Brevet FR2849288A1 — publié le 20040625

La présente invention a pour objet une antenne de faible volume destinée à être utilisée notamment mais non exclusivement dans un radiotéléphone portatif. Dans les radiotéléphones portatifs, on connaît l'utilisation 5 d'antennes en forme d'hélice qui sont le plus souvent montées à l'extérieur du boîtier du radiotéléphone Ces antennes peuvent avoir une dimension relativement réduite mais elles sont disposées à l'extérieur du boîtier pour être associées à un plan de masse qui est disposé lui à l'intérieur du boîtier du radiotéléphone. On sait que la tendance dans la réalisation des radiotéléphones est de supprimer toute antenne externe pour disposer celle-ci à l'intérieur du boîtier La tendance est également à la réduction des dimensions du radiotéléphone ou du moins à l'intégration dans le radiotéléphone pour une dimension externe donnée d'un plus grand nombre de composants. Il en résulte qu'il est intéressant pour la conception d'un radiotéléphone de disposer d'une antenne interne et de dimensions relativement réduites. Pour satisfaire à la première condition, on a proposé d'utiliser dans les radiotéléphones des antennes à plaque du type Pi Fa ou similaire. 20 Ces antennes à plaque qui sont constituées essentiellement par un plan de masse et par une plaque rayonnante, plus généralement un élément radiant sensiblement parallèle au plan de masse, comportent également une connexion de court-circuit entre l'élément radiant et le plan de masse ainsi qu'une alimentation d'antenne généralement à 50 Ohms mais non 25 exclusivement et réalisée le plus souvent à l'aide d'une ligne microstrip ou de connecteurs coaxiaux ou de connecteurs à contacts parallèles dont l'impédance caractéristique est voisine de 50 Ohms. Dans la gamme de fréquences utilisées pour les radiotéléphones et notamment pour la gamme de fréquences 30 correspondant au GSM, dont la fréquence centrale est de l'ordre de 920 M Hz, la distance minimale entre l'élément radiant et le plan de masse est de l'ordre de 7 à 10 mm, du moins lorsque le diélectrique disposé entre l'élément radiant et le plan de masse est de l'air Cette épaisseur de l'ordre de 7 à 10 mm est considérée comme trop importante pour la 5 réalisation des radiotéléphones Or, on constate que, si l'on cherche à réduire l'épaisseur de l'antenne Pi Fa pour porter celle-ci par exemple à moins de 5 mm, la bande passante de cette antenne est considérablement réduite, ce qui la rend pratiquement inutilisable Les antennes à plaque connues ne répondent donc pas davantage à la deuxième condition 10 énoncée ci-dessus. Un objet de la présente invention est de fournir une antenne notamment utilisable dans un radiotéléphone portatif qui présente un très faible volume dont l'épaisseur est réduite. De préférence également l'antenne doit être d'une architecture 15 qui permet son utilisation au moins dans deux bandes de fréquence. Pour atteindre ce but selon l'invention l'antenne de très faible volume pour appareil portatif comprend: une première surface conductrice sensiblement disposée dans une première surface géométrique ayant une forme non fermée entourant 20 un espace interne et raccordable au module émetteur récepteur en masse indépendante dudit appareil; et une deuxième surface conductrice disposée sensiblement dans une deuxième surface géométrique sensiblement confondue avec ladite première surface géométrique et située dans ledit espace interne et 25 formant un ensemble rayonnant raccordable au conducteur de l'alimentation de l'antenne, ce par quoi ladite antenne ainsi formée est semi-indépendante des éléments dudit appareil. On comprend que l'antenne étant constituée par les deux surfaces conductrices sensiblement disposées sur une même surface 30 géométrique mentionnées ci-dessus, I'antenne peut avoir une épaisseur très réduite qui est soit l'épaisseur de la tôle métallique dans laquelle ses surfaces sont découpées, soit l'épaisseur du substrat isolant flexible ou non flexible sur lequel des métallisations ont été réalisées En fait, c'est la connectique qui augmente localement l'épaisseur de cette antenne. En outre, on comprend que l'on peut donner à la deuxième métallisation qui constitue l'ensemble radiant de l'antenne une forme telle que l'antenne puisse fonctionner dans les gammes GSM 850 (USA), GSM 900 (Europe) et dans les gammes DCS 1800 (Europe) et PCS 1900 (USA). Comme on l'expliquera ultérieurement plus en détail, cette antenne présente une très large bande, par exemple de l'ordre de 25 % et se caractérise par une semi-indépendance vis à vis des éléments et composants du poste radiotéléphone Par semi-indépendance, on veut dire que le fonctionnement de l'antenne n'est pas affectée par les autres 15 composants ou éléments du dispositif dans lequel l'antenne est montée. L'antenne n'est perturbée que par la présence, à sa proximité immédiate, d'une masse ou d'une source de radiations ex: batterie On notera aussi que la masse de l'antenne doit être alimentée directement au module émetteur récepteur en masse indépendante de la masse de l'appareil. De préférence, cette antenne est montée à l'intérieur de l'appareil qu'elle équipe Cependant, compte tenu de sa forme sensiblement disposée sur une même surface géométrique, il peut être intéressant de la déposer dans l'organe mécanique externe qui constitue l'accroche de l'appareil notamment dans le cas d'un radiotéléphone. On comprend également que, grâce à l'invention, il est possible de fabriquer l'antenne par la réalisation de métallisation de géométries convenables sur un support isolant flexible qui est initialement plan. Ensuite, cette antenne peut être fixée sur une pièce mécanique ou un composant qui n'est pas plan, le support isolant flexible s'adaptant à la forme particulière de la pièce mécanique ou du composant, I'antenne ayant alors la forme d'une surface géométrique gauche. En outre, différentes solutions d'alimentation de l'antenne sont possibles: a) asymétrique Liaison coaxiale, (connecteurs, câbles) b) symétrique lignes parallèles, (connecteurs) Du fait que les éléments radiants et plaque conductrice sont sur 10 un même plan, il devient facile d'intégrer des composants électroniques actifs ou passifs permettant un réglage de la fréquence. 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 15 limitatifs La description se réfère aux figures annexées sur lesquelles: la figure 1 A est une vue de dessus d'un mode de réalisation de l'antenne; la figure l B est une vue en coupe verticale de l'antenne de la figure 1 A selon la ligne B-B; les figures 2 A, 2 B et 2 C montrent des premières variantes de réalisation de la première surface conductrice; les figures 2 D et 2 E montrent des deuxièmes variantes de réalisation de la première surface conductrice la figure 3 montre une variante de réalisation de l'antenne dans 25 laquelle elle comprend des composants actifs; la figure 3 A montre des courbes illustrant l'effet des composants additionnels; la figure 4 est une vue de dessus d'un mode préféré de réalisation; et la figure 5 est une courbe montrant le fonctionnement de l'antenne de la figure 4. En se référant tout d'abord aux figures 1 A et l B, on va décrire un premier mode de réalisation de l'antenne selon l'invention L'antenne 5 est constituée par une première surface conductrice 10 sensiblement plane constituée par une bande conductrice 12 dont la ligne moyenne 14 a sensiblement la forme d'un rectangle à l'exception d'une ouverture 16 et dont la largeur e est sensiblement constante La longueur du rectangle est égale à L et sa largeur I La bande conductrice 12 définit intérieurement 10 un espace interne 18. Dans l'espace interne 18, I'antenne comporte une deuxième surface conductrice 20 sensiblement plane et sensiblement disposée dans le même plan que la première surface conductrice 10. La surface conductrice 20 est constituée par une portion de 15 connexion 22 et par une portion formant l'élément radiant de l'antenne 24. Dans ce mode de réalisation, l'élément radiant 24 est constitué par une première branche 26 raccordée à la zone de connexion 22 et par une deuxième branche plus courte 28. Par sensiblement plane, il faut entendre que les surfaces 20 conductrices sont planes aux défauts de planéité près liés à la technologie pour les réaliser Par l'expression "les deux surfaces conductrices sont disposées sensiblement dans un même plan" il faut entendre également que les plans de ces deux surfaces conductrices sont confondus au défaut technologique de réalisation près. Dans ce mode de réalisation, les surfaces conductrices 10 et 20 sont constituées par des métallisations réalisées sur un support isolant 30. Ce support isolant 30 peut être de toute nature convenable, par exemple réalisé en époxy, ou du type substrat isolant souple. Ainsi qu'on l'a déjà indiqué, lorsque le support isolant est souple ou flexible, l'antenne réalisée peut ensuite être fixée sur un support non plan dont le support flexible épousera la forme. C'est pourquoi, dans sa définition la plus grande, l'antenne est 5 constituée par les deux surfaces conductrices qui sont sensiblement disposées sur une même surface géométrique qui peut être gauche. La zone de connexion 22 de la deuxième surface conductrice 20 définit un point 32 de connexion du conducteur d'antenne et la première surface conductrice 10 comporte une métallisation supplémentaire 34 10 constituant une connexion de masse raccordable au module émetteur récepteur en masse indépendante. L'antenne peut comporter en outre un connecteur 38 pour relier effectivement l'élément radiant 24 au conducteur d'antenne et pour relier le point de masse 34 à reliée au module émetteur récepteur en masse 15 indépendante de l'appareil dans lequel l'antenne est intégrée Le connecteur 38 peut être un connecteur coaxial Il faut que les points de connexion 32 et 34 soient placés de telle manière à avoir une impédance généralement proche de 50 Ohms pour être raccordés au conducteur central et au conducteur extérieur du connecteur coaxial 38 Le 20 connecteur peut également être un connecteur double voies à deux contacts parallèles dont la distance entre les deux contacts sera judicieusement choisie pour avoir une impédance caractéristique d'entrée géneralement proche de 50 Ohms. Comme on l'expliquera plus en détail ultérieurement en liaison 25 avec la figure 4, l'antenne ainsi réalisée présente un volume très réduit Sa longueur L et sa largeur I peuvent être respectivement de l'ordre de 28 à 33 mm et de 7 à 13 mm Son épaisseur qui est celle du substrat isolant 30 peut être de l'ordre de 0,1 mm En fait, c'est l'épaisseur du connecteur 38 et /ou des composants passifs et/ou actifs qui définissent dans cette 30 direction l'encombrement total de l'antenne. Il faut ajouter que la géométrie de la première surface conductrice 10 pourrait être différente dès lors qu'elle définit effectivement un espace interne 18 ouvert car cette surface conductrice doit être appariée à l'élément radiant 24. Les figures 2 D et 2 E montrent deux autres formes possibles pour la première surface conductrice 12. Sur la figure 2 D, la première surface conductrice 12 a comporte un petit côté 13 qui a une largeur supérieure aux autres côtés De plus, l'ouverture 16 ' réalisée dans le deuxième petit côté 13 ' n'a pas une 10 position médiane. Sur la figure 2 E, la première surface conductrice 12 b a une forme polygonale irrégulière à six côtés Une telle forme permet d'adapter l'encombrement de l'antenne à l'environnement externe tout en entourant la deuxième surface conductrice constituant l'ensemble rayonnant. On comprend que l'on ne sortirait pas de l'invention si les surfaces conductrices 10 et 20 n'étaient pas constituées par des métallisations réalisées sur un substrat isolant 30 et ultérieurement gravées par tout procédé convenable pour définir la forme particulière de ses deux surfaces, mais obtenues par découpe d'une tôle métallique Cette 20 tôle métallique pourrait avoir une épaisseur de l'ordre de 0,2 à 0,3 mm Il serait alors bien sr nécessaire de prévoir un support mécanique isolant pour maintenir l'une par rapport à l'autre les deux surfaces conductrices. les figures 2 A, 2 B et 2 C montrent des variantes de réalisation de la première surface conductrice La deuxième surface conductrice peut 25 avoir une forme telle qu'elle définisse deux éléments radiants ou plus dont les dimensions correspondant à deux bandes de fréquence distinctes ou plus de deux. Dans ce cas, la première surface conductrice, ayant la forme d'une bande conductrice définissant un rectangle ouvert, ne peut être 30 accordée avec les deux éléments radiants. Il a été constaté qu'en ajoutant à la bande conductrice 12 représentée sur les figures 1 A et 2 au moins une extension conductrice équivalent à un filtre ou à un piège, une amélioration de la semiindépendance pour les bandes de fréquences utilisées. Sur la figure 2 A, on a représenté la bande conductrice ouverte 12 et, symboliquement, les deux éléments radiants 20 ' La première surface conductrice comprend en outre une extension conductrice 70 raccordée au point médian A du petit côté non ouvert 72 de la bande 12 Pour des raisons de compacité, l'extension 70 est disposée 10 le long d'un des grands côtés de la bande 12. Dans le cas du mode de réalisation de la figure 2 B, l'extension conductrice 74 a une extrémité 74 a qui est raccordée à une extrémité ouverte 76 de la bande 12. Dans le mode de réalisation représenté sur la figure 2 C, la 15 première surface conductrice comprend en plus de la bande 12 deux extensions conductrices 78 et 80, la première extrémité 78 a, 80 a des extensions étant raccordée à une extrémité ouverte 76, 76 ' de la bande 12. La figure 3 montre un exemple de réalisation de l'antenne 20 équipée de composants actifs. Sur la figure 3, on retrouve la première métallisation constituée par la bande conductrice 12 avec son ouverture 16 et sa zone de contact de masse 34 a. On retrouve également la deuxième surface conductrice 20 qui, 25 dans ce mode de réalisation, est constituée par deux éléments radiants 21 et 23 raccordés à la zone de connexion 25 qui comporte elle-même la zone de contact d'antenne 32 a On y a également fait apparaître le câble d'antenne 90 avec son conducteur central 90 a et son blindage 90 b. Dans ce mode de réalisation, la bande conductrice 12 et 30 l'élément radiant 23 sont chacun munis d'un composant actif constitué respectivement par les varactors VI et V 2 montés en série sur la métallisation correspondante, I'énergie électrique d'alimentation des varactors est apportée par le blindage 90 b du câble d'antenne qui alimente une source d'alimentation continue variable 92 Le point 5 milieu 92 c de la source d'alimentation 92 est raccordé au blindage du câble, alors que les bornes de sortie 92 a et 92 b de la source servent à alimenter les varactors V 1 et V 2 La zone de contact 32 a est raccordée au conducteur central 90 a du câble par une métallisation 94 raccordée à la zone de contact 32 a, traversant l'ouverture 16, et par une capacité de 10 blocage C. La borne de sortie 92 a de la source 92 est raccordée à la métallisation 94 par une self d'arrêt L 1 La borne de sortie 92 b de la source 92 est raccordée à la zone de contact de masse 34 a par une self d'arrêt L 2 et une extension conductrice 96 L'extrémité 23 a de la 15 métallisation 23 est raccordée à la zone de contact de masse 34 a par une self d'arrêt L 3 pour l'alimentation du varactor V 2 et la métallisation 21 est raccordée à la bande conductrice L 4 pour l'alimentation du varactor V 1. En faisant varier la tension continue délivrée par la source 92, on modifie la capacité aux bornes des varactors Vl et V 2. Ces composants actifs ou passifs, qui peuvent être des varactors, Jfet, MEMS, des inductances, des capacités ou des combinaisons des deux, permettent d'augmenter la longueur électrique de l'élément radiant ou éventuellement concomitamment de la deuxième surface conductrice pour adapter l'antenne à une autre bande de 25 fréquence sans modifier le dessin de l'antenne. La figure 3 A montre la transformation d'une résonance de 890 M Hz à 984 M Hz soit environ 100 M Hz par commutation d'un élément passif. En se référant maintenant à la figure 4, on va décrire un mode 30 perfectionné de réalisation de l'antenne, cette antenne étant capable de fonctionner dans deux plages de fréquence correspondant dans ce cas particulier respectivement à 4 bandes GSM 850, GSM 900, DCS 1800 et PCS 1900. Dans ce mode de réalisation, la première surface conductrice 5 est constituée par la bande conductrice 12 ' dont la ligne moyenne 14 ' est un rectangle à l'exception de l'ouverture 16 ', la largeur e sensiblement constante de cette bande étant égale à 1 mm dans ce mode de réalisation. Les contacts de masse 34 ' et alimentation d'antenne 42 sont matérialisés par une métallisation de surface supplémentaire, par exemple en or pour 10 I'utilisation par exemple de contacts à ressort. La deuxième surface conductrice 20 ' qui est entièrement disposée à l'intérieur de l'espace interne 18 ' limité par la bande conductrice 12 ' constitue un ensemble radiant pour l'antenne, cet ensemble radiant définissant dans ce cas particulier deux éléments 15 radiants accordés sur deux bandes de fréquence distinctes Plus précisément, la surface conductrice 20 ' comporte une zone de connexion 40 munie du contact d'antenne 42 La surface conductrice 20 ' comporte une première portion 44 constituant un premier élément radiant pour la bande de fréquence la plus élevée, DCS ou PCS L'élément 20 radiant 44 a la forme générale d'un U constitué par les deux branches 46 et 48 raccordées à une de leurs extrémités par la portion conductrice 50. L'extrémité 48 a de la branche 48 est raccordée à la zone de connexion 40. Le deuxième élément radiant 52, correspondant à la bande de fréquences la plus basse, est accordé sur la bande de fréquence GSM 850 ou 900. 25 Cette portion 52 comprend une première branche rectiligne 54 dont l'extrémité 54 a est raccordée à la zone de connexion 40 et une deuxième branche 56, les extrémités 54 b et 56 b sont raccordées entre elles par une portion de surface conductrice 58 en forme de U dont l'axe x,x' est orthogonal à la direction des branches 54 et 56. La bande conductrice 12 ' est définie de telle manière qu'elle soit accordée avec les éléments radiants 44. De préférence, pour que la première surface conductrice soit accordée sur les deux bandes de fréquence correspondant aux deux 5 éléments radiants, la bande conductrice 12 ' est complétée par une extension 80 constituée par une bande métallique additionnelle dont une extrémité 80 a est raccordée électriquement au centre 82 du petit côté non ouvert de la bande 12 ' L'autre extrémité 80 b de la métallisation 80 est libre. Dans le mode de réalisation représenté sur la figure 4, l'ouverture 16 ' ménagée dans la bande 12 ' a une longueur égale à 2 mm. Plus généralement, cette ouverture doit avoir une longueur très réduite par rapport à celle de la bande conductrice 12 ' De préférence, l'ouverture a une longueur inférieure à 3 mm. La figure 5 illustre le fonctionnement de l'antenne représentée sur la figure 4 Elle montre le ROS (VSWR) en fonction de la fréquence F, et fait apparaître l'importance de la bande passante pour la gamme GSM 850, 900 M Hz et pour la gamme DCS, PCS. Il est important de noter que l'ensemble des métallisations 20 constituant la première surface conductrice 12 ' et la deuxième surface conductrice 20 ' est très compact et occupe la plus grande partie du rectangle de longueur L et de largeur I Quant à l'épaisseur de l'antenne, elle est égale à l'épaisseur du substrat isolant 30 ' sur lequel elle est réalisée si l'on excepte l'épaisseur du connecteur qui lui est associé. Ainsi qu'on l'a déjà expliqué, l'antenne représentée sur la figure 4 peut être réalisée sur un support isolant souple Cette antenne peut être fixée sur une surface non plane du dispositif sur lequel elle est montée Les surfaces géométriques contenant les deux surfaces conductrices sont alors gauches et les courbes définissant ces surfaces 30 sont des courbes à 3 dimensions. REVENDICATIONS 1 Antenne de très faible volume large bande pour appareil portatif caractérisée en ce qu'elle comprend: une première surface conductrice, sensiblement disposée dans 5 une première surface géométrique, ayant une forme non fermée entourant un espace interne et raccordable au module émetteur récepteur en masse indépendante dudit appareil; et une deuxième surface conductrice disposée sensiblement dans une deuxième surface géométrique sensiblement confondue avec 10 ladite première surface géométrique et située dans ledit espace interne et formant un ensemble rayonnant raccordable au conducteur de l'alimentation de l'antenne, ce par quoi ladite antenne est semi-indépendante des éléments dudit appareil. 2 Antenne selon la revendication 1, caractérisée en ce que 15 ladite première surface a la forme générale d'une bande conductrice dont la ligne moyenne a la forme d'un polygone définissant une ouverture entre ses deux extrémités. 3 Antenne selon la revendication 2, caractérisée en ce que ladite ouverture a une longueur au plus égale à 3 mm. 4 Antenne selon la revendication 2 ou 3, caractérisée en ce que ladite deuxième surface définit au moins deux éléments radiants adaptés en longueur pour résonner dans les bandes de fréquences de travail de l'antenne. Antenne selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, 25 caractérisée en ce que ladite deuxième surface définit une zone de connexion et d'une pluralité d'éléments radiants correspondant à des bandes de fréquences de travail. 6 Antenne selon la revendication 4, caractérisée en ce que la bande formant ladite première surface est accordée à un des éléments 30 radiants. 7 Antenne selon la revendication 6, caractérisée en ce ladite première surface comprend en plus de ladite bande au moins une extension conductrice raccordée électriquement à ladite bande. 8 Antenne selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, 5 caractérisée en ce qu'elle comprend en outre au moins un composant actif ou passif, raccordé électriquement à au moins une desdites surfaces conductrices. 9 Antenne selon la revendication 8, caractérisée en ce que ledit composant est actif et l'alimentation continue dudit composant actif se fait 10 par l'alimentation coaxiale RF de l'antenne. Antenne selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisée en ce qu'elle comprend en outre un connecteur coaxial relié à chacune desdites surfaces conductrices. 11 Antenne selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, 15 caractérisée en ce qu'elle comprend en outre un connecteur double voies, chaque voie étant respectivement connectée à une desdites surfaces conductrices. 12 Antenne selon l'une quelconque des revendications 1 à 11, caractérisée en ce qu'elle comprend en outre un support isolant rigide ou 20 flexible sur une des faces duquel sont réalisées lesdites première et deuxième surfaces conductrices. 13 Antenne selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisée en ce que lesdites surfaces conductrices sont constituées par une tôle conductrice usinée. 14 Antenne selon l'une quelconque des revendications 1 à 13, caractérisée en ce que ladite surface géométrique est gauche. Antenne selon l'une quelconque des revendications i à 13, caractérisée en ce que ladite surface géométrique est un plan.