Brevet FR2760901A1 — publié le 19980918

Procédé et dispositif de fabrication d'antennes en guides d'ondes à fentes, notamment utilisables pour des longueurs d'ondes millimétriques La présente invention concerne la fabrication d'antennes en guides d'ondes à fentes, notamment utilisables pour des longueurs d'ondes millimétriques. Les antennes en guides d'ondes à fentes sont utilisées dans plusieurs domaines, en raison de leurs profil et poids relativement minces et faibles, de leur encombrement relati- vement réduit à fréquence élevée, de leur efficacité relati- vement importante (pertes réduites, gain élevé), de leur bonne tenue en puissance, et de leur bande passante relative- ment importante. On entend ici par ondes millimétriques, les fréquences supérieures à 30 GHz. Elles sont de plus en plus utilisées, par exemple dans les systèmes radars, les communications sécurisées, les radars d'évitement d'obstacles, etc. On connaît plusieurs procédés de fabrication des antennes en guides d'ondes à fentes. Généralement, ces procédés font appel à des techniques classiques d'étirage, de fonderie (à la cire perdue par exemple), ou de fraisage. Par exemple, la technique de fraisage comprend une étape dans laquelle on réalise un ensemble ou réseau de canaux formant guides d'ondes en alliage léger d'aluminium. On plaque ensuite sur cet ensemble, un plateau mince o sont déjà taillées, ou le seront ultérieurement, des fentes rayonnantes par des techniques d'usinage, de fraisage suivie d'un ébavurage. L'usinage des fentes peut s'effectuer aussi par laser. L'électro-érosion est aussi utilisée pour réaliser les fentes rayonnantes. La fixation du plateau sur le réseau de canaux peut s'effec- tuer par soudo-brasure (ou mécano-soudure, ou soudure au bain de sel), par collage à la colle conductrice, par soudure à l'étain, par soudure par faisceaux d'électrons, ou par soudure laser. La formation des réseaux de guides à fentes peut s'effectuer aussi par assemblage selon une soudure, une soudo-brasure ou un collage des guides indépendants munis de fentes. On connaît aussi d'autres procédés qui permettent de réduire le poids de l'antenne. Ces procédés consistent par exemple à assembler des guides en feuilles fines d'aluminium. Les fentes sont d'abord gravées chimiquement, poinçonnées ou usinées. Ensuite la feuille est pliée pour former des guides individuels. Les guides sont enfin assemblés pour former une antenne réseau. La feuille plane ainsi munie de fentes peut aussi être rapportée sur des canaux guides d'ondes comme mentionné ci-avant. On connaît aussi des antennes réalisées en matière plastique renforcée de fibres de carbone métallisé. On connaît également des techniques qui mettent en oeuvre un électroformage d'un plateau à fentes, qui utilisent la photolithographie pour réaliser un plateau à fentes, ou encore qui utilisent une gravure des fentes sur un substrat diélectrique métallisé. Pour des longueurs d'ondes millimétriques, les procédés de fabrication des antennes en guides d'ondes à fentes décrits ci-avant requièrent un comportement radio-électrique irrépro- chable des composants des antennes et exigent une précision beaucoup plus importante que celle nécessitée à des fréquen- ces inférieures. Or, ce comportement irréprochable et cette précision se traduisent en pratique par des opérations très coûteuses, notamment en raison des nombreuses opérations à mettre en oeuvre pour réaliser les antennes en guides d'ondes à fentes, et notamment l'ouverture précise des fentes. La présente invention apporte une solution à ces problèmes. Elle vise un procédé présentant l'avantage de ne pas mettre en oeuvre des opérations mécaniques, chimiques ou électriques complexes pour l'ouverture précise des fentes rayonnantes dans les guides d'ondes. Elle vise à fournir un procédé particulièrement adapté aux longueurs d'ondes millimétriques o l'épaisseur de métal nécessaire pour la conduction du courant est relativement réduite. Elle vise enfin à fournir un procédé de fabrication d'anten- nes en guides d'ondes à fentes à faible coût. La présente invention porte ainsi sur un procédé de fabrica- tion d'au moins un guide d'ondes à fentes qui utilise des techniques de moulage, de métallisation et d'arasage pour la réalisation d'au moins certains des éléments constitutifs du guide d'ondes ainsi que l'ouverture des fentes rayonnantes. Plus précisément, le procédé comprend les étapes suivantes: - a) réaliser un moule de forme conjuguée avec celle du corps du guide d'ondes, le moule comprenant, en creux, une plura- lité d'éléments de section transversale conjuguée avec la forme des fentes rayonnantes; - b) injecter une matière diélectrique dans le moule; - c) démouler pour obtenir un corps en matière diélectrique avec des éléments en saillie; - d) métalliser au moins la face du corps comprenant des éléments en saillie; - e) araser les éléments en saillie de façon à ouvrir des fentes dans ledit corps, correspondant aux fentes rayonnantes dudit guide d'ondes. La forme gcénérale du moule est parallélépipédique, cylindri- que ou autre. La section transversale des éléments en saillie est longili- gne, curviligne ou autre. La présente invention a également pour objet une antenne réseau comprenant au moins deux guides d'ondes à fentes rayonnantes réalisés selon le procédé mentionné ci-avant. Selon un mode de réalisation préféré de l'invention, le procédé pour fabriquer une antenne réseau comprenant au moins deux guides d'ondes à fentes rayonnantes comprend les étapes suivantes: - 1) réaliser un moule de forme conjuguée avec celle du réseau à guides d'ondes, comprenant en creux, une pluralité d'éléments de section transversale conjuguée avec la forme des fentes rayonnantes de chaque guide d'onde; 2) injecter une matière diélectrique dans le moule; - 3) démouler pour obtenir un corps en matière diélectrique à la forme du moule; - 4) le cas échéant, ébavurer le corps au format des guides d'ondes; - 5) métalliser au moins la face du corps comprenant les éléments en saillie, ainsi que les faces latérales des guides d'ondes ainsi découpés; - 6) araser les éléments en saillie de façon à ouvrir des fentes dans les guides d'ondes formant l'antenne réseau, et, le cas échéant, de façon à ouvrir l'accès d'excitation de l'antenne. En pratique, lorsque le réseau comprend au moins deux guides d'ondes comprenant chacun des première et seconde extrémités, les deux guides d'ondes sont reliés l'un à l'autre par leur seconde extrémité pour constituer l'entrée commune des deux guides d'ondes. Dans ces conditions, l'étape 1) mentionnée ci-avant consiste en outre à réaliser un moule comprenant sur l'une de ses faces latérales, en creux, la connexion des deux guides d'ondes. La présente invention a également pour objet un guide d'onde à fentes rayonnantes obtenu par le procédé mentionné ci- avant. De même, la présente invention a également pour objet une antenne réseau agencée en au moins deux guides d'ondes à fentes rayonnantes obtenue selon le procédé mentionné ci- avant. Avantageusement, l'antenne réalisée par le procédé selon l'invention est utilisable pour des longueurs d'ondes millimétriques. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lumière de la description détaillée ci- après et des dessins annexés dans lesquels: - la figure 1 illustre un exemple de réalisation de l'opéra- tion de moulage selon l'invention; - la figure 2 illustre schématiquement un exemple de moule selon l'invention; - la figure 3 illustre l'étape relative à l'injection de la matière plastique dans le moule selon l'invention; - la figure 4 illustre l'étape relative à la métallisation du corps de guide d'ondes selon l'invention; - la figure 5 représente une coupe droite théorique effectuée sur l'élément décrit en référence à la figure 4, montrant la matière plastique à l'intérieur et la couche de métal enrobant la pièce plastique; - la figure 6 illustre l'étape relative à l'ouverture des fentes rayonnantes par arasement des éléments en saillie; - la figure 7 représente un exemple de réseau à deux guides d'ondes rectangulaires accolés selon l'invention et compor- tant chacun quatre fentes rayonnantes; - la figure 8 illustre un autre exemple d'un guide à quatre fentes rayonnantes avec un court-circuit d'un côté et un accès par une bride de l'autre côté; - la figure 9 illustre encore un autre exemple d'un guide d'ondes à quatre fentes rayonnantes avec un coude au niveau du point d'excitation, accessible par une bride; les figures 10A, 0lB et 10C représentent différents moyens pour réaliser des courts-circuits dans des guides d'ondes traditionnels; - la figure 11 illustre schématiquement une autre technique de réalisation des éléments terminaux des guides d'ondes représentés sur la figure 7; - les figures 12 et 13 illustrent l'utilisation de courts- circuits à l'intérieur d'un guide d'onde; - la figure 14 illustre schématiquement une antenne réseau pour radar, utilisable pour les longueurs d'ondes millimé- triques, et obtenue selon le procédé selon l'invention; et - la figure 15 illustre une variante de la pièce décrite en référence à la figure 11 et comportant une zone favorisant la fixation de l'antenne sur un support mécanique. De façon surprenante, l'invention permet de réaliser certains au moins des éléments constitutifs d'une antenne réseau en guides d'ondes à fentes par des opérations de moulage et de métallisation faciles à mettre en oeuvre. En particulier, la formation des fentes ou les connections entre guides, est ainsi avantageusement réalisée grâce à ces opérations de moulage et de métallisation. L'opération d'ouverture des fentes est, quant à elle, obtenue avantageusement par un simple arasement des éléments en saillie, obtenue après démoulage. Sur la figure 1, l'opération de moulage fait appel à des éléments classiquement utilisés en moulage. Une trémie 2 est emplie de granules de matériau plastique. Ces granules tombent sur une vis sans fin 4 qui est apte à conduire le matériau vers le moule 6. Des moyens de chauffage chauffent les granules de façon à obtenir une pâte. Le moule 6 est constitué de deux pièces mécaniques dont l'une 8 présente une empreinte creuse représentant la pièce à réaliser que l'on décrira plus en détail ci-après. En référence à la figure 2, la pièce 8 comprend en creux, notamment une pluralité d'éléments 9 de section transversale conjuguée avec la forme des fentes rayonnantes de chaque guide d'onde Par exemple, le moule est réalisé par électro-érosion. La seconde pièce mécanique 10 du moule est préférentiellement plane au niveau des guides rayonnants de façon à éviter une déformation sur la hauteur du guide compte tenu de la géométrie des accès d'alimentation (bride guide d'ondes, coude). Bien évidemment, cette pièce 10 peut présenter aussi des motifs en creux. En référence à la figure 3, on a représenté le résultat de l'injection du plastique dans le moule, après démoulage. L'ensemble fini, ébavuré, correspond à la section interne des guides d'ondes. Il comporte très avantageusement en surépais- seur les éléments 9 qui deviendront les fentes rayonnantes. En référence à la figure 4, la forme plastique illustrée en référence à la figure 3 est métallisée complètement. Par exemple, l'étape de métallisation est effectuée par galvano- plastie. En référence à la figure 5, une section transversale de l'ensemble montre la forme plastique et la métallisation en surface. En référence à la figure 6, les éléments en surépaisseur ou en saillie 9 sont arasés de facon à les ouvrir. Cet arasement permet d'ouvrir des fentes 11 qui joueront le rôle des fentes rayonnantes des guides d'ondes. Cet arasement est facile à mettre en oeuvre. En outre, la géométrie rayonnante obtenue est mécaniquement très précise car elle ne dépend essentiel- lement que du moulage, et non de l'opération d'arasement qui est seulement mise en oeuvre pour dégager les fentes. A l'issue de l'étape 6, il est obtenu un guide d'ondes à fentes rayonnantes chargé de diélectrique. Le cas échéant, certains éléments de l'antenne peuvent être réalisés à partir de la mise en place d'inserts métalliques surmoulés dans la pièce en matière plastique. En référence à la figure 7, le réseau 13 comprend deux guides d'ondes 15 et 17, rectangulaires et accolés. Les deux guides d'ondes sont réalisés par moulage selon le procédé selon l'invention. Chaque guide d'ondes comprend quatre fentes rayonnantes 20. Les guides rectangulaires 15 et 17 comprennent chacun une extrémité libre formant court-circuit 22. Ils sont excités par l'intermédiaire d'un diviseur en T simple 24 avec un accès d'entrée de type bride 26. Selon l'invention, après une métallisation globale, les fentes 20 sont réalisées par arasement de la face supérieure 28 des guides d'ondes. La séparation entre les deux guides d'ondes est réalisée par une fente ouverte 30 réalisée sur toute la hauteur des guides d'ondes. Avantageusement, cette fente ouverte 30 est également métallisée. De même, l'accès d'entrée de type bride 24 est obtenu, après métallisation, par arasement latéral d'une surépaisseur obtenue par moulage selon les opérations décrites en réfé- rence aux figures 1 à 6. En variante, l'accès d'entrée de type bride 24 peut être réalisé à partir de la mise en place sur la pièce en matière plastique d'un insert métallique de forme appropriée. Les courts-circuits terminaux des guides rayonnants en mode résonnant sont susceptibles d'être réalisés par métallisation des sections droites diélectriques terminales 22. En référence à la figure 10A, dans des guides d'ondes métalliques traditionnels, les courts-circuits peuvent être obtenus par des plaques métalliques 40 fermant complètement les guides. Ces plaques métalliques représentent une configuration semblable à la métallisation de la section droite 22 décrite en référence à la figure 7. En variante, dans des guides d'ondes métalliques tradition- nels, les courts-circuits peuvent être réalisés par des barreaux métalliques 42 (figure 10C), ou par une plaque 44 fermant partiellement l'extrémité libre du guide d'ondes (figure lOB) sans recouvrir les parties périphériques 46. Ces courts-circuits ont pour rôle d'empêcher la propagation du mode guidé principal au-delà de l'obstacle constitué par la plaque ou les barreaux. Ces modes de réalisation (figures 10A, 0lB et 10C) peuvent être avantageusement adaptés et réalisés pour l'antenne selon l'invention. En référence à la figure 11, selon l'invention, les éléments terminaux des guides représentés selon la référence 22 sur la figure 7 peuvent ainsi être réalisés selon des courts- circuits 50 fermant partiellement les guides, comme la plaque 44 décrite en figure 0lB. Avantageusement, l'espace diélec- trique 52 correspondant à l'espace diélectrique disponible 46 décrit en figure O10B pour les guides peut également être utilisé pour réaliser un maintien mécanique des guides entre eux. En référence aux figures 12 et 13, on a représenté l'utilisa- tion de courts-circuits à l'intérieur d'un guide d'ondes, par exemple pour effectuer une partition du réseau rayonnant en sous-réseau (par exemple en vue d'augmenter les bandes passantes ou en vue de réaliser une fonction d'écartométrie). Une fente (non représentée) peut être ouverte à l'intérieur de la forme plastique sur toute la hauteur du guide plastique et ensuite métallisée lors du processus de métallisation globale de la forme plastique. Une telle réalisation permet de former un élément 58 du type de la plaque décrite en figure 10B. En variante, l'élément 58 peut être réalisé à partir de la mise en place dans la pièce en matière plastique d'un insert métallique parallélépipédi- que ou cylindrique. En variante, le court-circuit peut être réalisé par une série de trous (non représentés) effectués dans la section du guide. Cette formation de trous peut être suivie d'une métallisation afin de réaliser des barreaux 63 de type court- circuit conformément à la figure 10C. En variante, les éléments 63 peuvent être réalisés à partir de la mise en place dans la pièce en matière plastique d'inserts métalli- ques de type barreau. En référence à la figure 15, la partie terminale de la pièce représentée sur la figure 11 peut être modifiée en utilisant des fentes ouvertes sur la hauteur des guides et métallisées pour former des éléments semblables aux éléments 58 de la figure 12. On constitue ainsi un ensemble comportant une zone 59 non utilisée du point de vue radioélectrique, mais pouvant avantageusement assurer la rigidité de l'ensemble, d'une part, et être utilisée pour la fixation de l'antenne sur un support mécanique par exemple, d'autre part. En référence à la figure 8, on a représenté un autre exemple de guide d'ondes 100 à quatre fentes rayonnantes 102 avec un court-circuit 104 d'un côté et un accès 106 par bride de l'autre côté. En référence à la figure 9, on a représenté encore un autre exemple de guide d'ondes 200 à quatre fentes rayonnantes 202 avec un coude 206 au niveau du point d'excitation, accessible par une bride 208. Il est à remarquer que l'accès ou les accès d'entrée peuvent être constitués par d'autres éléments que des brides classi- ques. Par exemple, ils peuvent être réalisés selon la structure microruban, triplaque ou coplanaire, ou encore à partir d'une transition guide-coaxial classique. Les accès peuvent également être réalisés par des ouvertures taillées sur le côté opposé aux fentes rayonnantes (fentes inclinées). Il convient d'observer aussi que plusieurs pièces réalisées selon le procédé selon l'invention peuvent être assemblées par pression mécanique ou par soudure (soudure par ultrasons par exemple). Ainsi, il est possible de réaliser une antenne comportant plusieurs niveaux (ou couches) de guides accolés ou superposés, ces guides étant couplés par exemple à partir de fentes inclinées. Il est à remarquer également que l'antenne à fentes repré- sentée en référence à la figure 7 est du type antenne réseau en guides à fentes à shunt longitudinales sur le grand côté des guides. Bien évidemment, l'antenne peut être aussi d'un type diffé- rent et réalisée selon la technique décrite ci-avant. Par exemple, les guides peuvent être du type à fentes sur le petit côté des guides d'ondes. Les fentes peuvent aussi être de forme différente, par exemple en C, en Z, en I, etc. La matière plastique utilisée selon l'invention doit être de préférence simple de mise en oeuvre, injectable dans un moule et présenter un bon état de surface. Elle doit aussi être de préférence mécaniquement stable, par exemple se dilater peu avec la température. En pratique, elle est métallisable et possède des caractéristiques électriques adéquates à son utilisation pour le guidage des ondes électromagnétiques, en terme de permittivité et de tangente de perte. Par exemple, la matière plastique est du polycarbonate ou analogue. En référence à la figure 14, on a représenté une antenne réseau en guides à fentes, obtenue selon le procédé selon l'invention. Cette antenne trouve une application avantageuse dans le domaine du radar et est utilisable pour des longueurs d'ondes millimétriques. Elle comprend une pluralité de guides d'ondes 300, 302, à fentes 250 et assemblés par paire. Chaque paire est connectée aux moyens de traitement et d'alimenta- tion (non représentés) selon une arborescence AB choisie et réalisée à partir d'une cascade de coupleurs CP. L'excitation des guides rayonnants peut aussi être effectuée, selon le procédé selon l'invention, à partir d'un guide d'ondes transverse aux guides rayonnants et muni de fenêtres de couplage vers ceux-ci. Revendications 1. Procédé de fabrication d'au moins un guide d'ondes à fentes rayonnantes, caractérisé en ce qu'il utilise des techniques de moulage, de métallisation et d'arasage pour la réalisation de certains au moins des éléments constitutifs du guide d'ondes ainsi que l'ouverture des fentes rayonnantes. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes: - a) réaliser un moule de forme conjuguée avec celle du corps du guide d'ondes, le moule comprenant, en creux, une plura- lité d'éléments de section transversale (9) conjuguée avec la forme des fentes rayonnantes (20), - b) injecter une matière diélectrique dans le moule, - c) démouler pour obtenir un corps en matière diélectrique avec des éléments en saillie, - d) métalliser au moins la face du corps comprenant les éléments en saillie, - e) araser les éléments en saillie de façon à ouvrir des fentes dans ledit corps, correspondant aux fentes rayonnantes dudit guide d'ondes. 3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que la forme générale du moule est parallélépipédique, cylindrique, ou autre. 4. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que la section transversale des éléments en saillie (9) est longili- gne, curviligne ou autre. 5. Procédé de fabrication d'une antenne réseau agencée en au moins deux guides d'ondes (15 et 17) à fentes rayonnantes (20) réalisés selon l'une des revendications 1 à 4. 6. Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes: - 1) réaliser un moule de forme conjuguée avec celle du réseau à guides d'ondes (15 et 17), comprenant en creux, une pluralité d'éléments (9) de section transversale conjuguée avec la forme des fentes rayonnantes de chaque guide d'ondes, - 2) injecter une matière diélectrique dans le moule, - 3) démouler pour obtenir un corps en matière diélectrique à la forme du moule, - 4) le cas échéant, ébavurer le corps au format des guides d'ondes, - 5) métalliser au moins la face du corps comprenant les éléments en saillie, ainsi que les faces latérales des guides d'ondes ainsi découpés, - 6) araser les éléments en saillie de façon à ouvrir des fentes dans les guides d'ondes formant l'antenne réseau, et le cas échéant, de façon à ouvrir l'accès d'excitation de l'antenne. 7. Procédé selon la revendication 6, dans lequel le réseau comprend au moins deux guides d'ondes (15 et 17) comprenant chacun des première et seconde extrémités, les deux guides étant reliés l'un à l'autre par leur seconde extrémité pour constituer l'entrée commune (24,26) des deux guides d'ondes (15, 17), caractérisé en ce que l'étape 1) consiste en outre à réaliser un moule comprenant, en creux, la connexion (24, 26) des deux guides d'ondes (15 et 17). 8. Guide d'ondes à fentes rayonnantes obtenu par le procédé selon l'une des revendications 1 à 4. 9. Antenne réseau agencée en au moins deux guides d'ondes à fentes rayonnantes obtenue selon l'une des revendications 5 à 7. 10. Antenne selon la revendication 9, caractérisé en ce qu'elle est utilisable pour des longueurs d'ondes millimétri- ques.