Brevet FR3096514A1 — publié le 20201127

Description Titre de l'invention : circuit imprimé comportant plusieurs antennes d'excitation et une antenne parasite, et procédé de fabrication du circuit imprimé. Technique antérieure 100011 L'invention se rapporte au domaine général des télécommunications. Elle concerne plus particulièrement le domaine des antennes radioélectriques monopoles imprimées sur des circuits intégrés dans des dispositifs communicants. 100021 On désigne par un circuit intégré, une carte ou un circuit électrique imprimé, comportant un substrat et une ou plusieurs couches conductrices. 100031 Parce que les dimensions d'un circuit intégré sont limitées par les dimensions du dispositif qui intègre ce circuit, la fabrication d'une antenne radioélectrique sur un circuit intégré pose des contraintes supplémentaires par rapport aux autres types d'antennes radioélectriques connues par l'homme du métier (antennes en réseaux, antennes à réflecteurs, paraboliques, etc.). 100041 En effet, les dimensions limitées d'un circuit intégré constituent une contrainte en ce qui concerne la largeur de la bande passante pouvant être couverte par une antenne comprise dans ce circuit. A titre indicatif, pour une antenne plane comprise dans un circuit intégré. plus elle est longue, plus sa bande passante est large. [0005] Il est donc difficile de dimensionner une antenne (déterminer sa forme et son em- placement) pour pouvoir couvrir une bande passante souhaitée tout en respectant la contrainte de l'espace limité disponible sur le circuit intégré. [0006] Une première solution consiste à agrandir les dimensions du circuit intégré et celles du dispositif dans lequel le circuit est intégré, pour que le circuit intégré comprenne une antenne qui couvre la bande passante souhaitée. Cependant cette solution n'est pas toujours envisageable. [0007] Une autre solution connue de l'art antérieur consiste à installer sur le circuit intégré une antenne parasite en plus de la première antenne, dite d'excitation. Cette solution permet de créer un couplage électromagnétique (des interférences) entre l'antenne parasite et l'antenne d'excitation pour que l'ensemble de ces deux antennes couvre la bande passante souhaitée, l'antenne d'excitation seule ne permettant pas de couvrir cette bande. [0008] On rappelle qu'une antenne est dite parasite lorsqu'elle comporte au moins un élément parasite. c'est-à-dire un élément qui n'est pas excité par un module de communication niais qui est excité par couplage. L'antenne parasite permet de perturber suffisamment le rayonnement de l'antenne d'excitation pour agir sur le rayonnement 2 global de l'ensemble des deux antennes, d'excitation et parasite. [0009] Cependant, le principe de fonctionnement de cette solution est basé sur une bonne connaissance des couplages électromagnétiques entre les antennes. En effet, cette solution exige que la fréquence centrale de résonnance de l'antenne parasite soit proche de celle de l'antenne d'excitation de sorte à ce que les deux antennes se couplent. La conjonction des bandes passantes couvertes par chacune des antennes résulte, grâce au couplage, en une bande passante plus large que celle de l'antenne d'excitation. [0010] Cette solution de l'art antérieur présente des difficultés de dimensionnement de l'antenne parasite pour la coupler avec l'antenne d'excitation, en plus des difficultés de dimensionner-rient de l'antenne d'excitation. De plus, le positionnement et la géométrie de l'antenne parasite par rapport à l'antenne d'excitation ne sont pas maîtrisés. [0011] Il existe donc un besoin pour une antenne sur un circuit intégré permettant de couvrir une bande passante souhaitée et qui ne présente pas les inconvénients des solutions de l'art antérieur. Exposé de l'invention [0012] L'invention vise un circuit imprimé ayant une forme parallélépipédique, comportant une antenne monopole, dite d'excitation, et pouvant être compris dans une sphère ayant un rayon r vérifiant : [Math. 11 r ?1/4 '4.ur où X est une longueur d'onde correspondant à une fréquence centrale d'émission d'un signal radio. Le circuit selon l'invention comprend en outre : - un plan de masse ayant une empreinte rectangulaire dont les côtés sont parallèles à ceux du circuit imprimé ; - au moins un modifie de communication placé sur le plan de masse du circuit, ayant un port de communication relié électriquement à l'antenne d'excitation , et étant configure pour recevoir et/ou émettre un signal radio de la longueur d'onde X via l'antenne d'excitation; et - une antenne connectée au plan de masse, dite antenne parasite, non connectée à un module de communication ; l'antenne d'excitation ayant une empreinte rectangulaire située entre l'empreinte du plan de masse et un premier bord du circuit parallèlement à ce bord, la distance entre le centre de gravité de l'empreinte de l'antenne d'excitation et la normale au premier bord passant par son milieu étant inférieure ou égale à 10% de la longueur du premier bord ; et l'antenne parasite ayant une empreinte rectangulaire située entre l'empreinte du plan de masse et un deuxième bord du circuit, perpendiculaire au premier bord, paral- 3 lèlement à ce deuxième bord, la distance entre le centre de gravité de l'empreinte de l'antenne parasite et la normale au deuxième bord passant par son milieu étant inférieure ou égale à 10% de la longueur du deuxième bord. [0013] On rappelle que le plan de niasse est constitué d'au moins une zone uniformément métallisée d'une couche du circuit imprimé qui sert de référence dc potentiel électrique au circuit imprimé et à tous les circuits d'un terminal comportant ce circuit imprimé . L'ensemble des composants électroniques est généralement placé au-dessus de cette zone. En particulier, pour la présente invention, le ou les modules dc communication sont placés au-dessus du plan de niasse et utilisent le plan de masse comme référence électrique. [0014] En particulier, dans un circuit imprimé qui comporte plusieurs couches, une couche est dédiée au plan de masse (en général une couche intercalaire) et les autres couches sont gravées pour accueillir les différents composants, tels que le ou les modules de communication pour la présente invention. [0015] Dans la présente description, on désigne par un composant « placé sur le plan de niasse », un composant placé au-dessus du plan de niasse et utilisant ce plan de masse comme référence électrique. [0016] Au sens de l'invention, un circuit imprimé est un circuit électrique intégré dans un dispositif de communication sans fil, tel qu'un téléphone, un ordinateur, une montre connectée ou un traceur de position. Un circuit imprimé conforme à l'invention est un circuit de type PCB (pour « Printed Circuit Board » en anglais). [0017] Le circuit imprimé conforme à l'invention peut avoir des angles droits ou des angles presque droits (par exemple entre 85 et 95°). [0018] Selon l'invention, les surfaces formées par la longueur et la largeur du circuit imprimé ont une forme rectangulaire. [0019] Conformément à l'invention, la hauteur du circuit imprimé est inférieure à sa longueur et à sa largeur. [0020] Préférentiellement, la différence entre la longueur et la largeur du circuit imprimé est inférieure ou égale à 20%. Autrement dit, la largeur est au moins égale à 80% de la longueur. En particulier, la longueur et la largeur peuvent être égales. [0021] On rappelle qu'une antenne monopole est une antenne ayant un seul élément ré- sonateur. [0022] On rappelle qu'une antenne est considérée comme électriquement petite en fonction de sa taille globale ou de son volume occupé par rapport à la longueur d'onde X de la fréquence la plus basse utilisée par l'antenne, fréquence généralement spécifiée par une norme de communication mise en oeuvre par l'antenne. Une petite antenne est celle où : [Math. 2] k x a -±z 1 / 2 , où k est le numéro d'onde d'espace libre pouvant être défini par : [Math. 3] k = 2îr / N, et a est le rayon d'une sphère imaginaire circonscrivant les dimensions maximales de l'antenne. [0023] En particulier, lorsque la norme de communication utilisée par l'antenne comporte plusieurs bandes fréquentielles, la longueur d'onde X considérée dans l'inéquation (1) correspond à la fréquence de communication la plus basse des dites bandes utilisées par l'antenne (la longueur d'onde k considérée étant alors la plus grande longueur d'onde de ces bandes). [0024] L'antenne d'excitation selon l'invention étant comprise dans le circuit imprimé conforme à l'invention, le circuit imprimé peut être compris dans une sphère fictive ayant un rayon r vérifiant l'inéquation (1) : r REVENDICATIONSCircuit imprimé (CI) comportant une antenne monopole, dite d'excitation (AI). ledit circuit ayant une forme parallélépipédique et pouvant être compris dans une sphère ayant un rayon r vérifiant : r s À / 4 n'où X est une longueur d'onde correspondant à une fréquence d'un signal radio, ledit circuit comprenant en outre : - un plan de masse (GND) ayant une empreinte rectangulaire dont les côtés sont parallèles à ceux dudit circuit imprimé (Cl); - au moins un module de communication (COM 1) placé sur ledit plan de masse (GND), ayant un port de communication relié électriquement à ladite antenne d'excitation (A1), et étant configuré pour recevoir et/ou émettre un signal radio de ladite longueur d'onde X via ladite antenne d'excitation ; et - une antenne connectée au plan de masse (GND), dite antenne parasite (AP), non connectée à un module de communication ; ledit circuit imprimé étant caractérisé en ce que : - ladite antenne d'excitation (Al) a une empreinte rectangulaire (EMP1) située entre l'empreinte du plan de masse et un premier bord (Cl) du circuit parallèlement à ce bord ; la distance entre le centre de gravité (SG1) de ladite empreinte d'antenne (EMP1) et la normale (X) audit premier bord passant par son milieu étant inférieure ou égale à 10% de la longueur (L) dudit premier bord (Cl); et - ladite antenne parasite (AP) a une empreinte rectangulaire (EMP-P) située entre l'empreinte du plan de masse et un deuxième bord (C2) du circuit, perpendiculaire au premier bord, parallèlement à ce deuxième bord ; la distance entre le centre de gravité (SG-P) de l'empreinte de l'antenne parasite (EMP-P) et la normale (Y) audit deuxième bord passant par son milieu étant inférieure ou égale à 10% de la longueur (1) dudit deuxième bord (C2). Circuit selon la revendication 1 comportant en outre : - une troisième antenne (A3, A4) placée en dehors dudit plan de masse (GND), ladite troisième antenne étant. reliée électriquement à un port de communication d'un module de communication (COM3, COM4) ; et - au moins un module de filtrage, placé sur ledit plan de masse (GND), parmi : -- un premier module de filtrage (MF1) situé en série entre ladite antenne d'excitation (Al) et ledit au moins un module de commu- [Revendication 3] nication (COM1) relié électriquement à ladite antenne d'excitation, ledit premier module de filtrage (MF1) étant configure pour éliminer des signaux de couplage de ladite troisième antenne avec ladite antenne d'excitation ; et [Revendication 4] -- un deuxième module de filtrage situé en série entre ladite antenne parasite (AP) et ledit plan de masse (GND) et configure pour éliminer des signaux de couplage de ladite troisième antenne avec ladite antenne parasite. [Revendication 5] Circuit selon la revendication 2 comportant en outre au moins un module d'adaptation (ME 1) placé sur ledit plan de masse (GND) et situé en série entre ladite antenne d'excitation (A1) et ledit au moins un module de communication (COM1) et configure pour adapter une impédance d'entrée de ladite antenne d'excitation à une impédance dudit au moins un module de communication (COM1), ledit au moins un module d'adaptation comportant ledit premier module de filtrage. Circuit selon l'une des revendications 1 à 3 dans lequel un dit signal radio émis ou reçu par ledit au moins un module de communication (COM1) relié électriquement à ladite antenne d'excitation (Al) est conforme à au moins une norme de communication sans fil parmi les normes LTE, GSM, GPS, WiFi et BLE. [Revendication 6] Circuit selon l'une des revendications 1 à 4 dans lequel la dite antenne d'excitation (Al) et ladite antenne parasite (AP) sont des antennes planaires. [Revendication 7] Circuit selon l'une des revendications 1 à 5 pouvant communiquer conformément à au moins une norme de communication sans fil, X étant la plus grande longueur d'onde parmi les longueurs d'onde desdites normes, une dite longueur d'onde d'une dite norme correspondant à une fréquence centrale d'émission conformément à cette norme. [Revendication 8] Circuit selon l'une des revendications 1 à 6 dans lequel le plan de masse (UND) occupe un coin dudit circuit imprimé (CI) et a deux cotés superposés à deux côtés perpendiculaires dudit circuit (CI). Procédé de fabrication d'un circuit imprimé (CI) comportant une antenne monopole, dite d'excitation (Al), ledit circuit imprimé ayant une forme parallélépipédique et pouvant être compris dans une sphère d'un rayon r vérifiant : r