Brevet FR2718292A1 — publié le 19951006

La présente invention concerne le domaine des transmissions d'ondes électromagnétiques, en particulier d'hyperfréquences. L'invention s'applique en particulier aux dispositifs d'émission/réception portables comportant une antenne intégrée de taille réduite. De nombreuses antennes ont été proposées pour cette application à des dispositifs d'émission/réception portables. Le plus souvent les antennes utilisées à cet effet sont du type antenne type F inversé. La structure et le fonctionnement d'une telle antenne type F inversé est décrite dans le document uSmall Antennas" de K. Fujimoto, A. Henderson, K. Hirasawa et J.R. James édité chez Research Studies Press LTD et John Wiley & Sons INC. Une telle antenne de type F inversé est représentée schématiquement sur la figure 1 annexée. Comme on le voit sur cette figure 1, une antenne 10 en F inversé comprend essentiellement un élément conducteur rectangulaire principal 11 parallèle à un plan de masse 20 et un élément conducteur auxiliaire 12 perpendiculaire à l'élément principal 11 et au plan de masse 20. L'élément auxiliaire 12 assure une fonction de court-circuit sur l'élément principal 11, en reliant l'une des extrémités de celui-ci au plan de masse 20. La seconde extrémité de l'élément principal 11 est généralement ouverte. Le signal hyperfréquences est véhiculé par un coaxial d'excitation 13 qui est connecté à l'élément principal 11 en un emplacement référencé 14 sur la figure 1. Le choix de cet emplacement 14 sur l'élément principal 11 détermine l'impédance de l'antenne. Si l'on appelle kla longueur d'ondes du signal hyperfréquences transmis, l'antenne en F inversé 10 possède généralement les dimensions suivantes: longueur L de l'élément principal 11: X/4, - largeur 1 de l'élément principal 11: k/8, et - hauteur h de l'élément auxiliaire 12: k/25. Pour des fréquences de l'ordre de 2 GHz, pouvant être utilisées sur les postes de terminaux de radio mobiles portatifs, les dimensions de l'antenne 10 sont de quelques centimètres. Ces antennes 10 en F inversé présentent l'avantage d'avoir un diagramme de rayonnement quasi-omnidirectionnel. En revanche, ces antennes en F inversé présentent une bande passante relativement faible, typiquement de l'ordre de 2 à 3%. On a déjà tenté d'améliorer les performances de ces antennes connues en F inversé. Ainsi, il a été décrit dans la demande de brevet français déposée le 23 Décembre 1992 sous le n 92 15813 un perfectionnement aux antennes en F inversé consistant à réaliser l'élément conducteur principal sous forme d'au moins deux brins généralement parallèles entre eux. La bande passante des antennes obtenue avec un tel perfectionnement est de l'ordre de 8 à 10%. La présente invention a maintenant pour but de perfectionner encore les antennes du type en F inversé, en particulier en améliorant la bande passante de celles-ci. Ce but est atteint dans le cadre de la présente invention grâce à une antenne d'émission et/ou de réception de signaux électromagnétiques, en particulier hyperfréquences, du type en F inxersé comprenant un élément conducteur principal généralement parallèle à un plan de masse, un élément conducteur auxiliaire généralement perpendiculaire à l'élément principal et au plan de masse et qui relie une extrémité de l'élément principal au plan de masse et un coaxial d'excitation relié à l'élément conducteur principal, caractérisé par le fait que l'élément conducteur principal comprend au moins deux brins généralement parallèles entre eux, formant l'un élément rayonant et l'autre résonateur, dans lequel le brin formant résonateur comprend au moins une transition sur sa longueur. Selon une autre caractéristique avantageuse de la présente invention, la transition est formée d'au moins un décrochement ou changement de largeur réalisé sur un bord interne ou externe du brin formant resonateur, ou encore d'une fente qui débouche sur l'extrémité de ce brin. Plus précisément, selon un mode de réalisation préférentiel de l'invention, la transition est formée d'un décrochement sur le bord interne du brin formant résonateur. La présente invention concerne également les dispositifs d'émission et/ou de réception de signaux électromagnétiques, en particulier hyperfréquences, comprenant au moins une antenne du type précité. D'autres caractéristiques, buts et avantages de la présente invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui va suivre, et en regard des dessins annexés donnés à titre d'exemple non limitatif et sur lesquels: - la figure 1 précédemment décrite représente une vue schématique en perspective d'une antenne en F inversé classique, la figure 2 représente une vue schématique en perspective d'une antenne conforme à la présente invention placée sur une boitier métallique, - la figure 3 annexée représente la courbe du Rapport d'Ondes Stationnaires mesuré sur une antenne conforme à la présente invention, en fonction de la fréquence d'excitation, - la figure 4 représente l'abaque de Smith d'une antenne conforme a la présente invention, - la figure 5 représente une vue de dessus d'une antenne conforme a un mode de réalisation préférentiel de la présente invention, et - les figures 6 à 12 représentent 7 variantes de réalisation d'une antenne conforme à la présente invention. On a représenté schématiquement sur la figure 2 annexée, une antenne 100 conforme à la présente invention, du type en F inxersé, placée sur un boîtier métallique 150. Le boîtier 150 peut faire l'objet de nombreux modes de réalisation. Il s'agit de préférence d'un boîtier de type parallélépipedique. Le boîtier 50 loge préférentiellement des cartes électroniques assurant le traitement des signaux hyperfréquences recus par l'antenne 10() et/ou émis par celles-ci. L'antenne 100 est préférentiellement placee a l'extérieur du boîtier 150, en regard de l'une des faces 152 de celui-ci. Cette face 152 sert de plan de masse. L'antenne 100 peut être placée sur n'importe quelle face du boîtier. De façon connue en soi, et comme décrit précédemment en regard de la figure 1, l'antenne 100 comprend essentiellement un élément conducteur principal 110 parallèle au plan de masse 152, un élément conducteur auxiliaire 120 généralement perpendiculaire à l'élément principal 110 et au plan de masse 152, et un coaxial d'excitation 130. L'élément auxiliaire 120 relie l'une des extrémités de l'élément principal 110 au plan de masse 152. Le coaxial 130 assure la liaison entre les moyens de traitement placés dans le boîtier 150 et l'élément principal 110. Plus précisément, selon l'invention, l'élément principal 110 a la forme générale d'un U et comprend ainsi au moins deux brins 111, 112 généralement parallèles entre eux, formant l'un élément rayonant et l'autre résonateur. Plus précisément encore, selon l'invention, le brin 112 formant résonateur comprend au moins une transition 113 sur sa longueur. L'élément auxiliaire 120 présente avantageusement un contour rectangulaire. Son arête de liaison sur le plan de masse 152 est référencée 121 sur la figure 2. Son arête de liaison sur l'élément principal 110 est référencée 122 sur la figure 2 annexée. De préférence, les deux éléments principal 110 et auxiliaire 120 de l'antenne 100 sont formés par découpe dans une feuille métallique commune et pliage à 90' autour de l'arête 122. La liaison de l'élément auxiliaire 120 au niveau de l'arête 121 sur le plan de masse 152 est obtenue à l'aide de tout moyen classique approprié. De préférence, l'encombrement en largeur de l'élément principal 110, considéré parallèlement à l'arête 122, est égal à l'encombrement en largeur de l'élément auxiliaire 120. C'est-à-dire que les bords externes, respectivement 1110 et 1120 du brin rayonant 111 et du brin résonateur 112 prolongent de préférence respectivement les bords 123 et 124 de l'élément auxiliaire 120 orthogonaux aux arêtes 121 et 122. Le brin 111 formant élément rayonant et le brin 112 formant résonateur se raccordent sur une âme commune 114 de contour rectangulaire adjacente à l'arête 122. Le brin 111 formant élément rayonant possède de préférence un contour rectangulaire. C'est-à-dire que son bord interne 1111 est rectiligne et parallèle au bord externe précité 1110. En revanche, comme indiqué précédemment, il est prévu selon l'invention, une transition sur la longueur du brin 112 formant résonateur. Selon le mode de réalisation préférentiel représenté sur la figure 2 annexée, cette transition 113 est formée avantageusement d'un décrochement sur le bord interne longitudinal 1121 du brin 112 formant résonateur. Ainsi, le brin 112 formant résonateur se présente sous forme de deux rectangles juxtaposés, référencés respectivement 1122 et 1124 sur la figure 2 annexée. Le rectangle 1122 est adjacent à l'âme 114. Le second rectangle 1124 forme l'extrémité libre du brin 112 opposé à cette âme 114. Le premier rectangle 1122 possède une largeur, considérée parallèlement à l'arête 122, constante sur sa longueur, et supérieure à la largeur du second rectangle 1124, également constante sur sa longueur. La transition entre les deux rectangles 1122 et 1124 forme le décrochement 113 précité. Selon l'invention, la transition ou décrochement 113 est formée à une distance de l'élément auxiliaire 120 de l'ordre de./6, en appelant. la longueur d'ondes utilisée. Par ailleurs, selon l'invention, la profondeur du décrochement 113, c'est-à-dire la différence de largeur entre les deux éléments 1122 et 1124 du brin résonateur 112 est de l'ordre des 3/8e de la largeur de la base de cet élément rayonant 112 considérée au niveau de son point de jonction avec l'âme 114. L'inventeur a réalisé des tests sur un système comprenant un boîtier métallique (simulant un combiné téléphonique) de dimensions x 55 x 20 mm et d'une antenne du type représenté sur la figure 2 annexée répondant à la géométrie suivante, donnée en regard de la figure (pour une fréquence centrale de la bande passante f = 1,9165GHz, soit X =0,156m): - longueur LI du brin 111 formant élément rayonant, compté à partir de l'élément auxiliaire 120: 36 mm, soit 0,23k, - longueur L2 du brin 112 formant résonateur, compté à partir de l'élément auxiliaire 120: 38 mm, soit 0,24X, - longueur L3 de l'âme 114: 4,5 mm, soit 0,03x, - distance L4 séparant le décrochement 113 de l'élément auxiliaire 120 24,5 mm, soit 0,16k, - largeur 11 de l'élément auxiliaire 120 et de l'élément principal 110 (distance séparant les bords longitudinaux 1110 et 1120): 20 mm, soit 0,13X, - largeur 12 du brin 111 formant élément rayonant: 3, 25 mm, soit 0,02k, - largeur 13 du brin formant résonateur 112, à sa base: 8 mm, soit 0,05k, - largeur 14 du brin 112 formant résonateur, à son extrémité libre: 5 mm, soit 0,03K, - largeur 15 du décrochement 113: 3 mm, soit 0,02K, distance 16 séparant les deux brins 111, 112: 8, 75 mm, soit 0,06K, distance L5 séparant le point 132 de contact du coaxial 130 sur l'élément rayonant 111, de l'élément auxiliaire 120: 5 mm, soit 0,03K, 2O - distance 17 séparant ce point de contact 132 du bord libre externe longitudinal 1110 du brin formant élément rayonant 111: 1,6 mm, soit 0,01K,. Par ailleurs, sur le système testé, la hauteur h de l'élément auxiliaire 120 séparant l'élément principal 110 du plan de masse 152 formé sur le boitier 150 était de 5 mm. La courbe du Rapport d'Ondes Stationnaires ou ROS mesuré sur l'antenne précitée est représentée sur la figure 3 annexée. En retenant comme bande passante de l'antenne, la bande de fréquence pour laquelle le ROS est inférieur à 2, ce qui correspond à la définition généralement admise par les spécialistes, la courbe représentée sur la figure 3 conduit à une bande passante de 1,787 GHz à 2,046 GHz, soit environ 15%. Ainsi, la présence du décrochement 113 sur le brin résonateur 112 permet d'augmenter sensiblement la bande passante par rapport aux antennes en F inversé connues antérieurement. Sur la figure 3, les marqueurs 1, 2 et 3 correspondent respectivement a des fréquences de 1,885 GHz, 2,025 GHz et 1,787 GHz, et des taux ROS respectivement de 1,4349, 1,3201 et 1,9998. L'abaque de Smith correspondante illustrée sur la figure 4 annexée, est pour laquelle les marqueurs 1, 2 et 3 correspondent aux mêmes fréquences que celles indiquées précédemment en regard de la figure 3, révèle une boucle correspondant à la plage d'adaptation parfaite. La courbe illustrée sur l'abaque de Smith de la figure 4 montre que cet élément rayonant n'est pas parfaitement optimisé. Un meilleur centrage par rapport au centre de l'abaque de Smith permettrait d'accroître encore les performances. Les extrémités libres des brins 111 et 112, opposées à l'élément auxiliaire 120, peuvent être ouvertes comme on l'a représenté sur la figure 2 annexée, ou encore reliées par un court-circuit au plan de masse 152, au moins pour l'un de ces brins, ou encore on peut prévoir de relier au moins l'une des extrémités de ces deux brins 111, 112 au plan de masse 152, par l'intermédiaire d'une capacité, par exemple par l'intermédiaire d'une capacité réglable. Une telle capacité ajustable prévue sur l'une au moins des extrémités des brins 111 et 112 peut être contrôlée par exemple par des circuits placés dans le boîtier 150 afin de modifier les caractéristiques de l'antenne. Les antennes conformes à la présente invention sont particulièrement bien adaptées pour répondre aux contraintes fonctionnelles et ergonomiques des postes de terminaux de radio mobiles portatifs susceptibles de communiquer avec un poste fixe, par exemple, un pylône, un satellite ou tout moyen équivalent. La bande passante importante, de l'ordre de 15%, obtenue dans le cadre de l'invention permet d'utiliser une seule antenne fonctionnant en émission et en réception, respectivement sur deux bandes de fréquence séparées. Bien entendu la présente invention n'est pas limitée au mode de réalisation particulier qui vient d'être décrit mais s'étend à toute variante conforme à son esprit. En particulier, la présente invention n'est pas limitée à l'utilisation d'un élément principal 110 composé seulement de deux brins 111, 112 mais peut s'étendre à des éléments principaux 110 comprenant un nombre de brins superieurs, généralement parallèles entre eux, l'un au moins étant pourvu d'une transition sur sa longueur. Par ailleurs, la présente invention n'est pas limitée à l'utilisation d'une transition du type décrochement sur le brin formant élément résonateur, mais s'étend à l'utilisation de tout type de transition équivalente à un tel décrochement, sur l'un au moins des brins de l'élément principal. On a représenté par exemple sur la figure 6 une première variante de réalisation selon laquelle, le décrochement 113, tout en étant formé sur le bord interne 1121 et dirigé vers l'extrémité libre du brin résonateur 112, comme décrit précédemment, couvre sensiblement la moitié de la largeur de ce brin résonateur 112. Selon la seconde variante de réalisation représentée sur la figure 7, le décrochement 113, formé sur le bord interne 1121 du brin résonateur 112, est dirigé vers l'âme 114 et non pas vers l'extrémité libre de ce brin 112. La partie d'extrémité 1124 du brin résonateur 112 est de ce fait plus large que la partie 1122 adjacente à l'âme 114. Selon la troisième variante de réalisation représentée sur la figure 8, le décrochement 113 est formé sur le bord externe 1120 du brin résonateur 112 et dirigé vers l'extrémité libre de celui-ci. Selon la quatrième variante de réalisation représentée sur la figure 9, le décrochement 113 est formé sur le bord externe 1120 du brin résonateur 112 et dirigé vers l'âme 114. Selon la cinquième variante de réalisation représentée sur la figure 10, il est prévu deux décrochement 1130, 1131 dirigés vers l'extrémité libre du brin résonateur 112, respectivement sur le bord interne 1121 et sur le bord externe 1120 de celui-ci. Selon la sixième variante de réalisation représentée sur la figure 11, il est prévu deux décrochements 1130, 1131 dirigés vers l'âme 114, respectivement sur le bord interne 1121 et sur le bord externe 112) de celui-ci. Selon la septième variante de réalisation représentée sur la figure 12, la transition 113 est formée d'une fente qui débouche par exemple sur l'extrémité du brin résonateur 112. Les deux branches 1132, 1134 situées de chaque côté de la fente 113 peuvent être de longueurs identiques comme représenté sur la figure 12, ou de longueurs différentes. Bien entendu, la transition peut également être formée par une combinaison des moyens précités. REVENDICATIONS 1. Antenne d'émission et/ou de réception de signaux électromagnétiques, en particulier hyperfréquences, du type en F inversé, comprenant un élément conducteur principal (110) généralement parallèle à un plan de masse (152), un élément conducteur auxiliaire (120) généralement perpendiculaire à l'élément principal (110) et au plan de masse (152) et qui relie une extrémité de l'élément principal (110) au plan de masse (152), et un coaxial (130) d'excitation relié à l'élément conducteur principal (110), caractérisée par le fait que l'élément conducteur principal (110) comprend au moins deux brins (111, 112) généralement parallèles entre eux, formant l'un (111) un élément rayonant, et l'autre (112) un résonateur, dans lequel le brin (112) formant résonateur comprend au moins une transition (113) sur sa longueur. 2. Antenne selon la revendication 1, caractérisée par le fait que la transition est formée d'un changement de largeur (113) du brin résonateur (112). 3. Antenne selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisée par le fait que la transition est formée d'au moins un décrochement ( 113). 4. Antenne selon l'une des revendications là 3, caractérisée par le fait que la transition (113) est formée d'au moins un décrochement sur le bord longitudinal interne (1121) du brin résonateur (112). 5. Antenne selon l'une des revendications là 4, caractérisée par le fait que la transition (113) est formée d'au moins un décrochement sur le bord longitudinal externe (1120) du brin résonateur (112). 6. Antenne selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisée par le fait que la transition (113) est formée de deux décrochements (1130, 1131) réalisés respectivement sur le bord interne (1121) et sur le bord externe (1120) du brin résonateur (112). 7. Antenne selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisée par le fait que la transition (113) comprend au moins un décrochement (113) dirigé vers l'extrémité libre du brin résonateur (112). 8. Antenne selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisée par le fait que la transition (112) comprend au moins un décrochement dirigé à l'opposée de l'extrémité libre du brin résonateur (112). 9. Antenne selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisée par le fait que la transition est formée d'une fente (113). 10. Antenne selon la revendication 9, caractérisée par le fait que la fente (113) débouche sur l'extrémité libre de brin résonateur (112). 11. Antenne selon l'une des revendications 9 ou 10, caractérisée par le fait que les deux branches (1132, 1134) situées de chaque côté de la fente (113) sont de même longueur. 12. Antenne selon l'une des revendications 9 ou 10, caractérisée par le fait que les deux branches (1132, 1134) situées de chaque côté de la fente (113) sont de longueurs différentes. 13. Antenne selon l'une des revendications 1 à 12, caractérisée par le fait que le brin résonateur (112) présente une largeur (13, 14), respectivement constante, de part et d'autre de la transition (113). 14. Antenne selon l'une des revendications 1 à 13, caractérisée par le fait que la transition (113) délimite sur le brin résonateur (112) une portion d'extrémité (1124) de largeur (14) plus faible que la portion (1122) du même brin (112) raccordée à l'élément auxiliaire (120). 15. Antenne selon l'une des revendications 1 à 14, caractérisée par le fait que la transition (113) délimite deux portions rectangulaires (1124, 1122) sur le brin résonateur (112). 16. Antenne selon l'une des revendications 1 à 15, caractérisée par le fait que la transition (113) est formée à une distance de l'élément auxiliaire (120) de l'ordre de./6. 17. Antenne selon l'une des revendications I à 16, caractérisée par le fait que la profondeur (15) du décrochement (113) formant la transition est de l'ordre de 3/8e de la largeur (13) du brin résonateur (112) à sa base. 18. Antenne selon l'une des revendications 1 à 17, caractérisée par le fait que la longueur (L2) du brin résonateur (112) est différente de 4. 19. Antenne selon l'une des revendications 1 à 18, caractérisée par le fait que le brin rayonant (111) et le brin résonateur (112) ont des extrémités libres opposées à l'élément auxiliaire (12), en circuit ouvert. 20. Antenne selon l'une des revendications i à 18, caractérisée par le fait que l'un au moins du brin rayonant (111) ou résonateur (112) a son extrémité libre opposée à l'élément auxiliaire (120) reliée au plan de masse (152) par un court-circuit. 21. Antenne selon l'une des revendications 1 à 20, caractérisée par le fait que l'un au moins du brin rayonant (111) et du brin résonateur (112) a son extrémité libre opposée à l'élement auxiliaire (120) reliée au plan de masse (152) par une capacité. 22. Antenne selon la revendication 21, caractérisée par le fait que la capacité est ajustable. 23. Antenne selon l'une des revendications 1 à 22, caractérisée par le fait qu'elle est réalisée à partir d'une feuille métallique commune, par découpe et pliage au niveau d'une arête de liaison (122) entre l'élément principal (110) et l'élément auxiliaire (120). 24. Dispositif d'émission et/ou de réception de signaux électromagnétiques, en particulier hyperfréquences, caractérisé en ce qu'il comprend au moins une antenne conforme à l'une des revendications 1 à 23.