Conclusion

Les antennes intégrées sur circuit et sur boîtier présentent des solutions attractives et adaptée à plusieurs applications aux fréquences millimétriques. Ces deux topologies

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d’antenne permettent de concevoir des modules monolithiques intégrant les antennes au plus près des circuits intégrés générant les signaux millimétriques. Elles permettent ainsi de s’affranchir des pertes d’interconnexions entre l’antenne et le circuit, tout en réduisant le volume total du module.

Les antennes intégrées présentent généralement des gains très inférieurs à 0 dBi pour les AoC et de quelques dBi pour les AiP. Plusieurs techniques permettant d’augmenter le gain de ces antennes en utilisant les possibilités offertes par les technologies d’intégration ont été démontrées dans la littérature, certaines d’entre elles ont été présentées dans ce chapitre.

Le dopage du Silicium qui concerne en particulier les AoC, permet de modifier localement les propriétés du substrat pour augmenter significativement l’efficacité de rayonnement de l’antenne. Les efficacités de rayonnement obtenues peuvent atteindre environ 50% en fonction de la dose de dopage. L’inconvénient principal de cette méthode est le coût de fabrication élevé et la complexité du procédé.

Le gain des antennes intégrées, et plus particulièrement celui des AiP, peut également être amélioré en chargeant l’antenne par une cavité. Elle permet d’augmenter le gain des antennes en réduisant l’influence de la permittivité et des pertes liées au substrat sur le rayonnement. Dans la plupart des cas, cette cavité est chargée par un réflecteur de type PEC ou HIS supprimant le rayonnement arrière de l’antenne tout en favorisant le rayonnement dans la direction normale au module. Cette technique reste difficile à adopter aux fréquences millimétriques notamment dans le cas des technologies bas coût, et comporte un coût et une complexité de fabrication supplémentaires à celui de l’antenne intégrée. Les dimensions de la cavité et des réflecteurs imposent également un comportement faible bande du gain de l’antenne.

Un superstrat peut aussi être ajouté au-dessus d’une antenne intégrée (AoC où AiP) pour améliorer le gain de celle-ci. Le superstrat permet de réduire le confinement des champs électriques entre l’antenne et son substrat, et de ce fait augmenter la puissance rayonnée par l’antenne. Néanmoins, les efficacités de rayonnement atteignables restent limitées par la propagation des ondes de surfaces dans le superstrat. Suivant les caractéristiques diélectriques et les dimensions du superstrat, des ondulations plus ou moins importantes peuvent apparaitre sur le rayonnement. En outre, des variations importantes des performances de l’antenne sur une faible bande de fréquence sont souvent constatées. Une maîtrise fine des dimensions de ce superstrat rajoute à la complexité de cette solution.

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Malgré les améliorations obtenues par ces techniques, les niveaux de gains des antennes intégrées restent très inférieurs aux valeurs évoquées au paragraphe 1.2 pour des applications de communications sans fil aux fréquences millimétriques.

Dans ce contexte, différentes solutions permettant d’atteindre les niveaux de gains requis peuvent être envisagées. Parmi ces solutions, les réseaux phasés, les antennes cornets, les réseaux réflecteurs et les lentilles.

Dans les bandes millimétriques, les réseaux phasés permettent d’assurer un fort niveau de puissance rayonnée tout en gardant une épaisseur d’antenne extrêmement fine [69, 70]. Cependant, pour des tailles d’antennes relativement importantes, les pertes du réseau d’alimentation deviennent prépondérantes et limitent fortement le gain de l’antenne. Pour les fréquences au-delà de 60 GHz, les réseaux phasés nécessitent souvent le recours à des technologies plus précises (dimensions, espacement des vias, largeurs de pistes et de gaps, etc.) donc plus coûteuses, telles que les technologies LTCC [71, 72], les technologies silicium [73] et aussi des technologies plus récentes, telles que le verre à très faibles pertes [74] et les technologies additives comme le PolyStrata® [75].

Les antennes cornets assurent des bandes passantes et des gains importants avec des efficacités d’ouvertures très élevées. Elles restent cependant difficiles à intégrer dans un module millimétrique compte tenu de leurs volumes et de leurs topologies. Dans les bandes millimétriques, des solutions d’antennes cornets permettant une intégration dans un module ont été développées dans la littérature [42, 76, 77]. Elles nécessitent cependant une technologie coûteuse car elles requièrent des substrats composés de multiples couches et des vias enterrés pour former le cornet par un profil en escalier. Une cavité d’air dans le substrat ayant le même profil est aussi nécessaire pour augmenter l’efficacité de rayonnent et élargir la bande passante de l’antenne.

Les réflecteurs [78, 79], paraboliques ou planaires, sont très utilisés dans les bandes millimétriques. Ils permettent notamment, grâce à une source d’illumination (par opposition au circuit d’alimentation des réseaux phasés), de conserver une efficacité d’ouverture importante quelle que soit la taille de l’antenne et le gain désirés. Ils assurent également des bandes passantes importantes. Les réflecteurs sont cependant complexes à intégrer dans un module millimétrique à cause du problème de masquage par la source d’illumination et de la difficulté de leur positionnement par rapport au RFIC et à la carte PCB.

Dans les bandes millimétriques, les lentilles [80–83] sont également une solution permettant d’attendre des niveaux de gains élevés. Elles peuvent être de formes hémisphériques ou planaires, et faites avec des matériaux diélectriques, ou simplement métalliques. Elles

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présentent généralement des bandes passantes similaires à celles des réflecteurs, mais des efficacités d’ouverture plus faibles. Elles forment un volume relativement important, comparable à celui des réflecteurs. Comparativement aux réflecteurs, elles s’intègrent plus facilement dans un module millimétrique puisque la lentille peut être positionnée sur la face supérieure d’un système en boîtier (SiP, System in Package). Elles peuvent être réalisées à base de technologie silicium [80, 83] mais également à base de solutions moins coûteuses telles que l’impression 3D [81, 82], la technologie LTCC [84] et la technologie PCB [85].

Parmi les différentes solutions discutées, les lentilles semblent présenter un bon compromis entre performances, volume, coût et facilité d’intégration. Ces lentilles peuvent être couplées à l’antenne intégrée qui jouera le rôle d’une source focale. Cette solution permettrait de concevoir un module millimétrique présentant un gain élevé et une bande passante intéressante pour un coût de fabrication avantageux.