Brevet FR2750260A1 — publié le 19971226

-4 Titre ENSEMBLE D'ANTENNE INTEGREE POUR UNE RADIO ET PROCEDE DE FABRICATION Arrière-plan de l'invention 1. Domaine technique de l'invention La présente invention concerne les ensembles d'antenne et plus particulièrement concerne les ensembles d'antenne comportant des condensateurs intégrés à l'intérieur de celle-ci. 2. Description de la technique antérieure Les antennes pour les petites radios ou les radios portables de satellites terrestres nécessitent un gain élevé et un diagramme de rayonnement hémisphérique. Par exemple, une antenne hélicoïdale quadrifilaire comporte deux paires de branches formant des éléments d'antenne- cadre et fournissant un gain élevé et un diagramme de rayonnement hémisphérique. Dans l'antenne quadrifilaire, les éléments d'antenne en cadre se croisent perpendiculairement. Ces éléments d'antenne utilisent souvent un réseau de transformation d'impédance pour s'adapter à l'impédance d'un émetteur-récepteur radio associé. Un condensateur seul, ou combiné à d'autres composants de modification d'impédance, peut être utilisé dans un tel réseau de transformation. Il a été constaté que le plus efficace est de placer un réseau de transformation d'impédance dans le même ensemble que l'élément d'antenne. Toutefois, le fait de placer le réseau de transformation d'impédance dans le même ensemble que l'élément d'antenne augmente les coûts et la complexité de l'ensemble. Un ensemble d'antenne utilisant un réseau de transformation d'impédance ayant un petit nombre de pièces et étant de fabrication simple est souhaité pour améliorer la faisabilité, la fiabilité et le coût. Brève description des dessins La figure 1 est une vue latérale d'un ensemble d'antenne intégrée suivant une première approche; la figure 2 est une vue latérale d'un ensemble d'antenne intégrée suivant un premier mode de réalisation d'une deuxième approche; la figure 3 est une vue en perspective d'un ensemble d'antenne intégrée suivant le premier mode de réalisation de la deuxième approche; la figure 4 est une vue latérale d'un ensemble d'antenne intégrée suivant un deuxième mode de réalisation de la deuxième approche; la figure 5 est une vue latérale d'un ensemble d'antenne intégrée suivant un troisième mode de réalisation de la deuxième approche; la figure 6 est une vue latérale d'un ensemble d'antenne intégrée suivant un quatrième de réalisation de la deuxième approche; la figure 7 est une vue en perspective d'un radiotéléphone comportant un émetteur-récepteur radio, une interface utilisateur et un ensemble d'antenne; et la figure 8 est un organigramme illustrant un procédé de fabrication de l'ensemble d'antenne intégrée suivant la deuxième approche. Description détaillée des modes de réalisation préférés La figure 1 est une vue latérale d'un ensemble d'antenne intégrée suivant une première approche, comportant un réseau de transformation d'impédance capacitive situé dans le même ensemble que l'élément d'antenne. Un tube diélectrique allongé 110 comporte quatre bandes de matériau métallique fin formé sur celui- ci pour fournir les branches de l'élément d'antenne. Deux paires des branches forment des cadres orthogonaux qui sont de préférence enroulés autour du tube diélectrique , formant ainsi un élément d'antenne hélicoïdal quadrifilaire polarisé circulairement sur une surface 130 du tube diélectrique allongé 110. Un élément d'antenne- cadre croisé peut être formé à la place si les branches ne sont pas enroulées autour du tube diélectrique 110. Les première et deuxième plaques 150 et 160 sont opposées à des plaques respectives de haute tension et de masse 170 et 180. Les première et deuxième plaques 150 et sont respectivement connectées à une paire correspondante de bandes 120 de matériau métallique fin. Les plaques de tension et de masse 170 et 180 sont respectivement connectées aux fils de haute tension et de masse d'une ligne d'alimentation équilibrée 190. Une gravure en trois dimensions destinée à former les bandes 120 de matériau métallique fin sur le tube diélectrique 100 est effectuée pour les éléments rayonnants et une gravure en deux dimensions sur le disque diélectrique 140 est effectuée pour former les plaques 150, 160, 170 et 180. Ensuite, les plaques 150 et sont soudées à des paires correspondantes de bandes 120. Cette structure forme un ensemble compact comportant deux parties formant pièces et quatre joints de soudure, une joint entre les première et deuxième plaques 150 et et une paire correspondante de bandes 120. Néanmoins, un nombre de pièces et de joints de soudure encore plus réduit est souhaité. L'élimination de différentes étapes de gravure et de toute étape de soudage non nécessaire améliore encore plus la faisabilité, la fiabilité et le coût. Les figures 2 et 3 illustrent respectivement une vue latérale et une vue en perspective d'un ensemble d'antenne intégrée suivant un premier mode de réalisation d'une deuxième approche, comportant moins d'étapes de fabrication et de composants que la première approche de la figure 1. Plus particulièrement, les quatre joints de soudure et la deuxième partie formant pièce de la première approche de la figure 1 sont éliminés. Une gravure en trois dimensions unique est la seule gravure nécessaire suivant cette deuxième approche. En outre, les quatre joints de soudure sont éliminés du fait que les plaques et les bandes sont formées à partir du même matériau lors la même étape de gravure, ce qui produit un ensemble d'antenne formé intégrée. Les bandes 220 de matériau métallique fin sont formées à partir du même métal qu'une première partie de plaque rayonnante 310 et une deuxième partie de plaque rayonnante 320 sur la surface 230 du tube diélectrique allongé 210. Les plaques capacitives de haute tension et de masse 270 et 280 sont également formées dans le matériau métallique fin disposé sur un côté du tube diélectrique allongé opposé aux première et deuxième parties de plaques rayonnantes 310 et 320. Le tube diélectrique allongé forme une bride 330 entre les plaques. Les fils de haute tension et de masse d'une ligne d'alimentation 290 se connectent respectivement aux plaques capacitives de haute tension et de masse 270 et 280. Ces deux connections sont les seuls joints de soudure nécessaires pour cet ensemble d'antenne. En formant les plaques capacitives de haute tension et de masse 270 et 280 sur une surface intérieure du tube diélectrique 210 près d'une extrémité d'alimentation, le même processus de gravure tridimensionnelle qui forme les bandes 220 et les parties de plaques rayonnantes 310 et 320 formera également les plaques capacitives de haute tension et de masse 270 et 280 en une seule opération de gravure. La formation des deux plaques d'un condensateur d'adaptation et des branches rayonnantes d'un ensemble d'antenne n'aurait jusqu'à présent pas été réalisée pour obtenir l'ensemble intégré avec une amélioration en termes de faisabilité, fiabilité et coût. La ligne d'alimentation 290 des figures 2 et 3 est non équilibrée et comporte de préférence une gaine fendue 295 sur un de ses fils extérieurs près de l'extrémité d'alimentation, formant un symétriseur BALUN à gaine fendue. La gaine fendue 295, avec les condensateurs formés par les plaques 310, 320, 270 et 280, fournit le réseau de transformation d'impédance. Un fil central 297 de la ligne d'alimentation 290 à l'extrémité d'alimentation est soudé à un côté du fil extérieur de la ligne d'alimentation 290 et à la plaque capacitive de haute tension 270. L'autre côté du fil extérieur de la ligne d'alimentation 290 est soudé à la plaque capacitive de masse 280. Ainsi, la structure de la présente invention place de manière commode un symétriseur formé intégré à l'intérieur de l'ensemble d'antenne. Néanmoins, le symétriseur à gaine fendue peut être remplacé par d'autres types de symétriseurs ou peut être éliminé avec les condensateurs encore employés pour l'adaptation d'impédance. L'extrémité d'alimentation du tube diélectrique allongé 210 est de préférence fermée par une partie de paroi intérieure 215. La partie de paroi intérieure 215 dans le premier mode de réalisation de la deuxième approche fournit de préférence un support mécanique pour la ligne d'alimentation 290 et fournit secondairement une surface pour les chemins de métallisation qui connectent électriquement la ligne d'alimentation 290 aux plaques capacitives de haute tension et de masse 270 et 280. Le tube diélectrique allongé 210, bien qu'il soit de préférence de forme cylindrique avec une section transversale ronde, peut également avoir une forme rectangulaire de section transversale carrée ou une autre forme donnant une section transversale ovale, rectangulaire ou autre. Le condensateur formé par les première et deuxième parties de plaques rayonnantes 310 et 320 et les plaques capacitives de haute tension et de masse 270 et 280 est disposé fondamentalement pour adapter l'impédance de la ligne d'alimentation 290 aux branches 220 de la structure rayonnante. La capacité nécessaire pour l'adaptation dépend d'autres caractéristiques de la structure d'antenne telles que la constante diélectrique du tube diélectrique allongé 210, une largeur du tube diélectrique allongé, une épaisseur du tube diélectrique allongé, la longueur des branches formées par les bandes 220, une zone des première et deuxième superficie des plaques rayonnantes 310 et 320 et une superficie des plaques capacitives de haute tension et de masse 270 et 280. Les branches de l'antenne ont une longueur suivant une courbe d'environ 103,6 millimètres pour une fréquence de résonance nominale de 1,621 GigaHertz (GHz). Le tube diélectrique allongé 210 a ainsi une longueur préférée d'environ 114,3 millimètres, et une largeur préférée d'environ 17,52 millimètres. Avec une épaisseur préférée du tube diélectrique allongé d'environ 1,22 millimètre, les première et deuxième parties de plaques rayonnantes ont chacune de préférence une superficie d'environ 115,48 millimètres carrés et les plaques capacitives de haute tension et de masse ont chacune une superficie préférée d'environ 99,35 millimètres carrés dans le premier mode de réalisation des figures 2 et 3. Si le diamètre du tube diélectrique diminue, la capacité doit être augmentée par l'augmentation de la superficie des plaques, par la diminution de la séparation entre les plaques ou par l'augmentation de la constante diélectrique du matériau diélectrique. Si la fréquence de résonance nominale augmente, les longueurs des branches doivent diminuer et la capacité doit diminuer du fait de la diminution de la surface des plaques, de l'augmentation de la séparation entre les plaques ou de la diminution de la constante diélectrique du matériau diélectrique. Néanmoins, la taille de la plaque augmente également proportionnellement à l'épaisseur du matériau diélectrique. Le matériau diélectrique est de préférence composé d'un matériau plastique polyétherimide ayant une constante diélectrique d'environ 3,15 et les bandes métalliques fines sont de préférence composées de cuivre collé au matériau diélectrique avant la gravure. La figure 4 est une vue latérale d'un ensemble d'antenne intégrée suivant un deuxième mode de réalisation de la deuxième approche. Dans le deuxième mode de réalisation, la surface 430 du tube diélectrique allongé 410 comprend une bride 435 dépassant d'une extrémité d'alimentation de la surface 430. Les première et deuxième parties de plaques rayonnantes 510 et 520 sont formées sur un premier côté de la bride 435 et connectées électriquement aux branches 420. Les première et deuxième parties de plaques rayonnantes 510 et 520 et les branches 420 sont de préférence du même matériau métallique formé par la gravure en une étape. Les plaques capacitives de haute tension et de masse 470 et 480 sont ainsi formées sur le deuxième côté de la bride 435. Les plaques capacitives de haute tension et de masse 470 et 480 peuvent ainsi s'accoupler de manière capacitive aux première et deuxième parties de plaques rayonnantes 510 et 520 sur les côtés opposés de la bride, les première et deuxième plaques rayonnantes et les plaques capacitives de haute tension et de masse pouvant être formées en une seule étape de gravure, ce qui améliore la fiabilité, la faisabilité, et le coût. La bride 435 peut former une jupe ou anneau concentrique dépassant d'une extrémité d'alimentation de la surface 430. La jupe ou anneau concentrique a ainsi de préférence un diamètre concentrique à un diamètre extérieur d'une ligne d'alimentation 490. Ainsi, la ligne d'alimentation 490 peut être montée par ajustage serré dans la jupe ou anneau concentrique pour assurer l'intégration mécanique et la connexion électrique efficace entre les deux éléments. Lorsqu'ils sont montés en ajustement serré, les deux fils extérieurs de la gaine fendue peuvent servir eux-mêmes de plaques capacitives de haute tension et de masse. Bien que la connexion électrique puisse être obtenue par ajustement serré, un joint par soudure est préféré, pour une fiabilité améliorée. La figure 5 est une vue latérale d'un ensemble d'antenne intégrée suivant un troisième mode de réalisation de la deuxième approche. Un tampon 737 est accroché à une paroi intérieure 615 à l'extrémité d'alimentation d'un tube diélectrique allongé 610, par une tige 739. Le tampon 737 a de préférence la forme d'un disque et est accroché concentriquement par la tige 739 à un centre axial d'un tube de forme cylindrique 610. Les première et deuxième parties de plaques rayonnantes 710 et 720 sont formées sur le premier côté du tampon 737 et les plaques capacitives de haute tension et de masse 670 et 680 sont formées sur un second côté du tampon 737. Les première et deuxième parties de plaques rayonnantes 710 et 720 sont électriquement couplées aux bandes 620 des branches comme dans le premier ou dans le deuxième mode de réalisation des figures 2 ou 4, par une seule étape de gravure. Un orifice 738 formé dans le tampon 737 pour fixer mécaniquement la ligne d'alimentation 690 est de préférence formé comme illustré sur la figure 5. La figure 6 est une vue latérale d'un ensemble d'antenne intégrée suivant un quatrième mode de réalisation de la deuxième approche. Dans le quatrième mode de réalisation, les plaques capacitives de haute tension et de masse 870 et 880 sont formées profondément sur une surface intérieure du tube diélectrique allongé 810, tandis que les première et deuxième parties de plaques rayonnantes 910 et 920 sont formées sur une surface extérieure du tube diélectrique allongé 810 en une étape sur une surface intérieure et sur une surface extérieure en même temps. L'extrémité d'alimentation du tube peut être laissée ouverte pour faciliter la gravure. La figure 7 illustre une radio portable suivant la présente invention. Une radio portable 1005, de préférence un radiotéléphone, contient un émetteur- récepteur 1020 connecté à une interface utilisateur 1030. L'interface utilisateur fournit un haut-parleur, un écouteur et une commande, par exemple un bloc de touches et/ou un affichage à l'utilisateur. L'interface utilisateur 1030 commande le fonctionnement de l'émetteur-récepteur radio 1020 et fournit des transducteurs pour le son pour les communications vocales. L'émetteur-récepteur radio 1020, dans le cas d'un radiotéléphone, contient à la fois un émetteur et un récepteur connectés par l'intermédiaire d'un duplexeur à la fois aux lignes de haute tension et de masse d'une ligne d'alimentation de l'ensemble d'antenne 1010. La figure 8 est un organigramme d'un procédé de fabrication de l'ensemble d'antenne intégrée suivant la deuxième approche. A l'étape 1110 est apporté un tube diélectrique allongé sur lequel se trouve un matériau métallique fin. A l'étape 1120, le matériau métallique fin est gravé en une étape, pour former des branches formées de bandes, pour former les première et deuxième plaques rayonnantes et pour former les plaques capacitives de haute tension et de masse. Les plaques capacitives de haute tension et de masse sont formées sur un côté du tube diélectrique allongé opposé aux première et deuxième plaques rayonnantes. Ainsi, il n'y a besoin que d'une étape de gravure pour former à la fois les branches rayonnantes de l'antenne et les plaques d'un condensateur d'adaptation. A l'étape 1130, les fils de haute tension et de masse d'une ligne d'alimentation sont connectés aux plaques capacitives de haute tension et de masse, par exemple par deux étapes de soudure uniquement. La présente invention améliore la faisabilité, la fiabilité et le coût. L'étape de gravure de la présente invention peut être effectuée par une gravure chimique, une gravure au laser ou une gravure mécanique. Dans tous les cas, la gravure peut maintenant être effectuée de manière avantageuse en une seule étape, ce qui évite des parties en pièces multiples et des joints de soudure non nécessaires. L'apport de matériau métallique fin et la gravure peuvent être effectués ensemble en mettant en 1l forme le matériau métallique fin avant de l'attacher ou de le coller au tube diélectrique. L'invention a été décrite et illustrée dans la description et les dessins ci-dessus, mais on comprendra que cette description est uniquement illustrative et que de nombreuses modifications et variations peuvent être apportées par les spécialistes de la technique sans s'écarter de l'esprit et de la portée de l'invention. REVENDICATIONS 1. Ensemble d'antenne pour une radio, caractérisé par: un tube diélectrique allongé (210) ayant une surface; un élément d'antenne (220) comprenant au moins une paire de branches formées de bandes de matériau métallique fin disposées sur la surface (230) du tube diélectrique allongé concentriquement à une forme du tube diélectrique allongé; une première partie de plaque rayonnante (310) intégrée, formée à partir du même matériau métallique fin que l'une de la paire de branches disposées à la surface du tube diélectrique allongé; une deuxième partie de plaque rayonnante (320) intégrée, formée à partir du matériau métallique fin que l'autre de la paire de branches disposées à la surface du tube diélectrique allongé; une ligne d'alimentation (290) ayant un fil de haute tension et un fil de masse pour fournir de l'énergie entre l'ensemble d'antenne et une radio; une plaque capacitive de haute tension (270) connectée électriquement au fil de haute tension de la ligne d'alimentation et formée d'un matériau métallique fin disposé sur un côté du tube diélectrique allongé à l'opposé de la première partie de plaque rayonnante pour le couplage capacitif avec la première partie de plaque rayonnante; et une plaque capacitive de masse (280) connectée électriquement au fil de masse de la ligne d'alimentation et formée d'un matériau métallique fin disposé sur un côté du tube diélectrique allongé à l'opposé de la deuxième partie de plaque rayonnante pour le couplage capacitif avec la deuxième partie de plaque rayonnante; et dans lequel une constante diélectrique du tube diélectrique allongé (210), une largueur du tube diélectrique allongé (210), une épaisseur du tube diélectrique allongé (210), la longueur des branches, une superficie des première et deuxième parties de plaques rayonnantes (310, 320) et une superficie des plaques capacitives de haute tension et de masse (270, 280) sont suffisantes pour s'adapter à l'impédance de la ligne d'alimentation (290) et de l'élément d'antenne (220). 2. Ensemble d'antenne suivant la revendication 1, dans lequel le tube diélectrique allongé (210) comprend une bride (330) dépassant d'une extrémité d'alimentation de la surface et formant des premier et deuxième côtés opposés de la bride; dans lequel la première partie de plaque rayonnante (310) et la deuxième partie de plaque rayonnante (320) sont formées sur le premier côté de la bride; et dans lequel la plaque capacitive de haute tension (270) et la plaque capacitive de masse (280) sont formées sur le deuxième côté de la bride. 3. Ensemble d'antenne suivant la revendication 2, dans lequel la bride forme une jupe concentrique (330, 435) à l'extrémité d'alimentation du tube diélectrique allongé. 4. Ensemble d'antenne suivant la revendication 2, dans lequel le tube diélectrique allongé est fermé par une paroi intérieure (140, 215, 415, 615) à l'extrémité d'alimentation. 5. Ensemble d'antenne suivant la revendication 4, dans lequel la bride forme un tampon (737) accroché à la paroi intérieure du tube diélectrique allongé. 6. Ensemble d'antenne suivant la revendication 5, dans lequel le tampon (737) est accroché radialement à la paroi intérieure du tube diélectrique allongé, par une tige. 7. Ensemble d'antenne suivant la revendication 1, dans lequel la plaque capacitive de haute tension (870) et la plaque capacitive de masse (880) sont formées sur une surface intérieure du tube diélectrique allongé près d'une extrémité d'alimentation. 8. Ensemble d'antenne suivant la revendication 1, dans lequel les branches (220) comprennent deux paires de bandes du matériau métallique fin, ayant une relation orthogonale l'une à l'autre, et dans lequel deux des paires des branches forment deux cadres orthogonaux fournissant un ensemble d'antenne à cadres croisés formant un ensemble d'antenne polarisé circulairement. 9. Ensemble d'antenne suivant la revendication 1, dans lequel la ligne d'alimentation est une ligne d'alimentation non équilibrée (290) comprenant un symétriseur; dans lequel la ligne d'alimentation est coaxiale et le fil de masse est un conducteur extérieur de la ligne d'alimentation; dans lequel le symétriseur comprend une fente (195) dans le conducteur de masse de la ligne d'alimentation pour former une structure de symétriseur à gaine fendue; et dans lequel les côtés de la fente sont connectés à l'une des plaques de haute tension et de masse (270, 280). 10. Ensemble d'antenne suivant la revendication 1, dans lequel l'ensemble d'antenne est connecté à un émetteur-récepteur radio d'une radio portable.