Brevet FR2990591A1 — publié le 20131115

. Domaine technique La présente invention concerne de manière générale les cartes de circuit imprimé utilisées dans les systèmes sans fil. Elle concerne plus particulièrement un procédé de réalisation d'une ligne-fente sur un substrat multicouche ainsi qu'un circuit imprimé multicouche comportant au moins une ligne-fente réalisée selon ledit procédé, cette ligne-fente pouvant être utilisée notamment comme fente isolante ou comme antenne-fente. 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 MIMO 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 imprimées 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 des antennes ainsi que la longueur des éléments d'isolation sont fonction de la longueur d'onde. Ainsi, lorsque l'on utilise une fente en court-circuit pour réduire le couplage mutuel entre deux antennes de type PIFA, la longueur d'onde de la fente qui doit être sensiblement égale à Xg/4 où X,g est la longueur d'onde guidée à la fréquence de fonctionnement, donne une longueur physique d'environ 23 mm pour un fonctionnement en WiFi dans la bande de fréquences des 2.4 GHz. Cette longueur n'est pas négligeable par rapport aux contraintes de coût et de taille que l'on a sur les cartes de circuit imprimé utilisées en production de masse. Or, les cartes de circuit imprimé sont le plus souvent formées par des substrats ayant une structure multicouche. Résumé de l'invention La présente invention propose donc d'utiliser la structure multicouche des cartes de circuit imprimé pour réaliser des lignes-fentes en court-circuit pouvant être utilisées soit comme ligne d'isolation ou comme antenne-fente tout en limitant la taille de la carte de circuit imprimé. Ainsi la présente invention concerne un procédé de réalisation d'une ligne-fente en court-circuit sur un substrat multicouche comprenant au moins une première couche conductrice, une couche diélectrique et une seconde couche conductrice, le procédé comportant les étapes suivantes : - gravure dans la première couche conductrice d'une ligne-fente ayant une longueur électrique L, - gravure dans la première couche conductrice, autour de la ligne- 113 fente, d'une première portion d'une première bande ayant une longueur électrique Li L, - gravure dans la première couche conductrice, autour de la ligne-fente, d'une seconde portion de ladite première bande, ayant une longueur électrique L2 L, 15 - gravure dans la seconde couche conductrice, d'une seconde bande en forme de boucle ayant une longueur électrique L3, - une extrémité de la seconde bande étant reliée à la première partie de la première bande et l'autre extrémité de la seconde bande étant reliée à la seconde partie de la première bande de manière à former une boucle zo conductrice. Selon une autre caractéristique de la présente invention, les longueurs électriques Li et L2 de la première et de la seconde portion de la première bande, sont identiques. 25 Selon une autre caractéristique de la présente invention, la longueur électrique L3 est sensiblement égale à la somme des longueurs électriques Li et L2. Selon un mode de réalisation particulier, la ligne-fente est une ligne de longueur électrique L De préférence, la longueur électrique totale de la première et de la seconde bande est sensiblement égale à 1800 . La présente invention concerne aussi un circuit imprimé multicouche caractérisé en ce qu'il comporte au moins une ligne-fente réalisée telle que décrit ci-dessus. Selon un mode de réalisation, la ligne-fente est une fente isolante. Selon un autre mode de réalisation, la ligne-fente est une antenne-fente. Dans ce cas, pour améliorer le fonctionnement de l'antenne-fente, les fentes déterminant la première et la seconde portions de la première bande se prolongent par une fente en circuit ouvert. 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 : les figures 1A et 1B représentent respectivement la première étape de réalisation d'une fente isolante selon le procédé de réalisation de la présente invention ainsi qu'une courbe donnant la phase en réflexion ramenée à l'entrée en fonction de la fréquence pour ladite fente, la figure 2A représente la seconde étape de réalisation d'une fente isolante selon le procédé de la présente invention et la figure 2B représente une courbe donnant la phase en réflexion ramenée à l'entrée en fonction de la fréquence de la fente isolante de la figure 2A. les figures 3A et 3B représentent respectivement une vue de dessus de la fente isolante et de la première bande conductrice et une vue de dessus de la fente isolante réalisée selon le procédé de la présente invention, la figure 4 représente une vue en perspective d'une fente isolante réalisée selon le procédé de la présente invention, la figure 5 est une courbe donnant la phase en réflexion ramenée à l'entrée en fonction de la fréquence, obtenue en simulant une fente isolante telle que représentée à la figure 4, la figure 6 est une vue en plan de dessus schématique d'une carte de circuit imprimé munie d'une fente isolante selon l'art antérieur, la figure 7 est une vue en plan de dessus schématique respectivement d'une carte de circuit imprimé et de la partie antenne agrandie avec une fente isolante réalisée selon le procédé de la présente invention, les figures 8A et 8B représentent respectivement les courbes d'isolation et d'adaptation en fonction de la fréquence, obtenues par simulation d'une fente isolante selon l'art antérieur figure 6 ou d'une fente isolante conformément à la présente invention figure 7, la figure 9 donne les courbes d'isolation entre les deux antennes dans le cas de la fente isolante de la figure 6 et de la fente isolante de la figure 7, la figure 10 est une vue en perspective schématique d'une antenne-fente réalisée selon le procédé de la présente invention, et les figures 11, 12 et 13 sont des courbes donnant respectivement, en fonction de la fréquence, l'adaptation, le rendement et le gain en dB de l'antenne représentée à la figure 10. Description détaillée de différents modes de réalisation On décrira tout d'abord avec référence aux figures 1 à 5, la réalisation 20 d'une fente isolante sur une carte de circuit imprimé multicouche conformément au procédé de la présente invention. Dans ce cas, le circuit imprimé est réalisé en utilisant un substrat connu sous la dénomination FR4 qui présente une épaisseur de 1 mm. Comme représenté sur la figure 1A, en bordure du substrat 1 a été 25 gravée une ligne-fente en court-circuit 2 comportant un point d'excitation 3. Conformément à la présente invention, la ligne-fente 2 présente une longueur électrique inférieure à 90°, de préférence une longueur électrique choisie pour être de 45°. Dans ce mode de réalisation particulier, la longueur de la ligne-fente est divisée par deux en pliant la fente sur elle-même, 30 comme expliqué de manière plus détaillée ci-après. Toutefois, d'autres longueurs électriques peuvent être choisies en fonction des résultats à atteindre ou des contraintes de réalisation de la carte. Une ligne-fente telle que représentée à la figure 1A, a été simulée en utilisant un simulateur 3D EM HFSS. Pour la simulation, et comme mentionné ci-dessus, le substrat est un substrat FR4 et la ligne-fente 2 présente une largeur de 1 mm et une longueur de 10 mm. Avec les paramètres mentionnés ci-dessus, on a obtenu une courbe donnant la phase réfléchie ramenée (en degré) à l'entrée 3 en fonction de la fréquence, telle que représenté sur la figure 1B. On voit que, dans ce cas, pour une fente de longueur électrique d'environ 45°, la phase obtenue est proche de 90° à une fréquence de 2.45 GHz, comme représenté par le point lo m1. Dans une seconde étape représentée plus particulièrement sur la figure 2A, pour réaliser la première et la seconde portions de la première bande conductrice autour de la ligne-fente, on grave autour de la ligne-fente 2, une fente mince 4 qui entoure la ligne-fente 2. Cette fente 4 présente une 15 largeur de 0.15 mm et se trouve à une distance de 0.5 mm des bords de la ligne-fente 2, dans le mode de réalisation simulé. Elle est gravée dans la couche conductrice ou plan de masse supérieur du substrat 1. Dans ce cas, et comme représenté sur la figure 2B, la valeur de la phase pour le point m1 sur la courbe est similaire à celle représentée sur la figure 1B, ce qui signifie 20 que la fente 4 gravée autour de la ligne-fente 2 ne modifie pas le comportement de la fente principale. Dans une étape suivante, la partie en court-circuit 2a, représentée sur la figure 2A, est ouverte de manière à réaliser deux portions conductrices 5a et 5b formant respectivement la première portion d'une première bande 25 conductrice ayant une longueur électrique L1 et la seconde portion d'une première bande conductrice ayant une longueur électrique L2, comme représenté sur la figure 3A. Dans une étape ultérieure et comme représenté sur la figure 3B, dans la seconde couche conductrice opposée à la couche conductrice 1 du circuit 30 imprimé est réalisée une seconde bande conductrice 7 en forme de boucle. Les deux extrémités 8a et 8b de la bande conductrice 7 sont reliées par des trous métallisés ou similaire aux extrémités 6a et 6b des première et seconde portions 5a et 5b de la première bande réalisée sur la première couche conductrice. Une vue en perspective complète d'une ligne-fente isolante réalisée selon le procédé décrit ci-dessus est représentée sur la figure 4 dans laquelle les mêmes références représentent les mêmes éléments que les éléments décrits avec référence aux figures 3A et 3B. La fente isolante représentée à la figure 4 permet d'obtenir une phase ramenée au niveau du port d'entrée 3 qui est proche de 00 comme dans le cas d'une ligne quart d'onde court-circuitée, avec une longueur électrique de ligne divisée sensiblement par deux. Ce résultat est représenté sur la courbe d'adaptation S11 de la figure 5 pour une ligne-fente isolante telle que représentée à la figure 4. Dans ce cas, le point m1 montre que la phase ramenée obtenue par simulation, est proche de 00 à la fréquence centrale de la bande WiFi à 2.4 GHz. Ceci s'explique par le fait que, dans la boucle formée par les portions 5a, 7 et 5b, le courant en surface autour de la ligne- fente effectue un circuit de deux tours avant de revenir au port d'entrée, courant ainsi sur une longueur électrique sensiblement égale à 180°. Dans ce mode de réalisation, on a réalisé une ligne-fente de longueur électrique égale à 45°. D'autre part, les longueurs électriques L1 et L2 des première 5a et seconde portions 5b de la première bande sont sensiblement identiques et égales à 45° et la longueur électrique L3 de la seconde bande 7 est sensiblement égale à la somme des longueurs électriques L1 + L2. Toutefois, d'autres longueurs électriques inférieures à 90° peuvent être envisagées. Comme représenté sur les figures 6 à 9, on a comparé les résultats obtenus dans l'isolation de deux antennes (ANT1, ANT2) réalisées pour un circuit MIMO et isolées respectivement par une ligne-fente isolante classique ou par une ligne-fente isolante réalisée selon le procédé de la présente invention. Sur la figure 6, les deux antennes ANT1 et ANT2 sont isolées par une ligne-fente en court-circuit 10 gravée dans la couche supérieure d'un substrat monocouche entre les deux antennes. Dans ce cas, la longueur de la ligne- fente 10 est égale à X/4 où X est la longueur d'onde à la fréquence de fonctionnement. Sur la figure 7, on a représenté une ligne-fente isolante 20 réalisée selon le procédé de la présente invention, comme représenté dans la partie agrandie de la figure 7. Cette fente 20 présente une taille réduite par rapport à la ligne-fente 10 représentée sur la figure 6. Les courbes des figures 8A, 8B et 9 permettent de comparer les performances des antennes de la figure 7 par rapport au circuit de la figure 6. La figure 8A représente les courbes d'adaptation S11 et S22 ainsi que la courbe de transmission S21 du circuit représenté sur la figure 6 tandis que la figure 8B donne les réponses S11, S22 et S21 du circuit représenté à la figure 7. Ces courbes montrent que les réponses S11 et S22 des antennes sont au même niveau quelque soit le type de ligne-fente isolante utilisé et que les niveaux d'isolation obtenus sont autour de 17 dB pour les deux types de ligne-fente. D'autre part, les courbes représentées à la figure 9 donnent la réponse en transmission S21 en fonction de la fréquence pour, respectivement, le circuit de la figure 6 et celui de la figure 7 validant un niveau d'isolation similaire pour les deux types de ligne-fente. On décrira maintenant avec référence aux figures 10 à 13, la zo réalisation d'une antenne-fente en utilisant le procédé de réalisation conforme à la présente invention. Sur la figure 10, on a représenté en perspective une antenne-fente obtenue selon le procédé de la présente invention décrit ci-dessus. L'antenne-fente est réalisée sur un substrat multicouche formant une partie 25 d'une carte de circuit imprimé. Sur une première couche conductrice du substrat 100, on a réalisé une ligne-fente 101 qui se prolonge par une portion 101a pour obtenir l'alimentation de l'antenne par couplage électromagnétique. Dans ce cas, comme représenté sur la figure 10, une portion de ligne microruban 102 est réalisée sur la face opposée du substrat et 30 interconnectée à la couche conductrice par un trou métallisé 102a. Les longueurs de la partie 102 et de la partie 101a sont déterminées de manière connue pour obtenir l'alimentation de l'antenne-fente 101. Comme représenté à la figure 10 et conformément au procédé de la présente invention, deux portions 103a et 103b d'une première bande conductrice ont été réalisées de chaque côté de la ligne-fente 101 en gravant autour de la ligne-fente 101, une fente 104 de faible largeur et en éliminant le court-circuit entre la fente 104 et la ligne-fente 101 à l'extrémité de la ligne- fente 101 opposée à la ligne d'alimentation 102. D'autre part, sur la couche conductrice opposée à la couche 100, on a réalisé une seconde bande conductrice 106 formant une boucle, comme représenté sur la figure 10. De ce fait, les deux extrémités de la bande conductrice 106 sont connectées respectivement aux extrémités des bandes conductrices 103a et 103b par des vias conducteurs 108a et 108b de manière à former une boucle conductrice de courant d'une longueur électrique totale L'. D'autre part, pour améliorer le fonctionnement de l'antenne représentée sur la figure 10, une fente en circuit ouvert 105 est réalisée dans la première couche 100 entre l'extrémité de la fente 104 et le bord de la couche 100. Cette fente 105 contribue à élargir la bande de fonctionnement de l'antenne-fente et à augmenter son efficacité de rayonnement Une antenne, telle que représentée à la figure 6, a été simulée pour fonctionner dans la bande DECT, à savoir la bande de fréquence comprise entre 1880- 1930 MHz. Pour la simulation, on a utilisé une carte de taille 230 x 306 mm2 réalisée en un matériau diélectrique connu sous la dénomination FR4 présentant une épaisseur de 1.2 mm. L'antenne a été placée sur un des bords de la carte. Pour la simulation, la longueur physique de la fente a été choisie pour être d'environ 21 mm. Les résultats obtenus sont donnés par les courbes des figures 11 à 13 qui représentent respectivement pour la figure 11, la réponse d'adaptation S11 en dB en fonction de la fréquence, qui montre une perte inférieure à - 12dB dans la bande DECT. La figure 12 représente le rendement de l'antenne en fonction de la 30 fréquence et mentionne un rendement supérieur à 80 % dans la bande DECT. La figure 13 représente le pic de gain réalisé en dB en fonction de la fréquence, montrant un gain supérieur à 6 dBi dans la bande DECT. Une telle structure, comparée à une antenne-fente permet de réduire d'un rapport deux la surface occupée sur le plan de masse. La place libérée, du fait du repliement de la fente, peut être mise à profit pour le placement de composants électroniques. Sa compacité lui confère une plus grande facilité de placement dans la carte électronique, tout en respectant les contraintes mécaniques et les contraintes d'implémentation, et par ailleurs, tout en étant apte à offrir la diversité de diagramme de rayonnement demandée par les Io systèmes MIMO. Il est évident pour l'homme de l'art que les modes de réalisation ci-dessus sont donnés à titre illustratif. REVENDICATIONS1- Procédé de réalisation d'une ligne-fente en court circuit sur un substrat multicouches comprenant au moins une première couche conductrice, une couche diélectrique et une seconde couche conductrice, le procédé comprenant les étapes suivantes : - gravure dans la première couche conductrice d'une ligne-fente (2, 101) ayant une longueur électrique L, - gravure dans la première couche conductrice, autour de la ligne- fente, d'une première portion (5a, 103a) d'une première bande ayant une longueur électrique L1 L, - gravure dans la première couche conductrice, autour de la ligne-fente, d'une seconde portion (5b, 103b) de ladite première bande, ayant une longueur électrique L2 L, - gravure dans la seconde couche conductrice, d'une seconde bande (7, 106) en forme de boucle ayant une longueur électrique L3, - une extrémité (8a, 108a) de la seconde bande étant reliée à la première partie de la première bande et l'autre extrémité (8b, 108b) de la seconde bande étant reliée à la seconde partie de la première bande de zo manière à former une boucle conductrice. 2- Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la ligne-fente est une ligne de longueur électrique L 3- Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que la ligne-fente a une longueur électrique L= 450 . 4- Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les longueurs électriques L1 et L2 de la 30 première et de la seconde portions de la première bande sont identiques. 5- Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que les longueurs électriques de la première et de la seconde portions de la première bande sont égales à 45°. 6- Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la longueur électrique L3 de la seconde bande est sensiblement égale à la somme des longueurs électriques L1 et L2 de la première et de la seconde portions de la première bande. 7- Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la somme des longueurs électriques L3 + L1 + L2 est sensiblement égale à 180°. 8- Circuit imprimé multicouche caractérisé en ce qu'il comporte au moins une ligne-fente réalisée selon l'une quelconque des revendications précédentes. 9- Circuit imprimé selon la revendication 8, caractérisé en ce que la ligne-fente est une fente isolante (20). 10- Circuit imprimé selon la revendication 8, caractérisé en ce que la ligne-fente forme une antenne-fente (101), la ligne-fente se prolongeant du côté opposé au côté alimentation par une ligne-fente (105) se terminant par un circuit ouvert. 25