Brevet FR2837339A1 — publié le 20030919

vent realizes sur des signaux numAriques. 1 2837339 L'invention se rapporte au domaine des telecommunications et plus particulierement aux terminaux portables equipes d'une antenne pour communiquer a distance. Actuellement, les terminaux portables de telecommunication comprennent un dispositif de reception compose d'une antenne et d'un dispositif electronique dit "front end RF". Generalement le dispositif de reception fonctionne en outre en emission; le terme transmission est alors utilise. Chaque terminal portable fonctionne sur une bande frequentielle cite bande de fonctionnement ou sur plusieurs bandes de frequence liees chacune a une norme de telecommunication. Ainsi, un terminal portable destine a etre compatible de la norme UMTS fonctionne sur la bande frequentielle 1,92 GHz a 2,17 GHz. L'augmentation du nombre d'utilisateurs de terminaux portables deteriore les performances des reseaux de telecommunication. La bande frequentielle etant une ressource limitee, chaque operateur de telecommunication a pour objectif d'ameliorer constarnment le gain de transmission pour satisfaire toujours plus d'utilisateurs. Dans ce but, le fabricant du terminal portable cherche en particulier a augmenter le gain de l'antenne du terminal. Cette recherche doit tenir compte des contraintes de fonctionnement d'une antenne et des contraintes de surface disponible et de volume disponible specifiques du terminal portable. Toute antenne est dimensionnee en fonction de la bande de fonctionnement du terminal portable. Ainsi, une antenne filaire a generalement une longueur determinee simplement en fonction de la longueur d'onde de la frequence centrale de la bande frequentielle. Bien qu'elle puisse etre telescopique ou encastree dans le bo^tier exterieur du terminal portable, l'antenne filaire depasse souvent des dimensions exterieures de ce bo^tier, ce qui la rend fragile, et est a l' origine d' asperites qui entravent les manipulations du terminal. I1 existe des terminaux portables qui ne comportent pas d'antenne filaire mais qui comportent une antenne planaire protegee a l'interieur du bo^tier. Une telle antenne est imprimee sur une carte mere classique du type Durod ou Epoxy a faible permittivite dielectrique. Dans ces conditions, les dimensions de l'antenne vent limitees par la surface disponible sur la carte mere qui comporte par ailleurs les circuits electroniques du terminal portable. 2 2837339 Aussi, ['invention a pour objet un terminal portable qui permette d'ameliorer le gain de l'antenne sans augmenter la taille du botier exterieur tout en remediant aux inconvenients de l'art anterieur. Un terminal selon ['invention est tel que l'antenne est planaire et plaquee sur une face exterieure du botier. Selon un mode prefere de realisation, l'antenne est protegee par une pellicule de passivation selon des techniques connues. Ainsi, le contact direct avec l' air permet de s ' affranchir de l' effet d' ecran occasionne par le botier exterieur et d'optimiser en consequence le gain de l'antenne pour une surface occupee identique. Pour ameliorer la protection de l'antenne, un mode de realisation particulier d'un terminal selon ['invention comprend une cavite creusee dans le botier et dans laquelle est plaquee l'antenne planaire. Tonjours selon un mode particulier de realisation d'un terminal selon ['invention, l'antenne est une antenne fractale. Le terme fractale designe un objet fracture, de forme tres irreguliere. La theorie des fractales a ete introduite par les mathematicians Gaston Julia et Pierre Fatou et developpee par Benoit B. Mandelbrot dans un ouvrage intitule "The fractal geometry of Nature", Freeman, 1983. Certaines antennes fractales, comme un dipole de Sierpinsky, permettent un fonctionnement multibandes, du fait d'un phenomene de multiresonnances. Certaines antennes fractales comme un monopole de Von Koch, un dip81e de Von Koch ou une boucle de Von Koch ont pour particularite d'etre constituees d'une suite de repliements du metal qui permettent une reduction des dimensions physiques de l'antenne pour une utilisation equivalente en termes de dimensions electriques. Ces antennes ont en effet des dimensions electriques qui different des dimensions physiques. Du fait de la reduction d'encombrement de ces antennes, il est possible, selon un mode particulier de realisation d'un terminal selon ['invention, de disposer au moins deux antennes fractales sur le botier pour permettre un traitement en diversite spatiale des signaux electromagnetiques. D'autres caracteristiques et avantages de ['invention apparaitront lors de la description qui suit d'exemples particuliers de realisation de ['invention. La description est faite en regard des figures suivantes annexees donnees a titre d'exemples non limitatifs. La figure 1 est une vue schematique d'une antenne planaire imprimee sur une carte mere disposee dans un botier d'un terminal portable selon l'art anterieur. 3 2837339 La figure 2 est une vue schematique partielle d'un terminal portable selon ['invention. La figure 3 est un schema d'un mode de realisation particulier d'un terminal selon ['invention. La figure 4 est un schema d'une antenne patch rectangulaire. La figure 5 est un schema d'une antenne fractale cite patch de Cantor. La figure 6 est un schema d'une antenne fractale cite dip81e de Sierpinski. La figure 7 est un schema d'une antenne fractale cite monop81e de Von Koch. La figure 8 est un schema d'une antenne fractale cite monop81e de Von Koch obtenue par iterations successives a partir d'un monop81e simple. La figure 9 est une representation obtenue par simulation du taux d'onde stationnaire d'un exemple de monop81e de Von Koch adapte sur la bande UMTS. La figure 10 est une representation obtenue par simulation du gain d'un exemple de monop81e de Von Koch en fonction de la frequence sur la bande UMTS. La figure 11 est une representation obtenue par simulation du diagramme de rayonnement d'un exemple de monop81e de Von Koch a la frequence centrale de 2,045 GHz de la bande UMTS. La figure 12 est une representation obtenue par simulation des gains obtenus pour deux monop81es de Von Koch de caracteristiques totalement identiques, l'un imprime sur une carte mere a l'interieur d'un botier d'un premier terminal mobile et l'autre imprime sur un substrat plaque sur une face exterieure du boltier d'un second terminal mobile identique au premier terminal. La figure 13 est un schema d'une antenne fractale cite boucle de Von Koch. La figure 14 est un schema d'un terminal portable du type PDA selon ['invention. La figure 1 est une vue schematique d'une antenne planaire dispo see a l' interieur du boltier d'un terminal portable selon l'art anterieur. L'antenne 1 est une version repliee d'un monop81e quart d'onde. Wile est imprimee sur la carte 2 mere du terminal et est alimentee par l'intermediaire d'un point 3 d'alimentation. Cette disposition a pour inconvenient d'imposer de fortes contraintes sur ['elaboration de la carte mere pour prendre en compte les dimensions de l'antenne, la surface de degagement necessaire et la contrainte de constante dielectrique imposee au substrat supportant l'antenne. Bien que cette disposition ait pour avantage de securiser l'antenne en la protegeant par le boltier, en contre-partie le boltier fait ecran a l'antenne et perturbe le diagramme de rayonnement. 4 2837339 La figure 2 est une vue schematique partielle d'un terminal portable selon ['invention. Dans le cadre de ['invention, un terminal portable designe tout aussi bien un telephone mobile, un assistant personnel ou PDA, abreviation des termes anglo-saxons Personal Digital Assistant, un micro-ordinateur portable. Un terminal portable couvre tout dispositif portable equipe de moyens de telecommunication qui permettent a un utilisateur d'etablir une communication a distance. Le terminal 10 portable comprend un botier 11 exterieur et une antenne 12 planaire plaquee sur une 13 des faces exterieures du botier 11. Cette disposition permet avantageusement de supprimer toutes les contraintes imposees au circuit imprime dispose a l'interieur du botier. L'antenne 12 planaire est imprimee sur un circuit 14 imprime specifique; ce dernier peut par consequent etre fabrique beaucoup plus facilement que la carte mere selon l'art anterieur illustre par la figure 1. L'anterne planaire est plaquee sur une face 13 exterieure selon des techniques bien connues et mises en ocuvre lors de la fabrication des cartes a puce. Selon un mode de realisation particulier du terminal illustre par la figure 3, le botier 11 comprend un evidement 15 dans lequel est effectue le report du circuit 14 imprime sur lequel est imprimee l'antenne 12 et ce de facon analogue au report d'une puce sur une carte a puce. Toujours selon des techniques connues pour la fabrication des cartes a puce, l'antenne planaire peut subir un traitement dit de passivation qui permet de la proteger vis a vis de certaines agressions exterieures. L'antenne planaire peut etre realisee sous differentes formes dont des exemples vent donnes ci-apres. La figure 4 est un schema d'une antenne 12 patch rectangulaire. L'antenne 12 est imprimee sur un circuit 14 imprime comprenant un substrat 16 et une face 17 inferieure metallisee servant de plan de masse. L'alimentation de l'antenne 12 est effectuee au moyen d'un point 18 d'alimentation. Les dimensions de l'anterme 12 vent de l'ordre de kg/2 avec vg la longueur dans le substrat 16. Dans la bande de frequence UMTS, les dimensions de l'antenne patch vent de l'ordre de quelques centimetres en fonction du type de substrat utilise. Ainsi, pour un substrat ayant une constante dielectrique Er comprise entre deux et quatre, l'antenne patch rectangulaire occupe une surface variant entre 28 et 14 cm2 a la frequence de resonance correspondent a kg. 2837339 La figure 5 est un schema d'une antenne fractale cite patch de Cantor. L' encombrement de l' antenne 1 2 patch de Cantor est identique ou quasiidentique a l'encombrement de l'antenne patch equivalente illustree par la figure 4. La figure 6 est un schema d'une antenne 12 fractale cite dip81e de Sierpinski. L'encombrement de cette antenne 12 est identique ou quasiidentique a l'encombrement de l' antenne patch equivalente illustree par la figure 4. Cette antenne, comme l' antenne patch de Cantor, a pour avantage de permettre d'obterur une antenne multibande, multiresonance grace a la propriete d' auto similarite qui se retrouve dans sa forme. Cette propriete apparat grace au changement d'echelle du motif de base qui constitue ['ensemble de l'antenne imprimee; le motif de base est un triangle dans le cas du dip81e de Sierpinski. La figure 7 est un schema d'une antenne 12 fractale cite monopOle de Von Koch. Une telle antenne 12 peut etre deduite d'une antenne 19 monop81e simple en lui appliquant un certain nombre d'iterations comme illustre par la figure 8. Cette antenne 12 deduite d'un monopole 19 simple a ['issue de deux iterations presente un encombrement inferieur au monop81e simple. Cette reduction est induite par la suite des repliements du metal qui permettent une reduction des dimensions physiques pour une utilisation equivalente en terme de dimensions electriques. Pour exemple, dans la bande de frequences UMTS, le monop81e de Von Koch ayant pour dimension fractale 1,128 occupe une surface de 1,75 cm2. En prenant en compte un plan reflecteur ayant des dimensions equivalentes a celles d'un terminal mobile du type PDA, ce monop81e a pour caracteristiques de rayonnement: taux d'ondes stationnaires GHz de la bande UMTS. 6 2837339 La figure 12 est une comparaison des gains obtenus pour deux monop81es de Von Koch de caracteristiques totalement identiques, fun imprime sur une carte mere a l'interieur d'un botier d'un premier terminal mobile et l'autre imprime sur un substrat plaque sur une face exterieure du botier d'un second terminal mobile identique au premier terminal. Sur la bande UMTS, le gain du monop81e plaque sur une face exterieure du botier est meilleur que le gain du monop81e imprime sur une carte mere a l'interieur du botier. Les figures 9, 10, 11 et 12 vent issues d'une simulation effectuee avec le programme de simulation ayant pour reference IE3D du concepteur Zeland Software 1 0 Inc. La figure 13 est un schema d'une antenne 12 fractale cite boucle de Von Koch. Comme le monop81e de Von Koch, la boucle permet une reduction des dimensions physiques. Le monop81e de Von Koch permet, tout comme le dip81e de Von Koch, de disposer plusieurs antennes identiques sur un meme terminal portable pour obtenir un dispositif de transmission multicapteurs. Ce dispositif multicapteurs permet d'effectuer ensuite un traitement en diversite spatiale des signaux electromagnetiques. La figure 14 est un schema d'un terminal 10 portable du type PDA selon ['invention qui comprend deux antennes 12, 122 fractales identiques plaquees sur une face 13 exterieure du bo^tier 11; selon ltexemple ces antennes 12, 122 vent des monop81es de Von Koch. Pour permettre un traitement en diversite spatiale des signaux electromagnetiques recus par chacune des antennes, la distance d entre ces antennes est telle que d>/2, avec 1ongueur d'onde de la frequence centrale de la bande frequentielle de fonctionnement, et chaque antenne est reliee a son propre dispositif electronique de reception par l'intermediaire d'un point 18, 182 d'alimentation. 7 2837339 REVENDICATIONS 1. Terminal (10) portable de telecommunication comprenant au moins un botier (11) exterieur et une premiere antenne (12, 12), caracterise en ce que: - la premiere antenne (12, 12) est planaire et plaquee sur une face (13) exterieure du botier (11) pour etre en contact direct avec ['air. 2. Terminal (10) portable de telecommunication selon la revendication 1, dans lequel le botier (11) comprend un evidement (15) dont le fond correspond a la face (13) exterieure. 3. Terminal (10) portable de telecommunication selon Pune des revendications l et 2, comprenant au moins une deuxieme antenne (122) identique a la premiere antenne (12), chacune des antennes (12, 122) etant plaquee sur une face (13) exterieure du botier et positionnee aune distance (d) deterrninee de chaque antenne (12, 122) pour permettre un traitement en diversite spatiale des signaux electromagnetiques recus par chacune des antennes (12, 122), cette distance determinee etant au moins superieure a \/2, avec longueur d'onde de la frequence centrale d'une bande frequentielle de fonctionnement du terminal mobile. 4. Terminal (10) portable de telecommunication selon fune des revendications 1 a 3, dans lequel chaque antenne (12, 12, 122) est une antenne fractale. 5. Terminal (10) portable de telecommunication selon la revendication 4, dans lequel chaque antenne (12, 12, 122) fractale est un monop81e de Von Koch. 6. Terminal (10) portable de telecommunication selon la revendication 4, dans lequel chaque antenne (12, 12, 122) fractale est une boucle de Von Koch. 7. Terminal (10) portable de telecommunication selon la revendication 4, dans lequel chaque antenne (12, 12, 122) fractale est un dipole de Sierpinski. 8. Terminal (10) portable de telecommunication selon la revendication 4, dans lequel chaque antenne (12, 12, 122) fractale est une antenne patch de Cantor. 8 2837339 9. Terminal (10) portable de telecommunication selon l'une des revendications 1 a 8, consistent en un telephone mobile. 10. Terminal (10) portable de telecommunication selon rune des revendications 1 a 8, consistent en un assistant personnel. 11. Terminal (10) portable de telecommunication selon l'une des revendications 1 a 8,