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RÉSUMÉ
La conception d’antennes à dimensions réduites résulte souvent d’un compromis entre bande passante, efficacité et taille électrique, conformes à des limites physiques. Il faut alors définir des paramètres caractérisant leurs performances et leurs limites en termes de taille, bande passante, coefficient de qualité de rayonnement et gain. Il en va de même pour leurs limites fondamentales. Cet article expose les principales techniques imaginées pour réduire la taille des antennes filaires ou planaires, avec différents niveaux de complexité et d’ingéniosité. Une présentation d’exemples d’antennes pour téléphones mobiles et le rôle du PCB dans les performances globales des antennes concluent l’article.
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Ala SHARAIHA : Professeur des Universités à l’Université de Rennes - Institut d’Électronique et des Technologies du numérique, - IETR-UMR CNRS 6164, Rennes, France
INTRODUCTION
La fonction d’une antenne est d’émettre et de capter de l’énergie sous la forme d’ondes électromagnétiques. La taille d’une antenne se mesure en fonction de la longueur d’onde associée à la fréquence de transmission. Pour qu’une antenne donne son efficacité maximale et que l’énergie transférée soit la plus importante, sa longueur doit être arithmétiquement liée à la fréquence de l’onde. Cependant, même ainsi conçue, plus l’antenne est courte, moins elle est efficace. Il s’agit là de l’un des points bloquants dans la conception d’antennes miniatures qui se résume à trouver un compromis entre l’obtention d’une bonne efficacité et d’une large bande passante tout en restant miniature.
Dans cet article, nous passons en revue ce sujet d’actualité, sans être exhaustif. Le lecteur découvrira dans un premier temps la définition des paramètres clés caractérisant les performances des antennes miniatures, ainsi que leurs limites en termes de taille, bande passante, coefficient de qualité de rayonnement et gain. La contribution de plusieurs auteurs aux limites fondamentales des petites antennes est également résumée. Dans un second temps, nous nous intéressons aux nombreuses techniques de miniaturisation imaginées pour réduire la taille des antennes existantes, avec des niveaux variables de complexité et d’ingéniosité. En particulier, nous examinons certaines techniques proposées au fil des années pour miniaturiser les antennes dipôles et les antennes planaires « patch ». Pour finir, nous présentons quelques exemples d’antennes pour téléphones mobiles et le rôle que le PCB (circuit imprimé) joue dans les performances globales des antennes.
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- Version archivée 1 de mai 1999 par Joseph ROGER
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3. Antennes pour téléphone mobiles
Depuis l’apparition de la téléphonie mobile, les antennes ont beaucoup évolué. Les premiers appareils sur le marché étaient munis d’imposantes antennes externes, lentement remplacées par des antennes fouet, puis des antennes hélicoïdales protégées par un châssis en plastique ou moulées dans un caoutchouc.
L’intégration de l’antenne à l’intérieur du téléphone impose certaines contraintes de placement de l’antenne sur le PCB. Elle nécessite notamment une large ouverture dans le plan de masse du téléphone, ainsi que l’éloignement des composants comprenant beaucoup de parties métalliques (chassis, vibreur, batterie).
Ainsi, on trouve dans la littérature divers types d’antennes dont les plus populaires sont les antennes de type IFA, à court-circuit partiel avec des méandres, des fentes, des chargements capacitifs, des éléments parasites pour augmenter la bande passante et même quelquefois des circuits d’adaptation.
De nombreuses petites antennes semblent dépasser les limites fondamentales de taille, de largeur de bande et d’efficacité des antennes décrites à la section 1. C’est parce qu’elles ne fonctionnent pas seules ; il existe une forte interaction avec l’équipement/PCB qui tend à augmenter le volume effectif de l’antenne et par conséquent élargir la bande passante.
3.1 Positionnement de l’antenne
Le positionnement des antennes sur le PCB est une partie fondamentale de tout projet, certaines positions sont imposées. Par exemple, le long du côté court du PCB, du côté long du PCB ou dans le coin du PCB. Idéalement, le coin du circuit imprimé est l’un des endroits optimaux pour positionner une antenne. En effet, la position d’angle d’un circuit imprimé permet à l’antenne un dégagement dans un maximum de 5 directions spatiales et l’alimentation de l’antenne se trouve dans la sixième direction (figure 27).
Il existe deux grandes classes d’antennes internes, en fonction de la position de l’antenne et de la carte de circuit imprimé :
-
antenne adjacente installée à côté du PCB (à la manière d’un monopole) ;
-
antenne coïncidente installée au-dessus du PCB.
Ces classes sont présentées schématiquement à la figure ...
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BIBLIOGRAPHIE
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(1) - WHEELER (H.A.) - Fundamental Limitations of Small Antennas. - Proceedings of IRE, vol. 35, p. 1479-1484 (1947).
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