FR2890792A1 - Phased array antenna element for thermal radiator loop, has microfrequency plate formed on intrinsic semiconductor wafer, and diodes disposed on wafer, where diodes are independently polarized with respect to each other - Google Patents
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Abstract
Description
ELEMENT D'ANTENNE RESEAU ET ANTENNE RESEAU A BALAYAGE ELECTRONIQUE PARNETWORK ANTENNA ELEMENT AND NETWORK ELECTRONIC SCANNING NET ANTENNA
REFLEXION ET PROCEDE DE REALISATIONREFLEXION AND METHOD OF MAKING
DE CET ELEMENTOF THIS ELEMENT
La présente invention se rapporte à un élément d'antenne réseau à balayage électronique par réflexion à déphaseurs intégrés, comprenant un réflecteur actif illuminé par une source primaire de rayonnement et qui comprend un plan de masse réflecteur et un substrat semiconducteur portant un circuit périodique composé de diodes diffusées ou implantées et de métallisations constituant des éléments de couplage à l'onde incidente. The present invention relates to an integrated phase-shifter reflection grating array antenna element comprising an active reflector illuminated by a primary radiation source and which comprises a reflector ground plane and a semiconductor substrate carrying a periodic circuit composed of diffused or implanted diodes and metallizations constituting coupling elements to the incident wave.
L'invention concerne également une antenne réseau utilisant ces éléments et un procédé pour la réalisation d'un tel élément. The invention also relates to a network antenna using these elements and a method for producing such an element.
Il est maintenant bien connu de réaliser des antennes à balayage électronique par réflexion. Ce type d'antenne comprend une source primaire de rayonnement illuminant un réseau réflecteur actif qui permet de modifier localement point par point la phase de l'onde incidente se réfléchissant sur lui. Ceci permet de dévier le faisceau réfléchi en fonction des déphasages introduits et donc de réaliser une antenne à balayage électronique si les déphasages sont contrôlés électroniquement. It is now well known to make reflective electronic scanning antennas. This type of antenna comprises a primary source of radiation illuminating an active reflective grating which makes it possible locally to modify point by point the phase of the incident wave reflected on it. This makes it possible to deflect the reflected beam as a function of the phase shifts introduced and thus to make an electronically scanned antenna if the phase shifts are electronically controlled.
Une première solution pour réaliser ce type d'antenne est représentée sur la figure 1. Une source primaire 1 illumine un réflecteur généralement plan, constitué d'une mosaïque de modules. Chaque module comprend un élément rayonnant 3 et un déphaseur 4 fermé sur un court-circuit. L'onde émise par la source 1 est captée par les éléments 3, subit un premier 30 déphasage cp dans les déphaseurs, est réfléchie sur le court-circuit, subit un second déphasage dans les déphaseurs et est ensuite rayonnée par les éléments 3. Si les déphasages dans les différents déphaseurs sont convenablement contrôlés, on peut 15 20 25 donc commander la direction d'émission de l'antenne. Un inconvénient de cette solution est qu'elle exige une adaptation parfaite de chaque élément rayonnant. Toute désadaptation peut provoquer d'une part la réflexion d'une partie de l'énergie reçue de la source primaire sans que la phase en soit modifiée par le déphaseur associé et d'autre part la réflexion vers le courtcircuit d'une partie de l'énergie qui a suivi la voie normale et doit être rayonnée après passage dans le déphaseur. Cette partie d'énergie subit un nouveau passage dans le déphaseur et ne présente donc plus la phase choisie, lors de son émission. L'élément rayonnant doit donc être soigneusement adapté, ce qui est en pratique très difficile dans l'environnement constitué par le réseau. A first solution for producing this type of antenna is shown in FIG. 1. A primary source 1 illuminates a generally planar reflector consisting of a mosaic of modules. Each module comprises a radiating element 3 and a phase shifter 4 closed on a short circuit. The wave emitted by the source 1 is picked up by the elements 3, undergoes a first phase shift cp in the phase shifters, is reflected on the short-circuit, undergoes a second phase shift in the phase-shifters and is then radiated by the elements 3. If the phase shifts in the different phase shifters are suitably controlled, so the direction of transmission of the antenna can be controlled. A disadvantage of this solution is that it requires a perfect adaptation of each radiating element. Any mismatch can cause, on the one hand, the reflection of a part of the energy received from the primary source without the phase being modified by the associated phase-shifter and, on the other hand, the reflection towards the short-circuit of a part of the energy that has followed the normal path and must be radiated after passing through the phase-shifter. This part of energy undergoes a new passage in the phase-shifter and thus no longer presents the phase chosen, during its emission. The radiating element must therefore be carefully adapted, which is in practice very difficult in the environment constituted by the network.
Une autre solution consiste à obtenir un coefficient de réflexion d'amplitude unité et de phase variable en plaçant une impédance réactive variable devant un court-circuit comme cela est représenté sur la figure 2. Ainsi on peut contrôler localement le coefficient de réflexion en plaçant un réseau d'éléments réactifs devant un réflecteur. En pratique, ces éléments réactifs sont constitués d'un élément de couplage à l'onde incidente, par exemple un dipôle rayonnant, et d'une charge réactive variable, par exemple une diode à capacité variable ou une diode ou groupe de diodes à deux états telle qu'une diode P.I.N. On polarise ces diodes par des tensions amenées par un câblage découplé de l'onde hyperfréquence. Another solution is to obtain a unity amplitude reflection coefficient and variable phase by placing a variable reactive impedance in front of a short circuit as shown in Figure 2. Thus we can locally control the reflection coefficient by placing a network of reactive elements in front of a reflector. In practice, these reactive elements consist of an incident wave coupling element, for example a radiating dipole, and a variable reactive charge, for example a variable capacitance diode or a diode or group of two diodes. states such as a PIN diode These diodes are biased by voltages fed by decoupled wiring of the microwave wave.
Un premier mode de réalisation connu, représenté sur la figure 3, consiste à utiliser un câblage perpendiculaire au plan réflecteur 10. Dans ce cas, chaque module comportant l'élément rayonnant 7, la diode 8, le câblage et une capacité de découplage 9 est porté par une plaquette unique 6 perpendiculaire au réflecteur. Cette mise en oeuvre est plus aisée que la précédente mais la mise en place des diodes reste une opération onéreuse. A first known embodiment, shown in FIG. 3, consists in using a wiring perpendicular to the reflector plane 10. In this case, each module comprising the radiating element 7, the diode 8, the wiring and a decoupling capacitor 9 is carried by a single plate 6 perpendicular to the reflector. This implementation is easier than the previous one but the establishment of the diodes remains an expensive operation.
Un autre mode de réalisation, représenté sur la figure 4, consiste à utiliser un câblage parallèle au plan réflecteur mais perpendiculaire au champ électrique de l'onde hyperfréquence. Le mode de réalisation le plus simple représenté consiste à relier tous les éléments d'une même ligne (ou colonne) pour les alimenter ensemble ce qui diminue notablement le nombre de fils d'amenée des polarisations. Ainsi, les éléments de couplage 13, les lignes 11, 12 et les diodes 10 sont portés par un même support parallèle au plan réflecteur. Là aussi, se retrouve l'inconvénient de la mise en place des diodes. De plus, le contrôle de la phase ne se fait que de ligne à ligne et non d'élément à élément, ce qui limite donc le balayage du faisceau à un seul plan. Another embodiment, shown in FIG. 4, consists in using a wiring parallel to the reflective plane but perpendicular to the electric field of the microwave wave. The simplest embodiment represented is to connect all the elements of the same line (or column) to feed them together which significantly reduces the number of lead wires polarizations. Thus, the coupling elements 13, the lines 11, 12 and the diodes 10 are carried by a same support parallel to the reflective plane. Here again, there is the disadvantage of the introduction of the diodes. In addition, the control of the phase is done only from line to line and not from element to element, which therefore limits the scanning of the beam to a single plane.
Ces inconvénients sont encore accentués et le coût devient prohibitif lorsque l'on considère le cas d'antennes devant fonctionner dans la bande millimétrique. En effet, dans cette bande millimétrique, les dimensions des antennes peuvent être de l'ordre de dizaines de longueurs d'onde alors que le nombre de diodes, espacées d'environ une demi-longueur d'onde suivant les deux dimensions, s'élève donc à des milliers ou dizaines de milliers. Dans un tel cas, il devient pratiquement exclu d'effectuer une mise en place individuelle des diodes. Pour remédier à ce problème, une autre solution utilisant les techniques de production de diodes et de câblage collectives a été proposée dans la demande de brevet français n 86 03648 déposée le 14 mars 1986. Selon cette demande de brevet, les éléments de couplage CP (figure 5), les diodes de contrôle D et les câblages sont réalisés sur un même substrat semiconducteur S au moyen des techniques d'intégration monolithique. La face du substrat opposée aux éléments de couplage CP comporte un plan de masse PM qui joue le rôle de plan réflecteur. La figure 6 représente une vue de dessus d'un circuit périodique mettant en oeuvre ce principe et permettant le contrôle de phase. Ce circuit comporte trois bandes métallisées 14, 15, 16 qui sont reliées entre elles, à un pas sensiblement d'une demi- longueur d'onde, par des diodes 17. Les bandes successives sont reliées à leur extrémité par une capacité de découplage; la bande 15 est reliée à la masse et des tensions V1 et V2 sont appliquées aux bandes 14 et 16 pour polariser convenablement les diodes. Celles-ci sont obtenues, par une technologie Planar par exemple, par diffusion directe dans une tranche de semiconducteur 18 servant de substrat et dont la face arrière porte une métallisation 19 comme on le voit sur la figure 7. These disadvantages are further accentuated and the cost becomes prohibitive when one considers the case of antennas having to operate in the millimetric band. Indeed, in this millimetric band, the dimensions of the antennas can be of the order of tens of wavelengths while the number of diodes, spaced by about half a wavelength in two dimensions, s' therefore raises to thousands or tens of thousands. In such a case, it becomes practically impossible to carry out individual placement of the diodes. To remedy this problem, another solution using the techniques of production of diodes and collective wiring has been proposed in the French patent application No. 86 03648 filed March 14, 1986. According to this patent application, the CP coupling elements ( FIG. 5), the control diodes D and the wirings are made on the same semiconductor substrate S by means of monolithic integration techniques. The face of the substrate opposite to the coupling elements CP comprises a ground plane PM which acts as a reflective plane. FIG. 6 represents a view from above of a periodic circuit implementing this principle and allowing the phase control. This circuit comprises three metallized strips 14, 15, 16 which are connected together, at a step substantially of half a wavelength, by diodes 17. The successive bands are connected at their end by a decoupling capacitor; the strip 15 is connected to ground and voltages V1 and V2 are applied to the strips 14 and 16 to properly bias the diodes. These are obtained by a Planar technology, for example, by direct diffusion in a semiconductor wafer 18 serving as a substrate and whose back face carries a metallization 19 as seen in FIG. 7.
Une telle réalisation présente l'avantage d'un coût très réduit et d'une très faible dispersion des caractéristiques d'un élément à l'autre, ce qui est fondamental pour la réalisation d'une antenne à balayage électronique. Cependant, la solution décrite ci-dessus, si elle permet un circuit de câblage réduit à une mise en parallèle des éléments réactifs en commandant les diodes par lignes, a l'inconvénient de ne permettre le balayage que dans un seul plan. Such an embodiment has the advantage of a very low cost and a very low dispersion of characteristics from one element to another, which is fundamental for the realization of an electronic scanning antenna. However, the solution described above, if it allows a wiring circuit reduced to a paralleling of the reactive elements by controlling the diodes by lines, has the disadvantage of allowing the sweep in only one plane.
Le but de la présente invention est de remédier à cet inconvénient. The object of the present invention is to overcome this disadvantage.
Un objet de l'invention est donc de réaliser un élément d'antenne à balayage électronique mettant à profit les avantages d'une utilisation des techniques connues d'intégration monolithique tout en conservant une alimentation individuelle des diodes de manière à obtenir des balayages dans deux plans perpendiculaires. An object of the invention is therefore to provide an electronic scanning antenna element that makes use of the advantages of using known techniques of monolithic integration while maintaining an individual supply of the diodes so as to obtain scans in two perpendicular planes.
Selon l'invention, il est prévu un élément d'antenne réseau à balayage électronique par réflexion à déphaseurs intégrés comprenant un réflecteur actif illuminé par une source primaire de rayonnement et qui comprend un plan de masse réflecteur et un substrat semiconducteur portant un circuit périodique composé de diodes diffusées ou implantées et de métallisations constituant des éléments de couplage à l'onde incidente, caractérisé en ce qu'il comprend: - une première partie hyperfréquence réalisée sur au moins une plaquette de semiconducteur intrinsèque sur la face avant de laquelle sont disposés lesdites diodes, diffusées ou implantées à un pas inférieur ou sensiblement égal à une demi-longueur d'onde, et les métallisations constituant les motifs de couplage 15 20 25 30 et les conducteurs de polarisation des diodes, plaquette qui est percée de trous métallisés reliés auxdits conducteurs et dont la face arrière est métallisée pour réaliser un plan de masse et des pastilles d'amenée de polarisation reliées au débouché des trous métallisés; - une deuxième partie de commande, réalisée sur au moins une plaquette de semiconducteur dopé associée à ladite première partie, ladite deuxième partie comportant les amplificateurs et logiques de commande intégrés sur la ou lesdites plaquettes de semiconducteur dopé qui portent sur une de leurs faces en regard de la face arrière de la partie hyperfréquence, des plages de métallisation soudables constituant les sorties desdits amplificateurs de commande, situées en regard desdites pastilles d'amenée de polarisation et soudées à ces pastilles; et - un réseau de conducteurs d'alimentation des amplificateurs de commande, logiques de commande et diodes, ce réseau étant réalisé selon la technique des circuits imprimés sur la face avant de ladite deuxième partie ou sur la face arrière de ladite première partie. According to the invention, there is provided an integrated phase-shifter reflection grating array antenna element comprising an active reflector illuminated by a primary radiation source and which comprises a reflective ground plane and a semiconductor substrate carrying a compound periodic circuit. of diffused or implanted diodes and metallizations constituting coupling elements to the incident wave, characterized in that it comprises: a first microwave part made on at least one intrinsic semiconductor wafer on the front face of which are disposed said diodes, diffused or implanted at a pitch less than or substantially equal to half a wavelength, and the metallizations constituting the coupling patterns 15 and the polarization conductors of the diodes, which plate is pierced with metallized holes connected to said conductors and the back side of which is metallized to n ground plane and bias supply pads connected to the outlet of the metallized holes; a second control part, made on at least one doped semiconductor wafer associated with said first part, said second part comprising the integrated control amplifiers and logic on said doped semiconductor wafer (s) which bear on one of their facing faces; the rear face of the microwave portion, weldable metallization pads constituting the outputs of said control amplifiers, located opposite said bias supply pads and welded to these pads; and a network of supply conductors for control amplifiers, control logic and diodes, this network being produced according to the printed circuit technique on the front face of said second part or on the rear face of said first part.
L'invention repose sur l'idée de réaliser en deux parties l'élément d'antenne de façon à réaliser chaque partie, hyperfréquence et de commande, selon sa technologie standard. The invention is based on the idea of carrying out in two parts the antenna element so as to realize each part, microwave and control, according to its standard technology.
Selon un autre aspect de l'invention, il est prévu une antenne réseau à balayage électronique par réflexion à déphaseurs intégrés caractérisée en ce qu'elle comporte plusieurs éléments d'antenne du type prévu ci-dessus, juxtaposés et montés sur un socle radiateur thermique unique. According to another aspect of the invention, there is provided an array antenna with integrated phase shifter reflection characterized in that it comprises several antenna elements of the type provided above, juxtaposed and mounted on a thermal radiator base unique.
Selon encore un autre aspect de l'invention, il est prévu un procédé de réalisation d'un élément d'antenne réseau à balayage électronique par réflexion à déphaseurs intégrés comprenant un plan de masse réflecteur et un substrat semiconducteur portant un circuit périodique composé de diodes diffusées ou implantées et de métallisations constituant des éléments de couplage à l'onde incidente, ledit procédé étant caractérisé en ce qu'il consiste à : - diffuser ou implanter, par une technique d'intégration connue en soi, lesdites diodes sur la face avant d'au moins une première plaquette de semiconducteur intrinsèque à un pas inférieur ou sensiblement égal à une demi-longueur d'onde; - réaliser une première métallisation de reprise de contact permettant le test desdites diodes; - tester lesdites diodes et couper les connexions des diodes considérées comme non conformes; - percer dans ladite ou lesdites plaquettes des trous pour l'arrivée des polarisations aux diodes; -métalliser ladite ou lesdites plaquettes sur leurs deux faces ainsi que dans les trous; - définir, par un procédé de gravure convenable, sur la face avant de la ou des plaquettes les éléments de couplage et les conducteurs de polarisation des diodes et sur la face arrière le plan de masse et les pastilles d'amenée de polarisation des diodes au débouché desdits trous métallisés; effectuer une métallisation par un procédé double couche isolant puis métal, pour obtenir les capacités de découplage des polarisations des diodes, sur une des faces de la plaquette; -réaliser, par une technique d'intégration connue en soi, sur au moins une seconde plaquette de semiconducteur dopé des amplificateurs de commande de diode avec leur logique de commande, au même pas que lesdites diodes des premières plaquettes, les sorties des amplificateurs de commande vers les diodes étant constituées par des plages de métallisation soudables situées dans les mêmes positions que les pastilles d'amenée de polarisation de la face arrière de la ou des premières plaquettes; - former un réseau de conducteurs d'alimentation sur la face avant de la seconde plaquette ou la face arrière de la première plaquette; et - souder entre elles lesdites plages de métallisation et lesdites pastilles d'amenée de polarisation correspondantes pour assembler les premières et secondes plaquettes. According to yet another aspect of the invention, there is provided a method for producing an integrated phase shifter reflection grating array antenna element comprising a reflector ground plane and a semiconductor substrate carrying a periodic diode circuit. diffused or implanted and metallizations constituting coupling elements to the incident wave, said method being characterized in that it consists in: diffusing or implanting, by an integration technique known per se, said diodes on the front face at least a first intrinsic semiconductor wafer at a pitch less than or substantially equal to half a wavelength; - Performing a first contact recovery metallization for testing said diodes; - Test said diodes and cut the connections of the diodes considered as non-compliant; - Drilling in said one or more plates holes for the arrival of polarizations to the diodes; metallizing said one or more wafers on their two faces as well as in the holes; to define, by a suitable etching method, on the front face of the plate or plates the coupling elements and the polarization conductors of the diodes and on the rear face the ground plane and the polarization supply pads of the diodes at the outlet of said metallized holes; performing a metallization by a double insulating layer then metal process, to obtain the decoupling capabilities of the polarizations of the diodes, on one side of the wafer; implementing, by an integration technique known per se, on at least one second doped semiconductor wafer diode control amplifiers with their control logic, at the same step as said diodes of the first wafers, the outputs of the control amplifiers to the diodes being constituted by weldable metallization pads located in the same positions as the polarization supply pads of the rear face of the first plate or plates; forming a network of supply conductors on the front face of the second wafer or the rear face of the first wafer; and - welding together said metallization pads and said corresponding bias supply pads to assemble the first and second pads.
Un tel procédé permet une réalisation économique et de qualité parfaitement satisfaisante, même aux longueurs d'onde millimétriques. Such a method allows an economic realization and quality perfectly satisfactory, even at millimeter wavelengths.
L'invention sera mieux comprise et d'autres caractéristiques et avantages apparaîtront à l'aide de la description ci-après et des dessins joints où : - les figures 1 à 4 montrent des schémas explicatifs des principes de réalisations connues d'antenne réseau à balayage électronique par réflexion; - les figures 5 à 7 représentent des schémas de principe d'un mode de réalisation connu mettant en oeuvre des techniques d'intégration monolithique; - la figure 8 est un schéma explicatif du procédé de réalisation de la partie hyperfréquence de l'antenne réseau selon l'invention; - la figure 9 est une coupe de l'élément d'antenne selon l'invention avant assemblage des deux parties hyperfréquence et de commande; - la figure 10 est un schéma des circuits portés par la partie de commande de l'élément d'antenne selon l'invention; - la figure 11 est un schéma d'une antenne réseau complète selon l'invention; - la figure 12 est une vue en coupe d'une antenne réseau réalisée selon l'invention; - la figure 13 représente, en coupe, une variante d'élément d'antenne selon l'invention; et - la figure 14 représente, en coupe, une autre variante selon l'invention. The invention will be better understood and other features and advantages will become apparent from the following description and the accompanying drawings in which: FIGS. 1 to 4 show explanatory diagrams of the principles of known embodiments of network antennas; electronic scanning by reflection; FIGS. 5 to 7 show schematic diagrams of a known embodiment implementing monolithic integration techniques; FIG. 8 is an explanatory diagram of the method for producing the microwave part of the network antenna according to the invention; - Figure 9 is a section of the antenna element according to the invention before assembly of the two microwave and control parts; FIG. 10 is a diagram of the circuits carried by the control part of the antenna element according to the invention; FIG. 11 is a diagram of a complete network antenna according to the invention; - Figure 12 is a sectional view of a network antenna made according to the invention; - Figure 13 shows, in section, an alternative antenna element according to the invention; and FIG. 14 represents, in section, another variant according to the invention.
Les figures 1 à 7 ont déjà été décrites ci-dessus en relation avec l'art antérieur. Figures 1 to 7 have already been described above in relation to the prior art.
Comme on l'a vu, en particulier pour des ondes millimétriques, seules les techniques d'intégration monolithique permettent d'obtenir en pratique et à des coûts acceptables des antennes à balayage électronique par réflexion. As we have seen, especially for millimeter waves, only monolithic integration techniques make it possible to obtain reflective electronic scanning antennas in practice and at acceptable costs.
Cependant., les réalisations connues ne permettent pas d'obtenir un balayage dans les deux plans. However, the known embodiments do not allow to obtain a scan in both planes.
Le principe de base de l'invention, pour résoudre ce problème, est de séparer en deux parties l'antenne ou l'élément d'antenne. En effet, pour produire les milliers de diodes nécessaires à un pas millimétrique, il est indispensable d'intégrer monolithiquement les diodes et leur élément de couplage. S'agissant de diodes au silicium ou à l'arséniure de gallium, ou autre matériau, elles doivent être intégrées sur une plaquette de semiconducteur intrinsèque qui comportera toute la partie hyperfréquence. The basic principle of the invention, to solve this problem, is to separate in two parts the antenna or the antenna element. Indeed, to produce the thousands of diodes necessary to a millimeter, it is essential to monolithically integrate the diodes and their coupling element. As silicon diodes or gallium arsenide, or other material, they must be integrated on an intrinsic semiconductor wafer that will include the entire microwave part.
Par ailleurs, pour obtenir un balayage électrique dans les deux plans, il est nécessaire de pouvoir polariser les diodes (ou groupes de diodes) indépendamment les unes des autres. Il faut donc leur associer des amplificateurs de commande ("driver" dans la littérature anglo-saxonne) élémentaires, eux-mêmes facilement commandables. Furthermore, to obtain an electrical scan in both planes, it is necessary to be able to bias the diodes (or groups of diodes) independently of each other. It is therefore necessary to associate them with elementary control amplifiers ("drivers" in the Anglo-Saxon literature), themselves easily controllable.
Selon l'invention, il est prévu d'intégrer ces amplificateurs et leur logique de commande sur une même plaquette de semiconducteur disposée à l'arrière du plan réflecteur et facilement reliable à la plaquette hyperfréquence. According to the invention, it is planned to integrate these amplifiers and their control logic on the same semiconductor wafer disposed at the rear of the reflector plane and easily connectable to the microwave wafer.
La figure 8 montre une vue partielle de la plaquette hyperfréquence à deux stades différents de réalisation. Dans un premier stade, on diffuse sur la face avant de la plaquette en semiconducteur intrinsèque une matrice de diodes P.I.N. 20, à un pas de l'ordre d'une demi-longueur d'onde, avec des plages de métallisation de test 21 (partie gauche de la figure 8). Ces métallisations des diodes ainsi prédiffusées permettent de tester les diodes et éventuellement de couper au laser les connexions des diodes court-circuitées, ce qui évitera ensuite aux sources de polarisation de débiter inutilement dans de telles diodes. 1.5 Figure 8 shows a partial view of the microwave wafer at two different stages of realization. In a first stage, a matrix of P.I.N. diodes is diffused onto the front face of the intrinsic semiconductor wafer. 20, at a step of the order of half a wavelength, with test metallization pads 21 (left-hand part of FIG. 8). These metallizations of the diodes thus prediffused make it possible to test the diodes and possibly to cut the connections of the short-circuit diodes to the laser, which will then prevent the polarization sources from unnecessarily discharging into such diodes. 1.5
Dans la mesure où le nombre de diodes non conformes reste inférieur à une dizaine de pourcent par plaquette et où leur répartition est aléatoire, ceci ne nuit pas de façon appréciable aux performances de l'antenne. Insofar as the number of non-compliant diodes remains less than about ten percent per wafer and their distribution is random, this does not significantly affect the performance of the antenna.
On perce ensuite dans la plaquette des trous fins (25 sur la partie droite de la figure 8) soit au laser, soit chimiquement ou par tout autre procédé convenable, pour l'arrivée de la polarisation aux diodes. Puis la plaquette est métallisée sur ses deux faces ainsi que dans les trous. On définit ensuite par un procédé de gravure, tel que la photolithographie, sur la face avant de la plaquette les motifs de couplage 23 et les conducteurs de polarisation 22 entre les trous métallisés 25 et les diodes 20 (partie droite de la figure 8). Les trous sont placés dans des zones de l'antenne à minimum de champ et ne captent donc qu'une très faible partie de l'énergie hyperfréquence. Cependant, si nécessaire, il est possible de prévoir des capacités de découplage 24 obtenues selon le procédé classique du double couche utilisé dans les circuits intégrés. Thin holes (on the right side of FIG. 8) are then drilled in the wafer either by laser, or chemically or by any other suitable method, for the arrival of the polarization at the diodes. Then the plate is metallized on both sides as well as in the holes. An etching process, such as photolithography, is then defined on the front face of the wafer with the coupling patterns 23 and the polarization conductors 22 between the metallized holes 25 and the diodes 20 (right part of FIG. 8). The holes are placed in areas of the antenna with a minimum of field and thus capture only a very small portion of the microwave energy. However, if necessary, it is possible to provide decoupling capabilities 24 obtained by the conventional double-layer method used in integrated circuits.
Le même procédé de gravure permet de définir sur la face arrière de la plaquette le plan de masse et les pastilles d'amenée de polarisation au débouché des trous métallisés. On peut voir cette réalisation sur la figure 9 qui est une coupe, selon IX-IX sur la figure 8, de l'élément d'antenne selon l'invention avant assemblage des deux parties hyperfréquence et commande. La plaquette hyperfréquence est constituée par une tranche 26 de semiconducteur intrinsèque dont la face avant porte, comme on l'a vu, les diodes 20 et les éléments de couplage 23 et dont la face arrière porte le plan de masse 30 et les pastilles d'amenée de polarisation 31 autour des trous métallisés 25. L'épaisseur de la plaquette doit être de l'ordre du quart de la longueur d'onde utile dans le matériau. En dessous de la plaquette hyperfréquence est représentée la plaquette de commande réalisée comme on va le voir par intégration sur une tranche 34 en semiconducteur dopé. The same etching process makes it possible to define on the rear face of the wafer the ground plane and the polarization feed pellets at the outlet of the metallized holes. This embodiment can be seen in FIG. 9 which is a section, according to IX-IX in FIG. 8, of the antenna element according to the invention before assembly of the two microwave and control parts. The microwave wafer is constituted by an intrinsic semiconductor wafer 26 whose front face carries, as we have seen, the diodes 20 and the coupling elements 23 and whose rear face carries the ground plane 30 and the wafers. polarization feed 31 around the metallized holes 25. The thickness of the wafer must be of the order of a quarter of the useful wavelength in the material. Below the microwave wafer is shown the control board made as will be seen by integration on a wafer 34 doped semiconductor.
Les circuits portés par la plaquette de commande sont représentés sur la figure 10. Sur le semiconducteur dopé sont prédiffusés de manière classique des circuits de commande 37 de diodes P.I.N. au même pas que les diodes sur la plaquette hyperfréquence. Un circuit de commande 37 comprend de manière connue deux amplificateurs de commande 35 connectés respectivement aux sorties complémentaires d'un étage 36 de registre à décalage constituant la logique de commande. Les sorties 32 des amplificateurs de commande sont réalisées sous 10 forme de plage:- de métallisation soudables que l'on voit également sur la figure 9. Ces plages sont disposées en face des pastilles 31 correspondantes de la plaquette hyperfréquence. Les circuits prédiffusés 37 sont ensuite reliés entre eux par des métallisations, obtenues par simple ou double couche sur la face avant de la plaquette de commande, constituant un réseau de conducteurs d'alimentation Ca comprenant un conducteur commun C, les conducteurs d'alimentation + et - alimentant les divers circuits de commande et, par leur intermédiaire, les diodes, un fil d'horloge H et un fil d'impulsion de commande Cm permettant la commande indépendante en série de toutes les diodes d'une ligne grâce à l'envoi d'une série d'impulsions codées sur le fil Cm. The circuits carried by the control pad are shown in FIG. 10. On the doped semiconductor, the control circuits 37 of P.I.N. diodes are conventionally prediffused. at the same step as the diodes on the microwave pad. A control circuit 37 comprises, in known manner, two control amplifiers 35 respectively connected to the complementary outputs of a shift register stage 36 constituting the control logic. The outputs 32 of the control amplifiers are made in the form of a weldable metallization range which can also be seen in FIG. 9. These ranges are arranged in front of the corresponding pellets 31 of the microwave wafer. The prediffused circuits 37 are then connected together by metallizations, obtained by single or double layer on the front face of the control board, constituting a network of supply conductors Ca comprising a common conductor C, the supply conductors + and - supplying the various control circuits and, through them, the diodes, a clock wire H and a control pulse wire Cm enabling the independent control in series of all the diodes of a line thanks to the sending a series of coded pulses on the wire Cm.
Ainsi la plaquette de commande peut être réalisée par tout procédé d'intégration classique, par exemple en bipolaire par croissance épitaxiale sur un substrat semiconducteur très dopé. On pourrait la réaliser en circuits MOS ou même AsGa si l'on désire une très grande rapidité. Les deux plaquettes ayant été ainsi décrite sont assemblées très simplement. En effet, les plages de métallisation 32 de la plaquette de commande et les pastilles d'amenée de polarisation 31 de la plaquette hyperfréquence qui se trouvent en face ont reçu une finition classique pour les rendre soudables, le reste du circuit étant entièrement passivé par exemple par une couche de SiO2 ou de Si3 N4. L'assemblage consiste, après étamage ou traitement équivalent, à souder entre elles les plages et pastilles en 20 25 30 regard par passage dans un four à infrarouge ou tout autre moyen convenable. Ceci assure, en même temps que les connexions électriques nécessaires, une excellente liaison mécanique compte tenu du grand nombre de points de soudure. Thus, the control wafer may be produced by any conventional integration method, for example bipolar epitaxial growth on a highly doped semiconductor substrate. It could be made in MOS circuits or even AsGa if you want a very fast. The two wafers having been thus described are assembled very simply. Indeed, the metallization pads 32 of the control pad and the polarization supply pads 31 of the microwave pad which are opposite have received a conventional finish to make them weldable, the rest of the circuit being fully passivated for example by a layer of SiO2 or Si3 N4. The assembly consists, after tinning or equivalent treatment, of welding the pads and pellets together by passage through an infrared oven or other suitable means. This ensures, together with the necessary electrical connections, an excellent mechanical connection given the large number of soldering points.
On peut noter que, si les plaquettes hyperfréquence et de commande sont en matériau différent, une épaisseur suffisante de soudure doit permettre d'absorber les différences de dilatation des deux matériaux. It may be noted that, if the microwave and control boards are of different material, a sufficient thickness of solder must allow to absorb the differences in expansion of the two materials.
Le réseau réflecteur selon l'invention peut être 10 réalisé avec un seul élément d'antenne tel que décrit précédemment lorsque les dimensions des tranches de semiconducteur utilisées sont suffisantes par rapport à la longueur d'onde, ce qui est le cas pour les fréquences les plus élevées, dans la bande millimétrique. Sinon, comme représenté sur la figure 11, on utilise plusieurs éléments d'antenne Re juxtaposés pour obtenir le contour de l'antenne A souhaité. The reflector array according to the invention can be realized with a single antenna element as described above when the dimensions of the semiconductor wafers used are sufficient with respect to the wavelength, which is the case for the frequencies higher, in the millimetric band. Otherwise, as shown in FIG. 11, several antenna elements Re are juxtaposed to obtain the contour of the desired antenna A.
Comme la densité de diodes utilisée est importante, il est nécessaire de reporter les éléments d'antenne assemblés sur un radiateur bien refroidi. Sur la figure 12, on voit les deux plaquettes 26 et 34 reportées sur un socle 38 radiateur thermique qui assure en même temps l'assemblage mécanique dans le cas de la figure 11. Le socle 38 peut être en SiC ou A1N dont les coefficients de dilatation sont très voisins de celui du silicium et de l'arséniure de gallium et qui ont une très bonne conductivité thermique. Sur cette figure 12, on a aussi représenté la source primaire 39 et son alimentation 40. Since the density of diodes used is important, it is necessary to postpone the antenna elements assembled on a well cooled radiator. In FIG. 12, the two plates 26 and 34 are shown on a heat radiator base 38 which at the same time assures the mechanical assembly in the case of FIG. 11. The base 38 may be in SiC or A1N whose coefficients of They are very similar to silicon and gallium arsenide and have very good thermal conductivity. This figure 12 also shows the primary source 39 and its power supply 40.
La figure 13 représente une première variante d'élément d'antenne selon l'invention. Bien que les tranches de semiconducteur soient produites avec des tolérances de planéité très faibles, il pourrait éventuellement survenir dans certains cas des difficultés pour assembler par soudure deux tranches entières. Dans la variante de la figure 13, chaque circuit de commande 37 est obtenu sur une puce séparée 41. Le réseau de conducteurs d'alimentation est alors réalisé par double couche 42 sur la face arrière de la plaquette hyperfréquence 26. En 20 plus des plages de métallisation 32, chaque puce 41 porte des plages de métallisation 43 nécessaires pour assurer les connexions avec le réseau d'alimentation sur la plaquette hyperfréquence. Chaque puce 41 est donc assemblée à la face arrière de la plaquette hyperfréquence par soudure de ces différentes plages de métallisation 32 et 43. FIG. 13 represents a first variant of antenna element according to the invention. Although the semiconductor wafers are produced with very low flatness tolerances, it could possibly occur in some cases difficulties to assemble by welding two whole wafers. In the variant of FIG. 13, each control circuit 37 is obtained on a separate chip 41. The network of supply conductors is then made by double layer 42 on the rear face of the microwave wafer 26. In addition to the metallization 32, each chip 41 carries metallization pads 43 necessary to ensure connections with the power supply network on the microwave wafer. Each chip 41 is thus assembled to the rear face of the microwave wafer by soldering these different metallization pads 32 and 43.
On peut mettre à profit la double couche de la face arrière de la plaquette hyperfréquence pour réaliser en même temps, au niveau des pastilles d'amenée de polarisation, les capacités de découplage de la polarisation des diodes, au lieu de les réaliser sur la face avant. It is possible to take advantage of the double layer of the rear face of the microwave wafer to achieve at the same time, at the level of the polarization feed pellets, the decoupling capabilities of the polarization of the diodes, instead of making them on the face. before.
Une autre variante dans le même esprit est représentée sur la figure 14, où c'est la plaquette hyperfréquence qui est découpée en modules identiques 50, 51 séparés par des fentes 52. La réalisation de l'élément d'antenne est par ailleurs strictement identique à ce qui a été décrit cidessus, la plaquette de commande portant le réseau de conducteurs d'alimentation. On a simplement prévu de reporter les pastilles d'amenée de polarisation vers la périphérie des modules pour leur assurer une meilleure assise, ces pastilles étant bien entendu reliées aux trous métallisés correspondants. Il est clair que les plages de métallisation 32' de la plaquette 34 sont déplacées de la même façon pour rester en face des pastilles auxquelles elles sont soudées. Ce mode de réalisation selon la figure 14 a l'avantage d'éliminer les problèmes éventuels de planéité et de remédier à la propagation éventuelle d'une onde à l'intérieur de la plaquette hyperfréquence sous certaines incidences proches de la réflexion totale. Il est à noter que l'assemblage des deux parties de l'élément d'antenne reste de type collectif. C'est-à-dire que la plaquette hyperfréquence est sciée en modules sur un support rigide et que c'est l'ensemble des modules non déplacés sur ce support qui est ensuite soudé sur la plaquette de commande. Une telle réalisation permet notamment d'envisager le remplacement éventuel ultérieur d'un module hyperfréquence défectueux. Another variant in the same spirit is shown in FIG. 14, where it is the microwave wafer which is cut into identical modules 50, 51 separated by slots 52. The embodiment of the antenna element is, moreover, strictly identical. to what has been described above, the control plate carrying the feeder network. It was simply planned to postpone the polarization supply pads to the periphery of the modules to ensure a better seat, these pads being of course connected to the corresponding metallized holes. It is clear that the metallization pads 32 'of the wafer 34 are moved in the same way to stay in front of the pellets to which they are welded. This embodiment according to FIG. 14 has the advantage of eliminating possible problems of flatness and of remedying the possible propagation of a wave inside the microwave wafer under certain incidences close to total reflection. It should be noted that the assembly of the two parts of the antenna element remains of collective type. That is to say that the microwave wafer is sawed in modules on a rigid support and that it is the set of modules not moved on this support which is then welded to the control wafer. Such an embodiment makes it possible in particular to consider the possible subsequent replacement of a defective microwave module.
Une antenne à balayage construite selon les principes de l'invention présente une solidité mécanique très intéressante par rapport à d'autres systèmes car elle n'a aucune pièce mobile et a une structure très compacte. Cette solidité est d'un grand intérêt dans certaines applications où l'antenne peut être soumise à de très fortes contraintes. A scanning antenna constructed according to the principles of the invention has a very good mechanical strength compared to other systems because it has no moving parts and has a very compact structure. This solidity is of great interest in certain applications where the antenna can be subjected to very strong constraints.
On peut noter que, si dans la description, on a considéré, pour des raisons de simplicité de l'explication, des pastilles d'amenée de polarisation situées exactement dans l'axe des trous métallisés sauf dans le cas de la figure 14, dans la réalité cela peut ne pas être le cas. En effet les plages soudables peuvent être décentrées par rapport aux trous métallisés, ce qui évite par exemple les remontées de soudure dans ces trous lors du soudage. It may be noted that, in the description, it has been considered, for the sake of simplicity of explanation, polarization feed pellets located exactly in the axis of the metallized holes except in the case of Figure 14, in the reality may not be the case. In fact, the weldable pads can be off-center with respect to the metallised holes, which avoids, for example, the solder rising in these holes during welding.
Bien entendu, les exemples de réalisation décrits ne sont nullement limitatifs de la portée de l'invention. Of course, the embodiments described are in no way limiting the scope of the invention.
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| ST | Notification of lapse |
Effective date: 20070330 |