Brevet FR2916580A1 — publié le 20081128

STRUCTURE DE GUIDAGES D'ONDES ELECTROMAGNETIQUES EN MOUSSE METALLISEE. La présente invention concerne le domaine général des composants hyperfréquence à cavités et plus particulièrement le domaine des guides d'ondes, tels que les guides d'ondes standard, les guides d'ondes rayonnants ou encore les cornets. Elle propose une solution technologique originale permettant de réaliser de tels éléments de façon à en réduire à la fois le coût et la masse. Les guides et les cornets sont des éléments utilisés très généralement aussi bien pour synthétiser et pour véhiculer les ondes hyperfréquence que pour rayonner ces mêmes ondes dans l'espace libre. Ils se présentent généralement sous la forme de corps creux métalliques ayant des dimensions et des formes variables. Pour un élément donné, les caractéristiques des ondes formées ou propagées, ainsi que le mode de propagation considéré, déterminent la géométrie et les dimensions. Pour réaliser des pièces simples et/ou de petites dimensions, il est connu de procéder par moulage de métal. Cette technologie qui permet de réaliser un tel élément en un seul bloc permet avantageusement d'atteindre des coûts de fabrication faible. Elle n'est cependant plus utilisable lorsque la taille des éléments à réaliser augmente car, avec un tel procédé, les tolérances dimensionnelles ne sont plus respectées, une retouche après réalisation étant par ailleurs, selon la géométrie de l'élément considéré, délicate, voire impossible. Pour réaliser des guides de section interne constante il est également connu de procéder par extrusion. Cette technique est cependant réservée à la réalisation de guides rectilignes ou à très grand rayon de courbure. Pour les guides et les cornets, de formes plus complexes, ainsi que pour les éléments de tailles plus importantes, ces éléments sont généralement réalisés en plusieurs parties, par usinage par exemple. Par suite la réalisation de tels éléments nécessite une opération complémentaire d'assemblage. La réalisation d'un guide droit simple suivant un tel mode de réalisation consiste d'abord à fabriquer deux demi-guides et de deux brides d'assemblage. Elle consiste ensuite à assembler les deux demi-guides et enfin à assembler les brides aux extrémités du guide ainsi formé. Ce mode de réalisation nécessite en outre de réaliser des pièces ayant une épaisseur de parois relativement importante et, pour le moins, suffisant pour permettre l'assemblage des différentes pièces constituant l'élément considéré. Par suite, Il conduit à la réalisation de pièces complexes et donc coûteuses, de masse relativement importante. Les éléments obtenus, éléments creux par nature, nécessitent en outre d'être convenablement maintenus, sans quoi, faute d'un maintien correct, ils présentent une tendance certaine à la déformation. Ainsi, par exemple un guide horizontal de relativement grande longueur, doit être maintenu en différents points de sa longueur. Faute de quoi, s'il est simplement soutenu par ses brides d'extrémités, il est susceptible de subir une torsion consécutive à sa propre masse. De la sorte, l'ajout d'éléments de maintien augmente encore la masse de l'ensemble. Un but de l'invention est de résoudre les problèmes évoqués précédemment et, plus précisément, de proposer une méthode alternative permettent de réaliser, à faible coût, des éléments hyperfréquence creux présentant une masse n'induisant pas les inconvénients cités précédemment. A cet effet l'invention a pour objet une structure de guidage d'ondes électromagnétiques, comportant une zone interne dans laquelle se propage l'onde guidée, dont les dimensions et la géométrie sont adapté à la fonction réalisée par le guide et aux caractéristiques de l'onde guidée, et des parois métalliques délimitant ce milieu de propagation vis à vis de l'onde guidée, caractérisée en ce que la zone interne comporte un élément isolant, rigide, réalisé dans un matériau isolant dont la caractéristique diélectrique Er est sensiblement égale à celle de l'air et dont les dimensions et la géométrie sont sensiblement égales aux dimensions et à la géométrie de ladite zone 30 interne. Selon une forme préférée de l'invention, les parois métalliques sont réalisées par métallisation des parois externes de l'élément en matériau isolant. Selon une forme préférée de l'invention, le matériau isolant a la 35 texture d'une mousse rigide. Selon une variante de réalisation, le matériau isolant constituant l'élément isolant interne est une mousse de polyuréthane, Selon une autre variante de réalisation, le matériau isolant constituant l'élément isolant interne est une mousse syntactique. Selon une variante de réalisation, l'élément interne en matériau isolant est réalisé par usinage d'un morceau de mousse isolante préformée, de taille appropriée. Selon cette variante les parois externes de l'élément interne en matériau isolant font l'objet d'un traitement de lissage. Dans un mode de réalisation particulier, le lissage pratiqué est un lissage par effondrement. Dans un autre mode de réalisation particulier, le lissage pratiqué est un lissage par revêtement des aspérités d'une couche de résine époxy. Selon une autre variante de réalisation, l'élément interne en matériau 15 isolant rigide est réalisé par moulage. L'invention a également pour objet un guide d'onde rayonnant comportant une structure dont les parois métalliques présentent des ouvertures (gravures) en forme de fentes agencées pour permettre le 20 rayonnement de l'onde guidée dans le milieu extérieur à l'élément de guide ou dans un autre élément de guide. L'invention a également pour objet un plateau rayonnant hyperfréquence, comportant une pluralité de guides d'ondes rayonnants 25 selon l'invention, juxtaposés, agencés de façon à obtenir le diagramme de rayonnement désiré. Les caractéristiques et avantages de l'invention seront mieux appréciés grâce à la description qui suit, description qui expose l'invention au 30 travers d'un mode de! réalisation particulier pris comme exemple non limitatif et qui s'appuie sur les figures annexées, figures qui représentent: - la figure 1, un exemple simple de dispositif selon l'art antérieur, - la figure 2, un dispositif selon l'invention fonctionnellement semblable 35 au dispositif de la figure 1, un exemple d'assemblage de dispositifs selon l'invention, - la figure 3, un exemple de dispositif complexe pouvant être réalisé au moyen de la structure selon l'invention, - la figure 4 une illustration mettant en évidence les inconvénients de 5 l'art antérieurs, supprimés par l'invention, - la figure 5, l'illustration d'un mode de réalisation particulier de l'invention, - la figure 6, un exemple d'application de l'invention à la réalisation 10 d'une antenne à fentes. On considère dans un premier temps les figures 1 et 2. Selon l'invention, et contrairement aux dispositifs connus de l'art antérieur, l'élément de guide selon l'invention est réalisé à partir d'une structure interne 15 solide dont la forme reproduit la forme de la cavité correspondante d'un dispositif classique. Ainsi, par exemple, un guide d'onde rectangulaire classique 11 est réalisé à partir d'un tube de section rectangulaire, présentant donc quatre parois métalliques 12 à 15, délimitant une cavité parallélépipédique centrale 16. Ce type de guide classique, creux par nature 20 est réalisé à l'aide de parois métalliques épaisses qui, outre leur fonction électrique, assurent Va tenue mécanique de l'ensemble. L'onde ainsi guidée, se propage dans la cavité formée par les parois 12 à 15, le milieu de propagation étant ici l'air. Le guide d'onde selon l'invention 21, est quant à lui réalisé à partir 25 d'un élément solide 26, isolant électrique, dont les caractéristiques diélectriques (r. 1)) sont proches de celle de l'air. Selon l'invention, les faces latérales 22 à 25 de cet élément solide et rigide sont métallisées, de façon à assurer des fonctions les mêmes fonctions électriques que les parois du guide 11. La métallisation épargne en outre les zones du guide par 30 lesquelles l'onde pénètre et sort du guide. Ainsi dans le cas d'un guide rectangulaire standard, les faces transversales 27 et 28 ne sont pas métallisées. En revanche, comme la tenue mécanique est ici assurée par l'élément interne isolant 26, l'épaisseur de la couche métallique déposée sur les parois 35 est beaucoup plus faible que celle des parois métalliques du guide classique 11. Par suite, l'onde ainsi guidée, se propage non pas dans une cavité vide, mais dans un milieu solide. D'un point de vue général, pour obtenir un élément solide 21 le matériau utilisé est un matériau ayant la structure très générale d'une mousse rigide. On peut ainsi utiliser directement une véritable mousse, une mousse de polyuréthane, par exemple. On peut encore utiliser une mousse syntactique, c'est à dire une mousse constituée d'une multitude de microbilles creuses enduites d'un adhésif pré polymérisé, de l'époxy par exemple. Le matériau est alors réalisé en effectuant une polymérisation à chaud des billes enduites d'adhésif. Le choix du type précis de matériau est choisi pour ses caractéristiques diélectriques qui doivent être proche de celle de l'air ou plus exactement du vide. On utilise donc préférentiellement un matériau "mousse" présentant des bulles de diamètres importants par rapport à la taille des espaces entre bulles. Un tel matériau peut être, par exemple du polychlorure de vinyle, du polyuréthane, ou encore du polyméthacrylique imide, cette liste n'étant pas limitative. Selon l'invention, la métallisation appliquée aux parois du guide est réalisée par des procédés classiques connus, parmi lesquels on peut citer les procédés mécaniques tels que la métallisation sèche sous vide, ou encore les procédés chimiques par trempage dans des bains de solutions métalliques. Ces procédés sont appliqués de façon à obtenir des épaisseurs de métallisation de quelques dizaines de microns correspondant à l'épaisseur de peau des parois du guide ainsi réalisé pour la fréquence considéré. On s'intéresse ensuite aux figures 3 et 4. De par sa structure basée sur un élément interne solide, sur lequel on dépose une simple métallisation, le guide d'onde selon l'invention offre avantageusement la possibilité de réaliser de manière très simple des dispositifs de guidage d'ondes de forme complexes, tel que le cornet rayonnant 31 présenté sur la figure 3. Classiquement pour réaliser une cavité de géométrie complexe, ou de grande longueur, présentant par exemple des sections larges séparées par des sections étroites, ou encore présentant une ou plusieurs sections coudées ou vrillées, il est difficile voire impossible de procéder par moulage d'une seule pièce. On procède donc au moulage ou à l'usinage de différentes pièces métalliques de manière séparée, puis à l'assemblage de ces différentes pièces, par soudage ou par assemblage au moyen de brides préalablement soudées aux éléments à assembler. L'ensemble des opérations rend parfois très onéreuse la fabrication de l'ensemble complet selon en particulier la facilité avec laquelle le matériau métallique utilisé peut être travaillé. Par opposition, la réalisation de pièces géométriques complexes à partir de la structure de guidage d'onde selon l'invention s'avère avantageusement simple. En effet, la réalisation de la cavité, pièce en creux, est ici remplacée par la réalisation d'une pièce convexe, en relief, correspondant au volume inscrit dans la cavité considérée. Cette pièce peut avantageusement être réalisée par usinage de la forme voulue dans un seul et même morceau de matériau diélectrique solide (matériau mousse). Sa réalisation ne nécessite donc aucune étape complémentaire d'assemblage. De même, il est avantageusement possible, particulièrement dans le cas ou on envisage de réaliser un grand nombre de pièces identiques, de fabriquer, de manière conventionnelle, un moule ayant la forme de la cavité considérée et de réaliser l'élément 31 par moulage du matériau mousse sous sa forme liquide ou non encore polymérisée. En outre, du fait de la faible densité du matériau mousse utilisé, ainsi que de la faible épaisseur de métal recouvrant les parois de l'élément solide 21, dispositif de guidage d'ondes selon l'invention présente des caractéristiques de masse très avantageuses. Cet avantage est particulièrement net lorsque l'on souhaite réaliser des dispositifs de grande longueur. En effet, lorsqu'on réalise des dispositifs classiques à cavités de grande dimension, tel que celui représenté schématiquement sur la figure 4, il est généralement nécessaire de réaliser celui-ci en plusieurs éléments 41 et 42, chaque élément comportant des brides de fixation 43 pour être relié aux autres. Par suite, du fait de la masse linéique de l'ensemble, il est également nécessaire de prévoir des moyens 44 permettant de soutenir le dispositif en différents points de sa longueur. Faute de quoi celui-ci risque d'être soumis à des torsions ou de fléchissement du fait de l'action de son propre poids et par suite d'être endommagé. En revanche, en utilisant une structure selon l'invention, il est avantageusement possible, non seulement de réaliser cette structure de grande longueur d'une seule pièce (disparition des brides), mais aussi de réaliser une pièce dont la légèreté et la rigidité sont suffisantes pour ne pas nécessiter la mise en place de moyens de soutien. On s'intéresse à présent aux figures 5a, 5b et 5c qui illustre, au travers de la réalisation d'un cornet rayonnant pris comme exemple non limitatif, un mode de réalisation possible de la structure selon l'invention. La figure 5a représente de manière schématique un cornet rayonnant 51 réalisé à partir d'une telle structure. L'élément solide interne 26, qui sert de milieu de propagation à l'onde électromagnétique rayonnée, est ici usiné dans un morceau de matériau mousse préformé, une mousse de polyuréthane par exemple. Avantageusement, cet usinage permet de réaliser la pièce en un seul bloc. On obtient ainsi une forme ayant la géométrie et les dimensions données. Le matériau utilisé est défini de façon à ce que compte tenu de la solidité souhaitée, les bulles aient le diamètre le plus grand possible, ce qui permet avantageusement d'obtenir un matériau dont la constante diélectrique Er est voisine de celle de l'air. Par suite, dans la mesure où ce matériau se présente comme une pluralité de bulles d'air 52, emprisonnées dans un liant 53 constitué de polyuréthane, l'opération d'usinage met à jour certaines de ces bulles, qui constituent, comme l'illustre la figure 5b, des cavités de surface 54 de profondeurs variables en fonction de l'angle d'usinage. L'état de surface des parois externes (57) ainsi obtenues est, de ce fait, peu favorable à l'obtention, par simple métallisation, de parois métalliques planes, compte tenu de la faible épaisseur de la couche de métallisation. Or la planéité des parois est nécessaire pour garantir de bonnes conditions de propagation des ondes à l'intérieur de la structure de guidage ainsi formée. C'est pourquoi on procède généralement à une rectification de l'état de surface, rectification qui peut être réalisée par différents moyens connus. Ainsi par exemple il est possible, comme l'illustre la figure 5c, de revêtir la surface de l'élément interne isolant 51 d'une fine couche de résine époxy de façon à combler les cavités formées à l'usinage. De même il est possible de réaliser le lissage de la surface par effondrement, c'est à dire en effectuant un chauffage de la surface du guide et en appliquant une certaine pression de manière à effondrer les cavités formées lors de l'usinage. On obtient ainsi, par l'une ou l'autre de ces méthodes, comme l'illustre la figure 5c, un élément interne 51, présentant une surface lisse sur laquelle on applique la métallisation qui constitue les parois conductrices du guide. Les illustrations des figures 5a à 5c présentent sur un exemple particulier un mode possible de réalisation de l'invention. Cet exemple n'est bien sûr pas limitatif et une grande variété de dispositifs de guidages d'ondes, ou même d'éléments résonnants peuvent avantageusement être réalisés de cette façon. En outre ce mode de réalisation, quoique simple à mettre en oeuvre, n'est pas le seul possible. Notamment il est possible, comme cela a été dit précédemment, de réaliser la structure selon l'invention par moulage, en utilisant, non pas une mousse polyuréthane préformée, mais une mousse sous forme encore liquide. Dans ce cas un matériau isolant avec un taux d'extension donné est versé dans un moule reproduisant la forme de l'élément isolant, en quantité suffisante pour que, après séchage le matériau expansé occupe la totalité du volume du moule. De même il est possible d'utiliser une mousse syntactique en versant le matériau syntactique dans un moule et en chauffant l'ensemble de façon à ce que la résine époxy servant de liant aux billes polymérise et que l'ensemble forme un matériau rigide. La réalisation par moulage, présente l'inconvénient d'être plus onéreuse dans le cas d'une réalisation unitaire. Cependant dans le cas d'une production d'éléments en série, elle peut s'avérer plus avantageuse que la réalisation par usinage, en particulier parce que l'élément obtenu présente une surface externe sensiblement lisse, qui résulte du contact du matériau avec les parois du 'moule. Par suite, aucune opération de lissage n'étant nécessaire en préalable à la métallisation, la réalisation se trouve avantageusement simplifiée. On s'intéresse à présent à la figure 6. Comme cela a été montré précédemment, la structure de guidage d'ondes électromagnétiques selon l'invention permet avantageusement de réaliser de manière simple des dispositifs plus ou moins complexes (guides 35 d'ondes simples, cornets rayonnants, éléments résonnant, etc..). Elle permet également de réaliser sous forme d'éléments monoblocs, des dispositifs de guidage d'ondes de grandes longueurs. Ces dispositifs ont en outre des masses sensiblement plus faibles que les éléments correspondants fabriqués, de manière connue, à partir de structures métalliques creuses, tubulaires, ce qui dans le cas de guides d'ondes de grandes longueurs permet d'éviter la mise en place d'un trop grand nombre d'éléments de maintien pour éviter l'apparition de déformations. Cependant, ces caractéristiques permettent avantageusement d'utiliser la structure selon l'invention pour réaliser des dispositifs plus ~o complexes, des éléments en mouvement ou des éléments subissant de fortes accélérations par exemple, pour lesquels le facteur poids ou le facteur inertie est un facteur fortement dimensionnant. Les figures 6a à 6c présentent, à titre d'exemple non limitatif, l'application de la structure selon l'invention à la réalisation d'une antenne plate à fentes rayonnantes. 15 Selon l'art antérieur connu, une telle antenne est réalisée selon deux plans, un plan formant la surface rayonnante de l'antenne et un plan dans lequel se situent les moyens d'alimentation qui transmettent le signal au plan rayonnant. Le plan rayonnant est constitué par un ensemble de guides d'ondes 20 61 juxtaposés. Chaque guide comporte sur sa face supérieure un certain nombre de fentes 62 permettant à l'onde guidée de rayonner vers l'espace libre. Chaque guide comporte en outre sur sa face inférieure une fente 63 permettant l'entrée dans le guide de l'onde électromagnétique alimentant le guide. Le plan inférieur est occupé par un ou plusieurs guides d'ondes 25 d'alimentation 64, représentés en traits pointillés sur les figures 6a et 6b et en trait plein sur la figure 6c. Chaque guide d'onde d'alimentation 64, placé transversalement par rapport aux guides du plan rayonnant, véhicule l'onde électromagnétique, produite par exemple par un émetteur, et distribue par couplage cette onde aux guides à fentes 61 du plan rayonnant. A cet effet 30 chaque guide d'onde d'alimentation présente sur sa face supérieure des fentes, disposées en regard des fentes situées sur les faces inférieures des guides 61 du plan rayonnant. L'onde véhiculée par le guide d'alimentation 64 est ainsi transmise par couplage aux guides 61 du plan rayonnant. 35 Un tel dispositif peut facilement être réalisé à partir d'une structure selon l'invention. En effet chaque guide à fente 61 ou 62 peut être réalisé à partir d'un élément isolant en forme de parallélépipède rectangle dont quatre des six faces sont métallisées. Cependant, sur la face supérieure de chaque guide du plan rayonnant, la métallisation est opérée en laissant des épargnes en forme de fentes délimitant des surfaces 62 exemptes de métallisation sur la face supérieure du guide. Ces épargnes permettent au guide de rayonner l'onde électromagnétique qui y circule. De même la métallisation de la face inférieure du guide est opérée en formant une ou plusieurs zones 63 en forme de fentes, non métallisées. Chaque zone non métallisée étant mise en regard d'une zone analogue réalisée sur le guide d'alimentation 64 et permet l'alimentation par couplage du guide rayonnant 61. Par suite, les guides sont agencés de façon à obtenir le diagramme de rayonnement désiré. Une telle structure rayonnante (antenne à fente) permet de rayonner une onde électromagnétique selon un diagramme de rayonnement déterminé. Elle est en générale montée sur un dispositif permettant de modifier de manière rapide l'orientation du plan rayonnant. De sorte que la masse globale de l'antenne, et donc son inertie, conditionne le couple (la puissance) et donc la taille, de ces moyens. Par suite une telle antenne constituée à partir de la structure selon l'invention présente l'avantage d'avoir une inertie sensiblement plus faible que la même antenne constituée à partir de guides à fentes conventionnels réalisés à l'aide de structures métalliques creuses. En outre la réalisation de chaque guide à fente 61 à partir d'une structure selon l'invention, basée sur un élément interne solide dont les faces sont métallisées de façon à constituer les parois entièrement métallisées et les parois présentant des fentes 62 ou 63, est sensiblement plus simple et par suite moins coûteuse que la réalisation traditionnelle. De même les différents guides composants l'antenne étant sensiblement plus légers leur assemblage peut être réalisé à l'aide de techniques plus simples, par collage sur un support léger par exemple. REVENDICATIONS 1. Structure de guidage d'ondes électromagnétiques, comportant une zone interne dans laquelle se propage l'onde guidée, dont les dimensions et la géométrie sont adapté à la fonction réalisée par le guide et aux caractéristiques de l'onde guidée, et des parois métalliques (22-25) délimitant ce milieu de propagation vis à vis de l'onde guidée, caractérisée en ce que la zone interne comporte un élément isolant (26), rigide, réalisé dans un matériau isolant dont la caractéristique diélectrique Er est sensiblement égale à celle de l'air et dont les dimensions et la géométrie sont sensiblement égales aux dimensions et à la géométrie de ladite zone interne. 2. . Structure selon la revendication 1, caractérisée en ce que les parois métalliques (22-25) sont réalisées par métallisation des parois externes de l'élément en matériau isolant (26). 3. Structure selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisée en ce que le matériau isolant a la texture d'une mousse rigide. 4. Structure selon la revendication 3, caractérisée en ce que 20 l'élément interne en matériau isolant (26) est réalisé par moulage. 5. Structure selon la revendication 3, caractérisée en ce que l'élément interne en matériau isolant (26) est réalisé par usinage d'un morceau de mousse isolante préformée, de taille appropriée. 6. Structure selon la revendication 5, caractérisée en ce que les parois externes (57) de l'élément interne en matériau isolant (26) font l'objet d'un traitement de lissage. 30 7. Structure selon la revendication 6, caractérisée en ce que le lissage pratiqué est un lissage par effondrement. 25 8. Structure selon la revendication 6, caractérisée en ce que le lissage pratiqué est un lissage par revêtement des aspérités d'une couche de résine époxy. 9. . Structure selon la revendication 3, caractérisé en ce que le matériau isolant constituant l'élément isolant interne est une mousse syntactique. 10.Guide d'onde rayonnant (61, 64) comportant une structure selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les parois métalliques présentent des ouvertures (gravures) (62, 63) en forme de fentes agencées pour permettre le rayonnement de l'onde guidée dans le milieu extérieur à l'élément de guide ou dans un autre élément de guide. 11. Plateau rayonnant hyperfréquence, comportant une pluralité de guides d'ondes rayonnants (61, 64) selon la revendication 10, juxtaposés, agencés de façon à obtenir le diagramme de rayonnement désiré.