EP0649181B1 - Antenne du type pour dispositif radio portable, procédé de fabrication d'une telle antenne et dispositif radio portable comportant une telle antenne - Google Patents

Antenne du type pour dispositif radio portable, procédé de fabrication d'une telle antenne et dispositif radio portable comportant une telle antenne Download PDF

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EP0649181B1
EP0649181B1 EP94402293A EP94402293A EP0649181B1 EP 0649181 B1 EP0649181 B1 EP 0649181B1 EP 94402293 A EP94402293 A EP 94402293A EP 94402293 A EP94402293 A EP 94402293A EP 0649181 B1 EP0649181 B1 EP 0649181B1
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EP
European Patent Office
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antenna
helix
whip
helical antenna
antenna according
Prior art date
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EP94402293A
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EP0649181A1 (fr
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Jose Baro
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Alcatel Lucent SAS
Original Assignee
Alcatel CIT SA
Alcatel SA
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Publication date
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q1/00—Details of, or arrangements associated with, antennas
    • H01Q1/12—Supports; Mounting means
    • H01Q1/22—Supports; Mounting means by structural association with other equipment or articles
    • H01Q1/24—Supports; Mounting means by structural association with other equipment or articles with receiving set
    • H01Q1/241—Supports; Mounting means by structural association with other equipment or articles with receiving set used in mobile communications, e.g. GSM
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    • H01Q1/00—Details of, or arrangements associated with, antennas
    • H01Q1/36—Structural form of radiating elements, e.g. cone, spiral, umbrella; Particular materials used therewith
    • 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 a method of manufacturing a such an antenna and that a portable radio device comprising such an antenna.
  • This antenna is intended to transmit and receive radio signals.
  • extractable strands currently known are generally substantially cylindrical, so they occupy too much volume in the housing radiotelephone.
  • An object of the present invention is therefore to create an antenna for a portable radio device, efficiency is increased compared to antennas of this type currently known.
  • Another object of the present invention is to achieve an antenna of the previous type which occupies a volume at inside the weakest wearable device possible.
  • Another object of the present invention is to make a previous type antenna in which the strand extractable as independent as possible from the housing associated radio device.
  • the present invention provides for this purpose an antenna of the type for portable radio device, according to claim 1.
  • the antenna 1 comprises a helical antenna 2 5 and an extractable strand 3.
  • the helical antenna 2 is partly housed in a recess 4 of a radiotelephone case 5, partially shown in Figure 1.
  • the housing 5 consists of a insulating material, possibly metallized, and has a shape substantially parallelepiped.
  • an antenna box 6 shown in broken lines whose base comes complete 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.
  • a mandrel support 7 made of an insulating material, substantially shaped cylindrical, on the outside surface of which has been deposited by a conventional metal deposition process, a propeller 8.
  • the pitch of the propeller 8 is variable and decreases from its base 8B to its apex 8A.
  • the width of the track electric constituting the propeller 8 is also variable and decreases from base 8B to top 8A.
  • the electrical length of the propeller 8 is substantially equal to half the average wavelength use.
  • the base 8B of the propeller 8, located at the base of the mandrel 7, is connected by means of a tongue interconnection 9 to a coaxial cable 10 supplying the helical antenna 2 located in the housing 5 of the radiotelephone and also connected to the transmitter / receiver of the latter (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 ribbon metal 12 with a very flat C-shaped section (see Figures 2 and 9), which we will describe as flat.
  • the length electrical tape 12 is approximately equal to half of the average wavelength of use. Ribbon 12 is in additionally inserted into a covering 13 made of an insulating material intended to protect it.
  • the extractable strand 3 comprises in addition a metal element 15 at its top 3A, this element 15 extending in a direction substantially orthogonal to the X axis of the propeller 8 (the ribbon 12 extends in a direction substantially parallel to the axis X).
  • the element 15 is also inserted into the covering 13, and it may or may not be electrically connected to the ribbon 12. will explain later its usefulness.
  • the extractable strand 3 can operate in two positions. In a first position (corresponding to that illustrated in Figure 1), it is almost entirely tucked into the antenna housing 6 and into a housing adapted 14 practiced in the housing 5 of the radiotelephone. In this position, antenna 1 is of the quarter wave type (i.e. it uses box 5 as a counterweight electric), and only the helical antenna 2 is then used to the transmission and reception of radio signals.
  • the walls of housing 14 are covered with metal 141 to constitute a shield for extractable strand 3 in retracted position.
  • the strand extractable 3 In a second position (not shown), the strand extractable 3 is fully deployed outside the antenna box 6. In this case there is a coupling capacitive between strand 3 and the top of the antenna helical 2, so 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 quarter wave type.
  • the lower end 13B of the covering 13 is frustoconical with its largest base diameter oriented towards the top of the antenna.
  • the end 13B abuts against the upper wall 14A of the housing 14.
  • a essential characteristic of the present invention resides in the fact that we use a helical antenna whose the propeller is of variable pitch, this pitch decreasing when we approaches the top of the helical antenna, that is to say as the theoretical current in a conventional helical antenna (i.e. pitch and constant width) of the same dimensions decreases.
  • this structure improves efficiency antenna 1 by ensuring better energy transfer, and on the other hand to increase the bandwidth of the antenna 1.
  • this structure makes it possible to establish in the helical antenna 2 a distribution substantially trapezoidal current. This increases the resistance of radiation of the antenna, and therefore its efficiency and its bandwidth.
  • the turns of propeller 8 are in contact with each other at vertex 8A, so that we get at vertex 8A a continuous metallic surface. So the top 8A is rendered capacitive, which provides the distribution substantially trapezoidal of the current and the advantages which result.
  • the turns of the propeller 8 constitute a tight spiraling without however to be in contact with each other. The capacity thus realized is made selfic, which increases the apparent value.
  • achieving a capacity at the top of the helical antenna 2 facilitates and improves the capacitive coupling and adaptation between the latter and the extractable strand 3.
  • variable pitch propeller makes it possible to obtain optimal adaptation and coupling conditions in two operating modes (strand retracted or deployed).
  • FIG. 6A very schematically, a helical antenna 62 with pitch and width constant, according to the prior art.
  • Curve 63 in Figure 6B represents the intensity of the current i as a function of the height h along the X axis of the helical antenna 62.
  • Figure 6C shows the diagram equivalent of antenna 62: this antenna is equivalent to one pure inductance 64.
  • FIG. 7A very schematically, a helical antenna 72 which could be used instead of the helical antenna 2 of FIG. 1.
  • the turns of antenna 72 are in contact with each other at top of the latter so as to constitute a continuous metallization.
  • Curve 73 of Figure 78 which represents the intensity of the current i as a function of the height h along the X axis, shows that the distribution of current tends towards a trapezoidal shape.
  • Figure 7C which represents the equivalent diagram of antenna 72, illustrates that the latter is equivalent to an inductance 74 in series with capacity 75.
  • FIG. 8A very schematic, a helical antenna 82 which could be used in instead of the helical antenna 2 in FIG. 1.
  • the turns of antenna 82 are in contact with each other others at the top of the latter so as to constitute continuous metallization, and tightened without being contact with each other immediately before to reach the top.
  • the rest of the propeller is not constant.
  • 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 that the current distribution tends to more and more (compared to Figure 7B) towards a form trapezoidal.
  • Figure 8C which shows the diagram equivalent of antenna 82, illustrates that the latter equivalent to a first inductance 84 (corresponding to the part of the propeller with constant pitch), in series with a second inductor 85 (corresponding to the part of tight pitch propeller) and with capacity 86 (corresponding at the top of the propeller where the turns are in contact with each other with the others).
  • the helical antenna 2 shown in Figure 1 illustrates the principles which have just been exposed. She is shown schematically in Figure 3A, and accompanied by FIG. 3B of the corresponding curve 33 representing the intensity of the current i as a function of the height according to the X axis. Note that the area between the curve 33 and the coordinate axes is further increased by relative to the surface corresponding to FIGS. 7B or 8B. This has the effect of increasing the radiation resistance and therefore the efficiency and bandwidth of the antenna.
  • Figures 4 and 5 show the diagrams antenna 1 equivalents respectively when the strand extractable 3 is in the retracted position and when in deployed position.
  • Increasing the height of antenna 1 by deploying the extractable strand 3 improves, in a 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 the helical antenna 2; indeed, if the support mandrel is hollow, the strand extractable can be inside the mandrel 7, this which has the advantage of saving space additional.
  • FIGS. 10 and 11 also show possible variants for the extractable strand 3.
  • Figure 10 shows a variant usable in place of the tape 12 of the extractable strand 3 of the Figures 1, 2 and 9 (element 15 has not been shown in figure 10).
  • metallic tape 12 instead of using metallic tape 12, uses a metallic conductive line 1012 deposited from so as to form a crenellated line on a film in one insulating material constituting part of the covering 13.
  • the line 1012 is embedded in the covering 13.
  • Such a structure shortens the effective length of the strand extractable 3, while maintaining an electrical length equal to half the wavelength. This allows decrease the space occupied by the extractable strand 3 to inside of the radiotelephone case 5.
  • a metallic wire can be used 1112 having a crushed spring structure producing a tile effect without contact between the turns.
  • the spring 1112 is also embedded in a coating 13 made of an insulating material, and the advantages it provides are identical to those obtained with line 1012.
  • All these structures for the extractable strand 3 (ribbon 12, line 1012, spring 1112) reduce more or less the size of the extractable strand 3 in the radiotelephone case 5, which leaves more space for other essential elements of the latter.
  • the insulating material constituting the covering 13 will be chosen at both to give strand 3 flexibility and to ensure sufficient mechanical strength for protect the metal part it contains.
  • the upper metal part of strand 3, located immediately before the capacitive element 15, is connected to this last by an inductive structure 16. This allows improve the efficiency in the deployed position of the strand extractable 3.
  • the helical antenna 2 as well as all the variants which have been described, can be made by metallic deposition on a support mandrel 7.
  • the propeller can thus be obtained according to any method classic (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 made on the external surface or internal of a mandrel made of an insulating material (when this mandrel is tubular).
  • a mandrel made of an insulating material (when this mandrel is tubular).
  • the metallization will be covered with a protective coating (not shown).
  • the thickness of the mandrel wall preferably be low, to facilitate coupling possible capacitive with an extractable strand. Moreover, he it may be necessary to ensure the rigidity of the antenna helical thus obtained by inserting into the mandrel a any reinforcement piece of insulating material.
  • the proposed method of making propeller 8 by metallization is advantageous because it makes the very compact helical antenna 2, which allows this last to occupy as little space as possible inside of the radiotelephone case 5.
  • the reproducibility of the propeller thus produced is better compared to using a wound wire.
  • the flexible film 20 can be constituted in particular from Kapton, Mylar or Duroid (registered trademarks).
  • Her form constitutes the developed form of the final form that we want to give to the helical antenna.
  • Film 20 has metallized vias for this purpose 22, and on its face opposite to that comprising the pattern 21, around the metallized vias 22, metallized pellets 23 (see figure 14B) intended to ensure continuity of the whole.
  • the film 20 is assembled by welding on a mandrel (not shown) of desired shape (see figure 14B).
  • This method has the advantage of being simpler work (depositing on a flat surface is more simple to realize that depositing on a surface of revolution), and allow to give to the antenna helical any shape (frustoconical, cylindrical, of rectangular section, etc ).
  • the film 20 has a "tab" at its upper part 24 rectangular, with an area smaller than that of film 20, on which also shows a metallization pattern 25 comprising a full central part 26, surrounded by a spiraling 27.
  • This tab 24 is intended to be folded down right angle when assembling film 20 on a form rectangular with rounded corners.
  • the central part full 26 will then constitute the capacitive apex of the antenna helical, and spiraling the high inductance part.
  • the tab 24 can be entirely metallized by solid metallization.
  • the lower recess 28 of the film 20 will serve to make the interconnection tab with the coaxial cable Power.
  • 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 the radiotelephone transmitter / receiver with which the antenna according to the invention is related.
  • the propeller 138 has two portions 138A and 138B.
  • the 138A portion is consisting of a 1381 metallization, for example on the outer surface of the mandrel 7, of width and pitch variable so as to achieve a capacitive peak and a high inductance, in the same way as in figure 1.
  • the part 138B includes a metallization 1382 on the surface exterior extending metallization 1381 but having a constant pitch and width, and metallization corresponding 1383 on the inner surface of the mandrel 7 (tubular) opposite 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 portion 138B.
  • the lower part of the helical antenna 132 serves thus both of radiating element (metallizations 1381 and 1382) and power line (1382 and 1383), the metallization 1383 corresponding to the ground conductor, that is to say to the external conductor of the coaxial supply, and the metallization 1382 corresponding to the core of the supply coaxial (when metallization 1381-1382 is located on the inner surface of the mandrel 7, the metallization 1383 is then of course at outside).
  • the manufacturing method of the helical antenna according to Figures 13A and 13B can be one of the methods previously described. You can also make the antenna 132 by winding, although this is much less easy.
  • an antenna according to the invention does not does not necessarily have an extractable strand. Indeed, such a strand is only necessary to allow the antenna to function whatever the conditions, and a such specification is not always formulated.
  • Using a metallization method to manufacturing the helical antenna according to the invention allows besides easily making circuits as constants distributed or located at the top of the antenna, or additional impedance correction elements.
  • the essential characteristic of the invention is to produce a variable pitch propeller and decreasing towards the top of the helical antenna, with a wire whose width decreases towards its top.

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 boítier 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 boítier du dispositif radio, tel que, lorsqu'il se trouve en position rentrée à l'intérieur du boítier, il est pratiquement entièrement découplé de l'antenne hélicoïdale, et lorsqu'il se trouve en position déployée hors du boítier, 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 boítier du radiotéléphone, de diminuer autant que possible l'encombrement du brin extractible, ce dernier étant logé à l'intérieur du boítier lorsqu'il se trouve en position rentrée. En effet, le volume occupé à l'intérieur du boítier 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 boítier 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 boítier 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 boítier du dispositif radio associé.
La présente invention propose à cet effet une antenne du type pour dispositif radio portable, selon la revendication 1.
D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaítront 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, non 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, non 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 5 et un brin extractible 3.
L'antenne hélicoïdale 2 est logée en partie dans un évidement 4 d'un boítier 5 de radiotéléphone, partiellement représenté en figure 1. Le boítier 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 boítier 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 boítier d'antenne 6, et dépasse environ des trois quarts de sa hauteur au-delà du boítier 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 boítier 5 du radiotéléphone et relié par ailleurs à l'émetteur/récepteur de ce dernier (non représenté).
On trouve également dans le boítier 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 boítier d'antenne 6 et dans un logement adapté 14 pratiqué dans le boítier 5 du radiotéléphone. Dans cette position, l'antenne 1 est du type quart d'onde (c'est-à-dire qu'elle utilise le boítier 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 boítier 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 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 78, 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 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'accroítre 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'accroítre 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 boítier 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 boítier 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 boítier 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 boítier 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, avec un fil dont la largeur décroit vers son sommet.

Claims (23)

  1. Antenne (1) du type pour dispositif radio portable, comprenant notamment une antenne hélicoïdale (2) couplée par sa base à un émetteur/récepteur,
    le pas de ladite hélice (8) en un matériau conducteur constituant ladite antenne hélicoïdale (2) étantvariable selon la hauteur de l'hélice, et décroissant depuis la base (8B) de ladite antenne hélicoïdale jusqu'à son sommet (8A), et la longueur électrique de ladite hélice (8) étantsensiblement égale à la moitié de la longueur d'onde,
    caractérisée en ce que ladite hélice (8) est constituée d'un fil en un matériau conducteur dont la largeur décroít depuis la base de ladite antenne hélicoïdale jusqu'à son sommet.
  2. Antenne selon la revendication 1 caractérisée en ce que les spires de ladite hélice (8) au sommet de ladite antenne hélicoïdale (2) sont en contact les unes avec les autres de manière à réaliser une surface continue de matériau conducteur, de sorte que ledit sommet (8A) est capacitif.
  3. Antenne selon la revendication 2 caractérisée en ce que les spires de ladite hélice immédiatement avant ledit sommet capacitif (8A) sont très resserrées sans être en contact les unes avec les autres de manière à réaliser une inductance plus élevée que celle du reste de ladite hélice (8).
  4. Antenne selon l'une des revendications 2 ou 3
    caractérisée en ce qu'une portion inférieure de ladite hélice (8) est à pas constant.
  5. Antenne selon l'une des revendications 1 à 4 caractérisée ladite hélice constitue à son sommet un circuit en
    constantes réparties ou localisées.
  6. Antenne selon l'une des revendications 1 à 5caractérisé en ce que ladite hélice (138) est constituée sur une partie de sa hauteur d'un élément coaxial (138B) comportant une âme centrale (1382) et un conducteur extérieur (1383), l'élément coaxial (138B) partant de la base de ladite hélice (138) et ayant une longueur électrique sensiblement égale au quart de la longueur d'onde, ladite âme (1382) se prolongeant jusqu'au sommet de ladite hélice (1381), et ledit élément coaxial (138B) étant relié au câble coaxial d'alimentation de ladite antenne hélicoïdale (132).
  7. Antenne selon l'une des revendications 1 à 6caractérisée en ce qu'elle comporte, outre ladite antenne hélicoïdale, un brin extractible (3) demi-onde monté sur ledit dispositif et adapté pour être couplé de manière capacitive à ladite antenne hélicoïdale (2) lorsqu'il se trouve en position déployée, et pour être découplé de ladite antenne hélicoïdale (2) lorsqu'il est en position rentrée, la direction dudit brin (3) étant sensiblement parallèle à l'axe (X) de ladite hélice (8).
  8. Antenne selon la revendication 7 caractérisée en ce que ledit brin extractible (3) est muni à sa partie supérieure (3A) d'une extrémité (15) en un matériau conducteur de longueur petite devant celle dudit brin (3).
  9. Antenne selon la revendication 8 caractérisée en ce que ladite extrémité métallique (15) s'étend orthogonalement à la direction dudit brin (3) et est reliée électriquement audit brin par une portion inductive (16), l'ensemble étant inséré dans un revêtement en un matériau isolant (13).
  10. Antenne selon l'une des revendications 7 à 11
    caractérisée en ce que ledit brin (3) est constitué d'un ruban (12) en un matériau conducteur de section méplate, et est inséré dans un revêtement en un matériau isolant (13).
  11. Antenne selon l'une des revendications 7 à 9
    caractérisée en ce que ledit brin (3) est constitué d'un film souple en un matériau isolant (13) dans lequel est insérée une ligne conductrice formant une structure crénelée (1012).
  12. Antenne selon l'une des revendications 7 à 9
    caractérisée en ce que ledit brin (3) est constitué d'un film souple en un matériau isolant (13) dans lequel est inséré un fil conducteur (1112) ayant la forme d'un ressort écrasé.
  13. Antenne selon l'une des revendications 7 à 12
    caractérisée en ce que ledit brin extractible (3) est disposé à l'intérieur de l'hélice (8) formant ladite antenne hélicoïdale (2).
  14. Antenne selon l'une des revendications 7 à 12
    caractérisée en ce que ledit brin extractible (3) est disposé à l'extérieur de l'hélice (8) formant ladite antenne hélicoïdale (2).
  15. Antenne selon l'une des revendications 7 à 14
    caractérisée en ce que, lorsque ledit brin extractible (3) est en position rentrée, il est entièrement entouré, à l'intérieur dudit dispositif radio, d'un écran métallique de blindage (141).
  16. Procédé de fabrication d'une antenne selon l'une des revendications 1 à 15 caractérisé en ce que ladite hélice (8) est obtenue par dépôt métallique sur la surface extérieure d'un mandrin support (7) en un matériau isolant.
  17. Procédé selon la revendication 16 caractérisé en ce que ledit dépôt métallique est recouvert d'un matériau de protection.
  18. Procédé de fabrication d'une antenne selon l'une des revendications 1 à 15 caractérisé en ce que ladite hélice est obtenue par dépôt métallique sur la surface intérieure d'un mandrin support tubulaire en un matériau isolant.
  19. Procédé selon la revendication 18 caractérisé en ce que ledit mandrin support est de faible épaisseur.
  20. Procédé de fabrication d'une antenne selon l'une des revendications 1 à 15 caractérisé en ce que ladite hélice (8) est obtenue par dépôt de bandes métalliques (21) sur un film souple (20) sensiblement plan correspondant à la forme développée de la forme définitive à donner à l'hélice, puis assemblage par soudure de deux extrémités opposées (20C, 20D) dudit film souple (20) pour obtenir une forme hélicoïdale du dépôt (21) effectué et une continuité électrique.
  21. Procédé selon l'une des revendications 16 à 20 caractérisé en ce que ledit mandrin est cylindrique, tronconique ou parallélépipédique avec des bords arrondis.
  22. Dispositif radio portable caractérisé en ce qu'il comporte une antenne (1) selon l'une des revendications 1 à 15, ladite antenne hélicoïdale (2) étant disposée à la partie supérieure d'un boítier (5) appartenant audit dispositif.
  23. Dispositif radio portable caractérisé en ce qu'il comporte une antenne (1) selon l'une des revendications 7 à 15, ladite antenne hélicoïdale (2) étant disposée à la partie supérieure d'un boítier (5) appartenant audit dispositif, et ledit brin extractible (3) se trouvant inséré dans un logement (14) appartenant audit boítier (5) lorsqu'il est en position rentrée, et émergeant à la partie supérieure dudit boítier (5) lorsqu'il est en position déployée.
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