antenne miniature quadribande gsm/dcs/pcs/umts

ANTENNE MINIATURE QUADRIBANDE GSM/DCS/PCS/UMTS
P. CIAIS, R. STARAJ, G. KOSSIAVAS, C. LUXEY
Laboratoire d’Electronique, Antennes et Télécommunications
Université de Nice-Sophia Antipolis/UMR-CNRS 6071
250 rue Albert Einstein, Bât. 4, Les Lucioles 1, 06560 Valbonne, France
Tél : +33 4 92 94 28 00, Fax : +33 4 92 94 28 12
Résumé
Une antenne miniature pouvant être intégrée à un terminal de téléphonie mobile et couvrant les normes GSM,
DCS, PCS et UMTS est présentée. Cette antenne quart-d'onde combine plusieurs techniques, à savoir l'utilisation de
fentes, d'éléments parasites court-circuités et de chargements capacitifs. L'antenne est analysée à l'aide du logiciel IE3D
de Zeland Software. Une bonne concordance entre simulation et mesure est obtenue.
I. Introduction
La téléphonie mobile est actuellement fortement demandeuse de solutions en ce qui concerne les antennes
miniatures intégrées pour terminaux multistandards. Ainsi, plusieurs techniques sont employées afin de réduire la taille
de ces antennes et d'obtenir des antennes multibandes et larges bandes. L'antenne présentée combine plusieurs de ces
techniques. Tout d'abord, l'utilisation d'une fente permet la descente en fréquence et le contrôle des modes supérieurs
[1]. Ensuite, l'utilisation d'éléments parasites juxtaposés à l'élément alimenté [2,3] a permis la création de nouvelles
résonances, résonances que l'on a pu correctement positionner en fréquence grâce à un allongement par descente
capacitive [3]. Cette combinaison de techniques nous a permis d'obtenir une antenne capable de couvrir le standard
GSM (Global System for Mobile communications, 880-960 MHz) à ROS (Rapport d'Ondes Stationnaires) ≤ 2,5 mais
aussi les standards DCS (Digital Communication System, 1710-1880 MHz), PCS (Personal Communication Services,
1850-1990 MHz) et UMTS (Universal Mobile Telecommunications System, 1920-2170 MHz) à ROS ≤ 2.
II. Géométrie de l’antenne
L’antenne (Figure 1) de dimensions 38,5 x 28,5 x 8,5 mm3 est constituée d’un élément principal alimenté et courtcircuité et de trois éléments parasites court-circuités. Ces quatre éléments sont de type quart-d’onde et les différentes
connexions avec le plan de masse ou la sonde coaxiale sont réalisées par des languettes.
Plan de masse 40,5 x 105 mm²
Fente
Chargement capacitif
de hauteur = 7,5 mm
Elément parasite court-circuité 1
38,5 x 25,5 x 8,5 mm3
Chargement capacitif :
- Hauteur = 8 mm
- Longueur = 1,2 mm
Résonateur alimenté 32 x 22 x 8,5 mm3
Elément parasite court-circuité 3
19 x 4 x 8,5 mm3
Elément parasite court-circuité 2
4 x 22 x 8,5 mm3
Languette de court-circuit
de l'élément alimenté
Languette de court-circuit
de l'élément parasite 2
Languette de court-circuit
de l'élément parasite 3
Sonde d'alimentation
Languette de court-circuit
de l'élément parasite 1
Figure 1 : Géométrie de l’antenne
Languette d'alimentation
L’élément rayonnant principal est alimenté par une sonde coaxiale via une languette de 1 mm de largeur dite
languette d’alimentation. Le caractère quart-d’onde est obtenu grâce à un court-circuit réalisé lui aussi par une languette
de mêmes dimensions, appelée languette de court-circuit. Enfin, cet élément principal est perturbé par une fente
débouchante permettant une descente en fréquence des deux premiers modes de l’élément.
Les éléments parasites court-circuités viennent se placer à proximité de la languette d’alimentation de manière à
être correctement excités. Des descentes capacitives ont été rajoutées au bout des éléments parasites 1 et 2 afin
d’augmenter leur longueur électrique et ceci sans nuire au volume de l’antenne. Il est à noter que toutes les languettes
sont de largeur 1 mm sauf la languette de l’élément parasite 2 qui est de largeur 3 mm.
Enfin, cette antenne est positionnée sur un plan de masse de 40,5 x 105 mm2, dimensions qui permettent une
intégration dans un boîtier de téléphone portable.
III. Résultats et interprétation
La Figure 2 compare le rapport d’ondes stationnaires (ROS) mesuré à celui simulé par IE3D. Nous pouvons noter
que les résultats sont relativement similaires. Les bandes passantes expérimentales sont d’environ 100 MHz (soit 9,8% à
915 MHz) pour la bande basse à ROS ≤ 2,5 et d’environ 460 MHz (soit 23,7% à 1940 MHz) à ROS ≤ 2 pour la bande
haute, ce qui permet de couvrir simultanément les normes GSM, DCS, PCS et UMTS.
10
Mesure
Simulation
9
8
ROS
7
6
5
4
3
2
1
0,8
0,95
1,1
1,25
1,4 1,55 1,7
Fréquence (GHz)
1,85
2
2,15
2,3
Figure 2 : Rapport d'ondes stationnaires
Le fonctionnement de l'antenne est le suivant :
L'élément alimenté possède deux fréquences de résonance qui sont en fait les modes TM10 et TM30 descendus en
fréquence grâce à la fente. Ainsi, la fréquence d'adaptation du mode TM10 est la fréquence haute de la bande GSM et
celle du mode TM30 se situe au milieu de la bande haute.
Les éléments parasites court-circuités apportent chacun une résonance de type quart-d'onde. La fréquence
d'adaptation basse de la bande basse est due à l'élément 1; l'élément 2 travaille en bas de la bande haute et l'élément 3
travaille en haut de la bande haute.
IV. Conclusion
Nous avons présenté une nouvelle antenne miniature multibande et large bande sur un plan de masse réduit. Cette
structure a fait appel à différentes techniques de miniaturisation telles que la réalisation de fente, l'utilisation d'éléments
parasites et le chargement capacitif. Ces différentes méthodes ont permis l'obtention de deux larges bandes utilisables
pour les standards GSM d'une part et DCS, PCS, UMTS d'autre part.
Références
[1] P. SALONEN, M. KESKILAMMI AND M. KIVIKOSKI, "New slot configurations for dual-band planar invertedF antenna", Microwave and Optical Technology Letters, Vol. 28 , n°5, March 2001, pp. 293-298.
[2] Y.J. WANG, C.K. LEE AND W.J. KOH, "Design of small and dual-band internal antennas for IMT-2000 mobile
handsets", IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, Vol. 49, n°8, August 2001, pp. 1398-1403.
[3] J. OLLIKAINEN, O. KIVEKAS, A. TOROPAINEN AND P. VAINIKAINEN, "Internal dual-band patch antenna
for mobile phones", Millenium Conference on Antennas & Propagation, Davos, April 2000, CDROM.