EP4765476A1

EP4765476A1 - Ensemble tuile bfic générique de partie avant d antenne dit front-end

Info

Publication number: EP4765476A1
Application number: EP25225050.1A
Authority: EP
Inventors: James Evans BELLUOT; Renan LE GALL; Roger PEREIRA
Original assignee: Thales SA
Current assignee: Thales SA
Priority date: 2024-12-20
Filing date: 2025-12-18
Publication date: 2026-06-24
Also published as: CN122269568A; IL325430A; FR3170724A1; US20260180174A1; JP2026110583A

Abstract

Ensemble tuile BFIC générique de partie avant d'antenne comprenant :
- un circuit imprimé multicouches (1) ;
- un composant BFIC (18);
- le circuit imprimé multicouches (1) comprenant :
- au moins une piste RF (13) et au moins une piste de masse (20), chacune débouchant en une extrémité sur la face interne du circuit imprimé (1) en une connexion 21, et débouchant en son autre extrémité en une connexion 22 sur la face externe du circuit imprimé ;
- les piste(s) RF (13) et piste(s) de masse (20) comprenant des liaisons coaxiales dans chaque couche du circuit imprimé, une liaison coaxiale débouchant sur chaque face en une pastille coaxiale, et des lignes microbandes pour relier deux pastilles coaxiales d'une piste en inter-couches ; et
la couche interne (23) du circuit imprimé comprenant des groupements élémentaires d'une ou deux pastilles coaxiales disposés selon un maillage régulier.

Description

La présente invention concerne un ensemble tuile BFIC générique intégrant la partie avant d'antenne nommée front-end.
On entend par front-end d'antenne, la partie d'un système de réception ou d'émission d'antenne qui traite les signaux avant leur amplification.
L'invention est destinée aux antennes actives allant de la bande Ku démarrant à 10GHz jusqu'aux hyperfréquences (40GHz et au-delà). Elle s'applique à tous types de composants de formation de faisceaux analogiques. Elle est particulièrement utile pour les antennes actives lorsqu'associée aux fonctions d'amplification ou de rayonnement où les contraintes de densité et d'intégration sont fortes.
Dans le cadre du développement d'un front-end d'antenne active, plusieurs éléments fonctionnels doivent être interconnectées, comme illustré sur la [Fig.1] :

un panneau antennaire 1 (éléments rayonnants : cornets, patchs, fentes...) ;
des cartes d'amplifications 2 de puissance ou à faible bruit ;
des cartes 3 intégrant des composants servant à faire la formation de faisceaux appelés BFIC pour acronyme de "Beam Former Integrated Components" en langue anglaise ;
une carte 4 numérique permettant de gérer en temps réel la formation de faisceau appelée ACU pour acronyme de "antenna control unit" en langue anglaise ;
une carte 5 de transposition de fréquence permettant de convertir les signaux RF en bande de base ou vice versa ;
une structure métallique 6 de blindage et de dissipation thermique ;
les différents éléments d'interconnexion et d'interfaçage 7 (électrique, mécanique et thermique).

La représentation de la [Fig.1] illustre schématiquement un concept de front-end RF mettant en œuvre les éléments listés précédemment.
Pour que cet ensemble fonctionne correctement, il est nécessaire de pouvoir associer les cartes BFIC aux éléments rayonnants. Une solution simple consiste à imprimer directement les antennes sur la face du circuit imprimé opposée à la face sur laquelle sont câblés les BFIC. Il est également possible de lier de manière irrémédiable ces éléments entre eux par collage ou brasage ou alors de les interconnecter par le biais de connecteurs RF. Chacune de ces solutions impose de concevoir une tuile spécifique en fonction du cas d'emploi.
Afin de limiter les coûts et d'optimiser les pertes, les concepteurs cherchent à minimiser le nombre de pièces et essaient de mutualiser un maximum de fonctions. Il est donc très courant de voir des tuiles BFIC qui intègrent les BFIC sur une face et les antennes patchs sur l'autre face. Les fonctions sont alors indissociables. Si, pour une autre application, on souhaite changer de type d'élément rayonnant pour tenir des performances différentes, la tuile BFIC doit être spécifiquement conçue de nouveau ce qui est très couteux.
Il est connu des tuiles avec antennes patch intégrées. Les antennes patch imposent la mise en œuvre de couches de substrat épaisses ne permettant pas une réalisation d'empilement de couches de circuits imprimés symétriques ce qui viole les règles de conception des circuits imprimés et nuit à leur fabricabilité à grande échelle et à leur fiabilité.
Ce type d'assemblage présente de gros risques car la nature différente des matériaux qui composent la carte et l'antenne conduit à une dilatation différentielle qui altère la fiabilité de l'ensemble. Les deux éléments, carte et panneau antennaire, sont alors non démontables ce qui pose un gros problème de réparabilité.
Afin de rendre dissociables les éléments rayonnants des cartes BFIC, celles-ci peuvent être équipées de connecteurs sur la face opposée à celle intégrant les BFIC. Il est, dans ce cas, nécessaire d'avoir la place pour intégrer de très nombreux connecteurs à la fois sur les tuiles BFIC et sur les éléments rayonnants. Cela s'avère potentiellement impossible dans les cas où la densité de signaux d'interconnexion est forte (haute fréquence). Si malgré tout cela s'avère réalisable, cette approche est extrêmement onéreuse car ces connecteurs coutent très cher.
Dans les exemples connus, il est généralement complexe d'aligner les composants lors de l'assemblage. Par ailleurs, ce type de conception est prohibitif d'un point de vue coût. Les pertes en transmission dans les connecteurs pour les fréquences élevées sont également très importantes.
Le but de l'invention est de pallier les inconvénients précédemment cités, et plus particulièrement de proposer une tuile BFIC générique de partie avant d'antenne front-end.
Il est proposé, selon un aspect de l'invention, un Ensemble tuile BFIC générique de partie avant d'antenne dit front-end comprenant :

un circuit imprimé multicouches ;
au moins un composant BFIC ;
des billes de soudure entre le composant BFIC et la face externe du circuit imprimé ;
le circuit imprimé multicouches comprenant:
au moins une piste RF dans le circuit imprimé débouchant en une extrémité sur la face interne du circuit imprimé en une pastille coaxiale, et débouchant en son autre extrémité en une pastille coaxiale sur la face externe du circuit imprimé ;
au moins une piste de masse dans le circuit imprimé débouchant en une extrémité sur la face interne du circuit imprimé en une pastille coaxiale, et débouchant en son autre extrémité sur la face externe du circuit imprimé en une pastille coaxiale ;
les piste(s) RF et piste(s) de masse comprenant des liaisons coaxiales dans chaque couche du circuit imprimé, une liaison coaxiale débouchant sur chaque face en une pastille coaxiale, et des lignes microbandes (ou "microstrips" en langue anglaise), par exemple d'impédance 50 Ω, pour relier deux pastilles coaxiales d'une piste en inter-couches ; et
la couche interne du circuit imprimé comprenant des groupements élémentaires d'une ou deux pastilles coaxiales disposés selon un maillage régulier.

Dans un mode de réalisation, les groupements élémentaires d'une ou deux pastilles coaxiales sont disposés selon un maillage carré régulier.
Selon un mode de réalisation, la couche interne du circuit imprimé multicouches munie de pastilles coaxiales est de forme carrée.
Dans un mode de réalisation, les groupements élémentaires d'une ou deux pastilles coaxiales sont disposés selon un maillage trigonal régulier.
On entend par maillage trigonal, un maillage dans lequel les groupements élémentaires d'une ou deux pastilles coaxiales forment un triangle, par exemple isocèle voire équilatéral, un tel maillage trigonal étant plus dense qu'un maillage rectangulaire, voire carré.
Selon un mode de réalisation, la couche interne munie de pastilles coaxiales est de forme sensiblement carrée, dont les côtés opposés ont des formes complémentaires de sorte que deux ensembles tuiles contigües peuvent s'emboîter et que la disposition des pastilles sur les deux tuiles reste un maillage trigonal régulier.
Dans un mode de réalisation, un entre-axe entre deux groupements vaut la moitié de la longueur d'onde de la fréquence la plus élevées de la bande instantanée du signal transmis.
Selon un mode de réalisation, le circuit imprimé comprend sur sa face interne, pour chaque pastille coaxiale, au moins une bille de soudure disposée dans la partie centrale de la pastille coaxiale, et au moins deux billes de soudure disposées en périphérie extérieure de la pastille coaxiale, pour assurer un contact de masse.
Il est également proposé, selon un autre aspect de l'invention, une Antenne active comprenant :

au moins un élément rayonnant ;
au moins un ensemble tuile;
au moins un interposeur disposé entre l'élément rayonnant et l'ensemble tuile.

Dans un mode de réalisation, l'interposeur est un interposeur coaxial hyperfréquences.
Selon un mode de réalisation, l'interposeur coaxial hyperfréquences comprend un contact diffus.
L'invention apparaîtra plus clairement à la lecture de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple non limitatif, et faite en référence aux dessins sur lesquels :

[Fig.1] illustre schématiquement un concept de front-end RF, selon l'état de la technique ;
[Fig.2] illustre schématiquement une liaison coaxiale, selon l'état de la technique ;
[Fig.3] et [Fig.4] illustrent schématiquement une liaison coaxiale, dans un circuit imprimé multicouches, selon l'état de la technique ;
[Fig.5] illustre schématiquement un ensemble tuile BFIC générique de partie avant d'antenne, selon un aspect de l'invention ;
[Fig.6] illustre schématiquement une antenne active munie d'au moins un ensemble tuile BFIC générique de partie avant d'antenne, selon un aspect de l'invention ;
[Fig.7] et [Fig.8] illustrent schématiquement les deux faces interne et externe un ensemble tuile BFIC générique de partie avant d'antenne, avec des groupements élémentaires d'une ou deux pastilles coaxiales sont disposés selon un maillage trigonal régulier, selon un aspect de l'invention ;
[Fig.9] illustre schématiquement une pluralité d'ensembles tuiles BFIC génériques montées de manière contigüe sur un panneau ou élément rayonnant, selon un aspect de l'invention.

Sur l'ensemble des figures, les éléments ayant des références identiques sont similaires.
[Fig.2] illustre schématiquement une liaison coaxiale, selon l'état de la technique.
Une liaison coaxiale est constituée d'un conducteur central 8 de rayon a, d'un conducteur externe 9 disposé à une distance ou rayon b de l'axe central du conducteur central 8, et d'un isolant 10 qui les sépare, appelé milieu de propagation. Le milieu de propagation 10 est caractérisé par deux grandeurs physiques que sont la permittivité relative ε_r et la perméabilité relative µ _r . Une telle liaison coaxiale de longueur z permet la propagation d'une onde électromagnétique entre les deux extrémités de la liaison appelées entrée et sortie. Afin que la transmission du signal soit optimale dans une liaison coaxiale, celle-ci doit présenter une impédance caractéristique compatible de celle présentée par les éléments extérieurs à ses accès (antenne, amplificateur, émetteur, récepteur, .). Cette impédance caractéristique normalisée Z0 dépend des grandeurs physiques précitées selon la loi suivante : $Z 0 = \sqrt{\frac{ε_{r}}{μ_{r}}} \times \frac{\ln (\frac{b}{a})}{2 π}$
L'impédance caractéristique normalisée pour un conducteur coaxial est généralement de 50 Ω. Les dimensions a et b sont choisies pour obtenir une impédance de 50 Ω pour un matériau donné pour lequel ε_r et µ _r sont connus.
Une liaison coaxiale peut être formée par un câble (ex : fil de cuivre enrobé de téflon, le tout enrobé de métal) ou par deux pastilles sur un circuit imprimé reliées par un via.
Comme illustré sur les [Fig.3] et [Fig.4], une pastille 11, 12 est un îlot de cuivre isolé du reste du plan de cuivre 27, 28, 29 à la surface d'un circuit imprimé multicouches 1, également appelés plan de masse. Une telle pastille 11, 12 constitue une plage d'accueil par contact avec un élément extérieur au circuit imprimé comme le conducteur central d'un connecteur. Deux pastilles 11, 12 placées de part et d'autre du circuit imprimé multicouches 1, reliées par un via 13, forment un conducteur central.
Le substrat ou matériau qui compose le circuit imprimé constitue le milieu de propagation. Les trois éléments précédemment décrits 11, 12, 13 forment une liaison coaxiale dont l'impédance caractéristique peut atteindre les 50 Ω si les géométries (a et b) sont correctement choisies.
La structure de circuit imprimé multi couches 1 permet d'interconnecter des signaux qui ne sont pas en vis à vis. Pour ce faire, chaque couche 15, 16 de circuit imprimé 1, l'exemple illustré sur les [Fig.3] et [Fig.4] ayant seulement deux couches 15, 16, de manière non limitative, intègre une liaison coaxiale. Les deux liaisons coaxiales sont reliées entre elles en inter-couches à travers la ligne microbande 13 d'impédance 50 Ω (5). Il est alors possible de connecter les pastilles présentes sur une face du circuit imprimé 11 à des composants électroniques par exemple par brasage. Il est également possible de connecter les pastilles 12 de la face opposée à un connecteur ou à un système d'interconnexion tel un interposeur qui peut être relié à une antenne, par exemple un interposeur flexible.
Deux plans de masse parmi les plans de masse 27, 28 et 29, situés autour d'une pastille 11, 12 et de part et d'autre des couches 15, 16 reliés par des couronnes de vias conducteurs 14 dont l'espacement est inférieur à λ/10, forment un conducteur externe de la [Fig.2].
Aussi, il est possible de connecter les entrées ou sorties de composants électroniques à un système d'interconnexion externe dont les accès ne sont pas en vis-à-vis.
En d'autres termes, comme illustré sur la [Fig.5], l'invention porte sur un ensemble tuile BFIC générique de partie avant d'antenne, dit front-end, comprenant :

un circuit imprimé multicouches 1 ;
au moins un composant BFIC 18 ;
des billes de soudure 19 entre le composant BFIC 18 et la face externe du circuit imprimé 1 ;
le circuit imprimé multicouches 1 comprenant:
- au moins une piste RF 13 dans le circuit imprimé 1 débouchant en une extrémité sur la face interne du circuit imprimé 1 en une pastille coaxiale 11, et débouchant en son autre extrémité en une pastille coaxiale 12 sur la face externe du circuit imprimé 1 ;
- au moins une piste de masse 20 dans le circuit imprimé 1 débouchant en une extrémité sur la face interne du circuit imprimé 1 en une pastille coaxiale 21, et débouchant en son autre extrémité sur la face externe du circuit imprimé 1 en une pastille coaxiale 22 ;
- les pistes RF 13 et pistes de masse 20 comprenant des liaisons coaxiales dans chaque couche du circuit imprimé, une liaison coaxiale débouchant sur chaque face en une pastille coaxiale, et des lignes microbandes d'impédance 50 Ω pour relier deux pastilles coaxiales d'une piste en inter-couches ; et
- la couche interne 23 du circuit imprimé comprenant des groupements élémentaires d'une ou deux pastilles coaxiales disposés selon un maillage régulier.

Les groupements élémentaires d'une ou deux pastilles coaxiales peuvent être disposés selon un maillage carré régulier, et la couche interne du circuit imprimé multicouches 1 munie de pastilles coaxiales peut être de forme carrée.
Les groupements élémentaires d'une ou deux pastilles coaxiales sont disposés selon un maillage trigonal régulier, et la couche interne 23 munie de pastilles coaxiales est de forme sensiblement carrée, dont les côtés opposés ont des formes complémentaires de sorte que deux ensembles tuiles contigües peuvent s'emboîter et que la disposition des groupements de pastilles sur les deux tuiles forme un maillage trigonal régulier.
La [Fig.6] représente un exemple d'utilisation dans une antenne active avec un interposeur 24, et un élément rayonnant 25. L'interposeur 24 peut être un interposeur coaxial hyperfréquences, par exemple comprenant un contact diffus 26.
Les composants BFIC intègrent plusieurs entrées et/ou sorties dont la fonction principale est d'amplifier un signal entrant ou sortant tout en faisant varier sa phase et son amplitude de sorte à ce que les signaux, lorsque rayonnés au travers d'une antenne, puissent se combiner dans l'espace : on parle de combinaison spatiale. En contrôlant la phase des composants BFIC, il est également possible de réaliser un balayage du point de combinaison : on parle alors de balayage électronique.
Il est possible d'interconnecter plusieurs composants BFIC câblés sur une même face externe du circuit imprimé 1 à plusieurs pastilles de la face opposée interne sans que les accès soient en vis-à-vis (désaxage). Cette caractéristique est importante car afin que le dispositif de combinaison spatiale fonctionne, il est nécessaire que les éléments rayonnants forment un maillage dont chaque élément unitaire est espacé au maximum d'une demi longueur d'onde λ (on parle de réseau antennaire). La longueur d'onde λ est proportionnelle à l'inverse de la fréquence de fonctionnement selon la formule λ=c/f dans laquelle c représente la vitesse de la lumière et f représente la fréquence maximum d'opération.
Les différentes entrées et/ou sorties d'un composant BFIC n'étant pas espacées du même pas que celui du réseau antennaire, il est d'ordinaire nécessaire de recourir aux connecteurs coaxiaux désaxés grâce au circuit multi couches.
Un circuit imprimé dont l'espacement entre pastilles des liaisons coaxiales situées du côté antennaire respectent le maillage relatif à la demi longueur d'onde (λ/2) de la fréquence la plus élevées de la bande instantanée du signal transmis permet de réaliser une combinaison spatiale au niveau de la carte. Le maillage peut être trigonal ou carré.
Une telle carte est appelée carte élémentaire ou tuile générique de formation de faisceau.
Un panneau antennaire complet comporte plusieurs cartes élémentaires de formation de faisceau disposées de manière contiguë telles que l'espacement entre pastilles situées de part et d'autre de deux cartes adjacentes reste constant. Lorsque cette condition est respectée, la carte élémentaire de formation de faisceau est plus précisément appelée tuile générique BFIC.
Comme illustré sur la [Fig.7], dans le cas d'un maillage trigonal, la couche interne 23 de la tuile générique munie de pastilles coaxiales 22 est de forme sensiblement carrée, dont les côtés opposés ont des formes complémentaires de sorte que deux ensembles tuiles contigües peuvent s'emboîter et que la disposition des groupements de pastilles sur les deux tuiles forme un maillage trigonal régulier.
Les formes complémentaires des côtés opposés peuvent prendre n'importe quelle forme pourvu que les pastilles restent équidistantes carte à carte de sorte à respecter un motif uniforme.
La [Fig.8] représente schématiquement l'autre face d'un ensemble tuile BFIC générique.
La [Fig.9] représente schématiquement une pluralité d'ensembles tuiles BFIC génériques montées de manière contigüe sur le panneau ou élément rayonnant 25.
La présente invention permet :

d'assurer des réparation ou remplacement de carte car la tuile est dissociable de l'élément rayonnant ;
de produire de grande quantités de pièces à cout objectif car ces tuiles n'intègrent pas de connecteurs RF ;
d'avoir une conception unique capable d'être associée à n'importe quel type d'antenne ou élément rayonnant (patch, fente, additive 3D...). Cela permet d'atteindre des performances d'antenne différentes à partir de la même brique générique (tuile BFIC) sans nouvelle conception coûteuse et chronophage ;
de présenter une structure PCB symétrique permettant d'éviter les effets de cintrage ou flambage circuit lors du passage en four à re-fusion. Il est également possible de traiter des formats de carte plus grands donc plus économiques. En effet, si la carte incorpore des antennes patchs, la structure PCB sera obligatoirement dissymétrique ; et
de tester automatiquement en série chaque voie RF de manière conventionnelle sans recourir à des moyens de test en rayonnement dans une chambre anéchoique (un simple analyseur de réseaux vectoriel suffit).

La présente invention permet :

d'assembler plusieurs types de panneaux rayonnants de technologies différentes avec une seule et même version de tuile : plusieurs performances d'antenne atteignables à partir d'une même tuile permettant de gagner un temps précieux en conception ;
de produire en grande quantité grâce à sa structure d'empilement des couches de circuit symétrique des tuiles utilisables pour plusieurs applications sans de couteux efforts de conception spécifiques ; et
de produire une tuile faible coût car les connecteurs RF sont exclus de la tuile de produire une tuile réparable lorsqu'assemblée avec un dispositif d'interposition flexible grâce à la plage d'interconnexion compatible du dispositif d'interposition flexible.

Claims

Ensemble tuile BFIC générique de partie avant d'antenne, dit front-end, comprenant :
- un circuit imprimé multicouches (1) ;

- au moins un composant BFIC (18);

- des billes de soudure (19) entre le composant BFIC (18) et la face externe du circuit imprimé (1) ;

- le circuit imprimé multicouches (1) comprenant :
- au moins une piste RF (13) dans le circuit imprimé (1) débouchant en une extrémité sur la face interne du circuit imprimé (1) en une connexion (11), et débouchant en son autre extrémité en une connexion (12) sur la face externe du circuit imprimé 1 ;

- au moins une piste de masse (20) dans le circuit imprimé (1) débouchant en une extrémité sur la face interne du circuit imprimé (1) en une connexion (21), et débouchant en son autre extrémité sur la face externe du circuit imprimé (1) en une connexion (22) ;

- les piste(s) RF (13) et piste(s) de masse (20) comprenant des liaisons coaxiales dans chaque couche du circuit imprimé, une liaison coaxiale débouchant sur chaque face en une pastille coaxiale, et des lignes microbandes pour relier deux pastilles coaxiales d'une piste en inter-couches ; et

- la couche interne (23) du circuit imprimé comprenant des groupements élémentaires d'une ou deux pastilles coaxiales disposés selon un maillage régulier.
Ensemble tuile BFIC générique selon la revendication 1, dans lequel les groupements élémentaires d'une ou deux pastilles coaxiales sont disposés selon un maillage carré régulier.
Ensemble tuile BFIC générique selon la revendication 2, dans lequel la couche interne du circuit imprimé multicouches (1) munie de pastilles coaxiales (11, 21) est de forme carrée.
Ensemble tuile BFIC générique selon la revendication 1, dans lequel les groupements élémentaires d'une ou deux pastilles coaxiales sont disposés selon un maillage trigonal régulier.
Ensemble tuile BFIC générique selon la revendication 4, dans lequel la couche interne munie de pastilles coaxiales est de forme sensiblement carrée, dont les côtés opposés ont des formes complémentaires de sorte que deux ensembles tuiles contigües peuvent s'emboîter et que la disposition des groupements de pastilles sur les deux tuiles forme un maillage trigonal régulier.
Ensemble tuile BFIC générique selon l'une des revendications précédentes, dans lequel un entre-axe entre deux groupements vaut la moitié de la longueur d'onde de la fréquence la plus élevées de la bande instantanée du signal transmis.
Ensemble tuile BFIC générique selon l'une des revendications précédentes, dans lequel le circuit imprimé (1) comprend sur sa face interne, pour chaque pastille coaxiale, au moins une bille de soudure disposée dans la partie centrale de la pastille coaxiale, et au moins deux billes de soudure disposées en périphérie extérieure de la pastille coaxiale.
Antenne active comprenant :
- au moins un élément rayonnant (25) ;

- au moins un ensemble tuile selon l'une des revendications précédentes ;

- au moins un interposeur (24) disposé entre l'élément rayonnant (25) et l'ensemble tuile.
Antenne active selon la revendication 8, dans laquelle l'interposeur (24) est un interposeur coaxial hyperfréquences.
Antenne active selon la revendication 9, dans laquelle l'interposeur coaxial hyperfréquences (24) comprend un contact diffus (26).