WO1999022404A1 - Procede pour fabriquer un substrat localement inhomogene d'un circuit hyperfrequence, substrats, circuits et interconnexions ainsi realises - Google Patents

Procede pour fabriquer un substrat localement inhomogene d'un circuit hyperfrequence, substrats, circuits et interconnexions ainsi realises Download PDF

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WO1999022404A1
WO1999022404A1 PCT/FR1998/002301 FR9802301W WO9922404A1 WO 1999022404 A1 WO1999022404 A1 WO 1999022404A1 FR 9802301 W FR9802301 W FR 9802301W WO 9922404 A1 WO9922404 A1 WO 9922404A1
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inserts
substrate
insert
integrated
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Hervé Lattard
Jean-Philippe Coupez
Christian Person
Serge Toutain
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Centre National De La Recherche Scientifique
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    • H01L2924/1903Structure including wave guides

Definitions

  • the present invention relates to a method for manufacturing a locally inhomogeneous substrate of a microwave circuit. It also relates to substrates, circuits and interconnections produced with this process.
  • today's buoyant markets such as mobile communications or embedded systems, lead to a strong demand for integration and miniaturization of basic functions.
  • the realization of microwave circuits has implemented a die of the printed circuit type with the use of a single support material, metallized on one or two faces, common to all of the functions to be integrated.
  • the basic sub-assemblies to be transferred to this support such as antennas, filters, couplers or phase-shifters, do not require the same requirements in terms of electrical characteristics of the environment, in particular in dielectric permittivity.
  • the gain of an antenna is higher the lower the permittivity of the substrate on which this antenna is deposited, while a miniaturization approach leads to the development of high permittivity substrates. It therefore currently results in an incompatibility in the association of an antenna and an associated supply and distribution system (filter, coupler, phase shifter) on the same substrate.
  • the object of the present invention is a method for manufacturing a microwave circuit comprising several microwave sub-assemblies, these microwave sub-assemblies being produced on the same rendered substrate. locally inhomogeneous by integration of inserts having appropriate electrical characteristics in a conformable or deformable matrix.
  • the method comprises an integration of inserts in the matrix by pressing.
  • the integration technique used in the present invention has the effect of simultaneously creating an insertion zone and integrating inserts of any shape.
  • the matrix is made of foam or another deformable material, this can be previously shaped by means of the inserts.
  • the matrix can be metallized beforehand and / or provided with a pattern or a circuit before integration of the inserts. Similarly, one or more inserts can be metallized before being integrated into the matrix.
  • one or more inserts can be provided beforehand with a pattern or circuit before being integrated into the matrix.
  • Metallization can be carried out by transferring a metal strip onto the substrate matrix into which one or more inserts have been previously integrated.
  • interconnections can be made without cables and without connections between sub-assemblies having very different requirements.
  • This process extends the degree of freedom of the designer who can then simultaneously play on the shape of the circuits but also on the dimensions of the inserts, their relative permittivities, their thicknesses or their respective locations within the matrix.
  • the method according to the invention allows intervention on the modes of operation of the circuit elements.
  • the method according to the invention also makes it possible, by the presence of inserts at the level of each sub-assembly, to locally optimize their performance. This contributes in particular to reducing the size of a plated antenna, the radiating discontinuities being produced on the matrix material of low permittivity favorable to radiation, the insert of higher permittivity placed in the center providing the electrical length necessary to respect the phase conditions .
  • a substrate for a microwave circuit, obtained by implementing the method according to the invention, characterized in that it comprises a matrix in which are inserted inserts having electrical characteristics distinct from those of the matrix, each insert being associated with a subset of the circuit requiring a specific electrical environment.
  • a microwave circuit produced from a substrate according to the invention, comprising several interconnected sub-assemblies, characterized in that each sub-assembly requiring a specific electrical environment is associated with an insert having optimal electrical characteristics for this sub-assembly.
  • the manufacturing method according to the invention thus makes it possible to make interconnections of sub-assemblies having very different characteristics, without requiring any particular wiring or bridging operations. These interconnections can possibly implement techniques of metal crossing or electromagnetic coupling between successive levels.
  • FIG. 1 illustrates an exemplary embodiment of a microwave circuit with the method according to one invention
  • FIG. 2 schematically shows a proximity coupler on insert that can be implemented in a microwave circuit according to the invention
  • FIG. 3 schematically shows a coupler with branches on an insert that can be implemented in a microwave circuit according to the invention
  • - Figure 4 schematically shows a patch type antenna made on a substrate according to one invention
  • FIG. 5 schematically represents a combination of a branch coupler and a pellet type antenna with circular polarization, produced on a substrate according to the invention
  • FIG. 6A illustrates a mode of integration of an insert into a matrix by conformation
  • - Figure 6B illustrates a mode of integration of an insert into a die by cutting
  • FIG. 7A shows the main layers of a substrate according to the invention
  • FIG. 7B illustrates a particular embodiment in which the matrix material is air
  • FIG. 8 schematically illustrates a substrate according to the invention
  • FIG. 9 represents two views in section respectively of a first and of a second substrate according to the invention
  • FIG. 10 illustrates a particular embodiment of an insert designed to provide a permittivity gradient within a substrate
  • - Figure 11 shows an exemplary embodiment of a microwave circuit comprising a substrate of high relative permittivity and inserts of low permittivity;
  • FIG. 12 illustrates the main stages of production of a substrate made locally inhomogeneous by obviously material
  • FIG. 13 illustrates the main steps of producing a locally inhomogeneous substrate whose matrix has been previously provided with a pattern or circuit
  • FIG. 14 represents an example of a microwave circuit implementing metallized ribbons arranged on a matrix in which inserts of different permittivities have been integrated
  • FIG. 15 shows an example of an antenna network produced with the method according to the invention
  • FIG. 16 illustrates a particular embodiment of a locally inhomogeneous substrate according to the invention, in which several levels of dielectric inserts are integrated into the matrix
  • - Figure 17 illustrates another particular embodiment of a locally inhomogeneous substrate according to the invention, in which different dielectric inserts are integrated in two different matrices which are then assembled by pressing.
  • a microwave circuit 1 comprises, with reference to FIG. 1, an antenna sub-assembly A, a coupler sub-assembly C and two filter sub-assemblies FI, F2 produced on a substrate S obtained from an MA matrix which may be made of foam, polymer or ceramic and in which inserts I have been integrated under each of the sub-assemblies.
  • the antenna A implements radiating slots on a matrix material of low permittivity with a reduction in size by the use of an insert of high permittivity.
  • the coupler C is provided with a high permittivity insert to obtain a strong coupling with a simultaneous reduction in size.
  • the filters FI, F2 are miniaturized using inserts of high permittivity.
  • the lower surface of the matrix MA is provided with a metallization ME.
  • the microwave circuits according to the invention can include proximity couplers such as that shown diagrammatically in FIG. 2.
  • This proximity coupler CP comprises an insert I integrated in a matrix MA under a coupling module MC connected to an input channel EN, to a coupling channel, to a direct channel and to a channel isolated.
  • this proximity coupler provides a coupling coefficient of approximately 11.7 dB. Due to the presence of the msert I, the size of the proximity coupler is reduced by a factor at least equal to 2 (depending in particular on the relative permittivity of the msert used), compared to that of a coupler produced only on a matrix substrate of low permittivity.
  • Another sub-assembly of a microwave circuit according to the invention may consist of a branch coupler such as that shown in FIG. 3.
  • This branch coupler CB having a central frequency of approximately 1.8 GHz for the given dimensions, comprises an insert I integrated in a matrix MA and has under a coupling module MB connected to an input channel, to an isolated channel VI, to a direct channel VD and to a coupling channel VC. Due to the presence of msert I, the branch coupler presented has its ta ⁇ lie reduced by a factor at least equal to 2 (this factor depends on the dielectric permittivity of the msert used), compared to a coupler performed only on a low permittivity matrix.
  • pellet type antenna AP is produced partially on an insert I having dimensions smaller than those of the antenna and being integrated in an MA matrix.
  • the upper surface of the AP antenna is covered with a metallization ME, while metallization MI can be provided on the insert I in the case of buried patterns.
  • the insert I under the pellet type antenna AP has a width of 33 mm and a length of 22 mm.
  • the AP antenna is approximately half the size of an antenna of the same type produced only on the matrix substrate at the same resonant frequency.
  • pellet type antennas including a locally inhomogeneous substrate by insertion into a dielectric substrate of a copper element. It should be noted that it is also possible, within the framework of the present invention, to produce a microwave circuit (FIG. 11) in which the MAH matrix substrate is of high permittivity the IL inserts are substrates of low permittivity placed under ME radiant slits.
  • the manufacturing method according to the invention makes it possible in particular to manufacture on a same substrate a combination AC of a coupler with branches CB and of a pellet type antenna PA connected to this coupler, with reference to FIG. 5.
  • the coupler to branches CB is produced on a first insert of high permittivity, while the antenna PA is produced, either on a second insert which may be of different permittivity from that of the first insert, or directly on the matrix substrate of low permittivity.
  • This method mainly calls for the integration of metallic or dielectric type inserts in a matrix, by assembly techniques by cold and / or hot pressing.
  • the elements and materials involved in this process are: one or more dielectric or metallic inserts, with or without level of metallization, and / or obviously of material,
  • the inserts can be materialized by a punctually released cavity in the matrix substrate. Due to the absence of support material in the recessed area, the overall metallization of the structure can be achieved in this case by means of a metal strip of sufficient thickness to maintain its rigidity, plated on the structure by pressing, screwing, gluing or any other fixing technique. This process can also be applied for non-vacuum inserts.
  • the method according to the invention comprises, with reference to FIG.
  • the manufacturing method according to the invention comprises an initial phase of preparation of the inserts, the matrix and the sealing material.
  • the cavities intended to receive the inserts are produced within the matrix, according to techniques essentially dependent on the material constituting the matrix.
  • the cavities CAa are produced by shaping the matrix MA by means of cold or hot pressing of said matrix and of the inserts I.
  • the cavities Cab are produced by cutting the cavity, for example by laser in the case of a ceramic matrix.
  • the surface of the matrix can for example be prepared by the Corona effect, with the aim of improving the bonding and sealing conditions.
  • the inserts can be metallized beforehand and support one or more patterns or circuits before being integrated into the matrix.
  • metallization can be carried out using the techniques described in French patent No 9314538 in the name of the National Center for Telecommunications Studies (CNET).
  • metallization can be carried out by screen printing or thin layer type deposition.
  • a first step (I) consists in cutting out the matrix MA a DC cavity and to metallize the upper face of said matrix to make a pattern.
  • a second step consists in cutting out the matrix MA a DC cavity and to metallize the upper face of said matrix to make a pattern.
  • an insert I is integrated into the cavity DC and the pattern MM of the matrix MA is covered with a first metallic strip FMI, a second metallic strip FM2 being placed against the underside of the matrix
  • a third step (III) consists in obtaining by pressing and assembling the assembly a locally inhomogeneous substrate SM.
  • the patterns of the microwave circuit are prepared.
  • This preparation includes in particular the preparation of conductive films (chemical treatment of the surface) and the preparation of assembly polymer films
  • the patterns are reproduced on supports, by a photolithographic type process (coating of a photosensitive resin, ultraviolet exposure, revelation, chemical etching).
  • a photolithographic type process coating of a photosensitive resin, ultraviolet exposure, revelation, chemical etching.
  • the various elements of the substrate are then stacked and aligned with respect to positioning patterns.
  • a composite assembly E (FIG. 7A) is pressed by stacking respectively upper and lower metallization layers MES, MEI, respectively upper and lower sealing materials MSS,
  • CA arranged in the matrix MA (I), according to an arrangement illustrated by way of nonlimiting example by FIG. 7A (II).
  • insert then being formed by air. It is also possible that the insert I is placed on a metallization M (foil, copper strip), the matrix material then being air, as illustrated in FIG. 7B.
  • metallization M foil, copper strip
  • a locally inhomogeneous substrate S is obtained having a topology illustrated diagrammatically by FIGS. 8 and 9. If a cross-sectional view of this substrate is carried out, a first example may be encountered (a) of insert II flush with the upper or lower face of the matrix MA, or else a second example (b) of insert 12 flush with both the upper and lower faces of the matrix MA which it passes right through.
  • inserts I of GP shape wholly arbitrary, in particular making it possible to obtain "gradients" of permittivity within a matrix MA of a locally inhomogeneous substrate SG.
  • Such inserts can be produced either by cutting, or by shaping, or by milling or any other suitable technique.
  • Another solution consists in integrating these different dielectric inserts IN11; IN21, IN22 in two different dies MAI, MA2, then to assemble these two dies by pressing, as illustrated in figure 17.
  • the polymetacrylate foam for the matrix or the inserts, the polymetacrylate foam, polystyrene, ceramics such that alumina, epsilam, duroid, ferrites, glass, epoxy and ambient air; for the sealing material, dielectric adhesives, polypropylene or polymer films such as Diclad TM or Cuclad TM.
  • the present invention makes it possible, by the use of dielectric inserts of various characteristics in a given matrix, to jointly solve: - the problems of direct interconnection between sub-assemblies characterized by totally distinct electrical and physical requirements; the problems of obtaining favorable zones, sometimes to strong coupling phenomena (couplers, filters, for example), sometimes to weak coupling phenomena (between circuits or radiating elements to eliminate any interference coupling);
  • the present invention also allows access to low bandwidths, that is to say from weakly coupled zones, the integration of inserts then leading to better control of these couplings, tending to reduce the spacings between the tapes and therefore the losses of dielectric or radiation origin.
  • each of these inserts of low relative permittivity receiving two radiant elements.
  • Each radiating element ER x , ⁇ , ER ⁇ / 2 , ER 2 , ⁇ , ER 2 , 2 being moreover provided with an IH insert of high relative permittivity.
  • Loss reduction problems can be solved by creating an interconnection network on a medium of low relative permittivity, this network consisting for example of relatively wide conductive tapes, which makes it possible to ensure a routing system with low conductive losses.
  • the metallization levels can be produced from paint or metallic lacquer, from conductive metallic strip such as copper strip or foil.

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Abstract

Procédé pour fabriquer un circuit hyperfréquence (1) comprenant plusieurs sous-ensembles hyperfréquences (A, C, F1, F2). Ces sous-ensembles hyperfréquences (A, C, F1, F2) sont réalisés sur un même substrat (S), ce substrat (S) étant rendu localement inhomogène par intégration d'inserts (I) possédant des caractéristiques électriques appropriées dans une matrice (MA), de sorte qu'à chaque sous-ensemble est associée une zone de substrat présentant des caractéristiques diélectriques optimales pour ce sous-ensemble. Le procédé comprend une préparation préalable des inserts (I) et de la matrice (MA), et une intégration de ces inserts (I) dans la matrice (MA) par pressage. Ce procédé permet de résoudre des problèmes d'interconnexion et de couplage entre motifs et sous-ensembles. Utilisation à des fins de miniaturisation, notamment pour des systèmes embarqués et en téléphonie mobile.

Description

" PROCEDE POUR FABRIQUER UN SUBSTRAT LOCALEMENT INHOMOGENE D'UN CIRCUIT HYPERFREQUENCE, SUBSTRATS, CIRCUITS ET INTERCONNEXIONS AINSI REALISES"
La présente invention concerne un procédé pour fabriquer un substrat localement inhomogène d'un circuit hyperfréquence . Elle vise également des substrats, circuits et interconnexions réalisés avec ce procédé. Dans le domaine des hyperfréquences, les marchés aujourd'hui porteurs, tels que les communications mobiles ou les systèmes embarqués, conduisent a une demande forte d'intégration et de miniaturisation des fonctions de base. Jusqu'à présent, la réalisation de circuits hyperfréquences mettait en œuvre une filière de type circuit imprimé avec utilisation d'un seul matériau support, métallisé sur une ou deux faces, commun a l'ensemble des fonctions a intégrer. Or, il s'avère que les sous-ensembles de base à reporter sur ce support, tels que les antennes, les filtres, les coupleurs ou les déphaseurs, ne requièrent pas les mêmes exigences en termes de caractéristiques électriques d'environnement, notamment en termes de permittivite diélectrique. Ainsi, le gain d'une antenne est d'autant plus élevé que la permittivité du substrat sur lequel est déposée cette antenne est faible, alors qu'une démarche de miniaturisation conduit a développer des substrats de forte permittivité . Il en resuite ainsi actuellement une incompatibilité dans l'association d'une antenne et d'un système d'alimentation et de distribution associe (filtre, coupleur, dephaseur) sur un même substrat.
Le but de la présente invention est un procédé pour fabriquer un circuit hyperfréquence comprenant plusieurs sous-ensembles hyperfréquences, ces sous-ensembles hyperfréquences étant réalises sur un même substrat rendu localement inhomogène par intégration d' inserts possédant des caractéristiques électriques appropriées dans une matrice conformable ou déformable.
Suivant l'invention le procédé comprend une intégration d' inserts dans la matrice par pressage. La technique d' intégration utilisée dans la présente invention a pour effet de simultanément créer une zone d'insertion et d'intégrer des inserts de toute forme.
Dans le cas où la matrice est en mousse ou un autre matériau déformable, celle-ci peut être préalablement conformée au moyen des inserts .
La matrice peut être préalablement métallisée et/ou pourvue d'un motif ou d'un circuit avant intégration des inserts. De même, un ou plusieurs inserts peuvent être préalablement métallisés avant d'être intégrés dans la matrice .
Par ailleurs, un ou plusieurs inserts peuvent être préalablement pourvus d'un motif ou circuit avant d'être intégrés dans la matrice. La métallisation peut être réalisée par report d'un feuillard métallique sur la matrice substrat dans laquelle un ou plusieurs inserts ont été préalablement intégrés .
Ainsi, avec le procédé selon l'invention, on peut réaliser des interconnexions non câblées et sans connectique entre des sous-ensembles ayant des exigences très différentes. Ce procédé étend le degré de liberté du concepteur qui peut alors simultanément jouer sur la forme des circuits mais aussi sur les dimensions des inserts, leurs permittivités relatives, leurs épaisseurs ou encore leurs emplacements respectifs au sein de la matrice .
Outre l'interconnexion de sous-ensembles aux caractéristiques électriques très différentes, le procédé selon l'invention permet une intervention sur les modes de fonctionnement des éléments du circuit. En effet, le procédé selon l'invention permet également, par la présence d' inserts au niveau de chaque sous-ensemble d'optimiser localement leurs performances. Ceci contribue notamment à réduire la taille d'une antenne plaquée, les discontinuités rayonnantes étant réalisées sur le matériau matrice de faible permittivité propice au rayonnement, l' insert de plus forte permittivité placé au centre apportant la longueur électrique nécessaire au respect des conditions de phase. Il en résulte des caractéristiques électriques, en termes de bande passante et de gain, proches de celles obtenues sur un substrat conventionnel seul de faible permittivité relative, associées à une diminution significative de la taille de l'élément rayonnant.
Il est également possible de prévoir dans le cadre de la présente invention un substrat matrice de forte permittivité et des inserts sous forme de substrats de faible permittivité placés sous les fentes rayonnantes . II est à noter que l'on connaît déjà par le document US 5471221 un substrat constitué d'un ensemble de bandes diélectriques juxtaposées de permittivités alternativement élevées et faibles, pour établir des régions présentant des fréquences de résonance hautes et basses. Mais cette structure de substrat n'offre pas de solution au problème de 1 ' interconnexion de sous- ensembles de base d'un circuit hyperfréquence .
Suivant un autre aspect de l'invention, il est proposé un substrat pour un circuit hyperfréquence, obtenu par mise en œuvre du procédé selon l'invention, caractérisé en ce qu'il comporte une matrice dans laquelle sont intégrés des inserts ayant des caractéristiques électriques distinctes de celles de la matrice, chaque insert étant associé à un sous-ensemble du circuit requérant un environnement électrique spécifique .
Suivant encore un autre aspect de l'invention, il est proposé un circuit hyperfréquence réalisé à partir d'un substrat selon l'invention, comprenant plusieurs sous-ensembles interconnectés, caractérisé en ce qu'à chaque sous-ensemble requérant un environnement électrique spécifique est associé un insert présentant des caractéristiques électriques optimales pour ce sous- ensemble.
Le procédé de fabrication selon l'invention permet ainsi de réaliser des interconnexions de sous-ensembles présentant des caractéristiques très différentes, sans nécessiter d'opérations particulières de câblage ou de pontage. Ces interconnexions peuvent éventuellement mettre en œuvre des techniques de traversée métallique ou de couplage électromagnétique entre niveaux successifs.
D'autres particularités et avantages de l'invention apparaîtront encore dans la description ci-après . Aux dessins annexés donnés à titre d'exemples non limitatifs:
- la figure 1 illustre un exemple de réalisation d'un circuit hyperfréquence avec le procédé selon 1 ' invention;
- la figure 2 représente schématiquement un coupleur de proximité sur insert pouvant être mis en œuvre dans un circuit hyperfréquence selon l'invention;
- la figure 3 représente schématiquement un coupleur à branches sur insert pouvant être mis en œuvre dans un circuit hyperfréquence selon l'invention; - la figure 4 représente schématiquement une antenne de type pastille réalisée sur un substrat selon 1 ' invention; la figure 5 représente schématiquement une combinaison d'un coupleur à branches et d'une antenne de type pastille à polarisation circulaire, réalisée sur un substrat selon l'invention;
- la figure 6A illustre un mode d'intégration d'un insert dans une matrice par conformation; - la figure 6B illustre un mode d'intégration d'un insert dans une matrice par découpe;
- la figure 7A représente les couches principales d'un substrat selon l'invention; la figure 7B illustre un mode particulier de réalisation dans lequel le matériau matrice est de l'air;
- la figure 8 illustre schématiquement un substrat selon l'invention; la figure 9 représente deux vues en coupe respectivement d'un premier et d'un second substrats selon l'invention; la figure 10 illustre un mode particulier de réalisation d'un insert conçu pour procurer un gradient de permittivité au sein d'un substrat; - la figure 11 représente un exemple de réalisation d'un circuit hyperfréquence comprenant un substrat de forte permittivité relative et des inserts de faible permittivité;
- la figure 12 illustre les étapes principales de réalisation d'un substrat rendu localement inhomogène par évidemment de matière;
- la figure 13 illustre les étapes principales de réalisation d'un substrat localement inhomogène dont la matrice a été préalablement pourvue d'un motif ou circuit; la figure 14 représente un exemple de circuit hyperfréquence mettant en œuvre des rubans métallisés disposés sur une matrice dans laquelle des inserts de différentes permittivités ont été intégrés; la figure 15 représente un exemple de reseau d'antenne fabrique avec le procède selon 1 ' invention; la figure 16 illustre un mode particulier de réalisation d'un substrat localement inhomogène selon l'invention, dans lequel on intègre plusieurs niveaux d' inserts diélectriques dans la matrice; et - la figure 17 illustre un autre mode particulier de réalisation d' un substrat localement inhomogène selon l'invention, dans lequel on intègre différents inserts diélectriques dans deux matrices différentes qui sont ensuite assemblées par pressage. On va maintenant décrire plusieurs exemples de réalisation de substrats localement inhomogènes selon l'invention et de circuits incluant ces substrats, en même temps que le procédé de fabrication permettant d'obtenir ces substrats.
Un circuit hyperfréquence 1 selon l'invention comprend, en référence à la figure 1, un sous-ensemble d'antenne A, un sous-ensemble coupleur C et deux sous- ensembles de filtres FI, F2 réalises sur un substrat S obtenu à partir d'une matrice MA qui peut être en mousse, en polymère ou en céramique et dans laquelle ont été intégrés des inserts I sous chacun des sous-ensembles. Ainsi, l'antenne A met en œuvre des fentes rayonnantes sur un matériau de matrice de faible permittivité avec une réduction de taille par utilisation d'un insert de forte permittivité. Le coupleur C est pourvu d'un insert de forte permittivité pour obtenir un couplage fort avec une réduction simultanée de la taille. Les filtres FI, F2 sont miniaturisés en utilisant des inserts de forte permittivité. La surface inférieure de la matrice MA est pourvue d'une metallisation ME.
Les circuits hyperfréquences selon 1 ' invention peuvent comprendre des coupleurs de proximité tels que celui représenté schématiquement en figure 2. Ce coupleur de proximité CP comprend un insert I intégré dans une matrice MA sous un module de couplage MC relié à une voie d'entrée EN, à une voie de couplage, a une voie directe et à une voie isolée. Pour les dimensions stipulées et les matériaux utilisés, ce coupleur de proximité procure un coefficient de couplage d'environ 11.7 dB . Du fait de la présence de l'msert I, la taille du coupleur de proximité est réduite d'un facteur au moins égal à 2 (en fonction notamment de la permittivité relative de l'msert utilisé), par rapport à celle d'un coupleur réalise uniquement sur un substrat matrice de faible permittivité .
Un autre sous-ensemble d'un circuit hyperfréquence selon l'invention peut consister en un coupleur a branches tel que celui représente en figure 3. Ce coupleur à branches CB, présentant une fréquence centrale d'environ 1.8 GHz pour les dimensions données, comprend un insert I intégré dans une matrice MA et dispose sous un module de couplage MB relié à une voie d'entrée, a une voie isolée VI, à une voie directe VD et a une voie de couplage VC . Du fait de la présence de l'msert I, le coupleur à branches présenté voit sa taα lie réduite d'un facteur au moins égal a 2 (ce facteur dépend de la permittivité diélectrique de l'msert utilise), par rapport à un coupleur réalisé uniquement sur une matrice de faible permittivité.
On peut également prévoir, au sem d'un circuit hyperfréquence selon l'invention, une antenne de type pastille réalisée sur une zone d' insert de forte permittivité, en référence à la figure 4. L'antenne de type pastille AP est réalisée partiellement sur un insert I ayant des dimensions plus petites que celles de l'antenne et étant intègre dans une matrice MA. La surface supérieure de l'antenne AP est recouverte d'une métallisation ME, tandis qu'une métallisation MI peut être prévue sur 1 ' insert I dans le cas de motifs enterrés. A titre d'exemple non limitatif, l'insert I sous l'antenne de type pastille AP a une largeur de 33 mm et une longueur de 22 mm. L'antenne AP est environ deux fois plus petite qu'une antenne du même type réalisée uniquement sur le substrat matrice à la même fréquence de résonance. Il est à noter que l'on connaît déjà par l'article "Improvement of Microstrip Patch Antenna Radiation Patterns" paru dans IEEE Transactions on Antennas and Propagation, Vol.42, No.6, Juin 1994, des antennes de type pastille comprenant un substrat localement inhomogène par insertion dans un substrat diélectrique d'un élément en cuivre. II est à noter qu'il est également possible, dans le cadre de la présente invention, de réaliser un circuit hyperfréquence (figure 11) dans lequel le substrat matrice MAH est de forte permittivité les inserts IL sont des substrats de faible permittivité placés sous des fentes rayonnantes ME.
Le procédé de fabrication selon 1 ' invention permet notamment de fabriquer sur un même substrat une combinaison AC d'un coupleur à branches CB et d'une antenne de type pastille PA reliée à ce coupleur, en référence à la figure 5. Le coupleur à branches CB est réalisé sur un premier insert de forte permittivité, tandis que l'antenne PA est réalisée, soit sur un second insert qui peut être de permittivité différente de celle du premier insert, soit directement sur le substrat matrice de faible permittivité.
On va maintenant décrire plusieurs exemples de mise en œuvre du procédé de fabrication selon l'invention, en référence aux figures 6A à 9. Ce procédé fait principalement appel à une intégration d' inserts de type métallique ou diélectrique dans une matrice, par des techniques d'assemblage par pressage à froid et/ou à chaud. Les éléments et matériaux intervenant dans ce procédé sont : un ou plusieurs inserts diélectriques ou métalliques, avec ou sans niveau de métallisation, et/ou par évidemment de matière,
- un matériau dans lequel sont intégrés les inserts, constituant une matrice, avec ou sans niveau de métallisation, - un matériau qui permet le maintien des inserts dans la matrice, avec ou sans niveau de métallisation.
Il est à noter que les inserts peuvent être matérialisés par une cavité ponctuellement dégagée dans le substrat matrice. Du fait de l'absence de matériau support dans la zone évidée, la métallisation globale de la structure peut être réalisée dans ce cas par l'intermédiaire d'un feuillard métallique d'une épaisseur suffisante pour conserver sa rigidité, plaqué sur la structure par pressage, vissage, collage ou toute autre technique de fixation. Ce procédé peut aussi être appliqué pour des inserts qui ne sont pas du vide. Dans ce mode particulier de réalisation, le procédé selon l'invention comprend, en référence à la figure 12, une première étape (I) de fraisage ou de perçage de la matrice MA pour y réaliser des inserts de type air IA, une seconde étape (II) de préparation de la métallisation ME à partir d'un feuillard métallique, puis une troisième étape (III) de dépôt de la métallisation ME sur la matrice et fixation de cette métallisation par collage, pressage, vissage ou toute autre technique de fixation appropriée dans ce domaine.
Le procédé de fabrication selon l'invention comprend une phase initiale de préparation des inserts, de la matrice et du matériau de scellement. Dans une première étape, on réalise au sein de la matrice les cavités destinées à recevoir les inserts, selon des techniques dépendant essentiellement du matériau constituant la matrice. Dans le cas d'une matrice en mousse MA (figure 6A) , les cavités CAa sont réalisées par conformation de la matrice MA au moyen d'un pressage à froid ou à chaud de ladite matrice et des inserts I.
Dans le cas d'une matrice en matériau dur (figure 6B) , les cavités Cab sont réalisées par découpe de la cavité, par exemple par laser dans le cas d'une matrice en céramique. Dans le cas d'une matrice en polymère, la surface de la matrice peut être par exemple préparée par effet Corona, dans le but d'améliorer les conditions d'accrochage et de scellement.
Il est à noter que les inserts peuvent être métallisés au préalable et supporter un ou plusieurs motifs ou circuits avant d'être intégrés dans la matrice.
L'accès à ces motifs ou circuits enterrés se fait alors soit par connexion directe (trous métallisés), soit par couplage électromagnétique.
Dans le cas d'un insert en mousse, la métallisation peut être effectuée en mettant en œuvre des techniques décrites dans le brevet français No 9314538 au nom du Centre National d'Etudes en Télécommunications (CNET) .
Pour un insert en céramique, la métallisation peut être effectuée par sérigraphie ou dépôt de type couche mince.
On peut aussi prévoir un substrat pré-métallisé double face . La matrice peut elle même être pourvue préalablement d'un motif ou circuit avant que 1 ' insert soit intégré dans la matrice, comme le représente la figure 13. Dans cette forme particulière de réalisation, une première étape (I) consiste à découper dans la matrice MA une cavité DC et à métalliser la face supérieure de ladite matrice pour réaliser un motif. Dans une seconde étape
(II), on intègre un insert I dans la cavité DC et on recouvre le motif MM de la matrice MA avec un premier feuillard métallique FMI, un second feuillard métallique FM2 étant placé contre la face inférieure de la matrice
MA. Une troisième étape ( III ) consiste à obtenir par pressage et assemblage de l'ensemble un substrat SM localement inhomogène.
Parallèlement à la préparation des inserts et de la matrice, on prépare les motifs du circuit hyperfréquence .
Cette préparation inclut notamment la préparation des films conducteurs (traitement chimique de la surface) et la préparation des films polymères d'assemblage
(traitement de la surface par effet Corona) . A l'issue de la préparation des inserts et de la matrice, les motifs sont reproduits sur des supports, par procédé de type photolithographique (enduction d'une résine photosensible, insolation ultraviolet, révélation, gravure chimique) . On réalise ensuite l'empilement des différents éléments du substrat et leur alignement par rapport à des mires de positionnement.
Dans une seconde étape, on effectue un pressage d'un ensemble composite E (figure 7A) constitué par l'empilement de couches de métallisation respectivement supérieure et inférieure MES, MEI, de matériaux de scellement respectivement supérieur et inférieur MSS,
MSI, d' inserts I préalablement intégrés dans les cavités
CA aménagées dans la matrice MA (I), selon un agencement illustré à titre d'exemple non limitatif par la figure 7A (II) .
On peut également envisager de visser directement, par exemple, un feuillard métallique sur le support,
1 ' insert étant alors constitué par de l'air. On peut également prévoir que l' insert I soit disposé sur une métallisation M (clinquant, feuillard de cuivre) , le matériau matrice étant alors de l'air, comme l'illustre la figure 7B.
A l'issue du pressage, on obtient un substrat S localement inhomogène présentant une topologie illustrée schématiquement par les figures 8 et 9. Si l'on effectue une vue en coupe de ce substrat, on peut rencontrer un premier exemple (a) d' insert II affleurant la face supérieure ou inférieure de la matrice MA, ou encore un second exemple (b) d' insert 12 affleurant à la fois les faces supérieure et inférieure de la matrice MA qu'il traverse de part en part.
On peut aussi envisager, en référence à la figure 10, des inserts I de forme GP tout à fait quelconque, en particulier permettant d'obtenir des "gradients" de permittivité au sein d'une matrice MA d'un substrat localement inhomogène SG. De tels inserts peuvent être réalisés soit par découpe, soit par conformation, soit par fraisage ou toute autre technique appropriée.
Il est aussi possible d' intégrer dans la matrice MA plusieurs niveaux d' inserts diélectriques INI, IN2 métallisés ou non, de taille et de formes différentes, par pressage, comme l'illustre la figure 16.
Une autre solution consiste à intégrer ces différents inserts diélectriques IN11; IN21, IN22 dans deux matrices différentes MAI, MA2, puis à assembler ces deux matrices par pressage, comme l'illustre la figure 17.
A l'issue du pressage, on peut prévoir des étapes d' enduction de résine photosensible, d'insolation, de révélation, de gravure et de découpe. Les circuits et substrats qui viennent d'être présentés peuvent être réalisés à partir des matériaux suivants, donnés à titre d'exemples non limitatifs:
- pour la matrice ou les inserts, la mousse d'i ide polymétacrylate, le polystyrène, les céramiques telles que l'alumine, l'epsilam, le duroid, les ferrites, le verre, 1 ' époxy et l'air ambiant; pour le matériau de scellement, les colles diélectriques, le polypropylène ou des films polymères tels que le Diclad™ ou le Cuclad™.
Ainsi, la présente invention permet, par l'utilisation d'inserts diélectriques de caractéristiques variées dans une matrice donnée, de résoudre de façon conjointe : - les problèmes d'interconnexion directe entre sous- ensembles caractérisés par des exigences électriques et physiques totalement distinctes; les problèmes d'obtention de zones favorables tantôt à des phénomènes de couplage fort (coupleurs, filtres, par exemple), tantôt à des phénomènes de couplage faible (entre circuits ou éléments rayonnants pour éliminer tout couplage parasité) ;
- les problèmes de fonctionnement en large bande de certains sous-ensembles tels que les antennes, par utilisation de zones de rayonnement idéales, ou les filtres, par obtention, après positionnement d'un insert de forte permittivité relative, de régions favorables aux couplages forts. A l'opposé, pour des applications de type filtre, la présente invention permet également d'accéder à des bandes passantes faibles, c'est à dire à partir de zones faiblement couplées, l'intégration d'inserts conduisant alors à mieux contrôler ces couplages, en tendant à réduire les espacements entre les rubans et donc les pertes d'origine diélectrique ou par rayonnement. Dans ce type d'application, on peut utiliser, au sein d'un support MA sur lequel sont déposés des rubans conducteurs RM, d'une part, des inserts IH de forte permittivité relative pour réaliser un couplage fort, et d'autre part, des inserts IL de faible permittivité relative pour réaliser un couplage faible, en référence à la figure 14.
On peut aussi envisager, toujours dans le cadre de la présente invention, de réaliser des réseaux d'antennes SR, comme l'illustre par exemple la figure 15. Par le positionnement d'inserts au niveau de chaque élément rayonnant ERι,ι, ERι,2, ER2 i, ER2,2, on observe une réduction notable de la taille de ces éléments et par la même occasion, une flexibilité plus grande dans 1 ' agencement et la mise en réseau de ces antennes pour contrôler le gain et le diagramme de rayonnement . En effet, on peut envisager, du fait de la taille réduite des antennes, d'effectuer une mise en réseau avec un écartement entre centres rayonnants qui soit proche de la demi-longueur d'onde et non plus d'un multiple comme cela est généralement entrepris pour éviter tout risque de couplage parasite ou simplement pour des problèmes de contraintes dimensionnelles . Dans l'exemple de réalisation illustré par la figure 15, on a intégré dans le matériau matrice MA deux inserts IL de faible permittivité relative pour éviter des couplages parasites et améliorer les performances électriques des antennes, chacun de ces inserts de faible permittivité relative recevant deux éléments rayonnants. Chaque élément rayonnant ERx,ι, ERχ/2, ER2,ι, ER2,2 étant par ailleurs pourvu d'un insert IH de forte permittivité relative.
Les problèmes de réduction des pertes peuvent être résolus en réalisant un réseau d'interconnexion sur un support de faible permittivité relative, ce réseau étant constitué par exemple de rubans conducteurs relativement larges, ce qui permet de s'assurer d'un système de routage à faibles pertes conductrices.
Bien sûr, l'invention n'est pas limitée aux exemples qui viennent d'être décrits et de nombreux aménagements peuvent être apportés à ces exemples sans sortir du cadre de l'invention. En particulier, les niveaux de métallisation peuvent être réalisés à partir de peinture ou de laque métallique, de feuillard métallique conducteur tel que du feuillard de cuivre ou du clinquant.

Claims

REVENDICATIONS
1. Procédé pour fabriquer un circuit hyperfréquence (1) comprenant plusieurs sous-ensembles hyperfréquences (A, C, FI, F2 ) , ces sous-ensembles hyperfréquences étant réalisés sur un même substrat (S) rendu localement inhomogène par intégration d'inserts (I) possédant des caractéristiques électriques appropriées dans une matrice déformable (MA), caractérisé en ce qu'il comprend une intégration d'inserts (I) de taille et de forme différentes dans la matrice (MA) par pressage.
2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la matrice (MA) est en mousse.
3. Procédé selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que la matrice (MA) est préalablement conformée au moyen des inserts (I) .
4. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la matrice (MA) est préalablement métallisée et/ou pourvue d'un motif ou d'un circuit avant intégration des inserts (I) .
5. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'un ou plusieurs inserts (I) sont préalablement métallisés avant d'être intégrés dans la matrice (MA) .
6. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'un ou plusieurs inserts (I) sont préalablement pourvus d'un motif ou circuit avant d'être intégrés dans la matrice (MA).
7. Procédé selon l'une quelconque des revendications 4 à 6, caractérisé en ce que la métallisation est réalisée par report d'un feuillard métallique sur la matrice substrat dans laquelle un ou plusieurs inserts ont été préalablement intégrés.
8. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'on intègre dans la matrice (MA) plusieurs niveaux d'inserts diélectriques
(INI, IN2 ) métallisés ou non, de taille et de forme différentes, par pressage.
9. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'on intègre plusieurs niveaux d'inserts diélectriques (IN11; IN21, IN22) métallisés ou non, de taille et de forme différentes dans deux matrices différentes (MAI, MA2 ) , et en ce qu'on assemble ces deux matrices (MAI, MA2 ) par pressage.
10. Substrat (S) pour un circuit hyperfréquence (1), obtenu par mise en œuvre du procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, comportant une matrice (MA) dans laquelle des inserts (I) ayant des caractéristiques électriques distinctes de celles de la matrice (MA) sont intégrés par pressage, chaque insert
(I) étant associé à un sous-ensemble (A, C, FI, F2 ) du circuit (1) requérant un environnement électrique spécifique .
11. Substrat (SI) selon la revendication 10, caractérisé en ce qu'il comprend au moins un insert (II) affleurant la face supérieure ou inférieure de la matrice (MA) .
12. Substrat (S2) selon l'une des revendications 10 ou 11, caractérisé en ce qu'il comprend au moins un insert (12) affleurant à la fois la face supérieure et la face inférieure de la matrice (MA) .
13. Substrat selon l'une quelconque des revendications 10 à 12, caractérisé en ce qu'il comprend dans sa matrice (MA) plusieurs niveaux d'inserts diélectriques (INI, IN2) métallisés ou non, de taille et de forme différentes.
14. Substrat selon l'une quelconque des revendications 10 à 13, caractérisé en ce qu'il comprend deux matrices
(MAI, MA2 ) assemblées par pressage, dans chacune desquelles différents inserts diélectriques (INll; IN21,
IN22) métallisés ou non, de taille et de forme différentes, sont intégrés.
15. Circuit hyperfréquence (1) réalisé à partir d'un substrat selon l'une des revendications 10 à 14, comprenant plusieurs sous-ensembles interconnectés (A, C, FI, F2), caractérisé en ce qu'à chaque sous-ensemble requérant un environnement électrique spécifique est associé un insert (I) présentant des caractéristiques électriques optimales pour ce sous-ensemble.
16. Interconnexion de plusieurs sous-ensembles hyperfréquences, réalisée sur une matrice substrat par mise en œuvre du procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 9.
17. Interconnexion selon la revendication 16, caractérisée en ce qu'elle comprend une mise en œuvre de techniques de traversées métalliques .
18. Interconnexion selon l'une des revendications 16 ou 17, caractérisée en ce qu'elle comprend en outre une mise en œuvre de techniques de couplage électromagnétique.
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