EP0649181A1 - Antenne du type pour dispositif radio portable, procédé de fabrication d'une telle antenne et dispositif radio portable comportant une telle antenne - Google Patents
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- H01Q1/362—Structural form of radiating elements, e.g. cone, spiral, umbrella; Particular materials used therewith for broadside radiating helical antennas
Definitions
- the present invention relates to an antenna of the type for portable radio device, and in particular for radiotelephone, as well as to a method of manufacturing such an antenna and to a portable radio device comprising such an antenna.
- This antenna is intended to transmit and receive radio signals.
- Such antennas are described for example in patent application EP-0 367 609 and in patent US-4 121 218.
- the extractable strands currently known are generally substantially cylindrical, so that they occupy too large a volume in the radiotelephone housing.
- An object of the present invention is therefore to provide an antenna for a portable radio device whose efficiency is increased compared to antennas of this type currently known.
- Another object of the present invention is to produce an antenna of the previous type which occupies a volume inside the portable device which is as small as possible.
- Another object of the present invention is to provide an antenna of the above type in which the extractable strand is as independent as possible from the housing of the associated radio device.
- the present invention provides for this purpose an antenna of the type for portable radio device, comprising in particular a helical antenna coupled by its base to a transmitter receiver, characterized in that the pitch of the helix made of a conductive material constituting said helical antenna is variable according to the height of the helix, and decreasing from the base of said helical antenna to its top.
- the antenna 1 comprises a helical antenna 2 and an extractable strand 3.
- the helical antenna 2 is housed partly in a recess 4 in a radiotelephone housing 5, partially shown in FIG. 1.
- the housing 5 is made of an insulating material, possibly metallized, and has a substantially parallelepiped shape.
- an antenna housing 6 shown in broken lines whose base completes the recess 4 is used.
- the helical antenna 2 is fully inserted in the antenna housing 6, and exceeds about three-quarters of its height beyond the housing 5 of the radiotelephone.
- the pitch of the propeller 8 is variable and decreases from its base 8B to its apex 8A.
- the width of the electrical track constituting the propeller 8 is also variable and decreases from the base 8B to the top 8A.
- the electrical length of the propeller 8 is substantially equal to half the average wavelength of use.
- the base 8B of the propeller 8, located at the base of the mandrel 7, is connected via an interconnection tab 9 to a coaxial cable 10 supplying the helical antenna 2 located in the radiotelephone case 5 and also connected to the latter's transmitter / receiver (not shown).
- a positioning ring 11 (shown in broken lines) made of an insulating material, intended to center and maintain the helical antenna 2.
- the extractable strand 3 consists of a metal ribbon 12 of very flat C-shaped cross section (see FIGS. 2 and 9), which will be described as flat.
- the electrical length of the strip 12 is substantially equal to half the average wavelength of use.
- the tape 12 is also inserted into a covering 13 made of an insulating material intended to protect it.
- the extractable strand 3 further comprises a metal element 15 at its apex 3A, this element 15 extending in a direction substantially orthogonal to the axis X of the helix 8 (the ribbon 12 extends along a direction substantially parallel to the X axis).
- the element 15 is also inserted into the covering 13, and it may or may not be electrically connected to the tape 12. Its usefulness will be explained below.
- the extractable strand 3 can operate in two positions. In a first position (corresponding to that illustrated in FIG. 1), it is almost entirely retracted into the antenna housing 6 and into a suitable housing 14 formed in the housing 5 of the radiotelephone. In this position, the antenna 1 is of the quarter wave type (that is to say that it uses the box 5 as an electrical counterweight), and only the helical antenna 2 is then used for transmission and reception of radio signals. The walls of the housing 14 are covered with metal 141 to form a shield for the extractable strand 3 in the retracted position.
- the extractable strand 3 In a second position (not shown), the extractable strand 3 is fully deployed outside the antenna housing 6. In this case, there is a capacitive coupling between the strand 3 and the top of the helical antenna 2, so that the total height of the antenna 1 and its radiation resistance are increased. In this position of the extractable strand 3, the antenna 1 is still of the quarter-wave type.
- the lower end 13B of the covering 13 is of frustoconical shape with its base of larger diameter oriented towards the top of the antenna.
- the end 13B abuts against the upper wall 14A of the housing 14.
- an essential characteristic of the present invention resides in the fact that a helical antenna is used, the helix of which has a variable pitch, this pitch decreasing when one approaches the top of the helical antenna, that is to say as the theoretical current in a conventional helical antenna (that is to say with constant pitch and width) of the same dimensions decreases.
- a helical antenna is used, the helix of which has a variable pitch, this pitch decreasing when one approaches the top of the helical antenna, that is to say as the theoretical current in a conventional helical antenna (that is to say with constant pitch and width) of the same dimensions decreases.
- this structure makes it possible to establish in the helical antenna 2 a substantially trapezoidal distribution of the current. This increases the radiation resistance of the antenna, and therefore its efficiency and its bandwidth.
- the turns of the propeller 8 are in contact with each other at the top 8A, so that a continuous metallized surface is obtained at the top 8A.
- the apex 8A is made capacitive, which makes it possible to obtain the substantially trapezoidal distribution of the current and the advantages which result therefrom.
- the turns of the propeller 8 constitute a tight spiral without however being in contact with each other. The capacity produced is thus made self-indent, which increases its apparent value.
- the fact of carrying out a capacitance at the top of the helical antenna 2 facilitates and improves the capacitive coupling and the adaptation between the latter and the extractable strand 3.
- variable pitch propeller makes it possible to obtain optimal conditions for adaptation and coupling in the two operating modes (tucked in or deployed strand).
- FIG. 6A very schematically, a helical antenna 62 with constant pitch and width, according to the prior art.
- the curve 63 in FIG. 6B represents the intensity of the current i as a function of the height h along the axis X of the helical antenna 62. It can be seen that the distribution of the current i is substantially triangular.
- FIG. 6C represents the equivalent diagram of the antenna 62: this antenna is equivalent to a pure inductance 64.
- FIG. 7A very schematically, a helical antenna 72 according to the principle of the present invention, and which could be used in place of the helical antenna 2 of Figure 1.
- the turns of the antenna 72 are in contact with each other at the top of the latter so as to constitute a continuous metallization.
- the curve 73 of FIG. 7B which represents the intensity of the current i as a function of the height h along the axis X, clearly shows that the current distribution tends towards a trapezoidal shape.
- FIG. 7C which represents the equivalent diagram of the antenna 72, illustrates that the latter is equivalent to an inductor 74 in series with a capacity 75.
- FIG. 8A very schematically, a helical antenna 82 in accordance with the principle of the present invention, and which could be used in place of the helical antenna 2 of FIG. 1.
- the turns of the 'antenna 82 are in contact with each other at the top of the latter so as to constitute a continuous metallization, and tightened without being in contact with each other immediately before reaching the top.
- the rest of the propeller is at constant pitch.
- the curve 83 of FIG. 8B which represents the intensity of the current i as a function of the height h according to the X axis shows clearly that the current distribution tends more and more (compared to FIG. 7B) towards a trapezoidal shape.
- FIG. 8A very schematically, a helical antenna 82 in accordance with the principle of the present invention, and which could be used in place of the helical antenna 2 of FIG. 1.
- the turns of the 'antenna 82 are in contact with each other at the top of the latter so as to constitute a
- FIG. 8C which represents the equivalent diagram of the antenna 82, illustrates that the latter is equivalent to a first inductance 84 (corresponding to the part of the constant pitch propeller), in series with a second inductance 85 (corresponding to the part of the propeller with tight pitch) and with a capacity 86 (corresponding to the top of the propeller where the turns are in contact with each other).
- the width of the electrical track constituting the propeller is optimized, in order to increase the area defined by the current distribution. A further improved efficiency and bandwidth are thus obtained for the antenna according to the invention.
- the helical antenna 2 shown in FIG. 1 illustrates the principles which have just been exposed. It is represented diagrammatically in FIG. 3A, and accompanied in FIG. 3B by the corresponding curve 33 representing the intensity of the current i as a function of the height along the axis X. It is noted that the surface comprised between the curve 33 and the axes of coordinates is further increased relative to the area corresponding to Figures 7B or 8B. This has the effect of increasing the radiation resistance and therefore the efficiency and the bandwidth of the antenna.
- FIGS. 4 and 5 show the equivalent diagrams of the antenna 1 respectively when the extractable strand 3 is in the retracted position and when it is in the deployed position.
- Increasing the height of the antenna 1 by deploying the extractable strand 3 improves, in known manner, the efficiency of the antenna, by increasing its effective height and its radiation resistance.
- the extractable strand 3 is not necessarily located outside of the helical antenna 2; in fact, if the support mandrel is hollow, the extractable strand may be inside the mandrel 7, which has the advantage of providing additional space savings.
- FIGS. 10 and 11 have also shown possible variants for the extractable strand 3.
- FIG. 10 represents a variant usable in place of the tape 12 of the extractable strand 3 of FIGS. 1, 2 and 9 (the element 15 has not been shown in figure 10).
- a metallic conducting line 1012 is used which is deposited so as to form a crenellated line on a film of an insulating material constituting part of the covering 13.
- the line 1012 is embedded in the covering 13.
- a such a structure makes it possible to shorten the effective length of the extractable strand 3, while retaining an electrical length equal to half the wavelength. This reduces the space occupied by the extractable strand 3 inside the housing 5 of the radiotelephone.
- the element 15 at the upper part of the strand 3, to obtain the same effect as that described above.
- the spring 1112 is also embedded in a coating 13 made of an insulating material, and the advantages which it provides are identical to those obtained with the line 1012.
- the insulating material constituting the covering 13 will be chosen both to give the strand 3 a certain flexibility and to ensure sufficient mechanical strength to protect the metal part which it contains.
- the upper metal part of the strand 3, located immediately before the capacitive element 15, is connected to this the latter by an inductive structure 16. This improves the efficiency in the deployed position of the extractable strand 3.
- the helical antenna 2 as well as all the variants which have been described therein, can be produced by metallic deposition on a support mandrel 7.
- the helix can thus be obtained according to any conventional method (metallization then screen printing, metallization then masking and photolithography, according to the method described in patent application EP-0 465 658, etc.).
- the propeller can be produced on the external or internal surface of a mandrel made of an insulating material (when this mandrel is tubular).
- a mandrel made of an insulating material
- the propeller 8 is produced on the outer surface of the mandrel 7 (as shown in FIG. 1), the metallization will be covered with a protective coating (not shown).
- the thickness of the wall of the mandrel will preferably be small, to facilitate possible capacitive coupling with an extractable strand.
- the proposed method of producing the propeller 8 by metallization is advantageous because it makes the helical antenna 2 very compact, which allows the latter to occupy the least possible space inside the housing 5 of the radiotelephone.
- the reproducibility of the propeller thus produced is better compared to the use of a wound wire.
- the flexible film 20 can consist in particular of Kapton, Mylar or Duroid (registered trademarks). Its shape constitutes the developed shape of the final shape that one wishes to give to the helical antenna. Then eliminating, by screen printing, photolithography or the like, the parts of the metallization which are not necessary, so as to obtain a pattern 21 such that, by joining by joining two opposite sides 20C and 20D of the film 20, a pitch helix is obtained and desired width.
- the film 20 has for this purpose metallized vias 22, and on its face opposite to that comprising the pattern 21, around the metallized vias 22, metallized pellets 23 (see FIG. 14B) intended to ensure the electrical continuity of the assembly.
- the film 20 is assembled by welding onto a mandrel (not shown) of the desired shape (see FIG. 14B).
- This method has the advantage of being simpler to implement (depositing on a flat surface is simpler to carry out than depositing on a surface of revolution), and making it possible to give the helical antenna any shape (frustoconical, cylindrical, rectangular section, etc ).
- the film 20 has, at its upper part, a rectangular "tab", with an area smaller than that of the film 20, on which we also see a metallization pattern comprising a central central part 26 full, surrounded by a spiraling 27.
- This tab 24 is intended to be folded at a right angle during the assembly of the film 20 on a parallelepiped shape with rounded angles.
- the solid central part 26 will then constitute the capacitive top of the helical antenna, and the spiraling the high inductance part.
- the tab 24 can be entirely metallized by solid metallization.
- the lower recess 28 of the film 20 will be used to produce the interconnection tab with the coaxial supply cable.
- All the variants which have just been described for the antenna according to the invention comprise a supply by coaxial cable, this coaxial cable being connected on the one hand to the helical antenna, and on the other hand to the transmitter / receiver of the radiotelephone with which the antenna according to the invention is in relation.
- the propeller 138 has two portions 138A and 138B.
- the portion 138A consists of a metallization 1381, for example on the outer surface of the mandrel 7, of width and of variable pitch so as to produce a capacitive peak and a high inductance, in the same manner as in FIG. 1.
- the part 138B comprises a metallization 1382 on the outer surface extending the metallization 1381 but having a constant pitch and width, and a corresponding metallization 1383 on the inner surface of the mandrel 7 (tubular) facing the metallization 1382 and wider than the latter .
- the electrical length of the portion 138A is about a quarter of the wavelength, as is that of the portion 138B.
- the lower part of the helical antenna 132 thus serves both as a radiating element (metallizations 1381 and 1382) and as a supply line (1382 and 1383), the metallization 1383 corresponding to the ground conductor, i.e. tell the outer conductor of the supply coaxial, and the metallization 1382 corresponding to the core of the supply coaxial (when the metallization 1381-1382 is located on the inner surface of the mandrel 7, the metallization 1383 is then of course outside).
- the method of manufacturing the helical antenna according to FIGS. 13A and 13B can be one of the methods described above.
- the antenna 132 can also be made by winding, although this is much less easy.
- an antenna according to the invention does not necessarily have an extractable strand. Indeed, such a strand is only necessary to allow the antenna to operate whatever the conditions, and such a specification is not always formulated.
- the fact of using a metallization method to manufacture the helical antenna according to the invention also makes it possible to easily produce circuits with constants distributed or located at the top of the antenna, or even additional impedance correction elements.
- the essential characteristic of the invention is to produce a propeller with variable pitch and decreasing towards the top of the helical antenna.
Abstract
Description
- La présente invention concerne une antenne du type pour dispositif radio portable, et notamment pour radiotéléphone, ainsi qu'un procédé de fabrication d'une telle antenne et qu'un dispositif radio portable comportant une telle antenne. Cette antenne est destinée à émettre et à recevoir des signaux radio.
- Les antennes utilisées actuellement dans les dispositifs radio portables, et plus particulièrement dans les radiotéléphones, comportent en général :
- une antenne hélicoïdale quart d'onde disposée à la partie supérieure du boîtier du radiotéléphone et alimentée par une ligne coaxiale couplée à l'émetteur/récepteur du dispositif radio, pour l'utilisation dans des conditions normales, l'hélice étant en général constituée d'un fil métallique bobiné autour d'un mandrin support en un matériau isolant,
- éventuellement, pour l'utilisation du dispositif radio dans des conditions fortement perturbées, un brin demi-onde extractible hors du boîtier du dispositif radio, tel que, lorsqu'il se trouve en position rentrée à l'intérieur du boîtier, il est pratiquement entièrement découplé de l'antenne hélicoïdale, et lorsqu'il se trouve en position déployée hors du boîtier, il est couplé de manière capacitive à l'antenne hélicoïdale.
- De telles antennes sont décrites par exemple dans la demande de brevet EP-0 367 609 et dans le brevet US-4 121 218.
- Les performances radio de telles antennes, bien qu'elles soient acceptables pour l'utilisation qui en est faite, ne sont pas optimales, notamment en termes d'efficacité et de bande passante. Ceci est dû au fait que leur impédance de rayonnement, caractéristique de leur pouvoir rayonnant et par conséquent de leur efficacité en tant qu'antennes, est faible (en pratique très inférieure à 50Ω).
- D'autre part, compte tenu de la taille actuelle relativement faible des radiotéléphones portatifs, il est souhaitable, pour occuper le moins de place possible dans le boîtier du radiotéléphone, de diminuer autant que possible l'encombrement du brin extractible, ce dernier étant logé à l'intérieur du boîtier lorsqu'il se trouve en position rentrée. En effet, le volume occupé à l'intérieur du boîtier par le brin extractible ne peut y être occupé par d'autres éléments nécessaires au fonctionnement du radiotéléphone (émetteur/récepteur, modulateur/démodulateur, codeur/décodeur, connecteur de carte à puce, etc...).
- Or les brins extractibles connus actuellement sont généralement sensiblement cylindriques, de sorte qu'ils occupent un volume trop important dans le boîtier du radiotéléphone.
- En outre, les performances en termes de gain et d'omnidirectionnalité des antennes connues du type précédent utilisant un brin extractible sont détériorées par la dépendance entre ce dernier et le boîtier du radiotéléphone.
- Un but de la présente invention est par conséquent de réaliser une antenne pour dispositif radio portable dont l'efficacité soit accrue par rapport aux antennes de ce type connues actuellement.
- Un autre but de la présente invention est de réaliser une antenne du type précédent qui occupe un volume à l'intérieur du dispositif portable qui soit le plus faible possible.
- Enfin, un autre but de la présente invention est de réaliser une antenne de type précédent dans laquelle le brin extractible soit le plus indépendant possible du boîtier du dispositif radio associé.
- La présente invention propose à cet effet une antenne du type pour dispositif radio portable, comprenant notamment une antenne hélicoïdale couplée par sa base à un émetteur/récepteur,
caractérisée en ce que le pas de l'hélice en un matériau conducteur constituant ladite antenne hélicoïdale est variable selon la hauteur de l'hélice, et décroissant depuis la base de ladite antenne hélicoïdale jusqu'à son sommet. - D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront dans la description suivante de modes de réalisation possibles d'une antenne selon l'invention, ces modes de réalisation étant donnés à titre illustratif et nullement limitatif.
- Dans les figures suivantes :
- la figure 1 représente, en coupe partielle, une portion d'un radiotéléphone au niveau de laquelle est installée une antenne selon l'invention,
- la figure 2 est une coupe transversale du brin extractible représenté en figure 1,
- la figure 3A représente de manière schématique l'antenne hélicoïdale de la figure 1, et la figure 3B la courbe correspondante donnant l'intensité en fonction de la hauteur depuis la base de l'hélice,
- la figure 4 est un schéma équivalent de l'antenne de la figure 1 lorsque le brin extractible est en position rentrée,
- la figure 5 est un schéma équivalent de l'antenne de la figure 1 lorsque le brin extractible est en position déployée,
- la figure 6A représente de manière schématique une antenne hélicoïdale classique, la figure 6B la courbe correspondante donnant l'intensité en fonction de la hauteur depuis la base de l'hélice, et la figure 6C le schéma équivalent de cette antenne,
- la figure 7A représente de manière schématique une antenne hélicoïdale à hélice à pas variable mais à largeur constante, conforme à la présente invention, la figure 7B la courbe correspondante donnant l'intensité en fonction de la hauteur depuis la base de l'hélice, et la figure 7C le schéma équivalent de cette antenne,
- la figure 8A représente de manière schématique une autre antenne hélicoïdale à hélice à pas variable mais à largeur constante, conforme à la présente invention, la figure 8B la courbe correspondante donnant l'intensité en fonction de la hauteur depuis la base de l'hélice, et la figure 8C le schéma équivalent de cette antenne,
- la figure 9 représente en vue de face et en coupe partielle le brin extractible de l'antenne de la figure 1,
- la figure 10 représente en vue de face et en coupe partielle une première variante du brin extractible de l'antenne de la figure 1, dans son revêtement de protection,
- la figure 11 représente en vue de face et en coupe partielle une deuxième variante du brin extractible de l'antenne de la figure 1, dans son revêtement de protection,
- la figure 12 représente en perspective une variante possible pour le brin extractible de la figure 9,
- la figure 13A représente en vue de face une variante possible pour l'antenne hélicoïdale de la figure 1,
- la figure 13B est une vue en coupe de la paroi de l'antenne hélicoïdale de la figure 13A,
- la figure 13C représente la courbe donnant l'intensité en fonction de la hauteur depuis la base de l'hélice de l'antenne de la figure 13A,
- la figure 14A montre ce qui est obtenu à l'issue d'une étape d'une méthode possible de fabrication d'une antenne hélicoïdale telle que celle de la figure 1,
- la figure 14B montre comment procéder à l'assemblage de ce qui a été obtenu à la figure 14A.
- Dans toutes ces figures, les éléments communs portent les mêmes numéros de référence.
- On se reportera en premier lieu à la figure 1.
- On voit dans cette figure une antenne 1 selon l'invention. L'antenne 1 comprend une antenne hélicoïdale 2 et un brin extractible 3.
- L'antenne hélicoïdale 2 est logée en partie dans un évidement 4 d'un boîtier 5 de radiotéléphone, partiellement représenté en figure 1. Le boîtier 5 est constituée d'un matériau isolant, éventuellement métallisé, et a une forme sensiblement parallélépipédique. Afin de maintenir et de protéger l'antenne hélicoïdale 2, un boîtier d'antenne 6 (représenté en trait interrompu) dont la base vient compléter l'évidement 4 est utilisé.
- L'antenne hélicoïdale 2 est entièrement insérée dans le boîtier d'antenne 6, et dépasse environ des trois quarts de sa hauteur au-delà du boîtier 5 du radiotéléphone.
- Elle est constituée plus particulièrement d'un mandrin support 7 en un matériau isolant, de forme sensiblement cylindrique, sur la surface extérieure duquel a été déposée par un procédé de dépôt métallique classique, une hélice 8. Selon l'invention, le pas de l'hélice 8 est variable et diminue à partir de sa base 8B jusqu'à son sommet 8A. De même, toujours selon l'invention, la largeur de la piste électrique constituant l'hélice 8 est également variable et diminue à partir de la base 8B jusqu'au sommet 8A. On expliquera les raisons d'une telle structure et les avantages qu'elle procure dans la suite de la présente description.
- La longueur électrique de l'hélice 8 est sensiblement égale à la moitié de la longueur d'onde moyenne d'utilisation.
- La base 8B de l'hélice 8, se trouvant à la base du mandrin 7, est reliée par l'intermédiaire d'une languette d'interconnexion 9 à un câble coaxial 10 d'alimentation de l'antenne hélicoïdale 2 se trouvant dans le boîtier 5 du radiotéléphone et relié par ailleurs à l'émetteur/récepteur de ce dernier (non représenté).
- On trouve également dans le boîtier d'antenne 6 une bague de positionnement 11 (représentée en trait interrompu) en un matériau isolant, destinée à centrer et à maintenir l'antenne hélicoïdale 2.
- Le brin extractible 3 est constitué d'un ruban métallique 12 de section en forme de C très aplati (voir figures 2 et 9), que l'on qualifiera de méplate. La longueur électrique du ruban 12 est sensiblement égale à la moitié de la longueur d'onde moyenne d'utilisation. Le ruban 12 est en outre inséré dans un revêtement 13 en un matériau isolant destiné à la protéger.
- De manière avantageuse, le brin extractible 3 comprend en outre un élément métallique 15 en son sommet 3A, cet élément 15 s'étendant dans une direction sensiblement orthogonale à l'axe X de l'hélice 8 (le ruban 12 s'étend selon une direction sensiblement parallèle à l'axe X). L'élément 15 est également inséré dans le revêtement 13, et il peut être ou non relié électriquement au ruban 12. On expliquera plus loin son utilité.
- Le brin extractible 3 peut fonctionner dans deux positions. Dans une première position (correspondant à celle illustrée en figure 1), il est pratiquement entièrement rentré dans le boîtier d'antenne 6 et dans un logement adapté 14 pratiqué dans le boîtier 5 du radiotéléphone. Dans cette position, l'antenne 1 est du type quart d'onde (c'est-à-dire qu'elle utilise le boîtier 5 comme contrepoids électrique), et seule l'antenne hélicoïdale 2 sert alors à l'émission et à la réception de signaux radio. Les parois du logement 14 sont recouvertes de métal 141 pour constituer un blindage pour le brin extractible 3 en position rentrée.
- Dans une deuxième position (non représentée), le brin extractible 3 est entièrement déployé à l'extérieur du boîtier d'antenne 6. Il y a dans ce cas un couplage capacitif entre le brin 3 et le sommet de l'antenne hélicoïdale 2, de sorte que la hauteur totale de l'antenne 1 et sa résistance de rayonnement sont augmentées. Dans cette position du brin extractible 3, l'antenne 1 est encore du type quart d'onde.
- Afin de limiter la course du brin extractible 3 lors de son déploiement, l'extrémité inférieure 13B du revêtement 13 est de forme tronconique avec sa base de plus grand diamètre orientée vers le sommet de l'antenne. L'extrémité 13B vient en butée contre la paroi supérieure 14A du logement 14.
- Comme cela a été mentionné plus haut, une caractéristique essentielle de la présente invention réside dans le fait que l'on utilise une antenne hélicoïdale dont l'hélice est à pas variable, ce pas diminuant lorsque l'on se rapproche du sommet de l'antenne hélicoïdale, c'est-à-dire au fur et à mesure que le courant théorique dans une antenne hélicoïdale classique (c'est-à-dire de pas et de largeur constants) de mêmes dimensions diminue. Une telle structure permet d'une part d'améliorer l'efficacité de l'antenne 1 en assurant mieux le transfert d'énergie, et d'autre part d'augmenter la bande passante de l'antenne 1.
- En effet, cette structure permet d'établir dans l'antenne hélicoïdale 2 une distribution sensiblement trapézoïdale du courant. On augmente ainsi la résistance de rayonnement de l'antenne, et par conséquent son efficacité et sa bande passante.
- Dans l'exemple illustré en figure 1, les spires de l'hélice 8 sont en contact les unes avec les autres au sommet 8A, de sorte que l'on obtient au sommet 8A une surface métallisée continue. Ainsi, le sommet 8A est rendu capacitif, ce qui permet d'obtenir la distribution sensiblement trapézoïdale du courant et les avantages qui en résultent. Immédiatement avant le sommet 8A, les spires de l'hélice 8 constituent un spiralage serré sans toutefois être en contact les unes avec les autres. La capacité réalisée est ainsi rendue selfique, ce qui en augmente la valeur apparente. En outre, le fait de réaliser une capacité au sommet de l'antenne hélicoïdale 2 facilite et améliore le couplage capacitif et l'adaptation entre cette dernière et le brin extractible 3.
- Ainsi, l'hélice à pas variable permet d'obtenir des conditions optimales d'adaptation et de couplage dans les deux modes de fonctionnement (brin rentré ou déployé).
- A titre d'exemple, on a représenté en figure 6A, très schématiquement, une antenne hélicoïdale 62 à pas et largeur constants, selon l'art antérieur. La courbe 63 en figure 6B représente l'intensité du courant i en fonction de la hauteur h selon l'axe X de l'antenne hélicoïdale 62. On voit que la distribution du courant i est sensiblement triangulaire. Enfin, la figure 6C représente le schéma équivalent de l'antenne 62 : cette antenne équivaut à une inductance pure 64.
- On voit en figure 7A, de manière très schématique, une antenne hélicoïdale 72 conforme au principe de la présente invention, et qui pourrait être utilisée en lieu et place de l'antenne hélicoïdale 2 de la figure 1. Les spires de l'antenne 72 sont en contact les unes avec les autres au sommet de cette dernière de manière à constituer une métallisation continue. La courbe 73 de la figure 7B, qui représente l'intensité du courant i en fonction de la hauteur h selon l'axe X, montre bien que la distribution de courant tend vers une forme trapézoïdale. La figure 7C, qui représente le schéma équivalent de l'antenne 72, illustre que cette dernière équivaut à une inductance 74 en série avec une capacité 75.
- De même, on voit en figure 8A, de manière très schématique, une antenne hélicoïdale 82 conforme au principe de la présente invention, et qui pourrait être utilisée en lieu et place de l'antenne hélicoïdale 2 de la figure 1. Les spires de l'antenne 82 sont en contact les unes avec les autres au sommet de cette dernière de manière à constituer une métallisation continue, et resserrées sans être en contact les unes avec les autres immédiatement avant d'atteindre le sommet. Le reste de l'hélice est à pas constant. La courbe 83 de la figure 8B, qui représente l'intensité du courant i en fonction de la hauteur h selon l'axe X, montre bien que la distribution de courant tend de plus en plus (par rapport à la figure 7B) vers une forme trapézoïdale. La figure 8C, qui représente le schéma équivalent de l'antenne 82, illustre que cette dernière équivaut à une première inductance 84 (correspondant à la partie de l'hélice à pas constant), en série avec une deuxième inductance 85 (correspondant à la partie de l'hélice à pas serré) et avec une capacité 86 (correspondant au sommet de l'hélice où les spires sont en contact les unes avec les autres).
- Selon un perfectionnement avantageux de la présente invention, afin d'augmenter encore la résistance de rayonnement d'une antenne hélicoïdale telle que celle représentée à la figure 7A ou à la figure 8A, c'est-à-dire d'accroître sa surtension, on optimise la largeur de la piste électrique constituant l'hélice, afin d'augmenter la surface définie par la distribution de courant. On obtient ainsi une efficacité et une largeur de bande encore améliorées pour l'antenne selon l'invention.
- L'antenne hélicoïdale 2 représentée en figure 1 illustre les principes qui viennent d'être exposés. Elle est représentée schématiquement en figure 3A, et accompagnée en figure 3B de la courbe 33 correspondante représentant l'intensité du courant i en fonction de la hauteur selon l'axe X. On remarque que la surface comprise entre la courbe 33 et les axes de coordonnées est encore augmentée par rapport à la surface correspondante aux figures 7B ou 8B. Ceci a pour effet d'accroître la résistance de rayonnement et donc l'efficacité et la bande passante de l'antenne.
- On a représenté aux figures 4 et 5 les schémas équivalents de l'antenne 1 respectivement lorsque le brin extractible 3 est en position rentrée et lorsqu'il est en position déployée.
- En figure 4 :
- C₁ représente la capacité cumulée ajoutée d'une part par l'élément 15 au sommet 3A du brin extractible 3 et d'autre part par la partie capacitive du sommet 8A de l'hélice 8 ; la partie de C₁ correspondant à l'élément 15 du brin 3 complète l'effet apporté par le sommet capacitif 8A de l'hélice 8,
- LH représente l'inductance élevée due au spiralage serré immédiatement avant le sommet 8A de l'hélice 8,
- LB représente l'inductance faible de la partie basse de l'hélice 8 ; LB est négligeable devant LH,
- C₂ est une capacité parasite sur la partie basse de l'hélice 8 ; elle est négligeable du fait que LB est très petite devant LH.
- En figure 5, la partie de C₁ apportée par l'élément 15 au sommet 3A du brin extractible 3 n'a plus d'effet lorsque le brin 3 se trouve en position déployée, et la partie de C₁ apportée par le sommet 8A de l'hélice 8 a été prise en compte dans la capacité C₃ de couplage du brin extractible 3 avec l'antenne hélicoïdale 2 ; ce couplage est élevé et a tendance à réduire l'effet de LH, ce qui compense la capacité C₄ ajoutée par le brin 3 déployé et correspondant à l'effet d'antenne du brin 3 par rapport à l'environnement extérieur.
- Le fait d'augmenter la hauteur de l'antenne 1 en déployant le brin extractible 3 améliore, de manière connue, l'efficacité de l'antenne, en augmentant sa hauteur efficace et sa résistance de rayonnement.
- On notera que le brin extractible 3 n'est pas nécessairement situé à l'extérieur de l'antenne hélicoïdale 2 ; en effet, si le mandrin support est creux, le brin extractible peut se trouver à l'intérieur du mandrin 7, ce qui a l'avantage de procurer une économie de place supplémentaire.
- On a en outre représenté aux figures 10 et 11 des variantes possibles pour le brin extractible 3.
- Plus précisément, la figure 10 représente une variante utilisable à la place du ruban 12 du brin extractible 3 des figures 1, 2 et 9 (l'élément 15 n'a pas été représenté en figure 10). Au lieu d'utiliser un ruban métallique 12, on utilise une ligne conductrice métallique 1012 déposée de manière à former une ligne crénelée sur un film en un matériau isolant constituant une partie du revêtement 13. La ligne 1012 est noyée dans le revêtement 13. Une telle structure permet de raccourcir la longueur effective du brin extractible 3, tout en conservant une longueur électrique égale à la moitié de la longueur d'onde. Ceci permet de diminuer l'espace occupé par le brin extractible 3 à l'intérieur du boîtier 5 du radiotéléphone. De même qu'avec le ruban 12, on peut en outre éventuellement utiliser l'élément 15 à la partie supérieure du brin 3, pour obtenir le même effet que celui décrit précédemment.
- Selon une autre variante possible pour le brin extractible 3, illustrée à la figure 11 (l'élément 15 n'a pas été représenté sur ces figures, mais peut également être utilisé en relation avec la variante qui y est illustrée), on peut utiliser à la place du ruban 12 un fil métallique 1112 ayant une structure de ressort écrasé produisant un effet de tuile sans contact entre les spires.
- Le ressort 1112 est également noyé dans un revêtement 13 en un matériau isolant, et les avantages qu'il procure sont identiques à ceux obtenus avec la ligne 1012.
- Toutes ces structures pour le brin extractible 3 (ruban 12, ligne 1012, ressort 1112) permettent de réduire plus ou moins l'encombrement du brin extractible 3 dans le boîtier 5 du radiotéléphone, ce qui laisse plus d'espace pour d'autres éléments indispensables de ce dernier. Le matériau isolant constituant le revêtement 13 sera choisi à la fois pour conférer au brin 3 une certaine souplesse et pour assurer une résistance mécanique suffisante pour protéger la partie métallique qu'il renferme.
- Selon un perfectionnement possible pour le brin extractible 3, plus particulièrement adaptée à l'utilisation du ruban 12, la partie métallique haute du brin 3, située immédiatement avant l'élément capacitif 15, est reliée à ce dernier par une structure inductive 16. Ceci permet d'améliorer l'efficacité en position déployée du brin extractible 3.
- On va donner à présent des précisions sur la fabrication d'une antenne hélicoïdale selon l'invention.
- Comme on l'a déjà indiqué, l'antenne hélicoïdale 2, ainsi que toutes les variantes qui en ont été décrites, peut être réalisée par dépôt métallique sur un mandrin support 7. L'hélice peut ainsi être obtenue selon toute méthode classique (métallisation puis sérigraphie, métallisation puis masquage et photolithographie, selon la méthode décrite dans la demande de brevet EP-0 465 658, etc...).
- L'hélice peut être réalisée sur la surface externe ou interne d'un mandrin en un matériau isolant (lorsque ce mandrin est tubulaire). De manière préférentielle, si l'hélice 8 est réalisée sur la surface extérieure du mandrin 7 (ainsi que cela est représenté en figure 1), la métallisation sera recouverte d'un revêtement de protection (non représenté).
- Lorsque l'on effectue une métallisation à l'intérieur d'un mandrin support, l'épaisseur de la paroi du mandrin sera de préférence faible, pour faciliter le couplage capacitif éventuel avec un brin extractible. De plus, il pourra être nécessaire d'assurer la rigidité de l'antenne hélicoïdale ainsi obtenue en insérant dans le mandrin une pièce de renfort quelconque en un matériau isolant.
- La méthode proposée de réalisation de l'hélice 8 par métallisation est avantageuse, car elle permet de rendre l'antenne hélicoïdale 2 très compacte, ce qui permet à cette dernière d'occuper le moins de place possible à l'intérieur du boîtier 5 du radiotéléphone. En outre, la reproductibilité de l'hélice ainsi réalisée est meilleure par rapport à l'utilisation d'un fil bobiné.
- Par ailleurs, l'utilisation de cette méthode dans le cadre de l'invention est particulièrement avantageuse, car elle permet de réaliser aisément une hélice de pas et de largeur variables. On comprend bien en effet que la réalisation d'une telle hélice à l'aide d'un fil métallique bobiné, même si elle est concevable, est beaucoup plus complexe.
- Selon une variante proposée par la présente invention dans le procédé de fabrication de l'antenne hélicoïdale, on peut, au lieu de procéder à une métallisation directement sur un mandrin ayant la forme requise, effectuer un dépôt métallique sur un film isolant plan et souple 20 (voir figure 14A). Le film souple 20 peut être constitué notamment de Kapton, de Mylar ou de Duroid (marques déposées). Sa forme constitue la forme développée de la forme définitive que l'on souhaite donner à l'antenne hélicoïdale. On élimine ensuite, par sérigraphie, photolithographie ou autre, les parties de la métallisation non nécessaires, de manière à obtenir un motif 21 tel que, par assemblage en joignant deux côtés opposés 20C et 20D du film 20, on obtient une hélice de pas et de largeur voulus.
- Le film 20 présente à cet effet des vias métallisés 22, et sur sa face opposée à celle comportant le motif 21, autour des vias métallisés 22, des pastilles métallisées 23 (voir figure 14B) destinées à assurer la continuité électrique de l'ensemble.
- L'assemblage du film 20 est réalisé par soudure sur un mandrin (non représenté) de forme souhaitée (voir figure 14B).
- Cette méthode présente l'avantage d'être de mise en oeuvre plus simple (le dépôt sur une surface plane est plus simple à réaliser que le dépôt sur une surface de révolution), et de permettre de donner à l'antenne hélicoïdale une forme quelconque (tronconique, cylindrique, de section rectangulaire, etc...).
- On voit en outre, sur la figure 14A, que le film 20 présente, à sa partie supérieure, une "patte" 24 rectangulaire, de surface inférieure à celle du film 20, sur laquelle on voit également un motif de métallisation 25 comportant une partie centrale 26 pleine, entourée d'un spiralage 27. Cette patte 24 est destinée à être rabattue à angle droit lors de l'assemblage du film 20 sur une forme parallélépipédique à angles arrondis. La partie centrale pleine 26 constituera alors le sommet capacitif de l'antenne hélicoïdale, et le spiralage la partie d'inductance élevée.
- Lorsque l'on ne souhaite utiliser qu'une capacité de sommet (cf. figure 7A), la patte 24 peut être entièrement métallisée par une métallisation pleine.
- Le décrochement inférieur 28 du film 20 servira à réaliser la languette d'interconnexion avec le câble coaxial d'alimentation.
- Toutes les variantes qui viennent d'être décrites pour l'antenne selon l'invention comportent une alimentation par câble coaxial, ce câble coaxial étant relié d'une part à l'antenne hélicoïdale, et d'autre part à l'émetteur/récepteur du radiotéléphone avec lequel l'antenne selon l'invention est en relation.
- Il est possible de réaliser l'alimentation de l'antenne selon l'invention d'une autre manière. On a ainsi représenté aux figures 13A et 13B une variante possible pour l'antenne hélicoïdale 2 de la figure 1. Ici, l'hélice 138 comporte deux portions 138A et 138B. La portion 138A est constituée d'une métallisation 1381, par exemple sur la surface extérieure du mandrin 7, de largeur et de pas variable de manière à réaliser un sommet capacitif et une inductance élevée, de la même manière qu'en figure 1. La partie 138B comprend une métallisation 1382 sur la surface extérieure prolongeant la métallisation 1381 mais ayant un pas et une largeur constants, et une métallisation correspondante 1383 sur la surface intérieure du mandrin 7 (tubulaire) en regard de la métallisation 1382 et plus large que cette dernière.
- La longueur électrique de la portion 138A est d'environ un quart de la longueur d'onde, de même que celle de la portion 138B.
- La courbe correspondante 133 donnant l'intensité du courant i en fonction de la hauteur h le long de l'axe X pour l'antenne hélicoïdale 132 ainsi obtenue est donnée en figure 13C.
- La partie inférieure de l'antenne hélicoïdale 132 sert ainsi à la fois d'élément rayonnant (métallisations 1381 et 1382) et de ligne d'alimentation (1382 et 1383), la métallisation 1383 correspondant au conducteur de masse, c'est-à-dire au conducteur extérieur du coaxial d'alimentation, et la métallisation 1382 correspondant à l'âme du coaxial d'alimentation (lorsque la métallisation 1381-1382 se trouve sur la surface intérieure du mandrin 7, la métallisation 1383 se trouve alors bien entendu à l'extérieur).
- La méthode de fabrication de l'antenne hélicoïdale selon les figures 13A et 13B peut être une des méthodes décrites précédemment. On peut également réaliser l'antenne 132 par bobinage, bien que cela soit beaucoup moins aisé.
- Bien évidemment, l'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation qui viennent d'être décrits.
- En particulier, une antenne selon l'invention ne comporte pas nécessairement de brin extractible. En effet, un tel brin n'est nécessaire que pour permettre à l'antenne de fonctionner quelles que soient les conditions, et une telle spécification n'est pas toujours formulée.
- Par ailleurs, la disposition adoptée pour l'antenne selon l'invention par rapport au boîtier du radiotéléphone ne constitue qu'un exemple. D'autres dispositions sont possibles sans sortir du cadre de la présente invention.
- Le fait d'utiliser une méthode de métallisation pour fabriquer l'antenne hélicoïdale selon l'invention permet en outre de réaliser aisément des circuits en constantes réparties ou localisées au sommet de l'antenne, ou encore des éléments de correction d'impédance supplémentaires.
- On comprendra bien que la caractéristique essentielle de l'invention est de réaliser une hélice à pas variable et décroissant vers le sommet de l'antenne hélicoïdale.
- Ainsi, toutes les formes de réalisations de l'antenne hélicoïdale et du brin extractible données ne constituent que des exemples, et l'homme de l'art pourra à loisir choisir d'autres modes de réalisation sans sortir du cadre de l'invention.
- Enfin, on pourra remplacer tout moyen par un moyen équivalent sans sortir du cadre de l'invention.
Claims (25)
caractérisée en ce que le pas de l'hélice (8) en un matériau conducteur constituant ladite antenne hélicoïdale (2) est variable selon la hauteur de l'hélice, et décroissant depuis la base (8B) de ladite antenne hélicoïdale jusqu'à son sommet (8A).
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