Brevet FR2896341A1 — publié le 20070720

La présente invention concerne une antenne compacte portable, plus particulièrement une antenne destinée à la réception de signaux de télévision, notamment la réception de signaux numériques sur un dispositif électronique portable tel qu'un ordinateur portable, un PDA (assistant personnel) ou tout autre dispositif similaire nécessitant une antenne pour recevoir des signaux électromagnétiques. Il existe actuellement sur le marché des accessoires, des équipements permettant de recevoir les signaux pour la télévision numérique terrestre (TNT) directement sur son ordinateur portable. La réception des io signaux de télévision numérique terrestre sur un ordinateur portable permet de bénéficier de la puissance de calcul dudit ordinateur pour le décodage d'une image numérique, notamment pour décoder un flux d'images numériques compressées au format MPEG2 ou MPEG4. Le plus souvent, ces équipements sont commercialisés sous la forme d'un boîtier avec deux 15 interfaces, à savoir une interface terrestre RF (Radio - Fréquences) pour une connexion à une antenne VHFUHF intérieure ou extérieure et une interface USB pour la connexion à l'ordinateur. Les dispositifs actuellement sur le marché sont en général constitués d'une antenne indépendante telle qu'une antenne de type fouet ou 20 boucle montée sur un boîtier portant un connecteur USB. La demanderesse a proposé dans la demande de brevet français n 05 51009 déposée le 20 avril 2005, une antenne compacte large bande couvrant l'ensemble de la bande UHF, constituée par une antenne de type dipôle. Cette antenne est associée à une carte électronique pouvant se 25 connecter sur un appareil portable en utilisant notamment un connecteur de type USB. De manière plus spécifique, l'antenne décrite dans la demande de brevet français n 05 51009, comporte un premier et un second bras conducteurs alimentés en différentiel, l'un des bras, dit premier bras, formant 30 au moins un capot pour une carte électronique. De manière plus spécifique, le premier bras a la forme d'un boîtier dans lequel vient s'insérer la carte électronique comportant les circuits de traitement des signaux reçus par l'antenne de type dipôle. Ces circuits sont le plus souvent reliés à un connecteur de type USB permettant la connexion à un ordinateur portable ou à tout autre dispositif similaire. La solution proposée dans cette demande de brevet couvre l'ensemble de la bande UHF. Toutefois, pour pouvoir assurer une couverture commerciale la plus large possible avec un produit de ce type, il est important de pouvoir recevoir, en plus de la bande UHF (470-862 MHz) au moins la bande VHF-III (174-225... 230 MHz) dans laquelle certains pays, comme l'Allemagne ou l'Italie, continuent de diffuser des multiplex io numériques. La présente invention concerne donc une antenne compacte portable permettant de répondre à cette demande. L'antenne compacte portable conforme à l'invention comporte un premier élément rayonnant de type dipôle, fonctionnant dans une première 15 bande de fréquences et formé d'un premier bras conducteur et d'au moins un second bras conducteur alimentés en différentiel, le premier bras, appelé bras froid, formant au moins un capot pour une carte électronique, caractérisée en ce que le second bras, appelé bras chaud, se prolonge par un élément filaire, la longueur de l'ensemble formé du premier bras, du 20 second bras et de l'élément filaire étant choisie pour assurer un fonctionnement dans une seconde bande de fréquences. Selon une caractéristique de la présente invention, la longueur de l'ensemble est égale à a,2 / (2 x (1 + a)) avec a,2 la longueur d'onde à la fréquence centrale de la second bande de fréquences et a un coefficient 25 compris entre 0 et 1. De préférence, a est un coefficient compris entre 0.15 et 0.2. Ce coefficient sert à ajuster la fréquence de résonance théorique de l'antenne par rapport à la fréquence d'utilisation de manière à pouvoir assurer son adaptation. Selon un mode de réalisation préférentiel de la présente invention, 30 la première bande de fréquences est la bande UHF et la seconde bande de fréquences est la bande VHF, de préférence la bande VHF-III. Pour un fonctionnement en bande UHF, les premier et second bras présentent chacun une longueur égale à X1/4 où X1 est la longueur d'onde à la fréquence centrale de la première bande de fréquences, à savoir la bande UHF. Selon un mode de réalisation, l'élément filaire est prévu dans le bras chaud. Selon encore un autre mode de réalisation, l'élément filaire est formé de tronçons rétractables dans un fourreau solidaire du bras chaud. D'autre part, pour obtenir une antenne fonctionnant en diversité, le premier élément rayonnant comporte deux seconds bras montés à rotation à io une extrémité du premier bras, chaque second bras se prolongeant par un élément filaire. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront à la lecture de la description de différents modes de réalisation, cette description étant faite avec référence aux dessins ci-annexés dans 15 lesquels : FIG. 1 est une vue en perspective schématique d'une antenne telle que décrite dans la demande de brevet français n 05 51009 au nom de la demanderesse. FIG. 2 est une vue en perspective schématique d'un premier 20 mode de réalisation d'une antenne conforme à la présente invention. FIG. 3 est un diagramme donnant les longueurs des différents éléments formant l'antenne conforme à la présente invention. FIG. 4 représente les parties réelles et imaginaires de l'impédance de l'antenne ayant les dimensions données à la FIG. 3 sur les bandes de 25 fréquence VHF et UHF. FIG. 5 représente deux courbes d'adaptation, l'une étant la réponse en S11 de l'antenne sans réseau d'adaptation, l'autre étant la réponse en S11 d'une antenne avec un réseau d'adaptation. FIG. 6 est une représentation schématique du réseau d'adaptation 30 utilisé pour obtenir les résultats de FIG. 5. FIG. 7 est une courbe donnant les pertes du réseau d'adaptation. FIG. 8 est une courbe donnant le gain de l'antenne en bande VHF et UHF. FIG. 9 est une courbe représentant l'efficacité de l'antenne en bande VHF et UHF. FIG. 10 représente les diagrammes de rayonnement respectivement dans les bandes UHF et VHF, obtenus par simulation d'une antenne conforme aux FIG. 3 et FIG. 4. FIG. 11 est une représentation schématique en perspective d'un autre mode de réalisation d'une antenne conforme à la présente invention. io FIG. 12 est une représentation en perspective schématique d'une partie d'une antenne selon encore un autre mode de réalisation de la présente invention. FIG. 13 représente les résultats de simulation des parties réelle et imaginaire de l'impédance de l'antenne de FIG. 12, avec ou sans fente. 15 FIG. 14 représente schématiquement différentes orientations pour l'élément filaire de l'antenne de FIG. 2. FIG. 15 représente les courbes d'adaptation des différents modes de réalisation de la FIG. 14. FIG. 16 est une vue schématique d'un mode de réalisation d'une 20 antenne conforme à la présente invention, permettant d'obtenir de la diversité. FIG. 17 est une représentation schématique d'une carte électronique utilisée avec les antennes conformes à la présente invention. 25 Pour simplifier la description, dans les figures les mêmes éléments portent les mêmes références. On décrira tout d'abord avec référence à la figure 1, un mode de réalisation d'une antenne de type dipôle, utilisable pour la réception de la 30 télévision numérique terrestre sur un ordinateur portable ou dispositif similaire, conforme à la demande de brevet français n 05 51009 au nom de la demanderesse. Comme représenté sur la figure 1, cette antenne de type dipôle comporte un premier bras 1 conducteur appelé aussi bras froid et un second bras 2 conducteur appelé aussi bras chaud, les deux bras étant reliés l'un à l'autre par l'intermédiaire d'une zone d'articulation 3 située à l'une des extrémités de chacun des bras. De manière plus spécifique, le bras 1 présente sensiblement la forme d'un boîtier permettant de recevoir notamment une carte électronique. Le boîtier présente une partie 1 a de forme sensiblement rectangulaire, se prolongeant par une partie incurvée 1 b s'évasant progressivement pour que io l'énergie soit rayonnée progressivement, ce qui favorise l'adaptation sur une plus large bande de fréquences. La longueur du bras 1 est sensiblement égale à X1/4 où X1 représente la longueur d'onde à la fréquence centrale de fonctionnement. Ainsi, la longueur du bras 1 est proche de 112 mm pour un fonctionnement dans la bande UHF (bande de fréquences comprise entre 15 470 et 862 MHz). Comme représenté sur la figure 1, l'antenne comporte un second bras 2 monté à rotation autour de l'axe 3 qui représente aussi le point de connexion de l'antenne au circuit de traitement de signal, à savoir à la carte électronique non représentée insérée dans le boîtier formé par le bras 1. La 20 connexion électrique de l'antenne est réalisée par un brin métallique, par exemple un câble coaxial ou similaire, tandis que l'axe de rotation est réalisé en un matériau relativement transparent aux ondes électromagnétiques. Comme représenté sur la figure 1, le bras 2 articulable autour de l'axe 3 présente une longueur sensiblement égale à X1/4. Le bras 2 présente 25 aussi un profil incurvé suivi d'une partie rectangulaire plate permettant de le replier complètement contre le bras 1 en position fermée. Le bras 2 étant monté à rotation en 3 par rapport au bras 1, cela permet de modifier l'orientation du bras 2 de manière à optimiser la réception du signal de télévision. 30 L'antenne représentée à la figure 1 a été dimensionnée pour fonctionner dans la bande UHF. Toutefois, pour assurer une couverture commerciale la plus large possible, il est intéressant qu'une antenne de ce type puisse recevoir, en plus de la bande de fréquences UHF, la bande de fréquences VHF, plus particulièrement la bande de fréquences VHF-III (174-225... 230 MHz) dans laquelle certains pays tels que l'Allemagne ou l'Italie continuent de diffuser des multiplex numériques. Ainsi, sur la figure 2, on a représenté un premier mode de réalisation d'une antenne conforme à la présente invention, pouvant fonctionner à la fois dans la bande UHF et dans la bande VHF, comme cela sera expliqué de manière plus détaillée ci-après. La connexion aux circuits de traitement de signaux est ainsi réalisée au niveau de l'axe 3. io Comme représenté sur la figure 2, l'antenne conforme à la présente invention comporte un premier bras 1 ou bras froid présentant, comme le bras 1 de l'antenne de figure 1, la forme d'un boîtier. Ce bras 1 se prolonge par un bras 2 ou bras chaud relié au bras 1 à rotation par l'intermédiaire d'un axe 3. 15 Conformément à la présente invention et comme représenté sur la figure 2, le bras chaud 2 se prolonge par un élément filaire ou brin 4. L'ensemble constitué du bras 1, du bras 2 et de l'élément filaire 4 est réalisé en un matériau conducteur, de préférence un matériau métallique ou métallisable. 20 Conformément à la présente invention et comme expliqué plus en détail avec référence au schéma de la figure 3, la longueur totale, à savoir la longueur électrique de l'ensemble formé du bras 1, du bras 2 et de l'élément filaire 4 est choisie pour permettre l'adaptation de l'antenne dans la bande VHF-III (174-230 MHz) et UHF (470-862 MHz). En conséquence, la longueur 25 totale est sensiblement égale à 0.5 x X2/ (1 + a) dans laquelle a,2 représente la longueur d'onde à la fréquence centrale de la bande VHF-III et a représente un coefficient compris entre 0 et 1, de préférence entre 0.15 et 0.2, ce coefficient servant à ajuster la fréquence de résonance théorique de l'antenne par rapport à la fréquence d'utilisation de manière à pouvoir 30 assurer son adaptation, comme cela sera expliqué plus en détail ci-après. Pour pouvoir recevoir en bande UHF, comme mentionné ci-dessus avec référence à la figure 1, le bras 1 et le bras 2 ont des longueurs L1 et L2 sensiblement égales et telles que L1 X1/4 et L2 X1/4 où X1 est la longueur d'onde à la fréquence central de la bande UHF. Ainsi, pour une fréquence centrale UHF de 666 MHz, la longueur de chacun des bras 1 et 2 du dipôle est sensiblement égale à 11 cm. Pour assurer le fonctionnement en bande VHF, comme représenté sur la figure 3, la longueur totale de l'ensemble constitué du bras 1, du bras 2 et de l'élément filaire 4 est égale à environ X2/2 (2 x (1 + a)) où a,2 est la longueur d'onde à la fréquence centrale de la bande VHF. De préférence, a est compris entre 0.15 et 0.2. Cela revient à adapter l'antenne à une io fréquence légèrement supérieure à la fréquence centrale soit f f2 x (1 + a). En fait, ce décalage permet, tout en conservant un bon rendement, l'adaptation de l'antenne à la fréquence de travail. En effet, comme illustré sur la figure 4, à la résonance, à savoir lorsque la partie imaginaire est nulle, l'impédance présentée par l'antenne est élevée. Cette impédance a une 15 valeur d'environ 1000 ohms. Il est donc difficile d'adapter l'antenne sur une impédance de charge de l'ordre de 50 ou 75 ohms, par exemple. Pour obtenir une impédance d'antenne plus faible, il est possible de rechercher une fréquence de fonctionnement située au dessus de la fréquence de résonance. Toutefois, pour minimiser la taille de l'élément filaire, il est 20 préférable de faire fonctionner l'antenne plutôt en dessous de la fréquence de résonance ; c'est pourquoi, pour minimiser la taille de l'antenne, la fréquence de résonance est choisie au dessus de la fréquence de travail. Ainsi, comme représenté sur la figure 3, la longueur de l'élément filaire métallique 4 est égale à L3 0.5 x X2/(1 + a) - X2/2. On obtient donc, 25 pour une fréquence de fonctionnement dans la bande VHF de F2 = 200 MHz et un coefficient a = 0.175, une longueur d'élément filaire d'environ 41 cm. Avec le mode de réalisation décrit ci-dessus, dans la bande VHF, l'antenne peut être vue comme un dipôle asymétrique. D'autre part, aux fréquences UHF, le plan d'impédance électrique ramené par l'élément filaire 30 au bord du bras chaud, à savoir du bras 2, est équivalent à un plan de circuit ouvert et reste donc relativement transparent aux fréquences UHF. En utilisant les règles de conception décrites ci-dessus, l'ajout d'un élément 8 2896341 filaire métallique à l'extrémité du bras chaud, perturbe très peu le fonctionnement de l'antenne dans la bande UHF. On décrira maintenant avec référence aux figures 5 à 10, les résultats de simulation obtenus avec une antenne conforme à la présente 5 invention, telle que décrite ci-dessus. Les simulations d'antennes ont été effectuées avec le logiciel IE3D de chez Zeland. Le matériau utilisé pour les simulations est defini avec une conductivité de 4.9x107 (S/m) et une épaisseur de 35 dam. L'optimisation du réseau d'adaptation présenté Figure 6 a été effectué sous le logiciel ADS de chez Agilent Technologies. io La figure 5 représente deux courbes d'adaptation, l'une étant la réponse en S11 de l'antenne simulée sans réseau d'adaptation et l'autre la réponse en S11 de l'antenne simulée avec un réseau d'adaptation tel que celui représenté à la figure 6. Le réseau d'adaptation est constitué par une impédance Z ayant une valeur Zc = 75 ohms dans le mode de réalisation 15 représenté. II comporte une self LI montée en série entre l'antenne A et l'impédance Z. La self LI présente une valeur de 20 nH. Ce réseau d'adaptation permet une adaptation sur une charge de 75 ohms, à la fois en bande VHF et en bande UHF. La figure 5 montre l'amélioration de la réponse en S11 apportée par le réseau d'adaptation sur les deux bandes de 20 fréquences VHF et UHF. Le niveau en S11 dans la bande de fréquence VHF (respectivement UHF) est alors meilleur que -0.7dB (respectivement -4dB), les marqueurs (m3, m7, m10 et m12) indiquant les niveaux de S11 obtenus après optimisation pour l'antenne avec son réseau d'adaptation. D'autre part, comme représenté sur la figure 7, les pertes du 25 réseau d'adaptation sont de 2.5 dB en bande UHF, à savoir entre 470 et 862 MHz et de 8 dB en bande VHF, à savoir entre 174 et 230 MHz. La figure 8, qui représente le gain de l'antenne sur les deux bandes, montre que le gain en bande VHF est compris entre ù 6 dB et 1.8 dB tandis que celui en bande UHF est compris entre 0.5 dB et 3 dB. 30 De plus, comme représenté sur la figure 9, qui représente l'efficacité de l'antenne dans les deux bandes, l'antenne présente une efficacité d'au moins 20 % en bande VHF et d'au moins 58 % en bande UHF. 9 2896341 D'autre part, sur la figure 10, on a représenté les diagrammes de rayonnement simulés d'une antenne telle que représentée à la figure 2, respectivement dans les bandes UHF et VHF. Ces diagrammes quasi omnidirectionnels confirment que l'antenne a un comportement de type 5 dipôle dans les deux cas. On décrira maintenant diverses variantes de réalisation. Ainsi, sur la figure 11, on a représenté une première variante dans laquelle l'élément filaire est constitué d'éléments rétractables 4a, 4b, 4c. L'un des éléments 4a forme un fourreau métallique 4a fixé sur le bras chaud 2 dans lequel peut io venir s'insérer les deux autres éléments 4a, 4b formant le brin filaire. Cela permet d'adapter l'antenne en utilisant le brin filaire que si une réception en bande VHF est nécessaire. Dans ce cas, le fonctionnement en UHF est sensiblement le même car la longueur des éléments rétractables dépassant le bras chaud ramènent à l'extrémité de celui-ci un plan de circuit ouvert, ce 15 qui rend relativement transparent les éléments rétractables. Par ailleurs, la faible augmentation d'épaisseur dans le bras chaud, localisé au niveau du fourreau métallique 4a, ne dégrade pas le fonctionnement UHF d'autant plus qu'il est d'ailleurs connu de l'homme de l'art que l'augmentation du volume d'une antenne dipôle a tendance à augmenter sa largeur de bande 20 d'adaptation. Sur la figure 12, on a représenté encore un autre mode de réalisation de la présente invention. Dans ce cas, le bras chaud 2 est muni d'une fente 2' à coté de laquelle vient s'insérer l'élément filaire 4. Ce mode de réalisation permet de réduire la longueur de l'élément filaire. En effet, 25 comme représenté sur la figure 13 qui donne les parties réelle et imaginaire de l'impédance d'antenne avec ou sans fente, on voit que l'ajout d'une fente de 0.2 mm de large et de 9 cm de long, fait descendre de 14 MHz la fréquence de résonance. En fait, à fréquence de résonance égale, la longueur de l'élément filaire conducteur diminue de 4 cm. 30 La proportion entre la longueur de la fente 2a et la réduction de l'élément filaire, dépend de la longueur d'onde relative entre l'élément filaire conducteur dans l'air et la prolongation de l'élément filaire le long du bras 2.10 On étudiera maintenant avec référence aux figures 14 et 15, l'influence que peut avoir la position de l'élément filaire conducteur 4 par rapport au bras chaud 2 de l'antenne. En effet, l'élément filaire conducteur 4 n'est pas nécessairement tendu dans le prolongement du bras chaud 2. Comme représenté sur la figure 15, qui représente l'adaptation S11 pour les trois positions VI, V2, V3 représentées à la figure 4, on s'aperçoit que l'antenne garde un comportement tout à fait acceptable en bande VHF et UHF, quelle que soit la position de l'élément filaire 4. Cette modification de la forme de l'élément filaire permet donc d'avoir une certaine flexibilité pour l'adaptation de l'antenne, pour un canal de réception donné. On décrira' maintenant, avec référence à la figure 16, un mode de réalisation particulier de l'antenne, permettant d'obtenir un système d'antennes à diversité pouvant fonctionner en bande UHF et en bande VHF. Dans ce cas, le bras conducteur froid 1 est connecté à deux bras chauds, à savoir les bras 2 et 2a. Comme pour le mode de réalisation de la figure 2, chaque bras chaud se prolonge par un brin filaire conducteur (4, 4') qui, dans le mode de réalisation représenté, est monté dans une gaine non conductrice 5 englobant les deux brins 4 et 4'. Cette réalisation particulière permet de former une boucle pour suspendre l'antenne. Les dimensions des différents éléments de ce système d'antenne sont calculées, comme mentionné pour l'antenne de la figure 2. On décrira d'autre part, avec référence à la figure 17, un exemple de carte électronique qui peut être utilisée avec une antenne conforme à la présente invention, telle que décrite à la figure 2. Cette carte électronique est destinée à s'insérer dans le boîtier contenant le bras froid 1 comme capot ou comme élément de boîtier. Cette carte électronique 10 comporte un amplificateur LNA 11 auquel vient se connecter le câble coaxial de l'antenne au niveau de l'articulation 3. Le LNA 11 est relié à un tuner intégré 12 traitant à la fois la bande VHF et la bande UHF. Le tuner 12 est relié à un démodulateur 13 dont la sortie est connectée à une interface USB 14 elle-même reliée à un connecteur USB 15. II est donc possible avec ce système de connecter l'antenne sur l'entrée USB d'un ordinateur portable ou de tout 2896341 Il autre élément d'affichage, ce qui permet de recevoir en particulier, la télévision numérique terrestre sur son ordinateur, son PDA ou autre dispositif portable. 20 REVENDICATIONS 1 û Antenne compacte portable comportant un premier élément rayonnant de type dipôle fonctionnant dans une première bande de fréquences et formé d'un premier (1) et au moins un second (2) bras conducteurs alimentés (3) en différentiel, le premier bras, appelé bras froid, formant au moins un capot pour une carte électronique, caractérisée en ce que le second bras appelé bras chaud se prolonge par un élément filaire conducteur (4 ; 4a, 4b, 4c), la longueur de l'ensemble formé du premier bras, du second bras et de l'élément filaire étant choisie pour assurer un fonctionnement dans une seconde bande de fréquences. 2 ûAntenne selon la revendication 1, caractérisée en ce que la longueur de l'ensemble est égale à X2/ (2 x (1 + a)) avec a,2 la longueur d'onde à la fréquence centrale de la seconde bande de fréquence et a un coefficient compris entre 0 et 1. 3 û Antenne selon la revendication 2, caractérisée en ce que a est compris entre 0.15 et 0.2. 4 û Antenne selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que la première bande de fréquences est la bande UHF et la seconde bande de fréquences est la bande VHF. 25 5 û Antenne selon la revendication 4, caractérisée en ce que la bande de fréquences VHF est la bande VHF-III. 6 û Antenne selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisée en ce que l'élément filaire (4) est inséré à coté d'une fente (2') prévue dans le 30 bras chaud (2). 5 10 13 2896341 7 ù Antenne selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisée en ce que l'élément filaire est formé d'éléments rétractables (4a, 4b, 4c) dans un fourreau (4a) solidaire du bras chaud (2). 8 ù Antenne selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisée en ce que le premier élément rayonnant comporte deux seconds bras (2, 2') montés à rotation à une extrémité du premier bras, chaque second bras se prolongeant par un élément filaire (4, 4'). 9 ù Antenne selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisée en ce que les premier et second bras présentent chacun une longueur égale à X1/4 où I1 est la longueur d'onde à la fréquence centrale de la première bande de fréquences.