Brevet FR2866479A1 — publié le 20050819

La présente invention se rapporte à un procédé de fabrication d'une antenne et/ou d'un réseau d'antennes, ainsi qu'à une antenne et/ou à un réseau d'antennes fabriqués selon un tel procédé. Elle concerne notamment des antennes hélicoïdales ou des réseaux d'antennes hélicoïdales. Une antenne est un organe d'émission et/ou de réception de rayonnements électromagnétiques. Elle est utilisée dans de nombreux dispositifs de communications requérant un ou plusieurs de ces organes rayonnants. Lorsque plusieurs antennes sont associées pour une même fonction commune, l'ensemble de ces antennes est appelé un réseau d'antennes. Un réseau d'antennes présente certains avantages par rapport à une unique antenne, telle que celui de procurer une directivité plus grande, l'ouverture rayonnante équivalente d'un réseau étant plus grande que celle d'une seule antenne de ce réseau. Les antennes hélicoïdales, c'est-à-dire les antennes formées par un fil conducteur dont le parcours décrit une hélice, sont utilisées dans de nombreux dispositifs tels que les téléphones portables, les sources pour les foyers d'un système de focalisation ou les grands réseaux d'antennes. La figure la représente la projection d'une antenne hélicoïdale 100 sur un plan comprenant l'axe longitudinal 104 de l'antenne et la figure lb représente la vue en projection de l'antenne 100 sur un plan perpendiculaire à l'axe longitudinal 104 de l'antenne. La figure lb peint de définir l'intérieur 105 de l'hélice comme le volume généré par le cylindre d'axe et de rayon égaux à l'axe et au rayon de l'hélice, l'extérieur 107 de l'hélice étant le volume entourant l'intérieur 105. Une antenne 100 hélicoïdale comprend un ou plusieurs seynents 102 de fil conducteur en hélice ou spirale. Chaque segment 102 peut être défini par sa longueur 108 selon l'axe longitudinal 104, par le nombre de spires 110, par la section 112 du fil, par le pas 114 de l'hélice, par l'angle 116 d'inclinaison de l'hélice (angle entre une tangente à l'hélice et un plan perpendiculaire à l'axe 104 de l'antenne), par le rayon 106 de l'hélice et par la nature du matériau conducteur formant le fil. Par ailleurs, il convient de signaler que ces paramètres peuvent être variables ou constants le long de l'axe 104 de l'hélice, et notamment le long d'un segment 102. Une telle antenne hélicoïdale 100 présente plusieurs modes de fonctionnement qui dépendent de divers paramètres tels que son rayon 106, son angle 116 d'inclinaison des spires 110 et son pas 114. Selon un premier mode de polarisation, une hélice peut être polarisée suivant son axe longitudinal 104 (polarisation linéaire) dans un mode appelé normal, cette polarisation linéaire étant utilisée notamment dans les téléphones mobiles. Selon un second mode, une hélice peut aussi être polarisée circulairement (polarisation circulaire en mode dit axial) autour de l'axe de l'hélice quand le rayon de l'hélice est de l'ordre de la longueur d'onde des ondes à émettre ou à recevoir, cette polarisation circulaire étant utilisée en général, par exemple, pour les antennes hélicoïdales présentes dans les points focaux des antennes paraboliques servant à recevoir et à émettre des ondes électromagnétiques provenant de satellites. Dans ce dernier cas, la qualité de la polarisation circulaire dépend du nombre de spires 110 tandis que la directivité dépend de la longueur 108 de l'antenne Il est connu de fabriquer une antenne hélicoïdale selon plusieurs procédés distincts, ces procédés étant détaillés ci-dessous: Une première technique de fabrication consiste à conférer un profil hélicoïdal à un fil conducteur par formage, de façon analogue à la réalisation d'un ressort. Une deuxième technique de fabrication consiste à 35 enrouler un fil conducteur sur un élément isolant, tel qu'un tube en plastique ou un bloc de mousse, l'élément isolant étant utilisé comme support de l'hélice. Ensuite, on peut soit laisser l'élément isolant, soit l'enlever si la résistance de l'antenne hélicoïdale est suffisante pour garder sa forme en l'absence du support. Une troisième technique consiste à imprimer une ou plusieurs lignes conductrices en diagonale sur un substrat, par exemple une feuille d'un élément isolant, qui est replié sur lui-même pour ainsi former une hélice dont l'angle d'inclinaison est l'angle de la diagonale sur le substrat. Par ailleurs, lorsque des antennes sont fabriquées individuellement, il peut être requis de mettre ces antennes en réseau, auquel cas ces antennes doivent être reliées entre elles, par un élément rigide conducteur et un circuit d'excitation. Ces procédés de fabrication d'antennes présentent divers inconvénients. Ainsi, la technique de formage nécessite une rigidité suffisante de l'élément conducteur tandis que les procédés de fabrication selon les deuxième et troisième techniques, c'est-à-dire par bobinage autour d'un support ou par pliage d'un substrat, sont relativement complexes et coûteuses à mettre en oeuvre, notamment par la déformation requise du fil conducteur (cas du bobinage) ou du substrat (cas du pliage). Finalement, ces procédés connus ne s'appliquent qu'à la fabrication d'antennes individuelles de telle sorte que la mise en réseau de plusieurs antennes requiert d'autres opérations propres, augmentant ainsi le coût de la fabrication d'un réseau. Lors de ces opérations propres à la mise en réseau d'antennes, il convient de souligner que chaque antenne doit être reliée à l'ensemble du réseau avec une rigidité mécanique suffisante pour conserver, sur une longue période, les caractéristiques de polarisation du réseau d'antennes dans son ensemble, ce qui est particulièrement complexe et coûteux. Or, il est connu que, dans un réseau, les antennes 2866479 4 doivent garder leurs orientations, les unes par rapport aux autres et par rapport au circuit d'excitation, pour que ce dernier maintienne ses performances. La présente invention résout au moins un des problèmes mentionnés cidessus. Elle résulte notamment de la constatation qu'une hélice n'offre pas de superpositions lorsqu'on projette sa forme sur une surface parallèle à son axe, comme montrée sur la figure la. C'est pourquoi, l'invention concerne un procédé de fabrication d'une antenne comprenant un fil, formé par un matériau conducteur, dont le parcours présente une forme en hélice, caractérisé en ce qu'on forme une empreinte en relief sur un seul côté d'un élément en matériau électriquement isolant de telle sorte qu'on génère la forme en hélice en déposant le matériau conducteur dans cette empreinte. Grâce à l'invention, il est possible de fabriquer une antenne avec un coût limité puisque le simple dépôt de fil conducteur sur une surface d'appui conforme à l'invention permet de générer une telle antenne. Notamment, il n'est pas nécessaire de déformer un fil conducteur, selon les procédés de bobinage et formage déjà décrits, ou de plier un substrat pour obtenir la forme en hélice ce qui simplifie la fabrication de l'antenne. Par ailleurs, l'invention permet de réaliser un nombre élevé d'antennes hélicoïdales différentes avec une grande flexibilité de conception puisque la variation de paramètres physique entre des antennes à fabriquer peut être pris en compte en variant simplement les surfaces d'appui de ces antennes selon ces paramètres. Ainsi, de nombreux paramètres peuvent être aisément modifiés avec un procédé de fabrication selon l'invention. Par exemple, le matériau de l'élément isolant, son indice diélectrique (ce qui permet de modifier les caractéristiques radioélectriques des antennes), le matériau conducteur, et les différents profils d'hélices possibles pour les antennes. L'invention concerne aussi un procédé de fabrication d'un réseau d'antennes caractérisé en ce que plusieurs antennes sont fabriquées sur un même élément isolant par le procédé de fabrication d'antennes hélicoïdales de l'invention. Grâce à cette invention, il est possible de mettre en réseau des antennes hélicoïdales de façon simple, fiable, reproductible et rapide de façon analogue au procédé de fabrication de chacune des antennes formant le réseau. Par ailleurs, l'ensemble du réseau d'antennes est rigide, grâce au support commun, ce qui lui permet de maintenir l'orientation relative des antennes les unes par rapport aux autres, et donc de maintenir les performances du réseau. De plus, il est possible d'associer le circuit d'excitation dans une même opération industrielle, comme par exemple l'impression de lignes coplanaires ou l'adjonction d'un micro-ruban avec substrat et plan de masse sur le même élément isolant où sont fabriqués les antennes du réseau. Ce procédé est, comme celui de la fabrication des antennes, un procédé simple à mettre en uvre et requérant des coûts de production limités. L'invention concerne aussi une antenne hélicoïdale ou un réseau d'antennes hélicoïdales fabriquée(s) selon un procédé de fabrication d'antenne hélicoïdale conforme à l'invention. Dans une réalisation, la surface de contact entre le matériau conducteur et l'élément isolant dans l'empreinte est placée à l'intérieur de l'hélice pour certaines sections et à l'extérieur de l'hélice pour d'autres sections. Selon une réalisation, le matériau de l'élément électriquement isolant est obtenu par moulage ou par formage. Dans une réalisation, l'élément conducteur est formé par dépôt d'un matériau métallique sur l'élément isolant. Selon une réalisation, l'élément isolant est une mousse. Dans une réalisation, on génère l'empreinte par 35 pression mécanique d'une matrice hélicoïdale sur le côté de 2866479 6 l'élément isolant. Selon une réalisation, la matrice hélicoïdale générant l'empreinte est un modèle de l'antenne à fabriquer. Dans une réalisation, l'empreinte comprend une série régulière de stries le long d'un axe longitudinal, correspondant à l'axe requis pour l'antenne hélicoïdale, pratiquement parallèles entre elles et régulièrement espacées d'une distance de sommet à sommet égale au pas requis pour l'antenne hélicoïdale, l'angle entre la direction des stries et la perpendiculaire à l'axe de l'antenne correspondant à l'angle d'inclinaison requis pour l'antenne hélicoïdale. Selon une réalisation, on dépose le fil conducteur par pulvérisation de particules métalliques dans l'empreinte à l'aide d'un pochoir. Dans une réalisation, le pochoir présente un relief correspondant au relief de la surface d'appui. L'invention concerne aussi un procédé de fabrication d'un réseau d'antennes dont au moins deux antennes présentent une forme hélicoïdale, caractérisé en ce qu'au moins deux de ces antennes sont fabriquées selon un procédé conforme à l'une des réalisations précédentes. Dans une réalisation, les antennes sont fabriquées à l'aide d'un même élément électriquement isolant. Selon une réalisation, les antennes sont reliées par 25 un circuit conducteur imprimé sur l'élément électriquement isolant. Dans une réalisation, un circuit d'excitation est solidaire de l'élément électriquement isolant. Selon une réalisation, le circuit d'excitation est 30 imprimé ou gravé sur un substrat collé à l'élément électriquement isolant. L'invention concerne aussi une antenne hélicoïdale caractérisée en ce qu'elle est fabriquée par un procédé de fabrication conforme à l'une des réalisations précédentes de procédé de fabrication d'antenne. Finalement, l'invention concerne aussi un réseau d'antennes caractérisé en ce qu'il est fabriqué par un procédé de fabrication conforme à l'une des réalisations précédentes de fabrication de réseau d'antennes. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront avec la description effectuée ci-dessous à titre d'exemple non limitatif en se référant aux figures ci-jointes sur lesquelles: - Les figures la et lb, déjà décrites, représentent deux vues schématiques d'une antenne hélicoïdale simple, - Les figures 2a et 2b représentent de façon schématique deux étapes du procédé de fabrication d'une antenne selon une première réalisation préférée de l'invention, - Les figures 3a et 3b sont des schémas d'un élément isolant utilisé pour la fabrication d'une antenne selon un second mode de réalisation de l'invention, et - La figure 4 est un schéma d'une réalisation d'un réseau d'antennes hélicoïdales conformément à l'invention. Dans la réalisation préférée de l'invention décrite ci-dessous, conformément à l'invention, on utilise une empreinte pour déposer un fil conducteur sur la surface d'appui telle que le parcours du fil selon cette empreinte soit hélicoïdal. A cet effet, on choisit un matériau électriquement isolant, sélectionné en fonction de l'indice diélectrique souhaité pour l'antenne en considérant que le corps rayonnant de l'antenne (le fil conducteur) est amené à être en contact avec ce matériau. Par ailleurs, ce matériau présente une capacité à se déformer, c'est pourquoi dans cette réalisation ce matériau comprend de la mousse, par exemple en polyméthacrilitide ou en polystyrène expansé. Les mousses de polyméthacrilitide connues utilisables ont par exemple une permittivité Er variant entre 1,07 et 1.08 et une tangente de perte variant entre 0, 0002 et 0,0003. Les mousses en polystyrène expansé ont par exemple une permittivité Er de l'ordre de 1,56 et une tangente de perte de l'ordre de 0,002. Par la suite, on applique un des deux procédés décrits ci-dessous permettant de réaliser une empreinte sur la mousse. Un premier procédé, décrit avec les figures 2a et 2b, s'applique lorsqu'on peut réaliser une matrice ou un modèle 202 d'antenne hélicoïdale semblable à l'antenne à réaliser présentant une rigidité suffisante, et notamment une section de fil suffisamment élevée pour que l'antenne ne se déforme pas lorsqu'elle est enfoncée dans une mousse comme décrit ci-dessous. En effet, on utilise ce modèle 202 d'hélice pour réaliser une empreinte 210 de ce modèle sur une face d'un volume 208 de mousse en enfonçant latéralement, selon une direction 206, le modèle 202 dans ce volume jusqu'à ce que ce modèle 202 soit totalement inséré dans la mousse. Il apparaît alors que la section du modèle 202 doit être importante pour que ce modèle 202 ait une résistance mécanique suffisante pour conformer le volume 208 de mousse en marquant une empreinte telle que, postérieurement, on puisse imprimer un matériau conducteur dans l'empreinte ainsi réalisée comme décrit ultérieurement. De fait, en enlevant le modèle 202, on laisse une empreinte en trois dimensions sur la mousse 208, représenté schématiquement en vue selon la flèche 200 par la figure 2b. Lorsqu'il n'est pas aisé de réaliser un modèle à bas coût ayant les caractéristiques mécaniques suffisantes pour ne pas se déformer, ou si la section du conducteur est faible, il est difficile d'imprimer un conducteur dans le relief de l'empreinte ainsi créée. C'est pourquoi, selon un second procédé de fabrication, on réalise l'empreinte dans l'élément isolant 300 par le marquage sur la surface de cet élément isolant d'une empreinte 302, comportant une série régulière de stries 304 2866479 9 parallèles le long d'un axe longitudinal 306, dit axe de l'antenne hélicoïdale. La section de ces stries est déterminée au préalable mathématiquement ou de façon empirique par des procédés de calculs, par exemple en considérant que cette empreinte correspond à la projection latérale d'un antenne hélicoïdale idéale imaginaire servant de modèle à l'antenne à réaliser. Ces stries ont un pas 308, de sommet à sommet, égal au pas requis pour l'antenne hélicoïdale à réaliser. L'angle 310 entre l'axe longitudinal 312 des stries et la perpendiculaire 314 à l'axe de l'antenne est l'angle d'inclinaison souhaité de l'antenne hélicoïdale à fabriquer. Les stries 304, représentées en détail dans la figure 3b, ont une section telle qu'on obtient une courbe 318 décrivant une même hélice, en trois dimensions, que l'hélice idéale imaginaire, en projetant cette dernière sur ces stries selon la direction 312, perpendiculaire à la surface de l'élément isolant 300. Suite à cette réalisation de l'empreinte, selon l'un ou l'autre des procédés décrits ci-dessous, on place un pochoir préalablement fabriqué qui épouse la forme de l'empreinte. Ce pochoir est, par exemple, une feuille de métal moulée telle qu'une bande, de largeur égale à celle de l'impression qu'on souhaite réaliser, est découpée dans le pochoir. Cette découpe peut être réalisée par exemple grâce à un jet d'eau à pression ou à un laser perpendiculaire à la feuille et décrivant la projection de l'hélice sur un plan parallèle à l'axe de l'hélice. Une fois le pochoir en place, on pulvérise un matériau conducteur (par exemple du métal) selon certains paramètres de traitement, tels que le temps et/ou la densité de la pulvérisation, pour obtenir l'épaisseur souhaitée du conducteur sur l'empreinte et, si nécessaire, d'autres parties de l'élément isolant pour réaliser la connexion à l'hélice à réaliser. Le dépôt de conducteur ainsi réalisée sur l'élément isolant décrit dans l'espace l'hélice souhaitée. On peut remarquer une propriété de l'hélice ainsi formée par la dépôt de matériau conducteur sur l'élément isolant: la surface de contact entre le matériau conducteur et l'élément isolant dans l'empreinte est placée à l'intérieur de l'hélice pour certaines sections (par exemple aux endroits 212 de la figure 2 ou 322 de la figure 3, ce qui correspond aux sommets de l'empreinte) et à l'extérieur de l'hélice pour d'autres sections (par exemple aux endroits 214 de la figure 2 ou 320 de la figure 3, ce qui correspond aux vallées de l'empreinte). On peut fabriquer aussi un réseau d'hélices 400 (figure 4) en utilisant le procédé de fabrication d'antennes hélicoïdales pour en fabriquer plusieurs sur le même élément 15 isolant 402, comme par exemple un bloc de mousse. Dans la réalisation décrite ci-dessous à l'aide de la figure 4, quatre hélices 404, 406, 408 et 410 ont été réalisées dans le même bloc de mousse 402 en utilisant le procédé de l'invention. Ainsi, il est possible d'associer aux quatre hélices un substrat 412 avec un plan de masse et un réseau d'excitation 414 qui peut être, par exemple, imprimé ou gravé, de telle sorte que tout l'ensemble du réseau d'antennes est rigide. Cette invention peut avoir de nombreuses variantes relatives, entre autres, aux différents profils réalisables pour les éléments rayonnants, aux adjonctions possibles d'un circuit d'excitation (par exemple un microruban avec substrat et plan de masse) et aux matériaux supportant des antennes selon l'indice diélectrique souhaité. REVENDICATIONS 1. Procédé de fabrication d'une antenne (404, 406, 408, 410) comprenant un fil, formé par un matériau conducteur, dont le parcours présente une forme en hélice caractérisé en ce qu'on forme une empreinte (210, 302) en relief sur un seul côté d'un élément (208, 300, 402) en matériau électriquement isolant de telle sorte qu'on génère la forme en hélice en déposant le matériau conducteur dans cette empreinte (210, 302). 2. Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que la surface de contact entre le matériau conducteur et l'élément isolant (208, 300, 402) dans l'empreinte (210, 302) est placée à l'intérieur de l'hélice pour certaines sections et à l'extérieur de l'hélice pour d'autres sections. 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2 caractérisé en ce que le matériau de l'élément électriquement isolant (208, 300, 402) est obtenu par moulage ou par formage. 4. Procédé selon la revendication 1, 2 ou 3 caractérisé en que l'élément conducteur est formé par dépôt d'un matériau métallique sur l'élément isolant (208, 300, 402). 5. Procédé selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que l'élément isolant (208, 300, 402) est une mousse. 6. Procédé selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce qu'on génère l'empreinte (210) par pression mécanique d'une matrice hélicoïdale (202) sur le côté de l'élément isolant (208). 7. Procédé selon la revendication 6 caractérisé en ce que la matrice hélicoïdale (202) générant l'empreinte (210) est un modèle de l'antenne à fabriquer. 8. Procédé selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que l'empreinte (210, 302) comprend une série régulière de stries le long d'un axe longitudinal, correspondant à l'axe requis pour l'antenne hélicoïdale, pratiquement parallèles entre elles et régulièrement espacées d'une distance de sommet à sommet égale au pas requis pour l'antenne hélicoïdale, l'angle entre la direction des stries et la perpendiculaire à l'axe de l'antenne correspondant à l'angle d'inclinaison requis pour l'antenne hélicoïdale. 9. Procédé selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce qu'on dépose le fil conducteur par pulvérisation de particules métalliques dans l'empreinte à l'aide d'un pochoir. 10.Procédé selon la revendication 9 caractérisé en ce que le pochoir présente un relief correspondant au relief de la surface d'appui. 11. Procédé de fabrication d'un réseau (400) d'antennes (404, 406, 408, 410) dont au moins deux antennes présentent une forme hélicoïdale caractérisé en ce qu'au moins deux de ces antennes (404, 406, 408, 410) sont fabriquées selon un procédé conforme à l'une des revendications précédentes. 12.Procédé selon la revendication 11 caractérisé en ce que les antennes (404, 406, 408, 410) sont fabriquées à l'aide d'un même élément électriquement isolant (208, 300, 402). 13.Procédé selon l'une des revendications 11 ou 12 caractérisé en ce que les antennes (404, 406, 408, 410) sont reliées par un circuit conducteur imprimé sur l'élément électriquement isolant. 14.Procédé selon la revendication 11, 12 ou 13 caractérisé en ce qu'un circuit d'excitation est solidaire de l'élément électriquement isolant. 15.Procédé selon la revendication 14 caractérisé en ce que le circuit d'excitation est imprimé ou gravé sur un substrat collé à l'élément électriquement isolant. 16. Antenne hélicoïdale (404, 406, 408, 410) caractérisée en ce qu'elle est fabriquée par un procédé de fabrication conforme à l'une des revendications 1 à 10. 17. Réseau (414) d'antennes (404, 406, 408, 410) caractérisé en ce qu'il est fabriqué par un procédé de fabrication conforme à l'une des revendications 11 à 15.