Brevet FR2998721A1 — publié le 20140530

CIRCUIT D'ANTENNE EXPLOITANT SIMULTANEMENT PLUSIEURS ANTENNES INDEPENDANTES PAR UNE BORNE D'ACCES UNIQUE Domaine technique de l'invention L'invention est relative aux circuits d'antenne utilisables sur plusieurs bandes de fréquence normalisées, notamment dans le domaine de la téléphonie mobile. État de la technique Les téléphones mobiles actuels doivent être conçus pour fonctionner dans de multiples bandes radiofréquence pour être compatibles avec les normes de télécommunication en 10 vigueur (GSM, 3G, WCDMA, LTE ou 4G), ces normes pouvant varier d'un pays à l'autre. La figure 1 illustre l'ensemble des bandes utilisées par les normes 3G et LTE. Les bandes en blanc sont celles de la norme 3G, à savoir 824-960 MHz, 1710-1990 MHz, et 2110-2170 MHz. Les bandes hachurées sont celles ajoutées par la norme LTE, à savoir 15 698-824 MHz, 1427-1496 MHz, et 2300-2690 MHz. A ces fréquences, en particulier dans la bande 824-960 MHz, les antennes ont une bande utile relativement étroite, de l'ordre de 80 MHz, ce qui pose des difficultés dans la conception d'antennes large bande. La figure 2A représente schématiquement une structure physique d'une antenne 20 pouvant couvrir l'ensemble des bandes de la norme 3G. Cette antenne, dite IFA (de l'anglais « Inverted-F Antenna », ou antenne en « F » inversé) est en forme de « F » à deux pieds, l'un, G, formant la borne de masse et l'autre, F, formant la borne d'accès de l'antenne. Les deux bras, de longueurs différentes, sont accordés sur deux fréquences judicieusement choisies, fl pour le bras le plus long, et f2 pour le bras le plus court. 25 La figure 2B est un graphe illustrant un exemple d'évolution du coefficient de réflexion S11 d'une antenne IFA en fonction de la fréquence. L'adaptation de l'antenne est maximale lorsque le coefficient S1 1 est minimal. On considère que l'adaptation de l'antenne est suffisante pour Sll Pour couvrir toutes les bandes on a proposé l'emploi d'un circuit d'accord qui permet de modifier l'adaptation d'une antenne afin de la faire fonctionner sur un plus grand nombre de bandes de fréquence. Cette approche présente l'inconvénient de ne pas modifier la nature bande étroite de l'antenne. Ainsi, une plus grande bande de fréquence peut être adressée mais toutes les fréquences de la bande ne peuvent être couvertes simultanément. Par ailleurs, la norme LTE prévoit, pour augmenter le débit, la possibilité d'agréger plusieurs canaux pouvant se situer dans n'importe quelle partie des bandes normalisées. Si on utilise la technique du circuit d'accord d'antenne, il y a une forte probabilité pour que deux canaux agrégés soient situés dans deux bandes non couvertes simultanément par un même réglage, donc qu'un ou plusieurs des canaux agrégés ne soient pas utilisables. On remarque que la bande basse de 698-960 MHz est particulièrement difficile à couvrir avec une seule antenne, puisque, comme le montre la figure 2B, une antenne couvre au plus une bande d'environ 80 MHz dans cette partie. On pourrait envisager une antenne IFA dont les fréquences 2f1 et f2 sont situées dans la bande 698-960 MHz, mais la fréquence fondamentale fl, alors de l'ordre de 360 MHz, nécessiterait un bras d'antenne trop long et poserait des problèmes d'intégration dans un téléphone mobile. L'article [« Multi-feed RF front-ends and cellular antennas for next generation smartphones », Pekka Ikonen, Juha Ellâ, Edgar Schmidhammer, Pasi Tikka, Prasadh Ramachandran, Petteri Annamaa], disponible sur le site web de la société Pulse Electronics, propose un circuit d'antenne répartissant l'accès à l'ensemble des bandes normalisées sur trois bornes d'accès distinctes. Un tel circuit d'antenne nécessite trois voies de traitement RF indépendantes, et des circuits électroniques spécifiquement adaptés. Résumé de l'invention On souhaite donc disposer d'un circuit d'antenne donnant un accès simultané à 5 l'ensemble des bandes normalisées par une borne d'accès unique. On tend à satisfaire ce besoin en prévoyant un circuit d'antenne comprenant une première antenne accordée sur une première fréquence fondamentale ; et une deuxième antenne accordée sur une deuxième fréquence fondamentale différente de la première. Un premier filtre ayant une première borne reliée à la première antenne, est conçu pour 10 atténuer les composantes fréquentielles hors d'une bande définie par la première fréquence fondamentale ou une de ses harmoniques. Un deuxième filtre ayant une première borne reliée à la deuxième antenne, est conçu pour atténuer les composantes fréquentielles hors d'une bande définie par la deuxième fréquence fondamentale ou une de ses harmoniques. Un élément de recombinaison passif couple des deuxièmes bornes 15 des deux filtres à une première borne commune. Selon un mode de réalisation, le circuit d'antenne comprend un filtre passe-haut passif ayant une première borne reliée à la deuxième antenne, et une fréquence de coupure supérieure à la deuxième fréquence fondamentale ; et un deuxième élément de recombinaison passif couplant la première borne commune et une deuxième borne du 20 filtre passe-haut à une deuxième borne commune formant une borne d'accès unique au circuit d'antenne. Selon un mode de réalisation, la deuxième antenne est conçue pour avoir deux fréquences d'accord, respectivement sur la deuxième fréquence fondamentale et sur une troisième fréquence fondamentale voisine de la première harmonique de la première ou 25 deuxième fréquence fondamentale. Selon un mode de réalisation, le deuxième élément de recombinaison passif est un diplexeur ayant une voie passe-bas du côté de la première borne commune et une voie passe-haut (HP3) du côté du filtre passe-haut. Circuit d'antenne selon la revendication 1, dans lequel les première et deuxième 30 fréquences fondamentales sont choisies dans la bande de fréquence 698-960 MHz. Description sommaire des dessins Des modes de réalisation seront exposés dans la description suivante, faite à titre non limitatif en relation avec les figures jointes parmi lesquelles : - la figure 1, précédemment décrite, illustre l'ensemble des bandes de fréquence utilisées par les normes 3G et LTE ; - les figures 2A et 2B, précédemment décrites, représentent une antenne IFA et l'évolution de son coefficient de réflexion ; - la figure 3 représente schématiquement un mode de réalisation de circuit d'antenne à multiples antennes accessibles simultanément par une borne d'accès unique ; - les figures 4A à 4C sont des courbes d'évolution du coefficient de réflexion Sll en divers points du circuit d'antenne de la figure 3 ; - la figure 5 représente schématiquement un autre mode de réalisation de circuit d'antenne à multiples antennes accessibles simultanément par une borne d'accès unique ; et - les figures 6A à 6D sont des courbes d'évolution du coefficient de réflexion Sll en divers points du circuit d'antenne de la figure 5. Description d'un mode de réalisation préféré de l'invention Afin de couvrir une plage étendue de fréquences, on propose ici d'utiliser plusieurs 20 antennes indépendantes, chacune accordée sur une fréquence distincte de la plage. En jouant sur les fréquences fondamentales et harmoniques des antennes, on parvient à couvrir des bandes souhaitées de la plage de fréquences. Si on veut utiliser les antennes toutes ensemble, il ne suffit pas de les connecter directement à une borne d'accès commune. En effet, les influences mutuelles des 25 antennes seraient telles que le circuit d'antenne deviendrait inopérant. C'est pourquoi, dans un circuit d'antenne classique à multiples antennes, on prévoit de commuter les antennes de manière indépendante sur une borne d'accès unique, le commutateur permettant d'isoler l'antenne sélectionnée des autres antennes. On prévoit ici d'isoler chaque antenne des autres antennes à l'aide d'un filtre passif 30 réglé pour atténuer les composantes fréquentielles hors de la bande utile de l'antenne. Les voies filtrées individuelles associées aux antennes sont ensuite jointes deux par deux par des éléments de recombinaison, selon une topologie en arbre, vers une borne d'accès unique permettant un accès simultané à l'ensemble des bandes utiles des antennes. Les filtres et éléments de recombinaison sont de préférence bidirectionnels, ce qui permet d'utiliser le même circuit d'antenne en émission et en réception, comme le permettrait une antenne simple classique. La figure 3 représente schématiquement un mode de réalisation de circuit d'antenne comprenant deux antennes issu de ce principe. Ce mode de réalisation est adapté 10 notamment à couvrir une bande large difficile à couvrir avec une seule antenne, comme la bande 698-960 MHz de la figure 1. Le circuit d'antenne comprend deux antennes simples al et a2, accordées à des fréquences fondamentales fl et f2 distinctes. Chacune des antennes al et a2 est reliée à une première borne d'un filtre passif respectivement LP1 et LP2. Chacun de ces filtres 15 est conçu pour atténuer les composantes fréquentielles non souhaitées de l'antenne associée. On peut, par exemple, souhaiter avec cette configuration conserver les fréquences fondamentales et atténuer leurs harmoniques - les filtres sont alors des filtres passe-bas ayant une fréquence de coupure comprise entre la fréquence fondamentale et la 20 première harmonique. La fréquence de coupure est de préférence la plus basse possible pour augmenter l'atténuation de la première harmonique et limiter l'influence mutuelle de l'antenne avec les autres antennes. On obtient des résultats satisfaisants avec de simples filtres LC d'ordre 2. Un élément de recombinaison passif 10 couple une deuxième borne de chacun des 25 filtres LP1, LP2 à une borne commune F1, servant de borne d'accès unique pour le circuit d'antenne représenté. L'élément 10 est de préférence un diviseur de puissance lorsque les fréquences fl et f2 sont proches, par exemple un diviseur de Wilkinson. On considère que deux fréquences sont proches lorsque les antennes accordées sur ces fréquences couvrent une bande d'un même groupe de fréquences. Lorsque les 30 fréquences fl et f2 sont éloignées, l'élément 10 est un diplexeur. Un diplexeur est l'association d'un filtre passe bas et d'un filtre passe haut. On considère dans cet exemple que les fréquences sont proches et que l'élément 10 est un diviseur de puissance. Ce diviseur de puissance comprend généralement des éléments passifs qui limitent sa bande passante. Les figures 4A à 4C illustrent le fonctionnement du circuit d'antenne de la figure 3 dans une configuration conçue pour couvrir une bande basse fréquence B, par exemple la bande 698-960 MHz. Les fréquences fl et f2 sont distinctes et situées à l'intérieur de la bande B. Elles sont, par exemple, situées au centre des demi-bandes constituant la bande B. La figure 4A illustre en trait plein la caractéristique de réflexion Sll relevée sur le noeud entre l'antenne al et le filtre LP1, et en pointillés la caractéristique 511 relevée sur le noeud entre l'antenne a2 et le filtre LP2. Ces caractéristiques sont représentées de manière idéalisée et correspondent à celles qu'on aurait pour les antennes prises isolément. En pratique, une influence mutuelle entre les deux antennes persiste. Pour pouvoir appliquer le principe de séparation de la réponse fréquentielle des antennes en plusieurs parties, une isolation minimale (entre les antennes), par exemple de -10dB, est préférable lors de la conception des antennes. Un exemple plus réaliste sera donné ultérieurement. Comme cela est représenté, ces deux caractéristiques présentent un premier creux prononcé à la fréquence fondamentale (fl, f2) et un deuxième creux, moins prononcé, à 20 la première fréquence harmonique (2f1, 2f2). La figure 4B illustre les caractéristiques 511 relevées sur les noeuds entre les filtres et le diviseur de puissance 10. On observe les caractéristiques de la figure 4A avec des creux atténués aux fréquences harmoniques 2f1 et 2f2. L'atténuation dépend de l'ordre des filtres LP1 et LP2, de leur topologie et de leur fréquence de coupure. 25 La figure 4C illustre la caractéristique 511 relevée sur la borne d'accès Fl. La courbe en trait plein correspond à la caractéristique idéalisée. On s'aperçoit qu'elle correspond à la somme des caractéristiques de la figure 4B, où les creux aux harmoniques 2f1, 2f2 ont été supprimés du fait de la bande passante limitée du diviseur de puissance 10. La caractéristique en trait plein, subissant peu d'atténuation par rapport aux 30 caractéristiques de la figure 4A, correspond à une situation où les composants du circuit d'antenne sont idéaux. En pratique, les composants réels, notamment les inductances, présentent des résistances série parasites qui réduisent le facteur de qualité. On observe en pratique que la caractéristique de la figure 4C s'aplatit et s'élargit, comme cela est représenté en pointillés. Alors que la diminution du facteur de qualité est habituellement indésirable, il semble favorable dans le cas présent. En effet, ce phénomène observé à travers le diviseur de 5 puissance 10 permettrait d'élargir la bande couverte par le circuit d'antenne pour un nombre d'antennes donné. Si on revient à la figure 2B, on s'aperçoit qu'on ne parviendrait pas, avec la technique classique de la commutation d'antennes, à couvrir la bande 698-960 MHz en utilisant deux antennes de fréquences proches. Chaque fréquence permet de couvrir une bande d'environ 80 MHz alors que la bande souhaitée 10 est de 262 MHz - il faudrait au moins trois antennes pour couvrir cette bande. Le circuit d'antenne de la figure 3 permet de couvrir toute cette bande avec seulement deux antennes. La figure 5 représente schématiquement un mode de réalisation de circuit d'antenne à deux antennes, dérivé du circuit de la figure 3. Les caractéristiques Sll relevées sur les 15 noeuds de ce circuit sont symbolisées à côté des noeuds. Cette configuration vise à couvrir les bandes 698-960 MHz et 1710-2170 MHz. Par rapport à l'antenne IFA de la figure 2A, on cherche à ajouter la couverture de la bande 698-824 MHz. Par rapport au circuit de la figure 3, l'antenne a2 simple a été remplacée par une antenne 20 IFA a2', ayant un bras long accordé sur la fréquence fondamentale f2, et un bras court accordé sur une fréquence fondamentale f3. Le filtre LP2 est conçu pour conserver la fréquence f2 et atténuer les fréquence 2f2 et f3. Le circuit comprend en outre un filtre passe-haut passif HP2 dont une première borne est reliée à l'antenne a2'. Le filtre HP2 est conçu pour atténuer la fréquence fondamentale plus basse f2. Sa fréquence de 25 coupure est choisie inférieure à la plus basse des fréquences f3 et 2f2. Les filtres LP2 et HP2 forment un diplexeur. Un élément de recombinaison passif 12 couple la borne commune F1 et la deuxième borne du filtre HP2 à une nouvelle borne commune F2 servant de borne d'accès unique du circuit d'antenne. Les deux voies de l'élément de recombinaison 12 voyant des 30 fréquences écartées selon un rapport proche de 2, celui-ci est de préférence un diplexeur. La voie du côté de la borne Fl est alors un filtre passe-bas LP3, et la voie du côté du filtre HP2 est un filtre passe-haut HP3. Le filtre HP3 peut avoir la même fréquence de coupure que le filtre HP2, tandis que le filtre LP3 peut avoir la fréquence de coupure la plus élevée de celles des filtres LP1 et LP2. Le diplexeur 12 permet, comme le diviseur de puissance 10, de présenter une caractéristique S11 sur la borne commune F2 qui est la somme, filtrée, des 5 caractéristiques Sll relevées sur ses deux autres bornes. Les figures 6A à 6C illustrent les caractéristiques Sll relevés sur des noeuds de la figure 5, en utilisant des composants réels dans un exemple de circuit d'antenne conçu pour couvrir les bandes 698-960 MHz et 1710-2170 MHz. Les fréquences des antennes al et a2' sont : 10 fl = 775 MHz, f2 = 925 MHz et f3 = 2000 MHz. On considère alors aussi les harmoniques : 2f1 = 1550 MHz, et 15 2f2 = 1900 MHz. Tous les filtres de la figure 5 sont des filtres LC du deuxième ordre. Les fréquences de coupure sont : LP1 : 1550 MHz LP2: 1710 MHz 20 10 : bande passante limitée entre 700 et 1000 MHz (lorsque l'élément est chargé par les antennes). HP2 : 925 MHz LP3 : 1710 MHz HP3 : 960 MHz 25 La figure 6A illustre la caractéristique S11 relevée au niveau de l'antenne al. On remarque que cette caractéristique est différente de celle idéalisée en figure 4A. En effet, le creux de la première harmonique 2f1 est plus prononcé que celui de la fréquence fondamentale fl. On voit apparaître un creux dû à la deuxième harmonique 3f1, décalé en fréquence vers le haut. On observe sur la caractéristique Sll la fréquence fondamentale et deux harmoniques. La fréquence fondamentale n'est pas la mieux adaptée. L'adaptation dépend du profil de l'impédance de l'antenne. Dans la caractéristique Sll représentée, l'antenne est mieux adaptée à la fréquence harmonique. Cela n'est pas gênant dans la situation présente, comme on le verra ci-après. La figure 6B illustre la caractéristique Sll relevée au niveau de l'antenne IFA a2'. On remarque que cette caractéristique est également différente de celle présentée en figure 2B. En effet les creux aux fréquences fondamentales f2 et f3 sont moins prononcés que le creux de l'harmonique 2f2. La caractéristique atteint à peine -6 dB pour la fréquence f2, ce qui serait insuffisant si l'antenne était utilisée seule. L'antenne IFA a2' diffère de l'antenne IFA de la figure 2B par son plan de masse et les longueurs déployées. La dimension du plan de masse est un élément modifiant les niveaux relatifs d'adaptation des harmoniques par rapport au fondamentaux. La figure 6C illustre la caractéristique Sll relevée au niveau de la borne commune Fl. Elle présente deux creux aux fréquences fl et f2. Le diviseur de puissance 10 agrège les 2 creux provenant de chaque antenne al et a2. On obtient alors un creux de bande plus 20 large et plus marqué. La figure 6D illustre la caractéristique Sll relevée au niveau de la borne d'accès F2. Malgré son aspect accidenté, on remarque que cette caractéristique est en-dessous du seuil souhaité de -6 dB dans les bandes de fréquence choisies, illustrées par des rectangles. 25 Si l'on souhaite ajouter des bandes au circuit d'antenne, il suffit d'agréger aux voies existantes, selon une topologie en arbre, des voies créées pour de nouvelles antennes. On peut également créer de nouvelles voies pour des harmoniques des antennes déjà présentes. Par exemple, pour ajouter la bande 1427-1496 MHz, on peut isoler l'harmonique 2f1 de l'antenne al à l'aide d'un filtre passe-bande, et agréger cette 30 nouvelle voie à celle reliant les filtres HP2 et HP3 par un diplexeur. Dans ce cas, le filtre HP3 est conçu pour avoir une fréquence de coupure inférieure à 1550 MHz. Dans le circuit d'antenne de la figure 5, on a présenté des filtres passe-bas et passe-haut. Il s'avère que de tels filtres étaient suffisants dans l'exemple illustré pour isoler efficacement les composantes fréquentielles souhaitées de deux antennes. Dans un cas plus complexe, avec plus de deux antennes, ou si on souhaite isoler des fréquences harmoniques, on pourra être amené à utiliser des filtres passe-bande. REVENDICATIONS1. Circuit d'antenne comprenant : - une première antenne (al) accordée sur une première fréquence fondamentale (fl) ; - une deuxième antenne (a2) accordée sur une deuxième fréquence fondamentale (f2) différente de la première ; caractérisé en ce que le circuit d'antenne comprend : - un premier filtre (LP1) ayant une première borne reliée à la première antenne, et conçu pour atténuer les composantes fréquentielles hors d'une bande définie par la première fréquence fondamentale ou une de ses harmoniques ; - un deuxième filtre (LP2) ayant une première borne reliée à la deuxième antenne, et conçu pour atténuer les composantes fréquentielles hors d'une bande définie par la deuxième fréquence fondamentale ou une de ses harmoniques ; et - un premier élément de recombinaison passif (10) couplant des deuxièmes bornes des deux filtres à une première borne commune (F1). 2. Circuit d'antenne selon la revendication 1, comprenant : - un filtre passe-haut passif (HP2) ayant une première borne reliée à la deuxième antenne (a2'), et une fréquence de coupure supérieure à la deuxième fréquence fondamentale (f2) ; et - un deuxième élément de recombinaison passif (12) couplant la première borne commune (F1) et une deuxième borne du filtre passe-haut (HP2) à une deuxième borne commune (F2) formant une borne d'accès unique au circuit d' antenne. 3. Circuit d'antenne selon la revendication 2, dans lequel la deuxième antenne (a2') est conçue pour avoir deux fréquences d'accord, respectivement sur la deuxième fréquence fondamentale (f2) et sur une troisième fréquence fondamentale (f3) voisine de la première harmonique (2f2) de la première ou deuxième fréquence fondamentale. 4. Circuit d'antenne selon la revendication 2, dans lequel le deuxième élément de recombinaison passif (12) est un diplexeur ayant une voie passe-bas (LP3) du côté de la première borne commune (F1) et une voie passe-haut (HP3) du côté du filtre passe-haut. 5. Circuit d'antenne selon la revendication 1, dans lequel les première et deuxième fréquences fondamentales sont choisies dans la bande de fréquence 698-960 MHz.