Brevet FR2739974A1 — publié le 19970418

d- 2739974 Lentille électromagnétique de type circuit imprimé à substrat suspendu. L'invention concerne les lentilles électromagnétiques. On connaît des lentilles électromagnétiques comprenant deux parois conductrices entre lesquelles est ménagée une cavité munie en partie latérale de transitions de couplage électro- magnétique entrée/sortie pour autoriser un jeu de lois de propagation entre des paires de telles entrées/sorties. Cependant, la réalisation pratique de ces lentilles pose problème, notamment pour obtenir le jeu de lois de propaga- tion. La présente invention vient apporter une solution intéres- sante à ce problème. Selon un aspect de l'invention, d'une part, le dispositif comprend, sensiblement centré dans la cavité, un substrat comportant un pavé conducteur imprimé de dimensions prédéter- minées, les deux parois conductrices et ledit pavé réalisant ainsi une structure tri-plaque à substrat suspendu, et d'autre part, le contenu de la cavité et les géométries respectives de la cavité et du pavé conducteur sont choisis de façon à respecter lesdites lois de propagation. Selon un autre aspect de l'invention, les transitions de couplage sont formées par des cornets imprimés sur le substrat suspendu, à partir de son pavé conducteur, et aboutissant à des lignes de transmission respectives. Très avantageusement, le dispositif comporte des résistances de découplage entre les cornets imprimés constituant les entrées/sorties. Le dispositif ainsi obtenu approche d'une manière quasi- optimale les caractéristiques théoriques qui font l'intérêt des lentilles électromagnétiques, à savoir la large bande de fonctionnement réalisé, et l'ouverture de faisceau constante. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaitront à l'examen de la description détaillée ci-après, ainsi que des dessins annexés, sur lesquels: - les figures 1 et 1A sont des diagrammes géométriques permettant de mieux comprendre le fonctionnement d'une lentille de Luneberg; - la figure 2 illustre un mode de réalisation d'une lentille de Luneberg de type sphérique; - les figures 3A et 3B illustrent respectivement, en vue perspective schématique et en coupe, un autre mode de réalisation d'une lentille de Luneberg, cette fois en version cylindrique plate; - les figures 4A et 4B illustrent deux modes de réalisation connus de lignes de transmission électromagnétiques de type triplaque, et à substrat suspendu, respectivement; - les figures 5A et 5B illustrent schématiquement le principe de la lentille perfectionnée selon la présente invention; - la figure 5C illustre une galette diélectrique de la figure A, en vue du dessus; - la figure 6 est une vue avant montage des principaux éléments d'une lentille dans un mode de réalisation préféren- tiel de la présente invention; et - la figure 7 est une vue partielle d'une lentille dans un autre mode de réalisation de la présente invention. Les dessins annexés sont, pour partie au moins, de caractère certain. Et il est clair que la présente invention fait intervenir des formes. En conséquence, et dans cette mesure, les dessins sont à considérer comme partie intégrante de la description, et pourront non seulement contribuer à mieux faire comprendre celle-ci, mais aussi participer à la définition de l'invention, le cas échéant. A l'instar des lentilles optiques, les lentilles électroma- gnétiques ont pour fonction de focaliser une onde plane incidente, de direction donnée, en un point spécifique de la direction considérée, appelé foyer. On considérera d'abord la lentille de Luneberg ("Mathematical Theory of Optics", R.K. LUNEBERG, Brown University Press, 1944). Il s'agit d'une région de symétrie sphérique (Figure lA), dans laquelle l'indice n varie selon la loi n2(r) = 2 - r2/R2 o R est le rayon de la région, et r le rayon du point courant. On considère une onde plane, de direction quelcon- que, entrant dans ladite région. Cette onde (Figure lB) est focalisée en un foyer F situé à l'intersection de la périphé- rie de la région avec la direction de propagation de l'onde plane. Une telle "lentille de Luneberg" présente notamment les deux propriétés suivantes: -elle possède une infinité de points focaux situés sur sa périphérie; - si une source de rayonnement électromagnétique est placée en un point F quelconque sur la périphérie de la lentille, on obtient en sortie une ouverture rayonnante de dimension 2R. La lentille de Luneberg est donc adaptée à la création de faisceaux sur 360 angulaires. Elle peut faire l'objet d'une réalisation sphérique, et surtout d'une réalisation cylindri- que plate. Cette dernière permet notamment de concevoir: - des antennes à balayage circulaire du faisceau par commuta- tion sur 360 , avec conservation de largeur du faisceau à fréquence donnée, ou encore - des systèmes antennaires multi-faisceaux, capables de travailler simultanément selon plusieurs directions, par exemple pour des systèmes satellitaires de transmission entre mobiles. Il existe d'autres types de lentilles électromagnétiques à propagation contrainte, fondées sur des géométries et/ou des lois de variation d'indices différentes, notamment les lentilles dites R2R ou encore RkR. L'un des avantages théoriques de ces lentilles est qu'elles sont aptes à un fonctionnement en large bande. Encore faut-il que la réalisation pratique de ces lentilles conserve ces avantages théoriques. En effet, l'obtention industrielle d'une variation continue de l'indice est délicate. Des propositions ont été faites notamment dans l'ouvrage "Les antennes" de L. THOUREL, CEPADUES EDITIONS, 1988. Dans le cas d'une lentille sphérique, le procédé généralement retenu consiste à réaliser un milieu dans lequel la variation de l'indice depuis la valeur 1 (surface extérieure 29) vers la valeur 2 (centre) est effectuée par paliers, à partir d'une sphère 20 d'indice 2 au centre, et de coquilles concentriques 21, chacune d'indice constant (figure 2). Bien que les performances soient dégradées du fait de la réalisation d'une loi de variation de l'indice qui n'est pas réellement continue, ce procédé est considéré comme très nettement préférable à des tentatives de réaliser une variation continue de l'indice, qui ferait alors intervenir par exemple une pondération en densité d'un polystyrène, ou bien une pondération avec un polyéthylene plus ou moins chargé de particules par exemple. En effet, ceci aboutit souvent, par rapport à la loi nominale, à des écarts d'indice qui sont tout aussi gênants que la dégradation de performan- ces consécutive à la variation de l'indice par paliers (mieux contrôlée) illustrée sur la figure 2. Dans le cas d'une lentille plate, il est tout d'abord possible de procéder comme pour la lentille sphérique, en prévoyant des couronnes concentriques d'indices différents, ce qui pose les mêmes problèmes de limitation de performances que précédemment. S'y ajoute le fait que la captation de l'énergie par des cornets n'est pas optimale. Un autre procédé consiste à faire varier la longueur d'onde guidée d'une onde qui se propage entre deux plaques métalli- ques, ce qui se traduit par une variation de l'indice équivalent du guide. Dans l'exemple des figures 3A et 3B, ceci est obtenu en faisant varier la distance d entre deux plaques, là o se propage une onde électromagnétique en mode TE. L'avantage de cette méthode réside dans la possibilité de réaliser une galette métallique fermée, munie d'éléments guide d'ondes à ses entrées et sorties (cornet). Par contre, un inconvénient considérable réside en la difficulté d'usi- nage de la plaque métallique creusée. Un autre inconvénient provient de la limitation de la bande de fonctionnement qui est due à la propagation en mode TE. La présente invention vient proposer une réalisation plus satisfaisante. Avant d'en aborder la description, il sera fait référence au milieu de propagation connu de type dit triplaque (en anglais "stripline"), qui par principe consiste en un conducteur de type ruban maintenu entre deux plaques conductrices. Une version classique, o sont prévues des plaquettes diélectriques entre le ruban central 40 et les plaques extrêmes 41 et 42, est illustrée sur la figure 4A. Pour une ligne classique fonctionnant en mode de propagation TEM, la longueur d'onde guidée est Xg = A0/ E o A0 est la longueur d'onde dans l'air et E la permittivité relative du diélectrique entre les plaquettes diélectriques 43 et 44. Une ligne de propagation de type substrat suspendu ("suspen- ded stripline"), telle qu'illustrée sur la figure 4B, est un type particulier de ligne triplaque o le ruban métallique constituant le conducteur central 40 est réalisé par impres- sion sur un film diélectrique mince 45, selon une technique du type circuit imprimé. Il a été observé que ce type de structure allie des qualités de pertes réduites et de tenue en puissance élevée. On relèvera également que, sur la figure 4B, les extensions latérales des plaques d'extrémités 41 et 42 servent au maintien du film substrat 45. Selon la présente invention, une lentille électromagnétique (dans l'exemple choisi pour cette description détaillée une lentille de Luneberg) est réalisée à partir d'un milieu de propagation de type triplaque à substrat suspendu, entre deux plaques métalliques qui sont ici planes, en faisant varier la vitesse de propagation de l'onde à partir de la variation de la permittivité relative du diélectrique entre les deux plaques métalliques. La variation de permittivité est réalisée ici à partir de la variation du dosage relatif de deux matériaux diélectriques de permittivité différente, en suivant la loi de Luneberg. Du fait que la propagation des ondes électromagnétiques va en principe s'effectuer en mode TEM (lequel autorise un fonc- tionnement large bande), le dispositif proposé conserve des propriétés de large bande particulièrement intéressantes. Plus précisément (figure 5A), la lentille de Luneberg proposée comprend dans sa partie centrale un disque métalli- que 50 imprimé, placé au centre d'une cavité de symétrie cylindrique, sur un substrat d'épaisseur réduite 55. Deux plaques métalliques planes 51 et 52 réalisent le reste de la structure triplaque, d'un côté et de l'autre du disque métallique 50, tout en formant de préférence boîtier. Dans l'intervalle entre le substrat 55 et les plaques 51 et 52, la cavité comprend: - d'une part un diélectrique tel que de l'air, dont la permittivité relative est voisine de 1, - d'autre part, de part et d'autre du pavé circulaire central 50 et de préférence symétriquement par rapport à celui-ci, deux galettes diélectriques dont la permittivité est supé- rieure à 2. Ces galettes, qui peuvent être réalisées par exemple en Téflon ou en Stycast (Marques déposées). Ces galettes sont de préférence collées de part et d'autre du substrat. La loi d'épaisseur des galettes est calculée de façon que la permittivité relative du milieu de propagation suive la loi de Luneberg. Dans un mode de réalisation simple, les deux galettes diélec- triques sont identiques et de permittivité e2. Pour un rayon r donné (figure 5B), on peut définir la permittivité relative Er par la relation approchée suivante: el.D1 + e2.D2 e. = D1 + D2 Dans l'exemple choisi, o l'autre diélectrique est de l'air, el est égal à 1. Bien entendu, ce mode de réalisation simplifié n'est donné qu'à titre d'exemple, et il est possible de concevoir le même système avec des caractéristiques de géométrie et de nature des galettes qui soient différentes, entre elles et par rapport à la taille du pavé conducteur 50. D'autres indications sur le calcul des propriétés des guides d'ondes partiellement remplis de diélectriques seront trouvés dans l'ouvrage de N.MARCUVITZ, "Waveguide Handbook", Mc Graw- Hill, 1951, pages 392 et suivantes. La figure 5C illustre la galette 56 (ou 57) de la figure 5A, en vue de dessus. Une réalisation plus complète est illustrée sur la figure 6. On y retrouve au centre le film diélectrique 55, d'allure circulaire, supportant coaxialement un disque conducteur central 50. De part et d'autre de ce disque sont collées les galettes diélectriques 56 et 57. Le boîtier est fermé par les deux demi-boîtiers 51 et 52. On voit sur le boîtier 52 que celui-ci est intérieurement creux, et comporte une paroi latérale 520 venant en appui sur le voisinage du film 55, tout comme la paroi homologue 510 du disque 51. Les transitions d'entrée-sortie de la lentille sont réalisées par des cornets tels que 501, partant avec une taille décroissante du disque central 50, pour aboutir à une ligne de transmission 502, dont l'impédance est par exemple de ohms. Il est possible de réaliser de la sorte un grand nombre de transitions autour du disque central 50, d'une manière régulière ou non, suivant les besoins. A la place des lignes de transmission d'impédance 50 ohms, on peut naturellement prévoir des connecteurs coaxiaux, fixés sur les plaques métalliques 51 et 52 servant au maintien du substrat 55. i De préférence, on peut ajouter des résistances entre les différents accès tels que 502 et 508, en prévoyant des résistances imprimées sur le substrat 55. Une telle résis- tance est illustrée sur la figure 6, et référencée 509. Ceci permet d'augmenter le découplage entre ces transitions d'accès, qui devient alors bien meilleur que ce que l'on peut obtenir avec les techniques existantes. En outre, ces résistances, sous réserve qu'elles soient positionnées d'une manière convenable et présentent des valeurs suffisamment élevées (de l'ordre de 200 ohms), permettent d'accroître la bande de fréquence de fonctionne- ment de la lentille, par le biais d'une amélioration du taux d'onde stationnaire (ou plus généralement de l'adaptation) de chaque cornet d'alimentation, ainsi que de la suppression des distorsions provoquées par les couplages indésirables entre cornets adjacents, sur le niveau de transmission entre voies d'entrée et de sortie. La présente invention permet ainsi d'obtenir une lentille de Luneberg plane, à large bande, réalisée à partir d'une technique imprimée de type substrat suspendu entre deux plaques métalliques parallèles, o la variation de l'indice du milieu dans lequel se propage l'onde électromagnétique est obtenue par la mise en place de galettes diélectriques d'épaisseurs variables. Le fait que ceci permette d'utiliser une propagation en mode TEM procure d'ores et déjà un bon fonctionnement en termes de largeur de bande de fréquence, tant du point de vue de l'adaptation - taux d'onde stationnaire - que de celui de la transmission. Cet aspect est encore amélioré, dans la variante consistant à ajouter des résistances de découplage entre les transitions d'entrée-sortie de la lentille. De plus, la présente invention fournit une technique dont la mise en oeuvre est remarquablement simple, puisqu'elle utilise des matériaux de base de permittivité électrique constante, susceptibles de fabrication par moulage ou injection, notamment en ce qui concerne les galettes, tout ne assurant l'obtention d'une variation continue de l'indice. En outre, le fait que la lentille soit fondée sur une technologie de type circuit imprimé facilite la connexion vers des circuits utilisateurs qui seront également en technologie imprimée, ou bien vers des connecteurs coaxiaux utilisés classiquement pour les boîtiers de circuits hyperfréquence. La technologie imprimée autorise également l'emploi de techniques mixtes vis-à-vis des domaines qui sont d'une part celui des circuits imprimés hyperfréquence (résistance de découplage) et d'autre part celui des antennes (cornet imprimé évolutif alimentant la lentille). Bien entendu, la présente invention n'est pas limitée au mode de réalisation décrit. Par exemple, les plaques 51 et 52 peuvent être métallisées, plutôt que métalliques. D'un autre côté, l'invention n'est pas limitée à des structu- res de symétrie sphérique ou cylindrique. Elle s'étend à des parties de telles structures, ainsi qu'à des combinaisons de ces structures ou de leurs parties. Plus généralement encore, elle s'étend à toute structure de lentille relativement mince, utilisant une variation d'indice. Il existe ainsi une grande variété de types de lentilles dont le principe consiste à faire varier la constante diélectrique de 1 sur les bords à une valeur Ec au centre, avec les variantes suivantes: - si Ec 2, le rayon focal est situé à l'intérieur de la lentille. l Toutes ces lentilles peuvent être réalisées en faisant usage du perfectionnement selon la présente invention. L'invention est susceptible d'applications encore plus larges. Ainsi, elle peut notamment s'étendre aux cas de lentilles des types R2R ou RkR, réalisées en technologie de circuit imprimé. Ce sont en effet là d'autres types de lentilles à propagation de contrainte qui, sans être identiques aux lentilles de Luneberg, procèdent de géométrie et de considé- rations sur la loi de propagation qui sont du même ordre. Des indications plus détaillées sur la structure générale de ces types de lentilles peuvent être obtenues dans les articles "A survey of symmetric arrays", J.H.PROVENCHER, Phased Array Antennas, Artech House, 1972, et "Extending the R2R lens to 3600 ", R.CLAPP, IEEE Transactions on Antennas and Propaga- tion, vol.AP-32, n 7, juillet 1984. Par exemple, il a été possible de réaliser des lentilles R2R ou RkR imprimées, possédant des cornets imprimés comme transition d'entréesortie, et dans lequel ont été ajoutées des résistances imprimées, de la manière décrite plus haut. Là aussi, a été observée une amélioration des propriétés de fonctionnement à large bande de fréquence de ce type de lentille électromagnétique. Un exemple de réalisation d'une lentille de type R2R est donné sur la figure 7. Cette lentille comprend sensiblement centré dans une cavité (non représentée) un substrat d'épaisseur réduite 55 sur lequel est imprimé un disque métallique 50 du type de celui décrit pour la lentille de Luneberg, et de rayon R. Les cornets tels que 501 sont raccordés, par l'intermédiaire de câbles de liaison 532 adaptés et de longueurs identiques, à des éléments rayonnants 531 placés sur la périphérie d'une paroi 530 à symétrie cylindrique, de rayon 2R. Bien entendu, l'invention permet aussi d'atteindre une réduction sensible de l'encombrement des lentilles par rapport aux solutions classiques, ainsi qu'une réduction de leur coût. Revendications 1. Dispositif formant lentille électromagnétique, du type comprenant deux parois conductrices (51,52) entre lesquelles est ménagée une cavité munie en partie latérale de transi- tions de couplage électromagnétique entrée/sortie (501) pour autoriser un jeu de lois de propagation entre des paires de telles entrées/sorties, caractérisé en ce qu'il comprend, sensiblement centré dans la cavité, un substrat (55) compor- tant un pavé conducteur imprimé (50) de dimensions prédéter- minées, les deux parois conductrices et ledit pavé réalisant ainsi une structure tri-plaque à substrat suspendu, et en ce que le contenu de la cavité et les géométries respectives de la cavité et du pavé conducteur sont choisis de façon à respecter lesdites lois de propagation. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le substrat (55) est réalisé sous la forme d'un film mince. 3. Dispositif selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que ces transitions (501) sont formées par des cornets imprimés sur le substrat suspendu (55), à partir du pourtour de son pavé conducteur (50), et aboutissant à des lignes de transmission (502) respectives. 4. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'il comporte des résistances de découplage (509) entre les cornets imprimés (501) constituant les entrées/sorties. 5. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les caractéristiques de la cavité sont prévues pour une propagation électromagnétique selon le mode dit TEM. 6. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que de part et d'autre de ce substrat suspendu (55) sont placées des galettes diélectriques (56,57) conformées pour obtenir une loi de variation d'indice propre à permettre l'obtention des lois de propagation. 7. Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que les deux galettes (56,57) sont collées de part et d'autre du substrat (55). 8. Dispositif selon l'une des revendications 6 et 7, caractérisé en ce que les deux galettes (56,57) sont en un matériau de permittivité électrique supérieure ou égale à 2. 9. Dispositif selon l'une des revendications 6 à 8, caractérisé en ce que les deux galettes (56,57) sont identi- ques et montées symétriquement par rapport au plan du substrat suspendu (55). 10. Dispositif selon l'une des revendications 6 à 9, caractérisé en ce que le diamètre des galettes (56,57) est sensiblement égal à celui du pavé conducteur (50) du substrat suspendu (55). 11. Dispositif selon l'une des revendications 6 à 10, caractérisé en ce que la loi de variation d'indice est celle correspondant à une lentille du type dit de Luneberg.