Brevet FR2928066A1 — publié le 20090828

La présente invention concerne un système d'interconnexion d'un premier substrat comportant au moins une première ligne de transmission avec un second substrat comportant au moins une seconde ligne de transmission, l'orientation du premier substrat par rapport au second substrat 5 étant arbitraire. L'invention concerne de manière plus particulière un système d'interconnexion dans lequel les lignes de transmission sont des lignes imprimées, le système d'interconnexion incluant de plus une fonction de filtrage. 10 II existe une forte demande pour diminuer l'encombrement des systèmes actuels tout en utilisant des procédés de fabrication les moins chers possibles. La présente invention propose donc un nouveau système d'interconnexion d'un premier substrat comportant au moins une première ligne de transmission avec un second substrat comportant au moins une 15 seconde ligne de transmission réalisée par simple contact mécanique sans nécessité aucune soudure ou autre moyen d'interconnexion, une fois l'assemblage effectué. La présente invention concerne aussi l'intégration au niveau de la transition entre les deux lignes de transmission d'une fonction de filtrage 20 destinée à supprimer les fréquences parasites émises ou reçues sans dégradation des performances dans les bandes de fréquence utiles et sans impacter les dimensions physiques de la transition. La présente invention permet donc non seulement de transférer l'énergie d'un premier substrat vers un second substrat mais également de gagner en encombrement et aussi en 25 coût global pour le système. La présente invention peut s'appliquer notamment dans le cadre de l'interconnexion d'un substrat comportant des antennes imprimées avec un second substrat sur lequel sont réalisées d'autres fonctions électroniques, comme décrit, par exemple, dans la demande de brevet français n° 06 55246 30 au nom de la demanderesse. Ainsi, la présente invention concerne un système d'interconnexion d'un premier substrat comportant au moins une première ligne de 2928066 transmission avec un second substrat comportant au moins une seconde ligne de transmission, l'orientation du premier substrat par rapport au second substrat étant arbitraire, caractérisée en ce que le premier substrat comporte au moins un trou métallisé à une extrémité de ladite première ligne de 5 transmission et en ce que le second substrat comporte une excroissance prolongeant ladite seconde ligne de transmission, ladite excroissance s'emboîtant dans le trou métallisé. De préférence, le trou réalisé sur le premier substrat est entouré, sur les deux faces dudit substrat, par une épargne non métallisée, et une zone démétallisée se trouve sur la face 10 arrière du second substrat. L'épargne entre le trou métallisé et un plan de masse du premier substrat associée à la partie de ligne de transmission traversant l'épargne, ainsi que la partie de la ligne de transmission traversant l'épargne faite sur le second substrat forment un élément filtrant. Cet élément filtrant présente une réponse de type passe-bas pseudo-elliptique avec un 15 zéro de transmission, tel que la valeur de l'élément résonant est fonction de la dimension de l'épargne faite sur le premier substrat entre le trou métallisé et le plan de masse, la valeur d'un premier élément inductif est fonction de la longueur de la ligne de transmission au dessus de cette épargne, et la valeur d'un deuxième élément inductif est fonction de la longueur de la ligne de 20 transmission au dessus de l'épargne faite sur le second substrat Selon une autre caractéristique de la présente invention, la ligne de transmission du premier substrat se prolonge au-delà du trou métallisé par un élément de ligne. Cet élément de ligne ramène une réactance au niveau de la transition permettant de contrôler la fréquence de résonance du 25 filtre. Selon un mode de réalisation préférentiel, la partie de l'excroissance du second substrat est non-métallisée sur la face opposée à la face recevant la seconde ligne d'alimentation. De préférence, les première et seconde lignes d'alimentation sont des lignes microruban, des lignes 30 coplanaires ou des lignes tri-plaques, et les premier et second substrats sont des substrats monocouche ou multicouches. Selon un mode de réalisation 2928066 préférentiel, le premier et le second substrats sont positionnés l'un par rapport à l'autre de manière à former un angle de 90°. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront à la lecture de la description de différents modes de réalisation, 5 cette description étant faite avec référence aux figures ci-annexées dans lesquelles : Figure 1 est une vue en plan de dessus d'un premier substrat conforme à la présente invention. Figure 2 est une vue en plan de dessous du substrat de figure 1. 10 Figure 3 est une vue en perspective de face d'un second substrat conforme à la présente invention. Figure 4 est une vue en perspective côté arrière du second substrat représenté à la figure 3. Figure 5 et 6 sont des vues en perspective du système lorsque les 15 deux substrats sont interconnectés conformément à la présente invention. Figure 7 est une vue agrandie en plan de dessus représentant la transition filtrante associée au système d'interconnexion conforme à la présente invention. Figure 8 est un schéma électrique de la transition filtrante de 20 figure 7. Figure 9 représente les courbes de transmission de la transition filtrante en fonction de la distance C de l'élément capacitif. Figure 10 représente différentes courbes de transmission de la transition filtrante pour différentes valeurs de la distance L, à savoir de 25 l'élément inductif. Figure 11 représente une vue du premier substrat avec une modification de la transition filtrante. Figure 12 donne les courbes S21 de la transition filtrante en fonction de la fréquence. 30 On décrira tout d'abord, avec référence aux figures 1 à 6, un premier mode de réalisation d'un système d'interconnexion conforme à la présente invention. Sur les figures 1 et 2, on a représenté un premier 2928066 substrat 1 formé d'un substrat multicouches 1a, 1b, 1c. Il est évident pour l'homme de l'art que l'invention peut aussi s'appliquer à un substrat monocouche. La face supérieure du substrat comporte une couche métallique 2. 5 Conformément à la présente invention, une ligne d'alimentation 3, plus particulièrement une ligne microruban, a été réalisée sur la face supérieure du substrat 1 par gravure dudit substrat. Cette ligne de transmission débouche dans un trou 4 métallisé. Ce trou 4 est entouré par une épargne 5 réalisée par démétallisation de la couche métallique 2. 10 Sur l'autre face du substrat 1, à savoir la face inférieure dans le mode de réalisation représenté, une couche 6 forme le plan de masse. Cette couche 6 a été démétallisée en 7 autour du trou 4. Ce plan de masse est relié au plan de masse supérieur 2 à l'aide de trous métallisés (non représentés ici) placés de long de la ligne de transmission 3 et autour de 15 l'épargne de masse 5. Les deux zones démétallisées 5 et 7 autour du trou métallisé 4 permettent d'isoler la ligne microruban et le trou métallisé du reste du circuit et, notamment, du plan de masse. D'autre part, l'épargne supérieure permet d'éviter un court-circuit et sera utilisée pour réaliser une transition filtrante comme expliqué ci-après. 20 Comme représenté sur les figures 3 et 4, un second substrat 10, multicouches ou monocouche, est muni, sur sa face supérieure 10a, d'une ligne métallisée 11. Le substrat comporte aussi une excroissance 12 sur laquelle est réalisée ladite ligne 11. Pour éviter un court-circuit, l'autre face 10b du substrat 10 comportant un plan de masse est démétallisée au niveau 25 de l'excroissance 12 et sur sa partie supérieure de manière à former une épargne 13. L'excroissance 12 a une forme lui permettant de s'insérer dans le trou métallisé 4, comme représenté sur les figures 5 et 6. Comme représenté sur les figures 5 et 6, les deux substrats 1 et 2 sont interconnectés perpendiculairement l'un par rapport à l'autre. Il est évident 30 pour l'homme de l'art, qu'une orientation autre qu'une orientation à 90° entre les deux substrats peut aussi être envisagée sans sortir du cadre de 2928066 l'invention. Comme représenté clairement sur la figure 6, les deux épargnes 13 et 5 permettent d'éviter des courts-circuits. Ainsi, comme représenté sur les figures 5 et 6, une simple interconnexion mécanique est réalisée entre les deux lignes d'alimentation 3 5 et 11 portées respectivement par le substrat 1 et le substrat 2. Cet assemblage ne nécessite aucune soudure ou intervention autre qu'un simple emboîtage d'un substrat dans l'autre. D'autre part, les propriétés mécaniques de cette interconnexion permettent d'assurer le transfert de l'énergie d'un substrat à l'autre par simple contact sans avoir recours à un quelconque 10 procédé de soudure ou autre. De plus, comme expliqué ci-après, la géométrie de la transition ainsi réalisée permet de réaliser en même temps une fonction de filtrage. Cette fonction de filtrage sera expliquée de manière plus détaillée avec référence aux figures 7 à 10. 15 Comme représenté sur la figure 7 qui est une vue agrandie de la figure 1, la fonction de filtrage est constituée d'un élément capacitif Cr formé entre le trou métallisé 4 et la partie supérieure métallique 2 du substrat entourant l'épargne 5. La valeur de l'élément capacitif dépend de la distance C entre le trou 4 et la partie 2, comme cela sera expliqué plus en détail avec 20 référence aux courbes de la figure 9. Le trou de masse constitue aussi une boucle inductive de valeur Lr. D'autre part, la ligne d'alimentation au-dessus de l'épargne 5 forme un élément inductif Ls1 dont la valeur est fonction de la dimension L1 au-dessus de l'épargne, comme cela sera expliqué avec référence à la figure 10. La ligne de transmission au dessus de l'épargne 13 25 forme également un élément inductif Ls2 dont la valeur dépend de la longueur L2 de l'épargne de masse faite sur le plan arrière de la ligne. L'ensemble de la transition forme un réseau filtrant, comme représenté par le schéma électrique de la figure 8. Le filtre comporte deux selfs série Ls1 et Ls2 reliées entre le port d'entrée P1 et le port de sortie P2, et un élément 30 résonant Lr/Cr série monté entre le point de jonction des selfs et la masse m. Le filtre ainsi représenté est un filtre passe-bas d'ordre 3 avec un zéro de transmission. 2928066 6 Comme représenté plus clairement sur les figures 9 et 10, en modifiant les valeurs de C ou en modifiant les valeurs de L1, il est possible de déplacer la fréquence de coupure du filtre. Ainsi la figure 9 représente différentes fréquences de coupure pour des valeurs de C respectivement de 5 0.6 mm, 1 mm, 1.6 mm, 2.6 mm, la valeur de L étant constante et égale à 1.9mm tandis que la figure 10 représente la fréquence de coupure de la transition filtrante pour des valeurs de L respectivement de 0.6 mm, 1.6 mm, 2.6 mm avec une valeur de C constante égale à 1.9mm. Il est connu de l'homme de l'art qu'il est aussi possible de faire varier la fréquence de 10 coupure en modifiant la valeur de la longueur L2, c'est-à-dire la valeur de l'inductance équivalente Ls2 du réseau filtrant. De même, en modifiant les dimensions du trou métallisé 4, c'est-à-dire la valeur de l'inductance équivalente Lr, on peut modifier la fréquence du zéro de transmission. 15 Pour mettre en évidence les performances du système d'interconnexion de la présente invention, une structure fonctionnant dans les bandes des applications de communications sans fils WLAN (pour Wireless Local Area Networks en langue anglaise) répondant en particulier aux standards IEEE de 802.11 a/b/g/n et dont les bandes de fréquences de 20 fonctionnement sont autour de 2.4 GHz et 5.5 GHz, a été simulée en utilisant le simulateur HFSS de ANSOFT Le substrat horizontal 1 est un substrat de type FR4 constitué de quatre couches métalliques espacées chacune de 0.26 mm et supporte un trou métallisé 4 oblong de longueur 3.4 mm et de largeur 1.5 mm. 25 L'épaisseur totale du substrat horizontal est de 0.78 mm. Il est représenté sur la figure 1. Le substrat vertical tel que représenté sur les figures 3 et 4 est constitué d'un substrat plastique de type Pocan appartenant à la famille des polybuthylène téréphtalate (PBT) de permittivité 3.4 et de tangente de perte égale à 0.01. L'épargne horizontale est de même forme et présente 30 une longueur 6.3 mm pour une largeur 3.8 mm. L'excroissance 12 est de forme parallélépipédique de hauteur 1.6 mm, de profondeur 1.5 mm et de largeur 1.9 mm. L'épargne arrière 13 est rectangulaire et présente une 2928066 hauteur L2 de 2.5 mm pour une largeur de 5.9 mm. Les résultats de cette transition filtrante sont représentés sur la figure 12 qui donne les courbes S21 de la transition filtrante. Dans le cas décrit ci-dessus, les pertes propres à la transition sont inférieures à 0.1 dB dans la bande passante. Les niveaux 5 de transmission relevés sur des courbes sont de l'ordre de -0.9 dB à 6 GHz et sont dus aux pertes diélectriques dans les matériaux. Comme représenté sur la figure 11, il est possible de rajouter des éléments de type inductif ou capacitif à la transition filtrante. Ainsi, sur la figure 11, un élément de ligne 8 prolonge la ligne 3 au-delà du trou 4. Cet 10 élément de ligne 8 gravé dans la face 2 du substrat 1 présente une longueur qui permet de contrôler la fréquence de résonance du filtre qui se situe par exemple à 6.7 GHz pour un élément de longueur 3 mm et une atténuation du signal transmis de plus de 15 dB dans une bande de 1.3 GHz autour de cette fréquence, est généré. Cet élément de ligne ajouté est un paramètre de 15 contrôle du filtre tout en garantissant le fonctionnement de la transition, comme représenté en figure 12. 2928066 8 REVENDICATIONS 1 - Système d'interconnexion d'un premier substrat (1) comportant au moins une première ligne (3) de transmission avec un second 5 substrat (10) comportant au moins une seconde ligne (11) de transmission, l'orientation du premier substrat par rapport au second substrat étant arbitraire, caractérisé en ce que le premier substrat (1) comporte au moins un trou (4) métallisé à une extrémité de ladite première ligne et en ce que le second substrat (10) comporte une excroissance (12) prolongeant ladite 10 seconde ligne et une épargne de masse, ladite excroissance s'emboîtant dans le trou métallisé. 2 - Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que le trou est entouré, sur les deux faces du substrat, par une épargne (5, 7) non 15 métallisée. 3 - Système selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'épargne formée entre le trou métallisé et un plan de masse du premier substrat, associée à la partie de ligne de transmission traversant l'épargne 20 ainsi que la ligne de transmission se trouvant sur le second substrat et son épargne de masse en regard, forme un élément filtrant. 4 - Système selon la revendication 3, caractérisé en ce que le réseau de l'élément filtrant est constitué de 2 éléments selfiques série et un 25 élément résonant parallèle, présentant une réponse de type passe-bas avec un zéro de transmission. 5 - Système selon la revendication 4, caractérisé en ce que la valeur de l'élément résonant est fonction de la dimension de l'épargne entre 30 le trou métallisé et le plan de masse du premier substrat. 2928066 9 6 - Système selon la revendication 4, caractérisé en ce que la valeur de l'élément inductif du premier substrat est fonction de la longueur de la ligne de transmission au dessus de l'épargne. 5 7 - Système selon la revendication 4, caractérisé en ce que la valeur de l'élément inductif du deuxième substrat est fonction de la longueur de la ligne de transmission au dessus de l'épargne. 8 -Système selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, 10 caractérisé en ce que la ligne de transmission du premier substrat se prolonge au-delà du trou métallisé par un élément de ligne. 9 - Système selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que la partie de l'excroissance du second substrat est non 15 métallisée sur la face opposée à la face recevant la seconde ligne d'alimentation. 10 - Système selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que les première et seconde lignes d'alimentation sont des 20 lignes microruban, des lignes coplanaires, des lignes tri-plaques. 11 - Système selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que les premier et second substrats sont des substrats monocouche ou multicouches. 25