Brevet FR2751472A1 — publié le 19980123

Canal déphaseur pour lentille de dépointage d'antenne hyperfréquence, et procédé d'assemblage d'un tel canal La présente invention concerne un canal déphaseur pour une antenne hyperfréquence comportant au moins une lentille constituée de canaux déphaseurs. fl est connu de réaliser une antenne à balayage électronique à lentille de dépointage, comme décrit dans le brevet français 79-27873. Sur la figure 1, on a représenté schématiquement une telle antenne, qui comporte une source ou récepteur hyperfréquence 1, par exemple un cornet émetteur/récepteur, devant lequel est placée une lentille de dépointage du faisceau 2 permettant de dévier le front d'onde émis ou reçu par le cornet 1 et de réaliser ainsi un balayage électronique. Généralement, pour permettre un balayage dans deux directions perpendiculaires (site et azimut), on prévoit une seconde lentille 3, séparée de la première par une grille de rotation de polarisation, disposée dans un plan parallèle à la première mais orientée perpendiculairement, pour permettre le balayage dans l'autre direction voulue. Les deux lentilles de dépointage 2 et 3 sont semblables et constituées chacune d'un empilement de canaux déphaseurs 4 (typiquement, 50 à 80 canaux par lentille), de forme très allongée de manière que l'ensemble formé par l'empilement de ces canaux présente une forme sensiblement carrée). Comme cela est représenté plus en détail sur la figure 2, chacun des canaux 4 comporte une pluralité de barrettes 7 en forme de ruban allongé s'étendant sur toute la longueur du canal, ces barrettes étant toutes parallèles et disposées entre deux plans de masse 5 et 6 formant les deux faces supérieure et inférieure du canal, sur lesquelles viendront s'empiler les canaux adjacents. Chacune de ces barrettes est une plaque de circuit métallisé gravé portant un réseau linéaire de diodes montées en agencement série-parallèle et polarisées sélectivement par une électro nique de commande appropriée. Le canal constitue ainsi un déphaseur qui module la phase de l'onde hyperfréquence le traversant en fonction du nombre de barrettes commandées. Typiquement, chaque canal comporte environ 15 à 20 barrettes portant un réseau d'une centaine de diodes chacune, le nombre des barrettes variant en fonction de la finesse de balayage souhaitée. Une telle configuration a déjà été décrite dans le brevet français précité. Le montage des barrettes dans le canal peut être par exemple réalisé en prenant pour les plans de masse des plaques métalliques rainurées sur toute leur longueur et assemblées mécaniquement, les barrettes venant se glisser dans ces rainures qui assurent leur positionnement correct. Pour les applications aux bandes de fréquences élevées (bandes C, X, Ku par exemple), l'asemblage peut être effectué par collage des barrettes (qui sont en matériau diélectrique de faible épaisseur) aux plans de masse (qui sont généralement constitués d'une tôle d'aluminium prétraitée époxy sur ses deux faces ou d'un sandwich de deux faces d'alliage cuivreux ou d'aluminium sur une âme de stratifié). On obtient ainsi un canal en forme de bloc assemblé-collé de très bonne tenue mécanique, notamment à l'encontre des vibrations, qui peuvent produire des pertes de désadaptation. En effet, pour les bandes de fréquences élevées, il est préférable d'utiliser pour les barrettes un matériau présentant de meilleures propriétés diélectriques aux très hautes fréquences, généralement le verre/PTl'E. Le PTFE présente cependant l'inconvénient bien connu d'être très difficile à coller, ce qui rend difficile la réalisation d'un canal assemblé-collé de fiabilité suffisante. En outre, l'utilisation d'une plaque métallique rainurée, qui constitue un moyen très commode de positionnement des barrettes, n'est plus possible aux fréquences les plus élevées, car les rainures, qui doivent conserver une profondeur minimale pour assurer leur fonction de maintien mécanique des barrettes, font en sorte que les plans de masse ne se comportent plus, du point de vue radioélectrique, comme des surfaces planes et lisses, mais se comportent comme des guides nervurés qui introduisent, du fait de la périodicité des rainures, un phénomène de filtrage générateur de pertes d'insertion rédhibitoires. La présente invention a pour objet de pallier ces inconvénients en proposant une structure de canal déphaseur, ainsi qu'un procédé pour sa fabrication, qui permettent de réaliser un ensemble ayant une excellente tenue mécanique malgré l'utilisation d'un matériau tel que le PTFE présentant une mauvaise tenue au collage. En outre, comme on le verra, cette structure d'assemblage ne devra pas ajouter de perturbation propre à la propagation de l'onde radioélectrique traversant le canal déphaseur. Un autre but de la présente invention est de proposer un tel canal déphaseur qui puisse être aisément désassemblé en cas de besoin, par exemple au cas où il serait nécessaire de remplacer une barrette défectueuse ; en effet, les canaux réalisés jusqu'à présent, une fois assemblés et collés, ne peuvent être démontés, ce qui oblige en cas de défaillance à remplacer l'intégralité d'un canal sans possibilité d'en extraire une barrette pour remplacement ou réparation de celle-ci. Un autre but de la présente invention est de proposer un procédé d'assemblage d'un canal déphaseur qui soit facile à mettre en oeuvre, ne nécessite qu'un outillage simple et soit compatible avec l'utilisation de matériaux, tel que le PTFE , difficiles à coller, et qui permette l'assemblage de barrettes de très grande longueur et de faible épaisseur, donc très flexibles, sans recours à une plaque rainurée pour permettre leur maintien en position. La présente invention s'applique à une antenne du type précité, c'est-à-dire comportant au moins une lentille de dépointage formée d'un empilement de canaux déphaseurs, chaque canal comportant deux plans de masse métalliques ou métallisés parallèles et une pluralité de barrettes allongées disposées parallèlement entre elles et perpendiculairement aux plans de masse à chacun desquels elles sont solidarisées, chacune de ces barrettes comprenant une plaque de circuit métallisée gravée portant un réseau linéaire parallèle, sélectivement commutable, de diodes espacées sensiblement d'un quart de longueur d'onde, telle que décrite dans le brevet précité. De façon caractéristique de l'invention, les barrettes sont pourvues, le long de leur rebord adjacent à chacun des plans de masse, d'une série de métallisations discontinues en forme de pavés espacés entre eux d'un pas identique à celui du réseau porté par la barrette et décalés d'un demi-pas de réseau par rapport aux diodes de ce réseau, les dimensions transversale et longitudinale de ces pavés étant choisies sensiblement inférieures à un huitième de longueur d'onde de manière à ne pas perturber sensiblement le fonctionnement du déphaseur, et les barrettes étant reliées mécaniquement à chacun des plans de masse par l'intermédiaire de ces pavés, qui sont solidarisés chacun au plan de masse adjacent par un agent de liaison métal sur métal. De préférence, l'agent de liaison métal sur métal est une brasure, avantageusement une brasure à température de fusion inférieure à celle de la brasure ayant servi à réaliser la connexion des diodes du réseau sur la plaque de circuit de la barrette. En variante, l'agent de liaison métal sur métal peut être une colle thermofusible ou une colle à solvant. La présente invention propose également un procédé de montage d'un tel canal déphaseur, comportant les étapes consistant à: disposer parallèlement entre elles les différentes barrettes du canal, ces barrettes ayant déjà été équipées de leur réseau de diodes respectif; maintenir ces barrettes en position les unes par rapport aux autres, parallèlement entre elles et avec l'espacement prévu, en les retenant par leurs extrémités non adjacentes aux plans de masse au moyen de deux pièces de maintien; appliquer un agent de liaison métal sur métal sur les pavés métallisés des barrettes ; mettre en place les plans de masse contre la tranche des barrettes, de manière que l'agent de liaison préalablement appliqué puisse venir en contact avec le métal des plans de masse ; et étuver l'ensemble ainsi formé pour assurer la prise de l'agent de liaison. Très avantageusement, l'étape de maintien en position des barrettes comprend une mise en tension de celles-ci par traction des pièces de maintien. 0 On va maintenant donner un exemple de réalisation de l'invention, en référence aux dessins annexés. La figure 1, précitée, montre schématiquement le principe de la lentille à canaux déphaseurs. La figure 2, également précitée, montre la structure de l'un des canaux formant ces lentilles. La figure 3 est une vue en plan du circuit métallisé de chacune des barrettes du canal de la figure 2. 0 Comme on l'a indiqué plus haut, les différentes barrettes 7 portant les réseaux de diodes sont montées parallèlement entre elles et perpendiculairement à deux plans de masse 5, 6 ; le plan de masse inférieur 5 porte un connecteur 8 permettant la polarisation sélective des réseaux de chacune des barrettes, des entretoises 9, 10 étant en outre prévues pour permettre l'assemblage mécanique des différents canaux entre eux après empilement. Pour les applications en bande X et Ku, les plans de masse sont de préférence formés à partir d'une plaque époxy cuivrée sur ses deux faces (épaisseur du cuivre environ 35 pm) d'épaisseur totale 0,4 mm, ou encore d'une tôle d'aluminium prétraitée époxy sur ses deux faces. Les barrettes sont formées à partir d'une plaque de verre/PTFE métallisée gravée (épaisseur du cuivre 35 pin environ) d'épaisseur totale 0,2 ou 0,1 mm. Le montage de telles barrettes présente une double difficulté: - tout d'abord, le PTFE est un matériau très difficile à coller; - ensuite, compte tenu de la très faible épaisseur des barrettes (0,1 ou 0,2 mm) et de leur très grande longueur (typiquement, de l'ordre de 850 mm), chacun de ces circuits se présente en fait sous la forme d'une bande très flexible, que l'on devra néammoins maintenir en place avec la meilleure planéité possible et l'espacement le plus uniforme possible par rapport aux barrettes adjacentes, afin de réduire au minimum les pertes de désadaptation. Cette dernière difficulté est rendue particulièrement critique par le fait que, comme indiqué plus haut, il est impossible dans les bandes de fréquences considérées d'utiliser pour les plans de masse des plaques pourvues de rainures dans lesquelles viendraient s'insérer les barrettes. La figure 3 montre, en plan, les métallisations formées sur chacune des barrettes 7. Celles-ci comportent essentiellement deux pistes symétriques 11, 12 définissant une série de plages 13, 14 espacées sensiblement d'un quart de longueur d'onde sur lesquelles on viendra souder les diodes 15. Ces diodes peuvent être des composants en forme de micropavés ou réalisées selon la technique des micropoutres (beam-lead) qui peuvent être mis en place et soudés de façon automatisée et avec une très grande fiabilité. La soudure des diodes sur les deux pistes 11, 12 est réalisée, de manière en elle-même classique, par brasure au moyen d'un alliage étain-plomb dont la température de fusion est de l'ordre de 183 C. A l'une de leurs extrémités, les pistes sont pourvues de trous métallisés 16 destinés à réaliser leur raccordement au connecteur 8 (figure 2) par des moyens de connexion appropriés, non représentés. La liaison entre les pistes 11, 12 et le connecteur 8 peut avantageusement être assurée au moyen de pistes gravées directement sur le plan de masse (gravure d'une couche de cuivre déposée sur l'époxy). Dans ce cas, les pistes 11 et 12 sont alors prolongées comme illustré en 19, 20 figure 2 pour venir se raccorder aux pistes homologues 21, 22 portées par le plan de masse. De façon caractéristique de l'invention, chaque barrette comporte en outre une série de métallisations en forme de pavés 17, 18 espacés entre eux du même pas que le réseau (environ un quart de longueur d'onde) et décalé par rapport aux diodes 15 d'un demipas de réseau (c'est-à-dire sensiblement d'un huitième de longueur d'onde). Ces métallisations 17, 18 sont constituées par une épargne de gravure qu'on laisse subsister sur le bord extrême de la barrette. Les dimensions transversale h et longitudinale 1 de ces métallisations sont les plus faibles possibles pour ne pas perturber le fonctionnement du canal du point de vue radioélectrique, tout en permettant néanmoins un maintien suffisant du point de vue mécanique. On a constaté ainsi, par exemple, qu'en bande X, des dimensions I = 2 mm et h = 1 mm ne perturbaient pas sensiblement le fonctionnement du déphaseur. On notera que les métallisations formées sur les rebords doivent être discontinues, car si on laissait subsister en épargne en rebord de la barrette une bande continue de cuivre, une fois cette bande reliée au plan de masse ce dernier se comporterait comme un guide nervuré (chaque bande de cuivre correspondant à une nervure), configuration que l'on souhaite éviter, comme on l'a expliqué plus haut, en raison de l'effet de filtrage introduit par la périodicité des nervures. Au moment de l'assemblage, les barrettes seront reliées mécaniquement à chacun des plans de masse par l'intermédiaire de ces pavés 17, 18, qui seront solidarisés chacun au plan de masse adjacent par un agent de liaison métal sur métal approprié. On tire ainsi parti de la bonne adhérence du cuivre sur le substrat verre/PTFE, palliant ainsi les difficultés de collage direct de ce dernier matériau. L'agent de liaison métal sur métal pourra être choisi parmi les nombreux agents existants connus permettant de relier du cuivre à de l'aluminium ou du cuivre, liaison qui ne présente pas de difficulté particulière. Très avantageusement, cet agent de liaison est une pâte à braser à basse température, c'est-à-dire une pâte à souder dont la température de fusion sera toujours inférieure à celle de la pâte à braser utilisée pour le brasage des diodes du réseau sur les pistes de barrettes. On pourra choisir cet agent de liaison parmi les alliages étain-plomb-bismuth à étain-plomb-argent, ce qui permet de choisir une température de fusion comprise entre une température légèrement supérieure à la température ambiante maximale d'utilisation (typiquement, une température de l'ordre de 700C) et la température limite de 183 C. L'invention n'est cependant pas limitée à l'utilisation d'une telle brasure à basse température et on pourrait également, en variante, utiliser des colles à solvant (qui ont cependant l'inconvénient d'une tenue mécanique plus faible) ou des colles thermofusibles (qui nécessitent généralement des températures de fusion élevées). L'utilisation comme agent de liaison d'une brasure présente, outre une excellente tenue mécanique, l'avantage de pouvoir réaliser un assemblage démontable. En effet, si l'on a choisi un point de fusion compris dans les limites indiquées, le démontage pourra se faire très simplement par immersion dans un bain d'huile chaude, ce qui permettra de démonter le canal tout en conservant l'intégrité de la fixation des composants électroniques sur les pistes des barrettes. On notera par ailleurs que le connecteur 8 pourra être brasé au cours de la même opération (si l'on utilise un connecteur pré-étamé), de même que les entretoises 9 et 10, qui peuvent être réalisées en métal cuivreux revêtu d'une couche d'étain-plomb électrolytique de quelques micromètres pour améliorer la brasure. L'invention propose également un procédé de montage de ce canal déphaseur comportant les étapes suivantes: omise en place des différentes barrettes du canal, ces barrettes ayant déjà été équipées de leurs réseaux de diodes respectifs, maintien en position de ces barrettes les unes par rapport aux autres, parallèlement entre elles et avec l'espacement prévu, en les tendant par leurs extrémités entre deux pièces de maintien sur lesquelles on exerce une traction, - application de pâte à braser (ou d'un autre agent de liaison métal sur métal) sur les pavés métallisés des barrettes, - mise en place les plans de masse contre la tranche des barrettes, de manière que la pâte à braser vienne en contact avec le métal des plans de masse, étuvage de l'ensemble ainsi formé pour assurer la fusion de la pâte à braser. L'ensemble peut éventuellement être recouvert d'un vernis de protection au cours d'une étape ultérieure. Ce procédé permet, par mise en tension des barrettes (qui se présentent, comme on l'a expliqué plus haut, sous la forme de bandes très flexibles), de disposer celles-ci avec une précision maximale - en ce qui concerne à la fois leur planéité propre et leur espacement relatif- par des moyens très simples, par exemple un système de pinces venant saisir les extrémités des barrettes. On voit en outre que l'assemblage mécanique de tous les éléments (barrettes, plan de masse, entretoises, etc.) pourra être réalisé ainsi en une seule opération et avec un outillage unique. REVENDICATIONS 1. Une antenne hyperfréquence comportant au moins une lentille de dépointage (2 ; 3) formée d'un empilement de canaux déphaseurs (4), chaque canal comportant deux plans de masse (5, 6) métalliques ou métallisés parallèles et une pluralité de barrettes allongées (7) disposées parallèlement entre elles et perpendiculairement aux plans de masse à chacun desquels elles sont solidarisées, chacune de ces barrettes comprenant une plaque de circuit métallisée gravée portant un réseau linéaire parallèle, sélectivement commutable, de diodes (15) espacées d'environ un quart de longueur d'onde, antenne caractérisée en ce que: - les barrettes sont pourvues, le long de leur rebord adjacent à chacun des plans de masse, d'une série de métallisations discontinues en forme de pavés (17, 18) espacés entre eux d'un pas identique à celui du réseau porté par la barrette et décalés d'un demi-pas de réseau par rapport aux diodes de ce réseau, - les dimensions transversale (h) et longitudinale (1) de ces pavés sont choisies sensiblement inférieures à un huitième de longueur d'onde de manière à ne pas perturber sensiblement le fonctionnement du déphaseur, et - les barrettes sont reliées mécaniquement à chacun des plans de masse par l'intermédiaire de ces pavés, qui sont solidarisés chacun au plan de masse adjacent par un agent de liaison métal sur métal. 2. L'antenne de la revendication 1, dans laquelle l'agent de liaison métal sur métal est une brasure. 3. L'antenne de la revendication 2, dans laquelle la brasure formant agent de liaison métal sur métal est une brasure à température de fusion inférieure à celle de la brasure ayant servi à réaliser la connexion des diodes du réseau sur la plaque de circuit de la barrette. 4. L'antenne de la revendication 1, dans laquelle l'agent de liaison métal sur métal est une colle thermofusible. 5. L'antenne de la revendication 1, dans laquelle l'agent de liaison métal sur métal est une colle à solvant. 6. Un procédé de montage d'un canal déphaseur pour une antenne hyperfréquence selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte les étapes consistant à: disposer parallèlement entre elles les différentes barrettes du canal, ces barrettes ayant déjà été équipées de leur réseau de diodes respectif, maintenir ces barrettes en position les unes par rapport aux autres, parallèlement entre elles et avec l'espacement prévu, en les retenant par leurs extrémités non adjacentes aux plans de masse au moyen de deux pièces de maintien, - appliquer un agent de liaison métal sur métal sur les pavés métallisés des barrettes, omettre en place les plans de masse contre la tranche des barrettes, de manière que l'agent de liaison préalablement appliqué puisse venir en contact avec le métal des plans de masse, - étuver l'ensemble ainsi formé pour assurer la prise de l'agent de liaison. 7. Le procédé de la revendication 6, dans lequel ltétape de maintien en position des barrettes comprend une mise en tension de celles-ci par traction des pièces de maintien.