Brevet FR2759813A1 — publié le 19980821

STRUCTURE D'ANTENNE A PLUSIEURS BANDES POUR UN POSTE RADIO PORTABLE La présente invention concerne les antennes et plus particulièrement, les bobines d'alimentation des structures d'antenne à plusieurs bandes. Une bobine hélicoïdale pour le couplage d'une antenne droite extensible est connue dans le domaine de l'art, par exemple dans le Brevet U.S. N 4 121 218 de Irwin et Ass. La bobine hélicoïdale et l'antenne droite extensible sont10 dimensionnées pour une résonance dans une bande particulière de fréquences d'un poste radio portable comme un téléphone cellulaire. Tant que différents systèmes analogiques et numériques de téléphone cellulaire sont promulgués dans le monde entier, des antennes correspondant à chacun des différents systèmes cellulaires sont connues. Des souscripteurs de téléphone cellulaire traversant différents systèmes ou utilisant un téléphone cellulaire dans une zone géographique présentant plus d'un système, recherchent un20 seul téléphone cellulaire utilisable dans plus d'un système. On recherche, par conséquent, une communication sur différentes bandes de fréquences pour le même poste radio. Comme des antennes de bandes différentes pour le même téléphone cellulaire risquent d'être probablement peu25 pratiques pour un utilisateur, on recherche une structure unique d'antenne pouvant fonctionner sur plus d'une bande. De nouvelles conceptions de téléphones cellulaires évoluent pour satisfaire l'utilisateur. La plupart des utilisateurs apprécient de petits boitiers qui sont pratiques à transporter et à utiliser. Une structure d'antenne à plusieurs bandes d'une conception compacte est recherchée, tout en présentant de faibles coûts de fabrication. L'obtention d'une structure d'antenne, à la fois, compacte et à plusieurs bandes capable d'un haut gain présenté par les structures antérieures d'antenne à simple bande est difficile. Les structures connues d'antenne5 optimisées pour un gain maximum dans une bande présentent des caractéristiques de conception conduisant à un gain moins optimal dans les autres bandes. Des performances de gain d'antenne égales ou supérieures aux antennes existantes à simple bande sont recherchées pour toutes les10 bandes dans une structure d'antenne unique et compacte. Cela n'a pas pu être possible précédemment avant la présente invention qui sera expliquée ci-dessous en référence aux dessins annexés sur lesquels: la Figure 1 illustre une vue latérale en éclaté d'un mode de mise en oeuvre d'une structure d'antenne en position dressée; la Figure 2 illustre une vue latérale en éclaté d'un mode de mise en oeuvre d'une structure d'antenne de la Figure 1 en position rabaissée; la Figure 3 illustre une vue rapprochée en éclaté de deux bobines hélicoïdales associées; la Figure 4 illustre une vue en éclaté d'un autre mode de mise en oeuvre d'une structure d'antenne dans une position dressée; et la Figure 5 illustre un radiotéléphone à plusieurs bandes. La présente invention concerne une structure unique d'antenne compacte pouvant résonner sur plus d'une bande de fréquences. Une première bobine correspondant à une30 première bande et une seconde bobine correspondant à une seconde bande sont placées adjacentes à une partie droite d'un élément d'antenne dans une configuration de résonance sur les première et seconde bandes respectives de fréquences. En positionnant ces première et seconde bobines en position coaxiale avec la partie droite de l'élément d'antenne, on obtient une structure plus compacte. On a constaté que des performances de gain plus efficaces dans la bande peuvent être obtenues en réduisant le couplage entre les bobines. Un enroulement des deux bobines coaxiales dans des directions opposées est préféré afin de réduire les interférences de couplage. De plus, le10 fait de prendre une bobine coaxiale de plus grand diamètre qu'une autre bobine coaxiale réduit, de même, les interférences de couplage et le fait de prévoir la bobine de plus courte longueur linéaire sur l'extérieur réduit encore plus de telles interférences. Une première bobine 110 et une seconde bobine 120 sont illustrées, de façon coaxiale, autour d'un élément d'antenne 130 possédant une partie droite 140. La première bobine 110 et la seconde bobine 120 sont, de préférence, des bobines hélicoïdales. L'élément d'antenne 130 possède, 20 de préférence, une bobine supérieure 150 à son extrémité supérieure et est encapsulé par un matériau de diélectrique. La première bobine 110 et la seconde bobine 120 sont maintenues, de préférence, sur une base 160 constituée d'un matériau de diélectrique. Les interférences de couplage entre les bobines réduisent l'efficacité de gain de la structure d'antenne car l'énergie qui devrait couplée entre la partie droite et la bobine en question l'est, au contraire, avec l'autre bobine. Lorsqu'une énergie est transmise à partir de la30 structure d'antenne, la totalité de l'énergie est émise, de préférence, par la partie droite. Par exemple, lorsque la structure d'antenne est utilisée dans un poste radio pour émettre une énergie de rayonnement dans une première bande de fréquences par la première bobine 110, on désire que toute l'énergie de rayonnement soit émise par la partie droite 140 de l'élément d'antenne 130. Néanmoins, une certaine partie de l'énergie sera émise par la première bobine 110 elle-même et sera couplée, de plus, de la5 première bobine 110 avec la seconde bobine 120, ainsi absorbée par un circuit radio raccordé à la seconde bobine 120. L'énergie émise par la première bobine 110 et absorbée par la seconde bobine 120 additionnelle dissipe une certaine puissance, entraînant un fonctionnement inefficace10 de la structure d'antenne. En prenant une première bobine avec une plus grande circonférence et par conséquent, sur l'extérieur de la seconde bobine 120, on réduit les interférences de couplage. De plus, en plaçant la bobine ayant la plus courte longueur axiale sur l'extérieur, on15 réduit, de plus, les interférences de couplage. La longueur linéaire est la longueur totale de la bobine une fois déroulée et étirée linéairement. La longueur axiale est la longueur selon la ligne formée par la partie droite 140 de l'élément d'antenne 130. Alors, sur la Figure 1, la20 première bobine 110 est d'environ la moitié de la longueur axiale de la seconde bobine 120 mais approximativement de la même longueur linéaire que la seconde bobine 120. Cependant, lors d'un étirement, la longueur linéaire de la première bobine 110 est, de préférence, plus petite que25 celle de la seconde bobine 120 car la première bobine 110 résonne, de préférence, dans une première bande de fréquences supérieure à une seconde bande de fréquences à laquelle résonne la seconde bobine 120. On a constaté, de même, que par enroulement de la première bobine 110 et de la seconde bobine 120 dans des directions opposées, on réduit, de plus, le couplage en position coaxiale, comme illustré sur la Figure 1. Le sens des tours des bobines hélicoïdales l'une par rapport à l'autre est, de préférence, opposé pour provoquer une35 soustraction des vecteurs de champ électrique et magnétique et pour minimiser ainsi le couplage. Avec des tours en sens opposé, le champ magnétique d'une bobine est négatif par rapport à l'autre bobine. La première bobine 110 possède une longueur axiale d'environ 3,5 mm (environ 0,138") et une longueur linéaire d'environ 22,5 mm (environ 0,886"). Ces dimensions préférées pour la première bobine 110 sont couplées à l'élément d'antenne 130 présentant une longueur totale d'environ 76 mm (environ 2,99") et une partie droite 14010 conductrice d'environ 48,5 mm (environ 1,91") et une bobine supérieure 150 ayant une longueur axiale d'environ 27,5 mm (environ 1,08"), une circonférence d'environ 14,2 mm (environ 0,559") et une longueur linéaire d'environ 163 mm (environ 6,42"). La première bobine 110 fonctionnant en conjonction avec l'élément d'antenne 130 résonne alors à environ 1800 MHz. La seconde bobine 120 possède, de préférence, une longueur axiale d'environ 6,0 mm (environ 0,236"), une circonférence d'environ 23 mm (environ 0,906") et une20 longueur linéaire d'environ 66 mm (environ 2,6"). La seconde bobine 120, lors d'un fonctionnement avec l'élément d'antenne 130 préféré décrit ci-dessus, résonne dans une bande de fréquences d'environ 920 MHz. La distance entre l'extrémité inférieure de la partie droite 140 conductrice25 de l'élément d'antenne 130 est espacée, de préférence, d'environ 1,0 mm (environ 0,039") de l'extrémité supérieure de la seconde bobine 120 lorsque l'élément d'antenne 130 est dans la position dressée, comme illustré sur la Figure 1. La première bobine 110 est raccordée à l'émetteur/récepteur d'un poste radio par un câble d'alimentation 115 et la seconde bobine 120 est raccordée à l'émetteur/récepteur d'un poste radio par un cable d'alimentation 125. La constante relative de diélectrique de la base 160 est, de préférence, d'environ 2,3 et la constante relative de diélectrique de l'élément d'antenne 130 doit être à peu la même dans le mode de mise en oeuvre preferé. Le câble droit 140 de l'élément d'antenne forme un dipôle. Lorsque le câble droit 140 est placé près des bobines hélicoïdales dans une position droite, l'élément d'antenne résonne en même temps selon un multiple entier d'une demi-longueur d'onde à une fréquence inférieure d'une10 des bandes et selon un multiple entier identique ou supérieur d'une demi-longueur d'onde à la fréquence supérieure d'une des bandes. Lorsque la bobine supérieure est placée près des bobines hélicoïdales, dans une position vers le bas, la bobine supérieure de l'élément d'antenne15 résonne en même temps selon un multiple entier d'un quart de longueur d'onde à la fréquence inférieure d'une des bandes et selon un multiple entier d'un quart de longueur d'onde à la fréquence supérieure d'une des bandes. La Figure 2 illustre une vue latérale en éclaté de la structure d'antenne du mode de mise en oeuvre de la Figure 1 dans une position vers le bas. La bobine supérieure 150 est placée, de façon coaxiale, entre chaque bobine parmi la première bobine 110 et la seconde bobine 120 en position vers le bas de la Figure 2. En prévoyant la bobine25 supérieure 150, la longueur axiale de la première bobine et de la seconde bobine 120 peut être réduite pour un fonctionnement efficace dans la position vers le bas. Si l'efficacité en position vers le bas est sans importance, on peut alors réduire la bobine supérieure 150. Néanmoins,30 pour augmenter l'efficacité dans la position vers le bas, la bobine supérieure 150 peut être éliminée dans tous les cas si les longueurs de la première bobine 110 et de la seconde bobine 120 sont augmentées afin de compenser la perte de rayonnement dans la bobine supérieure 150. Par 7 2759813 conséquent, la bobine supérieure 150 est en option et sera préférée dans certains cas. La Figure 3 illustre une vue rapprochée en éclaté de deux bobines hélicoïdales. La première bobine 110 et la seconde bobine 120 sont enroulées sur la base 160. La première bobine 110 et la seconde bobine 120 ne sont pas incorporées, de préférence, dans un boîtier épais en matière plastique du matériau de diélectrique de la base 160. On préfère, au contraire, que le matériau de diélectrique de la base 160 soit aussi mince que possible tout en conservant une intégrité de structure de la base et des bobines. Du matériau additionnel de diélectrique près des bobines affecte les performances de l'antenne. De plus, cela ajoute un poids et une taille inutiles à la structure15 de l'antenne. La base 160 contient un rebord annulaire 170 sur sa partie inférieure. Ce rebord annulaire 170 sert à fixer l'ensemble d'antenne au somment d'un boîtier d'un poste radio portable, comme un radiotéléphone. Le premier câble d'alimentation 115 et le second câble d'alimentation20 125 se raccordent alors à l'intérieur du radiotéléphone afin de séparer les émetteurs, un émetteur chacun pour les diverses bandes. La Figure 4 illustre une vue latérale en éclaté d'un autre mode de mise en oeuvre d'une structure d'antenne dans une position dressée. Une troisième bobine 280 est placée adjacente à une première bobine 210 et une seconde bobine 220. Un élément d'antenne 230 possédant une partie droite conductrice 240 et une hélice supérieure 250 est placé, de façon coaxiale, à la première bobine 210 et à la seconde30 bobine 220. Les première, seconde et troisième bobines 210, 220 et 280 assurent une résonance à différentes première, seconde et troisième bandes de fréquences. La troisième bobine 280 est placée, de préférence, selon un côté plutôt que de façon coaxiale à la première bobine 210 et à la35 seconde bobine 220 afin de réduire les interférences de couplage mutuel. On a constaté que la distance entre la troisième bobine 280 et les première et seconde bobines 210 et 220 affecte la valeur des interférences de couplage mutuel. La troisième bobine 280 est espacée des première et5 seconde bobines 210 et 220 d'une distance évitant les interférences de couplage. La troisième bobine 280 est placée, de préférence, à côté des première et seconde bobines 210 et 220 espacées d'une valeur suffisante pour réduire le couplage entre la première bobine 210 et la10 seconde bobine 220 tout en maintenant un couplage adapté avec la partie droite conductrice 240 de l'élément d'antenne 230. La base 260 possède, de préférence, une quantité minimale de matériau de diélectrique afin de réduire ses effets sur les première, seconde et troisième bobines 210, 220 et 280. Alors, un intervalle d'air dans la distance séparant la troisième bobine 280 et les première et seconde bobines 210 et 220 est préféré. Dans le mode de mise en oeuvre préféré de la Figure 4, la base 260 possède des20 creux annulaires séparés 270 et 271 pour un montage sur la partie supérieure d'un poste radio portable et des ouvertures pour les premier, second et troisième câbles d'alimentation 215, 225 et 285 respectifs. Un couplage, obtenu via un champ électrique, concerne et est décrit, de façon correcte, comme un couplage capacitif. Un couplage, obtenu via un champ magnétique, concerne et est décrit, de façon correcte, comme un couplage inductif. Les couplages par champ électrique et magnétique sont des quantités vectorielles et ont souvent30 lieu en même temps. Alors, leurs quantités vectorielles peuvent être ajoutées ou soustraites et en tant que telles, peuvent se renforcer ou s'annuler. On a constaté que par agencement géométrique de plusieurs bobines hélicoïdales côte à côte, les quantités vectorielles électrique et35 magnétique (capacitive et inductive) peuvent s'ajouter et 9 2759813 se soustraire afin de réduire le couplage électromagnétique avec les autres bobines hélicoïdales et afin de renforcer le couplage électromagnétique avec la partie droite conductrice. La combinaison des champs électrique et5 magnétique constituent un champ électromagnétique. Chacune des bobines est espacée d'une distance d'extension du bas de la partie droite conductrice 240. Le couplage par champ électrique diminue avec une augmentation de la distance entre les bobines. Le couplage par champ magnétique diminue, de même, avec une augmentation de la distance entre les bobines. Mais le couplage par champ magnétique diminue plus rapidement que le couplage par champ électrique par rapport à la distance séparant les bobines. Le champ magnétique diminue comme le15 carré de la distance des bobines en acceptant des approximations mathématiques valables pour les petites distances à l'échelle des dispositifs portables. Alors, la troisième bobine 280 est, de préférence, éloignée des première et seconde bobines 210 et 220 en un point o les20 amplitudes du couplage par champs électrique et magnétique sont égales. L'extrémité inférieure de la partie droite 140 est placée près des extrémités supérieures des bobines. La distance d'extension séparant l'extrémité inférieure de la25 partie droite 140 et les extrémités supérieures des bobines hélicoïdales détermine l'amplitude du couplage par champ électrique. Plus grande est la séparation, plus faible est le couplage par champ électrique. Cette structure d'antenne est, de préférence, simulée tout d'abord, de façon30 électromagnétique, sur un ordinateur utilisant des programmes informatiques comme le Code Numérique Électromagnétique (NEC 4.0) puis peut être rendu plus précis par accord fin avec un modèle physique en laboratoire. Un couplage correct est indiqué pour, à la35 fois, les performances de gain d'antenne et l'impédance 2759813 d'entrée de l'antenne mesurées en fonction de la fréquence. Le meilleur cas de couplage survient lorsqu'un point de rebroussement mineur apparaît dans le tracé d'impédance normalement circulaire d'un graphe de Smith tandis que la5 distance d'extension entre la partie droite conductrice 240 et les bobines varie. Cette distance d'extension peut être trouvée en déplaçant l'extrémité inférieure de la partie droite 140 vers le sommet d'une bobine hélicoïdale jusqu'à l'apparition de ce point de rebroussement mineur. La Figure 5 illustre un radiotéléphone à plusieurs bandes 391 présentant une capacité de plusieurs bandes. La base 360 est montée sur une partie supérieure d'un radiotéléphone portable 391. L'élément d'antenne 330 est monté coulissant dans la base 360. Le radiotéléphone à15 plusieurs bandes 391 possède plusieurs émetteurs 393 et 395, un pour chaque bande. Une sortie active d'un premier émetteur 391 est raccordée à une première bobine de la base 360. Une sortie de masse de ce premier émetteur 391 est raccordée, de préférence, à une partie de plan de masse 397 du radiotéléphone à plusieurs bandes 391. Une sortie active d'un second émetteur 395 est raccordée, de préférence, à une seconde bobine de la base 360. La sortie de masse du second émetteur 395 est, de même, référencée, de préférence, à la masse comme le même plan de masse 397 ou25 un plan différent du radiotéléphone à plusieurs bandes 391. Par conséquent, chaque bobine de la structure d'antenne correspond à une fréquence différente d'un émetteur. On comprendra que les émetteurs 393 et 395 puissent être en option des récepteurs et/ou des émetteurs/récepteurs. De30 plus, on peut utiliser un circuit radio unique pouvant fonctionner dans plusieurs bandes et par conséquent, des émetteurs séparés 393 et 395 peuvent être inutiles. Bien que l'invention ait été décrite et illustrée dans la description et les dessins ci-dessus, on comprendra que cette description est donnée à titre d'exemple Il 2759813 seulement et que de nombreuses variantes et modifications peuvent être apportées par l'homme du métier sans sortir de l'esprit et du cadre de l'invention. Par exemple, différentes configurations de bobines supérieures peuvent5 être utilisées sur la base des conditions de bottier. Le Dépôt de Brevet U. S., Numéro d'Extrait de Mandataires CE01938R, intitulé "Antenne alimentée par Bobines Côte à Côte pour un Poste Radio Portable" de Phillips et Ass. et déposé le 19 Février 1996, est incorporé, de façon10 spécifique, dans notre cas en référence. 12 2759813 REVENDICATIONS 1. Structure d'antenne à plusieurs bandes, caractérisée par: - une première bobine (110) configurée pour une résonance dans une première bande de fréquences à l'aide d'un premier nombre de tours d'une première circonférence, la première circonférence étant plus petite qu'une longueur d'onde de la première bande de fréquences; - une seconde bobine (120) configurée pour une résonance dans une seconde bande de fréquences différente de la première bande de fréquences à l'aide d'un second nombre de tours d'une seconde circonférence, la seconde circonférence étant plus petite qu'une longueur d'onde de la seconde bande de fréquences; et - un élément d'antenne possédant une partie droite (140) placée adjacente à chacune des première et seconde bobines pour un couplage électromagnétique avec chacune des première et seconde bobines. 2. Structure d'antenne à plusieurs bandes selon la revendication 1, caractérisée en ce que la première bobine (110) et la seconde bobine (120) sont coaxiales. 3. Structure d'antenne à plusieurs bandes selon la revendication 2, caractérisée en ce que la première circonférence de la première bobine (110) est plus grande25 que la seconde circonférence de la seconde bobine (120). 4. Structure d'antenne à plusieurs bandes selon la revendication 3, caractérisée en ce que la première bobine (110) possède une longueur axiale plus petite que la seconde bobine (120). 5. Structure d'antenne à plusieurs bandes selon la revendication 4, caractérisée en ce que la première 13 2759813 bobine (110) possède une longueur linéaire plus courte que la seconde bobine (120). 6. Structure d'antenne à plusieurs bandes selon la revendication 4, caractérisée en ce que la première bobine (110) possède une longueur linéaire égale ou supérieure à la seconde bobine (120). 7. Structure d'antenne à plusieurs bandes selon la revendication 3, caractérisée en ce que la première bobine (110) et la seconde bobine (120) présentent un10 nombre de tours différent. 8. Structure d'antenne à plusieurs bandes selon la revendication 1, caractérisée en ce que les tours de la première bobine (110) et les tours de la seconde bobine (120) sont enroulés dans des directions opposées l'une par rapport à l'autre. 9. Structure d'antenne à plusieurs bandes selon la revendication 8, caractérisée en ce que la première bobine (110) et la seconde bobine (120) présentent un nombre de tours différent. 10. Structure d'antenne à plusieurs bandes selon la revendication 8, caractérisée en ce que la première bobine (110) et la seconde bobine (120) présentent des longueurs linéaires différentes. 11. Structure d'antenne à plusieurs bandes selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle comprend, de plus, une troisième bobine (280) configurée pour une résonance dans une troisième bande de fréquences différente de la première et de la seconde bande à l'aide de tours de fil d'une circonférence plus petite qu'une longueur d'onde30 de la troisième bande de fréquences, la troisième bobine étant placée à côté de l'élément d'antenne présentant la partie droite (240) et étant écartée des première et l4 2759813 seconde bobines (210, 220) afin de réduire le couplage électromagnétique avec les première et seconde bobines. 12. Structure d'antenne à plusieurs bandes selon la revendication 11, caractérisée en ce que la première bobine (210) et la seconde bobine (220) sont coaxiales. 13. Structure d'antenne à plusieurs bandes selon la revendication 1, caractérisée en ce que la partie droite (140) de l'élément d'antenne comprend un câble droit couplé, de façon électromagnétique, avec la première bobine (110) et la seconde bobine (120). 14. Structure d'antenne à plusieurs bandes selon la revendication 13, caractérisée en ce que, lorsque le câble droit (140) est placé près de la première bobine (110) et de la seconde bobine (120), dans une position dressée, l'élément d'antenne résonne en même temps selon un multiple entier d'une demi-longueur d'onde à la plus basse fréquence des bandes et selon un multiple entier égal ou supérieur à une demi-longueur d'onde à la plus haute fréquence des bandes. 15. Structure d'antenne à plusieurs bandes selon la revendication 13, caractérisée en ce que l'élément d'antenne comprend une bobine hélicoïdale supérieure (150) couplée, de façon fonctionnelle, avec le câble droit à une extrémité supérieure. 16. Structure d'antenne à plusieurs bandes selon la revendication 15, caractérisée en ce que, lorsque la bobine hélicoïdale supérieure (150) est placée près de la première bobine (110) et de la seconde bobine (120), dans une position vers le bas, la bobine supérieure (150) de30 l'élément d'antenne résonne en même temps selon un multiple entier d'un quart de longueur d'onde à la fréquence inférieure des bandes et selon un multiple entier d'un 2759813 quart de longueur d'onde à la fréquence supérieure des bandes. 17. Structure d'antenne à plusieurs bandes selon la revendication 15, caractérisée en ce que, dans une position vers le bas, la bobine hélicoïdale supérieure (150) est positionnée, de façon axiale, à l'intérieur, à la fois, de la première bobine (110) et de la seconde bobine (120). 18. Structure d'antenne à plusieurs bandes selon la revendication 13, caractérisée en ce que, dans une position dressée, le câble droit (140) est, de préférence, proche d'un sommet des première et seconde bobines (110, 120). 19. Structure d'antenne à plusieurs bandes selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle comprend, de plus, un circuit radio (393, 395) couplé, de façon fonctionnelle, avec la première bobine (110) et la seconde bobine (120) pour une amplification des signaux respectifs de fréquence radio dans la première bande et dans la20 seconde bande.