EP1026775B1 - Système d'antenne de téléphone mobile pour satellite et téléphone mobile muni de ce système d'antenne - Google Patents

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EP1026775B1
EP1026775B1 EP00200065A EP00200065A EP1026775B1 EP 1026775 B1 EP1026775 B1 EP 1026775B1 EP 00200065 A EP00200065 A EP 00200065A EP 00200065 A EP00200065 A EP 00200065A EP 1026775 B1 EP1026775 B1 EP 1026775B1
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EP
European Patent Office
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antenna
strands
mobile telephone
mode
antenna system
Prior art date
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EP00200065A
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German (de)
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Hervé Société Civile SPID Jacob
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Koninklijke Philips NV
Original Assignee
Koninklijke Philips Electronics NV
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Publication date
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q11/00—Electrically-long antennas having dimensions more than twice the shortest operating wavelength and consisting of conductive active radiating elements
    • H01Q11/02—Non-resonant antennas, e.g. travelling-wave antenna
    • H01Q11/08—Helical antennas
    • 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
    • H01Q1/242—Supports; Mounting means by structural association with other equipment or articles with receiving set used in mobile communications, e.g. GSM specially adapted for hand-held use
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • 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
    • H01Q1/38—Structural form of radiating elements, e.g. cone, spiral, umbrella; Particular materials used therewith formed by a conductive layer on an insulating support
    • H—ELECTRICITY
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    • H01Q11/00—Electrically-long antennas having dimensions more than twice the shortest operating wavelength and consisting of conductive active radiating elements
    • H01Q11/02—Non-resonant antennas, e.g. travelling-wave antenna
    • H01Q11/08—Helical antennas
    • H01Q11/083—Tapered helical aerials, e.g. conical spiral aerials

Definitions

  • the present invention relates to a cellular mobile telephone antenna system operating by radio link between said mobile and a set of rotating stations in polar or quasi-polar orbit around the Earth.
  • the invention is particularly suitable for new operators who propose to overcome these shortcomings of conventional networks by providing cellular systems operating by radio links between the mobile and a set of satellites rotating in polar orbit around the Earth.
  • the various projects differ in their progress, the precise frequency bands used, in the order of 1 or 2 GHz, the number of satellites and their orbits, and the status of the network setting organization. .
  • the design and choice of antennas for such mobile phones is particularly critical in the case of a satellite network: the main causes are the distances between the base station and the mobile, the circular polarization required for the waves, the performance of the ratio gain / temperature of noise at the reception and the different attitudes that the mobile can take with respect to the satellite according to the use of the first and the position of the latter.
  • the notion of mechanical reference does not exist in the mobile application: any definition of polarization angle is illusory, since the user orients the telephone antenna according to any angle that evolves when it moves and it would be impossible to impose a polarization angle such as vertical or horizontal.
  • the quality of the reception depends on the gain of the antenna but also on the whole of its radiation pattern which must have low values in the noisy directions on the radio plane, that is to say the directions towards the terrestrial ground essentially.
  • the quality criterion commonly used is the ratio between the antenna gain in the direction of the received waves and the overall noise temperature received, ie G / T.
  • the antenna must optimize this criterion as much as possible during the communications phases, during which the user holds his telephone in approximately vertical position, without excessively degrading this criterion during the standby phases, in order to allow sufficient operation to be able to contact a user who has placed his mobile on a horizontal plane support.
  • the solid angle to cover is 2 ⁇ steradians along the main axis of the phone, above the horizontal plane.
  • the interesting angle to receive signals from a satellite near the perigee is perpendicular to its main axis is on the side of the phone, which corresponds to the horizon if the mobile is put back into its normal (vertical) attitude, and the gain must then have some value in that direction.
  • circular polarization intended for the implementation of the invention, is chosen an antenna in the form of a conical spiral antenna with several strands.
  • Such an antenna is known per se from US-A-4,656,485. In the present case, it is a fixed antenna with respect to the ground, designed to transmit and receive shortwave at frequencies of the order of some MHz. It can operate in two switching modes by reversing the supply of 2 of its 4 strands so as to obtain omnidirectional radiation patterns with more or less large elevation angles and, moreover, at different frequencies depending on the mode of operation. 'excitation.
  • An object of the invention is to provide an antenna-mobile phone integral assembly communicating with a set of satellites, which can operate nominally during the communication phases and in an acceptable manner during the standby phases.
  • Another object of the invention is to provide an antenna / mobile phone integral assembly communicating with a set of satellites, which can operate nominally in a vertical position and in an acceptable manner in a horizontal position.
  • the cellular mobile telephone antenna system indicated in the first paragraph is remarkable in that the antenna system is in the form of of a multi-strand conical spiral antenna, and comprises at its base Operating Mode Switching means (CMF means) integral with said mobile telephone, and 4 strands spaced angularly from ⁇ / 2 from each other in a rotation around the axis of a truncated cone support fixed by its large base to the upper end of the telephone handset, said CMF means having phase shifter means for supplying said strands according to radiofrequency signals phase shifted by ⁇ / 2 between adjacent strands in a first mode of operation and out of phase by ⁇ between adjacent strands in a second mode of operation.
  • CMF means Operating Mode Switching means
  • the dimensions of the antenna described here are adapted to the frequencies of the signals to be processed and are in centimeters, unlike the fixed antenna of the aforementioned US patent which is supported by a vertical mat several meters high.
  • the phase shifters are, for example, hybrid couplers 0-180 ° and 0-90 °.
  • a preferred embodiment of the invention is remarkable in that said CMF means furthermore comprise, for a switch based on a selection criterion a priori, mercury drop switches (s) for carrying out said first mode of operation. for the bidirectional link with a satellite when the antenna with the telephone which supports it extends in a substantially vertical position and to perform said second mode of operation consisting of a standby phase to maintain a connection with a satellite for a position essentially horizontal.
  • the radiation pattern of the antenna is quasi-spherical directed towards the top of the antenna and rather favorable to a vertical position of the antenna, the emission toward the earth being weak or almost zero for the 2 ⁇ lower steradians.
  • the diagram obtained is against toric form, the axis of the torus being that of the antenna, which ensures a portion of radiation directed upwards for any horizontal position.
  • the radiation pattern is still favorable for relatively low elevation angles, but not for elevation angles that are close to ⁇ / 2.
  • said CMF means furthermore comprise, for a commutation based on a criterion of choice a posteriori, periodic test means of said first and second operating modes, and connection of said phase shifter means ensuring the selection of the best of the 2 operating modes tested.
  • the antenna In order not to be bulky and compatible with a telephone itself of reduced size, it is preferred to use for the antenna a high permittivity dielectric support to support the radiating strands.
  • the antenna is made for example by means of a ceramic truncated cone on which said strands are applied according to the technology of the hybrid circuits and having along its axis a hole through which the coaxial cables pass for the power supply. strands.
  • the mobile phone 1 shown in FIG. 1A is a cellular telephone designed to communicate over the air with a set of satellites such as 2, these satellites rotating in polar or quasi-polar orbit around the Earth; for this purpose, it comprises a conical spiral antenna with several strands, 3.
  • the satellite with which the telephone is in communication at a given moment is at a distance which is of the order of one to several thousand kilometers and it is present at any angle of elevation, i.e., between 0 and ⁇ / 2.
  • the antenna 3 comprises 4 strands B1, B2, B3, B4 (FIG. 1B) intertwined, fed at the tip of the support cone, this point being in practice the small base of a truncated cone, referenced 4 in the FIG. 2, and the separate supply of these 4 strands can be performed in two different ways as described below.
  • the symmetry along the main axis 5 guarantees omnidirectional radiation in azimuth, ie an amplitude of the electric field E ⁇ according to the constant angle ⁇ .
  • the radiation in site against is directional and the amplitude of the field E ⁇ is a function of the angle ⁇ : in addition this variation law is dependent on the relative phase of the supply signals of the different strands.
  • the polarization is elliptical: a polar component E ⁇ ⁇ of the field is orthogonal to the axis 5 and the vector radius 7, and another radial component E ⁇ ⁇ of the field is orthogonal to the vector radius, but in the plane formed by it and the axis 5.
  • FIG. 2 explains the basic principle of the invention.
  • the antenna 3 has been shown from above and in a stylized manner to make it readable and do not overload the drawing. It comprises, along its axis (5, Figure 1B), a central hole 9 for the passage of 4 coaxial cables C1, C2, C3, C4, supply strands B1 to B4.
  • the core of these coaxials is connected on one side to the end of the strands located on the small base 4 of the truncated cone and, on the opposite side, to operating mode switching means (CMF means) contained in the perimeter in broken line 11, while the perimeter 12 includes the mobile phone 1 which supports the antenna 3.
  • CMF means operating mode switching means
  • the CMF means are symbolized by two blocks, phase shifter means 13 and switching means 14.
  • a bidirectional link 15 connects the phase shifter means 13 to the block 16 which symbolizes the rest of the electronics of the apparatus; this link 15 carries the signal I received or transmitted by the antenna 3.
  • a connection 17 with several conductors symbolizes the control of the phase-shifting means by the switching means 14, so as to be able to realize the one or the other of 2 possible configurations of phase shifts between strands carrying the I signal, these 2 configurations being described below.
  • the switch is itself controlled from the block 16 by a conductor 18 carrying the logic state 1 or the logic state 0, these two states involving one or the other operating mode of the antenna 3.
  • the 2 radiation patterns targeted for the implementation of the invention result from the two modes of excitation of the 4-wire antenna, ie 2 dipoles, by calling I1, I2, I3, I4 the signal I applied to the strands.
  • B1 to B4 respectively, as shown in the following table: TABLE I Fashion I1 I2 I3 I4 Phase function (phase of I) 1 + ⁇ / 2 ⁇ - ⁇ / 2 0 e ⁇ j, 3 ⁇ two - ⁇ 0 ⁇ 0 e ⁇ j, 2 ⁇
  • the radiation pattern resulting from the mode 1 (m1) is represented in FIG. 3 where it has drawn in broken line E ⁇ which is the maximum module of the component E ⁇ ⁇ and in full line E ⁇ which is the maximum module of E ⁇ ⁇ (where the curves intersect the polarization is circular, and elliptical in other directions).
  • This diagram can be slightly modified according to the characteristics: spiral angle, and width of the strands.
  • the current flows from the tip (of the small base) to the top of the cone towards the large base, but the radiation is effected in the opposite direction, for which the currents in the different parts of the strands add up. identical phase, in the direction pointed by the top of the cone.
  • This diagram covers the upper hemisphere in an acceptable way, for the communication phases, preferably, while in the directions that point to the earth from where comes the bulk of the noise, the amplitude of the fields E ⁇ ⁇ and E ⁇ ⁇ is weak. These fields are sinusoidal at high frequency and are out of phase in time in quadrature, which is at the origin of the circular polarization when the modules of the two components are equal, and slightly elliptical if they differ.
  • the second radiation pattern that results from mode 2 (m2) is shown in Figure 4. It corresponds to phase shifts of ⁇ radians between a radiating strand and its adjacent.
  • This type of diagram, of toric shape is suitable for the second required functionality of the antenna, the coverage on the edges to ensure a priori the radio link with the satellite for the phases of call of the mobile by a distant user, of preferably with the mobile in horizontal position.
  • a priori consists in saying that the mobile is in a vertical position during a communication and in a horizontal position when it is in standby, a simple means is that the communication of the mobile activates the mode 1 (m1) and that the end of the communication activates mode 2 (m2).
  • the means necessary to achieve this functionality are symbolized by block 21 in block 16, FIG. 2.
  • the mobile phone may include an angular detector that detects the fact that the phone is lying flat.
  • This detector may be a simple mercury drop contactor which provides one or the other possible binary state on the conductor 18 (FIG. 2).
  • These operating mode control means are symbolized by the block 22, FIG. 2.
  • the switching means 14 select the mode 2 when the telephone is laid flat.
  • the switching means select the mode 1 when the angle detector sends the information indicating the vertical position of the mobile; whether it is a communication phase or a standby phase.
  • reception quality information in terms of bit error rate of the received digital transmission, can be used to optimize mode switching.
  • the circuits are then more complex; but the best reception mode of the antenna is chosen regardless of the electrical environment of the channel. For example, in intermediate situations such as the satellite descending on the horizon or the mobile held in an oblique position, a return to the mode position m1 may be favorable for optimizing the G / T ratio on reception.
  • This is a criterion of choice a posteriori and to implement it, it is necessary to use means for testing the first (m1) and second (m2) modes of operation and connection of the phase-shifting means (13) assuring the selecting, through the switching means 14, the best of the two operating modes tested, after each test phase.
  • FIG. 5 shows, by way of example, a device for coupling and supplying the radiating strands, with an input 26 reserved for the mode m1 and an input 25 reserved for the mode m2 for the high frequency signal I.
  • phase shifter means made from hybrid couplers 0-180 ° and 0-90 °.
  • the 4 internal two-position switches, CO1, CO2, CO3, CO4, of this device connect 50 ⁇ loads to the isolated accesses of the couplers. It should be noted that these resistors normally dissipate no energy when the couplers are well balanced, but are nevertheless necessary for the proper functioning of the couplers.
  • the position of the switches CO1 to CO4 is such that the operating mode m1 is selected; in their reverse position, this would be the m2 mode.
  • the production of the antenna 3 (FIGS. 1 and 2) must retain the symmetry properties of the radiating elements with respect to the axis 5 of the conical structure, which generally imposes dipole feed lines. radiating centered on this axis in the least expensive embodiment.
  • the dimensions of such an antenna can be of the order of 10 centimeters in height for a frequency of the order of 2 GHz, which gives a length of a radiating strand of about 16 cm for an angle of the cone 2 ⁇ 0 equal to 20 °, and a spiral winding angle ⁇ of 50 °, which corresponds to 2.11 times the wavelength for the dipole consisting of 2 opposite strands.

Landscapes

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Description

  • La présente invention concerne un système d'antenne pour téléphone mobile cellulaire fonctionnant par liaison radioélectrique entre ledit mobile et un ensemble de stations tournant en orbite polaire ou quasi polaire autour de la Terre.
  • Elle concerne aussi un téléphone mobile muni d'un tel système d'antenne.
  • Dans le cadre de la diversification et de l'extension des réseaux de téléphones mobiles cellulaires, le nombre de stations de base est en croissance continuelle dans les régions à forte population, qui sont en passe d'être entièrement couvertes par les réseaux classiques des principaux opérateurs. Le problème de couverture se pose néanmoins pour d'autres zones géographiques. Il est particulièrement important dans les régions désertiques ou les zones maritimes.
  • L'invention est plus particulièrement adaptée aux nouveaux opérateurs qui proposent de pallier à ces manques de réseaux classiques en proposant des systèmes cellulaires fonctionnant par liaisons radio entre le mobile et un ensemble de satellites tournant en orbite polaire autour de la Terre. Les divers projets diffèrent par leur état d'avancement, les bandes de fréquence précises utilisées, de l'ordre de 1 ou 2 GHz, les nombres de satellites et leurs orbites, et par le statut de l'organisme de mise en place du réseau. Pour ces réseaux nouveaux et pour ce type de liaisons, il faut prévoir des téléphones mobiles avec des antennes nouvelles elles aussi et qui ne peuvent plus se réduire à un simple brin puisque les satellites (c'est-à-dire les stations de base) avec lesquels il s'agit de communiquer, que ce soit en mode de conversation ou en mode de veille peuvent être éloignés de plusieurs milliers de kilomètres dans l'espace.
  • La conception et le choix des antennes pour de tels téléphones mobiles est particulièrement critique dans le cas d'un réseau par satellite: les principales causes en sont les distances entre la station de base et le mobile, la polarisation circulaire requise pour les ondes, la performance de rapport gain/température de bruit à la réception et les différentes attitudes que peut prendre le mobile par rapport au satellite en fonction de l'utilisation du premier et de la position de ce dernier. De plus, la notion de référentiel mécanique n'existe pas dans l'application mobile : toute définition d'angle de polarisation est illusoire, puisque l'utilisateur oriente l'antenne de téléphone suivant un angle quelconque qui évolue lorsqu'il se déplace et il serait impossible d'imposer un angle de polarisation tel que vertical ou horizontal.
  • La qualité de la réception dépend du gain de l'antenne mais aussi de l'ensemble de son diagramme de rayonnement qui doit présenter des valeurs faibles dans les directions bruyantes sur le plan radioélectrique c'est-à-dire les directions vers le sol terrestre essentiellement. Le critère de qualité couramment utilisé est d'ailleurs le rapport entre le gain d'antenne dans la direction des ondes reçues et la température globale de bruit reçu, soit G/T.
  • Pour l'application de téléphonie mobile, l'antenne doit optimiser le plus possible ce critère durant les phases de communications, durant lesquelles l'utilisateur tien son téléphone en position approximativement verticale, sans dégrader excessivement ce critère pendant les phases de veille, afin de permettre un fonctionnement suffisant pour pouvoir contacter un utilisateur qui a posé son mobile sur un support plan horizontal. En communication, l'angle solide à couvrir est de 2 Π stéradians selon l'axe principal du téléphone, au-dessus du plan horizontal. Inversement, lorsque le mobile se retrouve posé à plat, l'angle intéressant pour recevoir des signaux en provenance d'un satellite proche du périgée est perpendiculaire à son axe principal soit sur le côté du téléphone, ce qui correspond à l'horizon si le mobile est remis dans son attitude (verticale) normale, et le gain doit alors présenter une certaine valeur dans cette direction.
  • Comme antenne, à polarisation circulaire, destinée à la mise en oeuvre de invention, est choisie une antenne sous forme d'une antenne spirale conique à plusieurs brins. Une telle antenne est connue en soi du brevet US-A 4 656 485. Il s'agit en l'occurrence d'une antenne fixe par rapport au sol, conçue pour émettre et recevoir en ondes courtes à des fréquences de l'ordre de quelques MHz. Elle peut fonctionner selon deux modes de commutation par interversion de l'alimentation de 2 parmi ses 4 brins de façon à obtenir des diagrammes de rayonnement omnidirectionnels avec des angles de site plus ou moins grands et d'ailleurs à des fréquences différentes selon le mode d'excitation.
  • La demande internationale de brevet WO 97/35356 décrit une antenne d'un type similaire. Il s'agit d'une antenne hélicoidale comprenant 2 ou 4 brins qui sont alimentés en quadrature respectivement par 1 ou 3 coupleurs hybrides.
  • Un but de l'invention est de fournir un ensemble solidaire antenne-téléphone mobile communiquant avec un ensemble de satellites, qui puisse fonctionner de façon nominale pendant les phases de communication et de façon acceptable pendant les phases de veille.
  • Un autre but de l'invention est de fournir un ensemble solidaire antenne-téléphone mobile communiquant avec un ensemble de satellites, qui puisse fonctionner de façon nominale en position verticale et de façon acceptable en position horizontale.
  • Selon l'invention ces buts sont atteints et il est satisfait aux contraintes précitées grâce au fait que le système d'antenne pour téléphone mobile cellulaire indiqué au premier paragraphe est remarquable en ce que le système d'antenne est sous la forme d'une antenne spirale conique à plusieurs brins, et comporte à sa base des moyens de Commutation de Mode de Fonctionnement (moyens de CMF) solidaires dudit téléphone mobile, et 4 brins espacés angulairement de π/2 les uns des autres selon une rotation autour de l'axe d'un tronc de cône support fixé par sa grande base à l'extrémité supérieure du combiné téléphonique, lesdits moyens de CMF comportant des moyens déphaseurs pour alimenter lesdits brins selon des signaux à radiofréquence déphasés de π/2 entre brins adjacents dans un premier mode de fonctionnement et déphasés de π entre brins adjacents dans un deuxième mode de fonctionnement.
  • Les dimensions de l'antenne décrite ici sont adaptées aux fréquences des signaux à traiter et se comptent en centimètres, contrairement à l'antenne fixe du brevet américain précitée qui est supportée par un mat vertical haut de plusieurs mètres. Les déphaseurs sont par exemple des coupleurs hybrides 0-180° et 0-90°.
  • Un mode de réalisation préféré de l'invention est remarquable en ce que lesdits moyens de CMF comportent en outre pour une commutation sur base d'un critère de choix a priori des commutateurs à goutte(s) de mercure pour réaliser ledit premier mode de fonctionnement pour la liaison bidirectionnelle avec un satellite lorsque l'antenne avec le téléphone qui la supporte s'étend, dans une position essentiellement verticale et pour réaliser ledit deuxième mode de fonctionnement consistant en une phase de veille pour conserver une liaison avec un satellite pour une position essentiellement horizontale.
  • Pour le premier mode de fonctionnement le diagramme de rayonnement de l'antenne est quasi sphérique dirigé vers le haut de l'antenne et plutôt favorable à une position verticale de l'antenne, l'émission en direction de la terre étant faible ou presque nulle pour les 2 Π stéradians inférieurs. Pour le deuxième mode de fonctionnement, le diagramme obtenu est par contre de forme torique, l'axe du tore étant celui de l'antenne, ce qui garantit une partie de rayonnement dirigée vers le haut pour toute position horizontale. En position verticale, le diagramme de rayonnement est, dans le deuxième mode, encore favorable pour des angles de site assez faibles mais pas pour des angles de site qui se rapprochent de Π/2.
  • Un autre mode de réalisation préféré de l'invention est remarquable en ce que lesdits moyens de CMF comportent en outre, pour une commutation sur base d'un critère de choix a posteriori, des moyens de test périodique desdits premier et deuxième modes de fonctionnement, et de branchement desdits moyens déphaseurs assurant la sélection du meilleur parmi les 2 modes de fonctionnement testés.
  • Selon ce dernier mode de réalisation, ce n'est plus tant l'attitude du téléphone qui commande l'un ou l'autre branchement de l'antenne que la positon angulaire du satellite avec lequel le téléphone est en communication.
  • Afin de n'être pas encombrante et compatible avec un téléphone lui-même de taille réduite, on préfère utiliser pour l'antenne un support diélectrique à permittivité élevée pour soutenir les brins rayonnants. Dans ce but, l'antenne est réalisée par exemple au moyen d'un tronc de cône en céramique sur lequel lesdits brins sont appliqués selon la technologie des circuits hybrides et comportant selon son axe un trou par lequel passent les câbles coaxiaux pour l'alimentation des brins.
  • La description qui suit en regard des dessins annexés, le tout donné à titre d'exemple non limitatif, fera bien comprendre comment l'invention peut être réalisée.
    • La figure 1A représente un téléphone mobile muni de son système d'antenne selon l'invention.
    • La figure 1B représente une antenne conique spirale utilisée dans le système d'antenne selon l'invention.
    • La figure 2 est un schéma synoptique du système d'antenne selon l'invention.
    • Les figures 3 et 4 représentent en coupe les diagrammes de rayonnement obtenus selon le premier et le deuxième modes de fonctionnement du système d'antenne, respectivement.
    • La figure 5 montre un exemple de réalisation des moyens de commutation de modes de fonctionnement pour le système d'antenne selon l'invention.
  • Le téléphone mobile 1 représenté à la figure 1A est un téléphone cellulaire conçu pour communiquer par voie hertzienne avec un ensemble de satellites tels que 2, ces satellites tournant en orbite polaire ou quasi polaire autour de la Terre; à cet effet, il comporte une antenne spirale conique à plusieurs brins, 3. Le satellite avec lequel le téléphone est en communication à un instant donné se trouve à une distance qui est de l'ordre de un à plusieurs milliers de kilomètres et il se présente selon un angle de site quelconque, c'est-à-dire compris entre 0 et Π/2. La principale contrainte qui régit ce type de communication, consiste en ce que le rapport G/T entre le gain d'antenne dans la direction des ondes reçues et la température globale de bruit reçu soit optimisé le plus possible durant les phases de communications durant lesquelles l'utilisateur utilise son téléphone en position approximativement verticale sans dégrader excessivement ce critère durant les phases de veille, pour permettre un fonctionnement suffisant pour contacter un utilisateur qui a posé son mobile sur un support plan horizontal. Pour cela l'antenne 3 comporte 4 brins B1, B2, B3, B4 (figure 1B) entrelacés, alimentés à la pointe du cône support, cette pointe étant en pratique la petite base d'un tronc de cône, référencée 4 sur la figure 2, et l'alimentation séparée de ces 4 brins peut être réalisée de deux façons différentes comme décrit ci-dessous.
  • La figure 1B montre le champ électrique E →
    Figure imgb0001
     engendré par l'antenne 3. Cette antenne offre la particularité que la forme géométrique des brins rayonnants se répète à l'identique lors d'une multiplication de dimensions par un facteur K constant. Par contre, cette homothétie réalise une rotation par rapport à l'axe vertical 5, qui dépend du rapport K et de l'angle Ψ d'enroulement des spirales constituant les brins rayonnants. Cette propriété permet de réaliser des antennes à large bande de fréquence de fonctionnement, puisque la forme de l'antenne est en quelque sorte la même pour toutes les fréquences; les courants dans les brins se propagent depuis le point d'excitation au sommet du cône vers la base en s'atténuant progressivement à mesure que la puissance est rayonnée. L'enroulement des brins augmente leur longueur pour un volume donné, ce qui permet de diminuer la bande de fonctionnement vers les fréquences basses; vers les fréquences hautes, seule la précision de réalisation des brins au sommet du cône constitue la limite théorique; la polarisation de l'onde émise suivant l'axe est une polarisation circulaire, ce qui résulte de la symétrie des phases des brins rayonnants associée à leur symétrie mécanique de rotation par rapport à l'axe de l'antenne. Le sens de la polarisation circulaire dépend du sens d'enroulement de la spirale. En pratique, l'antenne de la figure 1 est conçue pour fonctionner dans la bande comprise entre 0,8 et 2 GHz; elle est caractérisée entre autres par les définitions des angles suivantes:
    • Ψ, angle d'enroulement des spirales
    • Θ, angle de cosite (angle de site augmenté de Π/2)
    • Φ, angle d'azimut.
  • La symétrie suivant l'axe principal 5 garantit un rayonnement omnidirectionnel en azimut, soit une amplitude du champ électrique E →
    Figure imgb0002
     en fonction de l'angle Φ constante. Le rayonnement en site par contre est directif et l'amplitude du champ E →
    Figure imgb0003
     est fonction de l'angle Θ : de plus cette loi de variation est dépendante de la phase relative des signaux d'alimentation des différents brins. La polarisation est elliptique: une composante polaire E → Φ
    Figure imgb0004
     du champ est orthogonale à l'axe 5 et au rayon vecteur 7, et une autre composante radiale E → Θ
    Figure imgb0005
     du champ est orthogonale au rayon vecteur, mais dans le plan formé par celui-ci et l'axe 5.
  • La figure 2 permet d'expliquer le principe de base de l'invention. Sur cette figure, l'antenne 3 a été représentée vue de dessus et de façon stylisée pour rendre lisible et ne pas surcharger lé dessin. Elle comporte, selon son axe (5, figure 1B), un trou central 9 pour le passage de 4 câbles coaxiaux C1, C2, C3, C4, d'alimentation des brins B1 à B4. L'âme de ces coaxiaux est reliée d'un côté à l'extrémité des brins située sur la petite base 4 du tronc de cône et, du côté opposé, à des moyens de Commutation de Mode de Fonctionnement (moyens de CMF) contenus dans le périmètre en trait interrompu 11, alors que le périmètre 12 englobe le téléphone mobile 1 qui supporte l'antenne 3. On notera que les gaines des câbles coaxiaux sont reliées à la masse du téléphone mobile cellulaire comme représenté sur la figure. Les moyens de CMF sont symbolisés par deux blocs, des moyens déphaseurs 13 et des moyens de commutation 14. Une liaison bidirectionnelle 15 relie les moyens déphaseurs 13 au bloc 16 qui symbolise le reste de l'électronique de l'appareil; cette liaison 15 est porteuse du signal I reçu ou émis par l'antenne 3. Au sein des moyens de CMF, une liaison 17 à plusieurs conducteurs symbolise la commande des moyens déphaseurs par les moyens de commutation 14, de façon à pouvoir réaliser l'une ou l'autre parmi 2 configurations possibles de déphasages entre brins porteurs du signal I, ces 2 configurations étant décrites plus loin. Le commutateur est lui-même commandé à partir du bloc 16 par un conducteur 18, porteur de l'état logique 1 ou de l'état logique 0, ces deux états impliquant l'un ou l'autre mode de fonctionnement de l'antenne 3.
  • Les 2 diagrammes de rayonnement visés pour la mise en oeuvre de l'invention, résultent des 2 modes d'excitation de l'antenne à 4 brins, soit 2 dipôles, en appelant I1, I2, I3, I4 le signal I appliqué aux brins B1 à B4 respectivement, comme indiqué dans le tableau suivant: TABLEAU I
    Mode I1 I2 I3 I4 Fonction de phase (phase de I)
    1 + Π/2 Π - Π/2 0 e±j,3ϕ
    2 -Π 0 Π 0 e±j,2ϕ
  • Le diagramme de rayonnement résultant du mode 1 (m1), est représenté à la figure 3 où l'on a tracé en trait interrompu EΦ qui est le module maximum de la composante E → Φ
    Figure imgb0006
     et en trait plein Eθ qui est le module maximum de E → Θ
    Figure imgb0007
     (à l'endroit où les courbes se recoupent la polarisation est circulaire, et elliptique selon les autres directions). Ce diagramme peut être légèrement modifié en fonction des caractéristiques: angle de spirale, et largeur des brins. Selon ce premier mode, le courant circule de la pointe (de la petite base) au sommet du cône vers la grande base, mais le rayonnement s'effectue dans la direction opposée, pour laquelle les courants dans les différentes parties des brins s'additionnent à phase identique, soit dans la direction pointée par le sommet du cône. Ce diagramme couvre de façon acceptable l'hémisphère supérieur, pour les phases de communications, de préférence, alors que dans les directions qui pointent vers la terre d'où provient l'essentiel du bruit, l'amplitude des champs E → Θ
    Figure imgb0008
     et E → Φ
    Figure imgb0009
     est faible. Ces champs sont sinusoïdaux à haute fréquence et sont déphasés dans le temps en quadrature, ce qui est à l'origine de la polarisation circulaire lorsque les modules des deux composantes sont égaux, et légèrement elliptiques s'ils diffèrent.
  • Le deuxième diagramme de rayonnement qui résulte du mode 2 (m2) est représenté à la figure 4. Il correspond à des déphasages de Π radians entre un brin rayonnant et son adjacent. Ce type de diagramme, de forme torique, convient pour la deuxième fonctionnalité exigée de l'antenne, soit la couverture sur les bords pour assurer a priori la liaison radio avec le satellite pour les phases d'appel du mobile par un utilisateur lointain, de préférence avec le mobile en position horizontale.
  • Plusieurs critères de sélection du mode de rayonnement peuvent être retenus, ces critères étant posés a priori ou a posteriori.
  • Si le critère posé a priori consiste à dire que le mobile est en position verticale lors d'une communication et en position horizontale lorsqu'il est en veille, un moyen simple consiste en ce que la mise en communication du mobile active autoritairement le mode 1 (m1) et que la fin de la communication active le mode 2 (m2). Les moyens nécessaires pour réaliser cette fonctionnalité, ce qui est à la portée de l'homme du métier, sont symbolisés par le bloc 21 dans le bloc 16, figure 2.
  • Toujours selon le même critère a priori, mais permettant des changements de mode pendant les phases de conversation ou de veille, le téléphone mobile peut comporter un détecteur angulaire qui détecte le fait que le téléphone est posé à plat. Ce détecteur peut être un simple contacteur à goutte de mercure qui fournit l'un ou l'autre état binaire possible sur le conducteur 18 (figure 2). Ces moyens de commande de mode de fonctionnement sont symbolisés par le bloc 22, figure 2. Les moyens de commutation 14 sélectionnent le mode 2 lorsque le téléphone est posé à plat. Au contraire, les moyens de commutation sélectionnent le mode 1 lorsque le détecteur d'angle envoie l'information indiquant la position verticale du mobile; qu'il s'agisse d'une phase de communication ou d'une phase de veille.
  • Une utilisation de l'information de qualité de la réception, en terme de taux d'erreur de bits de la transmission numérique reçue, peut être utilisée pour optimiser la commutation de mode. Les circuits sont alors plus complexes; mais le meilleur mode de réception de l'antenne est choisi quel que soit l'environnement électrique du canal. Par exemple dans des situations intermédiaires telles que le satellite redescendant sur l'horizon ou le mobile tenu en position oblique, un retour en position mode m1 peut être favorable pour optimiser le rapport G/T à la réception. Il s'agit là d'un critère de choix a posteriori et pour le mettre en oeuvre, il faut utiliser des moyens de test des premier (m1) et deuxième (m2) modes de fonctionnement et de branchement des moyens déphaseurs (13) assurant la sélection, par l'intermédiaire des moyens de commutation 14, du meilleur parmi les 2 modes de fonctionnement testés, après chaque phase de test. Ces moyens de test et de branchement sont symbolisés par le bloc 23, figure 2. On notera que le téléphone 1 peut comporter l'un des moyens de choix 21, 22, 23, ou bien deux ou les trois d'entre eux. Dans ce dernier cas il faut prévoir des moyens autoritaires de sélection de l'un de ces moyens, à l'exclusion du ou des autres.
  • La figure 5 présente à titre d'exemple un dispositif de couplage et d'alimentation des brins rayonnants, avec une entrée 26 réservée au mode m1 et une entrée 25 réservée au mode m2 pour le signal I à haute fréquence. Il s'agit en l'occurrence de moyens déphaseurs réalisés à partir de coupleurs hybrides 0-180° et 0-90°. Les 4 commutateurs à deux positions, CO1, CO2, CO3, CO4, internes de ce dispositif connectent des charges 50 Ω sur les accès isolés des coupleurs. Il est à remarquer que ces résistances ne dissipent normalement aucune énergie lorsque les coupleurs sont bien équilibrés, mais sont néanmoins nécessaires au bon fonctionnement des coupleurs.
  • Sur la figure 5, la position des commutateurs CO1 à CO4 est telle que c'est le mode de fonctionnement m1 qui est sélectionné; dans leur position inverse, ce serait le mode m2.
  • On notera que d'autres réalisations du dispositif de couplage procurant les mêmes fonctions de mise en phase que le dispositif de la figure 5 sont possibles, notamment par retard commutable par lignes à retard ; couplage 0°/180° de deux brins opposés par transformateurs,....
  • Sur le plan mécanique, la réalisation de l'antenne 3 (figures 1 et 2) doit conserver les propriétés de symétrie des éléments rayonnants par rapport à l'axe 5 de la structure conique, ce qui impose généralement des lignes d'alimentation des dipôles rayonnants centrés sur cet axe dans la réalisation la moins coûteuse. Les dimensions d'une telle antenne peuvent être de l'ordre de 10 centimètres de hauteur pour une fréquence de l'ordre de 2 GHz, ce qui donne une longueur d'un brin rayonnant d'environ 16 cm pour un angle du cône 2 Θ0 égal à 20°, et un angle d'enroulement de spirale Ψ de 50°, ce qui correspond à 2,11 fois la longueur d'onde pour le dipôle constitué de 2 brins opposés.
  • Pour une miniaturisation maximale, ces dimensions peuvent être réduites de plusieurs manières:
    • En premier lieu, en utilisant un support diélectrique à permittivité élevée pour soutenir les brins rayonnants. Un matériau qui convient très bien à cet effet est la céramique et dans ce cas les brins sont appliqués au (tronc de) cône selon la technologie des circuits hybrides.
    • On peut aussi charger les extrémités des brins rayonnants par des résistances. Ceci a pour effet d'augmenter la bande passante vers les fréquences basses, en terme d'impédance d'antenne, mais au détriment du rendement dans cette partie de la bande passante, puisque les résistances dissipent alors de l'énergie fournie à l'antenne, qui n'est pas rayonnée. Cette solution peut néanmoins être intéressante pour des antennes bi-fréquences, par exemple 0,9 GHz/2 GHz.
    • Enfin, une autre réduction du volume de l'antenne peut être envisagée en réduisant l'un des diamètres de la base circulaire du cône qui deviendrait alors elliptique; le taux d'ellipticité serait alors à déterminer en fonction de la dégradation admissible de l'omnidirectionnalité du diagramme de rayonnement en azimut en fonction de l'angle Φ.

Claims (7)

  1. Système d'antenne pour téléphone mobile cellulaire fonctionnant par liaison radio électrique avec un ensemble de stations tournant en orbite polaire ou quasi polaire autour de la Terre, caractérisé en ce que ledit système d'antenne est sous la forme d'une antenne à spirale conique à plusieurs brins et comporte à sa base des moyens de Commutation de Mode de Fonctionnement, dits moyens de CMF, solidaires dudit téléphone mobile, et 4 brins espacés angulairement de π/2 les uns des autres selon une rotation autour de l'axe d'un tronc de cône support fixé par sa grande base à l'extrémité supérieure du combiné téléphonique, lesdits moyens de CMF comportant des moyens déphaseurs pour alimenter lesdits brins selon des signaux à radiofréquence déphasés de π/2 entre brins adjacents dans un premier mode de fonctionnement (m1) et déphasés de π entre brins adjacents dans un deuxième mode de fonctionnement (m2).
  2. Système d'antenne pour téléphone mobile cellulaire selon la revendication 1 dont les moyens déphaseurs sont constitués par des coupleurs hybrides 0-180° et 0-90°.
  3. Système d'antenne pour téléphone mobile cellulaire selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits moyens de CMF comportent en outre un détecteur angulaire pour réaliser ledit premier mode de fonctionnement (m1) pour la liaison bidirectionnelle avec un satellite lorsque l'antenne avec le téléphone qui la supporte s'étend dans une position essentiellement verticale, et pour réaliser ledit deuxième mode de fonctionnement (m2) consistant en une phase de veille pour conserver une liaison avec un satellite pour une position essentiellement horizontale.
  4. Système d'antenne pour téléphone mobile cellulaire selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits moyens de CMF comportent en outre des moyens de test périodique desdits premier et deuxième modes de fonctionnement, et de branchement desdits moyens déphaseurs assurant la sélection du meilleur parmi les 2 modes de fonctionnement testés.
  5. Système d'antenne pour téléphone mobile cellulaire selon l'une des revendications 2 à 4, caractérisé en ce que l'antenne est réalisée au moyen d'un tronc de cône en céramique sur lequel lesdits brins sont appliqués selon la technologie des circuits hybrides et comportant selon son axe un trou par lequel passent des câbles coaxiaux pour l'alimentation desdits brins:
  6. Système d'antenne pour téléphone mobile cellulaire selon l'une des revendications 2 à 5 destiné à fonctionner dans une gamme de fréquences comprises entre 800 MHz et 2 GHz, caractérisé en ce que l'antenne est constituée par un tronc de cône en céramique de l'ordre de 10 cm de hauteur, d'angle 2 θ0 égal à 20°, et un angle de ψ pour les brins de 50°, résultant en des brins rayonnants de l'ordre de 16 cm de long.
  7. Téléphone mobile cellulaire fonctionnant par liaison radioélectrique avec un ensemble de satellites tournant en orbite polaire ou quasi polaire autour de la Terre, comportant un système d'antenne selon l'une des revendications 1 à 6.
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