Double utilisation des fils d'écouteurs

Il semble logique de visualiser une antenne comme un transducteur bidirectionnel entre l'énergie électromagnétique en espace libre telle qu'elle est définie par les équations de Maxwell et la tension et le courant RF confinés dans des conducteurs ou des guides d'ondes. Mais les ingénieurs s'efforcent toujours de faire en sorte qu'un seul chemin ou une seule interconnexion serve à une autre fonction non liée. Un bon exemple est la double utilisation de fils d'écouteurs non blindés comme antennes FM.

Les premières radios portables AM/FM utilisaient deux antennes : un long fil interne enroulé sur un noyau de ferrite pour la bande AM basse fréquence (550-1600 kilohertz (kHz)) et une antenne fouet d'environ 1 à 2 mètres (m) de long pour la bande FM (88 à 108 MHz). À mesure que ces radios sont devenues plus petites et encore plus portables, certains fournisseurs ont complètement abandonné leurs haut-parleurs internes, partant du principe que les utilisateurs utiliseraient plutôt des écouteurs ou des oreillettes filaires.

Cela a également permis de mettre au point une technique simple pour éliminer l'antenne fouet FM via une simple réaffectation de la prise casque dans la radio. La même approche a ensuite été étendue aux lecteurs MP3 qui incluaient une fonction radio FM (Figure 1). Cette technique est toujours utilisée par les concepteurs de nombreux petits appareils électroniques dotés d'une radio FM.

Figure 1 : Le lecteur MP3 SanDisk Clip Jam ne mesure que 55 mm × 35 mm × 10 mm d'épaisseur et fonctionne pendant 20 heures sur une seule charge. Sa radio FM intégrée utilise le fil du casque obligatoire comme antenne. (Source de l'image : Lifewire)

Un fil de casque basique non blindé contient trois conducteurs. Les canaux audio gauche et droit sont commandés par un amplificateur de casque sur les conducteurs audio gauche et droit, tandis que le conducteur audio commun est utilisé pour le chemin de retour audio. Le même câble fait également office d'antenne FM, en utilisant une inductance pour bloquer la RF de la terre tout en permettant au signal audio d'avoir un retour à la terre. Le circuit illustré à la Figure 2 est basé sur un récepteur AM/FM Si47xx de Skyworks Solutions.

Figure 2 : L'arrangement de base permettant au fil de casque de fonctionner également comme antenne FM ne nécessite que quelques composants passifs supplémentaires. (Source de l'image : Skyworks Solutions, Inc.)

Un petit condensateur permet à la RF de l'antenne de passer vers le circuit d'entrée du récepteur tout en bloquant l'audio de l'entrée de l'antenne. Les perles de ferrite fournissent un chemin audio à faible impédance et un chemin RF à haute impédance entre l'amplificateur du casque et le casque.

Un circuit réel est un peu plus compliqué, nécessitant quelques composants supplémentaires pour la protection et la décharge de tension, et pour garantir que les signaux ne vont que là où ils doivent aller. La conception dans la Figure 3 utilise un amplificateur de puissance de casque LM4910 de Texas Instruments configuré pour ce rôle, ainsi que les circuits nécessaires à la connexion/séparation des signaux d'antenne.

Figure 3 : Cet amplificateur de casque LM4910 est conçu, via quelques composants passifs supplémentaires, pour utiliser les fils du casque comme antenne FM. (Source de l'image : Skyworks Solutions, Inc.)

La prise casque audio gauche/droite à trois fils reçoit les signaux audio amplifiés du LM4910, tandis que le signal FM séparé, capté par le blindage/la terre du casque, est routé vers le circuit d'entrée du récepteur via un condensateur de 100 picofarads (pF). Les diodes D1, D2 et D3 assurent une protection au cas où les décharges électrostatiques (DES) dépasseraient les valeurs nominales de l'amplificateur de casque et du récepteur.

On peut penser que cette technique ne devrait pas être limitée aux signaux de radiodiffusion de la bande FM (88 à 108 MHz), mais être également viable pour la radio AM (550 à 1550 kHz). En théorie, elle pourrait fonctionner pour les bandes AM, à condition que le fil du casque soit de la bonne longueur. La raison pour laquelle elle fonctionne pour la bande FM est qu'un câble de casque d'une longueur de 1 m à 1,5 m correspond approximativement à la moitié de la longueur d'onde d'un signal FM de la bande de radiodiffusion, ce qui le rend résonant et efficace dans cette bande. Pour la bande AM, le fil du casque devrait avoir une longueur d'environ 100 m, ce qui est évidemment peu pratique.

Conclusion

Les ingénieurs ont toujours cherché à tirer parti d'une ressource disponible telle qu'un câble pour des usages multiples. La double utilisation des fils d'écouteurs comme antenne FM en est un parfait exemple. Comme illustré, il suffit d'un amplificateur de puissance configuré de manière appropriée, de quelques composants passifs pour le routage et de diodes pour la protection.

Références

Skyworks Solutions, AN383, "Si47XX Antenna, Schematic, Layout, and Design Guidelines"