Brevet FR2862438A1 — publié le 20050520

La présente invention concerne un procédé de réalisation d'une structure à bandes interdites photoniques sur un dispositif micro-ondes, notamment un dispositif micro-ondes de type fente réalisé sur un substrat métallisé. Les structures à bandes interdites photoniques connues sous l'abréviation BIP ou de manière plus générale sous le terme Photonic Band Gap Structure ou PBG en langue anglaise, sont des structures périodiques qui interdisent la propagation d'une onde pour certaines bandes de fréquences. Depuis quelques années, des recherches et études ont été effectuées pour l'utilisation de ces structures dans des gammes de fréquence telles que celles utilisées par les dispositifs micro-ondes. Ainsi, des structures à bandes photoniques constituées par des motifs gravés sur la face d'un substrat opposé à celle recevant une ligne microruban (c'est à dire, dans le plan de masse de cette ligne microruban) , ont été décrites, notamment dans l'article intitulé Novel anisotropic uniplanar compact photonic band gap (UC-PBG) ground plane , European Microwave Conf. Dig. Vol. 2 pp185-187, September 2001. D'autre part, la demanderesse a proposé notamment dans la demande de brevet français n 02 12656 du 11 octobre 2002 et dans l'article intitulé Harmonic-less annular slot antenna (ASA) using a novel PBG structure for slot-line printed devices IEEE AP-S 2003 , un procédé de réalisation d'une structure BIP sur un dispositif micro-ondes de type fente réalisé sur un substrat métallisé ainsi que des antennes du type fente annulaire ou des antennes de type Vivaldi utilisant de telles structures pour réaliser un filtrage ou une adaptation en fréquence de ladite antenne. Dans cette structure, les motifs doivent être espacés d'une longueur à la fréquence centrale de la bande interdite escomptée ( avec Xg, la longueur d'onde guidée dans la ligne de propagation, c'est à dire dans la ligne fente). Un certain nombre de répétition de la cellule élémentaire est alors nécessaire pour obtenir l'effet BIP. Aussi, l'encombrement associé est non négligeable et représente un coût. De plus, les pertes en ligne sont alors plus importantes car la longueur de ligne mise en jeu est plus importante. La présente invention concerne donc un procédé de réalisation s d'une nouvelle structure à bandes interdites photoniques dans le cas d'un dispositif micro-onde du type à fente. Aussi, la présente invention propose un procédé de réalisation d'une structure à bandes interdites photoniques sur un dispositif micro-ondes de type fente réalisé sur un substrat métallisé. Ce procédé consiste à io former sur la face du substrat opposée à la face recevant la fente, un motif obtenu en dupliquant une cellule métallique élémentaire Nx fois selon la direction de la fente et Ny fois selon la direction perpendiculaire à la fente (Nx>ou=1 et Ny>1), la duplication selon la direction perpendiculaire à la fente étant faite de manière à avoir des cellules contiguës et la dimension b du motif selon la direction perpendiculaire à la fente étant égale à Àg/2 où Xg est la longueur d'onde guidée dans le motif métallique continu ainsi obtenu; à la fréquence centrale de fonctionnement. Ainsi, la structure BIP utilisée est constituée d'un tronçon de ligne métallisée présentant des corrugations, ce tronçon étant imprimé sous la fente de l'autre coté du substrat. Ce tronçon est alors dupliqué Nx fois dans la direction de la fente. Entre deux tronçons de ligne métallisée, il y a donc une fente. En fait, c'est la longueur d'onde guidée dans ce tronçon de ligne métallisée qui fixe la fréquence centrale de la bande interdite. La longueur de ce tronçon doit être de longueur Àg/2 à la fréquence centrale de la bande interdite escomptée, Àg étant la longueur d'onde guidée dans ce tronçon. La création d'un motif tel que décrit ci-dessus donne une structure très compacte qui permet de filtrer la transmission sous une ligne à fente dans une bande de fréquence donnée. Selon une autre caractéristique de la présente invention, les 30 dimensions d'une cellule élémentaire sont très inférieures à la longueur d'onde Xg. Ainsi les dimensions d'une cellule élémentaire sont inférieures ou égales à Xg/10. La cellule élémentaire peut avoir différentes formes. Ainsi, elle peut être de forme polygonale, à savoir rectangulaire, triangulaire, carrée ou avoir la forme d'un losange. La cellule élémentaire peut aussi être de forme circulaire ou elliptique. D'autre part, le motif peut lui aussi s présenter différentes formes. Ainsi, le motif peut être carré, c'est-à-dire constitué par un même nombre de cellules élémentaires selon la direction de la fente et selon la direction perpendiculaire à la fente. Toutefois, dans le cadre de la présente invention, le motif peut présenter d'autres formes symétriques ou asymétriques avec un nombre de io cellules élémentaires selon la direction de la fente ou selon la direction perpendiculaire à la fente qui peuvent varier selon un pas déterminé. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront à la lecture de la description de différents modes de réalisation, cette description étant faite avec référence aux dessins ciannexés dans lesquels: Fig. 1 est une vue en perspective schématique d'un premier mode de réalisation d'une structure conforme à la présente invention, Fig. 2 est une vue agrandie d'une partie du motif de la figure 1, Fig. 3A et Fig. 3B sont respectivement une vue en perspective d'une ligne fente alimentée par une double transition ligne microruban-ligne fente et les courbes donnant les paramètres S11 et S21 en fonction de la fréquence pour la ligne-fente représentée sur la figure 3A, Fig. 4A et Fig. 4B sont respectivement une vue schématique d'une ligne fente munie d'une structure à bandes interdites photoniques conforme à la présente invention, alimentée par une double transition ligne microruban-ligne fente et les courbes donnant les paramètres S11 et S21 en fonction de la fréquence pour la ligne-fente représentée à la figure 4A, Fig. 5 a), 5 b), 5 c) représentent schématiquement différentes configurations pour le motif conforme à la présente invention, Fig. 6 représente les différentes courbes S21 en fonction de la fréquence pour les motifs des Figure 5 a), 5 b), 5c) et pour la structure de référence représentée à la figure 4A, Fig. 7 a), 7 b) représentent schématiquement différentes formes 5 pour la cellule élémentaire. Pour simplifier la description dans les figures, les mêmes éléments portent les mêmes références. Le procédé de réalisation d'une structure à bandes interdites photoniques sur un dispositif micro-ondes de type fente sera tout d'abord io décrit avec référence à la figure 1 qui représente schématiquement une telle structure. Ainsi, comme représenté sur la figure 1, sur un substrat 1 de forme rectangulaire comportant un plan de masse 2 métallique, il a été réalisé une ligne à fente 3 par gravure du plan de masse métallique. Conformément à la présente invention, sur la surface du substrat opposée à la surface portant le plan de masse 2, l'on a réalisé un motif 4 formant une structure à bandes interdites photoniques. Ce motif 4 est obtenu en gravant une cellule métallique élémentaire 6, plus particulièrement en dupliquant cette cellule élémentaire 6 Nx fois dans la direction de la fente et Ny fois dans une direction perpendiculaire à la fente. La duplication dans la direction perpendiculaire à la fente est faite de sorte que les cellules élémentaires soient contiguës. De plus, la dimension du motif dans cette direction est égale à b=Ny x Py=Xg/2 où Xg est la longueur d'onde guidée dans le long du motif métallique ainsi obtenu à la fréquence centrale de fonctionnement. Dans le mode de réalisation de la figure 1, le motif 4 est un motif carré et présente des dimensions a = b = 2\,g/2 dans lequel Xg est la longueur d'onde guidée le long du motif métallique transversal à la ligne fente et composé de la succession des cellules élémentaires contiguës 6 à la fréquence centrale de la bande interdite. De ce fait, les faces en vis-àvis des tronçons de ligne forment des corrugations périodiques de dimensions très faibles devant la longueur d'onde, comme cela sera expliqué ci-après. Ainsi, dans le mode de réalisation représenté, le motif 4 est composé de 7 x 7 cellules élémentaires dans lesquelles la période est la même suivant les axes x et y, de telle sorte que Px = Py = P. Les tronçons de ligne microruban formés par duplication d'une cellule élémentaire étant perpendiculaires à la fente, on obtient une fonction de filtrage. En effet, Le tronçon de ligne métallisée corruguée de longueur b et transversal à la fente représente un résonateur de longueur Xg/2 qui fixe la fréquence centrale de la bande interdite escomptée ( avec Xg la io longueur d'onde guidée le long de ce motif métallisé). Ainsi, l'énergie se propageant dans la ligne fente se couple à ce résonateur réalisant ainsi une fonction de filtrage à cette fréquence. La succession de plusieurs tronçons de lignes métallisées permet de renforcer la fonction de filtrage et ainsi d'améliorer la réjection du filtre. On décrira maintenant de manière plus détaillée, avec référence à la figure 2, la structure du motif 4 et des cellules élémentaires 6. Sur la figure 2, seule une partie du motif 4 a été représentée. Dans ce cas, les cellules élémentaires 6 sont constituées chacune d'un élément rectangulaire 6a lié par une partie carrée 6b à la cellule suivante, de manière à former un tronçon de ligne microruban métallisée munie de corrugations. Les dimensions de chaque cellule élémentaire sont telles que Px = Py = P Conformément à l'invention, chaque cellule élémentaire doit être 25 très petite devant la longueur d'onde guidée dans la fente à la fréquence centrale de la bande interdite. Comme représenté sur la figure 2, le motif donnant la structure à bandes interdites photoniques est obtenu par duplication de la cellule élémentaire 6, trois fois selon la direction y et six fois selon la direction x. Ainsi, les dimensions totales du motif sont données par: a=NXxPx soit 6 x P dans le mode de réalisation de la figure 2 b=NyxPy soit 3 x P dans le mode de réalisation de la figure 2. Comme mentionné ci-dessus, la dimension b fixe la fréquence centrale de la bande interdite et cette dimension est de l'ordre de Xg/2 où Xg est la longueur d'onde guidée dans le tronçon de ligne microruban formé par les cellules élémentaires à la fréquence centrale de la bande interdite escomptée. D'autre part, la dimension a qui peut être identique à la dimension b est choisie en fonction de la taille et de la profondeur de la io bande interdite que l'on souhaite avoir. La structure décrite ci-dessus présente l'avantage d'être très compacte et permet de filtrer les ondes transmises sous une ligne à fente dans une bande de fréquence donnée. Cette particularité est mise en évidence avec référence aux figures 3A, 3B, 4A, 4B, qui représentent respectivement une structure micro-ondes de type ligne-fente gravée sur un substrat métallisé et alimentée par une double transition ligne microrubanligne fente et une structure similaire munie d'un motif formant une structure à bandes interdites photoniques conforme à la présente invention. Sur la figure 3A, on a représenté sur un substrat comportant un plan de masse métallique, une fente 11 obtenue en gravant la métallisation du plan de masse. Sur la face opposée à la face recevant la ligne-fente, ont été réalisées deux lignes microruban 12A, 12B positionnées à chaque extrémité de la ligne-fente 11 et dimensionnées de sorte que les transitions ligne/fente répondent aux lois énoncées par Knorr. Cette structure a été dimensionnée pour fonctionner autour de 5 GHz et pour que le comportement de la double transition ligne/fente 12A/11 et 12B/11 donne une bande passante comprise entre 3 et 7.4 GHz. Ces résultats sont représentés sur la figure 3B qui donne respectivement le paramètre d'adaptation S11 et de transmission S21 pour la structure de la figure 3A. Comme représenté sur la figure 4A, la structure ci-dessus comportant une ligne-fente 11 alimentée par deux lignes microruban 12A- 12B a été munie d'un motif BIP 13 obtenu en gravant des cellules élémentaires métalliques 14 sur la face du substrat opposée à la face contenant la ligne-fente 11, les cellules élémentaires métalliques 14 dupliquées formant des lignes microruban perpendiculaires à la ligne-fente 11. Dans ce cas, le motif BIP 13 et la cellule élémentaire 14 sont dimensionnés de telle sorte que a = 8.4 mm, b = 15 mm, p = 1.2 mm (a,b,p ayant la même signification que dans le cas du mode de réalisation des figures 1 et 2). Avec le dimensionnement proposé ci-dessus, on obtient une io bande interdite présentant une largeur de 2 GHz autour de 5.5 GHz, comme représenté sur la figure 4B qui donne respectivement en traits pleins le coefficient d'adaptation S11 et en traits munis de points, le coefficient de transmission S21 de la structure de la figure 4A en fonction de la fréquence. On décrira maintenant avec référence aux figures 5 a), Figure 5 b), Figure 5 c), différents modes de réalisation du motif BIP. Comme représenté sur la figure 5 a), le motif BIP est constitué selon la direction de la ligne-fente 11 de trois parties accolées, une première partie formée par deux lignes microruban de 9 cellules élémentaires suivie d'une seconde partie constituée de deux lignes microruban de 13 cellules élémentaires et d'une troisième partie constituée de deux lignes microruban de 9 cellules élémentaires. La figure 5 b) représente un motif BIP constitué de six lignes microruban de 9 cellules élémentaires chacune tandis que la figure 5 c) représente un motif constitué de six lignes microruban perpendiculaires à la lignefente de 13 cellules élémentaires chacune. Sur la figure 6, on a représenté les coefficients de transmission S21 en dB en fonction de la fréquence obtenus dans le cas d'une ligne à fente 11 en présence des trois motifs BIP décrits avec référence aux figures 5 a), 5 b) et 5 c) par comparaison avec la structure de référence de la figure 3A. Comme on le voit clairement sur les courbes de la figure 6, la structure ayant le motif représenté à la figure 5 a) donne un élargissement significatif pour la bande interdite par rapport aux structures des figures 5 b) et 5 c). Ainsi, l'on obtient un élargissement de la bande interdite de 44 % contre respectivement 20 % et 29,4 %. On décrira maintenant avec référence à la figure 7, différentes formes pour la cellule élémentaire constituant le motif. Ainsi, comme représenté sur la partie a), les cellules élémentaires peuvent être constituées par des cercles reliés entre eux ou comme représenté sur la figure 7 b), les cellules élémentaires métalliques peuvent être constituées par des triangles 30, une ligne microruban étant formée d'une suite continue io de triangles 30 se raccrochant par leur angle au sommet. Le motif BIP conforme à l'invention est obtenu en dupliquant plusieurs fois dans la direction de la fente, la ligne microruban ainsi formée des cellules élémentaires. La structure obtenue permet de réaliser une fonction de filtrage sur un dispositif à fente. Elle peut être utilisée comme un simple filtre ou être intégrée à une antenne de type fente pour le contrôle de fréquences harmoniques, par exemple. REVENDICATIONS 1 Procédé de réalisation d'une structure à bandes interdites photoniques (BIP) sur un dispositif micro-ondes de type fente réalisée sur un substrat métallisé, caractérisé en ce qu'il consiste à former sur la face du substrat opposée la face recevant la fente, au moins un motif obtenu en dupliquant une cellule métallique élémentaire Nx fois selon la direction de la fente et Ny fois selon la direction perpendiculaire à la fente (Nx >ou= 1 et Ny > 1), la duplication selon la direction perpendiculaire à la fente étant faite de manière à avoir des cellules contiguës et la dimension b du motif selon la direction perpendiculaire à la fente étant égale à Xg/2 où Xg est la longueur d'onde guidée le long du motif métallisé ainsi obtenu_à la fréquence centrale de la bande interdite. 2 Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que les dimensions d'une cellule élémentaire sont inférieures à la longueur d'onde Xg guidée dans la fente à la fréquence centrale de la bande interdite. 3 Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que les 20 dimensions d'une cellule élémentaire sont inférieures ou égales à Xg110. 4 Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la cellule élémentaire est de forme polygonale, circulaire ou elliptique. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que, selon la direction perpendiculaire à la fente, les cellules élémentaires sont dupliquées de manière à former une ligne microruban. io 6 Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que les valeurs de Ny et/ou de Nx sont variables selon un pas donné.