FR2822594A1

FR2822594A1 - Antenne plane multicouche comportant un element de connectique orthogonale et son procede de fabrication

Info

Publication number: FR2822594A1
Application number: FR0103775A
Authority: FR
Inventors: Frederic Lamour; Daniel Sorais
Original assignee: Thomson CSF SA
Current assignee: Thales SA
Priority date: 2001-03-20
Filing date: 2001-03-20
Publication date: 2002-09-27

Abstract

Structure multicouche rayonnante comportant au moins un plan de masse (3) disposé entre un premier substrat (22) comportant un ou plusieurs éléments rayonnants (21) et un deuxième substrat (24) comportant un circuit de distribution (25) caractérisée en ce que :. la structure rayonnante multicouche (1) comporte au moins un élément de connexion (27) adapté à assurer la connexion du plan de masse (3) avec l'extérieur, l'élément de connexion (27) a une face métallique (27B), . ledit élément de connexion (27) est disposé au contact de la face (24A) du deuxième substrat comportant le circuit de distribution (25),. ledit élément de connexion (27) est pourvu d'au moins un trou métallisé (29) permettant la liaison d'un dispositif de connexion avec le circuit de distribution (25), et. ledit élément de connexion (27) et le deuxième substrat (24) sont équipés d'un ou de plusieurs vias (26, 28) adaptés à assurer la continuité de masse entre la face métallique (27B) de l'élément de connexion et le plan de masse (3).Antenne plane multicouche.

Description

La présente invention concerne le domaine des structures rayonnantes multicouche, par exemple, celui des antennes hyperfréquences multicouche comportant au moins un plan de masse enfoui, disposé entre un premier substrat supportant les éléments rayonnants et un deuxième substrat comprenant le circuit de distribution ou d'alimentation. L'antenne intègre un moyen adapté à assurer la connexion du plan de masse avec l'extérieur.

Elle s'applique notamment pour toute structure multicouche où le plan de masse est enfoui.

Elle concerne aussi les systèmes de télécommunications hyperfréquences comportant des antennes planes multicouche basées sur la technologie de réseaux d'éléments rayonnants imprimés, utilisés dans le domaine des hyperfréquences, par exemple des fréquences de l'ordre de quelques GigaHertz et de préférence inférieures à 8 GHz.

Dans les systèmes de télécommunications hyperfréquences, la tendance est de remplacer les antennes paraboles par des antennes planes basées sur la technologie des réseaux d'éléments rayonnants imprimés. De telles antennes présentent en effet de nombreux avantages non négligeables vis à vis de leurs homologues paraboliques, notamment en termes de poids et d'encombrement.

A l'heure actuelle, les systèmes de télécommunications réclament des largeurs de bandes de plus en plus importantes. Les technologies généralement employées pour la conception de telles antennes s'appuient principalement sur des structures multicouche à base de substrat et/ou de mousse.

Dans ce genre de structure le plan de masse est enfoui entre deux couches, ce qui génère des difficultés lorsque l'on cherche à le connecter avec un élément extérieur, par exemple, lorsque l'antenne doit être reliée à un circuit électronique de traitement des signaux reçus ou émis.

Habituellement, la connexion de telles antennes avec des circuits électroniques extérieurs est réalisée à l'aide d'un connecteur solidarisé sur un côté de l'antenne de manière à accéder au plan de masse. Les figures 1A et 1 B représentent une vue de dessus et une vue en coupe d'une antenne 1 de type réseau de patchs alimentés par une fente 2, comprenant un connecteur 8 fixé sur un de ses côtés. Le plan de masse 3 de l'antenne 1 est positionné entre un premier substrat 4 sur lequel est disposé le réseau de patchs 5 et un deuxième substrat 6 comprenant le circuit d'alimentation gravé 7. Pour réaliser la connexion, la piste d'alimentation gravée 7 est prolongée jusqu'à un des bords 6A du premier substrat 6. L'âme 9 du connecteur est par exemple soudée sur la piste d'alimentation 6 au point A tandis que le corps 10 du connecteur 8 est relié de façon radioélectrique au plan de masse, au point B. Une telle réalisation peut être consolidée mécaniquement par l'adjonction d'un boîtier sur lequel vient se visser le connecteur, le boîtier servant alors de masse.

Pour des gammes de fréquences relativement basses, par exemple inférieures à 2 GHz, le connecteur peut être remplacé par un coaxial 12, et la connexion de l'antenne avec l'extérieur et le coaxial est effectuée selon un schéma donné à la figure 2, sans crainte d'introduire une désadaptation importante. La gaine 13 du coaxial est reliée au plan de masse 3 au point C tandis que l'âme 14 du coaxial est reliée à la piste d'alimentation 6 au point D. Les liaisons se font par exemple par soudure.

Les expressions piste d'alimentation , circuit de distribution ou encore ligne d'alimentation désignent le même élément.

Les connectiques sur le côté, tout en étant efficaces, ne conviennent pas dans tous les cas d'utilisation, par exemple pour des antennes avec modules électroniques (amplificateur, déphaseur) ou encore en pied d'antenne ou en cas d'intégration sur un boîtier de taille réduite.

En effet, la connexion de l'antenne avec des circuits électroniques habituellement utilisés dans ce domaine ou avec d'autres éléments externes à l'antenne nécessitent l'utilisation de sorties extérieures. La figure 3

représente un exemple de connexion utilisant un coaxial 15 pour relier le connecteur 8 disposé sur le côté 16 de l'antenne à un circuit électronique 17. Un tel arrangement peut engendrer des pertes en lignes dues notamment à la présence du coaxial ou encore d'autres effets pouvant se révéler néfastes à son bon fonctionnement, couplage coaxial, intégration difficile engendrant des contraintes sur les connecteurs et le coaxial de liaison.

L'objet de l'invention concerne une nouvelle architecture d'antennes ou de structures rayonnantes multicouche qui intègre notamment un moyen pour réaliser une connexion de type orthogonal, le mot orthogonal étant considéré par rapport au plan de l'antenne qui contient les éléments rayonnants par exemple. Le terme orthogonal est utilisé dans la description pour différencier la connexion selon l'invention d'une connexion sur le côté de l'antenne telle que décrite dans l'art antérieur.

L'idée de l'invention consiste notamment à relier le plan de masse enfoui, à l'aide d'un élément adapté à permettre son accessibilité à partir de la surface de la structure rayonnante et à travers le substrat.

L'invention concerne aussi l'adaptation du circuit d'alimentation de type microruban classique, plus connu sous le terme anglo-saxon de microstrip, en une ligne de type microruban enfoui, ou stripline, pour sa partie qui est en contact avec la cale.

L'invention concerne une structure multicouche rayonnante comportant au moins un plan de masse disposé entre un premier substrat comportant un ou plusieurs éléments rayonnants et un deuxième substrat comportant un circuit de distribution caractérisée en ce que : 'ta structure rayonnante multicouche comporte au moins un élément de connexion adapté à assurer la connexion du plan de masse avec l'extérieur, l'élément de connexion a une face métallique et une face, . ledit élément de connexion est disposé au contact de la face du deuxième substrat comportant le circuit de distribution,

. ledit élément de connexion est pourvu d'au moins un trou métallisé permettant la liaison d'un dispositif de connexion avec le circuit de distribution, . ledit élément de connexion et le deuxième substrat sont équipés d'un ou de plusieurs vias adaptés à assurer la continuité de masse entre la face métallique de l'élément de connexion et le plan de masse.

Selon un mode de réalisation la ligne d'alimentation est formée par exemple d'au moins deux parties et la partie disposée sur la face du substrat en contact avec l'élément de connexion est de type microruban enfoui (stripline).

Les dimensions de la ligne microruban enfoui (longueur, largeur et forme) peuvent être choisies de telle sorte que l'énergie de puissance réfléchie, entre la partie microruban et la partie microruban enfoui, est inférieure à une valeur fixée, telle que 10 %.

Le nombre de vias inférieurs disposés au niveau du deuxième substrat est sensiblement identique au nombre de vias supérieurs de l'élément de connexion.

Les vias inférieurs sont répartis sur le deuxième substrat autour de la partie microruban enfoui du circuit d'alimentation, leur topologie et leurs caractéristiques géométriques sont choisies pour assurer la continuité de masse entre la face métallique de l'élément de connexion et le plan de masse.

L'invention concerne par exemple une antenne plane multicouche comportant les caractéristiques de la structure multicouche précitée et un connecteur ayant une âme reliée au plan de masse au travers d'un trou métallisé et un corps disposé en contact avec l'élément de connexion.

L'antenne plane fonctionne par exemple dans les domaines hyperfréquences de quelques Gigahertz, de préférence inférieures à 8 GHz.

L'invention concerne aussi un procédé de fabrication d'un élément de connexion adapté à assurer une connexion entre un plan de masse enfoui entre deux couches de substrat d'une structure rayonnante multicouche, ledit

élément de connexion comportant une face métallique et une face caractérisé en ce qu'il comporte au moins les étapes suivantes : 'réaliser un ou plusieurs vias ou trous métallisés avec des couronnes métalliques, lesdits vias étant sensiblement alignés sur au moins un côté de l'élément de connexion, découper ledit élément de connexion en passant sensiblement au centre des vias se trouvant dans un même alignement. L'invention concerne aussi un procédé de mise en place d'un élément de connexion au niveau d'une structure rayonnante multicouche comportant au moins un plan de masse enfoui entre un premier substrat comprenant des éléments rayonnants et un deuxième substrat comportant un circuit d'alimentation formée d'une partie de type microruban et d'une partie de type microruban enfoui, caractérisé en ce qu'il comporte au moins les étapes suivantes : . déposer l'élément de connexion en mettant sa face non métallique en contact avec une face du deuxième substrat comportant le circuit d'alimentation de type microruban enfoui et de façon à mettre en contact les vias de l'élément de connexion avec les vias du deuxième substrat, déposer un moyen de fixation au niveau des vias inférieurs et supérieurs afin de les solidariser.

La liaison entre les vias inférieurs et les vias supérieurs est réalisée par exemple à l'aide de soudure.

L'invention présente notamment les avantages suivants : . de faciliter l'intégration d'une antenne dans des applications où les contraintes de place sont importantes, * de réduire d'éventuelles pertes en lignes introduites par les coaxiaux habituellement utilisés lors de connexion ou connectiques sur le côté telles que schématisés à la figure 3 ou des effets parasites provenant de l'emploi de connecteurs coudés ou de couplage parasite par le coaxial.

D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront mieux à la lecture de la description qui suit où sont proposés des exemples de mise en oeuvre à titre illustratif et nullement limitatif, ceci en référence aux figures annexées qui représentent : * Les figures 1A, 1B, 2 et 3 différents exemples de connexion selon l'art antérieur pour une antenne multicouche, . La figure 4 une vue globale d'une structure multicouche équipée d'un élément de connexion selon l'invention reliée à un dispositif électrique, 'Les figures 5 et 6 respectivement une vue en coupe d'une structure multicouche et une vue en perspective d'un détail de la structure, . Les figures 7A, 7B et 7C respectivement la face supérieure, la face inférieure de l'élément de connexion ou cale avant découpe puis la face inférieure après découpe, La figure 8 un exemple de fixation de la cale, Les figures 9A, 9B et 9C, une coupe latérale et un détail de la structure selon l'invention intégrée dans un boîtier.

Afin de mieux faire comprendre l'objet de l'invention, la description qui suit, donnée à titre illustratif et nullement limitatif, concerne une antenne multicouche utilisée dans le domaine des hyperfréquences de l'ordre de quelques GigaHertz, de préférence pour des valeurs inférieures à 8 GHz.

La figure 4 décrit une vue globale d'une structure multicouche 1 reliée à un circuit électrique 17 au moyen d'une connectique de type orthogonal 19, l'ensemble étant intégré dans un boîtier 18.

Les figures 5 et 6 schématisent une structure d'antenne multicouche pourvue de moyens selon l'invention permettant sa connexion orthogonale avec un circuit électronique externe (non représenté sur cette figure 5). Les différents éléments formant l'antenne sont listés en partant du bas de la figure et en allant vers le haut.

L'antenne 20 comporte par exemple un ou plusieurs éléments rayonnants 21 disposés sur une première face 22A d'un premier substrat 22,

ou substrat inférieur. Au-dessus de ce premier substrat, en contact avec sa deuxième face 22B ne comportant pas les éléments rayonnants, est disposé un plan de masse 23. Un deuxième substrat 24 ou substrat supérieur est en contact avec ce plan de masse 23 par une première face 24A et comporte sur une deuxième face 24B, un circuit d'alimentation ou de distribution 25, par exemple gravé sur la face. Le substrat supérieur 24 est aussi pourvu de plusieurs trous métallisés 26 désignés par le terme vias inférieurs. Au-dessus du deuxième substrat 24 est disposé un élément adapté à assurer la connexion du plan de masse avec l'extérieur, tel qu'une cale 27 comportant une face supérieure 27B métallisée, par exemple cuivrée et une face inférieure 27A non métallique ou isolante qui se trouve au contact de la face 24 B du deuxième substrat. La cale 27 comporte plusieurs vias 28 et un trou métallisé 29 pour laisser le passage à l'âme 31 d'un connecteur 30. Sur cette figure 5, l'âme 31 du connecteur est en contact avec la microruban enfoui, le corps 32 du connecteur repose sur la face cuivrée de la cale.

Les dimensions de la cale 27 sont par exemple choisies d'une part suffisamment importantes pour permettre à la ligne d'avoir des propriétés de microruban enfoui ou stripline (effets de bord suffisamment faibles) et d'autre part suffisamment réduites pour ne pas perturber le réseau de distribution de type microruban ou microstrip.

Le nombre de vias supérieurs 28 de la cale 27 est par exemple sensiblement identique ou identique au nombre de vias inférieurs 26 du deuxième substrat. Les vias sont des trous métallisés qui traversent de part et d'autre la cale et le substrat dans le sens de leur épaisseur, respectivement ec et es. Les vias inférieurs 26 et les vias supérieurs 28 sont solidarisés entre eux à l'aide de soudure ou de tout autre moyen assurant une liaison suffisante.

La disposition, la distance des vias inférieurs 26 les uns par rapport aux autres ou des vias supérieurs 28 entre eux, leur nombre et leur géométrie, sont par exemple choisis en tenant compte de la gamme de

fréquences à laquelle est utilisée une antenne, de la valeur du diélectrique du substrat, de son épaisseur.

La topologie et les dimensions des trous métallisés ou vias sont déterminées d'une part pour assurer une bonne continuité de masse avec un potentiel homogène sur toute ou la majorité de la partie supérieure et doivent notamment permettre d'éviter l'apparition de modes supérieurs parasites au sein de la ligne de type microruban enfoui afin d'éviter une désadaptation et ainsi des pertes d'énergie.

Les vias inférieurs 26 sont répartis par exemple autour du microruban enfoui 25B du deuxième substrat.

Les vias inférieurs 26 et supérieurs 28 ont notamment deux fonctions, d'une part assurer la continuité de masse entre la face cuivrée 27B de la cale 27 et le plan de masse 3 avec les vias supérieurs 28 afin que tout

se passe comme si il existait un seul via entre le plan de masse et la cale, d'autre part assurer l'adaptation de l'antenne pour que l'énergie soit transmise intégralement ou dans sa presque totalité (suppression des modes d'ordre supérieurs).

De même, les dimensions, la largeur Is, la longueur Ls et la géométrie de la portion de ligne 25B de type microruban enfoui sont choisies pour qu'il n'y ait pas de rupture d'impédance (du fait de la présence de la cale), par exemple, pour que la puissance réfléchie soit inférieure à 10%.

Le positionnement de la cale par rapport à la structure multicouche est effectué de manière à assurer le contact entre les vias inférieurs 26 et supérieurs 28 et aussi permettre d'ajuster l'âme d'un connecteur standard, au travers du trou métallisé, d'une part pour assurer son contact direct avec le microruban enfoui, à l'aide par exemple de colle conductrice et d'autre part le contact du corps du connecteur avec la face cuivrée de la cale qui grâce aux vias sert de masse.

Les figures 7A à 7C représentent respectivement la face supérieure (Figure 7A), la face inférieure (Figure 7B) de la cale 27 et sa

forme après découpe (Figure 7C). Elles permettent d'illustrer les étapes d'un mode de fabrication pour la cale offrant notamment comme avantage d'assurer un contact franc entre les vias supérieurs et les vias inférieurs.

Habituellement, le contact entre les vias est assuré en utilisant de la colle conductrice, ce qui présente certains inconvénients, par exemple : . La conductivité d'une colle conductrice n'est pas parfaite et ses caractéristiques peuvent se dégrader avec la fréquence, La tenue mécanique est très mauvaise et tout test de vibration viendrait facilement à bout de la tenue de la cale sur le circuit.

Un exemple de procédé de fabrication et de mise en place de la cale comporte par exemple les étapes suivantes : des trous métallisés ou vias 28 sont réalisés dans la cale 27, un trou étant entouré par une couronne 28c métallique de taille minimale. Les vias sont alignés les uns par rapport aux autres et sont répartis par exemple sur une partie ou sur la totalité de la longueur de trois côtés 271, 272 et 273 de la cale, 'un trou métallisé 29 destiné au passage de l'âme du connecteur est aussi réalisé, . une découpe de la cale suivant les centres des vias 28 est ensuite réalisée, (figure 7C), . la cale 27 est ensuite disposée de façon à mettre en contact les vias ainsi obtenus avec les vias inférieurs 26 du substrat inférieur, (figure 8), 'une soudure S réalisée au niveau du contact entre les vias par exemple permet de fixer la cale de manière stable et de réaliser le contact avec les vias inférieurs, figure 8. Tout moyen de fixation sensiblement identique à la soudure peut être utilisé.

La figure 8 représente la cale fixée au plan de masse 23 en utilisant de la soudure au niveau des vias inférieurs 26 et des vias supérieurs 28.

Les figures 9A, 9B et 9C schématisent un exemple d'application de l'invention où une antenne plane multicouche est insérée dans un boîtier

métallique. Ce boîtier a notamment pour fonction d'une part de consolider mécaniquement l'antenne et d'autre part d'offrir un blindage électromagnétique au circuit de distribution en lignes microruban (stripline) sensible à l'environnement extérieur et générant des rayonnements parasites pouvant créer des interférences CEM. La connectique est de type orthogonal en bande C.

L'ensemble 50 illustré sur la figure 9A montre une antenne 51 avec plusieurs éléments rayonnants ou patchs 52 solidaire d'un boîtier métallique 53.

La figure 9B est une coupe latérale du boîtier métallique 53 et la figure 9C un détail de la partie connectique orthogonale.

La coupe latérale de la figure 9B montre l'antenne 51 insérée par exemple dans deux rainures 54A, 54B réalisées respectivement sur deux parois 55A, 55B du boîtier 53. Un connecteur 56 de type SMA passe à travers un orifice 57 réalisé dans le boîtier métallique 53 et à travers une cavité cylindrique 58 traversant de part et d'autre une excroissance 59 du boîtier métallique 53 (figure 9C).

La figure 9C est un détail de la mise en place du connecteur au niveau de l'antenne plane multicouche.

La cavité cylindrique 58 est ajustée de façon à laisser passer la tige diélectrique 60 du connecteur SMA embase femelle de panneau à dépassement d'isolement. La tige d'isolement est coupée de manière à permettre à !'âme 61 du connecteur de venir en contact avec la ligne d'alimentation au point E par exemple en utilisant de la colle conductrice et l'embase est par exemple vissée sur le boîtier métallique. La référence 62 désigne une couche de mousse habituellement utilisée dans ce type d'antenne.

Des tests de fonctionnement effectués en bande C se sont montrés satisfaisants avec une modification du TOS (abréviation de taux d'ondes stationnaires) peu importante.

Claims

REVENDICATIONS 1-Structure multicouche rayonnante comportant au moins un plan de masse (3) disposé entre un premier substrat (22) comportant un ou plusieurs éléments rayonnants (21) et un deuxième substrat (24) comportant un circuit de distribution (25) caractérisée en ce que : * ta structure rayonnante multicouche (1) comporte au moins un élément de connexion (27) adapté à assurer la connexion du plan de masse (3) avec l'extérieur, l'élément de connexion (27) a une face métallique (27B), . ledit élément de connexion (27) est disposé au contact de la face (24A) du deuxième substrat comportant le circuit de distribution (25), . ledit élément de connexion (27) est pourvu d'au moins un trou métallisé (29) permettant la liaison d'un dispositif de connexion avec le circuit de distribution (25), et . ledit élément de connexion (27) et le deuxième substrat (24) sont équipés d'un ou de plusieurs vias (26,28) adaptés à assurer la continuité de masse entre la face métallique (27B) de l'élément de connexion et le plan de masse (3).
2-Structure rayonnante selon la revendication 1 caractérisée en ce que la ligne d'alimentation (25) est formée d'au moins deux parties (25A) et (25B), la partie (25B) disposée sur la face (24B) du substrat (24) en contact avec l'élément de connexion (27) est de type microruban enfoui.
3-Structure selon la revendication 2 caractérisée en ce que les dimensions du microruban enfoui (25B), (longueur, largeur et forme) sont choisies de telle sorte que l'énergie de puissance réfléchie entre la partie microruban (25A) et la partie microruban enfoui (25B) est inférieure à une valeur fixée, telle que 10%.

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4-Structure selon l'une des revendications 1 à 3 caractérisée en ce que le nombre de vias inférieurs (26) disposés au niveau du deuxième substrat (24) est sensiblement identique au nombre de vias supérieurs (28) de l'élément de connexion (27).
5-Structure selon l'une des revendications 1 à 4 caractérisé en ce que les vias (26) sont répartis sur le deuxième substrat (24) autour de la partie microruban enfoui (25B) du circuit d'alimentation (25) et en ce que la topologie et les caractéristiques géométriques desdits vias (26) sont choisies pour assurer la continuité de masse entre la face métallique (27B) de l'élément de connexion (27) et le plan de masse (3).
6-Antenne plane selon l'une des revendications 1 à 5 caractérisée en ce qu'elle comporte un connecteur (30) ayant une âme (31) reliée au plan de masse au travers d'un trou métallisé et un corps (32) disposé en contact avec l'élément de connexion (27).
7-Antenne selon l'une des revendications 1 à 6 fonctionnant dans les domaines hyperfréquences de quelques Gigahertz, de préférence inférieures à 8 GHz.
8-Procédé de fabrication d'un élément de connexion (27) adapté à assurer une connexion entre un plan de masse (3) enfoui entre deux couches de substrat (22, 24) d'une structure rayonnante, ledit élément de connexion (27) comportant une face métallique (27B) caractérisé en ce qu'il comporte au moins les étapes suivantes : réaliser un ou plusieurs vias ou trous métallisés (28) avec des couronnes métalliques (28c), lesdits vias étant sensiblement alignés sur au moins un côté (27i) de l'élément de connexion (27), découper ledit élément de connexion en passant sensiblement au centre des vias (28) se trouvant dans un même alignement.

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9-Procédé de mise en place d'un élément de connexion selon la revendication 8 au niveau d'une structure rayonnante multicouche comportant au moins un plan de masse enfoui entre un premier substrat comprenant des éléments rayonnants et un deuxième substrat comportant un circuit d'alimentation (25) formée d'une partie de type microruban et d'une partie de type microruban enfoui, caractérisé en ce qu'il comporte au moins les étapes suivantes : déposer l'élément de connexion (27) en mettant sa face non métallique (27A) en contact avec une face du deuxième substrat comportant le circuit d'alimentation de type microruban enfoui (25B) et de façon à mettre en contact les vias (28) de l'élément de connexion avec les vias (26) du deuxième substrat, déposer un moyen de fixation au niveau des vias inférieurs et supérieurs afin de les solidariser.
10-Procédé selon la revendication 9 caractérisé en ce qu'il utilise la soudure pour relier les vias inférieurs (26) et les vias supérieurs (28).