Brevet FR2760902A1 — publié le 19980918

Etat de la technique La présente invention concerne un dispositif ser- vant au rayonnement et/ou à la réception de façon orientée des ondes électromagnétiques, dispositif qui consiste au5 moins en un élément émetteur/récepteur en une lentille di- électrique et au moins un autre corps diélectrique qui est disposé entre au moins l'un des éléments émetteur/récepteur et la lentille diélectrique. Au moins l'élément émet- teur/récepteur, que l'on désignera dans la suite de façon gé- nérale comme l'élément antenne, sert dans ce cas à l'excitation ou à la réception proprement dite de l'onde électromagnétique. La lentille diélectrique sert à la produc- tion d'un effet directif ou de lobes de rayonnement d'antenne souhaités. Le dispositif selon l'invention a trouvé des ap- plications dans le cas d'un système radar de véhicule à mo- teur servant à détecter des véhicules marchant devant. On connaît un tel dispositif, consistant au moins en un élément antenne et une lentille diélectrique par exem- ple par le brevet européen 498 524. Dans ce document il est également décrit un système radar pour véhicule à moteur, qui est prévu pour détecter des véhicules marchant devant. Dans ce cas il s'agit de ce qu'on appelle un détecteur radar bistatique, c'est-à-dire d'un détecteur radar avec des anten- nes séparées pour le trajet d'émission et pour le trajet de réception. Indépendamment de cette particularité chacune des deux antennes consiste en respectivement une lentille diélec- trique et au moins un élément antenne. On rencontre des dif- ficultés dans le cas d'un tel dispositif, en particulier dans le cas d'une antenne émettrice du fait que l'angle d'ouverture de l'élément antenne ou des éléments antennes est en règle générale plus large que la lentille diélectrique. Ceci signifie qu'une partie de l'onde électromagnétique pro- duite passe devant la lentille diélectrique. Cette fraction est en conséquence focalisée dans la direction voulue, ce qui réduit le gain global de l'antenne du dispositif. Dans le document WO-97/02 496 il est décrit un détecteur radar monostatique, qui est également prévu pour une application dans les véhicules à moteur. Monostatique si- gnifie dans ce cas que l'on utilise la même antenne pour le trajet d'émission et pour le trajet de réception. Elle con- siste dans ce cas en au moins trois éléments d'antenne, et une lentille diélectrique disposée en avant. Pour éviter d'avoir une irradiation de la lentille en cas d'émission, on dispose ici ce qu'on appelle une antenne diélectrique à tige, devant chaque élément d'antenne. Par cette expression on en- tend un corps diélectrique, qui a à peu près la forme d'un cône, et qui en raison de ses propriétés diélectriques provo- que une focalisation préalable de l'onde électromagnétique produite. On rencontre des difficultés avec cette disposition du fait de l'ajustage exact nécessaire des différents cier- ges. Tout écart, si petit soit-il, par rapport à la position idéale provoque à son tour une irradiation de la lentille.15 Objet, solution et avantages de l'invention. La présente invention a pour objet de proposer en conséquence un dispositif caractérisé en ce que l'un au moins des autres corps diélectriques est déployé à plat sur au moins l'un des éléments émetteur/récepteur o l'ajustage d'un corps diélectrique à focaliser au préalable est sensiblement simplifié. Selon l'invention on résout ce problème en utili- sant pour opérer la focalisation préalable un disque diélec- trique s'étendant à plat. Celui-ci forme de préférence la surface de recouvrement d'un corps diélectrique en forme de pot, qui entoure l'élément d'antenne comme un boîtier. L'effet directif du disque diélectrique repose sur l'effet de superstructure qui est décrit par exemple dans l'article " Hochb ndelnde Antennen mit geringen Verlusten fur Millime- terwellenanwendungen " de Helmut Ostner et J rgen Detlefsen, publié dans la revue " ITG-Fachtagung Antennen " du 12 au 15. 04. 94. En raison du déploiement à plat du disque diélectri- que on n'a plus en particulier la nécessité d'un alignement latéral, le cas échéant multiple du corps diélectrique comme cela est nécessaire dans le cas des cierges. Selon un mode de réalisation avantageux de l'invention, le corps diélectrique en forme de pot constitue en commun avec la matière de support des éléments d'antenne un boîtier hermétiquement étanche. Ceci peut être avantageu- sement utilisé pour loger en plus d'éléments d'antenne en particulier en arséniure de gallium des MMIC terminés (circuits intégrés monolithiques à micro-ondes). De tels cir- cuits intégrés monolithiques à micro-ondes nécessitent en rè- gle générale, du fait de leur sensibilité vis à vis des influences de l'environnement, une encapsulation hermétique- ment étanche, dont on peut se passer dans le cas de cette disposition. De cette façon on fait l'économie d'une étan- chéité propre, relativement coûteuse du circuit intégré mono- lithique à micro-ondes. Il va de soi qu'on peut loger en cas de besoin aussi d'autres éléments constitutifs, qui nécessi- tent une protection, dans ce boîtier. Suivant d'autres caractéristiques de l'inven- tion: - la surface de recouvrement du corps diélectrique en forme de pot se trouve sur le passage du faisceau des ondes élec- tromagnétiques reçues et/ou émises et la surface de recou- vrement possède une étendue égale à au moins cinq fois la longueur d'onde en espace libre. - la surface de recouvrement du corps diélectrique est réali- sée en céramique. - la surface de recouvrement du corps diélectrique est réali- sée à partir de matériaux diélectriques différents par stratification. - le corps diélectrique en forme de pot et/ou une matière de support, réunie à lui, possède des passages électriquement opérationnels, qui sont hermétiquement étanches. Description d'un exemple de réalisation de l'invention. On va décrire ci-après un exemple de réalisation de l'invention à partir d'un dessin. La figure unique montre la section transversale d'un dispositif selon l'invention. Sur une plaque de base 1, métallique dans ce cas, se trouve un circuit 2, fabriqué de préférence selon la technique des guides d'ondes à rubans. Ce circuit consiste en une matière diélectrique, par exemple du quartz ou de la cordiérite et possède à sa surface des structures métalliques de conduc- teurs. Outre des circuits de filtrage et des structures de ramifications il y a en particulier trois éléments d'antennes 3, réalisés dans ce cas sous la forme d'antennes de Patch. Au dessus de ce circuit 2, désigné ciaprès comme un MIC (circuit intégré à micro-ondes), se trouve un corps diélec- trique 5 qui a en section transversale la forme d'un U, et de cette façon au total la forme d'un pot. Il forme en même temps que la plaque de base 1 un boîtier autour du circuit intégré à micro-ondes 2. La surface de recouvrement 5a du corps diélectrique s'étend parallèlement à la surface du cir- cuit intégré à micro-ondes 2. Il possède une épaisseur d2, qui se calcule selon la formule suivante: x0 d2 = (2m - 1) 2 n2 - sm2 Op dans laquelle: d2 est l'épaisseur mentionnée m est n'importe quel nombre naturel, m = 1, 2, 3 Xko est la longueur d'onde en espace libre de l'onde émise/reçue n2 est l'indice de réfraction de la matière de la surface de recouvrement du corps diélectrique Op est la direction voulue du rayonnement de l'onde en de- grés, mesurée par rapport à la perpendiculaire à la sur- face de recouvrement. La distance entre la surface de recouvrement 5a du corps diélectrique et la surface du circuit intégré à mi- cro-ondes 2 est désignée par dl et se calcule selon la for- mule suivante: dl = m À 2n1- - sin2 Op dans laquelle: dl est la distance mentionnée m est n'importe quel nombre naturel, m = 1, 2, 3,... ko est la longueur d'onde en espace libre de l'onde émise/reçue n1 est l'indice de réfraction du milieu compris entre la sur- face de recouvrement du corps diélectrique en forme de pot et les éléments d'antenne Op est la direction voulue du rayonnement de l'onde en de- grés, mesurée par rapport à la perpendiculaire à la sur- face de recouvrement. Au dessus de la surface de recouvrement 5a du corps diélectrique 5 se trouve une lentille d'antenne 7. En outre on a représenté à l'intérieur de la zone, qui est en- tourée par le corps diélectrique 5, un circuit intégré mono- lithique à micro-ondes (MMIC) 4. Sur la paroi latérale de gauche du corps diélectrique 5 ainsi que dans la plaque de base 1 on a indiqué des passages de conducteurs pourvus d'une étanchéité hermétique. Le circuit intégré à micro-ondes 2 et le circuit intégré monolithique à micro-ondes 4 contiennent selon la technologie intégrée une large partie des étages à haute fré- quence du système radar tout entier. Les ondes électromagné- tiques produites dans ces étages sont rayonnées au moyen des antennes de Patch 3 et s'élargissent d'abord dans l'espace, qui est entouré par le corps diélectrique 5. En fonction des conditions physiques aux limites des équations de Maxwell les ondes peuvent entrer dans le corps diélectrique 5, mais elles ne peuvent pénétrer complètement que sous un angle déterminé. En choisissant de façon appropriée l'épaisseur de la surface de recouvrement d2, la distance dl ainsi que la constante di- électrique de la matière de la surface de recouvrement, on obtient la focalisation préalable voulue sur la lentille 7. C'est ainsi par exemple qu'on obtient pour une fréquence d'émission de 75 Ghz, avec la direction du rayonnement voulu de l'onde Ep = 0 , avec un indice de réfraction n2 = ra- cine(10) (Céramique - alumine): dl = 2 mm d2 = 0,316 mm L'indice de réfraction des matières est dans ce cas comme on le sait la racine de la constante diélectrique correspondante. Plus le rapport n2/nl est grand, meilleur est la focalisation préalable qui en résulte. Comme matière pour le corps diélectrique celles qui conviennent sont pour cette raison en particulier toutes les matières avec une constante diélectrique élevée telles que par exemple la céra- mique - A1203, la céramique CaZrO3, le polytitanate de baryum ou MgCaTiO2. En outre le déploiement latéral de la surface de recouvrement 5a du corps diélectrique doit être assez grand pour qu'il recouvre la surface opérationnelle de tous les éléments d'antenne. Cette condition est à peu près remplie quand le déploiement dans les deux directions latérales at- teint au moins cinq fois la longueur d'onde en espace libre ko. En ce qui concerne les propriétés électriques le déploie- ment latéral du corps diélectrique est de préférence rond. Pour des raisons de construction on peut toutefois avoir aus- si d'autres surfaces de base, par exemple rectangulaires. Le boîtier qui consiste en la plaque de base 1 et le corps diélectrique 5, est de préférence hermétiquement étanche, c'est-à-dire que les éléments constitutifs qui sont logés dedans sont entourés d'une façon étanche aux gaz par l'environnement extérieur. Ceci permet de façon avantageuse de réaliser le circuit intégré monolithique à micro-ondes (MICC) 4 sans une encapsulation propre, absolument nécessaire sans cela. On peut effectuer les réalisations 6 dans ce cas en collant ou en brasant des tiges métalliques dans le corps diélectrique 5 et/ou dans la plaque de base 1 et le substrat du circuit intégré à micro-ondes (MIC) 2. Le cas échéant on peut dans ce cas utiliser ce qu'on appelle des " viaholes " métalliques, du commerce dans le corps diélectrique et/ou le substrat MIC. La fermeture hermétiquement étanche du boîtier ainsi constitué est, comme on l'a mentionné, avant tout né- cessaire quand on doit loger des éléments constitutifs en ar- séniure de gallium sans emballage, car on ne peut pas protéger à l'heure actuelle cette matière au contraire du si- licium d'une façon suffisante par une couche d'oxyde. Une mauvaise protection détruirait toutefois le profil de concen- tration du dopant des éléments constitutifs d'une manière persistante. L'ajustage exact de la focalisation préalable se réduit dans ce cas à la fabrication aussi précise que possi- ble du corps diélectrique 5 en forme de pot. Le montage lui- même a lieu d'une façon simple au moyen d'un collage ou d'un brasage du corps et de la plaque de base 1 ensemble. En fonction de l'article cité ci-dessus et Detlefsen la surface de recouvrement 5a du corps diélectrique peut aussi consister en des matières diélectriques différen- tes stratifiées. En outre les parfois latérales du corps di- électrique 5 peuvent être fabriquées en une autre matière que la surface de recouvrement. Comme autres modifications de l'exemple de réalisation esquissé on peut mettre les parois latérales, par exemple pour des raisons de construction, de façon oblique par rapport à la surface de recouvrement 5a. Egalement la réalisation de l'invention ne se limite pas a réaliser les éléments d'antenne et le circuit qui leur cor- respond selon la technique des guides d'ondes à rubans. On peut utiliser comme éléments d'antenne aussi toutes les au- tres formes de réalisation, telles que par exemple des dipô- les k/2 ou des antennes à cornet. Enfin en raison du terme sin p dans la formule indiquée ci-dessus, il est pensable de mettre la lentille 7 de façon oblique devant le corps diélec- trique 5. L'exemple de réalisation, que l'on a décrit ici, se rapporte à un système radar à triple faisceau dans ce cas, c'est-à-dire à un système radar avec trois lobes de rayonne- ment d'antenne séparés. La focalisation préalable, indiquée ici, peut toutefois également être utilisée aussi dans le cas d'autres dispositifs émetteur et/ou récepteur, comme par exemple pour des systèmes radar à faisceau unique ou pour des systèmes de radiodiffusion par faisceau dirigé R E V E N D I C A T I ONS 1 ) Dispositif servant au rayonnement et/ou à la réception, de façon dirigée, d'ondes électromagnétiques consistant en au moins un élément émetteur/récepteur (3), une lentille diélec- trique (7) et au moins un autre corps diélectrique (5), qui est disposé entre au moins l'un des éléments émet- teur/récepteur et la lentille diélectrique, caractérisé en ce que l'un au moins des autres corps diélectriques est déployé à plat sur au moins l'un des éléments émetteur/récepteur. 2 ) Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'un au moins des autres corps diélectriques repose en forme de pot sur l'un au moins des éléments émetteur/récepteur. 3 ) Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que le corps diélectrique en forme de pot sert à l'encapsulation de circuits intégrés sans emballage, qui se trouvent dans l'environnement de l'un au moins des éléments émet- teur/récepteur. ) Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que * les circuits intégrés sans emballage sont des circuits in- tégrés monolithiques à micro-ondes (MMIC) fabriqués en ar- séniure de gallium et * l'encapsulation mentionnée entoure ces circuits de façon hermétiquement étanche. ) Dispositif selon l'une des revendications ci-dessus, caractérisé en ce que * la surface de recouvrement du corps diélectrique en forme de pot se trouve sur le passage du faisceau des ondes élec- tromagnétiques reçues et/ou émises et * la surface de recouvrement possède une étendue égale à au moins cinq fois la longueur d'onde en espace libre. 6 ) Dispositif selon l'une des revendications ci-dessus, caractérisé en ce que la surface de recouvrement du corps diélectrique en forme de pot possède une épaisseur d2, qui remplit au moins de façon approchée la condition suivante: d2 =(2m - 1) 2 2 2 4n2 - sin2 p formule dans laquelle: dC2 est l'épaisseur mentionnée m est n'importe quel nombre naturel, m = 1, 2, 3... o0 XO est la longueur d'onde en espace libre de l'onde émise/reçue n2 est l'indice de réfraction de la matière de la surface de recouvrement du corps diélectrique 0p est la direction voulue du rayonnement de l'onde en de- grés, mesurée par rapport à la perpendiculaire à la sur- face de recouvrement. 7 ) Dispositif selon l'une des revendications ci-dessus, caractérisé en ce que entre la surface de recouvrement du corps diélectrique en forme de pot et le plan, dans lequel se trouve l'un au moins des éléments émetteur/récepteur, il y a une distance dl, qui remplit au moins d'une manière approchée la condition sui- vante: X0 d1 = m À 2 2 2 n1 - sin)p formule dans laquelle: dl est la distance mentionnée m est n'importe quel nombre naturel, m = 1, 2, 3,... ko est la longueur d'onde en espace libre de l'onde émise/reçue n1 est l'indice de réfraction du milieu compris entre la sur- face de recouvrement du corps diélectrique en forme de pot et les éléments d'antenne )p est la direction voulue du rayonnement de l'onde en de- grés, mesurée par rapport à la perpendiculaire à la sur- face de recouvrement. 8 ) Dispositif selon l'une des revendications ci-dessus, caractérisé en ce que la surface de recouvrement du corps diélectrique est réalisée en céramique. 9 ) Dispositif selon l'une des revendications ci-dessus, caractérisé en ce que la surface de recouvrement du corps diélectrique est réalisée à partir de matériaux diélectriques différents par stratifi- cation. ) Dispositif selon l'une des revendications ci-dessus, caractérisé en ce que le corps diélectrique en forme de pot et/ou une matière de support, réunie à lui, possède des passages électriquement opérationnels, qui sont hermétiquement étanches.