Brevet FR3009431A1 — publié le 20150206

B12730 1 GUIDE D'ONDE RECTANGULAIRE À ONDES LENTES Domaine La présente demande concerne la transmission d'ondes électromagnétiques par des guides d'onde rectangulaires compacts. Elle concerne plus particulièrement la transmission d'ondes radiofréquences, millimétriques et sub-millimétriques, c'est-à-dire d'ondes ayant des fréquences comprises entre 0.3 GHz et 1 THz. Etat de la technique La figure 1 représente un guide d'onde rectangulaire classique. Ce guide d'onde est délimité par une enveloppe 1 en un matériau conducteur de section rectangulaire à l'intérieur de laquelle se trouve un matériau diélectrique 2, ce matériau diélectrique pouvant être de l'air, du vide ou un matériau de plus forte constante diélectrique. Le guide d'onde a une largeur w et une hauteur h. Afin de propager une onde électromagnétique dans le mode TE10, la plus grande dimension du guide d'onde, appelée ici sa largeur, est choisie égale à la moitié de la longueur d'onde guidée dans le matériau diélectrique 2. Ainsi, dans le cas d'un guide d'onde classique dont on veut que la fréquence basse de fonctionnement soit égale à 15 GHz, ce qui correspond à une longueur d'onde dans le vide X0 = 20 mm, si le guide est rempli d'un matériau de constante diélectrique sr = 4, B12730 2 la longueur d'onde dans le guide est X = 10 mm (longueur d'onde dans le vide divisée par la racine carrée de la constante diélectrique). La largeur w sera égale à la moitié de cette longueur d'onde soit 5 mm. La hauteur h du guide est choisie de manière à maximiser la bande passante et à faciliter l'adaptation, à une valeur inférieure à la largeur w de ce guide. Cette hauteur h est généralement inférieure à environ w/2. Cette hauteur h a par exemple une valeur comprise entre 0,25 et 2,5 mm pour un guide dont la largeur w est de 5 mm. Afin de minimiser le poids, réduire les contraintes de fabrication et le prix de ces guides d'onde rectangulaires, des guides d'onde intégrés dans un substrat appelés guides SIW (pour Substrate Integrated Waveguides) ont été développés pour des fréquences comprises entre quelques GHz et plusieurs centaines de GHz. Les murs latéraux constituant le guide sont alors remplacés par des vias métallisés latéraux reliant les murs inférieur et supérieur du guide. Ces guides peuvent être fabriqués dans différents types de technologies : circuit imprimé, céramiques LTCC, ou technologies microélectroniques notamment. Les figures 2A et 2B illustrent uniquement à titre d'exemple des étapes de fabrication d'un guide rectangulaire SIW selon des technologies de type circuit intégré. A l'étape illustrée en figure 2A, une couche d'un matériau conducteur 12, couramment un métal, est déposée sur un support isolant 10. Une couche d'un matériau diélectrique 14 est alors déposée sur le conducteur 12. Des vias 16 très rapprochés les uns des autres dans la direction longitudinale du guide, par exemple à une distance inférieure à X/5, sont alors formés dans la couche de matériau diélectrique 14, pour délimiter le contour latéral du guide. A l'étape illustrée en figure 2B, une couche métallique supérieure 18 est déposée sur la face supérieure de la couche diélectrique 14. Les vias latéraux 16 sont alors 35 électriquement connectés à la couche conductrice 12 et à la B12730 3 couche 18. La gravure de la couche métallique 18 peut alors être réalisée en dehors des contours du guide. Le procédé de fabrication illustré en relation avec les figures 2A et 2B, est seulement destiné à illustrer un mode de réalisation possible d'un guide d'onde SIW par des technologies du type technologie de circuit intégré. De nombreuses variantes sont possibles. Par exemple, il n'est pas nécessaire de procéder à l'étape de gravure finale en dehors du contour du guide. D'autre part, il est possible d'utiliser des technologies plus proches des technologies de circuit imprimé, dans lesquelles la couche 14 est une carte de circuit imprimé double face et les métallisations 12 et 18 correspondent aux métallisations inférieure et supérieure de cette carte de circuit imprimé. Le support isolant 10 n'est alors pas indispensable. Les vias 16 peuvent être alors réalisés par perçage puis dépôt de métallisation entre les couches métalliques 12 et 18. Ces exemples ont été donnés uniquement pour rappeler qu'avec ce type de technologie, on peut sans difficultés former 20 des guides d'onde SIW de dimensions millimétriques, voire submillimétriques. Il serait toutefois souhaitable de pouvoir, pour un guide d'onde de dimensions données, ajuster ses caractéristiques de fréquence de coupure et de vitesse de phase, ou bien, pour 25 une fréquence de coupure donnée, diminuer les dimensions du guide. Les guides d'onde décrits ci-dessus, présentent des caractéristiques satisfaisantes. Il serait toutefois souhaitable de pouvoir diminuer les dimensions du guide pour une fréquence 30 de coupure donnée, ou bien, de pouvoir diminuer la fréquence de coupure et la vitesse de phase d'un guide d'onde de dimensions transversales données. Résumé Les modes de réalisation décrits ici visent à répondre 35 à ce besoin de miniaturisation des guides d'ondes rectangulaires B12730 4 classiques et SIW en radiofréquences et aux longueurs d'onde millimétriques et sub-millimétriques. Ainsi, un mode de réalisation prévoit un guide d'onde rectangulaire contenant un réseau de fils sensiblement parallèles en un matériau électriquement conducteur et non magnétique s'étendant à partir d'un grand côté du guide vers l'intérieur du guide sur une partie de la hauteur du guide. Selon un mode de réalisation, le guide d'onde est rempli d'un ou plusieurs matériaux diélectriques (2). Selon des modes de réalisation, les fils sont des vias métallisés, des nanofils, ou des nanotubes de carbone. Selon un mode de réalisation, les fils sont en un matériau choisi dans le groupe comprenant Cu, Al, Ag, Au. Selon un mode de réalisation, les fils sont disposés à 15 un pas inférieur ou égal au cinquième de la longueur d'onde des ondes électromagnétiques dans le guide. Selon un mode de réalisation, le guide d'onde est dimensionné pour la propagation d'ondes électromagnétiques en radiofréquences et aux longueurs d'onde millimétriques ou sub20 millimétriques. Brève description des dessins Ces caractéristiques et avantages, ainsi que d'autres, seront exposés en détail dans la description suivante de modes de réalisation particuliers faite à titre non limitatif en 25 relation avec les figures jointes parmi lesquelles : la figure 1 représente un guide d'onde rectangulaire classique ; les figures 2A et 2B illustrent des étapes de fabrication d'un guide d'onde SIW ; 30 la figure 3 représente un exemple d'un guide d'onde rectangulaire SIW à ondes lentes tel que proposé ici ; la figure 4 représente le coefficient de transmission en fonction de la fréquence de divers guides d'onde rectangulaires intégrés SIW à ondes lentes ; B12730 la figure 5 représente l'évolution de la fréquence de coupure basse normalisée en fonction de la hauteur des vias dans le guide ; la figure 6 représente la vitesse de phase dans la 5 bande passante d'un guide en fonction de la fréquence ; et les figures 7A, 7B, 7C illustrent un exemple d'étapes de fabrication d'un guide d'onde rectangulaire intégré SIW à ondes lentes tel que celui de la figure 3. Description détaillée La figure 3 représente un mode de réalisation d'un guide d'onde rectangulaire à ondes lentes en technologie SIW. Ce guide comprend comme celui de la figure 2 une enveloppe 1 en un matériau conducteur, de section rectangulaire et de forme allongée, de largeur w et de hauteur h. Comme en figure 2, les murs latéraux de l'enveloppe 1 peuvent être réalisés par des vias métalliques très rapprochés. Le guide d'onde rectangulaire à ondes lentes de la figure 3 comprend en outre un réseau de fils conducteurs 30, en contact avec un grand côté de l'enveloppe rectangulaire et s'étendant dans le diélectrique 2 vers le côté opposé du guide. Ces fils ont une hauteur hl inférieure à la hauteur h. La présence des fils conducteurs 30 représentés en figure 3 modifie les caractéristiques du guide d'onde et en particulier conduit pour un guide d'onde de dimensions données, à une réduction de sa fréquence de coupure et également à une diminution de la vitesse de phase -V-(p dans ce guide, ce qui conduit à un effet dit d'ondes lentes. Ce phénomène a été démontré de façon expérimentale et par simulations. On note que, en raison de la présence des fils conducteurs 30, de hauteur hl, le champ électrique ne peut s'étendre que dans la cavité de hauteur réduite h2=h-hl, correspondant à l'espace s'étendant entre les extrémités des fils conducteurs opposées au côté auquel ces fils sont reliés et le côté opposé du guide d'onde. Par contre, la répartition du champ magnétique est peu affectée, en raison du caractère non magnétique des fils 30. B12730 6 La figure 4 illustre, à titre d'exemple, le résultat d'expériences effectuées par les inventeurs pour un guide d'onde conçu pour avoir une fréquence de coupure basse de 15,6 GHz, rempli d'un diélectrique de constante diélectrique égale à 3,55. Ce guide d'onde avait une largeur w égale à 5,2 mm et une hauteur h égale à 0,813 mm. Les courbes de la figure 4 représentent le module du coefficient de transmission SiI21 du guide d'onde en fonction de la fréquence f en GHz. Pour un guide d'onde tel que décrit en relation avec la figure 2B, en l'absence du réseau de fils 30 (h1=0), on obtient une fréquence de coupure basse fc siw de 15.6 GHz qui correspond au fonctionnement du guide SIW classique dans le mode TE10. Pour un guide d'onde contenant un réseau de fils conducteurs tel que décrit en relation avec la figure 3, la fréquence de coupure fc diminue. Cette fréquence de coupure fc devient : - pour des fils de hauteur hl = 0,713 mm, fc = 8.01 GHz, - pour des fils de hauteur hl = 0,613 mm, fc = 9.91 GHz, - pour des fils de hauteur hl = 0,513 mm, fc = 11.1 GHz, Plus généralement, les inventeurs ont noté que pour un 20 guide de hauteur h, on obtenait une nette réduction de la fréquence de coupure par l'adjonction d'un réseau de fils 30. La figure 5 représente l'évolution de la fréquence de coupure basse normalisée fc/fcsiw en fonction de la hauteur normalisée hl/h des fils dans le guide, fcsiw étant la fréquence 25 de coupure basse d'un guide SIW classique, sans fils. On peut en tirer de nombreuses conséquences pratiques. Pour un guide d'onde rectangulaire de dimensions choisies, cela permet de laisser passer des fréquences plus basses, sans être obligé d'augmenter les dimensions du guide d'onde, ce qui peut être avantageux par 30 exemple aux radiofréquences en technologie du type circuit imprimé, ou aux longueurs d'onde millimétriques en technologie intégrée. Un second avantage de la séparation spatiale des champs électrique et magnétique est que la vitesse de phase des 35 ondes électromagnétiques diminue et donc que, pour obtenir une B12730 7 même longueur électrique, on pourra utiliser des guides plus courts, induisant ainsi un effet de miniaturisation longitudinale. La figure 6 représente la vitesse de phase Veco dans 5 la bande passante d'un guide en fonction de la fréquence, co étant la vitesse de la lumière dans le vide. On y constate un effet d'onde lente. En effet, la vitesse de phase est présentée pour quatre guides, l'un de la configuration de la figure 2 sans adjonction de fils métalliques 30, et les trois autres de la 10 configuration de la figure 3. La vitesse de phase pour les trois guides à ondes lentes est plus faible que celle du guide SIW classique. Plus la hauteur hl est grande devant la hauteur h2, plus la vitesse de phase V(pest réduite. Ce procédé permet ainsi de réduire les dimensions 15 latérales et longitudinales du guide. De façon générale, le pas du réseau de fils conducteurs est inférieur à un cinquième de la longueur d'onde de l'onde électromagnétique dans le guide. Ce pas peut également être très inférieur à la longueur d'onde dans le cas de vias de 20 diamètre également très inférieur à la longueur d'onde. Pour des guides d'onde ayant une dimension latérale de l'ordre du millimètre, ceci conduit à des pas de l'ordre de 40 à 200 pin. Ceci est parfaitement réalisable. De tels pas, et des pas beaucoup plus faibles pourront être réalisés sans difficultés 25 avec les technologies classiques. On pourra même utiliser des techniques de fabrication de nanofils, ayant des dimensions et des pas bien inférieurs au gm. Un guide d'onde à réseau de fils du type de celui de la figure 3 pourra être construit de nombreuses manières, 30 adaptées aux dimensions du guide d'onde. Les figures 7A. à 7C illustrent, uniquement à titre d'exemple, un mode de fabrication possible d'un tel guide d'onde. Il sera toutefois clair que les types de fabrication seront adaptés aux dimensions du guide en utilisant comme on l'a B12730 8 indiqué précédemment, des techniques de circuit imprimé ou de circuit intégré. A l'étape illustrée en figure 7A, on a déposé sur un support isolant 40 une couche conductrice 41 et une couche d'un 5 diélectrique 42. A travers la couche diélectrique 42, on a formé un réseau de vias 43, dont le pas est inférieur au cinquième de la longueur d'onde de fonctionnement du guide. Le matériau de remplissage de ces vias est un matériau électriquement conducteur et non magnétique, par exemple du cuivre, de l'aluminium, 10 de l'argent ou de l'or. Les vias pourront également être remplacés par des nanotubes de carbone, meilleurs conducteurs que les nanofils. La base des vias est en contact électrique avec la couche conductrice 41. A l'étape illustrée en figure 7B, on a déposé une 15 deuxième couche de diélectrique 45 au-dessus de la première couche 42 traversée par les vias 43. Le matériau de la couche 45 est éventuellement identique au matériau de la couche 42 mais peut être différent. A travers l'ensemble des couches 42 et 45 sont formés des vias 47 qui correspondent aux vias 16 de la 20 figure 2A et qui délimitent latéralement le guide d'onde. A l'étape illustrée en figure 7C, on a déposé une deuxième couche conductrice 49 correspondant à la paroi supérieure du guide. On pourra ensuite, si cela est souhaitable, procéder à diverses opérations de gravure ou de découpe pour 25 éliminer les portions inutiles de la structure, de part et d'autre du guide. La suite d'étapes décrite en relation avec les figures 7A à 7C s'inspire de technologies du type des technologies de fabrication de circuits intégrés. Comme on l'a indiqué 30 précédemment, selon les dimensions recherchées du guide, on pourra recourir à des technologies du type fabrication de circuits imprimés. REVENDICATIONS1. Guide d'onde rectangulaire contenant un réseau de fils (30) sensiblement parallèles en un matériau électriquement conducteur et non magnétique s'étendant à partir d'un grand côté du guide vers l'intérieur du guide sur une partie (hl) de la hauteur (h) du guide. 2. Guide d'onde selon la revendication 1, rempli d'un ou plusieurs matériaux diélectriques (2). 3. Guide d'onde selon la revendication 1 ou 2, dans lequel les fils sont des vias métallisés. 4. Guide d'onde selon la revendication 1 ou 2, dans lequel les fils sont des nanofils. 5. Guide d'onde selon la revendication 1 ou 2, dans lequel les fils sont des nanotubes de carbone. 6. Guide selon l'une quelconque des revendications 1 à 15 4, dans lequel les fils sont en un matériau choisi dans le groupe comprenant Cu, Al, Ag, Au. 7. Guide d'onde selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, dans lequel les fils sont disposés à un pas inférieur ou égal au cinquième de la longueur d'onde des ondes 20 électromagnétiques dans le guide. 8. Guide d'onde selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, dimensionné pour la propagation d'ondes électromagnétiques en radiofréquences et aux longueurs d'onde millimétriques ou sub-millimétriques.