EP3031097B1

EP3031097B1 - Dispositif d'émission et/ou de réception de signaux radiofréquences

Info

Publication number: EP3031097B1
Application number: EP14747620.4A
Authority: EP
Inventors: Chakib El Hassani; Christopher Barratt
Original assignee: Insight Sip
Current assignee: Insight Sip
Priority date: 2013-08-05
Filing date: 2014-07-31
Publication date: 2018-06-13
Anticipated expiration: 2034-07-31
Also published as: EP3031097A1; JP6527865B2; WO2015018745A1; US10483632B2; CA2920445A1; US20160172747A1; JP2016529821A; FR3009443B1; FR3009443A1; CA2920445C

Description

DOMAINE TECHNIQUE DE L'INVENTION

La présente invention concerne généralement le domaine des antennes et plus particulièrement celui des antennes miniatures utilisées par toutes sortes d'appareillages électroniques portables et mobiles pour recevoir et transmettre des signaux, typiquement dans une gamme de fréquences allant actuellement jusqu'à une dizaine de gigahertz (GHz = 10⁹ Hertz), afin qu'ils puissent librement communiquer dans les limites d'une zone géographique couverte par un réseau dit « sans fil » ou encore « wireless », expression anglaise largement utilisée ayant la même signification.

ÉTAT DE LA TECHNIQUE

Les systèmes communicants dits « sans fil », qui sont de plus en plus utilisés quotidiennement, et souvent d'une façon quasi permanente, par une population d'utilisateurs toujours plus large, possèdent tous des antennes pour recevoir et, le plus souvent aussi, pour émettre des signaux dans la bande de fréquences définie par le standard technique qui les régit. Il s'agit principalement de téléphones portables, notamment ceux obéissant à la norme dite GSM, acronyme de l'anglais « global system for mobile communications » qui définit un standard de communication dont la couverture géographique est mondiale.
Un autre système communiquant, très largement utilisé, qui nécessite une antenne de réception très sensible, est le GPS acronyme de l'anglais « global positioning system ». En décodant les signaux en provenance d'un réseau de satellites ce système permet en effet d'obtenir, sur l'étendue du globe terrestre, un positionnement géographique très précis du récepteur. Les récepteurs GPS sont de plus en plus souvent présents dans les téléphones portables et dans toutes sortes de téléphones dits intelligents ou « smart phones » qui incluent en outre toutes les fonctions d'un assistant numérique personnel et la possibilité de se connecter au réseau mondial de l'Internet.
Le réseau sans fil peut au contraire être conçu pour ne couvrir qu'une zone géographique restreinte, voire très restreinte, comme le standard dit « Bluetooth » qui permet la communication jusqu'à une dizaine de mètres de terminaux entre eux. Un autre standard de communication de plus grande portée, très largement utilisé, est celui dit « WiFi » qui permet de créer un réseau local sans fil ou LAN, acronyme de l'anglais « local area network », dans une zone géographique limitée, fréquemment d'accès public : un immeuble, les locaux d'une administration ou d'une entreprise, un café, etc.
En dépit de leur nécessaire miniaturisation pour s'adapter aux contraintes dimensionnelles imposées par des boîtiers de toujours plus petites tailles, notamment d'épaisseurs devenues très faibles, les antennes des dispositifs ci-dessus doivent néanmoins pouvoir maintenir une efficacité optimale dans toute la bande de fréquences où elles doivent opérer. Cette efficacité dépend de pertes qui sont intrinsèques à l'antenne et qui se mesurent le plus communément à l'aide des paramètres dits « S », de l'anglais « scattering parameters » qui permettent de qualifier le comportement de l'antenne entre le milieu de propagation d'une part et le circuit électronique de commande d'autre part. D'une façon générale, les paramètres S ont été conçus et sont utilisés pour mesurer et qualifier le comportement de circuits passifs ou actifs linéaires fonctionnant dans la gamme de fréquences mentionnée plus haut souvent qualifiée d'hyperfréquences ou radiofréquences (RF) dans la littérature technique sur ces sujets. Ils permettent d'évaluer les propriétés électriques de ces circuits tels que leur gain, la perte de rendement où le taux d'ondes stationnaires en tension résultant d'une inadaptation d'impédances observée entre le circuit de commande et l'antenne. L'adaptation de l'antenne est notamment définie par le paramètre S11 qui représente les pertes par réflexion de l'antenne. Il s'exprime en décibels (dB). Plus faible est la valeur de S11, meilleure est l'adaptation et donc meilleure est l'efficacité globale de l'antenne.
Le paramètre S11, qui est dépendant de la fréquence, permet de définir la bande passante de l'antenne c'est-à-dire la bande de fréquences dans laquelle S11 reste inférieur à un seuil donné qui est typiquement défini à un niveau de -6dB. Dans ces conditions, un quart de la puissance délivrée par le circuit électronique de commande est perdu par réflexion et les trois quarts sont donc utilement rayonnés par l'antenne.
La bande passante d'une antenne peut être plus ou moins large. Elle est souvent exprimée en pourcentage de sa fréquence centrale. Une antenne dont la bande passante est de quelques pourcents est considérée comme ayant une bande étroite de fonctionnement. Ce type d'antenne convient bien pour certaines applications. Par exemple, pour un récepteur GPS, une antenne dont la bande passante est de l'ordre de 2% est suffisante.
Une antenne dont la bande passante est égale ou supérieure à 15% est considérée comme ayant une large bande de fonctionnement. Celles dont la bande passante est supérieure ou égale à 20% bénéficient d'une très large bande passante. On notera ici que pour qualifier ce type d'antennes l'acronyme « UWB », de l'anglais « ultra wide band », est aussi souvent utilisé.
L'utilisation d'une antenne très large bande offre potentiellement de nombreux avantages. Une seule antenne large bande peut alors couvrir simultanément plusieurs standards de radiofréquences. Cela permet de réduire le nombre d'antennes qu'il faut pouvoir implanter dans les dispositifs sans fil multiservices tels que les smart phones ce qui donne non seulement un avantage certain en terme de coût mais permet aussi de s'affranchir de problèmes techniques difficiles à résoudre autrement comme les couplages parasites qui peuvent se produire entre les différentes antennes d'un même smart phone.
Par ailleurs, le développement d'applications demandant de pouvoir télécharger et transmettre des quantités de données toujours plus importantes, notamment la transmission de signaux vidéos, a conduit les organismes de standardisation à définir des protocoles de communications offrant des bandes passantes de plus en plus larges. Par exemple, on a procédé en 2002 à l'allocation de bandes de fréquences allant de 3,1 à 10,6 GHz au standard dit UWB (sous la forme de six groupes représentant quatorze bandes de fréquences, d'une largeur de 528 MHz chacune), pour des communications à courtes distances de type WiFi. L'émergence d'applications de communication basées sur l'UWB est remarquable ce qui a contribué à mettre l'accent sur le besoin de disposer de solutions d'antennes très large bande qui soient industrialisables, peu coûteuses et facilement intégrables. Une antenne miniature est décrite dans le document US5537123 . Toutefois, la réalisation d'antennes miniatures à large bande se heurte à des problèmes théoriques et techniques considérables. Il est en particulier bien connu que l'obtention de tailles d'antennes faibles au regard des longueurs d'ondes à transmettre ne se fait qu'au prix d'une réduction drastique de leur bande passante ce qui va directement à l'encontre du but recherché.
C'est donc un objet de l'invention que d'offrir une solution à ce problème en permettant que la réduction de taille d'antennes destinées à être implantées dans le même boîtier que leur circuit de commande puisse cependant se faire en préservant une bande passante de fonctionnement de largeur suffisante.
Les autres objets, caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront à l'examen de la description suivante et des dessins d'accompagnement. Il est entendu que d'autres avantages peuvent être incorporés.

RÉSUMÉ DE L'INVENTION

L'invention concerne un dispositif d'émission et/ou de réception de signaux radiofréquences selon la revendication 1.
L'invention concerne également un procédé de réalisation d'un dispositif d'émission et/ou de réception de signaux radiofréquences selon la revendication 11.
L'antenne selon l'invention est conçue pour pouvoir fonctionner au dessus d'un plan de masse afin d'autoriser une grande liberté de placement sur la carte d'application qui l'utilise et éviter ainsi toute contrainte supplémentaire au concepteur de celle-ci. La difficulté majeure que constitue la proximité d'un plan de masse susceptible de rendre l'antenne résonante et peu efficace est surmontée par la structure décrite. Par ailleurs, le coût de mise en oeuvre de l'antenne qui comprend les matériaux employés, sa fabrication et son assemblage reste faible par rapport au coût global du module radiofréquence qui l'utilise.
L'antenne selon la présente invention permet un fonctionnement de l'antenne en large bande rendu possible par le couplage de plusieurs résonances.

BRÈVE DESCRIPTION DES FIGURES

Les buts, objets, ainsi que les caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront mieux de la description détaillée d'un mode de réalisation de cette dernière qui est illustré par les dessins d'accompagnement suivants dans lesquels :

Les FIGURE 1a, 1b et 1c illustrent des implantations conventionnelles d'antennes miniatures.
La FIGURE 2 illustre les objectifs de l'invention où l'on vient placer l'antenne au dessus d'une puce radiofréquence de commande.
La FIGURE 3 montre un exemple d'antenne selon l'invention destinée à reposer sur un substrat multicouche comprenant une puce radiofréquence.
La FIGURE 4 montre un exemple de substrat et de puce RF.
La FIGURE 5 illustre la découpe qu'il faut réaliser dans un feuillard métallique pour obtenir après pliage l'antenne.
La FIGURE 6 illustre une option de réalisation où l'on procède préalablement à la mise en place de l'antenne à un surmoulage 610 des composants présents sur le substrat.
La FIGURE 7 illustre la mise en place de l'antenne possiblement après enrobage des composants. La FIGURE 8 décrit la première surface rayonnante de l'antenne.
Les FIGURES 9a et 9b illustrent le fonctionnement de la première surface rayonnante.
La FIGURE 10 montre le couplage capacitif créé entre l'antenne et le plan de masse du substrat.
Les FIGURES 11a et 11b illustrent le fonctionnement de l'antenne avec couplage capacitif.
La FIGURE 12 montre l'antenne après adjonction d'un deuxième résonateur c'est-à-dire d'une deuxième surface rayonnante.
Les FIGURES 13a et 13b illustrent l'effet de la deuxième surface rayonnante sur le fonctionnement de l'antenne.
La FIGURE 14 montre les paramètres ajustables de l'antenne.
Les FIGURES 15a et 15b illustrent le fonctionnement d'une antenne selon l'invention dont les paramètres ont été ajustés pour couvrir la bande de fréquences allant de 7 à 9 GHz.
Les FIGURES 16a et 16b donnent le gain et l'efficacité de l'antenne correspondant aux figures 15a et 15b.
Les FIGURES 17a et 17b montrent le diagramme de rayonnement de l'antenne correspondant aux figures 15a et 15b.
La FIGURE 18 est un exemple d'antenne selon l'invention faite de surfaces rayonnantes non rectangulaires.

Les dessins joints sont donnés à titre d'exemples et ne sont pas limitatifs de l'invention.

DESCRIPTION DÉTAILLÉE DE L'INVENTION

Avant d'entamer une revue détaillée de modes de réalisation de l'invention, sont énoncées ci-après des caractéristiques optionnelles qui peuvent éventuellement être utilisées suivant toute association ou alternativement :

La trace de couplage 416 est configurée de sorte à former une capacité de couplage dont la valeur est εS/e où ε est la constante diélectrique du matériau diélectrique constituant le substrat 410, S est la surface de la trace de couplage 416 et e est l'épaisseur entre la trace de couplage 416 située sur la deuxième face du substrat 410 et le plan de masse situé sur la première face du substrat 410.
L'antenne 310 est configurée pour générer au moins une première résonance selon une dimension de longueur 820 de la première surface rayonnante 318 et au moins une deuxième résonance selon une dimension de largeur 810 de la première surface rayonnante 318.
Le mur latéral 316 comprend au moins une première portion suivant un plan parallèle à l'épaisseur du substrat 410 et selon une dimension de largeur 810 de la première surface rayonnante 318.
Le mur latéral 316 comprend au moins une deuxième portion suivant un plan parallèle à l'épaisseur du substrat 410 et selon une dimension de longueur 820 de la première surface rayonnante 318.
La première portion et la deuxième portion du mur latéral 316 sont configurées de sorte à être en contact électriquement, et sont fixées sur la trace de couplage 416.
L'antenne 310 comprend au moins une deuxième surface rayonnante 312 configurée de sorte à être excitée par couplage avec la première surface rayonnante 318.
L'antenne 310 est configurée pour générer une troisième résonance selon une dimension de longueur 1210 de la deuxième surface rayonnante 312.
La première surface rayonnante 318 a une dimension de longueur 820 supérieure à la dimension de longueur 1210 de la deuxième surface rayonnante 312.
La première surface rayonnante 318 et la deuxième surface rayonnante 312 sont de forme rectangulaire ou polygonale.
Au moins la première surface rayonnante 318 forme un L dont un premier côté du L s'étend suivant la longueur 820 de la première surface rayonnante 318 et un deuxième côté du L s'étend suivant la largeur 810 de la première surface rayonnante 318.
La deuxième surface rayonnante 312 est une homothétie de la première surface rayonnante 318 de dimension plus faible.
La languette latérale d'alimentation 314 est configurée de sorte à être en contact avec une trace d'alimentation 414 située sur la deuxième face du substrat 410.
L'antenne 310 est réalisée de sorte à former une cavité permettant de loger au moins une puce 412 entre au moins la première surface rayonnante 318 et la deuxième face du substrat 410.
La trace d'alimentation 414 est raccordée à une connexion 413 de la puce 412.
Le procédé comprend l'étape de formation de l'antenne 310 comprenant une étape de découpe d'une plaque métallique à laquelle il s'ensuit une étape de pliage de la plaque métallique.
Le procédé comprend à l'issue de l'étape de mise en place de l'antenne, une étape de surmoulage 610 configurée de sorte à enrober au moins l'antenne 310.
Le procédé comprend préalablement à l'étape de mise en place de l'antenne 310, une étape de surmoulage 610 d'au moins une puce 412 présente sur la deuxième face du substrat 410.
Le procédé comprend à l'issue de l'étape de surmoulage 610, une étape de dépôt d'une couche métallique suivie d'une étape de gravure de ladite couche métallique de sorte à former l'antenne 310.

Le concept d'antenne en boîtier ou AIP, acronyme de l'anglais « antenna in package », recouvre toutes les solutions qui permettent d'implanter dans un même composant : la puce radiofréquence d'émission et de réception des signaux radiofréquences ; l'antenne et son réseau d'adaptation ainsi que d'autres composants radiofréquences. Des exemples classiques d'intégration d'une antenne au sein d'un même module électronique sont représentés dans les figures 1a, 1b et 1c .
Les avantages principaux des solutions AIP, outre un gain de surface significatif par rapport à une antenne externe, portent sur le fait que l'adaptation entre la puce radiofréquence et son antenne est alors réalisée une fois pour toute, lors de la conception même du module, par un personnel spécialisé hautement qualifié. Comme montré sur la figure 1a, dans une solution conventionnelle où l'antenne 111 est réalisée sur un circuit imprimé 110 ou PCB, c'est-à-dire « printed circuit board » supportant la puce radiofréquence 115, les performances sont alors directement dépendantes des caractéristiques du PCB d'application ce qui implique l'intervention d'un personnel qualifié en radiofréquences lors de la phase d'intégration. Il faut en effet concevoir simultanément au cours de cette phase, non seulement le placement conventionnel de la puce radiofréquence et son interconnexion 117 vers le monde extérieur à travers un connecteur 119 mais aussi, ce qui est beaucoup plus problématique en raison des très hautes fréquences d'émission et de réception, l'interconnexion avec l'antenne et son adaptation 113 afin qu'elle puisse rayonner et recevoir des signaux radiofréquences avec toute l'efficacité nécessaire.
La figure 1b illustre le cas où l'antenne elle-même est placée sur un composant séparé 121 pour faciliter l'intégration de la solution radiofréquence. Il s'agit alors typiquement d'un module céramique qui est lui-même soudé sur le PCB. La réalisation de l'adaptation 113 entre l'antenne 121 et la puce radiofréquence 115 demande toujours toutefois l'intervention d'un personnel spécialisé.
La figure 1c illustre le fait que le plus généralement dans les solutions conventionnelles, puce radiofréquence et antenne occupent des surfaces séparées, 131 et 133, qui ne se recouvrent pas. Ceci se fait donc par extension du substrat 134 constituant le PCB. Le bon rayonnement de l'antenne 111 impose en effet le plus souvent l'absence totale de toute surface métallique en regard qui pourrait faire écran. Ce qui est notamment le cas du plan de masse qui est toujours présent dans la région 131 du PCB accueillant les composants électroniques et notamment la puce radiofréquence 115.
On notera d'ores et déjà ici que dans les solutions où l'on procède à une extension du substrat 134 pour accueillir l'antenne 111, la surface totale du module 110 se trouve alors obligatoirement augmentée de la surface occupée par cette dernière. Cependant, l'avantage est que l'épaisseur 135 du module, après enrobage dans une couche dite de surmoulage 132, peut rester alors plus facilement compatible avec les contraintes d'épaisseur imposées par les fabricants de dispositifs communicants dont l'offre met l'accent sur des produits de type tablettes qui doivent être extrêmement minces pour être commercialement compétitives.
Toutefois, en raison de la tendance jamais démentie des décennies qui s'applique à tous les composants produits par l'industrie de la microélectronique de devoir toujours réduire la taille de ceux-ci il faut maintenant envisager de superposer au moins une antenne 111 et au moins une puce radiofréquence 115 afin d'obtenir une réduction supplémentaire des dimensions horizontales tout en maintenant l'efficacité en émission et réception de l'antenne. Ceci est montré sur la figure 2 qui illustre les objectifs de l'invention où l'on veut pouvoir placer l'antenne 111 au dessus de la puce radiofréquence 115 en dépit du fait que cette partie comprend un plan de masse. La contrainte supplémentaire imposée à cette approche étant que l'épaisseur de l'ensemble 220 ne doit pas être sensiblement plus importante que dans le cas illustré par la figure 1c où l'antenne 111 est placée sur une extension du substrat 134. Ceci afin que la puce radiofréquence 115 puisse toujours être intégrée dans des équipements communicants de type tablette d'épaisseurs très faibles.
Si des antennes UWB qui peuvent être placées au dessus d'un plan de masse ont bien été décrites dans la littérature technique spécialisée, elles ne conviennent cependant pas. Par exemple, dans la publication en langue anglaise « IEEE TRANSACTIONS ON ANTENNAS AND PROPAGATION, VOL. 59, NO. 1 », publiée en janvier 2011, on y trouve l'article intitulé : « Miniature Ceramic Dual-PIFA Antenna to Support Band Group 1 UWB Functionality in Mobile Handset ». Si les auteurs y décrivent bien une antenne dont les performances ne sont pas sensiblement affectées par la présence d'autres composants situés à proximité, il reste que les dimensions de celle-ci ne sont pas du tout compatibles avec les objectifs de l'invention. En particulier, son épaisseur est de six millimètres (mm) ce qui est nettement trop élevé alors que l'objectif d'épaisseur hors tout 220 incluant : le substrat 134, la zone de surmoulage 132 de l'antenne 111 et celle des composants radiofréquences 230, d'un module communicant selon l'invention 210 est avantageusement de l'ordre du millimètre et ne devrait pas dépasser deux millimètres.
La même remarque s'applique à un autre article en langue anglaise décrivant une antenne UWB paru dans « International Journal of Antennas and Propagation, Volume 2012, Article ID 513829 » portant le titre « Band-Notched Ultrawide Band Planar Inverted-F Antenna ». Là aussi l'épaisseur de l'antenne décrite est nettement trop élevée (4,5 mm) pour répondre aux objectifs de l'invention.
L'antenne décrite dans les figures suivantes répond aux objectifs de l'invention et est donc capable d'émettre et de recevoir des signaux dans toute la gamme des fréquences du standard UWB tout en maintenant des dimensions réduites notamment en épaisseur.
Comme montré sur la figure 3 , l'antenne 310 selon l'invention est destinée à reposer sur un substrat 410 multicouche avec lequel il va interagir.
Un exemple d'un tel substrat 410 est montré sur la figure 4 qui supporte typiquement au moins une puce radiofréquence 412 à partir de laquelle les signaux à transmettre sont générés pour être rayonnés par l'intermédiaire de l'antenne 310. Celle-ci a évidemment aussi pour fonction de recueillir les signaux émis par d'autres antennes lesquels sont amplifiés par la puce radiofréquence 412 pour être exploités par un système de réception. On notera que d'une façon générale le substrat 410 supporte plus d'un composant. Outre la puce radiofréquence 412, il est courant que le substrat 410 comprenne aussi des composants radiofréquences d'adaptation comme ceux mentionnés dans les figures 1a à 1c (non représentés dans la figure 4). Dans l'exemple de la figure 4, les interconnexions 413 entre la puce radiofréquence 412 et le substrat 410 se font à l'aide d'une technique très couramment employée en microélectronique et qualifiée du terme anglais de « wire bonding » basée sur l'utilisation de fils d'or. Dans ce cas, la puce radiofréquence 412 est généralement fixée sur le substrat 410 par collage ou par brasage. D'autres techniques d'interconnexion et d'assemblage bien connues de l'homme du métier peuvent être employées sans inconvénient pour la mise en oeuvre de l'invention.
En ce qui concerne l'antenne 310 représentée sur la figure 3 comprend les éléments suivants :

au moins une première surface rayonnante 318 qualifiée du terme anglais de « patch ». Ce terme est très couramment utilisé dans ce domaine pour désigner une surface généralement plane découpée dans une structure métallique comme dans l'exemple de la figure 3.
une languette latérale d'alimentation 314 de l'antenne 310 servant également à la réception des signaux radiofréquences captés par celle-ci. La languette latérale d'alimentation 314 est configurée de sorte à être en contact avec une trace d'alimentation 414 située sur la deuxième face du substrat 410. De manière particulièrement avantageuse, la trace d'alimentation 414 est raccordée à une connexion 413 de la puce 412.
un mur latéral 316 en forme de L connecté à la première surface rayonnante 318 et qui joue, par l'intermédiaire de la trace de couplage 416, le rôle de coupleur capacitif entre l'antenne 310 et notamment la première surface rayonnante 318 et le plan de masse, représentés sur la figure 4. Le mur latéral 316 comprend au moins une première portion suivant le plan parallèle à l'épaisseur du substrat 410 et selon une dimension de largeur 810 de la première surface rayonnante 318. Le mur latéral 316 comprend au moins une deuxième portion suivant le plan parallèle à l'épaisseur du substrat 410 et selon une dimension de longueur 820 de la première surface rayonnante 318. La première portion et la deuxième portion du mur latéral 316 sont configurées de sorte à être en contact électriquement, et sont fixées par brasage sur la trace de couplage 416.

Typiquement, l'antenne 310 peut être réalisée à partir d'une plaque métallique (par exemple, un feuillard métallique en cuivre) dans laquelle on exécute des découpes pour obtenir la forme adéquate 510 illustrée par la figure 5 . Ensuite, à l'aide d'un outillage de pliage on réalise la structure tridimensionnelle recherchée comme représentée sur la figure 3. Les techniques de découpe et de pliage de pièces métalliques minces sont très utilisées par l'industrie de l'électronique, par exemple pour la fabrication de supports de circuits intégrés ou pour la réalisation de boîtiers de blindage. Ces techniques sont peu coûteuses et compatibles avec une production en grande série. On notera ici que pour des raisons de stabilité mécanique lors de l'assemblage, des pattes supplémentaires (non représentées) peuvent être réalisées lors de la découpe. Ces pattes, qui ne sont ni reliées ni couplées à aucune couche métallique du substrat 410, ne perturbent pas le fonctionnement de l'antenne 310. Leur rôle se limite seulement à assurer un maintien mécanique de cette dernière lors de l'assemblage.
On notera également que de nombreux autres moyens de réalisation que ceux décrits ci-dessus, tout aussi couramment mis en oeuvre par l'industrie de la microélectronique, peuvent aussi bien être employés pour la réalisation d'antennes selon l'invention. Il s'agit notamment des techniques bien connues de l'homme du métier qui sont basées sur l'emploi de gravures chimiques ou de métallisations de boîtiers plastiques.
La figure 6 illustre une option de réalisation au cours de laquelle on procède à l'issue de la mise en place de l'antenne 310 à un surmoulage 610 des composants et des moyens de connexion présents sur le substrat 510 afin de les protéger. L'enrobage ou surmoulage des composants (et notamment d'au moins l'antenne 310 et au moins une puce 412 radiofréquence) présents sur la deuxième face du substrat 410 est une opération pratiquée couramment pour laquelle on a recours à des produits d'enrobage qui offrent toutes les garanties d'innocuité et de stabilité dans le temps vis-à-vis des composants qu'ils enrobent.
La figure 7 illustre la mise en place de l'antenne 310 qui assure son rôle d'antenne possiblement après enrobage. Le surmoulage des composants est une opération optionnelle mais néanmoins utile qui n'a pas d'impact sur les performances électrique du système. L'antenne 310 peut optionnellement jouer seule le rôle de protection des composants montés sur le substrat 410 et des interconnexions 413. Avantageusement, le surmoulage apporte une rigidité mécanique et une protection étanche vis-à-vis de petites particules. De manière particulièrement avantageuse, l'antenne 310 est positionnée au dessus du plan de masse. L'antenne 310 forme de préférence une cavité permettant de loger au moins une puce 412 entre au moins la première surface rayonnante 318 et ledit plan de masse. L'étape de mise en place de l'antenne 310 est réalisée de sorte à ce que le mur latéral 316 est connecté à la trace de couplage 416.
Une autre option de réalisation, qui n'est pas illustrée sur les figures, consiste à graver l'antenne 310 directement sur le surmoulage 610. Dans cette option le surmoulage 610 est obligatoirement présent. Après formation, il est recouvert d'une couche métallique que l'on vient graver, par exemple chimiquement (dépôt, pulvérisation), pour créer les différents éléments de l'antenne 310 obtenue, par exemple, à partir d'un feuillard métallique.
La figure 8 et les suivantes illustrent le fonctionnement de l'antenne 310. Le principe d'une antenne selon l'invention consiste avantageusement à générer plusieurs résonances en faisant en sorte qu'elles soient suffisamment couplées pour qu'on puisse exploiter leur proximité afin d'obtenir une antenne 310 à large bande. Les étapes de conception de l'antenne sont décrites ci-après.
Comme montré sur la figure 8, dans une première étape, on définit une première surface rayonnante 318, par exemple de forme rectangulaire, qui va constituer l'élément rayonnant principal de l'antenne 310. La première surface rayonnante 318 est excitée, comme on l'a déjà vu, par l'intermédiaire de la languette latérale d'alimentation 314 située sur un côté de celui-ci. De plus, comme on l'a vu également, cette première surface rayonnante 318 est supportée mécaniquement par le mur latéral 316 en forme de L. Dans une implantation standard la première surface rayonnante 318 est connectée, par l'intermédiaire du mur latéral 316, au plan de masse du substrat 410, ledit plan de masse étant situé sur une première face du substrat 410, opposée à la deuxième face du substrat 410. Selon un mode de réalisation, le plan de masse est une couche inférieure dans le cas où le substrat 410 est multicouche. Cette structure constitue un type d'antenne très employé dit PIFA, acronyme de l'anglais « planar inverted F antenna », c'est-à-dire « antenne plane en F inversé ». Cette structure permet de générer une double résonance illustrée sur la figure 9a. La longueur d'onde correspondant à la fréquence de l'antenne étant de manière conventionnelle appelée λ, la résonance de fréquence la plus basse 910 se fait selon un mode de résonance correspondant au quart de la longueur d'onde, ou λ/4, selon la plus grande dimension de la première surface rayonnante 318 c'est-à-dire sa longueur 820. Celle de fréquence plus élevée 920 correspond de manière similaire à la largeur 810 de l'antenne 310. Comme le montrent les figures 9a et 9b les deux modes ne sont pas correctement couplés.
Dans les exemples qui suivent l'antenne 310 est optimisée pour fonctionner dans la bande 7-9 GHz ce qui correspond au groupe 6 du standard UWB.
Les figures 10, 11a et 11b illustrent une deuxième étape de l'invention qui consiste à améliorer l'adaptation et à rapprocher les deux résonances de la première surface rayonnante 318 afin d'obtenir un meilleur couplage entre les deux modes de résonance. L'invention applique ici une approche nouvelle qui consiste à remplacer la connexion électrique entre le mur latéral 316 de l'antenne 310 et le plan de masse du substrat 410 par un couplage capacitif 1010 avec ce dernier. Ainsi le mur latéral 316 est relié dans ce cas, comme déjà montré sur la figure 4, à une trace de couplage 416 métallique située sur la deuxième face du substrat 410 mais déconnectée du plan de masse ; ledit plan de masse étant situé sur la première face du substrat 410. Cette trace de couplage 416 forme une capacité de couplage dont la valeur est εS/e où ε est la constante diélectrique du matériau diélectrique constituant le substrat 410, S est la surface de la trace de couplage 416 et e est l'épaisseur entre la trace de couplage 416 située sur la deuxième face du substrat 410 et le plan de masse situé sur la première face du substrat 410. Comme le montrent les figures 11a et 11b les deux résonances, 1110 et 1120, sont alors plus proches et on constate une meilleure adaptation d'impédance.
Les figures 12, 13a et 13b illustrent une troisième étape de l'invention où l'on vient mettre en place un deuxième résonateur sous forme d'une deuxième surface rayonnante 312. Installée à côté de la première surface rayonnante 318, la deuxième surface rayonnante 312 est excitée par couplage capacitif avec la première surface rayonnante 318. La première surface rayonnante 318 et la deuxième surface rayonnante 312 sont raccordées au niveau du même mur latéral 316. Les première et deuxième surfaces rayonnantes 318, 312 sont avantageusement libres de vibration l'une de l'autre dans les trois directions de l'espace. Le mur latéral 316 est connecté à une trace de couplage 416 située sur une deuxième face du substrat 410, opposée à la première face du substrat 410, et le mur latéral 316 et la trace de couplage 416 étant configurés pour jouer le rôle de coupleur capacitif entre au moins la première surface rayonnante 318, la deuxième surface rayonnante (312) et le plan de masse.
Les figures 13a et 13b illustrent le comportement en fréquence de l'antenne 310 comprenant la première surface rayonnante 318 et la deuxième surface rayonnante 312. On remarque alors la présence de trois modes de résonance qui correspondent aux deux résonances de la première surface rayonnante 318 déjà vues plus une résonance 1310 de la deuxième surface rayonnante 312. La troisième résonance correspond à un mode en λ/4 selon une dimension de longueur 1210 du résonateur supplémentaire c'est-à-dire de la deuxième surface rayonnante 312.
La figure 14 illustre les paramètres de l'antenne 310 qui sont ajustables permettant ainsi de faire varier les fréquences de résonance et d'obtenir un couplage efficace entre les trois modes. En particulier, le fonctionnement de l'antenne 310 en large bande est rendu possible par le couplage de plusieurs résonances grâce à la présence de plusieurs surfaces rayonnantes 312, 318 couplées entre elles et à l'ajustement des paramètres ci-après mentionnés :

la longueur (L1) et la largeur (11) de la première surface rayonnante 318, respectivement : 820 et 810 ;
la longueur (L2) de la deuxième surface rayonnante 312 : 1210 ;
la valeur (C) de la capacité de couplage : 1010 ;
l'écartement (d): 1410 entre la première surface rayonnante 318 et la deuxième surface rayonnante 312 ;
la distance (D): 1420 séparant la languette latérale d'alimentation 314 du mur latéral 316 ;
la hauteur (h): 1430 de l'antenne 310 ;
ainsi que les constantes diélectriques (ε) des matériaux utilisés.

Selon un mode de réalisation préférentiel, la première surface rayonnante 318 a une dimension de longueur 820 supérieure à la dimension de longueur 1210 de la deuxième surface rayonnante 312.
Les figures 15a et 15b montrent les résultats obtenus avec une antenne UWB qui a été développée selon les principes précédents pour fonctionner dans la bande de fréquences allant de 7 à 9 GHz. Afin de pouvoir intégrer l'antenne 310 dans un module AIP des paramètres comme la hauteur 1430, la longueur 820 et la largeur 810 ont été figés chacun à une dimension maximale de sorte que les dimensions extérieures du module restent compatibles avec les objectifs de miniaturisation fixés par les besoins du marché et notamment, comme on l'a vu, l'épaisseur de celui-ci.
Les matériaux diélectriques utilisés et celui du substrat 410 sont par ailleurs basés sur l'emploi de matériaux standard afin de conserver un coût de fabrication le plus bas possible.
Une étude portant sur les différents paramètres ajustables mentionnés précédemment a donc permis d'obtenir une antenne 310 fonctionnant dans la bande de fréquences allant de 7 à 9 GHz et intégrée dans un module AIP dont les dimensions occupent dans cet exemple un parallélépipède dont la base est un carré de 7 mm de côté et d'une épaisseur de 1,5 mm. Traduit en longueurs d'ondes de la fréquence centrale de la bande de fréquences considérée, c'est-à-dire 8GHz, qui correspond à une longueur d'onde λ dans le vide de 37,5 mm, cet exemple particulier d'une antenne 310 selon l'invention a des dimensions de l'ordre de λ/5 pour ce qui est des dimensions horizontales (côté du carré) et de λ/25 en hauteur.
Les figures 15a et 15b mettent en évidence le bon comportement de l'antenne 310 où les multiples résonances correctement couplées permettent d'obtenir une antenne 310 large bande de l'ordre de 2 GHz à -6dB, ce qui représente 25% de la fréquence centrale. Cette bande couvre la totalité des canaux du groupe 6 de la gamme des fréquences du standard UWB.
Les figures 16a et 16b illustrent les performances de rayonnement de l'antenne 310 qui sont exprimées, respectivement, en termes de gain et d'efficacité. Ces résultats montrent que l'antenne 310 se comporte bien dans toute la bande de fréquences pour laquelle elle a été conçue, non seulement sur le plan de son adaptation d'impédance comme on l'a vu dans les figures précédentes, mais présente aussi un bon comportement en terme de puissance rayonnée exprimée, d'une part, par son gain en dB (figure 16a) et d'autre part par son efficacité en pourcentage de la puissance injectée (figure 16b).
Les figures 17a et 17b montrent les diagrammes de rayonnement calculés de l'antenne 310 selon deux directions perpendiculaires (Phi = 0 et Phi = 90) lorsque celle-ci est contenue dans un module AIP 1510 lui-même placé sur un PCB d'application 1520 comprenant un plan de masse de type téléphone portable. Il apparaît clairement que l'antenne 310 rayonne, comme attendu, de façon homogène dans le demi-espace supérieur au dessus du PCB.
La figure 18 illustre le fait qu'une antenne 310 selon l'invention peut être aussi bien composée de la première surface rayonnante 318 et de la deuxième surface rayonnante 312 qui ne soient pas seulement de forme rectangulaire ou polygonale. Toutes sortes de formes autres que celles étudiées sont susceptibles de convenir tout en maintenant le même principe de fonctionnement et les avantages associés. La figure 18 est un exemple de formes plus complexes qui ont été étudiées et qui donnent des résultats au moins aussi bons que ceux rapportés dans les figures précédentes concernant exclusivement des surfaces rayonnantes 312, 318 de forme rectangulaire. Selon cet exemple de réalisation, au moins la première surface rayonnante (318) forme un L dont un premier côté du L s'étend suivant la longueur (820) de la première surface rayonnante (318) et un deuxième côté du L s'étend suivant la largeur (810) de la première surface rayonnante (318). Le premier côté du L et le deuxième côté du L forment avantageusement un angle de 90°. Un coude est formé à l'intersection entre le premier côté du L et le deuxième côté du L. La deuxième surface rayonnante 312 est de préférence une homothétie de la première surface rayonnante 318 dont les dimensions de longueur et de largeur sont plus faibles.

Claims

Dispositif d'émission et/ou de réception de signaux radiofréquences comprenant au moins une antenne (310) à large bande et un substrat (410); l'antenne (310) comprenant au moins une première surface rayonnante (318) et étant en superposition à un plan de masse, le plan de masse étant situé sur une première face du substrat (410), au moins une languette latérale d'alimentation (314) et au moins un mur latéral (316) connecté à au moins la première surface rayonnante (318) et connecté à une trace de couplage (416) située sur une deuxième face du substrat (410), opposée à la première face du substrat (410), le dispositif étant caractérisé en ce que :
- l'antenne (310) comprend au moins une deuxième surface rayonnante (312) configurée de sorte à être excitée par couplage avec la première surface rayonnante (318), la deuxième surface rayonnante (312) étant en superposition au plan de masse et étant écartée de la première surface rayonnante (318),

- le mur latéral (316) et la trace de couplage (416) sont configurés pour jouer le rôle de coupleur capacitif entre au moins la première surface rayonnante (318), la deuxième surface rayonnante (312) et le plan de masse; le mur latéral (316) étant connecté à la deuxième surface rayonnante (312), la trace de couplage (416) étant déconnectée du plan de masse et formant une capacité de couplage avec le plan de masse.
Dispositif selon la revendication précédente dans lequel la trace de couplage (416) est configurée de sorte à former une capacité de couplage dont la valeur est εS/e où ε est la constante diélectrique du matériau diélectrique constituant le substrat (410), S est la surface de la trace de couplage (416) et e est l'épaisseur entre la trace de couplage (416) située sur la deuxième face du substrat (410) et le plan de masse situé sur la première face du substrat (410).
Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes dans lequel l'antenne (310) est configurée pour générer au moins une première résonance selon une dimension de longueur (820) de la première surface rayonnante (318) et au moins une deuxième résonance selon une dimension de largeur (810) de la première surface rayonnante (318).
Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes dans lequel le mur latéral (316) comprend au moins une première portion suivant un plan parallèle à l'épaisseur du substrat (410) et selon une dimension de largeur (810) de la première surface rayonnante (318).
Dispositif selon la revendication 4 dans lequel le mur latéral (316) comprend au moins une deuxième portion suivant un plan parallèle à l'épaisseur du substrat (410) et selon une dimension de longueur (820) de la première surface rayonnante (318).
Dispositif selon la revendication 5 dans lequel la première portion et la deuxième portion du mur latéral (316) sont configurées de sorte à être en contact électriquement, et sont fixées sur la trace de couplage (416).
Dispositif selon la revendication 1 dans lequel l'antenne (310) est configurée pour générer une troisième résonance selon une dimension de longueur (1210) de la deuxième surface rayonnante (312), et de préférence dans lequel la première surface rayonnante (318) a une dimension de longueur (820) supérieure à la dimension de longueur (1210) de la deuxième surface rayonnante (312).
Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes dans lequel au moins la première surface rayonnante (318) forme un L dont un premier côté du L s'étend suivant la longueur (820) de la première surface rayonnante (318) et un deuxième côté du L s'étend suivant la largeur (810) de la première surface rayonnante (318).
Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes dans lequel la deuxième surface rayonnante (312) est une homothétie de la première surface rayonnante (318) de dimension plus faible.
Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes dans lequel la languette latérale d'alimentation (314) est configurée de sorte à être en contact avec une trace d'alimentation (414) située sur la deuxième face du substrat (410), et de préférence dans lequel l'antenne 310 est réalisée de sorte à former une cavité permettant de loger au moins une puce (412) entre au moins la première surface rayonnante (318) et la deuxième face du substrat (410).
Procédé de réalisation d'un dispositif d'émission et/ou de réception de signaux radiofréquences comprenant au moins une antenne (310) à large bande et un substrat (410), l'antenne (310) comprenant au moins une première surface rayonnante (318) et étant en superposition à un plan de masse, le plan de masse étant situé sur une première face du substrat (410), au moins une languette latérale d'alimentation (314) et au moins un mur latéral (316) connecté à au moins la première surface rayonnante (318), le procédé comprenant une étape de formation de l'antenne (310), une étape de mise en place de l'antenne (310) sur le substrat (410), l'étape de mise en place de l'antenne (310) étant réalisée de sorte à ce que le mur latéral (316) est connecté à une trace de couplage (416) située sur une deuxième face du substrat (410), opposée à la première face du substrat (410), caractérisé en ce que :
- l'étape de formation de l'antenne (310) est réalisée de sorte à ce que l'antenne (310) comprend au moins une deuxième surface rayonnante (312) configurée de sorte à être excitée par couplage avec la première surface rayonnante (318), la deuxième surface rayonnante (312) étant formée en superposition au plan de masse et étant écartée de la première surface rayonnante (318),

- l'étape de mise en place de l'antenne (310) est réalisée de sorte que le mur latéral (316) et la trace de couplage (416) sont configurés pour jouer le rôle de coupleur capacitif entre au moins la première surface rayonnante (318), la deuxième surface rayonnante (312) et le plan de masse; le mur latéral (316) étant connecté à la deuxième surface rayonnante (312), la trace de couplage (416) étant déconnectée du plan de masse et formant une capacité de couplage avec le plan de masse.
Procédé selon la revendication précédente dans lequel l'étape de formation de l'antenne (310) comprend une étape de découpe d'une plaque métallique à laquelle il s'ensuit une étape de pliage de la plaque métallique.
Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes 11 et 12 dans lequel à l'issue de l'étape de mise en place de l'antenne, on effectue une étape de surmoulage (610) configurée de sorte à enrober au moins l'antenne (310).
Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes 11 et 12 dans lequel, préalablement à l'étape de mise en place de l'antenne (310), on réalise une étape de surmoulage (610) d'au moins une puce (412) présente sur la deuxième face du substrat (410).
Procédé selon la revendication 14 dans lequel, à l'issue de l'étape de surmoulage (610), on réalise une étape de dépôt d'une couche métallique suivie d'une étape de gravure de ladite couche métallique de sorte à former l'antenne (310).