EP3465815B1

EP3465815B1 - Guide d'ondes comprenant une couche conductrice épaisse

Info

Publication number: EP3465815B1
Application number: EP17728662.2A
Authority: EP
Inventors: Emile De Rijk; Mirko Favre; Mathieu BILLOD; Alexandre DIMITRIADES
Original assignee: Swissto12 SA
Current assignee: Swissto12 SA
Priority date: 2016-05-30
Filing date: 2017-05-30
Publication date: 2021-04-21
Anticipated expiration: 2037-05-30
Also published as: FR3051924B1; IL263297B; CN109196715B; US20200127358A1; US10862186B2; FR3051924A1; WO2017208153A1; ES2881828T3; EP3465815A1; CN109196715A; IL263297A

Description

Domaine technique

La présente invention concerne un dispositif à guide d'ondes, un procédé fabrication dudit guide d'ondes et un support d'information pour la fabrication dudit guide d'ondes.

Etat de la technique

Les signaux radiofréquence (RF) peuvent se propager soit dans un espace libre, soit dans des dispositifs guide d'onde. Ces dispositifs guide d'onde sont utilisés pour canaliser les signaux RF ou pour les manipuler dans le domaine spatial ou fréquentiel.
La présente invention concerne en particulier les dispositifs RF passifs qui permettent de propager et de manipuler des signaux radiofréquence sans utiliser de composants électroniques actifs. Les guides d'onde passifs peuvent être répartis en trois catégories distinctes :

Les dispositifs basés sur le guidage d'ondes à l'intérieur de canaux métalliques creux, couramment appelés guides d'ondes.
Les dispositifs basés sur le guidage d'ondes à l'intérieur de substrats diélectriques.
Les dispositifs basés sur le guidage d'ondes au moyen d'ondes de surface sur des substrats métalliques tels que des circuits imprimés PCB, des microstrips, etc.

La présente invention concerne en particulier la première catégorie ci-dessus, collectivement désignée par la suite comme guides d'ondes. Des exemples de tels dispositifs incluent des guides d'ondes en tant que tels, des filtres, des antennes, des convertisseurs de mode, etc. Ils peuvent être utilisés pour le routage de signal, le filtrage fréquentiel, la séparation ou recombinaison de signaux, l'émission ou la réception de signaux dans ou depuis l'espace libre, etc.
Un exemple de guide d'ondes conventionnel est illustré sur la figure 1. Il est constitué par un dispositif creux, dont la forme et les proportions déterminent les caractéristiques de propagation pour une longueur d'onde donnée du signal électromagnétique. Les guides d'onde classiques utilisés pour les signaux radiofréquence ont des ouvertures internes de section rectangulaire ou circulaire. Ils permettent de propager des modes électromagnétiques correspondant à différentes distributions de champ électromagnétique le long de leur section. Dans l'exemple illustré le guide d'ondes a une hauteur B le long de l'axe y et une largeur A le long de l'axe x.
La figure 2 illustre schématiquement les lignes de champ électrique E et magnétique H dans un tel guide d'ondes. Le mode de propagation dominant est dans ce cas le mode transversal électrique appelé TE₁₀. L'indice 1 indique le nombre de demi-longueurs d'onde à travers la largeur du guide, et 0 le nombre de demi longueur d'onde le long de la hauteur.
Les figures 3 et 4 illustrent un guide d'ondes à section circulaire. Des modes de transmission circulaires peuvent se propager dans un tel guide d'onde. Les flèches sur la figure 4 illustrent le mode de transmission TE11 ; les flèches sensiblement verticales montrent le champ électrique, les flèches davantage horizontales le champ magnétique. L'orientation du champ change à travers la section du guide d'ondes.
Mis à part ces exemples d'ouvertures de guide d'ondes rectangulaires ou circulaires, d'autres formes d'ouverture ont été imaginées ou peuvent être imaginées dans le cadre de l'invention et qui permettent de maintenir un mode électromagnétique à une fréquence de signal donnée afin de transmettre un signal électromagnétique. Des exemples d'ouverture de guide d'ondes possibles sont illustrés sur la figure 5. La surface illustrée correspond à la section de l'ouverture du guide d'ondes, délimitée par des surfaces conductrices électriquement. La forme et la surface de la section peuvent en outre varier le long de la direction principale du dispositif à guide d'ondes.
La fabrication de guides d'ondes avec des sections complexes est difficile et coûteuse. Des travaux récents ont cependant démontré la possibilité de réaliser des composants guide d'ondes, y compris des antennes, des guides d'ondes, des filtres, des convertisseurs, etc, à l'aide de méthodes de fabrication additives, par exemple d'impression 3D. On connait en particulier la fabrication additive de guides d'ondes comportant à la fois des matériaux non conducteurs, tels que des polymères ou des céramiques, et des métaux conducteurs.
Des guides d'ondes comportant des parois céramiques ou polymères fabriquées par une méthode additive puis recouvertes d'un placage métallique ont notamment été suggérés. Les surfaces internes du guide d'ondes doivent en effet être conductrices électriquement pour opérer. L'utilisation d'une âme non conductrice permet d'une part de réduire le poids et le coût du dispositif, d'autre part de mettre en œuvre des méthodes d'impression 3D adaptées aux polymères ou aux céramiques et permettant de produire des pièces de haute précision avec une faible rugosité.
A titre d'exemple, l'article de Mario D'Auria et al, "3-D PRINTED METAL-PIPE RECTANGULAR WAVEGUIDES", 21 août 2015, IEEE Transactions on components, packaging and manufacturing technologies, Vol. 5, No 9, pages 1339-1349, décrit au paragraphe III un procédé de fabrication de l'âme d'un guide d'onde par dépôt de fil en fusion (FDM, Fused déposition modeling). Ce document reconnaît que la résolution obtenue par ce procédé est limitée par le diamètre de la buse d'extrusion, qui est de 400 micromètres. Il produit ainsi une âme relativement rugueuse. Une couche d'amorçage de 3 micromètres est déposée sur cette âme ; l'épaisseur de cette couche, par rapport à la résolution du procédé d'impression de l'âme et par rapport à la rugosité Ra de l'âme, est insuffisante pour produire un lissage significatif. Une couche conductrice de 27 micromètre de cuivre est ensuite déposée sur cette couche d'amorçage.
Le document WO2016030490 décrit une méthode pour fabriquer des articles par fabrication additive. Dans ce document, les pores de la surface générés par la fabrication additive sont recouverts par un revêtement antiadhésif, qui empêche l'adhérence de toutes substances qui entre en contact avec la surface. Ainsi, il n'est pas possible de déposer une couche supplémentaire sur ce revêtement, par exemple une couche conductrice.
Le document US 3195079 décrit un guide d'onde comprenant une âme en résine époxy recouverte d'une mono couche métallique, sans couche d'amorçage ni couche de lissage.
Un exemple de guide d'ondes 1 réalisé par fabrication additive est illustré sur la figure 6. Il comporte une âme 3 non conductrice, par exemple en polymère ou céramique, qui est fabriquée par exemple par stéréolithographie, par selective laser melting ou par un autre procédé additif et qui définit une ouverture interne 2 pour la propagation du signal RF. Dans cet exemple, la fenêtre a une section rectangulaire de largeur a et de hauteur b. Les parois internes de cette âme autour de l'ouverture 2 sont revêtues d'un revêtement électriquement conducteur 4, par exemple d'un placage métallique. Dans cet exemple, les parois externes du guide d'onde sont également revêtues d'un placage métallique 5 qui peut être du même métal et de la même épaisseur. Ce revêtement externe renforce le guide d'ondes face aux sollicitations mécaniques ou chimiques externes.
La figure 7 illustre une variante de guide d'ondes similaire à celui de la figure 6, mais sans le revêtement conducteur sur les faces externes.
Les guides d'ondes sont typiquement utilisés à l'extérieur, par exemple dans l'aérospatial (avion, hélicoptère, drone) pour équiper un engin spatial dans l'espace, sur un bateau en mer ou sur un engin sous-marin, sur des engins évoluant dans le désert ou en haute montagne, à chaque fois dans des conditions hostiles voire extrêmes. Dans ces milieux, les guides d'ondes sont notamment exposés à :

des pressions et des températures extrêmes qui varient de façon importante ce qui induit des chocs thermiques répétés;
un stress mécanique, le guide d'ondes étant intégré dans un engin qui subit des chocs, des vibrations et des charges qui impactent le guide d'ondes;
des conditions météorologiques et environnementales hostiles dans lesquels évoluent les engins équipés de guide d'ondes (vent, gel, humidités, sable, sels, champignons/bactéries) ;

Pour répondre à ces contraintes, on connait des guides d'ondes formés par assemblage de plaques métallique préalablement usinées, qui permettent de fabriquer des guides d'ondes aptes à évoluer dans des environnements hostiles. En revanche, la fabrication de ces guides d'ondes est souvent difficile, coûteuse et difficilement adaptable à la fabrication de guide d'ondes légers et aux formes complexes.
En ce qui concerne les guides d'ondes assemblés par fabrication additive, les techniques existantes ne permettent pas la fabrication de guides d'ondes suffisamment résistants pour évoluer en milieux hostiles. Les guides d'ondes existants, fabriqués par fabrication additive d'une âme en polymère dont la surface interne est recouverte de métal, ne présentent pas des caractéristiques mécaniques et structurelles qui permettent une utilisation satisfaisante dans les milieux hostiles où l'on utilise généralement les guides d'ondes. Exposés à des variations importantes de pressions ou de températures, la structure de ces guides d'ondes est instable et tend à se dégrader ce qui perturbe la transmission du signal RF. De plus, les guides d'ondes existants, fabriqués par fabrication additive d'un matériel conducteur, comme un matériel métallique, présentent des états de surface de trop faible qualité, notamment une rugosité trop importante, ce qui dégrade les performances RF du guide d'onde et rend la fabrication additive difficilement utilisable pour cette application.

Bref résumé de l'invention

Un but de la présente invention est de proposer un dispositif à guide d'onde exempt ou minimisant les limitations des dispositifs connus.
Un autre but de l'invention est de fournir un dispositif à guide d'ondes par fabrication additive qui puissent être utilisé dans des conditions hostiles.
Selon l'invention, ces buts sont atteints notamment au moyen d'un dispositif à dispositif à guide d'ondes pour guider un signal radiofréquence à une fréquence f déterminée, le dispositif comprenant:

une âme fabriquée par fabrication additive en matériau conducteur ou de préférence non conducteur, comprenant des parois latérales avec des surfaces externes et internes, les surfaces internes délimitant un canal de guide d'ondes les surfaces internes de l'âme comprenant des irrégularités qui définissent un valeur de rugosité,
une couche de lissage recouvrant la surface interne de l'âme, réalisée de manière à lisser au moins partiellement les irrégularités de la couche de la surface interne de l'âme l'épaisseur de ladite couche de lissage étant supérieure ou égale à la rugosité de l'âme,
une couche conductrice métallique recouvrant la couche de lissage, ladite couche conductrice étant formée d'un métal caractérisé par une profondeur de peau δ à la fréquence f,

la couche conductrice ayant une épaisseur au moins cinq fois égale à ladite profondeur de peau δ, de préférence au moins égale à vingt fois ladite profondeur de peau.
La profondeur de peau δ est définie comme: $δ = \sqrt{\frac{2}{μ 2 πf σ}}$
dans laquelle µ est la perméabilité magnétique du métal plaqué, f est la fréquence radio du signal à transmettre et σ est la conductivité électrique du métal plaqué. Intuitivement, il s'agit de l'épaisseur de la zone où se concentre le courant dans le conducteur, à une fréquence donnée.
Cette solution présente notamment l'avantage par rapport à l'art antérieur de fournir des guides d'ondes assemblés par fabrication additive qui sont plus résistants aux contraintes auxquelles ils sont exposés (contraintes thermiques, mécaniques, météorologiques et environnementales).
Dans les guides d'ondes assemblés par fabrication additive selon les méthodes existantes, les propriétés structurelles, mécaniques, thermiques et chimiques dépendent essentiellement des propriétés de l'âme. Typiquement, on connait des guides d'ondes dans lequel la couche conductrice déposée sur l'âme est très mince, inférieure à la profondeur de peau du métal constituant la couche conductrice. Ainsi, il était généralement admis que pour améliorer les propriétés structurelles et mécaniques des guides d'ondes il fallait augmenter l'épaisseur et/ou la rigidité de l'âme. Il était aussi admis qu'il faut réduire l'épaisseur de la couche pelliculaire conductrice, afin d'alléger la structure.
Les inventeurs ont découvert qu'en augmentant l'épaisseur de la couche conductrice pour que cette dernière atteigne une épaisseur au moins cinq fois égale à la profondeur de peau δ du métal de la couche conductrice, de préférence au moins égale à vingt fois cette profondeur, les propriétés structurelles, mécaniques, thermiques et chimiques du guide d'onde dépendent majoritairement, voire quasi exclusivement, de la couche conductrice. Ce comportement surprenant est observé bien que l'épaisseur de la couche conductrice reste significativement inférieure à l'épaisseur de l'âme.
Dans un mode de réalisation, la résistance du dispositif choisi parmi la résistance en traction, en torsion, en flexion ou une combinaison de ces résistances est conférée majoritairement par la couche conductrice. Par exemple, un moyen de caractériser la résistance d'un dispositif est de mesurer le module de Young. Il est admis que pour un matériau, plus le module de Young est élevé, plus le matériau est rigide. Par exemple, l'acier a un module de Young plus élevé que le caoutchouc. Selon un mode de réalisation, la couche conductrice est constituée de métal et est moins épaisse que l'âme et pourtant c'est la couche métallique qui assure l'essentielle de la rigidité du dispositif. Ainsi, il est possible de diminuer l'épaisseur de l'âme, et ainsi ses dimensions, tout en améliorant la résistance en traction, en torsion, en flexion du dispositif (cf. figure 12). Il est avantageux de pouvoir diminuer l'épaisseur des parois, et ainsi les dimensions du guide d'ondes, tout en augmentant la résistance en traction (par exemple la rigidité), en torsion, en flexion du guide d'ondes, notamment pour des engins spatiaux ou sous-marin ou lorsque l'espace disponible pour chaque composant est restreint.
Dans un mode de réalisation, la résistance du dispositif choisi parmi la résistance en traction, en torsion, en flexion ou une combinaison de ces résistances étant conférée majoritairement par la couche conductrice sur la plage de températures opérationnelles du dispositif. Par températures opérationnelles, on entend des températures entre -150°C et +150°C. Cette plage de températures permet de couvrir la majorité des températures ou le dispositif selon l'invention est susceptible d'évoluer (espace, désert, eaux profondes, etc...).
Dans un mode de réalisation, la couche conductrice a une épaisseur comprise entre vingt fois et soixante fois la profondeur de peau δ. Ce mode de réalisation permet de diminuer, voire de supprimer, la rugosité de la surface conductrice. Cela permet également de renforcer la résistance en traction, en torsion, en flexion du dispositif, par exemple la rigidité du guide d'ondes.
Dans un mode de réalisation, la couche conductrice a une épaisseur comprise entre soixante fois et mille fois la profondeur de peau δ. Une telle épaisseur de couche conductrice permet particulièrement de renforcer la résistance en traction, en torsion, en flexion du dispositif, par exemple la rigidité du guide d'ondes.
Le dispositif comprend une couche de lissage entre l'âme et la couche conductrice. A l'issue de la fabrication additive de l'âme, il a été observé que le processus de fabrication additive créé une forte rugosité (par exemple des creux et des bosses), notamment sur les bords et surface de l'âme, notamment sur les bords en biais. Ces creux et bosses peuvent prendre la forme de marches d'escalier, chaque marche représentant l'ajout d'une couche de matériau non conducteur lors de la fabrication additive. Il a été observé qu'après recouvrement de l'âme par une couche conductrice fine, la rugosité de l'âme persistaient de sorte que la surface après métallisation présentait encore une rugosité qui perturbait la transmission du signal RF. Dans ce cas, l'ajout d'une couche de lissage entre l'âme et la couche conductrice permet de diminuer, voire de supprimer, cette rugosité ce qui améliore la transmission du signal RF. La couche de lissage peut être en matériau conducteur ou non conducteur.
L'épaisseur de cette couche de lissage est de préférence comprise entre 5 et 500 microns, de préférence entre 10 et 150 microns, de préférence entre 20 et 150 microns. Dans le cas d'une fabrication de l'âme par stéréolithographie ou par selective laser melting, cette épaisseur permet de lisser efficacement les irrégularités de surface dues au procédé d'impression.
L'épaisseur de ladite couche de lissage est supérieure ou égale à la rugosité (Ra) de l'âme.
L'épaisseur de ladite couche de lissage est de préférence supérieure ou égale à la résolution du procédé de fabrication de l'âme.
Lorsque la couche de lissage comprend un matériau faiblement conducteur, par exemple le Nickel, la transmission du signal RF est assurée essentiellement par la couche conductrice métallique externe, l'influence de la couche de lissage est négligeable, et dans ce cas la couche conductrice externe doit avoir une épaisseur au moins cinq fois égale à ladite profondeur de peau δ, de préférence au moins 20 fois égale à cette profondeur de peau.
Dans un mode de réalisation, la résistance du dispositif choisi parmi la résistance en traction, en torsion, en flexion ou une combinaison de ces résistances est conférée majoritairement par la couche conductrice comprenant la couche de lissage.
Dans un mode de réalisation, la résistance du dispositif choisi parmi la résistance en traction, en torsion, en flexion ou une combinaison de ces résistances est conférée majoritairement par la couche conductrice comprenant la couche de lissage sur la plage de températures opérationnelles du dispositif.
L'utilisation d'une couche conductrice plus épaisse que ce qui serait exigé par l'épaisseur de peau contribue également à lisser les rugosités de l'âme dues à la résolution de l'imprimante 3D. Ainsi, la couche conductrice permet également de diminuer, voire de supprimer, la rugosité de l'âme.
Cette couche de lissage améliore aussi les propriétés structurelles, mécaniques, thermiques et chimiques du dispositif à guide d'ondes.
Dans un mode de réalisation, le dispositif comprend une couche d'accrochage (ou d'amorçage) entre l'âme et la couche conductrice. De préférence, la couche d'accrochage est sur la surface interne de l'âme. La couche d'accrochage peut être en matériau conducteur ou non conducteur. La couche d'accrochage permet d'améliorer l'adhésion de la conductrice sur l'âme. Son épaisseur est de préférence inférieure à la rugosité Ra de l'âme, et inférieure à la résolution du procédé de fabrication additive de l'âme.
Dans un mode de réalisation, le dispositif comprend successivement une âme non conductrice réalisée en fabrication additive, une couche d'accrochage, une couche de lissage et une couche conductrice. Ainsi, la couche d'accrochage et la couche de lissage permettent de diminuer la rugosité de la surface du canal guide d'ondes. La couche d'accrochage permet d'améliorer l'adhésion de l'âme, conductrice ou non conductrice, avec la couche de lissage et la couche conductrice.
Dans un mode de réalisation, la couche métallique comprend plusieurs sous-couches de métaux. Lorsque la couche conductrice comprend plusieurs couches successives de métaux fortement conducteurs, par exemple Cu, Au, Ag, la profondeur de peau δ est déterminée par les propriétés des matériaux de toutes les couches dans lesquelles se concentre le courant pelliculaire.
Lorsque la couche conductrice comprend plusieurs sous couches successives de métaux dont au moins un est un faible conducteur, par exemple Ni, la profondeur de peau δ de la sous-couche faiblement conductrice est négligeable dans le calcul de l'épaisseur de la couche conductrice, l'essentiel de la transmission du signal RF étant assurée par les sous couches en métaux fortement conducteurs déposés par-dessus la sous couche de matériaux faiblement conducteurs.
Dans un mode de réalisation, la couche métallique conductrice recouvre également la surface externe de l'âme. Lorsque le dispositif est recouvert d'une couche métallique, la rigidité du dispositif est améliorée.
Selon un mode de réalisation, l'âme comprend au moins une couche de polymère et/ou de céramique.
Dans un mode de réalisation, l'âme est formée d'un métal ou d'un alliage. Par exemple, le métal ou l'alliage est choisi parmi Cu, Au, Ag, Ni, Al, acier inoxydable, laiton ou une combinaison de ces choix.
Dans un mode de réalisation, la couche métallique comprend un métal choisi parmi Cu, Au, Ag, Ni, Al, acier inoxydable, laiton.
Dans un mode de réalisation, la couche d'accrochage comprend au choix un métal choisi parmi Cu, Au, Ag, Ni, Al, acier inoxydable, laiton, un matériau non conducteur par exemple un polymère ou une céramique ou une combinaison de ces choix.
Dans un mode de réalisation, la couche de lissage comprend au choix un métal choisi parmi Cu, Au, Ag, Ni, Al, acier inoxydable, laiton, un matériau non conducteur, par exemple un polymère ou une céramique ou une combinaison de ces choix.
Dans un mode de réalisation, le dispositif comprend successivement une âme, une couche d'accrochage, une couche de lissage en nickel, et ladite couche conductrice métallique.
Selon un mode de réalisation, le dispositif comprend successivement une âme non conductrice, une première couche de cuivre, une couche de nickel, une deuxième couche de cuivre. La couche d'accrochage comprend la première couche de cuivre. La couche de lissage comprend la couche de Ni. La couche métallique comprend la deuxième couche de Cu.
L'invention concerne également un procédé de fabrication d'un dispositif à guide d'ondes pour guider un signal radiofréquence à une fréquence f déterminée, le procédé comprenant des étapes selon la revendication 12.
Selon un mode de réalisation, le dépôt de la couche conductrice sur l'âme est effectué par dépôt électrolytique ou galvanoplastie, dépôt chimique, dépôt sous vide, dépôt physique par phase vapeur (PVD), dépôt par impression, dépôt par frittage.
Dans un mode de réalisation du procédé, la couche conductrice comprend plusieurs couches de métaux et/ou de non métaux déposées successivement.
Dans un mode de réalisation, la fabrication de ladite âme comporte une étape de fabrication additive. On entend par « fabrication additive » tout procédé de fabrication de pièces par ajout de matière, selon des données informatiques stockées sur un support informatique et définissant un modèle de la pièce. Outre la stéréolithographie et le selective laser melting, l'expression désigne aussi d'autres méthodes de fabrication par durcissement ou coagulation de liquide ou de poudre notamment, y compris sans limitation des méthodes basées sur des jets d'encre (binder jetting), DED (Direct Energy Déposition), EBFF (Electron beam freeform fabrication), FDM (fused déposition modeling), PFF (plastic freeforming), par aérosols, BPM (ballistic particle manufacturing), lit de poudre, SLS (Selective Laser Sintering), ALM (additive Layer Manufacturing), polyjet, EBM (electron beam melting), photopolymerisation, etc. La fabrication par stéréolithographie ou par selective laser melting est cependant préférée car elle permet d'obtenir des pièces avec des états de surface relativement propres, à faible rugosité, ce qui réduit les contraintes sur la couche de lissage.
Un exemple qui ne fais pas partie de l'invention montre un procédé de fabrication comprenant:

1) l'introduction de données représentant la forme d'une âme pour dispositif à guide d'ondes, l'âme comportant des parois latérales avec des surfaces externes et internes,
2) l'utilisation de ces données pour réaliser par fabrication additive une âme de dispositif à guide d'ondes,
3) la déposition d'une couche conductrice sur ladite âme, la couche conductrice étant caractérisée par une profondeur de peau δ à la fréquence f, de manière à recouvrir les surfaces internes de l'âme pour définir un canal guide d'ondes,
4) caractérisé en ce que lesdites données représentant la forme d'une âme sont déterminée en tenant compte de l'épaisseur de la couche conductrice de manière à ce que le guide d'onde soit optimisé pour la transmission de signal RF à la fréquence f, la couche conductrice ayant une épaisseur d'au moins cinq fois, de préférence vingt fois, la profondeur de peau δ.

Les dimensions du canal guide d'ondes sont déterminées en fonction de la fréquence de l'onde à transmettre. Il est nécessaire de connaitre l'épaisseur des couches conductrice et l'épaisseur des parois de l'âme pour calculer les dimensions (largeur et hauteur) du canal guide d'ondes. Dans le procédé selon l'invention, l'épaisseur de l'âme qui est fabriquée est calculée en tenant compte de l'épaisseur inhabituelle de la couche conductrice qui sera déposée dans un second temps sur l'âme pour obtenir un canal guide d'ondes aux dimensions requises.
L'invention concerne également un support de données informatique contenant des données destinées à être lues par un dispositif de fabrication additive pour fabriquer un objet, lesdites données représentant la forme d'une âme pour dispositif à guide d'ondes, ladite âme comportant des parois latérales avec des surfaces externes et internes, les surfaces internes définissant un canal de guide d'ondes.
Le support de données informatique peut être constitué par exemple par un disque dur, une mémoire flash, un disque virtuel, une clé USD, un disque optique, un support de stockage dans un réseau ou de type cloud, etc.
Les modes de réalisation du dispositif de guide d'onde s'appliquent mutatis mutandis aux procédés de fabrication et au support de données selon l'invention et vice versa.
Dans le contexte de l'invention, les termes « couche conductrice », « revêtement conducteur », « couche conductrice métallique » et « couche métallique » sont synonymes et interchangeables.

Brève description des figures

Des exemples de mise en œuvre de l'invention sont indiqués dans la description illustrée par les figures annexées dans lesquelles :

La figure 1 illustre une vue en perspective tronquée d'un dispositif guide d'onde conventionnel à section rectangulaire.
La figure 2 illustre les lignes de champ magnétiques et électriques dans le dispositif de la figure 1.
La figure 3 illustre une vue en perspective tronquée d'un dispositif guide d'ondes conventionnel à section circulaire.
La figure 4 illustre les lignes de champ magnétiques et électriques dans le dispositif de la figure 3.
La figure 5 illustre différentes sections possibles de canaux de transmission dans des dispositifs à guide d'ondes.
La figure 6 illustre une vue en perspective tronquée d'un dispositif guide d'onde à section rectangulaire produit par fabrication additive et dont les parois internes et externes sont toutes deux recouvertes d'une déposition de matériau électrique conducteur.
La figure 7 illustre une vue en perspective tronquée d'un dispositif guide d'ondes à section rectangulaire produit par fabrication additive et dont seules les parois internes sont recouvertes d'une déposition de matériau électrique conducteur.
Les figures 8A et 8B illustrent un dispositif selon un exemple qui ne fait pas partie de l'invention dans lequel l'âme est recouverte d'une seule couche conductrice sur la face interne et, respectivement, sur la face interne et externe.
Les figures 9A et 9B illustrent un dispositif selon un mode de réalisation dans lequel l'âme est recouverte d'une couche de lissage puis d'une couche conductrice sur la face interne et, respectivement, sur la face interne et externe.
Les figures 10A et 10B illustre un dispositif selon un autre mode de réalisation dans lequel l'âme est recouverte d'une couche d'accrochage, d'une couche de lissage puis d'une couche conductrice sur la face interne et, respectivement, sur la face interne et externe.
La figure 11 représente une vue en coupe longitudinale d'une portion de la surface rugueuse de l'âme de la couche de lissage et conductrice sur cette âme.
La figure 12 est un tableau comparatif des modules de Young pour un guide d'ondes selon l'art antérieur et un guide d'onde selon la présente invention.

Exemple(s) de mode de réalisation de l'invention

Les figures 9 et 10 représentent deux modes de réalisation d'un dispositif à guide d'ondes 1 selon l'invention, avec à chaque fois deux sous-variantes. Le guide d'ondes 1 comporte une âme 3, par exemple une âme en métal (aluminium, Titane ou acier), ou éventuellement en polymère, en époxy, en céramique, ou en matériau organique.
L'âme 3 est fabriquée par fabrication additive, de préférence par stéréolithographie ou par selective laser melting afin de réduire la rugosité de la surface. Le matériau de l'âme peut être non conducteur ou conducteur. L'épaisseur des parois de l'âme est par exemple entre 0,5 et 3 mm, de préférence entre 0,8 et 1,5mm.
La forme de l'âme peut être déterminée par un fichier informatique stocké dans un support de données informatique.
L'âme peut aussi être constituée de plusieurs parties formées par stéréolithographie ou par selective laser melting et assemblées entre elles avant le plaquage, par exemple par collage ou fusion thermique ou assemblage mécanique.
Cette âme 3 délimite un canal interne 2 destiné au guidage d'ondes, et dont la section est déterminée selon la fréquence du signal électromagnétique à transmettre. Les dimensions de ce canal interne a, b et sa forme sont déterminées en fonction de la fréquence opérationnelle du dispositif 1, c'est-à-dire la fréquence du signal électromagnétique pour lequel le dispositif est fabriqué et pour laquelle un mode de transmission stable et optionnellement avec un minimum d'atténuation est obtenu.
L'âme 3 présente une surface interne 7 et une surface externe 8, la surface interne 7 recouvrant les parois de l'ouverture de section rectangulaire 2.
Dans un exemple qui ne fait pas partie de l'invention illustré sur la figure 8A, la surface interne 7 de l'âme 3 en polymère est recouverte d'une couche métallique 4 conductrice, par exemple de cuivre, d'argent, d'or, de nickel etc, plaqué par déposition 25 chimique sans courant électrique. L'épaisseur de cette couche est par exemple comprise entre 1 et 20 micromètres, par exemple entre 4 et 10 micromètres.
L'épaisseur de ce revêtement conducteur 4 doit être suffisante pour que la surface soit conductrice électriquement à la fréquence radio choisie. Ceci est typiquement obtenu à l'aide d'une couche conductrice dont l'épaisseur est supérieure à la profondeur de peau δ.
Cette épaisseur est sensiblement constante sur toutes les surfaces internes afin d'obtenir une pièce finie avec des tolérances dimensionnelles pour le canal précises. Selon l'invention, l'épaisseur de cette couche 4 est au moins vingt fois supérieure à la profondeur de peau afin d'améliorer les propriétés structurelles, mécaniques, thermiques et chimiques du dispositif.
Sur l'exemple de la figure 8A, la surface externe 8 de l'âme est nue. Afin de la protéger, sur l'exemple de la figure 8B, cette surface externe est également recouverte d'une couche conductrice 5, qui contribue également à améliorer les propriétés structurelles, mécaniques, thermiques et chimiques du dispositif.
La déposition de métal conducteur 4,5 sur les faces internes 7 et éventuellement externes 8 se fait en immergeant l'âme 3 dans une série de bains successifs, typiquement 1 à 15 bains. Chaque bain implique un fluide avec un ou plusieurs réactifs. La déposition ne nécessite pas d'appliquer un courant sur l'âme à recouvrir. Un brassage et une déposition régulière sont obtenus en brassant le fluide, par exemple en pompant le fluide dans le canal de transmission et/ou autour du dispositif ou en vibrant l'âme 3 et/ou le bac de fluide, par exemple avec un dispositif vibrant à ultrasons pour créer des vagues ultrasoniques.
Dans le mode de réalisation illustré sur la figure 9A, la surface interne 7 de l'âme de polymère 3 est recouverte d'une couche de lissage 9, par exemple une couche en Ni. L'épaisseur de la couche de lissage 9 est au moins égale à la rugosité Ra de la surface interne 7, ou au moins égale à la résolution du procédé d'impression 3D utilisé pour fabriquer l'âme (la résolution du procédé d'impression 3D déterminant la rugosité Ra de la surface). Dans un mode de réalisation, l'épaisseur de cette couche est comprise entre 5 et 500 micromètres, de préférence entre 10 et 150 micromètres, de préférence entre 20 et 150 micromètres. Cette couche de lissage détermine également les propriétés mécaniques et thermiques du dispositif 1. La couche de Ni 9 est ensuite recouverte de la couche conductrice 4, par exemple en cuivre, en argent, en or etc.
La couche de lissage permet de lisser la surface de l'âme et donc de réduire les pertes de transmission dues à la rugosité de la surface interne.
Dans ce mode de réalisation, l'âme 3 est donc recouverte d'une couche métallique 4+9 formée d'une couche de lissage 9 et d'une couche conductrice 4. L'épaisseur totale de cette couche 4+9 est supérieure ou égale à cinq fois, de préférence vingt fois la profondeur de peau δ. La valeur du module de Young du dispositif 1 est conférée majoritairement par cette couche conductrice 4+9. L'épaisseur de la couche conductrice 4 peut aussi à être seule être supérieure ou égale à vingt fois la profondeur de peau δ. La couche la plus conductrice est de préférence déposée en dernier, à la périphérie.
De la même façon, sur la figure 9B, la surface interne 7 de l'âme non conductrice de polymère 3 est recouverte d'une couche de lissage 9 en Ni, déposée par déposition chimique. La couche de Ni 9 est ensuite recouverte par déposition chimique d'une couche conductrice 4 en Cu, dont l'épaisseur est au moins égale à vingt épaisseurs de peau à la fréquence de transmission nominale du guide d'ondes. La surface externe 8 de l'âme 3 est également recouverte par déposition chimique d'une couche de lissage 6 en nickel, qui sert aussi de support structurel. Une couche conductrice 5, par exemple du cuivre, peut être déposée par-dessus cette couche de lissage.
Dans le mode de réalisation illustré sur la figure 10A, le guide d'onde 1 comprend une couche d'accrochage 11, par exemple une couche en Cu, par-dessus la surface interne 7 de l'âme 3 ; cette couche d'accrochage facilite la déposition ultérieure de la couche de lissage 9 si une telle couche est prévue, ou de la couche conductrice 4. L'épaisseur de cette couche est avantageusement inférieure à 30 micromètres.
De la même façon, sur la figure 10B, le guide d'onde 1 comprend une couche d'accrochage 12, par exemple une couche en Cu, par-dessus la surface externe 8 de l'âme 3; cette couche d'accrochage facilite la déposition ultérieure de la couche de lissage 6.
La figure 11 est un schéma représentant une coupe longitudinale d'une portion de la surface interne 7 de l'âme 3 d'un dispositif guide d'onde 1 comportant un canal de guide d'onde 2. On voit que cette surface interne est très irrégulière ou rugueuse en raison du procédé de fabrication additive.
Par-dessus l'âme 3, le guide d'onde 1 comprend une couche d'accrochage 11, par exemple une couche en Cu entre 1 et 10 micromètres d'épaisseur.
Une couche de lissage 9, par exemple une couche en Ni, est déposée par déposition chimique et permet de lisser partiellement les irrégularités de la couche de la surface de l'âme 3. L'épaisseur de cette couche de lissage est au moins supérieure à la résolution du système d'impression additif et donc à la rugosité de Ra de la surface; dans un mode de réalisation, l'épaisseur de la couche de lissage 9 est comprise entre 5 et 500 micromètres, de préférence entre 20 et 150 micromètres.
Une troisième couche conductrice 4 en cuivre ou en argent est déposée par déposition chimique sur la couche de lissage 9; son épaisseur est de préférence supérieure ou égale à vingt fois l'épaisseur de peau à la fréquence f nominale du guide d'ondes, de manière à ce que les courants superficiels se concentrent majoritairement, voire presque exclusivement, dans cette couche. L'épaisseur relativement importante de cette couche conductrice 4 permet en outre de renforcer la rigidité mécanique du dispositif. Dans un mode de réalisation, l'épaisseur de cette couche est comprise entre 5 et 50 micromètres, de préférence entre 5 et 15 micromètres.
Ces dépositions peuvent être appliquées mutatis mutandis à la surface externe 8.

Le tableau de la figure 12 compare le module de Young d'un guide d'onde 1 entièrement en Al avec le module de Young d'un dispositif guide d'onde 1 selon l'invention. Le guide d'onde selon l'art antérieur utilisé pour cette comparaison est constitué d'une feuille d'Al de 500 micromètre d'épaisseur ayant un module de Young de 72500 N/mm². Le guide d'onde 1 selon l'invention utilisé dans cet exemple comprend une âme 3 en polymère de 1mm d'épaisseur, une couche d'accrochage 11 de Cu de 5 micromètre, une couche de lissage 9 en Ni de 90 micromètre et une couche conductrice 4 de Cu de 5 micromètre. L'épaisseur globale du revêtement est ainsi de 100 micromètre pour un module de Young de 214000 N/mm². L'influence des couches d'accrochage sur le module de Young est négligeable. On remarque que la résistance en flexion (rigidité en flexion) du guide d'onde selon l'invention est supérieure à celle du guide d'onde entièrement en aluminium selon l'art antérieur, pour un poids réduit.

Numéros de référence employés sur les figures

1	Dispositif guide d'ondes
a	Hauteur du guide d'ondes
b	Largeur du guide d'ondes
2	Canal guide d'onde
3	Âme
4	Revêtement conducteur interne
5	Revêtement conducteur externe
6	Couche de lissage ou structurelle
7	Surface interne de l'âme
8	Surface externe de l'âme
9	Couche de lissage
11	Couche d'accrochage interne
12	Couche d'accrochage externe

Claims

Dispositif à guide d'ondes (1) pour guider un signal radiofréquence à une fréquence f déterminée, le dispositif (1) comprenant:
- une âme (3) fabriquée par fabrication additive et comprenant des parois latérales avec des surfaces externes (8) et internes (7), les surfaces internes (7) délimitant un canal de guide d'ondes (2) les surfaces internes (7) de l'âme (3) comprenant des irrégularités qui définissent un valeur de rugosité (Ra),

- une couche de lissage (9) recouvrant la surface interne (7) de l'âme (3), réalisée de manière à lisser au moins partiellement les irrégularités de la couche de la surface interne de l'âme, l'épaisseur de ladite couche de lissage (9) étant supérieure ou égale à la rugosité (Ra) de l'âme,

- une couche conductrice métallique (4) recouvrant la couche de lissage, ladite couche conductrice métallique (4) étant formée d'un métal caractérisé par une profondeur de peau δ à la fréquence f, la couche conductrice métallique (4) ayant une épaisseur au moins égale à cinq fois ladite profondeur de peau δ.
Dispositif à guide d'onde (1) selon la revendication 1, l'épaisseur de ladite couche de lissage (9) est comprise entre 5 et 500 microns, de préférence entre 10 et 150 microns, de préférence entre 20 et 150 microns.
Dispositif à guide d'onde (1) selon l'une des revendications 1 ou 2, l'épaisseur de ladite couche de lissage (9) étant supérieure ou égale à la résolution du procédé de fabrication de l'âme.
Dispositif à guide d'onde (1) selon l'une des revendications 1 à 3, l'âme étant formée d'un métal ou d'un alliage.
Dispositif à guide d'onde (1) selon l'une des revendications 1 à 4, l'âme (3) étant réalisée par stéréolithographie ou par selective laser melting.
Dispositif à guide d'onde (1) selon l'une des revendications 1 à 5, la couche métallique (4) comprenant au choix un métal choisi parmi Cu, Au, Ag, Ni, Al, acier inoxydable, laiton ou une combinaison de ces métaux.
Dispositif à guide d'onde (1) selon l'une des revendications 1 à 6, l'épaisseur de ladite couche conductrice métallique (4) étant au moins égale à vingt fois ladite profondeur de peau δ.
Dispositif à guide d'onde selon l'une des revendications 1 à 7, comportant en outre une couche d'accrochage (11) entre ladite âme et ladite couche de lissage.
Dispositif à guide d'onde (1) selon la revendication 1 à 8, la résistance du dispositif (1) choisie parmi la résistance en traction, en torsion, en flexion ou une combinaison de ces résistances étant conférée majoritairement par la couche conductrice (4).
Dispositif à guide d'onde (1) selon la revendication 9, la résistance du dispositif (1) choisi parmi la résistance en traction, en torsion, en flexion ou une combinaison de ces résistances étant conférée majoritairement par la couche conductrice (4) et par la couche de lissage (9).
Dispositif à guide d'onde (1) selon l'une des revendications 1 à 10, comprenant une couche métallique (5) recouvrant la surface externe (8) de l'âme (3).
Procédé de fabrication d'un dispositif à guide d'ondes (1) pour guider un signal radiofréquence à une fréquence f déterminée, le procédé comprenant:
- Fabriquer une âme (3) comprenant des parois latérales avec des surfaces externes (8) et internes (7), les surfaces internes (7) délimitant un canal de guide d'ondes (2) les surfaces internes (7) de l'âme (3) comprenant des irrégularités qui définissent un valeur de rugosité (Ra),

- Déposer sur la surface interne (7) de l'âme (3) successivement une couche de lissage (9) et une couche conductrice (4), l'épaisseur de la couche de lissage étant supérieure ou égale à la rugosité (Ra) de l'âme (3) de manière à lisser au moins partiellement les irrégularités de la couche de la surface interne de l'âme, ladite couche conductrice (4) étant formée d'un métal caractérisé par une profondeur de peau δ à la fréquence f, ladite couche conductrice (4) a une épaisseur au moins égale à cinq fois ladite profondeur de peau δ.
Procédé selon la revendication 12, la fabrication de l'âme comportant une étape de fabrication additive par stéréolithographie ou par selective laser melting.
Procédé selon la revendication 13, comportant la déposition d'une couche d'accrochage entre ladite âme et ladite couche de lissage.
Support de données informatique pour un dispositif de fabrication additive, le support comprenant des instructions qui, lorsqu'elles sont exécutées par le dispositif de fabrication additive, mettent en œuvre les étapes d'un procédé selon l'une des revendications 12-14.