FR2997236A1

FR2997236A1 - Antenne fente compacte

Info

Publication number: FR2997236A1
Application number: FR1260064A
Authority: FR
Inventors: Hine Tong Dominique Lo; Kevin Nadaud; Philippe Minard; Francois Baron
Original assignee: Thomson Licensing SAS
Current assignee: Thomson Licensing SAS
Priority date: 2012-10-23
Filing date: 2012-10-23
Publication date: 2014-04-25
Also published as: US20140111393A1; AU2013237643A1; EP2725658B1; JP2014087055A; TW201417397A; KR20140051785A; EP2725658A1; JP6265674B2; CN103779657A; US9819092B2; BR102013026492A2; HK1197319A1

Abstract

La présente invention concerne une antenne-fente compacte formée, dans un substrat multicouches comportant, dans l'ordre, au moins une première couche conductrice, une première couche diélectrique, une seconde couche conductrice, une seconde couche diélectrique et une troisième couche conductrice, d'une première ligne-fente (30) réalisée dans la seconde couche conductrice, ladite première fente étant connectée à l'alimentation (A) de l'antenne, d'une seconde et d'une troisième lignes-fente réalisées respectivement dans la première et dans la troisième couche conductrice, la seconde et la troisième lignes-fente (31, 32) étant chacune délimitées par deux bandes conductrices dont une première extrémité, côté alimentation, est interconnectée par un via passant à travers une fenêtre réalisée dans la seconde couche conductrice et une seconde extrémité connectée à la seconde couche conductrice, les deux bandes conductrices du côté de la seconde extrémité étant, soit en circuit ouvert, soit en court-circuit , la longueur électrique des première, seconde et troisième lignes-fente étant fonction de la longueur d'onde à la fréquence de fonctionnement de l'antenne.

Description

. Domaine technique La présente invention concerne, de manière générale, une antenne fente compacte. Elle concerne, plus particulièrement, les antennes-fente compactes réalisées dans un substrat multicouches.

Arrière-plan technologique Dans le domaine des communications sans fil, on utilise de plus en plus souvent des circuits MIMOs (pour « Multiple Input Multiple Output » en langue anglaise) afin d'augmenter la capacité des canaux de transmission et améliorer le fonctionnement de l'ensemble du système. L'utilisation de circuits MIMOs entraîne, en général, une augmentation du nombre d'antennes à réaliser pour une même carte. D'autre part, pour faciliter l'intégration des circuits, les antennes sont maintenant réalisées directement sur la carte de circuit imprimé ou PCB (pour « Printed Circuit Board » en langue anglaise). Or, en application des lois de la physique, la longueur d'une antenne est fonction de la longueur d'onde. Ainsi, pour pouvoir fonctionner en WiFi, à savoir par exemple dans la bande de fréquences des 2.4 GHz, la longueur d'une antenne fente fonction de Xg est de plusieurs dizaines de millimètres. Cette longueur n'est pas négligeable lorsque l'on doit intégrer l'antenne sur les cartes de circuits imprimés utilisées en production de masse. D'autre part, les cartes de circuits imprimés sont le plus souvent constituées par des substrats à structure multicouches. Ainsi, pour réaliser une antenne fente compacte utilisant la structure multicouches du substrat, l'idée la plus naturelle consiste à plier la ligne-fente de la manière représentée sur les figures 1 et 2. Sur la figure 1, on a représenté schématiquement une vue en coupe d'un substrat à deux couches diélectriques dl, d2 et à trois couches conductrices Ml, M2, M3. Pour réaliser une antenne fente compacte dans ce type de substrat, une ligne-fente a été gravée successivement dans la couche conductrice M3, comme représenté par la ligne-fente 1. Puis, après avoir traversé la couche diélectrique d2, la ligne-fente se prolonge par une ligne-fente 2 réalisée dans la couche conductrice M2. Elle traverse ensuite la couche diélectrique dl, et elle se prolonge par une ligne-fente 3 réalisée dans la couche conductrice Ml. Le point d'alimentation 4 de l'antenne fente est formé au niveau de la ligne-fente 1. Cette alimentation est réalisée de manière classique par couplage électromagnétique, selon la technique connue sous la dénomination « Knorr ». Dans ce cas, les trois lignes-fentes 1, 2, 3 sont superposées et elles présentent une longueur électrique totale, entre le point d'alimentation 4 et l'extrémité en court-circuit de la ligne-fente 3, égale à Xg/2 où X,g est la longueur d'onde guidée dans la fente à la fréquence de fonctionnement.

Une représentation plus détaillée d'une antenne fente doublement repliée, telle que celle de la figure 1, est donnée par la vue en perspective de la figure 2. Dans ce cas, seules les parties des couches conductrices Ml, M2, M3, nécessaires à une bonne compréhension de l'invention, sont représentées. Ainsi, dans la couche conductrice inférieure M3 a été gravée la ligne-fente 1, cette fente étant en circuit ouvert à une extrémité, l'autre extrémité non représentée étant couplée à la ligne d'alimentation. D'autre part, dans la couche conductrice M2, a été gravée une ligne-fente 2 qui est délimitée par deux bandes conductrices B2, B'2 qui, dans le mode de réalisation représenté, ont une forme en L. Ensuite, dans la couche conductrice Ml, a été réalisée une troisième ligne-fente 3 délimitée par deux bandes conductrices B3, B3', elles aussi en forme de L. Les deux bandes conductrices B3 et B3' ont d'un côté une extrémité en court-circuit, comme représenté par la bande conductrice B"3. D'autre part, les bandes conductrices B3 et B2 sont interconnectées du côté de l'extrémité point d'alimentation par un via V1 lui-même relié à un élément isolé de la couche conductrice M3. De même, des deux bandes conductrices B'3, B'2 sont connectées à un élément isolé de la couche conductrice M3 par un via V-I. D'autre part, comme représenté sur la figure 2, les autres extrémités opposées des bandes B2 et B'2 délimitant la ligne-fente 2 en circuit ouvert, sont connectées par des vias V2 et V'2, respectivement à la couche conductrice M3 et à deux éléments isolés de la couche conductrice M1 réalisés dans le prolongement des couches B3 et B'3. Comme représenté sur la figure 2, les trois lignes-fentes 1, 2, 3 sont superposées. Une antenne de ce type dont la longueur électrique des trois éléments-fente 1, 2, 3 entre le point d'alimentation et l'extrémité en court- circuit de la fente 3 est égale à Xg/2, a été simulée pour un fonctionnement en WiFi, à savoir dans la bande des 2.4 GHz. La simulation a été faite à l'aide du simulateur électromagnétique Momentum d'Agilent, en utilisant comme substrat des substrats FR4 avec des niveaux de métallisation espacés de 0.5 mm. Dans ce cas, la courbe d'adaptation en fonction de la fréquence est représentée à la figure 3 pour une structure telle que celle des figures 1 et 2. Cette courbe présente une résonance à une fréquence de 2.8 GHz, supérieure à la fréquence de la bande WiFi. D'autre part, il apparaît une résonance parasite secondaire vers les 3.7 GHz, ce qui dénote un comportement atypique de l'antenne fente découlant d'un tel empilage des lignes-fente. Résumé de l'invention La présente invention propose donc une nouvelle solution pour le pliage des lignes-fente qui permet d'utiliser la structure multicouches des cartes de circuit imprimé pour réaliser des antennes fente compactes permettant de limiter la taille de la carte de circuit imprimé et/ou d'intégrer plusieurs antennes. Cette nouvelle solution ne présente pas les problèmes mentionnés ci-dessus. Ainsi, la présente invention concerne une antenne fente compacte formée, dans un substrat multicouches comportant, dans l'ordre, au moins une première couche conductrice, une première couche diélectrique, une seconde couche conductrice, une seconde couche diélectrique et une troisième couche conductrice, d'une première ligne-fente réalisée dans la seconde couche conductrice, ladite première ligne-fente étant connectée à l'alimentation de l'antenne, d'une seconde et d'une troisième lignes-fente réalisées respectivement dans la première et dans la troisième couche conductrice, la seconde et la troisième lignes-fente étant chacune délimitées par deux bandes conductrices dont une première extrémité, côté alimentation, est interconnectée par un via passant à travers une fenêtre réalisée dans la seconde couche conductrice et une seconde extrémité connectée à la seconde couche conductrice, les deux bandes conductrices du côté de la seconde extrémité étant, soit en circuit ouvert, soit en court- circuit, la longueur électrique des première, seconde et troisième lignes-fente étant fonction de la longueur d'onde à la fréquence de fonctionnement de l'antenne. Les première, seconde et troisième lignes-fente sont superposées 113 et présentent une longueur électrique totale fonction de la longueur d'onde X,g à la fréquence de fonctionnement de l'antenne-fente. Selon un premier mode de réalisation, lorsque la longueur électrique des première, seconde et troisième lignes-fente est égale à kXg/2, k étant un entier, l'une des seconde ou troisième ligne-fente est en court- 15 circuit. Selon un autre mode de réalisation, lorsque la longueur électrique des première, seconde et troisième lignes-fentes est égale à k'Xg/4, k' étant un entier impair, l'une des seconde ou troisième ligne-fente est en circuit ouvert. 20 De manière classique, le couplage de la première ligne-fente à l'alimentation de l'antenne est réalisé par couplage électromagnétique avec une ligne microruban réalisée soit sur la première ou la troisième couche conductrice selon la technique connue sous la dénomination de principe de « Knorr ». 25 La présente invention concerne aussi une carte de circuit imprimé réalisée sur un substrat multicouches comportant au moins une antenne-fente réalisée dans le substrat selon les modes de réalisation décrits ci-dessus. 30 Brève description des dessins D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront à la lecture de la description de différents modes de réalisation, cette description étant faite avec référence aux dessins ci-annexés dans lesquels : Figure 1 déjà décrite est une vue en coupe schématique d'un mode de réalisation d'une antenne-fente repliée telle que réalisée naturellement par l'homme de l'art. Figure 2 déjà décrite est une vue en perspective schématique de l'antenne de figure 1. Figure 3 déjà décrite représente, en fonction de la fréquence, l'adaptation en dB de l'antenne représentée aux figures 1 et 2.

Figures 4 (A) et (B) sont des vues en coupe schématique d'un premier mode et d'un second mode de réalisation d'une antenne-fente conforme à la présente invention. Figures 5 (A) et (B) sont des vues en perspective des antennes représentées respectivement aux figures 4(A) et (B).

Figures 6(A) et (B) sont des courbes donnant l'adaptation en fonction de la fréquence des antennes-fente représentées aux figures 5(A) et (B). Figure 7 représente, en plan de dessus et en perspective, un autre mode de réalisation d'une antenne-fente conforme à la présente invention.

Figures 8(A) et (B) sont respectivement les courbes d'adaptation (A) et de directivité et de gain (B) en fonction de la fréquence de l'antenne-fente de la figure 7. Figure 9 est une vue schématique d'un circuit PCB implémentant des antennes telles que représentées ci-dessus.

Description détaillée des différents modes de réalisation On décrira tout d'abord, avec référence aux figures 4 à 6, deux modes de réalisation d'une antenne-fente compacte de longueur électrique Xg/2, réalisée sur un substrat multicouches.

Comme représenté plus particulièrement sur les figures 4(A) et 4(B), le substrat multicouches est un substrat comportant deux couches diélectriques dl et d2 et trois couches conductrices, respectivement M1 la couche conductrice supérieure sur la face supérieure de la couche diélectrique dl, M2 la couche conductrice intermédiaire entre les couches diélectriques dl et d2 et M3 la couche conductrice inférieure sur la face inférieure de la couche diélectrique d2.

Dans les deux modes de réalisation des figures 4(A) et 4(B), l'antenne-fente est tout d'abord formée par une ligne-fente 10 gravée dans la couche conductrice intermédiaire M2 et alimentée au point d'alimentation 13 par couplage électromagnétique avec une ligne d'alimentation réalisée en technologie microruban, soit sur la face supérieure de la couche diélectrique dl soit sur la face inférieure de la couche diélectrique d2. Le mode d'alimentation de l'antenne est donné uniquement à titre d'exemple. Dans le premier mode de réalisation, la ligne-fente 10 se prolonge par une ligne-fente 11 réalisée dans la couche conductrice supérieure M1 puis par une ligne-fente 12 réalisée dans la couche conductrice inférieure M3, les lignes-fente 10, 11, 12 étant superposées et leur longueur électrique totale étant égale à icXg/2 où X,g est la longueur d'onde à la fréquence de fonctionnement. De manière plus précise, et comme représenté sur la figure 5(A), la ligne-fente 11 réalisée dans la couche conductrice M1 est délimitée par deux bandes conductrices B11 et B'l 1 qui, dans le mode de réalisation représenté, ont une forme en L. D'autre part, dans la couche conductrice inférieure M3, a été réalisée une ligne-fente 12 délimitée par deux bandes conductrices B12, B'12 présentant une forme en L. Ces deux bandes conductrices B12 et B'12 sont interconnectées par une bande conductrice B"12 de sorte que la ligne-fente 12 se termine par un court-circuit. D'autre part, pour obtenir une ligne-fente rayonnante, les différentes bandes conductrices sont interconnectées de la manière suivante. Comme représenté sur la figure 5(A), la couche conductrice intermédiaire M2 présente, de chaque côté de la ligne-fente 10, côté alimentation, deux fenêtres F, F' à travers lesquelles passent deux vias V, V' connectant respectivement une des extrémités de la bande conductrice B'l 2 avec l'extrémité correspondante de la bande conductrice B11 et l'une des extrémités de la bande conductrice B'12 avec l'extrémité correspondante de la bande conductrice B'11. D'autre part, l'extrémité libre de la bande conductrice B11 est connectée à travers un via V" à la couche conductrice M2 et à un élément isolé EM3 de la couche conductrice M3 en prolongement de la bande conductrice B12. De même, l'extrémité de la bande conductrice B'11 est connectée à la couche intermédiaire M2 et à un élément isolé EM3' de la couche conductrice M3 situé dans le prolongement de la bande conductrice B'12. Cela permet d'obtenir une connexion entre les différentes lignes-fente 10, 11, 12 telles que représentées par les flèches sur la figure Io 4(A). On décrira maintenant, avec référence à la figure 5(B), le second mode de réalisation d'une antenne fente de longueur électrique Xg/2. Dans ce cas, et comme représenté sur la figure 4(B), une ligne-fente 20 est tout d'abord gravée dans la couche conductrice intermédiaire M2, le point 15 d'alimentation 23 étant réalisé comme le point d'alimentation 13 du mode de réalisation de figure 4(A). Dans ce cas, une seconde ligne-fente 21 est réalisée dans la couche conductrice inférieure M3. Comme représenté dans la figure 5(B), cette ligne-fente 21 est délimitée par deux bandes conductrices B21, B'21. Une troisième ligne-fente 22 est réalisée dans la 20 couche conductrice supérieure M1. Comme représenté dans la figure 5(B), cette ligne-fente 22 est délimitée par deux bandes conductrices B22, B'22 qui sont interconnectées du côté opposé au point d'alimentation par un élément conducteur B"22 formant une ligne-fente en court-circuit. Comme dans le mode de réalisation de la figure 5(A), les bandes conductrices ont des 25 formes en L. D'autre part, comme représenté sur la figure 5(B), la couche conductrice intermédiaire M2 présente deux fenêtres F, F' permettant le passage de vias V, V' pour l'interconnexion respectivement de la bande conductrice B21 avec la bande conductrice B22 et de la bande conductrice B'21 avec la bande conductrice B'22 au niveau du bras inférieur de la partie 30 en L. D'autre part, un élément conducteur isolé EM1 et un élément conducteur isolé EM1' tous deux réalisés dans la première couche conductrice M1 dans le prolongement, respectivement, des bandes conductrices B21 et B'21, sont connectés par des vias V", V" respectivement à la seconde couche conductrice M2 ainsi que, respectivement, à la bande conductrice B21 et à la bande conductrice B'21 pour obtenir une interconnexion des lignes-fente 20, 21, 22 telle que représentée par les flèches sur la figure 4(B). Ces deux structures ont été simulées en utilisant le même mode de simulation que celui utilisé pour l'antenne représentée à la figure 2, les antennes des figures 4(A) et 4(B) ayant été réalisées sur un substrat identique au substrat représenté à la figure 1.

Dans ce cas, les figures 6(A) et 6(B) représentent les courbes d'adaptation en fonction de la fréquence des antennes-fente des figures 5(A) et 5(B). On voit que, dans ce cas, les courbes d'adaptation présentent une résonance à une fréquence de 2.5 GHz correspondant à la fréquence WiFi recherchée. Par rapport à la courbe de la figure 3, on observe en figure 6A et 6B, l'absence de résonance parasite, soit une réponse similaire à une antenne fente basique, imprimée sur une seule couche. De plus, en figure 3 la fréquence de résonance est plus haute que les fréquences de résonance observées sur les figures 6A et 6B, ce pour une même longueur totale de ligne-fente. A fréquence de résonance égale, les deux modes de réalisation de la présente invention impliquent donc une taille d'antenne plus réduite. On décrira maintenant avec référence aux figures 7 et 8, une antenne fente présentant une longueur électrique de Xg/4. Comme représenté schématiquement sur la partie gauche de la figure 7, une ligne-fente 30 est tout d'abord réalisée dans la couche conductrice intermédiaire M2, cette ligne-fente étant alimentée par une ligne d'alimentation A réalisée en technologie microruban dans la couche conductrice supérieure M1 de manière à réaliser un couplage électromagnétique, par exemple selon Knorr, avec la ligne-fente 30. Comme représenté schématiquement sur la partie droite de la figure 7, dans la couche conductrice supérieure M1 a été réalisée une ligne- fente 31 délimitée par deux bandes conductrices B31, B'31. Cette ligne-fente 31 se termine en circuit ouvert, comme représenté sur la figure 7.

D'autre part, dans la couche conductrice M3, a été réalisée une ligne-fente 32 délimitée par deux bandes conductrices B32 et B'32. Les bandes conductrices B31, B'31, B32 et B'32 ont toutes une forme générale en L pour faciliter leur interconnexion.

Comme représenté sur la figure 7, dans le prolongement de chaque bande conductrice B31, B'31, a été réalisé un élément isolé respectivement EM1 et EM1' dans la couche conductrice Ml. Cet élément EM1 et EM1' est connecté par des vias V" et V" aux extrémités des bandes conductrices B31, B'31, ces vias n'étant pas connectés avec la couche conductrice intermédiaire M2. D'autre part, comme représenté sur la figure 7, l'autre extrémité des bandes conductrices B32, B31, B'32, B'31 est connectée par des vias V et V' qui sont aussi connectés à des éléments isolés EM2, EM2' de la couche conductrice intermédiaire M2, découpés dans la couche conductrice intermédiaire principale M2, comme représenté sur la figure 7. Dans ce cas, la longueur électrique totale des trois éléments de ligne-fente 30, 31, 32 est égale à Xg/4 où X,g est la longueur d'onde à la fréquence de fonctionnement. Une antenne fente de ce type a été simulée, en utilisant les mêmes critères et le même outil que pour les antennes fente représentées aux figures 2 ou 5. La figure 8(A) représente la courbe d'adaptation en fonction de la fréquence de l'antenne-fente représentée à la figure 7. Cette figure 8(A) montre une résonance pour une fréquence comprise entre 2.4 et 2.5 GHz correspondant aux fréquences utilisées en WiFi. L'antenne présente une adaptation inférieure à -10dB dans cette bande de fonctionnement. D'autre part, l'antenne de la figure 7 présente un gain et une directivité tels que représentés à la figure 8(B). Les valeurs de gain (autour de 2dBi) et de directivité (autour de 3.5dBi) obtenues avoisinent celles d'une antenne-fente non repliée.

On décrira maintenant succinctement, avec référence à la figure 9, l'implémentation d'antennes-fente quart d'onde pliées comme représentée à la figure 7, cette implémentation étant utilisée, par exemple, pour une application MIMO 2*2. Sur un circuit imprimé référencé PCB, comportant un substrat multicouches avec au moins deux couches diélectriques séparées par une couche conductrice et deux couches conductrices externes, on a réalisé deux antennes quart d'onde Al et A2, ces antennes étant isolées par des fentes 51, S2, S3, S4. Les antennes de la figure 9 peuvent être réalisées sur un circuit présentant des dimensions de 40 x 120 mm. Les performances d'un système antennaire réalisé avec des antennes telles que représentées sur la figure 9 dans la bande des 2.4 - 2.5 GHz sont les suivantes : Un niveau de perte inférieur à -14dB.

L'isolation des antennes est supérieure à 17dB. Une directivité supérieure à 3dBi et un gain proche de 2dBi. Un schéma de rayonnement classique. Du fait de sa compacité, l'antenne-fente repliée permet, entre autres avantages, une plus grande flexibilité de placement, d'orientation, sur une carte électronique, ce pour répondre par exemple à des besoins spécifiques de couverture, ou pour éviter des zones de masquages que confèrent bien souvent les contraintes mécaniques inhérentes à un produit électronique à taille réduite et à bas-coût.

Ainsi, en utilisant un pliage spécifique des lignes-fente réalisées dans un substrat multicouches, il est possible d'obtenir une antenne-fente compacte dont la longueur physique est bien inférieure à la longueur électrique totale de l'antenne.25

Claims

REVENDICATIONS1 - Antenne fente compacte formée, dans un substrat multicouches comportant, dans l'ordre, au moins une première couche conductrice (M1), une première couche diélectrique (dl ), une seconde couche conductrice (M2), une seconde couche diélectrique (d2) et une troisième couche conductrice (M3), d'une première ligne-fente (10, 20, 30) réalisée dans la seconde couche conductrice (M2), ladite première ligne-fente étant connectée à l'alimentation (13, 23, A) de l'antenne, d'une seconde et d'une troisième lignes-fente réalisées respectivement dans la première et dans la troisième couche conductrice, la seconde et la troisième lignes-fente (11, 12, 21, 22, 31, 32) étant chacune délimitées par deux bandes conductrices dont une première extrémité, côté alimentation, est interconnectée par un via passant à travers une fenêtre réalisée dans la seconde couche conductrice et une seconde extrémité connectée à la seconde couche conductrice, les deux bandes conductrices du côté de la seconde extrémité étant, soit en circuit ouvert, soit en court-circuit, la longueur électrique des première, seconde et troisième lignes-fente étant fonction de la longueur d'onde à la fréquence de fonctionnement de zo l'antenne.
2 - Antenne-fente selon la revendication 1, caractérisée en ce que les première, seconde et troisième lignes-fente sont superposées. 25
3 - Antenne-fente selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisée en ce que l'ensemble des première, deuxième et troisième lignes-fente présente une longueur électrique totale fonction de la longueur d'onde X,g à la fréquence de fonctionnement de l'antenne-fente. 30
4 - Antenne-fente selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que, lorsque la longueur électrique des première, secondeet troisième lignes-fente est égale à kXg/2, k étant un entier, l'une des seconde ou troisième ligne-fente est en court-circuit. - Antenne-fente selon l'une des revendications 1 à 3, 5 caractérisée en ce que, lorsque la longueur électrique des première, seconde et troisième lignes-fentes est égale à k'Xg/4, k' étant un entier impair, l'une des seconde ou troisième ligne-fente est en circuit ouvert. 6 - Carte de circuit imprimé dans laquelle est réalisée au moins une antenne-fente selon l'une des revendications 1 à
5. 7 - Carte de circuit imprimé selon la revendication 6, caractérisée en ce qu'elle comporte au moins deux antennes-fente (Al, A2) séparées par des fentes isolantes (Si, S2, S3, S4).15