Brevet FR2823909A1 — publié le 20021025

ou 4. Bloc antenne pour dispositif sans fil La présente invention a pour objet un bloc antenne pour dispositif sans fil, notamment pour téléphone mobile. L'invention a également pour objet les dispositifs sans fil pour réseaux informatiques, notamment par transmission selon la norme Blue Tooth. Le bloc antenne de l'invention est destiné à être utilisé avec l'une ou l'autre des fréquences impliquées voire À I'une puis une autre successivement. L'invention vise principalement à simplifier la réalisation des dispositifs rayonnants, des blocs d'antenne, tout en leur conférant des performances spectrales élargies et une meilleure adapta bi l ité au m il ieu da ns lequ el elles doivent rayon ner. Dans le domaine de la téléphonie moblie, notamment en Europe, on connat les normes dites GSM, à 900 MHz et DCS à 1800 MHz. Les bandes de fréquence auxquelles doit rayonner un téléphone mobile, tant en émission qu'en réception, sont ainsi bien distinctes. Par ailleurs, pour les téléphones mobiles de troisième génération, à côté de la norme PCS à 2100 MHz existe la norme dite UMTS à 2200 MHz. Les téléphones mobiles en cours de fabrication doivent donc maintenant disposer d'un élément rayonnant, si possible d'un seul, capable de rayonner dans ces trois bandes de fréquence distinctes. Au passage, on notera que les dernières bandes (1800 MHz à 2200 MHz) forment, en particulier en englobant la norme dite DECT de 1800 MHz à 1900 MHz une bande large. A la complexité de devoir réaliser une antenne capable de ces trois bandes de fréquence s'ajoute maintenant la nécessité de satisfaire, pour une interactivité totale des dispositifs sans fils, à la norme dite Blue Tooth ou à la norme IEEE802.11. Obtenir une telle variété de fréquence avec un seul aérien est un problème actuellement non résolu. On s'oriente donc vers des structures à multiples antennes. On conna^t par le document de l'état de la technique "Dual-Frequency Planarinverted-F Antenna", dû à Zi Dong Liu et Peter S. Hall dans "IEEE Jransaction on antennas and propagation", vol. 45, n 10, octobre 1997, pages 1451 et suivantes, une antenne permettant de rayonner dans deux bandes, typiquement la bande GSM à 900 MHz et la bande DCS à 1800 MHz. La géométrie d'antenne, particulièrement simple, imaginée pour une tel le situation d e rayo n nement dan s deux ban d es com porte u ne zone métallisée, globalement en forme de lettre L et une zone métallisée rectangulaire susceptible de trouver sa place dans le demi encadrement laissé par le L. D'une part cette solution présente des alimentations séparces pour des éléments d'antenne différents de sorte que des circuits de commutation doivent être ajoutés dans le circuit électronique auquel cette antenne est raccordée. Ces éléments de commutation sont en euxmêmes générateurs de difficultés de fonctionnement. D'autre part les bandes hautes, UMTS, et très haute, Blue Tooth, ne sont pas du tout envisageables avec un tel réscau. De telles solutions sont donc mauvaises. Elles induisent en elles mêmes des commutations de connexion, génératrices de problèmes d'émission ou de réception. Dans l'invention pour remédier à ce problème, on prévoit de réaliser une antenne dont la partie rayonnante est formée par une couche rayonnante métallisée plane. La couche rayonnante plane comporte alors différents dessins formant des réseaux surfaciques rayonnants. Ces réseaux permettent une amplification par l'adaptation de la longueur des pistes conductrices qui résultent des dessins à la longueur d'onde des ondes électromagnétiques à rayonner par l'antenne. Dans l'invention, on a ainsi été amené à imaginer un dessin dit en H décalé, signifiant que des zones isolantes formant des jambes du H délimitent des pistes conductrices. Ces jambes ne sont pas symétriquement disposées par rapport à la barre horizontale isolante du H. En agissant ainsi on s'est rendu compte que ce décalage permettait d'élargir la bande autour des fréquences considérées, notamment autour de 2400 MHz. A titre complémentaire on a par ailleurs obtenu un bon résultat en réalisant, avec un autre dessin, un élément rayonnant à deux fentes isolantes et en plaçant cet élément rayonnant à deux fentes entre, d'une part le dessin en H décalé et, d'autre part un élément rayonnant principal, essentiellement une bande conductrice. Ce faisant, on a pu constater qu'une influence motuelle contrôlée pouvait s'établir entre les zones rayonnantes du premier dessin et celles du deuxième dessin. Cette influence modifie alors la caractéristique fréquentielle de l'antenne d'une manière très importante en élargissant la bande de fréquence intermédiaire. Cet élargissement de bande est utilisé dans l'invention pour convenir à la bande de fréquence correspondant aux normes DCS, PCS, UMTS, voire DECT. L'invention a donc pour objet un bloc antenne pour dispositif sans fil, comportant une zone rayonnante métallisée plane, caractérisé en ce que la zone rayonnante plane comporte un premier dessin en H décalé pour correspondre à une première bande passante de l'antenne. Il est par ailleurs connu, notamment du document "New Considerations in the Design of Microstrip Antennas" de Naftali Herscovici, "IEEE Transaction on antennas and propagation", vol. 46, n 6, juin 1998, pages 807 et suivantes, de prévoir une antenne comportant une microbande rayonnante sous la forme d'une couche métallisée plane, placée en position élevée par rapport à un circuit qui la porte, notamment un circuit muni d'une surface métallique continue formant plan de masse. La connexion du dessin d'antenne au circuit y est réalisée par l'intermédiaire d'une connexion de transition entre le circuit et la métallisation de dessin d'antenne. Cette connexion de transition se présente sous la forme d'une pièce conductrice s'élevant au-dessus du circuit support. Toutefois, la réalisation ainsi préconisée ne bénéficie pas de degrés de liberté suffisants pour tenir compte, d'une manière supplémentaire, d'un paramètre du rayonnement. Ce paramètre du rayonnement à prendre en considération est l'adaptation en impédance de l'antenne au milieu dans lequel elle est censoe rayonner. En effet, cette antenne doit être adaptée à l'impédance de l'air et par ailleurs tenir compte des circonstances pénalisantes, comme la proximité ou non de la main, ou de la tête, d'un utilisateur d'un téléphone mobile, ou la proximité d'autres structures, notamment métalliques. Il ressort notamment des différentes possibilités d'utilisation d'un téléphone mobile que cette impédance doit pouvoir être adaptée. Notamment il importe de minimiser les pertes à l'endroit de la zone de transition entre des moyens guide d'ondes, électriquement reliés à la sortie du circuit électronique d'émission et de réception, et l'élément rayonnant de l'antenne. En outre un autre problème se pose: celui de la miniaturisation. Une telle miniaturisation limite de fait les solutions techniques envisageables. L'invention vise ainsi à réaliser une antenne multifréquence à large bande. L'intérêt d'avoir des bandes larges est de conserver un gain de l'antenne important même en présence d'éléments perturbateurs tels que masses métalliques qui décalent la fréquence d'accord de l'antenne. En outre l'invention vise à minimiser les pertes au niveau de la transition entre des moyens guides d'ondes et un élément rayonnant ou récepteur. Dans l'invention, ceci est obtenu en réalisant une zone de transition progressive entre ces deux parties. La zone de transition progressive est une zone de transition continue minimisant les pertes par réflexion et permettant un fonctionnement large bande de l'antenne. La zone de transition a préférablement une longueur équivalente à la longueur de la zone rayonnante. Leur différence est due à une inclinaison. Aussi, dans l'invention on a prévu de remédier à ce problème en réalisant une antenne comportant une zone rayonnante et une zone de transition, la zone de transition étant placée sous la zone rayonnante. On pourrait montrer alors qu'en agissant ainsi on peut disposer d'une zone de transition plus grande puisqu'elle peut occuper en pratique une même longueur qu'une antenne qu'elle est censée relier. L'invention a donc pour objet un bloc antenne pour dispositif sans fil, comportant une zone rayonnante et une zone de transition, la zone de transition servant à connecter la zone rayonnante à un circuit électronique émetteur et ou récepteur du dispositif sans fil, caractérisé en ce que la zone rayonnante comporte une première couche métallique, en ce que la zone de transition comporte une deuxième couche métallique, et en ce que les deux couches sont superposoes et reliées électriquement ensemble par un retournement métallique. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit et à l'examen des figures qui l'accompagnent. Celles-ci ne sont présentées qu'à titre indicatif et nullement iimitatif de l'invention. Les figures montrent: - figures 1a à 1d: un exemple de réalisation d'un dessin d'antenne selon un aspect de l'invention; - figure 2: un diagramme spectral de mesures effectuées avec l'antenne des figures 1a à 1d montrant le rapport de l'énergie réfléchie par I'antenne à l'énergie émise par celle-ci; - figures 3a et 3b: des vues de dessous et respectivement de dessus en perspective, d'un bloc antenne selon un aspect de l'invention; figure 4: une vue en coupe des zones rayonnantes et de transition, zone active de l'antenne des figures 3a et 3b. La figure 1a montre un bloc antenne pour téléphone mobile. Par exemple ce bloc antenne comporte une métallisation 1 porté par un support 2, par exemple en plastique ou en céramique. La zone rayonnante 1 peut ainsi être obtenue par un dépôt, notamment un dépôt de vapeur, de métal puis une gravure de la couche métallisée afin de réaliser dans cette zone métallisée des dessins propres à favoriser la résonance, et donc l'émission ou la réception de certaines composantes spectrales. Les composantes spectrales sont justement celles rappelées ci-dessus. Dans ce but la zone rayonnante 1 comporte un premier dessin 3 en forme de H décalé. Ce dessin est par ailleurs rappelé sur la figure 1b. Dans ce dessin 3, une languette métallisée 4 est alignée, mais séparce d'une autre languette métailisée 5. Les deux languettes 4 et 5 sont bordées de part et d'autre par deux fentes gravées 6 et 7. Les deux fentes gravées, sensiblement d'égale longueur, sont reliées entre elles par un pont gravé 8 permettant la mise en regard des deux languettes 5 et 6. Les fentes 6 et 7 et le pont 8 forment des zones isolantes. Par ailleurs, électriquement, les deux languettes 4 et 5 sont alimentées par des canaux de conduction 9 et 10 situés de l'autre côté des languettes respectivement par rapport aux fentes gravoes 6 et 7. Les canaux de conduction aboutissent à une base 11 de connexion de l'antenne. Le décalage des fentes 6 et 7 est tel que la fente 7 est globalement plus proche de la base 11 que ne l'est la fente 6. Les deux languettes 4 et 5 possèdent aussi des longueurs différentes respectivement 12 et 13, correspondant à des longueurs d'onde d'ondes à rayonner par l'antenne. On peut montrer que ce décalage des fentes et également les différences de longueurs 12 et 13 peut conduire à un élargissement de la première bande passante en très haute fréquence, notamment pour la bande de rayonnement correspondant à la norme Blue Tooth. La métallisation 1 formant l'antenne comporte également un deuxième dessin, montré par ailleurs tout seul sur la figure 1c. Ce dessin est formé de deux fentes gravées isolantes 14 et 15 réalisant entre elles une languette 16 et, de part et d'autre, deux canaux de conduction 17 et 18 prenant tous trois leur source dans la base 11. Les canaux 17 et 18 et la languette 16 sont reliés ensemble à leur sommet 19 par un pont électrique. Les deux fentes 14 et 15 permettent de définir une deuxième longueur 20 correspondant à une longueur d'onde moyenne d'une deuxième bande passante de résonance. L'antenne 1 comporte enfin un troisième dessin matérialisé principalement par une bande large 21 dont la longueur 22 permet de définir une troisième longueur d'onde moyenne d'une troisième bande de résonance de l'antenne. La figure 1d montre le troisième dessin individualisé. Dans les faits les trois dessins de métallisations sont réunis ensemble par la base 11 mais sont séparés les uns des autres par des zones isolantes. Ces zones isolantes comportent fondamentalement trois branches respectivement 23, 24 et 25 débouchant ensemble dans un bras isolant 26. Le deuxième dessin 14 - 20 est ainsi contenu, entre les branches 24 et 25, entre le premier dessin 3 - 13 et le deuxième dessin de la bande 21 - 22. La grande bande 21 est par ailleurs continuée, du côté opposé à la base 11 par une connexion 27 perpendiculaire à la bande 21. La connexion 27 est elle-même continuée par une demi bande 28 (de type quart d'onde). Les bandes 21, 27 et 28 sont reliées par des zones de liaison 29 et 30 comprenant toutes deux la particularité de disposer d'un pan coupé respectivement 31 et 32. Les pans coupés 31 et 32 permettent de transporter le signal en évitant des réflexions de nature à amortir le signal transmis. On a pu mesurer que ces pans coupés étaient favorables à un gain de l'antenne 1 dans la bande basse fréquence. L'imbrication ainsi réalisée des dessins est de nature également à favoriser un élargissement de la bande passante de la deuxième bande passante par couplage avec le deuxième dessin. La proximité ainsi du dessin en H décalé et du deuxième dessin à double fente provoque un élargissement de la deuxième bande passante de résonance. De la même façon, la branche 24 d'isolation située entre le premier et le second dessin possède, dans la région de la base 11 une zone isolante 33 en forme de talon s'étendant dans ia direction du premier dessin en H décalé, à partir du deuxième dessin à doubles fentes 14 et 15. De la même façon, le talon 33 possède un pan coupé 34 propice à l'atténuation des réflexions ainsi qu'un moyen de couplage contrôlé des rayonnements provoqués par le deuxième dessin au rayonnement provoqué par le premier dessin. La figure 2 montre un résultat de mesure de la valeur du rapport du signal réfléchi par l'antenne au signal transmis par l'antenne. Les pics représentés montrent en définitive les fréquences dans lesquelles l'antenne résonne correctement. La figure 2 montre ainsi un premier pic 35 correspondant aux fréquences de type GSM 900 MHz. Elle possède également un deuxième et un troisième pic 36 et 37 dus à la présence du deuxième dessin ainsi qu'au couplage avec la languette 4 du premier dessin. Enfin le diagramme de la figure 2 montre un quatrième pic 38 correspondant à la norme Blue Tooth et provoquée par la languette 5. On observera que les deux pics 36 et 37 sont reliés par une bande large (avec des taux de réjection et de réflexion inférieurs à -10dB) permettant le fonctionnement de l'antenne avec un gain acceptable dans toutes les bandes intermédiaires évoquces ci-dessus. Le fait d'avoir placé l'élément rayonnant à deux fentes entre d'un côté l'élément H décalé et de l'autre côté l'élément rayonnant principal modifie la caractéristique fréquentielle de cet élément en élargissant de manière très importante la bande de fréquence. Dans un exemple, l'antenne 1 possède une dimension de 3,5 cm de long par 2,5 cm de large. La figure 3a et la figure 3b montrent, conformément à un objet de l'invention, un circuit de raccordement préféré d'une antenne dans un téléphone mobile. La figure 3a est une vue de l'antenne par le dessous de sa face de rayonnement. La figure 3b est une vue en perspective de la même antenne vue par-dessus, avec la zone de rayonnement visible. Le dessin de rayonnement montré sur la zone rayonnante est un cas particulier. Le bloc antenne pour téléphone mobile ainsi réalisé comporte une zone rayonnante métallisée et plane. Eventuellement, la zone 40 pourrait être réalisée sous la forme d'une plaque métallique. Dans la pratique la zone métallisée 40 est portée par un support 41 en plastique ou en céramique. Le fait de le réaliser en céramique peut permettre de réaliser un support plus petit du fait de la différence de permittivité diélectrique du matériau. La zone rayonnante 40 est relice à une zone de transition 42, figure 3a, elle aussi de préférence portée par le support 41. Dans un exemple, les deux zones sont des métallisations, réalisées notamment en technologie MID, puis ultérieurement gravoes. La zone de transition 42 sert à connecter la zone 40 à un circuit électronique émetteur et/ou récepteur d'un téléphone mobile (non représenté) et accessible par une connexion 43. Le bloc antenne 40-42 présente la particu larité que l es deux cou ch es 40 et 42 sont global ement superposées et reliées électriquement ensemble par un retournement 44 métallique (ou métallisé). Par exemple tout simplement une extrémité du support 41, à l'endroit o est destiné à se placer le retournement 44 possède un bord plus fin et arrondi pour faire se communiquer entre elles deux surfaces, celle portant la métallisation 40 et celle portant la métallisation 42. Dans ce cas, ce bord arrondi forme un retournement permettant à une métallisation 44 d'assurer la continuité entre une zone de transition 42 et une zone de rayonnement 40. Le fait de réaliser la zone 42 sousjacente à la zone 41 permet de disposer pour la zone 42 d'une longueur significative, par exemple et de préférence la longueur de la zone 40. Cette longueur est mesurée dans le sens de propagation du signal à rayonner, de la connexion 43 à la zone 40. Ce faisant, il est possible d'adopter pour la zone 42 une progressivité plus douce de sa largeur, entre une largeur à l'endroit de la connexion à la connexion 43 et une largeur à l'endroit du retournement 44. En agissant ainsi, avec l'élargissement progressif on peut montrer qu'on est mieux capable de s'adapter en impédance à une impédance à obtenir. Le retournement 44 est également montré comme aboutissant à la base 11 de l'antenne de la figure 1a. Le support 41 présente par ailleurs la particularité qu'il a globalement une forme d'un coin. Le coin possède une forme affince à l'endroit du retournement 44. A l'autre extrémité, le support 41 possède un pied droit 45 destiné à s'élever sensiblement perpendiculairement à un circuit 46 sur lequel le bloc d'antenne sera monté. Le circuit 46 porte notamment la connexion 43. Dans ce but le pied droit 45 est muni d'une console 47 elle même percoe d'un orifice 48 pour y engager une vis de maintien du bloc antenne 40-45 sur le circuit 46. La liaison entre la zone de transition 42 et la connexion 43 peut par exemple être réalisée par une boule de soudure placée entre cette piste et une amorce 49 de la zone 42 à l'endroit de la console 47. Cette boule de soudure est ensuite fondue au moment de la connexion. La forme en coin du support 41 confère alors à la zone de transition 42 la particularité de s'élever progressivement au-dessus du plan du circuit 46. Cette élévation progressive, ainsi que la forme globalement triangulaire de la zone de transition 42 et que la hauteur 50 au-dessus du circuit 46 o se situe la zone rayonnante 40 sont autant de paramètres qui permettent d'adapter l'impéJance de l'antenne, et notamment de tenir compte des conditions d'utilisation évoquées ci-dessus. La largeur de la zone de transition cro^t ainsi de la largeur de la connexion 43 jusqu'à atteindre la largeur de la base 11 de la zone rayonnante. La fonction de croissance est une fonction linéaire, variant avec la longueur de la zone 42 et avec la hauteur 50 de la zone de transition. En agissant ainsi, on obtient une impédance constante de la liaison en toutes sections de la zone 42. La largeur d'une section en chaque endroit de la zone 42 est calculée principalement en fonction de la hauteur de cette section par rapport au plan de masse, et ce pour l'impédance voulue. Du fait de l'utilisation de la transition progressive, il a été possible d'utiliser l'antenne en mode large bande en réalisant des découpes créant des segments accordés aux fréquences considérées sur la surface 40 de l'antenne. Dans un cas préféré, le circuit 46 porte, à l'endroit o est placé le bloc antenne 40-45, un plan de masse 51. Dans le cas o le plan de masse 51 est présent, d'une part la longueur de l'élément rayonnant doit être proche du quart de la longueur d'onde minimale à transmettre eVou recevoir, ou être proche d'une demi longueur d'onde s'il n'y a pas de plan de masse 51. En outre, de manière notamment à assurer la stabilité du montage du support 51, celui-ci peut être muni d'un poteau 52 situé à proximité de l'arête de retournement 44. Ce poteau 52 peut également servir pour relier électriquement le retournement 44 (et autrement dit la base 11) au plan de masse 51. Dans ce but le poteau 52 peut comporter une métallisation 53 communiquant avec la zone rayonnante 40. Eventuellement un deuxième poteau est envisageable de l'autre côté du support 41. La figure 4 montre l'allure des métallisations portées par le support 45 en forme de coin. Par exemple la courbure de la métallisation 44 possède un rayon sensiblement égal au tiers de la hauteur 50. Dans un exemple préféré cette hauteur 50 vaut 0,8 cm. REVENDICATIONS 1 - Bloc antenne pour dispositif sans fil, comportant une zone rayonnante métallisée plane, caractérisé en ce que la zone rayonnante plane comporte un premier dessin en H décalé pour correspondre à une première bande passante de l'antenne. 2 - Bloc selon la revendication 1, caractérisé en ce que la zone rayonnante comporte trois dessins imbriqués pour former trois bandes passantes distinctes de l'antenne. 3 - Bloc selon l'une des revendications 1 à 2, caractérisé en ce que la zone rayonnante comporte un deuxième dessin en forme de deux fentes pour correspondre à une deuxième bande passante de l'antenne. 4 - Bloc selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la zone rayonnante comporte un troisième dessin en forme de bande pour correspondre à une troisième bande passante de l'antenne. - Bloc selon les revendications 3 et 4, caractérisé en ce que le deuxième dessin qui correspond à la deuxième bande passante est situé entre le premier dessin en forme de H décalé qui correspond à la première bande passante et le troisième dessin en bande qui correspond à la troisième bande passante. 6 - Bloc selon la revendication 5, caractérisé en ce que la zone rayonnante possède une zone dépourvue de métallisation pour servir de découplage de rayonnement entre le premier et le deuxième dessin. 7 - Bloc selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que la zone rayonnante possède des dimensions de 3,5 cm par 2,5 cm et comporte des