Brevet FR2919432A1 — publié le 20090130

Module d'antenne comportant un radôme intégré L'invention se rapporte à des modules d'antenne large bande présentant au moins deux niveaux d'éléments rayonnants protégés et incorporant une structure de radôme. De manière générale, la bande de fréquence d'une antenne peut être élargie en utilisant plusieurs niveaux d'éléments rayonnants et notamment en utilisant le couplage de paires d'éléments rayonnants mis en regard les uns des autres et donc pouvant être en résonance. A titre d'exemple, avec un premier niveau d'éléments rayonnants, on peut typiquement obtenir une émission sur 4% de bande passante, c'est à dire que pour une émission de signal de fréquences d'émission comprises entre les fréquences vi et v2, le ratio de bande passante défini par la valeur : 2(v2-VI)/ (V1 +V2) peut typiquement être de l'ordre de 4 % ; alors qu'en utilisant un premier niveau et un second niveau d'éléments rayonnants en regard les uns des 15 autres on peut tripler ce pourcentage de bande passante. De manière générale, la protection des éléments rayonnants d'une antenne est assurée par un radôme consistant en un couvercle en matériau diélectrique qui permet l'étanchéité de l'antenne sans perturber le signal émis. Afin de protéger les structures à doubles niveaux d'éléments 20 rayonnants, il est connu d'utiliser comme illustré en figure 1, un premier niveau NI comportant des éléments rayonnants ERS; élaboré à la surface d'un diélectrique typiquement pouvant être un substrat RO4003 d'épaisseur voisine de 1,6 mm. Un second niveau N2 d'éléments rayonnants ER2i également élaboré sur un substrat multi-couches de même type RO4003 25 permettant d'intégrer différentes fonctions électriques de type filtre, élément de calibration, réseau de connexion, est mis en regard du premier niveau par l'intermédiaire d'une armature métallique Ar permettant d'assurer le couplage électromagnétique désiré. Ainsi dans le cas de double structure, l'étanchéité peut être assurée directement par le substrat supérieur. 30 Afin de réaliser des antennes bas coût et de conception simplifiée, la présente invention propose de réaliser une antenne incorporant une fonction radôme couplée à une fonction support d'éléments rayonnants grâce 2 à l'utilisation d'une pièce monolithique en matériau diélectrique, présentant des pattes latérales dont les surfaces sont rendues conductrices. Plus précisément l'invention a pour objet un module d'antenne comportant au moins une première série d'éléments rayonnants unitaires, une seconde série d'éléments rayonnants unitaires en regard des éléments rayonnants unitaires de la première série de manière à élargir la bande de fréquence dudit module d'antenne, caractérisé en ce qu'il comporte en outre : une pièce monolithique en matériau diélectrique présentant une 10 face supportant la première série d'éléments rayonnants et des pattes dont les surfaces sont conductrices ; un circuit diélectrique hyperfréquence supportant la seconde série d'éléments rayonnants ; des moyens de fixation des pattes de la pièce monolithique au 15 niveau dudit circuit diélectrique hyperfréquence, la pièce monolithique assurant une fonction de radôme vis à vis des éléments rayonnants. Selon une variante de l'invention, les surfaces des pattes sont métallisées. 20 Selon une variante de l'invention, les éléments de la première série d'éléments rayonnants et les surfaces des pattes sont réalisés avec le même métal. Le métal peut typiquement être du nickel, ou du cuivre protégé par du nickel or,.... Selon une variante de l'invention, la constante diélectrique de la 25 pièce monolithique est de l'ordre de 3. Avantageusement, le matériau constitutif de la pièce monolithique possède un coefficient de dilatation thermique similaire à celui du circuit diélectrique hyperfréquence. Typiquement, le matériau constitutif de la pièce monolithique peut 30 être du polycarbonate, du PEEK ou autre matériau composite. Avantageusement, le polycarbonate est renforcé par de la fibre de verre incorporée. Selon une variante de l'invention, les moyens de fixation comprennent des moyens d'encliquetage coopérant avec des inserts. 30 35 Les moyens de fixation peuvent également comprendre des vis ou bien encore des points de colle. Avantageusement, le circuit diélectrique hyperfréquence est un circuit multicouche comportant différentes fonctions électriques. Selon une variante de l'invention, le module comporte un réseau de connexion positionné dans un triplaque par tour métallisé ou par contact électromagnétique. L'invention a aussi pour objet un procédé de fabrication d'un module d'antenne selon l'invention, caractérisé en ce qu'il comprend en outre 10 les étapes suivantes : la réalisation d'une couche conductrice à la surface de la pièce monolithique comportant les pattes ; le retrait local discontinu de zones au niveau de la couche conductrice réalisée de manière à définir la première série 15 d'éléments rayonnants ; la fixation de ladite pièce monolithique sur le support comportant la seconde série d'éléments rayonnants. Selon une variante de l'invention, la réalisation de la couche conductrice est effectuée par dépôt catalytique de métal. 20 Selon une variante de l'invention, la réalisation de la couche conductrice est effectuée par dépôt en phase vapeur. Selon une variante de l'invention, le retrait local est effectué par gravure. L'invention sera mieux comprise et d'autres avantages 25 apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre donnée à titre non limitatif et grâce aux figures annexées parmi lesquelles : la figure 1 illustre un module d'antenne selon l'art connu comprenant une armature métallique assurant la fonction de couplage électromagnétique ; la figure 2 illustre un module d'antenne selon l'invention incorporant une pièce monolithique assurant la fonction de radôme ; la figure 3 illustre une vue de dessous de la pièce monolithique présentant des alvéoles dans lesquelles sont positionnés les éléments rayonnants ; 4 la figure 4 illustre un exemple de circuit diélectrique hyperfréquence comportant la deuxième série d'éléments rayonnants. Selon l'invention, il est proposé un module d'antenne intégrant un radôme assurant à la fois la fonction de protection vis-à-vis du monde extérieur, et contribuant au rayonnement de l'antenne. Pour ce faire, le radôme est constitué dans une pièce de matériau diélectrique avantageusement de faible porosité, étanche à l'eau et possédant de faibles pertes diélectriques aux fréquences d'utilisation de l'antenne. Comme illustré en figure 2, la pièce monolithique R présente d'une part des pattes P11 et d'autre part porte sur sa face intérieure une première série d'éléments rayonnants ER1i encore dénommés couramment patch rayonnant. Le module d'antenne de l'invention comporte en outre un circuit diélectrique hyperfréquence Ch à la surface duquel sont réalisés une autre série d'éléments rayonnants ER2i. Les pattes P1; présentent des parois conductrices pP1i, typiquement métalliques qui assurent un couplage renforcé entre les éléments rayonnants ER1i et ER2i . Nous allons décrire ci-après un exemple de procédé de réalisation 20 permettant d'obtenir une telle structure de radôme comprenant des éléments rayonnants : A partir de la pièce diélectrique constitutive du radôme, on procède à l'usinage d'une de ses faces appelée ci-après face intérieure. La face intérieure du radôme est usinée de façon à constituer un 25 quadrillage comme illustré en figure 3 qui montre une vue de dessous de la pièce monolithique dans laquelle on réalise par gravure les pattes P11 . Au niveau des parties évidées sont positionnés les éléments rayonnants ER1i, sur les parties non évidées qui forment les parois de séparation entre les alvéoles, est déposée une métallisation de manière à rendre les pattes 30 conductrices pour assurer le couplage électromagnétique nécessaire. Pour réaliser en une seule étape les éléments rayonnants et les pattes conductrices, il peut être avantageux de procéder à la métallisation de l'ensemble de la face intérieure évidée de la pièce monolithique et des pattes. On dispose ainsi de toute une surface conductrice, sur laquelle on vient procéder à un retrait local et discontinu du métal de manière à isoler des éléments conducteurs rayonnants ER1 et des pattes conductrices Pi. Le module d'antenne selon l'invention comprend par ailleurs un second niveau d'éléments rayonnants ER2i 5 L'avantage d'utiliser deux patches au lieu d'un seul comme élément rayonnant, permet d'augmenter considérablement la bande passante de l'antenne : en effet, un patch seul a une bande passante étroite de l'ordre de 4 à 6% ; alors que la bande passante de 2 patches peut atteindre 15 ou 20%. Ceci est réalisé par le couplage électromagnétique entre les 2 patches ; disposés l'un au dessus de l'autre, par l'ajustement de leurs caractéristiques respectives (dimensions, épaisseur, et distance les séparant), on obtient une résonance du dispositif permettant à l'antenne de fonctionner en large bande. Le radôme ainsi obtenu est encliqueté ou collé, ou vissé sur le circuit diélectrique hyperfréquence, et l'ensemble réalisé constitue un panneau d'antenne compact, pouvant fonctionner en extérieur, sans autre protection. En plus des avantages de compacité et de protection qu'il apporte, un tel radôme améliore les performances de rayonnement du réseau rayonnant grâce à une réduction significative des couplages entre les patches du réseau. Par exemple, l'utilisation pour ce radôme d'un matériau en polycarbonate avec 30% de fibre de verre, encliqueté dans le circuit diélectrique hyperfréquence est très avantageux pour plusieurs raisons : -la permittivité de ce matériau est celle d'un substrat diélectrique hyperfréquence, proche de 3. - les coefficients de dilatation de ce matériau présentent les mêmes valeurs qu'un circuit diélectrique hyperfréquence. - l'opération d'encliquetage d'une pièce en polycarbonate présente un coût moindre par rapport à des opérations de vissage ou de collage. Le circuit diélectrique hyperfréquence supportant la seconde série d'éléments rayonnants ER2; est avantageusement un circuit multicouches comportant un ensemble de fonctions permettant d'assurer le fonctionnement hyperfréquence du module d'antenne de l'invention. II comprend notamment comme illustré en figure 4, une première :35 couche diélectrique 21 comportant lesdits éléments rayonnants ER2i, les éléments rayonnants sont couplés à des filtres élémentaires F21 et à des coupleurs de calibration élémentaires C21 au sein d'une deuxième couche diélectrique 22, une troisième couche diélectrique 23 comporte le routing qui correspond à un réseau de connexion permettant de relier électriquement les éléments rayonnants à des sorties électriques Si, destinées à pouvoir connecter individuellement les éléments rayonnants à des TR module. La présence d'un filtre utilisé soit à l'émission, soit à la réception permet d'atténuer le signal émis et/ou reçu dans les bandes de fréquence où l'antenne ne fonctionne pas : le rôle du filtre est donc de ne pas polluer les bandes de fréquences autres que celle de l'antenne à l'émission, et de se protéger dans les autres bandes à la réception. Le coupleur de calibration associé à une distribution de calibration prélève une toute petite partie du signal émis ou reçu, qui constitue le signal de calibration. Celui-ci permet de calibrer l'antenne donc de s'affranchir des imperfections des éléments qui constituent l'antenne et qui sont situés derrière les éléments rayonnants (comme les filtres). Pour les signaux de calibration, le principe de distributeur en couche diélectrique dans l'antenne possède des vertus de simplicité, de robustesse et de stabilité dans le temps. Selon une autre variante de l'invention, les filtres élémentaires, les coupleurs élémentaires et les sorties électriques élémentaires peuvent avantageusement être élaborés au niveau d'une seconde couche unique élémentaire.25 REVENDICATIONS 1. Module d'antenne comportant au moins une première série d'éléments rayonnants unitaires (ER11), une seconde série d'éléments rayonnants unitaires (ER2i) en regard des éléments rayonnants unitaires de la première série, de manière à élargir la bande de fréquence dudit module d'antenne, caractérisé en ce qu'il comporte en outre : une pièce monolithique en matériau diélectrique (R) présentant une face supportant la première série d'éléments rayonnants et des pattes (Pli) dont les surfaces sont conductrices (ppii) ; un circuit diélectrique hyperfréquence (Ch) supportant la seconde série d'éléments rayonnants ; des moyens de fixation des pattes de la pièce monolithique au niveau dudit circuit diélectrique hyperfréquence, la pièce monolithique assurant une fonction de radôme vis à vis des éléments rayonnants. 2. Module d'antenne selon la revendication 1, caractérisé en ce que les surfaces des pattes sont métallisées. 3. Module d'antenne selon la revendication 2, caractérisé en ce 20 que les éléments de la première série d'éléments rayonnants et les surfaces des pattes sont réalisés avec le même métal. 4. Module d'antenne selon l'une des revendications 2 ou 3, caractérisé en ce que le métal est du nickel. 5. Module d'antenne selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le matériau constitutif de la pièce monolithique possède un coefficient de dilatation thermique similaire à celui du circuit diélectrique hyperfréquence. 30 6. Module d'antenne selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la constante diélectrique de la pièce monolithique est de l'ordre de 3. 25 7. Module d'antenne selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le matériau constitutif de la pièce monolithique est du polycarbonate. 8. Module d'antenne selon la revendication 7, caractérisé en ce que le polycarbonate comporte de la fibre de verre. 9. Module d'antenne selon l'une des revendications 1 à 8, 10 caractérisé en ce que les moyens de fixation comprennent des moyens d'encliquetage. 10. Module d'antenne selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que les moyens de fixation comprennent des vis. 11. Module d'antenne selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que les moyens de fixation comprennent des points de colle. 20 12. Module d'antenne selon l'une des revendications 1 à 11, caractérisé en ce que le circuit diélectrique hyperfréquence est un circuit multicouches comportant différentes fonctions électriques. 13. Module d'antenne selon l'une des revendications 1 à 12, 25 caractérisé en ce que le circuit diélectrique hyperfréquence comprend un réseau de connexion d'adressage des différents éléments rayonnants. 14. Module d'antenne selon l'une des revendications 1 à 13, caractérisé en ce qu'il comprend un réseau de connexion desdits premiers 30 éléments rayonnants. 15. Module d'antenne selon la revendication 14, caractérisé en ce que le réseau de connexion est positionné dans un triplaque par tour métallisé ou par contact électromagnétique. 15 35 20 16. Procédé de fabrication d'un module d'antenne selon l'une des revendications 1 à 15, caractérisé en ce qu'il comprend en outre les étapes suivantes : - la réalisation d'une couche conductrice à la surface de la pièce monolithique comportant les pattes ; - le retrait local discontinu de zones au niveau de la couche conductrice réalisée de manière à définir la première série d'éléments rayonnants ; la fixation de ladite pièce monolithique sur le circuit diélectrique hyperfréquence comportant la seconde série d'éléments rayonnants. 17. Procédé de fabrication d'un module d'antenne selon la revendication 16, caractérisé en ce que la réalisation de la couche 15 conductrice est effectuée par dépôt catalytique de métal. 18. Procédé de fabrication d'un module d'antenne selon la revendication 16, caractérisé en ce que la réalisation de la couche conductrice est effectuée par dépôt en phase vapeur. 19. Procédé de fabrication d'un module d'antenne selon l'une des revendications 16 à 18, caractérisé en ce que le retrait local est effectué par gravure. 10 25