Brevet FR2825518A1 — publié le 20021206

La présente invention a pour objet une antenne à plaque et notamment mais non exclusivement une antenne à plaque utilisable pour des radiotéléphones portatifs. Dans le cas des radiotéléphones portatifs, la tendance est de remplacer l'antenne externe par une antenne interne du type à plaque. De façon simplifiée, une antenne à plaque comporte d'une part, un plan de masse et d'autre part, un élément radiant qui, dans ce cas particulier, est une plaque conductrice qui est électromagnétiquement reliée à un conducteur d'antenne appelé le plus souvent"feeder". On connaît par la demande de brevet européen 1 091 444 une antenne du type à plaque qui comporte un plan de masse, une plaque rayonnante parallèle au plan de masse et une portion de plaque conductrice reliant électriquement la plaque rayonnante au plan de masse. Cette portion de plaque constitue un court-circuit. Le couplage électromagnétique entre le conducteur d'antenne et la plaque rayonnante est constitué par une plaque métallique disposée en regard de la plaque rayonnante, cette plaque métallique étant reliée au conducteur central du conducteur d'antenne. Par couplage électromagnétique, on obtient ainsi la liaison entre le conducteur d'antenne et la plaque rayonnante aussi bien en émission qu'en réception. Cependant, ce type d'antenne à plaque présente un inconvénient dans le cas où l'on souhaite notamment l'utiliser dans un radiotéléphone portatif. En effet, dans ce cas, le plan de masse est en général réalisé sur une partie du circuit imprimé du radiotéléphone alors que la plaque rayonnante est fixée sur le fond du boîtier. Pour réaliser le court-circuit mentionné ci-dessus, il est donc nécessaire de prévoir un élément de plaque conductrice et un organe de connexion électrique entre cette plaque de court-circuit et le plan de masse pour réaliser la fonction de court-circuit. De plus, il est nécessaire que la connexion électrique entre la plaque de court-circuit et le plan de masse soit uniforme et présente une conductivité élevée, ce qui impose d'utiliser un système de connexion électrique relativement élaboré entre la plaque de court-circuit et le plan de masse. L'utilisation de ce connecteur augmente donc très sensiblement le coût global de l'antenne alors que comme on le sait la tendance est à réduire le coût de fabrication des radiotéléphones portatifs. Un objet de la présente invention est de fournir une antenne du type à plaque qui permet d'éviter les inconvénients mentionnés ci-dessus et notamment l'utilisation d'un connecteur pour réaliser le court-circuit. Pour atteindre ce but selon l'invention, le système d'antenne du type à plaque comprend des moyens formant un plan de masse, un élément radiant disposé en regard des moyens formant un plan de masse et disposé à une distance prédéterminée du plan ; et il comprend en outre : - un composant passif disposé entièrement en regard dudit élément radiant, sans contact électrique direct avec celui-ci, pour réaliser un couplage électromagnétique entre ledit composant passif et ledit élément radiant, ledit composant passif étant dépourvu de liaison mécanique entre lui-même et l'élément radiant de telle manière qu'un espace vide existe entre lui-même et l'élément radiant, ledit composant passif étant isolé par rapport aux moyens formant plan de masse et étant reliable électriquement au point d'alimentation d'antenne. De plus, le système d'antenne est dépourvu de moyens formant court-circuit entre ledit élément radiant et lesdits moyens formant plan de masse. On comprend que du fait que le système d'antenne ne comporte pas de court-circuit, les inconvénients mentionnés ci-dessus sont évités. Il faut ajouter qu'en choisissant convenablement les caractéristiques du composant passif et la position de celui-ci par rapport à l'élément radiant, on peut obtenir une adaptation d'impédance convenable, par exemple à 50 ohms, sans utiliser de composants spécifiques d'adaptation d'impédance. Selon un premier mode de mise en oeuvre, le composant passif est constitué par un plan conducteur relié électriquement au point d'alimentation de l'antenne et relié aux moyens formant plan de masse par un court-circuit. Selon un deuxième mode de mise en oeuvre, le composant passif est un plan conducteur relié au point d'alimentation de l'antenne. Un objet complémentaire de l'invention est de fournir une antenne du type mentionné ci-dessus qui permet en outre d'adapter la largeur de la bande passante correspondant à la ou aux fréquences auxquelles doit fonctionner l'antenne et qui permet de plus de réduire la longueur, c'est-à-dire les dimensions totales de l'antenne pour des plages de fréquence prédéterminées. Pour atteindre ce but, le système d'antenne se caractérise en ce qu'il comprend en outre des moyens d'adaptation distincts du composant passif, ces moyens d'adaptation étant montés entre l'élément radiant, par exemple la plaque rayonnante, et les moyens formant plan de masse. Ces moyens d'adaptation qui viennent s'ajouter au composant passif permettant le couplage électromagnétique entre le conducteur d'antenne et l'élément radiant, permettent pour une géométrie d'élément radiant en particulier de la plaque rayonnante, d'adapter la largeur de bande passante et de réduire les dimensions géométriques de l'élément radiant. Selon un premier mode de mise en oeuvre du mode de réalisation perfectionné de l'invention, les moyens d'adaptation comprennent une deuxième surface conductrice entièrement en regard d'une deuxième zone de l'élément radiant et sans contact électrique ou mécanique avec ledit élément radiant, ladite deuxième surface conductrice étant reliée électriquement au moyen formant plan de masse. Selon un deuxième mode de mise en oeuvre du mode perfectionné de réalisation, les moyens d'adaptation comprennent un élément capacitif variable dont une armature est reliée à l'élément radiant et dont l'autre armature est reliée aux moyens formant plan de masse. En choisissant convenablement la valeur de la capacité, on peut régler ou adapter la largeur de bande de l'antenne ainsi obtenue. L'impédance du système permettant le couplage électromagnétique entre la deuxième surface et l'élément radiant permet de modifier la largeur de bande de l'antenne pour les fréquences de travail considérées. Selon un mode préféré de réalisation, les moyens d'adaptation comprennent outre la deuxième surface conductrice, un composant d'adaptation qui est électriquement monté entre la deuxième surface conductrice et les moyens formant plan de masse. Grâce à la présence de ce composant, on peut adapter la largeur de bande et réduire la longueur de la plaque de l'élément radiant de façon plus précise et plus importante. En particulier, le composant d'adaptation peut être avantageusement constitué par une capacité. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront mieux à la lecture de la description qui suit de plusieurs modes de réalisation de l'invention donnés à titre d'exemples non limitatifs. La description se réfère aux figures annexées sur lesquelles : la figure 1A est une vue en élévation d'un mode de réalisation simplifié de l'antenne conforme à l'invention ; la figure 1B est une vue de dessus de l'antenne représentée sur la figure 1A ; la figure 2 est une vue partielle en perspective d'un premier exemple de réalisation de l'antenne de la figure 1A ; la figure 3 est un deuxième exemple de réalisation de l'antenne représentée sur la figure 1A ; la figure 4 montre une courbe représentative du fonctionnement de l'antenne de la figure 2 ; la figure 5 montre en élévation un premier mode de réalisation de l'antenne selon son mode de mise en oeuvre perfectionné ; les figures 6A et 6B montrent respectivement en élévation et en vue de dessus un deuxième mode de réalisation de l'antenne selon son mode de mise en oeuvre perfectionné ; la figure 7 montre une première variante du mode de réalisation de la figure 6A ; la figure 8 montre une deuxième variante du mode de réalisation de la figure 6A ; la figure 9 montre une troisième variante du mode de réalisation de la figure 6A ; la figure 10 montre une quatrième variante de réalisation du mode de réalisation de la figure 6A ; et les figures 11 et 12 montrent des courbes représentatives du fonctionnement de l'antenne de la figure 8. En se référant tout d'abord aux figures 1A et 1B, on va décrire de façon simplifiée un mode de réalisation de l'antenne conforme à l'invention. Sur la figure 1A, on a représenté un plan de masse 10 et une plaque rayonnante 12 qui constitue dans ce cas particulier l'élément radiant. Un composant passif 16 constitué dans ce cas particulier par une plaquette métallique conductrice ou surface conductrice que l'on décrira plus en détail ultérieurement est relié électriquement au point d'alimentation de l'antenne, c'est-à-dire dans ce mode de réalisation au conducteur central 18 d'un câble coaxial d'antenne 20 qui est lui-même relié au circuit de traitement 22 d'émission et de réception. En plus du composant passif 16, il est possible de prévoir des composants actifs additionnels tels que 24 montés entre la plaquette conductrice 16 et le plan de masse. Les composants actifs additionnels 24 servent à la modification des conditions de résonance de l'antenne. Dans ce mode de réalisation, le composant passif 16 est couplé électromagnétiquement avec la plaque rayonnante 12, ce couplage comme on l'expliquera ultérieurement pouvant être du type capacitif ou du type magnétique. On comprend que l'élément passif constitué par la plaquette conductrice 16 est entièrement disposé en regard de la plaque rayonnante et qu'aucun élément mécanique ne relie cette plaquette conductrice à la plaque rayonnante. C'est l'air interposé entre ces deux éléments conducteurs qui permet le couplage électromagnétique. Sur la figure 1B, on a représenté partiellement l'antenne de la figure 1A en vue de dessus. Cette figure montre qu'il est possible de disposer le composant passif 16 par rapport à la plaque rayonnante 12 qui a de préférence la forme d'un rectangle en un point A tel que l'adaptation d'impédance par exemple à 50 ohms soit directement obtenue. Cette disposition permet d'éviter l'utilisation de composants électriques d'adaptation d'impédance. On comprend également qu'il n'existe aucune liaison mécanique entre le plan de masse 10 et la plaque rayonnante 12 et qu'il n'existe pas davantage de connexion électrique. On peut donc, dans le cas d'un radiotéléphone portatif, fixer la plaque rayonnante 12 sur la face interne du fond du boîtier du radiotéléphone alors que le plan de masse 10 est constitué par une partie du circuit imprimé du radiotéléphone. Sur la figure 2, on a représenté un premier mode particulier de réalisation de l'antenne de la figure 1A avec un couplage capacitif. Le composant passif 16 est constitué par un plan métallique, par exemple, de forme générale circulaire 30. La distance h entre le plan conducteur ou plaquette 30 et la plaque rayonnante 12 est égale à 2 mm alors que la distance H entre le plan de masse 10 et la plaque rayonnante 12 est égale à 5 mm. Dans ce mode de réalisation, les dimensions de la plaque rayonnante 12 sont de 41 mm x 28 mm et les dimensions du plan de masse sont de 51 mm x 30 mm. Le diamètre d du plan conducteur 30 est de préférence compris entre 6 et 8 mm. On obtient un couplage capacitif entre le plan 30 et la plaque rayonnante 12. Sur la figure 3, on a représenté une antenne à plaque avec couplage inductif. Dans ce mode de réalisation représenté, le composant passif est constitué par une plaquette conductrice 32 reliée au plan de masse 10 par un court-circuit 34. Bien entendu, la plaquette 32 est reliée au conducteur central 18 du câble coaxial 20. La plaque rayonnante et le plan de masse ont les mêmes dimensions que dans l'exemple précédent. Le plan 32 est de préférence de forme rectangulaire et présente des dimensions égales à 8 mm et 14 mm. Les distances h et H sont les mêmes que dans le cas de la figure 4. Dans ce mode de réalisation à couplage inductif, l'ensemble constitué par le plan 32, le court-circuit 34 et la portion correspondante du plan de masse fonctionne comme un excitateur capable d'amorcer le couplage inductif entre lui-même et la plaque rayonnante lorsqu'il reçoit un signal par l'alimentation d'antenne. La figure 4 montre que les essais faits avec l'antenne de la figure 4 produisent de très bons résultats. Cette courbe qui donne la perte en retour (SU) ou ROS en fonction de la fréquence montre une résonance très nette pour 1,601 GHz. En se référant maintenant aux figures 5 à 10, on va décrire différents modes de réalisation du mode de mise en oeuvre perfectionné de l'antenne, c'est-à-dire d'une antenne conforme à l'invention comportant les moyens d'adaptation. Sur la figure 5, on a représenté un mode de réalisation du mode de mise en oeuvre perfectionné de l'antenne. Dans ce mode de réalisation, on retrouve le plan de masse 10, la plaque rayonnante 12 formant l'élément radiant, le conducteur coaxial d'antenne 20 avec son conducteur central 18 et son blindage 21 raccordé électriquement au plan de masse 10 et l'élément passif 16 constitué par une plaque conductrice en regard de la zone Al de la plaque rayonnante 12. Dans ce mode de réalisation, les moyens d'adaptation qui portent la référence générale 40 sont constitués par une capacité variable 42 dont une première armature 44 est reliée électriquement au plan de masse 10 et dont la deuxième armature 46 est reliée électriquement à la plaque rayonnante 12. Le fil conducteur 48 qui relie l'armature 46 à la plaque rayonnante 12 est raccordé à celle-ci dans une zone A2 distincte de la zone Al. La présence de la capacité variable 42 permet par un choix judicieux de sa valeur, d'adapter la bande passante de l'antenne par rapport à celle qu'aurait eu l'antenne sans le moyen d'adaptation et de procurer à la plaque rayonnante 12, une longueur d'antenne supérieure à sa longueur physique. Cette capacité peut être réalisée en technologie microstrip. On voit que, dans ce premier mode de réalisation, il existe une liaison mécanique entre le plan de masse et la plaque rayonnante. Cependant, cette liaison est réduite et facile à réaliser puisqu'il s'agit de la soudure d'un conducteur électrique sur la plaque rayonnante 12. Sur les figures 6 à 10, on a représenté quatre exemples de réalisation d'un autre mode de réalisation du mode de mise en oeuvre perfectionné de l'antenne munie des moyens d'adaptation. Le premier exemple de réalisation est montré sur les figures 6A et 6B. Sur ces figures, on retrouve le plan de masse 10, la plaque rayonnante 12 parallèle au plan de masse 10 ainsi que l'élément passif 16 en regard de la zone Al de la plaque 12. L'élément passif 16 est raccordé comme cela a déjà été expliqué au conducteur central 18 du conducteur coaxial 20. Dans ce mode de réalisation, l'élément d'adaptation 40 est constitué par une surface ou plaque conductrice 50 disposée entièrement en regard de la zone A2 de la plaque 12 distincte de la zone Al. Cette plaque 50 est reliée par un conducteur électrique 52 au plan de masse 10. La plaque conductrice 50 n'est en contact ni électrique, ni mécanique avec la plaque rayonnante 12, seul de l'air étant interposé entre ces deux composants. Avec cette disposition, le couplage réalisé entre la plaque 50 et la plaque rayonnante 12 permet d'introduire le facteur d'adaptation souhaité pour modifier la largeur de la bande de fréquence de fonctionnement de l'antenne et modifier également sa longueur apparente. Dans ce mode de réalisation, la distance h entre la plaque 50 et la plaque rayonnante 12 est égale à 1 mm, les dimensions L et 1 du plan de masse 10 sont de 110 mm par 85 mm, les dimensions de la plaque rayonnante 12 L'et t'sont de 32 mm par 50 mm, les distances dl et d2 entre le centre des zones Al et A2 et les bords de la plaque rayonnante sont de l'ordre de 12 mm, les zones Al et A2 sont disposées sensiblement selon la médiane MM'de la plaque rayonnante, le diamètre D de la plaque 50 est de 8 mm alors que le diamètre de la plaque 16 formant le composant passif est compris entre 6 et 10 mm. Dans le mode de réalisation représenté sur la figure 7, l'élément d'adaptation 40 est constitué toujours par une plaque conductrice 50 identique à celle de la figure 6A, mais cette plaque est reliée au plan de masse 10 par l'intermédiaire d'une capacité variable 54. Par ailleurs, ce mode de réalisation est identique à celui de la figure 6A. On comprend qu'en donnant à la capacité variable 54 dont les armatures sont raccordées électriquement à la plaque 50 et au plan de masse 10 une valeur convenable, on peut adapter à la valeur souhaitée la largeur de la bande passante et adapter également la longueur"résonante"de la plaque résonante 12. Sur la figure 8, on a représenté une variante de réalisation dans laquelle l'élément d'adaptation 40 comporte toujours la plaque conductrice 50 mais celle-ci est reliée électriquement au conducteur axial 58 d'une portion de câble coaxial 60. Le blindage 62 du câble est relié électriquement au plan de masse 10. Cette portion de câble coaxial constitue une capacité. La longueur b du câble coaxial 60 est de préférence définie de telle manière qu'elle corresponde à A/2, Â étant la longueur d'onde principale sur laquelle est accordée l'antenne. Dans la variante de réalisation représentée sur la figure 9, l'élément d'adaptation comporte toujours la plaque conductrice 50 de couplage électromagnétique avec la plaque rayonnante 12 mais il comprend également une portion 68 de câble coaxial dont le conducteur coaxial 70 est relié électriquement à la plaque 50 et dont le blindage 72 est relié au plan de masse 10. Dans ce mode de réalisation, le conducteur axial 70 présente une deuxième extrémité 70B opposée à son extrémité 70A reliée à la plaque 50 qui est électriquement reliée au blindage 72. De préférence, dans ce cas, la longueur b2 de l'élément du câble coaxial est égale à A/4, A étant la longueur d'onde principale sur laquelle est raccordé le dispositif d'antenne. Dans le mode de réalisation représenté sur la figure 10, l'élément de compensation 40 est constitué par une plaque conductrice 50 en couplage électromagnétique avec la plaque rayonnante 12. La plaque 50 est reliée à une diode Varicap 80. La plaque 50 est également reliée au plan de masse 10 par une bobine d'arrêt 84. La diode 80 est reliée par le conducteur 82 à un circuit 86 de contrôle actif permettant de régler la largeur de la bande passante et la fréquence de résonance. Dans tous ces modes de réalisation, on retrouve donc la partie alimentation d'antenne qui est réalisée par le couplage électromagnétique entre la plaque 16 reliée aux tables coaxiales 20 d'alimentation d'antenne et la zone Al de la plaque rayonnante 12. On comprend donc que dans tous ces modes de réalisation, il n'y a aucune liaison mécanique entre la plaque rayonnante 12 et les éléments associés au plan de masse 10, c'est-à-dire notamment les surfaces conductrices 16 et 50 et il est donc aisé de fixer la plaque rayonnante 12 sur la face interne du fond du boîtier de radiotéléphone et de solidariser les composants associés au plan de masse 10 sur le circuit imprimé du radiotéléphone. La capacité formant le composant d'adaptation entre le deuxième composant passif et le plan de masse peut être réalisée en technologie microstrip. Ainsi qu'on l'a déjà expliqué succinctement, la mise en place des moyens d'adaptation 40 couplés électromagnétiquement à la plaque rayonnante 12 par la plaquette conductrice 50 et connecté électriquement au plan de masse 10 permet de modifier les caractéristiques "naturelles" de l'antenne pour lui conférer les caractéristiques souhaitées notamment pour ce qui concerne la largeur de la ou des bandes passantes. Plus précisément, cette adaptation est obtenue en choisissant convenablement la position du composant passif 40 par rapport à la plaque rayonnante 12. Les figures 11 et 12 montrent les courbes obtenues avec l'antenne représentée sur la figure 8 avec une capacité de l'ordre de 1 à 10 pF et des caractéristiques géométriques décrites précédemment. La mise en place du composant d'adaptation 40 permet : - de raccourcir physiquement la longueur L de la plaque rayonnante 12 ; - d'augmenter la bande passante à la résonance en diminuant le facteur de qualité ; et - de contrôler les fréquences de résonance. Par rapport à la courbe 4 correspondant au mode de réalisation de la figure 3, la courbe 11 correspondant au mode de réalisation de la figure 8 montre que : . le facteur de qualité a diminué ce qui augmente la bande passante ; . la première résonance se situe à une fréquence de 1,07 GHz. Cette fréquence correspondrait à une demi-longueur d'onde de 140 mm à l'air libre alors que la plaque 12 a une longueur de 50 mm de l'élément radiant, d'où l'effet de raccourcissement ; et la bande passante dépasse 50 MHz à-3 dB La figure 12 illustre le déplacement du pic de résonance, de la courbe 1 avec une fréquence de résonance de 1, 8 GHz à la courbe 2 avec une fréquence de résonance de 1, 52 GHz. Selon le mode de réalisation de la figure IA, des éléments électriques actifs 24 sont montés entre le composant passif et le point d'alimentation de l'antenne. Selon un mode préféré de réalisation, le composant d'adaptation comprend des composants électroniques montés entre la deuxième surface conductrice et les moyens formant plan de masse. REVENDICATIONS 1. Système d'antenne du type à plaque comprenant : - des moyens formant un plan de masse ; et - un élément radiant disposé en regard des moyens formant un plan de masse et disposé à une distance prédéterminée du plan ; caractérisé en ce qu'il comprend en outre : - un composant passif (16) disposé entièrement en regard dudit élément radiant (12), sans contact électrique direct avec celui-ci, pour réaliser un couplage électromagnétique entre ledit composant passif et ledit élément radiant, ledit composant passif étant dépourvu de liaison mécanique entre lui-même et l'élément radiant de telle manière qu'un espace vide existe entre lui-même et l'élément radiant, ledit composant passif étant isolé par rapport aux moyens formant plan de masse et étant reliable électriquement au point d'alimentation d'antenne et en ce que ledit système d'antenne est dépourvu de moyens formant court-circuit entre ledit élément radiant et lesdits moyens formant plan de masse. 2. Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit couplage est du type magnétique. 3. Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit couplage est du type capacitif. 4. Système selon la revendication 2, caractérisé en ce que ledit composant passif est constitué par un plan conducteur (32) relié électriquement au point d'alimentation de l'antenne et relié (34) à la masse. 5. Système selon la revendication 3, caractérisé en ce que ledit composant passif (16) est un plan conducteur relié au point d'alimentation de l'antenne. 6. Système selon la revendication 5, caractérisé en ce que ledit plan conducteur (16) a une forme générale circulaire. 7. Système selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'il comprend en outre des éléments électriques actifs (24) montés entre ledit composant passif et le point d'alimentation de l'antenne. 8. Système selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que ledit élément radiant est une plaque rayonnante (12) parallèle aux moyens formant le plan de masse (10). 9. Système selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce qu'il comprend en outre des moyens d'adaptation (40) distincts dudit composant passif (16) montés entre ledit élément radiant et lesdits moyens formant plan de masse. 10. Système selon la revendication 9, caractérisé en ce que lesdits moyens d'adaptation comprennent une capacité variable (42) dont une armature est reliée à l'élément radiant (12) et dont l'autre armature est reliée aux moyens formant plan de masse. 11. Système selon la revendication 9, caractérisé en ce que lesdits moyens d'adaptation comprennent une deuxième surface conductrice (50) entièrement en regard d'une deuxième zone de l'élément radiant et sans contact électrique ou mécanique avec ledit élément radiant, ladite surface conductrice étant reliée électriquement aux moyens formant plan de masse. 12. Système selon la revendication 11, caractérisé en ce que ladite deuxième surface conductrice (50) est reliée auxdits moyens formant plan de masse par un composant d'adaptation. 13. Système selon la revendication 12, caractérisé en ce que ledit composant d'adaptation est constitué par une capacité dont les armatures sont respectivement reliées à ladite deuxième surface conductrice et auxdits moyens formant plan de masse. 14. Système selon la revendication 13, caractérisé en ce que ladite capacité est constituée par une portion de câble coaxial dont le conducteur central est relié à la deuxième surface conductrice et dont le conducteur périphérique est relié auxdits moyens formant plan de masse. 15. Système selon la revendication 14, caractérisé en ce que ledit conducteur axial est relié électriquement au conducteur périphérique. 16. Système selon l'une quelconque des revendications 10 et 13, caractérisé en ce que ladite capacité est réalisée en technologie microstrip. 17. Système selon la revendication 12, caractérisé en ce que ledit composant d'adaptation comprend des composants électroniques montés entre ladite deuxième surface conductrice et lesdits moyens formant plan de masse. 18. Système selon l'une quelconque des revendications 11 à 16, caractérisé en ce que ladite deuxième surface conductrice a une forme générale circulaire.