Brevet FR2122341A1 — publié le 19720901

La présente invention concerne des dispositifs de détection électromagnétique de proximité comportant des moyens d'alimentation, un oscillateur hyperfréquence à diode auto-oscillatrice à résistance négative, des moyens de rayonnement de l'onde électromagnétique générée par l'oscillateur hyperfréquence et des moyens décelant et exploitant les changements de conditions de fonctionnement de l'os- cillateur hyperfréquence. On sait que l'évolution des connaissances du comportement de certains matériaux semi-conducteurs ainsi que le perfectionnement de certaines technologies ont permis la réalisation de dispositifs semi-conducteurs qui sont de minuscules dipoles présentant, dans certaines conditions, une résistance dynamique négative, et utilisables dans le domaine des hyperfréquences. Ces dispositifs sont généralement appelés "diodes" du fait qu'ils ne possèdent que deux bornes et l'on peut citer, par exemple, les diodes à effet Gunn qui ne comportent pas de zones de conductivités de signes opposés, et de ce fait pas de "jonction", et les diodes à effet d'avalanche et à temps de transit, appelées communément "diodes avalanche" qui comportent une snction, polarisée en inverse. Des oscillateurs mettant en oeuvre une diode à effet Gunn ont déjà été utilisés pour la réalisation de petits radars à effet Doppler destinés à la détection d'àbjets en mouvement relatif par rapport au radar et à la mesure de vitesses. Il est possible de citer, par exemple, la demande de brevet français déposée par le Demanderesse le 24 février 1969 pour "Radar à effet Doppler à diodes à effet Gunn" et enregistrée sous le n069 04705. Dans l'exemple constitué par le dispositif décrit dans la demande de brevet précitée, ainsi que dans des dispositifs plus complexes déjà connus, la partie oscillatrice est constituée à partir d'une cavité résonnante de structure classique (dans ce cas particulier, c'est un élément de guide d'onde rectangulaire utilisable dans la bande X) et l'élément rayonnant est constitué par un cornet métallique ayant la forme d'un tronc de pyramide rectangulaire. Le fonctionnement des dispositifs ainsi réalisés est excellent mais il est souhaitable et nécessaire, dans un certain nombre de cas, d'aboutir à des degrés plus poussés de miniaturisation, de légèreté et de robustesse, ainsi qu'à un prix de revient notablement plus bas, tout en conservant de bonnes caractéristiques et une sensibilité convenable. Un des buts de l'invention est de permettre la réalisation de circuits oscillateurs et de moyens de rayonnement d'un encombrement très faible et d'une grande légèreté. Un autre but de l'invention est de joindre au faible encombrement et à la légèreté une grande robustesse permettant au dispositif de supporter dans de bonnes conditions des accélérations brèves très importantes, allant jusqutà 5000 g par exemple. Un autre but de l'invention est également de permettre une réalisation très économique de tels dispositifs de détection électromagnétique de proximité. Suivant l'invention, les dispositifs de détection électromagnétique de proximité comportant des moyens d'alimentation, un oscillateur hyperfréquence à diode auto-oscillatrice à résistance négative, des moyens de rayonnement de l'onde électromagnétique générée par l'oscillateur hyperfréquence et des moyens pour déceler et exploiter les changements de conditions de fonctionnement de l'oscillateur hyperfréquence, sont notamment remarquables en ce que les éléments passifs du circuit oscillateur hyperfréquence et les moyens de rayonnement sont constitués, au moins partiellement, par des plages métalliques de bonne conductibilité électrique aménagées sur une plaquette relativement mince en matériau diélectrique. Il est, bien entendu, possible de compléter les moyens de rayonnement métalliques de bonne conductibilité par des moyens de rayonnement constitués par une pièce de forme appropriée faite en un matériau diélectrique. L'invention permet de réaliser des ensembles : circuit oscillateur et antenne, d'un très faible encombrement et d'une grande légèreté, dont la fabrication est aisée et dont la réalisation est économique. Il est possible de combiner l'ensemble du circuit oscillateur et des moyens métalliques de rayonnement avec une antenne diélectrique dans laquelle les moyens électroniques peuvent être intégrés de façon à former un bloc isolant compact d'une très grande robustesse capable de supporter les accélérations de départ d'un projectile du genre de ceux lancés par des mortiers. Quelle que soit la variante de réalisation mise en oeuvre, l'ensemble constitué par le circuit oscillateur et l'élément rayonnant est beaucoup moins encombrant et beaucoup plus léger que lors de l'utilisation d'une cavité oscillatrice associée à un cornet; lorsque le circuit oscillateur et l'élément rayonnant sont incorporés dans une antenne diélectrique, on obtient un ensemble dont l'encombrement demeure très modéré et dont la robustesse est très grande. Dans le cas du mode de réalisation le plus simple, correspondant à la seule utilisation de plages métalliques de bonne conductibilité agencées sur les deux faces d'une plaquette diélectrique mince, on obtient un volume et un encombrement minima, accompagnés d'un poids minimum. Dans le cas d'une réalisation comportant l'intégration d'un sous-ensemble tel que cité ci-dessus dans la base d'une antenne diélectrique, on obtient un ensemble un peu plus encombrant, et plus lourd, mais d'une robustesse maximale. La description qui va suivre en regard des dessins annexés, donnés à titre d'exemple non limitatif, permettra de bien comprendre comment l'invention peut être réalisée. La figure 1 est constituée par une vue en plan par dessus, avec un écorché partiel, d'un sous-ensemble (oscillateur + antenne) réalisé sur une plaquette diélectrique circulaire mince. La figure 2 est constituée par une vue en plan par dessus d'un sous-ensemble tel que celui montré par la figure 1, réalisé sur une plaquette diélectrique carrée mince. La figure 3 montre, en élévation et en coupe partielle un ensemble formé par une antenne diélectrique dans laquelle est incorporé un sous-ensemble tel que celui montré par la figure 1. Sur la figure 1, les plages métalliques de bonne conductibilité constituant le circuit oscillateur et les éléments rayonnants sont supportées par une plaquette diélectrique circulaire mince 11. La partie visible du circuit oscillateur est constituée par une plage métallique centrale 12, de forme circulaire, coopérant avec une pellicule métallique dorsale 13 garnissant la face arrière cachée de la plaquette 11. Une diode auto-oscillatrice 14 est disposée dans l'épaisseur de la plaquette 11, à proximité de la périphérie de la plage métallique centrale circulaire 12. Une électrode de la diode 14 est soudée sur la pellicule métallique 13 qui joue un rôle de plan de masse et l'autre électrode de ladite diode est connectée par soudure avec le disque 12. Deux plages métalliques 15 et 16, en forme de spirales logarithmiques, partent de deux bords opposés du disque 12, correspondant sensiblement aux extrémités d'un diamètre perpendiculaire au rayon passant par le centre de la diode 14, et se développent progressivement jusqu'à atteindre les bords de la plaquette 11. Une bande conductrice 17, servant de connexion, est soudée sur l'extrémité 18 de la spirale 15. Il nty a pas de discontinuité entre le disque 12 et les spirales 15 et 16, et la spirale 15 constitue, dans ce cas, le conducteur d'alimentation de l'électrode supérieure de la diode 14. La seconde borne d'alimentation du dispositif est constituée par la pellicule métallique dorsale 13. Selon le degré de stabilité désiré de la fréquence d'oscillation de la partie oscillatrice du dispositif, le mode de réalisation peut etre particulièrement simple, ou plus élaboré. Il est notamment possible de partir du matériau constitué par une feuille de polyoléfine irradiée, garnie sur chacune de ses faces d'une feuille de cuivre adhérant fortement sur la feuille diélectrique centrale.On sait que l'on trouve actuellement dans le commerce des matériaux de départ ayant une telle structure dans une assez large gamme d'épaisseur de diélectrique, allant par exemple de 0,16 à 3,2 mm permettant, par exemple, de fabriquer très facilement des lignes plates de transmission du genre appelé "lignes plates ou "lignes à rubans" ou "strip lines", et l'on peut citer à cet égard le matériau fabriqué par la société américaine ELECTRONIZED CHEMICALS CORPORATION et connu sous l'appellation commerciale "POLYGUIDE". Par une technique de photogravure rendue familière par la fabrication des circuits dits "imprimés't, qui sont généralement des circuits gravés, il est très facile de laisser subsister, sur la face supérieure d'un disque de POLYGUIDE, le cercle 12 et les spirales 15 et 16, puis de percer le logement de la diode 14 jusqu'à la pellicule dorsale 13. Les plages de cuivre qui demeurent après gravure peuvent être protégées contre les effets de la corrosion atmosphérique par une mince couche d'or électrolytique qui contribue à réduire la résistance haute fréquence des plages conductrices. Pour des dispositifs pour lesquels une stabilité de fréquence plus grande est recherchée, la plaquette isolante 11 peut être, notamment, une plaquette de céramique à base d'oxyde d'aluminium (alumine) ou à base d'oxyde de beryllium (glucine) et les plages conductrices peuvent être constituées par des dépôts d'or adhérents d'une épaisseur de l'ordre de 10 microns. Les dépôts d'or adhérents à partir desquels sont élaborées les plages conductrices peuvent notamment être obtenus par la mise en oeuvre du procédé décrit dans le brevet français 1.588.506 de la Demanderesse et utilisant le phénomène de pulvérisation cathodique. On sait que ce procédé consiste à déposer d'abord une sous-couche d'accrochage d'oxyde de cobalt d'une épaisseur d'environ 100 angs trous, complétée par une couche d'or d'une épaisseur de l'ordre de 1000 à 2000 angströms. On procède ensuite à une recharge par électrolyse de la couche d'or adhérent ainsi déposée par pulvérisation cathodique de façon à accroître son épaisseur jusqu'à dix microns. Selon que l'on désire revetir d'une façon totale la surface de la face correspondante de la plaquette de céramique (face dorsale de la plaquette 11, par exemple) d'une couche d'or de dix microns ou que l'on désire le faire selon un certain tracé (face supérieure de la plaquette 11), la recharge par électrolyse est faite sans utilisation d'une "épargne" ou avec utilisation d'une épargne obtenue à partir d'une laque photosensible et avec l'aide d'un cliché approprié. Après exposition de la laque photosensible, derrière le cliché, et dissolution de la laque exposée aux endroits correspondant aux emplacements des plages conductrices, lesdits emplacements sont rechargés par électrolyse jusqu'à l'épaisseur désirée, dix microns par exemple. L'enlèvement, ou dépauillement, de la laque photosensible devenue ou demeurée insoluble au moment de l'exposition au rayonnement ultra-violet et le décapage de la surface de la plaquette située sous la laque insoluble peuvent etre effectués en deux temps, dans un meme appareillage, en phase gazeuse ionisée. Le premier temps est avantageusement effectué en atmosphère d'oxygène sous une pression de l'ordre d'un centième de millimètre de mercure, dans un plasma de basse énergie résultant de l'application d'une tension à haute fréquence de valeur réduite correspondant, par exemple, à une densité de puissance de l'ordre de 0,5 W/cm2. Le second traitement consiste en une opération de gravure par pulvérisation cathodique selon le procédé décrit dans la demande de brevet français, deposée le 18 Mars 1970 par la Demanderesse pour "Perfectionnements aux dispositifs utilisés pour la gravure par pulvérisation cathodique" et enregistrée sous le n070 09665, cette opération étant effectuée après avoir refait le vide dans l'appareillage de pulvérisation cathodique utilisé et procédé à un balayage de l'enceinte de décharge et pulvérisation par de l'argon.Au cours de cette opération, la mince couche d'or déposée par pulvérisation cathodique sur l'ensemble de la surface supérieure de la plaquette 11 est bombardée par les ions A+ en tous les endroits qui ne sont pas protégés par les plages conductrices en or adhérent épais, et elle est détruite ainsi que la sous-couche d'accrochage en oxyde de cobalt. La surface libre de la plaquette de céramique 11 est ainsi parfaitement nettoyée. Sur la figure 2, les plages métalliques de bonne conductibilité constituant le circuit oscillateur et les éléments rayonnants sont supportées par une plaquette diélectrique carrée mince 21; les mêmes références que celles utilisées sur la figure 1 ont été utilisées sur cette figure lorsqu'elles concernent des éléments identiques assurant les mêmes fonctions. Les espaces libres subsistant vers les coins de la plaquette 21 permettent en un tel cas de munir ladite plaquette de trous de fixation 22. La figure 3 montre un ensemble constitué principalement par un dispositif 31, identique à celui représenté sur la figure 1, incorporé dans une pièce 32 de matériau diélectrique, à proximité de la base de ladite pièce. Selon l'exemple représenté, une pièce métallique circulaire 33 a été soudée sur la face dorsale 34 du dispositif 31 et la face inférieure de la pièce 33 est dans le même plan que celui de la face inférieure de la pièce 32, ou est en saillie de quelques centièmes de millimètre. Le corps de la pièce 32 est tronconique et terminé à sa partie supérieure par une partie arrondie 35. Le disque 12 du circuit oscillateur et les conducteurs 15 et 16 en forme de spirales logarithmiques sont agencés sur la face supérieure 36 du dispositif 31, tournée vers l'extrémité arrondie 35 de la pièce 32. Un conducteur coudé 37, correspondant au conducteur 17 de la figure 1 et partant de l'extrémité d'un des conducteurs en forme de spirales, est en partie enrobé dans le matériau diélectrique de la pièce 32 et est terminé par une partie libre 38 permettant l'alimentation du circuit oscillateur. La pièce 32 est terminée à sa partie inférieure par une cols- rette 39 sensiblement cylindrique, munie d'un rebord 40 destiné à faciliter la réalisation d'une fixation extrêmement solide, et très rigide, de l'ensemble représenté. La pièce métallique 33, qui est avantageusement faite en cuivre rouge ou en laiton, sert de radiateur à la diode auto-oscillatrice du dispositif 31 et constitue en même temps la borne "masse" de l'oscillateur. La pièce 32 est, par exemple, faite en un matériau diélectrique de la famille des polystyrènes; elle peut être obtenue par injection à chaud du matériau plastique dans un moule dans lequel sont introduits et maintenus le dispositif 31 et son radiateur 33; elle peut également être obtenue à partir d'un prépolymère de polystyrène, de viscosité voisine de celle de la glycérine, que l'on verse dans un moule de forme approprié et dont on achève la polymérisation en place, cette opération pouvant être accélérée, de façon connue, par l'addition de produits de la famille des peroxydes au styrène monomère dont on part pour la préparation du prépolymère. - REVENDICATIONS 1.- Dispositifs de détection électromagnétique de proximité comportant des moyens d'alimentation, un oscillateur hyperfréquence à diode auto-oscillatrice à résistance négative, des moyens de rayonnement de l'onde électromagnétique générée par l'oscillateur hyperfréquence et deskmoyens décelant et exploitant les conditions de fonctionnement de l'oscillateur hyperfréquence, caractérisés en ce que les éléments passifs du circuit oscillateur hyperfréquence et les moyens de rayonnement sont constitués, au moins partiellement, par des plages métalliques de bonne conductibilité électrique aménagées sur une plaquette relativement mince en matériau diélectrique. 2.- Dispositifs de détection électromagnétique de proximité selon la revendication 1, caractérisés en ce que le circuit oscillateur hyperfréquence est constitué par un dépôt métallique en forme de disque agencé sur une face d'une plaquette diélectrique relativement mince, comportant au voisinage de sa périphérie une diode auto-oscillatrice disposée entre ledit disque et un dépôt (revêtement) métallique aménagé sur l'autre face de ladite plaquette diélectrique et en ce que les moyens de rayonnement de bonne conductibilité électrique sont constitués par au moins deux bandes métalliques en forme de spirales planes concentriques partant de la péri périe du disque précité. 3.- Dispositifs de détection électromagnétique de proximité selon la revendication 2, caractérisés en ce que l'une des connexions d'alimentation de l'oscillateur est constituée par une des bandes métalliques en forme de spirale plane. 4.- Dispositifs de détection électromagnétique de proximité selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisés en ce que le circuit oscillateur hyperfréquence et les moyens de rayonnement de bonne conductibilité électrique sont enrobés, au moins partiellement, dans un matériau isolant possédant de bonnes caractéristiques diélectriques à la fréquence de travail de ltoscillateur. 5.- Dispositifs de détection électromagnétique de proximité selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisés en ce qu'une antenne diélectrique est associée aux moyens de rayonnement de bonne conductibilité électrique. 6.- Dispositifs de détection électromagnétique de proximité selon l'ensemble des revendications 4 et 5, caractérisés en ce que l'antenne diélectrique citée sous 5 est constituée par une partie du matériau diélectrique d'enrobage.