La présente invention concerne la fabrication d'antennes en
guides d'ondes à fentes, notamment utilisables pour des
longueurs d'ondes millimétriques.
Les antennes en guides d'ondes à fentes sont utilisées dans
plusieurs domaines, en raison de leurs profil et poids
relativement minces et faibles, de leur encombrement relativement
réduit à fréquence élevée, de leur efficacité relativement
importante (pertes réduites, gain élevé), de leur
bonne tenue en puissance, et de leur bande passante relativement
importante.
On entend ici par ondes millimétriques, les fréquences
supérieures à 30 GHz. Elles sont de plus en plus utilisées,
par exemple dans les systèmes radars, les communications
sécurisées, les radars d'évitement d'obstacles, etc.
On connaít plusieurs procédés de fabrication des antennes en
guides d'ondes à fentes. Généralement, ces procédés font
appel à des techniques classiques d'étirage, de fonderie (à
la cire perdue par exemple), ou de fraisage.
Par exemple, la technique de fraisage comprend une étape dans
laquelle on réalise un ensemble ou réseau de canaux formant
guides d'ondes en alliage léger d'aluminium. On plaque
ensuite sur cet ensemble, un plateau mince où sont déjà
taillées, ou le seront ultérieurement, des fentes rayonnantes
par des techniques d'usinage, de fraisage suivie d'un
ébavurage. L'usinage des fentes peut s'effectuer aussi par
laser. L'électro-érosion est aussi utilisée pour réaliser les
fentes rayonnantes.
La fixation du plateau sur le réseau de canaux peut s'effectuer
par soudo-brasure (ou mécano-soudure, ou soudure au bain
de sel), par collage à la colle conductrice, par soudure à
l'étain, par soudure par faisceaux d'électrons, ou par
soudure laser.
La formation des réseaux de guides à fentes peut s'effectuer
aussi par assemblage selon une soudure, une soudo-brasure ou
un collage des guides indépendants munis de fentes.
On connaít aussi d'autres procédés qui permettent de réduire
le poids de l'antenne. Ces procédés consistent par exemple à
assembler des guides en feuilles fines d'aluminium. Les
fentes sont d'abord gravées chimiquement, poinçonnées ou
usinées. Ensuite la feuille est pliée pour former des guides
individuels. Les guides sont enfin assemblés pour former une
antenne réseau. La feuille plane ainsi munie de fentes peut
aussi être rapportée sur des canaux guides d'ondes comme
mentionné ci-avant.
On connaít aussi des antennes réalisées en matière plastique
renforcée de fibres de carbone métallisé.
On connaít également des techniques qui mettent en oeuvre un
électroformage d'un plateau à fentes, qui utilisent la
photolithographie pour réaliser un plateau à fentes, ou
encore qui utilisent une gravure des fentes sur un substrat
diélectrique métallisé.
Pour des longueurs d'ondes millimétriques, les procédés de
fabrication des antennes en guides d'ondes à fentes décrits
ci-avant requièrent un comportement radio-électrique irréprochable
des composants des antennes et exigent une précision
beaucoup plus importante que celle nécessitée à des fréquences
inférieures.
Or, ce comportement irréprochable et cette précision se
traduisent en pratique par des opérations très coûteuses,
notamment en raison des nombreuses opérations à mettre en
oeuvre pour réaliser les antennes en guides d'ondes à fentes,
et notamment l'ouverture précise des fentes.
Dans le document PATENT ABSTRACT OF JAPAN vol. 5, n° 86 (E-060),
5 juin 1981 & JP 56 032807 A (FURUNO ELECTRIC CO. LTD),
2 avril 1981, il est décrit un procédé de fabrication d'une
antenne radiofréquence comprenant des étapes de moulage,
métallisation et arasage pour réaliser une antenne à fentes
rayonnantes.
Dans ce procédé, il est prévu d'utiliser une couche supplémentaire
appelée "couche de moulage" pour protéger la face du
corps de guide d'ondes de l'outil d'arasage et maintenir
plate ladite face du corps.
Une telle couche supplémentaire alourdit le procédé d'une
opération supplémentaire et en augmente d'autant les coûts.
La présente invention apporte une solution à ce problème.
Elle vise un procédé présentant l'avantage de mettre en
oeuvre des opérations mécaniques, chimiques ou électriques
simples pour l'ouverture précise des fentes rayonnantes dans
les guides d'ondes.
Elle vise à fournir un procédé particulièrement adapté aux
longueurs d'ondes millimétriques où l'épaisseur de métal
nécessaire pour la conduction du courant est relativement
réduite.
Elle vise enfin à fournir un procédé de fabrication d'antennes
en guides d'ondes à fentes à faible coût.
La présente invention porte ainsi sur un procédé de fabrication
d'au moins un guide d'ondes à fentes qui utilise des
techniques de moulage, de métallisation et d'arasage pour la
réalisation d'au moins certains des éléments constitutifs du
guide d'ondes ainsi que l'ouverture des fentes rayonnantes.
Le procédé est du type comprenant les étapes suivantes :
- a) réaliser un moule de forme conjuguée avec celle du corps
du guide d'ondes, le moule comprenant, en creux, une pluralité
d'éléments de section transversale conjuguée avec la
forme des fentes rayonnantes ;
- b) injecter une matière diélectrique dans le moule ;
- c) démouler pour obtenir un corps en matière diélectrique
comprenant au moins des éléments en saillie ;
- d) métalliser au moins la face du corps comprenant des
éléments en saillie ;
- e) araser les éléments en saillie de façon à ouvrir des
fentes dans ledit corps, correspondant aux fentes rayonnantes
dudit guide d'ondes.
Selon une définition générale de l'invention, l'arasage selon
l'étape e) est réalisé à une hauteur choisie par rapport à la
face du corps, ce qui permet de protéger ladite face du corps
des moyens d'arasage sans appliquer de couche de protection
supplémentaire sur ladite face du corps.
De façon surprenante, la Demanderesse a constaté que les
fentes ainsi légèrement protubérantes par rapport à la face
du corps réduisent en outre les couplages parasites existant
entre deux fentes adjacentes et qui sont liés à la propagation
de courant sur la face du corps de guide d'ondes. En
effet, cette propagation de courant est maintenant perturbée
par la géométrie protubérante des fentes conformément au
procédé selon l'invention, ce qui limite les couplages entre
les fentes.
La présente invention a également pour objet un procédé de
fabrication d'une antenne réseau agencée en au moins deux
guides d'ondes à fentes rayonnantes réalisés séparément ou
ensemble selon le procédé mentionné ci-avant.
Selon un mode de réalisation préféré de l'invention, le
procédé pour fabriquer une antenne réseau comprenant au moins
deux guides d'ondes à fentes rayonnantes comprend les étapes
suivantes :
- 1) réaliser un moule de forme conjuguée avec celle du
réseau à guides d'ondes, comprenant en creux, une pluralité
d'éléments de section transversale conjuguée avec la forme
des fentes rayonnantes de chaque guide d'onde ;
- 2) injecter une matière diélectrique dans le moule ;
- 3) démouler pour obtenir un corps en matière diélectrique
à la forme du moule ;
- 4) découper le corps au format des guides d'ondes ;
- 5) métalliser au moins la face du corps comprenant les
éléments en saillie, ainsi que la face latérale séparant les
guides d'ondes ainsi découpée ;
- 6) araser à une hauteur choisie par rapport à la face du
corps les éléments en saillie de façon à ouvrir des fentes
dans les guides d'ondes formant l'antenne réseau.
En pratique, l'étape 1) consiste en outre à réaliser un moule
comprenant, en creux, la connexion commune des deux guides
d'ondes tandis que l'étape 6) consiste à araser en outre
l'élément en saillie correspondant à la connexion commune des
deux guides d'ondes.
La présente invention a également pour objet un guide d'onde
à fentes rayonnantes obtenu par le procédé mentionné ci-avant.
De même, la présente invention a également pour objet une
antenne réseau agencée en au moins deux guides d'ondes à
fentes rayonnantes obtenue selon le procédé mentionné ci-avant.
Avantageusement, l'antenne réalisée par le procédé selon
l'invention est utilisable pour des longueurs d'ondes
millimétriques.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention
apparaítront à la lumière de la description détaillée ci-après
et des dessins annexés dans lesquels :
- la figure 1 illustre un exemple de réalisation de l'opération
de moulage selon l'invention ;
- la figure 2 illustre schématiquement un exemple de moule
selon l'invention ;
- la figure 3 illustre l'étape relative à l'injection de la
matière plastique dans le moule selon l'invention ;
- la figure 4 illustre l'étape relative à la métallisation du
corps de guide d'ondes selon l'invention ;
- la figure 5 représente une coupe droite théorique effectuée
sur l'élément décrit en référence à la figure 4, montrant la
matière plastique à l'intérieur et la couche de métal
enrobant la pièce plastique ;
- la figure 6 illustre l'étape relative à l'ouverture des
fentes rayonnantes par arasement des éléments en saillie ;
- la figure 7 représente un exemple de réseau à deux guides
d'ondes rectangulaires accolés selon l'invention et comportant
chacun quatre fentes rayonnantes ;
- la figure 8 illustre un autre exemple d'un guide à quatre
fentes rayonnantes avec un court-circuit d'un côté et un
accès par une bride de l'autre côté ;
- la figure 9 illustre encore un autre exemple d'un guide
d'ondes à quatre fentes rayonnantes avec un coude au niveau
du point d'excitation, accessible par une bride ;
- les figures 10A, 10B et 10C représentent différents moyens
pour réaliser des courts-circuits dans des guides d'ondes
traditionnels ;
- la figure 11 illustre schématiquement une autre technique
de réalisation des éléments terminaux des guides d'ondes
représentés sur la figure 7 ;
- les figures 12 et 13 illustrent l'utilisation de courts-circuits
à l'intérieur d'un guide d'onde ;
- la figure 14 illustre schématiquement une antenne réseau
pour radar, utilisable pour les longueurs d'ondes millimétriques,
et obtenue selon le procédé selon l'invention ; et
- la figure 15 illustre une variante de la pièce décrite en
référence à la figure 11 et comportant une zone favorisant la
fixation de l'antenne sur un support mécanique.
L'invention permet de réaliser certains au moins des éléments
constitutifs d'une antenne réseau en guides d'ondes à fentes
par des opérations de moulage et de métallisation faciles à
mettre en oeuvre. En particulier, la formation des fentes ou
les connections entre guides, est ainsi avantageusement
réalisée grâce à ces opérations de moulage et de métallisation.
L'opération d'ouverture des fentes est, quant à elle,
obtenue avantageusement par un simple arasement des éléments
en saillie, réalisé à une hauteur choisie par rapport à la
face du corps comprenant les éléments en saillie.
Sur la figure 1, l'opération de moulage fait appel à des
éléments classiquement utilisés en moulage.
Une trémie 2 est emplie de granules de matériau plastique.
Ces granules tombent sur une vis sans fin 4 qui est apte à
conduire le matériau vers le moule 6. Des moyens de chauffage
chauffent les granules de façon à obtenir une pâte.
Le moule 6 est constitué de deux pièces mécaniques dont l'une
8 présente une empreinte creuse représentant la pièce à
réaliser que l'on décrira plus en détail ci-après.
En référence à la figure 2, la pièce 8 comprend en creux,
notamment une pluralité d'éléments 9 de section transversale
conjuguée avec la forme des fentes rayonnantes de chaque
guide d'onde
Par exemple, le moule est réalisé par électro-érosion.
La seconde pièce mécanique 10 du moule est préférentiellement
plane au niveau des guides rayonnants de façon à éviter une
déformation sur la hauteur du guide compte tenu de la
géométrie des accès d'alimentation (bride guide d'ondes,
coude).
Bien évidemment, cette pièce 10 peut présenter aussi des
motifs en creux.
En référence à la figure 3, on a représenté le résultat de
l'injection du plastique dans le moule, après démoulage.
L'ensemble fini, ébavuré, correspond à la section interne des
guides d'ondes. Il comporte très avantageusement en surépaisseur
les éléments 9 qui deviendront les fentes rayonnantes.
En référence à la figure 4, la forme plastique illustrée en
référence à la figure 3 est métallisée complètement. Par
exemple, l'étape de métallisation est effectuée par galvanoplastie.
En référence à la figure 5, une section transversale de
l'ensemble montre la forme plastique et la métallisation en
surface.
En référence à la figure 6, les éléments en surépaisseur ou
en saillie 9 sont arasés à une hauteur choisie par rapport au
plan du corps, par exemple à 1 ou 2 dixièmes de mm. Cet
arasement permet d'ouvrir des fentes 11 qui joueront le rôle
des fentes rayonnantes des guides d'ondes.
Les moyens d'arasage sont par exemple de type abrasif
(ponçage, rectification) ou coupant (fraisage, tournage) ou
analogue.
L'arasage ainsi réalisé à une hauteur choisie par rapport à
la surface portant les éléments en saillie permet de protéger
ladite surface des moyens d'arasage sans appliquer de couche
supplémentaire sur ladite surface.
Il est à remarquer que le procédé selon l'invention modifie
légèrement la condition de continuité des champs électromagnétiques
au niveau de l'interface entre les fentes et
l'espace rayonnant puisque les fentes sont selon l'invention
légèrement protubérantes et non plus sur le même niveau que
le plan métallique constituant la paroi extérieure des guides
d'ondes.
Cette modification est un effet du second ordre qui peut être
pris en compte dans les modèles par simulation (par exemple
avec une analyse mettant en oeuvre une méthode de calcul de
type "éléments finis dans le domaine temporel"), ou par
ajustement avec des mesures expérimentales.
De façon surprenante, la Demanderesse a constaté que les
fentes ainsi légèrement proéminentes réduisent en outre les
couplages parasites existant entre deux fentes adjacentes,
liés à une propagation de courant sur la paroi externe des
guides d'alimentation. En effet, cette propagation de courant
est maintenant perturbée par la géométrie protubérante des
fentes conformément à l'invention, ce qui limite les couplages
parasites entre les fentes.
A l'issue de l'étape 6, il est obtenu un guide d'ondes à
fentes rayonnantes chargé de diélectrique. Le cas échéant,
certains éléments de l'antenne peuvent être réalisés à partir
de la mise en place d'inserts métalliques surmoulés dans la
pièce en matière plastique.
En référence à la figure 7, le réseau 13 comprend deux guides
d'ondes 15 et 17, rectangulaires et accolés. Les deux guides
d'ondes sont réalisés par moulage selon le procédé selon
l'invention. Chaque guide d'ondes comprend quatre fentes
rayonnantes 20.
Les guides rectangulaires 15 et 17 comprennent chacun une
extrémité libre formant court-circuit 22. Ils sont excités
par l'intermédiaire d'un diviseur en T simple 24 avec un
accès d'entrée de type bride 26.
Selon l'invention, après une métallisation globale, les
fentes 20 sont réalisées par arasement de la face supérieure
28 des guides d'ondes.
La séparation entre les deux guides d'ondes est réalisée par
une fente ouverte 30 réalisée sur toute la hauteur des guides
d'ondes.
Avantageusement, cette fente ouverte 30 est également
métallisée.
De même, l'accès d'entrée de type bride 24 est obtenu, après
métallisation, par arasement latéral d'une surépaisseur
obtenue par moulage selon les opérations décrites en référence
aux figures 1 à 6.
En variante, l'accès d'entrée de type bride 24 peut être
réalisé à partir de la mise en place sur la pièce en matière
plastique d'un insert métallique de forme appropriée.
Les courts-circuits terminaux des guides rayonnants en mode
résonnant sont susceptibles d'être réalisés par métallisation
des sections droites diélectriques terminales 22.
En référence à la figure 10A, dans des guides d'ondes
métalliques traditionnels, les courts-circuits peuvent être
obtenus par des plaques métalliques 40 fermant complètement
les guides.
Ces plaques métalliques représentent une configuration
semblable à la métallisation de la section droite 22 décrite
en référence à la figure 7.
En variante, dans des guides d'ondes métalliques traditionnels,
les courts-circuits peuvent être réalisés par des
barreaux métalliques 42 (figure 10C), ou par une plaque 44
fermant partiellement l'extrémité libre du guide d'ondes
(figure 10B) sans recouvrir les parties périphériques 46.
Ces courts-circuits ont pour rôle d'empêcher la propagation
du mode guidé principal au-delà de l'obstacle constitué par
la plaque ou les barreaux.
Ces modes de réalisation (figures 10A, 10B et 10C) peuvent
être avantageusement adaptés et réalisés pour l'antenne selon
l'invention.
En référence à la figure 11, selon l'invention, les éléments
terminaux des guides représentés selon la référence 22 sur la
figure 7 peuvent ainsi être réalisés selon des courts-circuits
50 fermant partiellement les guides, comme la plaque
44 décrite en figure 10B. Avantageusement, l'espace diélectrique
52 correspondant à l'espace diélectrique disponible 46
décrit en figure 10B pour les guides peut également être
utilisé pour réaliser un maintien mécanique des guides entre
eux.
En référence aux figures 12 et 13, on a représenté l'utilisation
de courts-circuits à l'intérieur d'un guide d'ondes, par
exemple pour effectuer une partition du réseau rayonnant en
sous-réseau (par exemple en vue d'augmenter les bandes
passantes ou en vue de réaliser une fonction d'écartométrie).
Une fente (non représentée) peut être ouverte à l'intérieur
de la forme plastique sur toute la hauteur du guide plastique
et ensuite métallisée lors du processus de métallisation
globale de la forme plastique.
Une telle réalisation permet de former un élément 58 du type
de la plaque décrite en figure 10B. En variante, l'élément 58
peut être réalisé à partir de la mise en place dans la pièce
en matière plastique d'un insert métallique parallélépipédique
ou cylindrique.
En variante, le court-circuit peut être réalisé par une série
de trous (non représentés) effectués dans la section du
guide. Cette formation de trous peut être suivie d'une
métallisation afin de réaliser des barreaux 63 de type court-circuit
conformément à la figure 10C. En variante, les
éléments 63 peuvent être réalisés à partir de la mise en
place dans la pièce en matière plastique d'inserts métalliques
de type barreau.
En référence à la figure 15, la partie terminale de la pièce
représentée sur la figure 11 peut être modifiée en utilisant
des fentes ouvertes sur la hauteur des guides et métallisées
pour former des éléments semblables aux éléments 58 de la
figure 12. On constitue ainsi un ensemble comportant une zone
59 non utilisée du point de vue radioélectrique, mais pouvant
avantageusement assurer la rigidité de l'ensemble, d'une
part, et être utilisée pour la fixation de l'antenne sur un
support mécanique par exemple, d'autre part.
En référence à la figure 8, on a représenté un autre exemple
de guide d'ondes 100 à quatre fentes rayonnantes 102 avec un
court-circuit 104 d'un côté et un accès 106 par bride de
l'autre côté.
En référence à la figure 9, on a représenté encore un autre
exemple de guide d'ondes 200 à quatre fentes rayonnantes 202
avec un coude 206 au niveau du point d'excitation, accessible
par une bride 208.
Il est à remarquer que l'accès ou les accès d'entrée peuvent
être constitués par d'autres éléments que des brides classiques.
Par exemple, ils peuvent être réalisés selon la
structure microruban, triplaque ou coplanaire, ou encore à
partir d'une transition guide-coaxial classique. Les accès
peuvent également être réalisés par des ouvertures taillées
sur le côté opposé aux fentes rayonnantes (fentes inclinées).
Il convient d'observer aussi que plusieurs pièces réalisées
selon le procédé selon l'invention peuvent être assemblées
par pression mécanique ou par soudure (soudure par ultrasons
par exemple). Ainsi, il est possible de réaliser une antenne
comportant plusieurs niveaux (ou couches) de guides accolés
ou superposés, ces guides étant couplés par exemple à partir
de fentes inclinées.
Il est à remarquer également que l'antenne à fentes représentée
en référence à la figure 7 est du type antenne réseau
en guides à fentes à shunt longitudinales sur le grand côté
des guides.
Bien évidemment, l'antenne peut être aussi d'un type différent
et réalisée selon la technique décrite ci-avant. Par
exemple, les guides peuvent être du type à fentes sur le
petit côté des guides d'ondes. Les fentes peuvent aussi être
de forme différente, par exemple en C, en Z, en I, etc.
La matière plastique utilisée selon l'invention doit être de
préférence simple de mise en oeuvre, injectable dans un moule
et présenter un bon état de surface. Elle doit aussi être de
préférence mécaniquement stable, par exemple se dilater peu
avec la température. En pratique, elle est métallisable et
possède des caractéristiques électriques adéquates à son
utilisation pour le guidage des ondes électromagnétiques, en
terme de permittivité et de tangente de perte.
Par exemple, la matière plastique est du polycarbonate ou
analogue.
En référence à la figure 14, on a représenté une antenne
réseau en guides à fentes, obtenue selon le procédé selon
l'invention. Cette antenne trouve une application avantageuse
dans le domaine du radar et est utilisable pour des longueurs
d'ondes millimétriques. Elle comprend une pluralité de guides
d'ondes 300, 302, à fentes 250 et assemblés par paire. Chaque
paire est connectée aux moyens de traitement et d'alimentation
(non représentés) selon une arborescence AB choisie et
réalisée à partir d'une cascade de coupleurs CP. L'excitation
des guides rayonnants peut aussi être effectuée, selon le
procédé selon l'invention, à partir d'un guide d'ondes
transverse aux guides rayonnants et muni de fenêtres de
couplage vers ceux-ci.