Brevet FR2970377A1 — publié le 20120713

La présente invention concerne un système d'antennes de type monopôle de dimensions réduites qui est destiné à être utilisé dans des dispositifs de télécommunications mobiles. Dans les dispositifs de télécommunications mobiles actuels, tels que par exemple les téléphones portables, les tablettes communicantes ou encore les clés USB modem, le problème d'augmentation de la bande de fréquences couverte par les systèmes d'antennes actuellement embarqués dans ces dispositifs est un véritable défi d'autant plus difficile à relever que ces dispositifs sont de plus en plus petits. En effet, l'augmentation de cette bande de fréquences vers les fréquences basses requiert qu'un volume relativement important soit réservé dans ces dispositifs pour ces systèmes d'antennes, ce qui est antagoniste avec le souhait de vouloir des dispositifs toujours plus petits. Par ailleurs, l'augmentation de cette bande de fréquences vers les fréquences basses et hautes implique très souvent l'ajout d'éléments rayonnants supplémentaires qui accroît, là encore, le volume réservé pour le système d'antennes. Le déploiement prochain de la norme 4G LTE (Long Term Evolution), qui couvre une bande de fréquences s'étendant de 705 à 2700 MHz, illustre cet antagonisme car les dispositifs existants aujourd'hui qui répondent aux recommandations des normes actuelles 2G/3G comportent un système d'antennes de type monopôle de dimensions réduites qui est prévu pour couvrir la totalité de la bande de fréquences qui s'étend de 825 à 2170MHz. Un tel système d'antennes est illustré à la Fig. 1. Le système comporte deux éléments rayonnants 200 et 201 et un plan de masse 210. L'élément 200 est relié à une source d'alimentation 220 tandis que l'élément 201 est relié à une source d'alimentation 221. L'élément 200 est par exemple prévu pour fonctionner comme antenne multi-bandes et couvrir deux sous-bandes s'étendant de 825 à 960 MHz et 1710-1990 MHz tandis que l'élément 201 est prévu pour couvrir une sous-bande de fréquence s'étendant de 2110 à 2170 MHz. Les éléments 200 et 201 sont couplés entre eux au niveau d'une zone 230. Ce couplage inductif est faible car les deux éléments 200 et 201 sont éloignés l'un de l'autre pour éviter des interférences entre ces deux éléments rayonnants. Toutefois ce couplage est avantageux car il permet une légère réduction de la taille de chacun des éléments 200 et 201. Pour étendre la bande de fréquences couverte par de tels systèmes d'antennes, il est connu de coupler à un élément rayonnant un élément parasite, c'est-à-dire un élément qui est directement relié au plan de masse. Toutefois, l'inventeur a observé que cette solution ne permettait d'étendre que très légèrement la (ou les) sous-bandes couvertes par un élément rayonnant du système d'antennes et que cette extension n'était pas suffisante pour obtenir des bandes de fréquences conformes aux futures normes de télécommunications mobiles (système 2G/3G/4G LTE avec diversité). De plus, l'introduction d'élément parasite, bien qu'augmentant légèrement une sous-bande couverte par un élément rayonnant, diminue très souvent la sous-bande couverte par ce même élément rayonnant ou par un autre élément rayonnant voisin. Le problème résolu par la présente invention est de définir un système d'antennes de type monopôle qui puisse couvrir une bande de fréquences très large tout en minimisant le volume réservé à ce système d'antennes dans un dispositif de télécommunication mobile. A cet effet, la présente invention concerne un système d'antennes de type monopôle qui comprend une pluralité d'éléments destinés à rayonner pour couvrir chacun au moins une sous-bande d'une bande de fréquences donnée. Le système est caractérisé en ce que chaque élément est relié à une source d'alimentation et chaque élément est couplé avec chacun de ses éléments rayonnants voisins au niveau de zones de fort couplage électromagnétique. La combinaison de l'alimentation de chaque élément rayonnant du système et du fort couplage entre ces éléments permet à chaque élément rayonnant de couvrir une sous-bande bien plus importante que celle obtenue par couplage de cet élément avec un élément parasite. De plus, cette combinaison permet d'obtenir un volume réduit du système d'antennes car la longueur de chacun des éléments couplés est réduite comparée à ce qu'elle serait dans un système de l'état de la technique. Cette réduction est d'autant plus importante lorsqu'un élément comporte plusieurs éléments voisins car l'effet des multiples couplages avec ses voisins permet de réduire d'autant la longueur de cet élément. Cette combinaison permet également une très bonne stabilité d'adaptation lorsque les éléments rayonnants sont soumis à un environnement de proximité différent de l'espace libre, c'est-à-dire que ces éléments rayonnants sont par exemple soumis à des effets de doigt ou de tête ou que ces éléments sont à proximité d'un plan de masse. En effet, l'inventeur a observé que la stabilité de son système dépassait la stabilité d'adaptation que pourrait avoir un système d'antennes comportant des éléments rayonnants reliés à une source d'alimentation mais non fortement couplés entre eux. Le système d'antennes selon la présente invention est donc très bien adapté pour être embarqué dans une clé USB ploguée sur un ordinateur dont la structure de masse varie d'un ordinateur à l'autre et où le positionnement de la clé USB modem diffère entre un ordinateur et un autre ce qui impacte les performances des systèmes d'antennes actuels. De plus, le système d'antennes selon la présente invention permet l'emploi d'une même configuration des éléments rayonnants pour des structures de masse proches et est donc peu sensible au redimensionnement du plan de masse ou à l'implantation de nouveaux blindages, puisque le système d'antennes est peu sujet à la désadaptation dû à la proximité d'un environnement différent de l'espace libre. Selon un mode de réalisation, une zone de fort couplage entre deux éléments rayonnants est une zone dans laquelle la distance entre les deux éléments est comprise entre 2^ /30 et X, /300 avec X, la plus grande longueur d'onde opérationnelle en espace libre. Selon un mode de réalisation, une zone de fort couplage entre deux éléments rayonnants est localisée de manière à obtenir sur chacun de ces deux éléments une répartition de courant la plus proche possible. Selon un mode de réalisation, les éléments rayonnants sont enroulés dans un même sens. Ceci permet d'optimiser les performances de rayonnement du système ainsi que le volume réservé à ces éléments dans un dispositif de télécommunications mobile. Selon un mode de réalisation, au moins l'un des éléments est prévu pour rayonner dans plus d'une sous-bande de fréquences de la bande de fréquences donnée. Le nombre d'éléments du système peut ainsi être réduit. Selon un mode de réalisation, au moins deux éléments sont prévus pour rayonner dans au moins une même sous-bande de la bande de fréquences donnée. Le système peut alors mettre en oeuvre un mécanisme de diversité d'antennes. Les caractéristiques de l'invention mentionnées ci-dessus, ainsi que d'autres, apparaîtront plus clairement à la lecture de la description suivante d'un exemple de réalisation, ladite description étant faite en relation avec les dessins joints, parmi lesquels: La Fig. 1 représente un exemple de système d'antennes de type monopôle de l'état de la technique, La Fig. 2 représente schématiquement un premier mode de réalisation d'un système d'antennes selon la présente invention, La Fig. 3 représente schématiquement un second mode de réalisation d'un système d'antennes selon la présente invention, Les Fig. 4 à 6 représentent des variantes du système d'antennes selon la présente invention. Les références des éléments des Figs. qui sont identiques portent sur les mêmes éléments. A la Fig. 2 est représenté schématiquement un mode de réalisation du système d'antennes de type monopôle. Le système comporte un plan de masse 110 et trois éléments 100, 101 et 102 de type monopôle qui sont destinés à rayonner dans une sous-bande de fréquences d'une bande de fréquences donnée. Chacun des éléments 100, 101, 102 est relié à une source d'alimentation 120, 121 et 122 respectivement. Chacune de ces sources d'alimentation est reliée au plan de masse 110. Par ailleurs, chaque élément 100, 101 et 102 est couplé avec chacun de ses éléments rayonnants voisins au niveau de zones de fort couplage électromagnétique. Les dimensions et les formes des éléments rayonnants 100, 101 et 102 sont déterminées pour couvrir une sous-bande de fréquences particulière de la bande de fréquences donnée. Par ailleurs, un élément rayonnant peut assurer le rôle d'une antenne multi-bandes en couvrant plus d'une sous-bande de la bande de fréquences donnée. De plus, deux éléments rayonnants peuvent couvrir une même sous-bande pour permettre la mise en oeuvre d'une fonctionnalité de diversité d'antennes largement connue de l'homme du métier. A la Fig. 2, par exemple, l'élément 100 est couplé à l'élément 101 au niveau d'une zone de fort couplage 130 et l'élément 100 est également couplé à l'élément 102 au niveau d'une zone de fort couplage 131. Ces deux zones de fort couplage 130 et 131 créent ainsi un système d'antennes dans lequel chaque élément rayonnant est couplé avec chacun de ses éléments rayonnants voisins. L'élément 100 peut alors être prévu, par exemple, pour couvrir la bande s'étendant de 705 à 960MHz une fois couplé avec les éléments 101 et 102, l'élément 101 couvre la bande 1710 à 2690MHz une fois couplé avec l'élément 100 et l'élément 102 couvre également la bande 705 à 960MHz une fois couplé avec l'élément 100. L'élément 102 est ici prévu pour mettre en oeuvre de la diversité d'antennes. Dans le cas où la diversité d'antennes n'est pas requise, les éléments rayonnants couvrent chacun une sous-bande distincte de la bande de fréquences donnée. Selon l'invention, chacun des éléments est couplé à son ou ses plus proches éléments rayonnants voisins grâce à un fort couplage capacitif qui se produit lorsque la distance entre deux éléments couplés est comprise entre 2^ / 30 et 2,, / 300 avec 2^, la plus grande longueur d'onde opérationnelle en espace libre. C'est le fait de coupler un élément rayonnant relié à une source d'alimentation avec ses éléments rayonnants voisins (qui sont également reliés à des sources d'alimentation) qui permet d'obtenir des sous-bandes plus larges que celle obtenues par des systèmes d'antennes qui utilisent, pour augmenter la largeur de ces sous-bandes, un couplage d'un élément rayonnant relié à une source d'alimentation avec un voire plusieurs éléments parasites (qui ne sont pas reliés à des sources d'alimentation). Par ailleurs, le couplage d'un premier élément rayonnant, selon l'invention, avec un autre élément rayonnant ne dégrade pas la sous-bande connexe à la sous-bande couverte par ce premier élément au contraire d'un couplage avec un élément parasite. La localisation des zones de fort couplage 130 et 131, la distance minimale entre les éléments rayonnants qui caractérise la force du couplage et la longueur de ces zones de fort couplage, dépendent des fréquences de résonance voulues pour les éléments du système d'antennes. Cette localisation dépend de la répartition des courants aux fréquences considérées. En effet, il s'agit d'obtenir sur chacun des éléments couplés entre eux une répartition de courant la plus proche possible afin d'au minimum doubler la largeur de la sous-bande couverte par l'un de ces éléments. Cet effet est analogue à celui employé par certains réseaux d'antennes à large bande, sans pour autant induire une directivité du diagramme de rayonnement. Ces répartitions de courant sur ces éléments couplés étant dépendantes de la structure de masse du système, à un système correspond une zone de localisation pour une fréquence donnée. De même et pour les mêmes raisons, la disposition d'un élément par rapport à l'autre dépend de la structure de masse du système. Par exemple, suivant cette structure, l'élément 100 peut être positionné entre les éléments 101 et 102 pour une structure de masse où l'élément 101 peut être positionné entre 100 et 102 pour une autre structure de masse. Afin d'obtenir pour une fréquence donnée une répartition de courant proche sur les éléments couplés dans le cas où l'encombrement de ces éléments est critique, ces éléments sont enroulés dans le même sens pour une performance maximale du système. La présente invention ne se limite pas à un système d'antennes tel que représenté à la Fig. 2 mais peut être étendu à tout système d'antennes qui comporte une pluralité d'éléments rayonnants qui sont chacun reliés à une source d'alimentation et dont chacun de ces éléments est fortement couplé avec chacun de ses éléments rayonnants voisins tels que illustrés par exemple par les Figs. 3 à 6. A la Fig. 3, le système comporte quatre éléments rayonnants 100, 101, 102 et 103 qui sont reliés à une source d'alimentation 123 elle-même reliée au plan de masse 110. L'élément 103 est couplé à l'élément 102 au niveau d'une zone de fort couplage 132. A la Fig. 4, le système comporte trois éléments rayonnants 100, 101 et 104 qui sont reliés à une source d'alimentation 124 elle-même reliée au plan de masse 110. L'élément 104 est couplé à l'élément 101 au niveau d'une zone de fort couplage 134. A la Fig. 5, le système comporte quatre éléments rayonnants 100, 101, 102 et 104 tandis qu'à la Fig. 61e système comporte cinq éléments 100, 101, 102, 103 et 104. Au travers de ces exemples de variantes, l'homme du métier comprend que le système peut comporter une pluralité d'éléments rayonnants et reliés chacun à une source d'alimentation et que chacun d'entre eux est couplé avec son ou ses éléments rayonnants voisins au niveau de zones de fort couplage pour que le système d'antennes couvre une bande de fréquences très large. Deux éléments peuvent être également couplés au niveau de plus d'une zone de fort couplage. Ce système d'antennes peut être réalisé directement sur un circuit imprimé rigide ou souple, à partir de feuilles métalliques bouterollées sur un substrat plastique (de type ABS par exemple), grâce à une technologie de dépôt de type MID, ou être la combinaison d'au moins deux de ces technologies. Le choix de cette technologie dépend des caractéristiques mécaniques souhaitées pour les systèmes, de l'encombrement et de la forme voulue : forme dimensionnelle ou tridimensionnelle, conformée à une surface courbe, répétabilité mécanique souhaitée, etc. L'homme du métier est à même de concevoir de tels circuits imprimés. REVENDICATIONS1) Système d'antennes de type monopôle qui comprend une pluralité d'éléments (100, 101, 102) destinés à rayonner pour couvrir chacun au moins une sous-bande d'une bande de fréquences donnée, caractérisé en ce que chaque élément (100, 101, 102) est relié à une source d'alimentation (120, 121, 122) et chaque élément (100, 101, 102) est couplé avec chacun de ses éléments rayonnants voisins au niveau de zones de fort couplage électromagnétique (130, 131). 2) Système d'antennes selon la revendication 1, dans lequel une zone de fort couplage entre deux éléments rayonnants est une zone dans laquelle la distance entre les deux éléments est comprise entre X, / 30 et X, / 300 avec X, la plus grande longueur d'onde opérationnelle en espace libre. 3) Système d'antennes selon la revendication 1 ou 2, dans lequel une zone de fort couplage entre deux éléments rayonnants est localisée de manière à obtenir sur chacun de ces deux éléments une répartition de courant la plus proche possible. 4) Système d'antennes selon la revendication 3, dans lequel les éléments rayonnants sont enroulés dans un même sens. 5) Système d'antennes selon l'une des revendications précédentes, dans lequel au moins l'un des éléments est prévu pour rayonner dans plus d'une sous-bande de fréquences de la bande de fréquences donnée. 6) Système d'antennes selon l'une des revendications précédentes, dans lequel 25 au moins deux éléments sont prévus pour rayonner dans au moins une même sous-bande de la bande de fréquences donnée.