Note: Descriptions are shown in the official language in which they were submitted.
20~7352
Structure de réa_isation de circuits at composants appliquée aux
hype__réquences.
L'invention concerne une structure de réalisation de circuits e-t
composants appliquée aux hyperfréquences.
Le développement croissant de l'utilisation des ondes
électromagnétiques dans des domaines aussi divers que
télécommunications, applications médicales, radar ... a conduit à varier
les techniques mises en oeuvre afin, d'une part, de maîtriser leur
propagation, d'autre part, d'en maîtriser leur rayonnement. Les moyens
mis en oeuvre dans un cas comme dans l'autre sont définis par ]es
caractéristiques générales radio-électriques requises : bandes de
fréquence, puissances nécessaires, niveaux de pertes admissibles,
niveaux de complexité de la connectique, mission au sens large du terme,
ainsi que par un ensemble non spécifiquement radioélectrique d'autres
critères mettant en jeu des paramètres comme la masse, le volume des
circuits ou encore la plage de températures admissibles que devront
supporter les technologies utilisées. L'ensemble de ces contraintes
supplémentaires sont, là aussi, régies par l'aspec-t "mission au sens
large" ; le choix précis d'une technologie devant aussi bien in-tégrer
des cri-tères d'ordre radioélectrique que des critères d'ordre mécanique,
structural et thermique.
On comprend aisément que les données d'environnement et
d'implantation soient différentes lorsqu'il s'agit de monter un
équipement hyperfréquence sur un satellite, un avion, ou dans un
sous-marin par exemple et que ceci ait un impact sur la définition et le
choix de la technologie requise pour réaliser l'équipement.
Le moyen sans doute le plus connu pour véhiculer une onde
électromagnétique est sans conteste le tube creux. Celui-ci peut revêtir
des formes simples de section rectangulaire ou circulaire ou encore des
formes plus élaborées par exemple section hexagonale. Son champ
d'u-tilisation en fréquence est très large de quelques gigahertz à
plusieurs centaines de gigahertz, c'est-à-dire du cen-timétrique ou
sub-millimétrique. En deçà de quelques gigahertz, l'emploi du guide
d'onde s'avère difficile en raison de son encombrement et de sa masse.
D'autres types de propagation sont alors utilisées.
De façon non exhaustive on peut ci-ter :
20173~'2
- Ies lignes coaxiales et dérivées,
- les lignes triplaques,
- les lignes "microstrip" et dérivées,
qui sont largement utilisées pour propager des signaux allant du continu
jusqu'à quelques dizaines de gigahertz. De facon simple on peut dire que
les propriétés radioélectriques (impédance, constante de propagation
etc...) résultent du positionnement de deux conducteurs l'un par rapport
à l'autre à l'aide d'un matériau support ou espaceur diélectrique. Dans
la pratique on emploie couramment des matériaux don-t les constan-tes
diélectriques varient de 1 à 10, voire 40 pour certaines applications.
En ce qui concerne le rayonnement sont apparus depuis une dizaine
d'années des éléments rayonnants remarquables quant à leur simplicité de
réalisation et à leurs caractéristiques de légèreté et capacité à être
conformés : Ce sont les antennes imprimées dont la réalisation de
principe utilise un élément résonnant gravé sur un support diélectrique,
l'ensemble étant implanté sur un plan de masse. Là encore, de tels
concepts, permettent de proposer des solutions très compétitives en
termes de volume, compacité et masse.
Ces deux pôles d'intér8ts (réalisation de circuits et d'éléments
rayonnan-ts) ont conduits les fabricants à proposer une gamme de plus en
plus vaste de matériaux diélectriques possédant des domaines
d'application de plus en plus étendus.
Les contraintes d'utilisation en environnement spatial sont bien
connues et portent en genéral sur :
- la masse des équipements,
- les plages de température et les contraintes thermiques,
- les niveaux de vibration,
- la stabilité physique au vide (non dégazage).
L'invention a pour objet de proposer une réalisation de substrats
à permittivité variable.
A cet effet, l'invention propose une structure de réalisation de
circuits et composants appliquée aux hyperfréquences, dans laquelle les
fonctions mécanique et électrique sont globalement intégrées, mais
localement dissociées ; une structure mécanique formant une enceinte
dans laquelle est disposé un pavé de ma-tériau diélectrique. De part et
d'au-tre de l'ensemble s-tructure mécanique-pavé diélectrique est disposée
~ o ~
une couche de matériau diélectrique, la première suppor-tant un élément
conduc-teur disposé au-dessus du pavé diélectrique, l'autre supportant un
plan de masse métallique, une couche de collage étant disposée entre la
structure mécanique et chacune des deux couches diélectriques.
L'intérêt de l'invention résulte de sa versatilité et de son gain
de masse considérable par rapport à des solut:ions plus conventionnelles.
Sa simplicité de réaliser des diélectriques à constante quelconque et sa
faible masse rendent cette solution très attractive pour des
utilisations spatiales.
Les caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront
d'ailleurs de la description qui va suivre, à titre d'exemple non
limitatif, en référence aux figures annexées sur lesquelles :
- les figures 1, 2 et 3 illustrent des réalisations de l'art
connu ;
- les figures 4 et 5 illustrent une vue en coupe et une vue de
dessus, en partie éclatée, d'une structure de circuits et composants
appliquée aux hyperfréquences selon l'inven-tion.
Pour la réalisation d'une structure(respectivement de circui-ts de
propaga-tion) telle que représentée à la figure 1, le problème principal
de conception est de maintenir un élément conducteur 10 à une dis-tance
précise d'un plan de masse 11 (respectivement de deux plans de masse).
Le milieu 12, ainsi délimité par l'élément conducteur 10, le (ou
les) plan(s) de masse 11 et une distance caractéristique d choisie lors
de la conception en fonction de son influence sur les phénomènes
d'intéraction entre le champ électromagnétique et la matière contenue
dans ce milieu, doit présenter les caractéristiques électriques ~
(constante diélectrique) et tg ~ (facteur de perte) choisies par le
concepteur.
D'autre part, l'ensemble du dispositif doit présenter des
performances compatibles avec son utilisation. Par exemple, pour une
application spatiale, les performances principales seront :
- légèreté,
- rigidité,
- tenue en température (typiquement 130C),
- faible dégazage,
- stabilité dimensionnelle (faible coefficient de dilatation
~73~2
~ ,
-- 4 --
thermique, faible coefficient de dilatation par désorption d'humidité,
conductivité -thermique élevée~.
Plusieurs solutions d'un point de vue radioélectrique sont
habituellement retenues.
Ainsi, dans le domaine d'un circuit de propagation, on peut
conférer, comme représenté sur la figure 2, une rigidité importante aux
plans de masse 17 et il est ainsi possible de maintenir entre-eux le
conducteur 15 et le matériau diélectrique 16. On a alors le conducteur
central 15 disposé entre deux couches 16 de matériau diélectrique, deux
structures 17 formant plan de masse étant situées de part et d'autre de
cet ensemble. Chacune de ces structures est formée par exemple d'un
"sandwich" peau de carbone 18-"nid d'abeille" en aluminium l9-peau de
carbone 20, la peau de carbone 20 située vers l'intérieur étant
métallisée 2l. I.e matériau diélectrique 15 peut être réalisé en "nid
d'abeille", en mousse organique ou par des entretoises diélectriques par
exemple.
Le matériau diélectrique 15 est choisi pour ses performances
radioélectriques, ce qui permet une grande latitude de choix. On peut
finalement obtenir une solution performante du point de vue
radioélectrique. En revanche l'addition d'éléments mécaniques
(rigidification des plans de masse, maintien du conducteur central et du
milieu diélectrique) conduit à de faibles performances mécaniques. Ce
type de solution est donc bien adapté pour des dispositifs de faibles
dimensions (surfaces typiquement inférieures à 0,5 m2) et/ou pour des
dispositifs où les plans de masse sont utilisés pour assurer des
fonctions mécaniques supplémentaires (maintien d'éléments rayonnants de
type cornets ou hélices par exemple).
Dans le cas où des performances mécaniques élevées sont demandées
(cas de grandes antennes par exemple), des solutions radicalement
opposées sont généralement retenues. Celles-ci consistent en effet en
une intégration totale des fonctions mécanique et électrique. Ceci est
obtenu, comme représenté sur la figure 3, en faisant participer le
matériau diélectrique 22 à la rigidité mécanique de l'ensemble par
collage notamment. On a alors le conducteur central métallique 25
disposé entre deux couches de diélectrique 22, et deux plans métalliques
23 formant des plans de masse, des couches de collage 24 étant situées
~0~73~2
-- 5 --
entre chacun des plans au con-tact. L'intérêt es-t alors d'utiliser des
matériaux à forte rigidité spécifique (matériaux composites par exemple)
le plus loin possible de la fibre neutre du "sandwich" lsurfaces
inférieure et supérieure du panneau) et de coller entre ces faces un
matériau ayant de bonnes propriétés de cisaillement et une faible masse
volumique ("Nid-d'abeille", par exemple). Ce principe est bien adapté
pour la réalisation de dispositifs de grandes dimensions où l'on cherche
une masse surfacique très faible (antenne, répartiteur, 5 kg/m typi-
quement). Les contrain-tes à prendre alors en compte pour le choix du
matériau diélectrique sont très fortes, puisqu'il doit satisfaire les
exigences radioélectriques, mécaniques et de -tenue à l'environnement. On
arrive généralement à un bon compromis, mais les performances
électriques ne sont pas toujours suffisantes (facteur de perte trop
élevé du à la présence de films de colle) ou même les performances
mécaniques peuvent se trouver détérioriées (si l'on veut par exemple
utiliser un diélectrique à constante supérieure à 2 avec une épaisseur
supérieure au millimè-tre).
L'invention concerne une structure dans laquelle les fonctions
électrique e-t rnécanique sont globalemen-t intégrées, mais localement
dissociées.
Comme représenté sur les figures 4 et 5, la structure selon
l'invention comprend une structure mécanique 26 formant une enceinte 33
dans laquelle peut être disposé un pavé 27 de matériau diélectrique. De
part et d'autre de l'ensemble ainsi formé est disposé une couche de
matériau diélectrique 28, (29), la première 2~3 supportant l'élément
conducteur 30 disposé au-dessus du pavé diélectrique 27, l'autre 29
supportant le plan de masse 31 métallique. Une couche de collage 32 est
disposée en-tre la structure mécanique et chacune des deux couches
diélectriques.
Ainsi, dans la structure suivant l'invention, le rnilieu au
voisinage de l'élément conducteur est constitué d'un ma-tériau
diélectrique dont les critères de choix sont principalement électriques
( r~ tg ~ ) et qui ne participe pas à la rigidité mécanique de
l'ensemble. Au-delà de ce voisinage, une structure mécanique permet de
contenir le matériau diélec-trique précédent et de garantir les
performances mécaniques globales du dispositif. Les critères de choix
--` 20~73~2
-- 6 --
des matériaux consti-tuan-t cette structure étant principalement
mécaniques (E/e t E = module d'Young, e masse voLumique), celle-ci
peut être très efficace.
Les avantages de l'invention sont ].es suivants :
- performances radioélectriques élevées et ajus-tables ( ~ ) : un
matériau diélectrique quelconque pouvant être utilisé, pourvu qu'il soit
léger et résistant à l'environnement, de plus il n'est pas fait appel à
un film de colle,
- performances mécaniques élevées : la structure étant réalisées à
l'aide du matériau le mieux adapté, voire même à l'aide d'un matériau
conducteur (composite à renfort graphite par exemple) si cela est
admissible du point de vue radioélectrique.
Dans un premier exemple de réalisation on peut réaliser, avec une
hauteur h par exemple de 3 mm, une antenne imprimée sur diélectrique
ayant les performances recherchées suivantes :
_ r = 2,5
- tg ~ aussi faible que possible
E/ ~ (rigidité spécifique) aussi élevée que possible.
Avec les disposi-tifs de l'art connu, où l'on intègre les fonctions
mécanique et électrique, les matériaux les mieux adaptés sont des
matrices PTFE (polytétrafluoréthylène) à renfor-t de verre. En effet, les
matrices epoxyde et polyimide, bien qu'elles permettent d'atteindre des
propriétés mécaniques supérieures, font remonter les valeurs de et
tg ~ .
On a ainsi le tableau suivant :
~0173~2
___ _= =~= _G
Matériau r tg ~ I E/ ~
x 10 l x 105 (SI)
_ ~ _ _ __
Verre/PTFE 2.5 _ _ 6
Quartz/polyimide3.6 40 ¦ 100
~ . ._----1- ---
lo ~ L~ l30 L93
d'où les performances suivantes :
- Radiofréquence ~RF)
. tg ~ = 9.10-4
- Mécanique
= 6,99 kg/m (masse surfacique brute : sans
connecteur, contrôle thermique,...)
. f= 13 Hz (première fréquence de résonance pour une
plaque carrée de 0,5 m de côté, dont les
bords sont simplement supportés).
Alors que dans le cas du dispositif de l'invention le matériau
dielectrique est choisi pour ses propriétés radioélec-triques uniquement.
Par exemple, avec du feutre d'Alumine on obtient : e = 750 kg/m
~ = 2,5 tg ~ = 2.10 4 ~en supposant une variation linéaire de r
et tg ~ en fonction de la densité).
Le matériau constituant la structure est lui choisi principalement
pour ses caractéristiques mécaniques.
Les performances obtenues dans cet exemple sont :
- radiofréquence : tg ~ _ 2.10
- mécanique (avec une structure en Kevlar/epoxy, de largeur 2 mm) :
. f = 19,8 Hz
. ~ = 2,83 kg/m
2~:L73~2
,
-- 8 --
Avec un dispositif suivant l'invention, le gain peut donc être
d'un facteur 4 sur les pertes R.F. et d'un facteur environ 2,5 sur la
masse.
Dans un second exemple de réalisation on peut réaliser une antenne
imprimée sur diélectrique ayant une constante la plus proche possible de
1, avec une distance patch/plan de masse = 6 mm, les performances
recherchées étant celles du premier exemple de réalisation avec
_ 1
Avec les dispositifs de l'art connu, où l'on intègre les fonctions
mécanique et électrique, les architec-tures les mieux adaptées sont
obtenues par collage d'un matériau organique très aéré (mousse, nid
d'abeilles) entre les substrats supportant les éléments rayonnan-ts et le
plan de masse par l'intermédiaire de films de colle ou de couches de
matériaux composites.
On ob-tient les performances suivantes :
- radiofréquence : . r ~ 1,04
. tg~ ~ 6.10 4
- mécanique : . ~ ~ 0,928 kg/m2
. f ~ 107 Hz
Par contre en utilisant le dispositif selon l'invention le volume
sous l'élément rayonnant restant vide, on obtient les performances
suivantes :
- Radiofréquence. : r
tg ~ ~ O
- mécanique (avec une structure en fibres de carbone) :
. ~ = 1,126 kg/m (même fréquence de résonance f = 107 Hz)
Pour un accroissement de masse d'environ 20%, on réalise un
élément rayonnant pour lequel les pertes sont pratiquement nulles.
Les composants de l'élément rayonnant selon l'invention peuven-t
être réalisés en utilisant de nornbreux matériaux, ainsi :
- la structure mécanique 26 peut être réalisée en matériaux
composites à base, par exemple :
. de Kevlar ;
. de carbone ;
de verre ;
. ou de tout autre renfort :
2~17~2
Le matériau diélectrique utilisé peut ê-tre :
. de la céramique ( ~ ~ 1) ; (céramique aérée, ou fibre de
céramique ou feutre de céramique)
. un matériau organique ou composi-te ( r ~ 1)
- le volume peut être rempli :
. de gaz ;
. d'air ;
. de vide.
Il est bien entendu que la présente invention n'a été décrite et
représentée qu'à titre d'exemple préférentiel et que l'on pourra
remplacer ses éléments constitutifs par des éléments équivalents sans,
pour autant, sortir du cadre de l'inven-tion.
