TITRE : Dispositif de transmission d’un signal à un guide d’ondes

La présente invention concerne un dispositif de transmission d’un signal à un guide d’ondes. La présente invention concerne, également, un ensemble de transmission associé. La présente invention concerne, en outre, un système antennaire associé.

Différents modèles de transition circuit imprimé-guide d’ondes permettant l’alimentation d’un guide d’ondes par un circuit imprimé sont connus.

Certains de ces modèles utilisent un court-circuit positionné de manière adéquate vis-à-vis d’un plongeur à l’aide d’une cavité quart d’onde. D’autres modèles utilisent des connecteurs ou des pièces mécaniques supplémentaires pour effectuer la transition.

Néanmoins, l’utilisation de cavités, de connecteurs ou de pièces mécaniques rend la transition encombrante et complique sa mise en place.

Il est également connu des transitions mettant en œuvre des patchs rectangulaires pour alimenter un guide d’ondes.

Cependant, de tels patchs ne sont pas adaptés à la section de tous les guides d’ondes.

Il est aussi connu des dispositifs de transition permettant d’alimenter un guide d’ondes à section rectangulaire par le petit côté du guide à l’aide d’une cavité dite SIW (de l’anglais « Substrate Integrated Waveguide » traduit en français par « guide d’ondes réalisé dans un circuit imprimé »).

Toutefois, un tel dispositif ne permet pas d’alimenter un guide d’ondes par son grand côté. En outre, un tel dispositif impose l’ajout d’une transition supplémentaire entre la cavité SIW et une ligne microruban ou des lignes coplanaires par exemple.

Il existe donc un besoin pour un dispositif permettant de réaliser une transition d’un signal entre un circuit imprimé et un guide d’ondes qui soit compacte, simple à fabriquer et adaptable à tous les types de guide d’ondes.

A cet effet, l’invention a pour objet un dispositif de transmission d’un signal entre un guide d’ondes et un circuit imprimé, le dispositif comprenant un premier accès pour le signal à transmettre, un deuxième accès pour le signal à transmettre, un ruban conducteur formant le premier accès, un circuit imprimé comprenant un substrat, et un élément de transition. L’élément de transition comprend un plan de masse supérieur réalisé sur le substrat du circuit imprimé, un plan de masse inférieur destiné à être en contact direct avec le guide d’ondes, le plan de masse inférieur comprenant une fente formant le deuxième accès du dispositif de transmission et des moyens de délimitation d’une cavité entre le plan de masse supérieur et le plan de masse inférieur, l’un du plan de masse supérieur et du plan de masse inférieur étant connecté au ruban conducteur.

Selon d’autres aspects avantageux de l’invention, le dispositif comprend une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prises isolément ou suivant toutes les combinaisons techniquement possibles :

- la cavité est une cavité de type SIW.

- la cavité est une cavité résonante.

- la cavité est de longueur l suivant la longueur du substrat, l étant la longueur d’onde du signal à transmettre.

- le ruban conducteur fait saillie à partir du plan de masse supérieur.

- le ruban conducteur fait saillie à partir du plan de masse inférieur.

- le plan de masse inférieur est réalisé sur le substrat du circuit imprimé.

- les moyens de délimitation sont des vias.

- la fente du plan de masse inférieur est disposée de sorte à être au centre de la cavité délimitée par les moyens de délimitation.

L’invention concerne aussi un ensemble de transmission d’un signal comprenant un guide d’ondes, et un dispositif de transmission d’un signal entre le guide d’ondes et un circuit imprimé, le dispositif de transmission comprenant le circuit imprimé tel que précédemment décrit.

Selon d’autres aspects avantageux de l’invention, l’ensemble comprend une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prises isolément ou suivant toutes les combinaisons techniquement possibles :

- lorsque le guide d’ondes est un guide d’ondes présentant au moins une nervure sur sa longueur, le guide d’ondes étant agencé par rapport au plan de masse inférieur de sorte que la fente soit sensiblement à égale distance de la nervure, d’une part, et du haut du guide d’ondes, d’autre part ; et

- lorsque la section transverse du guide d’ondes est telle que le guide d’ondes comprend une longueur de section, dite grand côté, et une largeur de section, dite petit côté, la fente est positionnée sur le plan de masse inférieur de sorte à être sensiblement parallèle au grand côté du guide d’ondes.

L’invention concerne aussi un système antennaire comprenant au moins un ensemble de transmission tel que décrit précédemment, avantageusement plusieurs ensembles de transmission tels que décrits précédemment, les guides d’ondes desdits ensembles étant agencés en parallèle.

D’autres caractéristiques et avantages de l’invention apparaîtront à la lecture de la description qui suit de modes de réalisation de l’invention, donnée à titre d’exemple uniquement, et en référence aux dessins qui sont :

- [Fig 1] figure 1, une représentation schématique vue de profil d’un ensemble de transmission selon un premier mode de réalisation,

- [Fig 2] figure 2, une représentation schématique vue de dessous de l’ensemble de la figure 1,

- [Fig 3] figure 3, une représentation schématique vue en éclatée de l’ensemble de la figure 1, et

- [Fig 4] figure 4, une représentation schématique vue en éclatée d’un ensemble de transmission selon un deuxième mode de réalisation.

Un premier mode de réalisation d’un ensemble de transmission 10 est illustré par les figures 1 à 3.

L’ensemble 10 est configuré pour assurer la transition d’un signal entre un circuit imprimé 12 et un guide d’ondes 14. Le signal à transmettre est, par exemple, un signal radiofréquence, la fréquence du signal étant dans ce cas comprise entre 100 Mégahertz (MHz) et 1000 Gigahertz (GHz).

L’ensemble 10 comprend le guide d’ondes 14 et un dispositif de transmission 15.

Le guide d’ondes 14 présente une section transverse. La section transverse du guide d’ondes 14 est, par exemple, carrée, rectangulaire, à simple ridge, à double ridges ou encore circulaire. La section transverse à simple ridge est obtenue pour un guide d’ondes présentant une nervure sur toute sa longueur. La section transverse à double ridge est obtenue pour un guide d’ondes présentant deux nervures sur toute sa longueur. Les figures de la présente demande illustrent un guide d’ondes à ridge présentant une nervure 14A.

Dans le cas de guides d’ondes à section transverse carrée, rectangulaire, à simple ridge, à double ridge, ou plus généralement comprenant plusieurs nervures sur leur longueur, la section transverse du guide d’ondes comprend une longueur de section, dite « grand côté » et une largeur de section dite « petit côté ».

Le dispositif de transmission 15 comprend le circuit imprimé 12, un premier accès 16 pour le signal à transmettre, un deuxième accès 18 pour le signal à transmettre et un élément de transition 20. Le circuit imprimé 12 (en anglais PCB pour « Printed Circuit Board ») comprend un substrat 24 et, le cas échéant, des éléments imprimés sur le substrat 24. Le substrat 24 est réalisé dans un matériau diélectrique.

Dans la suite de la description, il est défini une direction longitudinale X représentée sur les figures par un axe X et correspondant à la longueur du substrat 24. Il est, en outre, défini une première direction transversale, dite d’empilement Z, perpendiculaire à la direction longitudinale X et représentée sur les figures par un axe Z, et correspondant à l’épaisseur du substrat 24. Il est, également, défini une deuxième direction transversale Y, perpendiculaire à la direction longitudinale X et à la première direction transversale Z. La deuxième direction transversale Y est représentée sur les figures par un axe Y et correspond à la largeur du substrat 24.

Le substrat 24 comprend deux faces 24A, 24B opposées l’une à l’autre selon la direction d’empilement Z. La face du substrat 24 la plus éloignée du guide d’ondes 14 selon la direction d’empilement Z est appelée face supérieure 24A. La face du substrat 24 la plus proche du guide d’ondes 14 selon la direction d’empilement Z est appelée face inférieure 24B.

Dans le cas d’une transmission d’un signal depuis le circuit imprimé 12 vers le guide d’ondes 14, le premier accès 16 forme l’entrée pour le signal à transmettre et le deuxième accès 18 forme la sortie pour le signal à transmettre.

Dans le cas d’une transmission d’un signal depuis le guide d’ondes 14 vers le circuit imprimé 12, le premier accès 16 forme la sortie pour le signal à transmettre et le deuxième accès 18 forme l’entrée pour le signal à transmettre.

L’élément de transition 20 est configuré pour assurer la transition du signal à transmettre entre le circuit imprimé 12 et le guide d’ondes 14, c’est-à-dire soit du circuit imprimé 12 vers le guide d’ondes 14, soit du guide d’ondes 14 vers le circuit imprimé 12 (transition réciproque).

L’élément de transition 20 comprend un ruban conducteur 29, un plan de masse supérieur 30, un plan de masse inférieur 32 et des moyens 34 de délimitation d’une cavité entre le plan de masse supérieur 30 et le plan de masse inférieur 32.

Le ruban conducteur 29 est un ruban étroit conducteur.

Le ruban conducteur 29 forme le premier accès 16 du dispositif de transmission 15. Dans l’exemple illustré par les figures 1 à 3, le ruban conducteur 29 est connecté au plan de masse supérieur 30. Notamment, le ruban conducteur 29 fait saillie à partir du plan de masse supérieur 30.

Le plan de masse supérieur 30 est réalisé sur le substrat 24 du circuit imprimé 12, c’est-à-dire que le plan de masse supérieur 30 fait partie intégrante du circuit imprimé 12.

Dans le mode de réalisation illustré par les figures 1 à 3, le plan de masse supérieur 30 est réalisé sur la face supérieure 24A du substrat 24.

Le plan de masse supérieur 30 est, par exemple, une plaque métallique.

Le plan de masse inférieur 32 est destiné à être en contact direct avec le guide d’ondes 14, notamment avec une section d’extrémité du guide d’ondes 14.

Le plan de masse inférieur 32 est situé en-dessous du plan de masse supérieur 30 dans la direction d’empilement Z.

Le plan de masse inférieur 32 est, par exemple, une plaque métallique.

Dans l’exemple illustré par les figures 1 à 3, le plan de masse inférieur 32 est réalisé sur le substrat 24 du circuit imprimé 12. Plus précisément, dans l’exemple illustré sur les figures 1 à 3, le plan de masse inférieur 32 est réalisé sur la face inférieure 24B du substrat 24.

Dans l’exemple illustré par les figures 1 à 3, le ruban conducteur 29 et le plan de masse inférieur 32 sont donc séparés par le substrat 24. Ainsi, le ruban conducteur 29, le plan de masse inférieur 32 et le substrat 24 forment une ligne microruban. Il est entendu par le terme « ligne microruban », une ligne de transmission hyperfréquences formé de deux conducteurs : un ruban étroit, séparé d’un plan de masse par un substrat diélectrique.

Le plan de masse inférieur 32 comprend une fente 42 formant le deuxième accès 18 du dispositif de transmission 15.

La fente 42 est, par exemple, de forme rectangulaire. Dans ce cas, la fente 42 a, par exemple, une longueur selon la deuxième direction transversale Y sensiblement égale à -,l étant la longueur d’onde du signal à émettre ou à recevoir.

En variante, la fente 42 présente d’autres formes, par exemple, en forme de « nœud papillon » ou « d’os ».

De préférence, la fente 42 est positionnée sur le plan de masse inférieur 32 selon la direction longitudinale X et la deuxième direction transversale Y de sorte à être entièrement contenue dans l’ouverture du guide d’ondes 14 et ne pas être parallèle à la petite section (petit côté) du guide d’ondes 14 pour un guide rectangulaire (avec ou sans ridge). Les performances de la transition seront différentes en fonction de la position de la fente 42.

Avantageusement, la fente 42 est positionnée sur le plan de masse inférieur 32 selon la direction longitudinale X et la deuxième direction transversale Y de sorte à être au centre de la cavité délimitée par les moyens de délimitation 34. Ainsi, la fente 42 se trouve au niveau d’un maximum du champ magnétique. Avantageusement, lorsque la section transverse du guide d’ondes 14 est telle que le guide d’ondes 14 comprend un grand côté et un petit côté (section à ridge, carrée ou rectangulaire notamment), la fente 42 est positionnée sur le plan de masse inférieur 32 de sorte à être sensiblement parallèle au grand côté du guide d’ondes 14.

En variante, la fente 42 est inclinée par rapport au grand côté du guide d’ondes 14.

Avantageusement, lorsque le guide d’ondes 14 est un guide d’ondes présentant au moins une nervure sur sa longueur (guide d’ondes à ridge), le guide d’ondes 14 est agencé par rapport au plan de masse inférieur 32 de sorte que la fente 42 soit sensiblement à égale distance, selon la direction longitudinale X, de la nervure, d’une part, et du haut du guide d’ondes 14, d’autre part.

Les moyens de délimitation 34 sont configurés pour délimiter une cavité entre le plan de masse supérieur 30 et le plan de masse inférieur 32.

Dans le mode de réalisation illustré par les figures 1 à 3, la cavité est une cavité dite SIW (de l’anglais « Substrate Integrated Waveguide » traduit en français par « guide d’ondes réalisé dans un circuit imprimé ») car le plan de masse inférieur 32 et le plan de masse supérieur 30 sont réalisés sur le substrat 24 du circuit imprimé 12. La cavité SIW fait partie intégrante de l’élément de transition 20.

Dans le premier mode de réalisation, les moyens de délimitation 34 sont insérés dans le substrat 24.

Les moyens de délimitation 34 sont, par exemple, des vias. Un via est un trou métallisé permettant d’établir une liaison électrique entre deux couches conductrices.

En variante, les moyens de délimitations 34 sont des tranchées métallisées.

Avantageusement, la cavité est de longueur l suivant la direction longitudinale X, l étant la longueur d’onde du signal à émettre ou à recevoir. Plus généralement, la cavité est de longueur k.- suivant la direction longitudinale X, avec k un nombre entier supérieur ou égal à deux. L’homme du métier comprendra ainsi que la longueur de la cavité est choisie de sorte que la cavité soit une cavité résonante, c’est-à-dire un espace creux dans lequel le signal à émettre ou à recevoir entre en résonance.

Le fonctionnement de l’ensemble 10 selon le premier mode de réalisation va maintenant être décrit.

Initialement, pour une transition depuis le circuit imprimé 12 vers le guide d’ondes 14, le signal à transmettre est capté par le dispositif de transmission 15 par l’intermédiaire du ruban conducteur 29 connecté au plan de masse supérieur 30.

Le signal est alors couplé (ou injecté) dans la cavité formée entre le plan de masse supérieur 30 et le plan de masse inférieur 32, et délimitée par les moyens de délimitation 34.

Le signal sort ensuite du dispositif de transmission 15 via la fente 42 inscrite dans le plan de masse inférieur 32 et arrive dans le guide d’ondes 14.

Réciproquement, pour une transition depuis le guide d’ondes 14 vers le circuit imprimé 12, le signal à transmettre est capté par le dispositif de transmission 15 par l’intermédiaire de la fente 42 du plan de masse inférieur 32.

Le signal est alors couplé dans la cavité formée entre le plan de masse supérieur 30 et le plan de masse inférieur 32, et délimitée par les moyens de délimitation 34.

Le signal sort ensuite du dispositif de transmission 15 par l’intermédiaire du ruban conducteur 29 connecté au plan de masse supérieur 30.

Ainsi, le dispositif de transmission 15 selon le premier mode de réalisation permet d’assurer la transition d’un signal entre un circuit imprimé 12 et un guide d’ondes 14. Notamment, l’élément de transition 20 permet une transition directe entre le guide d’ondes 14 et le circuit imprimé 12 et à 90°, c’est-à-dire que la transition est positionnée dans le plan de la section transverse à l’extrémité du guide d’ondes 14.

En particulier, dans ce mode de réalisation, l’élément de transition 20 est entièrement intégré dans le substrat 24 du circuit imprimé 12 et aucune autre pièce (connecteurs, cavité quart d’onde) n’est utilisée pour réaliser la transition du signal. Le dispositif de transmission 15 est donc compact et simple à réaliser. Il peut ainsi être facilement mis en place au dos d’une antenne ou plus généralement d’un guide d’ondes.

La présence de la cavité SIW permet de confiner les champs et évite ainsi les rayonnements parasites à l’extérieur de la cavité. Elle assure également un blindage vis-à-vis des champs provenant de l’extérieur. Un tel dispositif 15 génère de faibles pertes, les éventuelles pertes provenant notamment du substrat 24 du circuit imprimé 12 ou des motifs métalliques imprimés (notamment, dans la ligne microruban et les plans de masse 30 et 32).

Un tel dispositif de transmission 15 est adaptable à tous les types de guides d’ondes quelle que soit la géométrie de sa section transverse, que le guide d’ondes soit rayonnant ou non. Dans le cas particulier du guide d’ondes à ridge, un tel dispositif 15 permet notamment d’alimenter le guide d’ondes par son grand côté.

La configuration dans laquelle la fente 42 est parallèle au grand côté du guide d’ondes et au centre de la cavité permet d’induire une différence de potentiel entre les bords de la fente 42, et de maximiser, ainsi, le transfert d’énergie entre la cavité SIW et le guide d’ondes.

Un tel ensemble de transmission 10 est, par exemple, destiné à être intégré dans un système antennaire, tel qu’une antenne active à balayage, ou dans un système radar. Par exemple, un système antennaire peut être formé de plusieurs ensembles de transmission 10, les guides d’ondes 14 desdits ensembles 10 étant agencés en parallèle. Dans ce cas, les guides d’ondes 14 sont rayonnants.

Selon un deuxième mode de réalisation tel que visible sur la figure 4, les éléments identiques à l’ensemble 10 selon le premier mode de réalisation décrit en regard des figures 1 à 3 ne sont pas répétés. Seules les différences sont mises en évidence.

Dans le deuxième mode de réalisation, le ruban conducteur 29 formant le premier accès 16 du dispositif de transmission 15 est connecté au plan de masse inférieur 32. Notamment, le ruban conducteur 29 fait saillie à partir du plan de masse inférieur 32.

En outre, dans ce deuxième mode de réalisation, le ruban conducteur 29 et le plan de masse supérieur 30 sont séparés par le substrat 24. Ainsi, le ruban conducteur 29, le plan de masse supérieur 30 et le substrat 24 forment une ligne microruban.

Hormis ces différences, le fonctionnement de l’ensemble 10 selon le deuxième mode de réalisation est identique à celui du premier mode de réalisation.

Le dispositif de transmission 15 selon le deuxième mode de réalisation présente les mêmes avantages que celui du premier mode de réalisation.

Un tel dispositif 15 est une alternative pour la disposition des composants de l’élément de transition 20. En effet, dans le premier mode de réalisation, le ruban conducteur 29 est intégré sur le circuit imprimé 12 du côté opposé au guide d’ondes 14, alors que dans le deuxième mode de réalisation, le ruban conducteur 29 est intégré sur le circuit imprimé 12 du côté du guide d’ondes 14. Le choix de l’une ou l’autre des configurations dépend des contraintes de l’environnement et de conception. Par exemple, si les composants du circuit imprimé 12 doivent être placés en surface du côté du guide d’ondes 14, le deuxième mode de réalisation est plus adapté.

L’homme du métier comprendra que les modes de réalisation décrits précédemment sont susceptibles d’être combinés entre eux lorsqu’une telle combinaison est compatible.