Brevet FR2860927A1 — publié le 20050415

La présente invention a pour objet une antenne interne de faible volume. De façon plus précise, la présente invention concerne une antenne qui peut être disposée effectivement à l'intérieur du boîtier d'un appareil électronique de très faible épaisseur et comportant lui-même un plan de masse, ou par exemple, des circuits imprimés munis de métallisation susceptibles de réaliser l'équivalent d'un plan de masse. Les constructeurs de téléphones portatifs tendent à proposer des appareils qui présentent un encombrement de plus en plus réduit et également une épaisseur de plus en plus réduite. Pour satisfaire à la condition d'encombrement réduit, on utilise des antennes dites internes c'est-à-dire des antennes qui sont intégralement disposées à l'intérieur du boîtier du téléphone portatif. Comme antennes internes, on pourrait envisager des antennes dites PIFA qui sont constituées essentiellement par un élément radiant et qui doit nécessairement fonctionner avec un plan de masse. Ce plan de masse doit, pour un bon fonctionnement de l'antenne, être disposé à une distance de l'ordre de 7 mm de l'élément radiant dans les bandes de fréquence du GSM 900 à 1800. L'épaisseur totale de l'antenne est peut-être trop importante pour pouvoir être utilisée dans des radios téléphones portatifs de très faible encombrement. Au vue de cette difficulté, on a proposé d'utiliser des antennes externes d'épaisseur très réduite. Le problème qui est rencontré avec ces antennes déportées du plan de masse est qu'elles sont dégradées si le plan de masse est réduit. De plus le niveau d'absorption spécifique (SAR) du champ électromagnétique est élevé. Un objet de la présente invention est de fournir une antenne interne de très faible volume, le plan de masse étant bien sûr de préférence celui de l'appareil dans lequel l'antenne est montée. Pour atteindre ce but selon l'invention l'antenne de faible volume comprend: - un plan de masse conducteur; - une première surface conductrice disposée dans un plan sensiblement parallèle au plan de masse et entourant partiellement une portion dudit plan et présentant une première et une dernière extrémité ; 2860927 2 - une deuxième surface conductrice formant un ensemble radiant principal disposée essentiellement dans ladite portion de plan, lesdites deux surfaces conductrices n'étant reliées par aucune liaison électrique conductrice; - un conducteur d'antenne relié à ladite deuxième surface conductrice; - des premiers moyens de connexion électrique pour relier une première extrémité de la première surface conductrice à une première zone du plan de masse; et des deuxièmes moyens de connexion électrique pour relier ladite première surface au moins à proximité de la deuxième extrémité de la première surface conductrice à une deuxième zone du plan de masse distincte de la première zone, l'ensemble constitué par ladite première surface conductrice, la portion de plan de masse reliant électriquement les première et deuxième zones, et les deux moyens de connexion présentant une ouverture. On comprend que dans cette antenne, la partie radiante est constituée par une première surface conductrice disposée en partie dans un plan parallèle au plan de masse et dont une partie est constituée par le plan de masse lui-même. Dans l'espace limité par cette première partie de l'élément radiant, un élément radiant principal constitué par une deuxième surface conductrice est disposé. Cette configuration peut fonctionner de manière très satisfaisante en prévoyant une distance de 2 à 3 mm entre le plan de masse et le plan dans lequel sont disposées la première partie de la première surface conductrice et la plus grande partie de la deuxième surface conductrice. L'expression "n'étant reliées par aucune liaison électrique conductrice" signifie que la seule liaison pouvant éventuellement exister entre les deux surfaces conductrices consiste en une capacité, une self-induction ou des combinaisons de ces composants. L'expression "pour relier ladite première surface au moins à proximité de la deuxième surface au plan de masse" signifie que la liaison électrique a une extrémité effectivement reliée à la deuxième extrémité de la première surface ou que cette extrémité est reliée à a première surface à proximité de la deuxième extrémité de la première surface de telle manière qu'une portion réduite de cette première surface s'étende au-delà du point de liaison. On comprend qu'ainsi, grâce à l'antenne selon l'invention, les surfaces conductrices formant l'élément radiant peuvent être disposées à une distance très réduite du plan de masse qui est bien sûr de préférence celui de l'appareil dans lequel l'antenne est montée. Selon un premier mode de réalisation, les première et deuxième surfaces conductrices sont réalisées sur une face d'un substrat diélectrique qui est bien sûr parallèle au plan de masse. Selon un deuxième mode de mise en oeuvre, les première et deuxième surfaces conductrices sont des portions de tôle découpées qui sont reliées au plan de masse et montées sur celui-ci. Ces portions peuvent être reliées mécaniquement par un ruban adhésif du type commercialisé sous la marque Kapton haute température. De préférence, selon le deuxième mode de mise en oeuvre, lesdits premiers et deuxièmes moyens de connexion électrique sont des extensions de la portion de tôle formant la première surface conductrice, lesdites extensions étant repliées à angle droit, et leurs extrémités sont soudées sur le plan de masse. Selon une autre caractéristique de l'invention, l'ouverture est ménagée dans la première surface conductrice. Selon une autre variante de réalisation, l'ouverture est réalisée dans le plan de masse sur le trajet électrique reliant lesdites deux zones de connexion. De préférence également, l'antenne comprend des moyens 25 d'adaptation d'impédance entre les première et deuxième surfaces conductrices. De préférence également, l'antenne comporte des deuxièmes moyens d'adaptation d'impédance qui sont montés sur l'ensemble constitué par la première surface conductrice et la portion de plan de masse reliant les zones de connexion. De préférence également, ces deuxièmes moyens d'adaptation d'impédance sont constitués par une fente ouverte débouchante réalisée dans le plan de masse. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention 35 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 1 est une vue simplifiée d'un premier mode de réalisation de l'antenne montrant le principe de réalisation de cette antenne; - la figure 1A montre une variante de l'antenne représentée sur la figure 1; - la figure 2 est une vue en perspective d'un mode de réalisation plus détaillé de l'antenne dans le cas où les surfaces conductrices sont 10 réalisées sur un substrat diélectrique; - la figure 3 est une vue de côté de l'antenne de la figure 2; - les figures 3, 4 à 6 montrent différents modes de réalisation des deuxièmes moyens d'adaptation d'impédance sur le plan de masse; - la figure 7 est une vue en perspective d'un mode de réalisation de l'antenne dans lequel les deux surfaces conductrices sont réalisées à l'aide de portions de tôle découpées; - la figure 7A est une vue du plan de masse de l'antenne de la figure 7; - la figure 8 est une courbe montrant les variations du ROS en fonction de la fréquence pour une antenne conforme à l'invention; et - la figure 9 donne le diagramme de Smith pour une antenne conforme à l'invention. En se référant tout d'abord à la figure 1, on va décrire un mode de réalisation simplifié de l'antenne en exposant le principe de réalisation. Sur cette figure on a fait apparaître un plan de masse 10 et qui peut de préférence être le plan de masse de l'appareil dans lequel l'antenne est montée, notamment dans le cas d'un téléphone portatif. Ce plan de masse peut avoir des dimensions 105 x 35 mm. L'antenne dans ce mode de réalisation comporte un support isolant 12 qui est maintenu parallèlement au plan de masse 10 par des moyens non représentés ou un substrat diélectrique d'épaisseur 0,8 mm et de dimension 31 x 13 mm. La distance e entre le substrat, le support isolant 12 et le plan de masse 10 étant comprise entre 2 mm et 3 mm. On voit donc dès à présent que l'antenne complète présente un volume très réduit. Sur le support isolant 12 qui a par exemple une forme sensiblement rectangulaire on réalise une première surface conductrice 14 à l'aide par exemple d'une première métallisation. Cette première métallisation 14 peut suivre 3 des bords du support isolant 12 en laissant un bord 16 de celui-ci libre. Plus généralement, la première métallisation 14 entoure partiellement une portion du support isolant 12a. La première métallisation comporte deux extrémités référencées respectivement 14a et 14b qui sont prolongées par deux pattes conductrices 18 et 20 qui sont coudées, l'extrémité libre de ces pattes 18a et 20a étant soudée par un matériau conducteur sur le plan de masse 10. Dans ce mode de réalisation, la première surface conductrice 14 comporte une ouverture 22 qui est donc réalisée sur le support isolant 12. Si l'on considère les zones de connexion 24 et 26 des pattes conductrices 18 et 20, la première surface conductrice 14, à l'exception de son ouverture 22, forme un circuit électrique fermé qui se referme par la portion de plan de masse 30 représentée de façon simplifiée en pointillés sur la figure 1. L'antenne comporte une deuxième surface conductrice 32 qui est dans ce mode de réalisation entièrement formée sur la face supérieure du support isolant 12 qui est de préférence un substrat diélectrique en verre époxy type FR4. Cette surface conductrice 32 est réalisée sur la portion 12a du support isolant qui est entouré partiellement par la première surface conductrice. Dans le mode de réalisation représenté sur la figure 1, la deuxième surface conductrice 32 est constituée par deux éléments conducteurs 34 et 36 raccordés par une zone de connexion 38. Cette deuxième surface conductrice 32 représentée sur la figure 1 correspond au cas où l'antenne doit disposer de bandes passantes de fréquences suffisantes au fonctionnement prévu. La zone de connexion 38 est raccordée par une patte conductrice coudée 40 à la zone 42 de connexion du conducteur d'antenne 44 de telle manière que cette patte conductrice relie le conducteur axial du câble d'antenne 44 à la zone de connexion 38 (voir figure 3). Si l'on considère l'ensemble des surfaces conductrices décrites précédemment on peut considérer que l'on trouve d'une part un premier ensemble conducteur constitué par la première métallisation 14, par les pattes de connexion 18 et 20 et par le trajet électrique 30 reliant les deux zones de connexion. Cette première surface conductrice est munie d'une ouverture 22. Dans l'espace entouré par le premier ensemble conducteur que l'on vient de décrire est disposée la deuxième surface conductrice 32 qui constitue la partie principale de l'élément rayonnant de l'antenne, la première surface conductrice constituant également un élément rayonnant. Il va de soi que le blindage 44b du câble d'antenne 44 est relié 5 au plan de masse 10 dans la zone repérée L1. De préférence, l'antenne comporte également des premiers moyens d'adaptation d'impédance représentés symboliquement par la référence 46 entre les deux surfaces conductrices 14 et 32. De préférence, ce premier élément d'adaptation d'impédance est obtenu en donnant à la distance e' entre la première surface conductrice et la deuxième surface conductrice sur une longueur donnée une valeur convenable pour obtenir l'impédance souhaitée. Le mode de réalisation de la figure 1A ne se distingue de celui de la figure 1 que sur le point suivant: La première surface conductrice 14 se prolonge par une portion conductrice 15 de faible longueur qui s'étend audelà du point de connexion 14'a de la patte 18 avec ladite première surface. En se référant maintenant aux figures 2 et 3, on va décrire plus en détails un mode de réalisation de l'antenne du type représenté sur la figure 1. Sur cette figure, on retrouve le support isolant 12, le plan de masse 10, la première surface conductrice 14 dont il faut noter qu'elle ne comporte pas l'ouverture 22, les pattes de connexion 18 et 20 pour le premier élément conducteur. On retrouve également la deuxième surface conductrice 32 avec ses deux portions 34 et 36 ainsi que sa patte de connexion 40 au conducteur central du câble d'antenne 44. Dans le mode de réalisation particulier illustré par les figures 2 et 3, on a montré qu'il était possible que la deuxième surface conductrice 32 soit réalisée non seulement sur la première face supérieure 12b du support isolant 12 mais également par une portion 32' réalisée sur la tranche du support isolant et sur sa face inférieure 12d. Cette disposition permet d'augmenter l'aire de la deuxième surface conductrice sans en augmenter l'encombrement. Sur cette figure, on a également représenté dans le plan de masse 10 une fente débouchante 50 qui va de la zone non métallisée 52 entourant le point de connexion d'antenne au bord du plan de masse. Cette fente 50 fonctionnellement joue exactement le même rôle que celui rempli par l'ouverture 22. Sur cette figure, on a également représenté une deuxième fente 54 réalisée dans le plan de masse et qui constitue les deuxièmes moyens d'adaptation d'impédance. Cette fente 54 est raccordée à la fente ouverte 50. Elle est donc elle-même fonctionnellement ouverte. Sur la figure 3, on voit mieux la connexion du câble coaxial d'antenne 44. En particulier on a représenté la liaison électrique entre le blindage 44b du câble avec le plan de masse 10 et la liaison du conducteur central 44a avec la patte de connexion 40. Le blindage du câble 44 est raccordé au plan de masse 10 dans la zone repérée L1. Dans ce mode de réalisation, la distance e entre la surface conductrice réalisée sur le substrat diélectrique 12 et le plan de masse est comprise entre 2,5 et 3 mm, l'épaisseur du substrat isolant peut être de l'ordre de 0,8 mm et les dimensions du substrat support isolant 12 peuvent être de 13 mm par 31 mm. On voit donc que l'antenne selon l'invention présente effectivement une épaisseur réduite et un volume également très réduit (inférieur ou égal à 1 cm3). Grâce à sa disposition, cette antenne comporte son propre plan de masse qui est, comme on l'a déjà indiqué, de préférence celui de l'appareil dans lequel est montée l'antenne. Sur les figures 4 à 6 on a représenté différents exemples de formes de fentes 54' réalisées dans le plan de masse pour constituer les deuxièmes moyens d'adaptation d'impédance et qui sont raccordées à la fente débouchante 50. Dans le cas de la figure 5, la fente 54' est débouchante à ses deux extrémités. Sur ces figures, L1 représente le point de connexion du blindage du conducteur d'antenne 44. Sur la figure 7, on a représenté une variante de réalisation dans laquelle les deux surfaces conductrices constituant l'ensemble radiant sont réalisées à l'aide de tôles découpées conductrices. Sur cette figure on retrouve la première surface conductrice référencée 14' et qui présente une première extrémité 14a connectée au plan de masse par une patte coudée 60 et une deuxième extrémité 14b reliée au plan de masse par une deuxième patte coudée 62. La deuxième surface conductrice est constituée par une tôle portant la référence générale 32' qui est disposée dans le même plan que la tôle 14'. La tôle 32' est découpée de telle manière que l'élément radiant global soit accordé sur les longueurs d'onde dans lesquelles l'antenne doit fonctionner. La zone de connexion de l'antenne est raccordée par une patte conductrice 64 au câble d'antenne 44 non représenté. De préférence, pour assurer la tenue mécanique des deux tôles 14' et 32' constituant les deux surfaces conductrices, ces tôles sont munies de pattes de maintien mécanique telles que 64, 66, 68, 70. Ces pattes 66, 68, 70 ne doivent bien sûr pas constituer des connexions électriques avec la plan de masse 10. Elles seront donc soudées sur le support du plan de masse dans des zones dépourvues de métallisation comme le montre mieux la figure 7a. Dans l'exemple représenté sur la figure 7 la première surface conductrice constituée par la tôle 14' est dépourvue d'ouverture au sens de la figure 1. Cette ouverture est constituée à nouveau par une fente débouchante 72 réalisée dans le plan de masse. Sur la figure 7a, on a représenté le plan de masse 10 en vue de dessus pour y faire apparaître en particulier la zone de connexion de la patte 64 reliée au conducteur central du coaxial d'antenne, une fente 72 qui débouche et qui constitue fonctionnellement de l'ouverture 22 ménagée dans la première surface conductrice de l'antenne de la figure 1, ainsi qu'une deuxième fente 74 qui ne débouche pas dans la périphérie du plan de masse et qui constitue avantageusement le deuxième élément d'adaptation d'impédance. La figure 8 est une courbe qui donne le ROS d'une antenne conforme à l'invention en fonction de la fréquence (F). Cette antenne correspond plus particulièrement au mode de réalisation de la figure 2 avec le plan de masse représenté sur la figure 4. Le repère 1 correspond à 880 MHz, le repère 2 à 960 MHz, le repère 4 à 1 710 MHz et le repère 5 à 1 880 MHz. On voit qu'on obtient de très larges bandes passantes dans les domaines de fréquences utilisées en téléphonie. La figure 9 est un diagramme de Smith de la même antenne qui donne en coordonnées polaires l'impédance en fonction de la fréquence. Le diagramme montre que, dans les plages de fréquences de fonctionnement de l'antenne, l'impédance est proche ou très proche de 50 Ohms, et les deux boucles B1 et B2 indiquant qu'on a deux bandes de fréquence bien marquées. Selon une variante de réalisation, les premiers moyens d'adaptation d'impédance sont réalisés par un composant capacitif monté entre lesdites deux surfaces. Selon une autre variante de réalisation, les deuxièmes moyens d'adaptation d'impédance sont constitués par un composant capacitif monté sur une zone dudit ensemble constitué par la première surface conductrice et ladite portion de plan de masse sur le chemin entre lesdites zones. REVENDICATIONS 1. Antenne interne de faible volume comprenant: - un plan de masse conducteur; - une première surface conductrice disposée dans un plan sensiblement parallèle au plan de masse et entourant partiellement une portion dudit plan et présentant une première et une dernière extrémité ; - une deuxième surface conductrice formant un ensemble radiant principal disposée essentiellement dans ladite portion de plan, lesdites deux surfaces conductrices n'étant reliées par aucune liaison électrique conductrice; - un conducteur d'antenne relié à ladite deuxième surface conductrice; - des premiers moyens de connexion électrique pour relier une première extrémité de la première surface conductrice à une première zone du plan de masse; et - des deuxièmes moyens de connexion électrique pour relier ladite première surface au moins à proximité de la deuxième extrémité de la première surface conductrice à une deuxième zone du plan de masse distincte de la première zone, l'ensemble constitué par ladite première surface conductrice, la portion de plan de masse reliant électriquement les première et deuxième zones, et les deux moyens de connexion présentant une ouverture. 2. Antenne selon la revendication 1, caractérisée en ce que lesdites première et deuxième surfaces conductrices sont réalisées sur une face d'un support isolant ou d'un substrat diélectrique sensiblement parallèle au plan de masse. 3. Antenne selon la revendication 2, caractérisée en ce qu'une partie de ladite deuxième surface conductrice est réalisée sur la deuxième face du support isolant ou du substrat diélectrique. 4. Antenne selon la revendication 1, caractérisée en ce que lesdites première et deuxième surfaces conductrices sont des portions de tôles découpées. 5. Antenne selon la revendication 4, caractérisée en ce que lesdits premiers et deuxièmes moyens de connexion électrique sont des extensions de la portion de tôle formant la première surface conductrice, lesdites extensions étant repliées à angle droit, et dont les extrémités sont soudées sur le plan de masse. 6. Antenne selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, 5 caractérisée en ce que ladite ouverture est ménagée dans ladite première surface conductrice. 7. Antenne selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisée en ce que ladite ouverture est réalisée sur le plan de masse sur le chemin reliant lesdites deux zones. 8. Antenne selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisée en ce qu'elle comprend des moyens d'adaptation d'impédance entre lesdites première et deuxième surfaces conductrices. 9. Antenne selon la revendication 8, caractérisée en ce que lesdits moyens d'adaptation d'impédance sont réalisés en ménageant une distance prédéterminée entre une portion de ladite première surface et une portion de la deuxième surface. 10. Antenne selon la revendication 8, caractérisée en ce que lesdits moyens d'adaptation d'impédance sont réalisés par un composant capacitif monté entre lesdites deux surfaces. 11. Antenne selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisée en ce que des deuxièmes moyens d'adaptation d'impédance sont montés sur l'ensemble constitué par la première surface conductrice et la portion de plan de masse reliant lesdites zones. 12. Antenne selon la revendication 11, caractérisée en ce que 25 lesdits deuxièmes moyens d'adaptation d'impédance sont constitués par une fente dans le plan de masse. 13. Antenne selon la revendication 11, caractérisée en ce que lesdits deuxièmes moyens d'adaptation d'impédance sont constitués par un composant capacitif monté sur une zone dudit ensemble constitué par la première surface conductrice et ladite portion de plan de masse sur le chemin entre lesdites zones.