplée à une partie de transformateur. La partie de transformateur possède une valeur prédéterminée de couplage inductif et au moins deux bobinages mobiles l'un par rapport à l'autre sans variation notable de la valeur du couplage inductif. La partie de transformateur adapte la première valeur d'impédance à une seconde valeur d'impédance et convertit en non équilibré la partie équilibrée d'émission ou de réception. La Figure 1 est une vue en perspective d'un émetteur/récepteur radio portable pouvant utiliser la présente invention; la Figure 2 est une vue d'un bobinage de transformateur côté antenne pouvant être utilisé dans la présente invention; la Figure 3 est une vue du bobinage de transformateur côté radio pouvant être utilisé dans la présente invention; la Figure 4 est un modèle schématique d'un couplage de transformateur accordé pouvant être utilisé dans la présente invention; la Figure 5 est une vue éclatée d'un élément basculant d'émetteur/récepteur radio portable pouvant loger une antenne utile à la présente invention; et la Figure 6 est une vue de section droite d'un élément basculant et d'un dispositif d'articulation pouvant être utilisés dans la présente invention. Un appareil électronique pouvant utiliser, de façon avantageuse, la présente invention est un radiotéléphone cellulaire portable 100, tel qu'illustré sur la Figure 1. Un tel radiotéléphone portable possède des éléments d'interface d'utilisateur tels qu'un clavier de numérotation téléphonique 102 situé sur la face avant et pouvant être recouvert d'un élément basculant de corps 104 en non utilisation. A l'intérieur de l'élément basculant de corps 104 sont placés les éléments d'émission et/ou de réception d'antenne 106 (illustrés en coupe sur la Figure 1) de façon non gênante. Une telle position assure une protection physique des éléments d'antenne tout en présentant une séparation du reste de l'équipement radio. L'élément basculant de corps 104 utilise, dans le mode de mise en oeuvre préféré, deux genouillères d'articulation 112 et le corps utilise une genouillère centrale 114 et deux genouillères de support 116 et 118 (bien qu'une seule antenne soit illustrée pour le radiotéléphone cellulaire portable 100, on constatera que l'antenne du mode de mise en oeuvre préféré peut être utilisée avec d'autres structures d'antenne. Une antenne unique du type fouet peut être montée, par exemple, au sommet du radiotéléphone portable et utilisée pour présenter une diversité d'antenne pour le radiotéléphone portable. En plus de la nature évidente de la diversité d'espace d'une approche à deux antennes, l'antenne de la présente invention présente, de même, une diversité de polarisation lorsqu'elle est utilisée en conjonction avec la susdite antenne du type fouet). Comme illustré en coupe sur la Figure 1, un dispositif de couplage 108 est situé en deux parties dans une articulation couplant, de façon mécanique, l'élément basculant de corps 104 au reste de l'équipement radio. Le dispositif de couplage 108 est une structure de transformateur à couplage inductif possédant un bobinage ou boucle conductrice dans la genouillère centrale 114 qui est fixée au corps de radiotéléphone portable et un second bobinage dans une genouillère d'articulation d'élément basculant 112 fixée à la élément basculant de corps 104. Le bobinage 201 du dispositif de couplage 108 est situé dans la genouillère d'articulation d'élément basculant 112. En référence à la Figure 2, le bobinage 201 est une boucle (conductrice) en métal mince en plaque possédant un diamètre externe de 0,95 cm et une largeur de conducteur de 0,15 cm et est symétrique selon l'axe de rotation 206 de l'articulation. Le bobinage 201 est un bobinage équilibré et est couplé à chaque élément de l'antenne à dipôle 106 via des lignes 203 et 204. En référence à la Figure 3, l'autre bobinage 301 dans la genouillère centrale 114 est une boucle (conductrice) en métal mince en plaque possédant un diamètre externe de 0,95 cm et une largeur de conducteur de 0,15 cm. Ce bobinage 301 est couplé à l'équipement radio via un condensateur de 1,8 pf 303 et la ligne 307 et est mis à la masse via un trou traversant 305. Ce bobinage de transformateur est, par conséquent, un bobinage non équilibré et est maintenu, à la fois, coaxial à l'axe 206 du bobinage 201 et directement opposé au bobinage 201. Un condensateur en série s'est avéré être nécessaire pour annuler l'auto-inductance des bobinages 201 et 301 car le transformateur n'est pas un transformateur idéal. Cette capacitance sera décrite ci-dessous. -En plaçant les centres des deux bobinages sur le même axe et par alignement coaxial de cet axe de symétrie avec l'axe de rotation autour duquel les charnières d'articulation pivote, on obtient un couplage sans contact de l'énergie électromagnétique. D'autres techniques de transfert de l'énergie électromagnétique via un dispositif d'articulation mentionné ci-dessus, soit introduisent un bruit via les contacts mobiles, soit présentent des problèmes de fiabilité par la fatigue mécanique du câble pontant l'articulation. Le couplage inductif utilisé évite chacun de ces problèmes. Une représentation schématique du couplage par transformateur est illustrée sur la Figure 4. Pour analyse, le schéma présente un bobinage équilibré d'entrée 301' et un bobinage équilibré de sortie 201'. Quatre condensateurs (C1 à C4) sont utilisés pour accorder les bobinages de transformateur. Une caractéristique de la présente invention est qu'un seul élément de condensateur concentré soit utilisé. Les deux condensateurs C3 et C4 sur le bobinage côté antenne sont éliminés, dans le mode de mise en oeuvre préféré, par raccourcissement de chaque bras de l'antenne de son quart de longueur d'onde nominale à une longueur quelque peu plus courte pour assurer la réactance capacitive nécessaire. En fonctionnement, chacun des éléments de l'antenne est raccourci de 1,5 cm. Les deux condensateurs C1 et C2 sur le bobinage équilibré d'entrée 301' sont dans le mode de mise en oeuvre préféré remplacés par un condensateur (présentant la réactance capacitive en série équivalente adaptée). Comme l'entree/sortie du équipement radio 401 est un circuit non équilibré, ce seul condensateur pour le bobinage non équilibré est bien adapté pour le couplage à l'équipement radio 401. Dans le mode de mise en oeuvre préféré, ce seul condensateur peut être mis en oeuvre soit comme un condensateur tel qu'un condensateur à composant, soit comme des plaques imprimées en parallèle sur le support portant le bobinage 301. Le dispositif de couplage 108 est, par conséquent, capable d'assurer la fonction d'un transformateur équilibré/non équilibré : le bobinage de transformateur 201 couplant l'antenne équilibrée est équilibré et le bobinage de transformateur 301 couplant à l'équipement radio est non équilibré. L'antenne 106 du mode de mise en oeuvre préféré est un dipôle équilibré en C, comme illustré sur la Figure 5. Chacun des éléments d'antenne 501 et 503 s'adapte aux dimensions mécaniques de l'élément basculant de corps 104 et ils sont pratiquement symétriques. Dans le mode de mise en oeuvre préféré, lorsque la bande de fonctionnement radio couvre la gamme de fréquences de 865 MHz à 895 MHz (et possède une longueur d'onde nominale de 34 cm dans l'espace), l'antenne présente les dimensions illustrées sur la Figure 5 et les éléments sont constitués d'une couche de cuivre de 0,0036 cm d'épaisseur. Comme décrit plus haut, ces dimensions de chaque bras de dipôle sont plus courtes qu'un quart de longueur d'onde dans cette bande de fréquences de 1,5 cm. Ce raccourcissement de chaque bras crée une réactance capacitive en tant que partie de l'impédance d'antenne. Dans le mode de mise en oeuvre préféré, le raccourcissement de 1,5 cm crée une réactance capacitive équivalente à 1,8 pf qui est une réactance égale en amplitude à celle de la réactance à auto-induction du bobinage de transformateur côté antenne. Les éléments d'antenne 501 et 503 sont placés sur un support mince 505 constitué de fibres de verre, de Téflon, d'une matière plastique ou d'un autre matériau de diélectrique. Cette antenne à dipôle quelque peu déformé présente une résistance réduite au rayonnement d'environ 15 ohms. Pour un transfert optimum de l'énergie, une transformation d'impédance est nécessaire pour adapter l'impédance de l'antenne aux 50 ohms usuels de l'équipement radio. Le dispositif de couplage 108 est prévu, de même, pour réaliser cette adaptation d'impédance. Plutôt que d'espacer les bobinages et de souffrir d'une largeur de bande de transformateur réduite due à un plus grand Q, les caractéristiques du circuit de couplage accordées sont modifiées d'un transformateur de 15 ohms à 50 ohms par réduction simultanée de 1'auto-inductance de chaque bobinage à environ 18 nHy et l'inductance mutuelle de la paire couplée à environ 5 nHy. Cette modification de chaque bobinage préserve la largeur de bande mais augmente la valeur de la capacitance nécessaire à la valeur de 1,8 pf citée ci-dessus. L'espacement entre les bobinages est maintenu à environ 0,18 cm par le matériau de la charnière de corps portable et par le matériau de la charnière d'élément basculant (voir la Figure 6 illustrant une section droite de la charnière de corps et l'élément basculant de corps 104). Le bobinage côté équipement radio 301 et le bobinage côté antenne 201 sont placés, dans le mode de mise en oeuvre préféré, sur la matière plastique de leur charnière respective. L'espace entre les deux charnières est maintenu au minimum par un ressort 601 qui est monté du côté corps de la charnière et qui comprend un cliquet 603 placé de telle façon que la pression du ressort solidarise les deux surfaces de charnière portant les bobinages. L'antenne et le coupleur à transformateur peuvent alors créés un émetteur électromagnétique fiable et efficace dans un élément basculant de radiotéléphone portable. Le coupleur à transformateur transfère l'énergie électromagnétique par la charnière de l'élément basculant sans contact ou câble coaxial traversant et couple une antenne plane à un équipement radio. Le coupleur à transformateur adapte, à la fois, la plus faible impédance de l'antenne à celle de l'équipement radio et constitue un transformateur équilibré/non équilibré entre l'antenne équilibrée et l'équipement radio non équilibré. REVENDICATIONS 1. Dispositif d'antenne caractérisé par - une partie conductrice équilibrée d'émission ou de réception d'énergie électromagnétique (106) possédant une première valeur d'impédance; et - un transformateur (108) couplé à ladite partie conductrice équilibrée d'émission ou de réception d'énergie électromagnétique possédant une valeur prédéterminée de couplage inductif, possédant au moins deux bobinages (201, 301) mobiles l'un par rapport à l'autre sans variation pratique de ladite valeur du couplage inductif dudit transformateur (108) et comprenant: a) une partie d'adaptation d'impédance selon laquelle ladite première valeur d'impédance est transformée en une seconde valeur d'impédance; et b) une partie de transformateur équilibré/non équilibré selon laquelle ladite partie équilibrée d'émission ou de réception est convertie en une partie non équilibrée. 2. Dispositif d'antenne selon la revendication 1, caractérisé, de plus, par une réactance capacitive couplée à un desdits au moins deux bobinages de transformateur (201, 301) possédant une amplitude égale à celle de la réactance d'auto-inductance d'un desdits au moins deux bobinages de transformateur (201, 301). 3. Dispositif d'antenne selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite partie conductrice d'émission ou de réception d'énergie électromagnétique comprend, de plus, une bande conductrice plane de forme pratiquement en C (501, 503). 4. Dispositif d'antenne selon la revendication 1, caractérisé en ce que le dispositif d'antenne émet ou reçoit une énergie électromagnétique possédant une longueur d'onde prédéterminée et dans lequel ladite partie d'émission ou de réception (106) comprend, de plus, une bande conductrice (501, 503) possédant une longueur électrique totale égale à une quantité prédéterminée inférieure à une moitié de ladite longueur d'onde prédéterminée. 5. Dispositif d'antenne selon la revendication 1, caractérisé en ce que chacun desdits au moins deux bobinages (201, 301) comprend, de plus, une boucle conductrice plane possédant un axe et placée de façon coaxiale audit axe d'un autre desdits au moins deux bobinages (201, 301). 6. Appareil électronique comprenant un équipement radio et un élément mobile de corps (104), caractérisé par - un élément conducteur équilibré d'émission ou de réception d'énergie électromagnétique (106) possédant une première valeur d'impédance; - une articulation possédant au moins deux parties tournantes l'une par rapport à l'autre selon un axe de rotation, une desdites au moins deux parties (112) étant raccordée audit corps mobile (104) et une autre desdites au moins deux parties (114, 116, 118) étant raccordée à l'appareil électronique; et - un transformateur (108) couplé, de façon électrique, entre l'équipement radio et ledit élément conducteur d'émission ou de réception d'énergie électromagnétique (106) et possédant un premier bobinage (201/301) placé dans une desdites au moins deux parties d'articulation et un second bobinage (301/201) placé dans l'autre desdites au moins deux parties d'articulation et comprenant une partie d'adaptation d'impédance pour faire correspondre une seconde valeur d'impédance de l'équipement radio à ladite première valeur d'impédance, et une partie de transformateur équilibrée/non équilibrée pour convertir ledit élément équilibré d'émission ou de réception (106) en un élément non équilibré. 7. Appareil électronique selon la revendication 6, caractérisé, de plus, par une réactance capacitive couplée à un desdits au moins deux bobinages de transformateur (201, 301) possédant une amplitude égale à celle de la réactance d'auto-inductance d'un desdits au moins deux bobinages de transformateur (201, 301). 8. Appareil électronique selon la revendication 6, caractérisé en ce que ledit élément conducteur d'émission ou de réception d'énergie électromagnétique (106) comprend, de plus, une bande conductrice plane de forme pratiquement en C (501, 503). 9. Appareil électronique selon la revendication 6, caractérisé en ce que ledit élément conducteur équilibré d'émission ou de réception d'énergie électromagnétique (106) doit émettre ou recevoir une énergie électromagnétique à une longueur d'onde prédéterminée et dans lequel ledit élément d'émission ou de réception (106) comprend, de plus, une bande conductrice (501, 503) possédant une longueur électrique totale égale à une quantité prédéterminée inférieure à une moitié de ladite longueur d'onde prédéterminée. 10. Appareil électronique selon la revendication 6, caractérisé en ce que ledit premier bobinage (201/301) et ledit second bobinage (301/201) comprennent chacun, de plus, une boucle conductrice plane possédant un axe et placée coaxialement audit axe de l'autre et dans lequel les axes de chacun desdits premier bobinage (201/301) et second bobinage (301/201) sont disposés coaxialement audit axe de rotation.