Brevet FR2814594A1 — publié le 20020329

L'invention concerne un réseau réflecteur à contrôle de phase où les éléments déphaseurs sont réalisés sur un circuit imprimé comportant des moyens capacitifs de découplage intégrés dans le circuit imprimé. L'invention s'applique plus particulièrement aux réseaux réflecteurs intégrés dans des antennes telles que des antennes hyperfréquences. Un réseau réflecteur permet en général de modifier localement la phase d'une onde par exemple plane ou cylindrique se réfléchissant sur lui. Il permet aussi de focaliser et/ou de dévier les faisceaux d'énergie électromagnétique d'une antenne par balayage électronique. Il est connu de réaliser des réflecteurs constitués d'une mosaïque de modules. Chaque module comporte une antenne élémentaire et un déphaseur fermé sur un court-circuit. Une onde dont on veut diriger le faisceau est émise par une source hyperfréquence en direction du réseau. L'onde est captée par les antennes élémentaires, subit un premier déphasage lors de la traversée des déphaseurs, se réfléchit sur les courtscircuits, traverse une nouvelle fois les déphaseurs et est rayonnée par les antennes élémentaires. A l'aide de moyens électroniques, il est possible de contrôler le déphasage introduit par les déphaseurs et donc de maîtriser la phase de l'onde émise en tout point du réseau. De tels réseaux et leur fonctionnement sont par exemple décrits dans le document de F. Gautier ayant pour titre Réseau réflecteur-méthode d'analyse et de fonctionnement , paru dans la revue Thomson-CSF, mars 1972, vol. 4 NO 1, pages 89 à 104. Le réseau d'éléments déphaseurs peut être réalisé sur un circuit imprimé tel que décrit à la figure 1. Il comporte notamment un substrat diélectrique hyperfréquence 1 ayant une face arrière 2 métallisée constituant le plan de masse, un ou plusieurs motifs déphaseurs 4 gravés sur la face avant 5 du substrat hyperfréquence et des éléments 6 de commutation ou à impédance variable reliés par des liaisons 7 aux motifs déphaseurs 4. Les motifs 4 gravés sur la face avant du substrat hyperfréquence et les éléments 6 de commutation ou à impédance variable constituent les éléments déphaseurs en réflexion. Un circuit imprimé multicouche basse fréquence 8 est disposé sur la face arrière 9 du réseau en contact avec le plan de masse. La face avant 5 est celle qui reçoit l'onde incidente Oi qui se réfléchit (onde réfléchie Or). La phase en réflexion de chaque élément déphaseur est contrôlée par exemple grâce à la polarisation des éléments 6 de commutation. Cette polarisation peut être contrôlée à l'aide de circuits intégrés de commande 10 situés sur la face arrière 11 du circuit imprimé basse fréquence 8. Pour cela le circuit imprimé est relié aux différents éléments de déphasage par l'intermédiaire de liaisons 12, via le circuit imprimé multicouche basse fréquence et de moyens de liaison 13 tels que des trous métallisés traversant le substrat hyperfréquence. Un élément déphaseur peut aussi être relié au plan de masse au moyen d'un trou métallisé 14. Le contact électrique des bornes de commande des éléments de commutation avec le plan de masse doit être évité de manière à empêcher le court-circuit des commandes d'états de phase des différents éléments déphaseurs. Pour cela, le plan de masse 2 est pourvu d'ouvertures 15 permettant le passage des trous métallisés 13 d'alimentation des éléments de commutation. De telles ouvertures génèrent une discontinuité dans le plan de masse qui peut être à l'origine de fuites hyperfréquences néfastes au bon fonctionnement du réseau ou à ses performances. Un premier moyen pour pallier cet inconvénient consiste par exemple à équiper le circuit imprimé de moyens appropriés comportant notamment des capacités situées au niveau des éléments de commutation sur la face avant du substrat hyperfréquence. Si elle se révèle efficace, une telle structure est complexe dans sa réalisation et peut avoir des dimensions importantes et incompatibles avec l'utilisation du réseau. La présente invention concerne une nouvelle structure de réseau réflecteur où le circuit intégré est pourvu de capacités intégrées de faible impédance. L'invention concerne un réflecteur actif d'ondes électromagnétiques comportant au moins : * un substrat hyperfréquence comportant sur une première de ses faces un ou plusieurs éléments déphaseurs, * un plan de masse en contact avec le substrat hyperfréquence, un substrat basse fréquence en contact avec le plan de masse, des moyens de commande de la phase de chaque élément déphaseur, lesdits moyens de commande étant reliés à au moins un élément déphaseur grâce à des éléments de liaison adaptés, lesdits éléments de liaison traversant au moins le substrat hyperfréquence et le plan de masse, caractérisé en ce que ledit plan de masse comporte au moins : une couche diélectrique comportant sur une première face une ou plusieurs premières zones métallisées Z, et sur une deuxième face une ou plusieurs deuxièmes zones métallisées Z2, * au moins une première zone Z1 et une deuxième zone Z2 étant disposées au voisinage d'un élément de liaison, lesdites première zone et deuxième zone présentant une surface de recouvrement Sr, 'au moins une desdites premières zones Z1 ou au moins une desdites deuxièmes zones Z2 est en contact avec au moins une partie de l'élément de liaison. La couche diélectrique est par exemple un film de polyamide d'épaisseur sensiblement égale à 0.04 mm. Selon un mode de réalisation les éléments de liaison sont des trous métallisés. Les éléments de déphasage comportent par exemple des moyens de commutation ou des éléments à impédance variable tels que des diodes PIN, des commutateurs micromécaniques, des composants à impédance variable. Le réseau réflecteur est par exemple intégré dans une antenne à balayage électronique comportant une source primaire de rayonnement utilisée par exemple dans des domaines de fréquence centimétrique ou millimétrique. La structure de réseau réflecteur selon l'invention présente notamment comme avantages d'être simple à réaliser et de présenter des dimensions relativement faibles. D'autres avantages et caractéristiques de l'invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui suit à titre illustratif et nullement limitatif et qui est faite en référence aux dessins annexés où : ' la figure 1 est une vue en coupe d'un exemple de réseau réflecteur selon l'art antérieur, * la figure 2 est une vue en coupe d'un premier exemple de réalisation d'un réseau réflecteur selon l'invention, . la figure 3 est une vue partielle de dessus du réseau réflecteur de la figure 2, * les figures 4 à 5 sont des vues en coupe de variantes de réalisation de structure selon l'invention. Sur les figures 1 à 5 les mêmes références ont été utilisées pour désigner des éléments semblables. L'idée consiste à réaliser au niveau des discontinuités existantes dans le plan de masse, notamment au voisinage des ouvertures permettant le passage des trous métallisés assurant la liaison entre le circuit de commande de phase et un élément de commutation, au moins une capacité de découplage intégrée comportant deux zones métallisées en regard l'une de l'autre par exemple, les zones étant disposées sur les faces d'une couche diélectrique. L'ensemble formé de la couche diélectrique et des zones métallisées réparties sur ses faces constitue le plan de masse. Les capacités intégrées ainsi formées permettent d'éviter les fuites en hyperfréquences en garantissant une continuité satisfaisante du plan de masse d'un point de vue hyperfréquence. Par ailleurs, elles sont compatibles avec l'isolation Basse Fréquence nécessaire entre les trous métallisés de commande et le plan de masse hyperfréquence. La figure 2 schématise le principe de conception de capacités intégrées selon l'invention. La partie du réseau réflecteur représenté comporte par exemple un substrat hyperfréquence 1 comportant sur sa face avant 5 plusieurs éléments déphaseurs en réflexion constitués chacun d'un ou de plusieurs motifs gravés 4 et d'éléments de commutation ou à impédance variable 6. Les éléments de commutation ou à impédance variable 6 sont reliés à l'aide de liaisons 7 connues de l'Homme du métier à des trous métallisés de liaison 13 traversant le substrat hyperfréquence, le plan de masse 2 et la multicouche basse fréquence 8. Les trous métallisés de liaison sont reliés au circuit intégré de commande 10 via des liaisons 12 (non représentées sur la figure pour des raisons de simplification). La connexion individuelle d'un élément de déphasage avec le circuit intégré de commande est assurée notamment grâce au circuit intégré multicouche basse fréquence selon des règles connues de l'Homme du métier. Le plan de masse hyperfréquence 2 est constitué d'une couche diélectrique 20 comportant sur une de ses faces 21, par exemple la face en contact avec le substrat hyperfréquence, une ou plusieurs premières zones métallisées Zi et sur une autre face 22, située en vis à vis de la première face, une ou plusieurs secondes zones métallisées Z2. Les zones métallisées Zi et Z2 forment les capacités intégrées de découplage du réseau réflecteur. Pour cela elles doivent notamment remplir au moins une des conditions suivantes : . Z, et Z2 sont situées au voisinage des trous métallisés 13 permettant l'alimentation ou la commande des éléments de commutation, Au moins une des deux zones Z1 et Z2 est en contact partiellement ou totalement avec le trou métallisé 13, par exemple sur la figure 2 la zone Z2 est en contact avec le trou métallisé 13, L'agencement et la dimension de ces deux zones métallisées sont choisis pour que la surface de recouvrement Sr des deux surfaces en regard Si et 82 génère un effet capacitif ou une capacité suffisante pour éviter ou minimiser au maximum les fuites en hyperfréquence. Caractéristiques des zones métallisées Z, et Zg Les surfaces Si et S2 correspondant aux deux zones Z1 et Z2 sont choisies aussi grandes que possible tout en respectant les contraintes d'encombrement liées aux dimensions des éléments déphaseurs et à la maille du réseau réflecteur. Chaque zone Z1 et Z2 peut présenter des formes géométriques variées et peut aussi être constituée de plusieurs zones pouvant être reliées entre elles. Couche diélectrique La couche de diélectrique 20 intercalée entre les zones métallisées Z1 et Z2 est par exemple une fine couche de diélectrique, présentant une constante diélectrique élevée. En effet, plus la couche est fine et de constante diélectrique élevée, plus les capacités créées présentent de fortes valeurs. Par exemple l'épaisseur de cette couche est inférieure à val200 et possède une valeur de constante diélectrique aussi élevée que possible typiquement supérieure à 3. La couche diélectrique 20 peut aussi servir de couche de collage du multicouche basse fréquence sur le substrat hyperfréquence. Les capacités de découplage sont par exemple réalisées en bande Ka par exemple en utilisant une fine couche diélectrique constituée d'un film de polyimide d'épaisseur sensiblement égale à 0.04 mm. Dans ce cas les capacités obtenues sont par exemple de l'ordre de quelques pF. Les motifs des éléments du réseau réflecteur peuvent être adaptés en fonction des capacités de découplage mises en place. Pour des raisons de simplification la façon de contrôler la phase en réflexion de chaque élément déphaseur n'a pas été reprise. Il est bien entendu que ce contrôle peut être effectué à l'aide de circuits intégrés de commande 10 sur le principe donné pour la figure 1. La figure 3 représente le réseau réflecteur de la figure 2 vu de dessus et détaillé sur trois niveaux. Le niveau 1 correspond à la face avant 5 du réseau, le niveau 2 à la face 21 (figure 2) et le niveau 3 à la face 22. La figure 4 décrit un mode de réalisation dans lequel les premières et les deuxièmes zones métallisées Z1 et Z2 sont toutes les deux en contact avec le trou métallisé 13. La figure 5 représente une autre variante de réalisation du réseau réflecteur selon l'invention où la première zone métallisée Zi est en contact avec le trou métallisé 13 et la deuxième zone métallisée n'est pas en contact avec le trou métallisé. Sans sortir du cadre de l'invention les éléments de commutation peuvent être choisis parmi la liste suivante : des diodes PIN, des commutateurs micromécaniques, des composants à impédance variable Les trous métallisés peuvent être remplacés par tout élément capable d'assurer la liaison entre le circuit de commande et un élément de déphasage. Les matériaux utilisés pour le substrat hyperfréquence sont par exemple des matériaux à faibles pertes utilisés pour les circuits imprimés hyper par exemple du verre-téflon. Le substrat multicouche basse fréquence est par exemple constitué d'un matériau habituellement utilisé pour les circuits imprimés classiques tel que du verre-époxy. La disposition des éléments ou motifs de réflexion sont disposés en général sur une maille régulière de pas voisin sensiblement égal ou égal à 2. Le réseau réflecteur présentant l'une des caractéristiques décrites en relation avec les figures 2 à 5 est utilisé par exemple dans une antenne à balayage électronique comportant une source primaire de rayonnement illuminant un réseau réflecteur commandable. Il est par exemple mis en place dans des antennes hyperfréquence fonctionnant à des fréquences au moins supérieures au GHz, dans des domaines de fréquence centimétrique ou millimétrique. REVENDICATIONS 1-Réflecteur actif d'ondes électromagnétiques comportant au moins : un substrat hyperfréquence (1) comportant sur une première de ses faces (5) un ou plusieurs éléments déphaseurs (4,6), un plan de masse (2) en contact avec le substrat hyperfréquence, un substrat basse fréquence (8) en contact avec le plan de masse (2), . des moyens de commande (10) de la phase de chaque élément déphaseur (4,6), lesdits moyens de commande étant reliés à au moins un élément déphaseur (4,6) grâce à des moyens de liaison adaptés (13), lesdits moyens de liaison traversant au moins le substrat hyperfréquence et le plan de masse, caractérisé en ce que ledit plan de masse (2) comporte au moins : une couche diélectrique (20) comportant sur une première face une ou plusieurs premières zones métallisées Z, et sur une deuxième face une ou plusieurs deuxièmes zones métallisées Z2, au moins une première zone Z1 et une deuxième zone Z2 étant disposées au voisinage d'un élément de liaison (13), lesdites première zone et deuxième zone présentant une surface de recouvrement Sr, au moins une desdites premières zones Z, ou au moins une desdites deuxièmes zones Z2 est en contact avec au moins une partie de l'élément de liaison (13). 2-Réflecteur selon la revendication 1 caractérisé en ce que les premières zones Z, et les deuxièmes zones Z2 sont en contact au moins partiel avec dudit élément de liaison (13). 3-Réflecteur selon la revendication 1 caractérisé en ce que la dimension de la surface de recouvrement Sr est choisie en fonction des dimensions des éléments déphaseurs et de la maille du réseau réflecteur. 4-Réflecteur selon la revendication 1 caractérisé en ce que la couche diélectrique (20) présente une épaisseur inférieure à la longueur d'onde divisée par 200 et une constante diélectrique supérieure à 3. 5-Réflecteur selon la revendication 1 caractérisé en ce que la couche diélectrique (20) est un élément de maintien entre le substrat hyperfréquence (1) et le substrat basse fréquence (8). 6-Réflecteur selon l'une des revendications 1 à 5 caractérisé en ce que la couche diélectrique est un film de polyimide d'épaisseur sensiblement égale à 0. 04 mm. 7-Réflecteur selon l'une des revendications 1 à 6 caractérisé en ce que les éléments de liaison (13) sont des trous métallisés. 8-Réflecteur selon l'une des revendications 1 à 7 caractérisé en ce que les éléments de déphasage comportent des moyens de commutation ou des éléments à impédance variable tels que des diodes PIN, des commutateurs micromécaniques, des composants à impédance variable. 9-Antenne à balayage électronique comportant une source primaire de rayonnement illuminant un réseau réflecteur commandable présentant les caractéristiques d'au moins une des revendications 1 à 8. 10-Antenne selon la revendication 9 utilisée dans des domaines de fréquence centimétrique ou millimétrique.