Brevet FR2919433A1 — publié le 20090130

Module d'antenne compact L'invention se situe dans le domaine des antennes d'émission ou de réception. Une partie importante du coût d'une antenne vient de la construction complexe et de l'assemblage précis d'éléments hyperfréquences. Le volume utilisé par les différentes fonctions augmente également le poids et le coût. C'est pourquoi on cherche généralement à réduire l'encombrement, le poids et le coût d'une antenne ainsi qu'à en renforcer la robustesse. Selon l'art connu, les fonctions rayonnement, filtrage, calibration et 1 o interface sont séparées, elles nécessitent une structure lourde et coûteuse, ainsi qu'un assemblage minutieux, un montage et de la maintenance. Dans le cas où une antenne possède une chaîne de réception par élément rayonnant, le volume nécessaire pour assurer cette fonction est important, il est alors nécessaire de loger les composants sur des cartes perpendiculaires 15 Celec au plan de l'antenne A, l'ensemble étant consolidé par une structure mécanique SM, comme illustré en figure 1. Les éléments rayonnants sont des dipôles, montés individuellement ou en poutre, qui restent fragiles quels que soient les matériaux utilisés. Plus précisément, selon un module antenne de l'art connu, illustré 20 en figure 2a, le module comprend une série de panneaux, chaque panneau comporte un ensemble d'éléments rayonnants ERi sur un premier niveau constitué par une première couche diélectrique 1 illustré en figure 2b relative à une vue plane de ladite couche diélectrique 1, les éléments rayonnants sont couplés à des filtres élémentaires Fi et à des coupleurs de calibration 25 élémentaires Ci au sein d'une deuxième couche diélectrique 2 illustré en figure 2c relative à une vue plane, une troisième couche diélectrique 3 illustrée en figure 2d 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 30 éléments rayonnants à des TR modules. 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 2 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 ~o couche diélectrique dans l'antenne possède des vertus de simplicité, de robustesse et de stabilité dans le temps Le problème de ce type de structure réside dans l'épaisseur totale de l'empilement de l'ordre d'au moins 5 mm, la première couche 1 présentant 15 typiquement une épaisseur de l'ordre de 3 mm, les couches 2 et 3 présentant quant à elles une épaisseur cumulée d'au moins 4 mm. L'évolution de la technologie a permis la réduction de taille des composants intégrés dans une chaîne de réception. Cette réduction de taille permet maintenant de regrouper les chaînes de réception (une par voie) sur 20 une seule carte, parallèle au plan de l'antenne, hormis la fonction filtre. La technologie de fabrication imprimée des circuits hyperfréquences multicouches permet quant à elle de réaliser industriellement de manière fiable des circuits complexes de grandes tailles et d'épaisseur néanmoins importante (de l'ordre de quelques millimètres). 25 Afin de rendre compatibles les structures d'antenne avec les technologies de circuits imprimés, on cherche à diminuer l'épaisseur totale de ladite structure en deçà d'une épaisseur maximale de 5 mm (la technologie de circuits imprimés est très largement utilisée pour les structures d'antenne car les dimensions de celles-ci sont tout à fait 30 compatibles avec les formats de ces technologies : dimensions dans les trois axes x,y et z. Dans l'axe z, en épaisseur, les presses standard de réalisation de circuits imprimés imposent une épaisseur maximale de 5 mm. Dans le cas contraire, très peu de sociétés savent réaliser les circuits imprimés qui sont très spécifiques et dont les rendements sont très faibles). Pour répondre à de telles contraintes, la présente invention propose une nouvelle architecture de module d'antenne dans laquelle les différentes fonctions sont intégrées astucieusement dans un nombre réduit de couches. Plus précisément la présente invention a pour objet un module d'antenne comportant au moins une première série de panneaux comprenant des éléments rayonnants unitaires élaborés au niveau d'une première couche de matériau diélectrique, lesdits éléments rayonnants étant couplés à des filtres élémentaires via des coupleurs élémentaires de calibration et connectés via un réseau de connexion à des sorties électriques élémentaires, caractérisé en ce que lesdits filtres élémentaires, les coupleurs élémentaires et les sorties électriques élémentaires sont élaborés au niveau d'une seconde couche unique élémentaire. Ainsi la solution apportée dans l'invention s'appuie sur les avancées technologiques pour intégrer dans un seul et même circuit les fonctions de rayonnement, de filtrage, de calibration, et d'interface. Selon une variante de l'invention, les éléments rayonnants fonctionnant en émission, les filtres élémentaires, les coupleurs élémentaires de calibration et le réseau de connexion sont intégrés au sein de ladite seconde couche diélectrique. Selon une variante de l'invention, les éléments rayonnants unitaires fonctionnant en réception, les filtres élémentaires sont positionnés en face externe de ladite seconde couche, les coupleurs élémentaires de calibration et le réseau de connexion étant intégrés au sein de ladite seconde couche. Selon une variante de l'invention, les sorties électriques élémentaires sont en face externe de ladite seconde couche. Selon une variante, les filtres élémentaires sont rapportés sur la face externe de la seconde couche par l'intermédiaire de billes de soudure. Selon une variante de l'invention, les filtres élémentaires sont rapportés sur la face externe de la seconde couche par l'intermédiaire de pâte à soudure. Selon une variante de l'invention, la seconde couche a une 35 épaisseur de l'ordre de 3 microns. 4 Selon une variante de l'invention, chaque panneau comporte 64 éléments rayonnants unitaires. Selon une variante de l'invention, le module d'antenne comporte une seconde série de panneaux comportant des éléments rayonnants unitaires en regard des éléments rayonnants unitaires de la première série de panneaux de manière à élargir la bande de fréquence dudit module d'antenne. L'invention sera mieux comprise et d'autres avantages 10 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 une structure d'antenne selon l'art connu, comportant une chaîne de réception par élément rayonnant, le volume nécessaire ; 15 les figures 2a, 2b, 2c, 2d illustrent une vue en coupe et les différents niveaux de fonctions électriques couplées aux éléments rayonnants dans une antenne selon l'art connu ; la figure 3 illustre les pas des réseaux d'éléments rayonnants et des sorties unitaires ; 20 - la figure 4 illustre un exemple de réseau de connexion pour connecter les éléments rayonnants aux sorties élémentaires ; - les figures 5a, 5b, 5c, 5d illustrent une vue en coupe et les différents niveaux d'un exemple de module d'antenne émissive selon l'invention ; 25 - la figure 6a, 6b, 6c, 6d illustrent une vue en coupe et différents niveaux dans un exemple de module d'antenne réceptrice selon l'invention ; - la figure 7 illustre un exemple de module d'antenne large bande selon l'invention. 30 Selon l'invention le module d'antenne comporte au moins une première série de panneaux Pi comportant chacun un ensemble d'éléments rayonnants unitaires. Chaque élément rayonnant ER;; est couplé à un filtre F;; et à un coupleur de calibration C. Les différents éléments rayonnants ne possédant pas le même pas entre eux PER;; que celui correspondant aux éléments unitaires de sortie psij permettant de les connecter individuellement à des TR modules, il est nécessaire d'utiliser un réseau de connexion comme illustré en figure 3 de 5 manière à assurer un même trajet électrique de connexion entre différents éléments rayonnants et leurs sorties respectives. Ce réseau de connexion est selon l'art antérieur intégré dans une couche dédiée à cette fonction. La figure 4 illustre un exemple de réseau de connexion selon l'art connu. Selon l'invention ce réseau de connexion est intégré au sein d'une couche diélectrique dans laquelle sont également intégrés d'autres éléments unitaires comme explicité dans les exemples ci-après Exemple de module d'antenne fonctionnant en émission De manière générale, les antennes fonctionnant en émission présentent des éléments de plus petites tailles que ceux intégrés dans des antennes destinées à la réception. Il est donc possible dans le cadre de module d'antenne d'émission d'obtenir une très grande compacité en intégrant au sein d'une même couche de diélectrique l'ensemble des fonctions nécessaires, la figure 5a illustre une vue ne coupe de l'antenne. 1) Le rayonnement est assuré par des éléments rayonnants ER;; imprimés sur la couche supérieure 11 du circuit comme illustré en figure 5b. Les éléments rayonnants encore appelés couramment patches sont disposés en réseau suivant une maille triangulaire. Cette dernière disposition permet à l'antenne de réaliser un balayage de faisceau avec un angle plus large. Au sein du réseau, les patches sont isolés individuellement suivant la taille d'une cellule correspondant à la maille élémentaire du réseau. Cette opération de blindage métallique est réalisée par des fentes ou des trous métallisés. Ceux-ci traversent tout le circuit et assurent une double fonction : celle d'isoler les patches individuellement dans la première couche, et en même temps celle d'isoler les lignes de routing, F1, et les coupleurs C;; de calibration de la couche triplaque prévue à cet effet (deuxième couche). 6 Cette couche est positionnée juste derrière le substrat où sont gravés les patches inférieurs. 2) Le filtrage derrière chaque élément rayonnant est assuré en technologie triplaque diélectrique (stripline) à l'intérieur du circuit, les filtres sont blindés par des trous métallisés. Cette fonction est réalisée par une couche homogène 12. Pour chaque élément rayonnant, le filtre F;i est situé sous le patch ER;i et occupe une surface minimale optimisée. Pour faire ce filtre, on associe des lignes triplaque à des motifs de lignes en escalier. Ces lignes triplaques ont les longueurs sont adaptées à la bande de fréquence à filtrer à des éléments communément appelées stubs . Le moins coûteux est d'utiliser le même matériau que celui où sont gravés les patches. Ces éléments sont illustrés en figure 5c et 5d qui donnent le détail des lignes triplaques associées à des lignes en escalier. 3) La calibration de la chaîne est répartie sur la même couche que les filtres et que le routing ce qui permet de réduire son encombrement, et surtout de diminuer le coût de réalisation des circuits. En effet, l'ensemble patches, filtres, et coupleurs de calibration est réalisé par un circuit imprimé hyperfréquences multicouche d'épaisseur inférieur à 5 mm (taille critique à ne pas dépasser pour réaliser les circuits à bas coût). L'emploi d'un seul et même substrat diélectrique pour tout l'ensemble permet une bonne qualité des pertes hyperfréquences, une très bonne maîtrise des comportements hyperfréquences du circuit selon la permittivité diélectrique, ainsi qu'un taux de rebus extrêmement réduit lors de la fabrication. Ceci est aussi atteint par l'optimisation de la construction du circuit en fonction des séquences de trous métallisés, et l'agencement des films de colle avec les matériaux. 4) L'interface entre les éléments rayonnants (via les filtres et les coupleurs de calibration) et la connectique extérieure au circuit matérialisée par des sorties unitaires S;i est réalisée en technologie triplaque diélectrique (stripline) à l'intérieur du circuit. Ceci rend la maille de l'antenne (i.e la position des éléments rayonnants fixée par les exigences du système radar) et celle de la connectique (fixée par les exigences mécaniques) indépendantes l'une de l'autre. 7 La fabrication d'un tel circuit est avantageusement faite en substrat hyperfréquence de constante diélectrique de valeur de l'ordre de 3. Néanmoins il est à noter que la solution apportée est indépendante du choix du matériau ou de la fréquence. Exemple de module d'antenne fonctionnant en réception Dans le cas de module d'antenne fonctionnant en réception les filtres sont nécessairement plus importants que ceux couplés à des éléments rayonnants destinés à l'émission et présentent généralement des tailles presque identiques à celles des éléments unitaires rayonnants. Selon l'invention, il est proposé de positionner ces filtres élémentaires F1 en face externe de la seconde couche diélectrique 12 comme illustré en figure 6a qui illustre une vue en coupe ; ils peuvent typiquement être positionnés à proximité des sorties élémentaires Sii. Les coupleurs de calibration Cu et le réseau de connexion sont intégrés à la seconde couche de diélectrique 2. Plusieurs techniques d'assemblage peuvent être utilisées pour assurer le report des filtres élémentaires sur la face externe de la seconde couche de diélectrique. Ainsi certains composants peuvent être assemblés par fusion de leurs contacts métalliques avec des dépôts d'un métal similaire sur le circuit imprimé. Ces dépôts sont préalablement apportés sur le circuit, par exemple par un procédé de sérigraphie de pâte à braser. Les connexions électriques sont ensuite établies par fusion des métaux après qu'ils ont été mis en contact. Ceci peut être fait par un procédé dit de refusion . Il s'agit de chauffer la surface du circuit imprimé en l'occurrence la surface de la seconde couche diélectrique 2, jusqu'au point de fusion du métal. La figure 6b est relative au plan de la couche sur laquelle sont positionnés les éléments rayonnants. Les figures 6c et 6d illustrent le plan dans lequel sont positionnés les filtres et comment est réalisé l'adressage.35 8 Exemple de module d'antenne large bande selon l'invention De manière classique, pour élargir la bande de fréquence d'un module antenne on utilise le couplage de paires d'éléments rayonnants mis 5 en regard les uns des autres comme illustré en figure 7 ; Avantageusement, il est possible de coupler ainsi deux séries de panneaux d'éléments rayonnants selon l'invention. Une première série de panneaux Pl; comportant chacun des éléments rayonnants ER1;; est couplée à une seconde série de panneaux P2; comportant des éléments rayonnants 10 ER2;1 par l'intermédiaire d'une couche Ar ayant une fonction d'armature de couplage électromagnétique, permettant aux éléments rayonnants d'être mis en résonance. Selon l'invention, les éléments rayonnants sont réalisés au niveau d'une première couche diélectrique 11 et couplés à des filtres élémentaires Fli , ainsi qu'à des coupleurs de calibration unitaires Cl;i 15 élaborés au niveau d'une couche unique 12 , comportant également le réseau de connexion. REVENDICATIONS 1. Module d'antenne comportant au moins une première série de panneaux comprenant des éléments rayonnants unitaires (ERii) élaborés au niveau d'une première couche de matériau diélectrique (11), lesdits éléments rayonnants étant couplés à des filtres élémentaires (F1) via des coupleurs élémentaires(C;i) de calibration et connectés via un réseau de connexion à des sorties électriques élémentaires (S;i), caractérisé en ce que lesdits filtres élémentaires, les coupleurs élémentaires de calibration (CO et les sorties électriques élémentaires sont élaborés au niveau d'une seconde couche unique élémentaire (12). 2. Module d'antenne selon la revendication 1, caractérisé en ce que les éléments rayonnants fonctionnant en émission, les filtres élémentaires, les coupleurs élémentaires de calibration et le réseau de connexion sont intégrés au sein de ladite seconde couche diélectrique. 3. Module d'antenne selon la revendication 1, caractérisé en ce que les éléments rayonnants unitaires fonctionnant en réception, les filtres élémentaires sont positionnés en face externe de ladite seconde couche, les coupleurs élémentaires de calibration et le réseau de connexion étant intégrés au sein de ladite seconde couche. 4. Module d'antenne selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les sorties électriques élémentaires sont en face externe de ladite seconde couche. 5. Module d'antenne selon les revendications 3 et 4, caractérisé en ce que les filtres élémentaires sont rapportés sur la face externe de la seconde couche par l'intermédiaire de billes de soudure. 30 6. Module d'antenne selon les revendications 3 et 4, caractérisé en ce que les filtres élémentaires sont rapportés sur la face externe de la seconde couche par l'intermédiaire de pâte à soudure.25 10 7. Module d'antenne selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que la seconde couche a une épaisseur de l'ordre de 3 microns. 8. Module d'antenne selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que chaque panneau comporte 64 éléments rayonnants unitaires. 9. Module d'antenne selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce qu'il comporte une seconde série de panneaux (P21) comportant des éléments rayonnants unitaires en regard des éléments rayonnants unitaires de la première série de panneaux de manière à élargir la bande de fréquence dudit module d'antenne.15