DOMAINE TECHNIQUE GENERAL

L'invention concerne une transition d'une ligne de transmission vers un guide d'ondes et plus particulièrement une transition entre une ligne de transmission imprimée sur un substrat et un guide d'ondes rectangulaire.

ETAT DE LA TECHNIQUE

On connaît plusieurs types de transitions entre une ligne de transmission imprimée sur un substrat et un guide d'ondes rectangulaire.

Un premier type repose sur des montages basés sur une configuration perpendiculaire entre le plan dans lequel est contenu le substrat et l'axe longitudinal du guide d'ondes. Dans ce cas, le substrat supportant la ligne de transmission obture complètement l'extrémité du guide d'ondes et le couplage électromagnétique entre cette ligne et ce guide est alors assuré soit par :

• Un ou des évidement(s) aménagé(s) dans le ou les plans de masse du circuit imprimé, qui constituent des fenêtres ouvertes vers le guide, comme par exemple dans le document US 2011/0267153;

· Un ou des élément(s) rayonnant(s), de type antenne patch par exemple, orienté(s) pour rayonner vers l'intérieur du guide, comme illustré notamment dans le document US 5 793 263 ;

• Un élément équivalent à une sonde d'excitation, positionné en entrée du guide, comme par exemple dans le document US 8 022 784 ;

· Ou toute combinaison possible de ces éléments, voire avec d'autres éléments tels que des cavités ou des arêtes (en anglais, « ridges ») insérés dans le guide d'ondes, comme par exemple dans le document US 6 794 950.

Un problème avec ce premier type de transition est que la géométrie perpendiculaire entre le substrat et le guide, ainsi que les divers moyens de couplage utilisés entraînent de sérieux problèmes quant à la facilité de montage d'une telle structure, en particulier en ce qui concerne la maîtrise fine du positionnement entre les divers éléments constituant de la transition.

Un second type de transitions consiste en des configurations où :

• soit le substrat est directement plaqué sur l'une des faces latérales du guide d'ondes, typiquement sa face inférieure ou supérieure ; • soit le guide est lui-même reporté sur la surface d'un circuit imprimé.

Dans tous les cas, le couplage de la ligne de transmission imprimée vers le guide d'ondes est réalisé à partir de motifs inscrits conjointement sur le substrat et la face latérale du guide et positionnés en regard les uns par rapport aux autres. Ces motifs peuvent être équivalents à des fentes ou à des électrodes, comme par exemple dans les documents US 6 977 560, US 8 368 482, WO 2010/130293 et US 7 132 905. Toutes ces solutions nécessitent donc de graver directement les motifs de couplage sur le guide d'ondes et de les aligner, voire de les espacer, très précisément avec les motifs inscrits sur le circuit imprimé, d'où de réelles difficultés de réalisation et de montage.

Un troisième type de transitions correspond à des solutions où le couplage entre la ligne de transmission et le guide d'ondes est obtenu par un système de sonde ou d'antenne connecté à l'extrémité de la ligne et plongeant à l'intérieur du guide. Cette sonde ou antenne est alors combinée à d'autres éléments réalisés au sein du guide, tels que des cavités ou des ridges. Les documents US 3 146 410, US 6 002 305 et US 7 746 191 en sont quelques exemples. Le principal inconvénient pour ce type de solution repose sur la nécessité d'insérer physiquement un plongeur dans le guide, avec toutes les difficultés de réalisation, de montage et de positionnement associées.

Un quatrième type repose également sur un principe d'insertion à l'intérieur du guide d'ondes d'un substrat sur lequel est imprimée la ligne de transmission. Le substrat est alors soit partiellement inséré dans le guide à partir de son extrémité ouverte, soit complètement inséré dans le plan E de ce guide. Les motifs imprimés sur le substrat sont soit de type antenne, soit de type taper (transition réalisée sur le substrat entre, par exemple, une ligne micro-ruban et une ligne fente). Les documents US 3 732 508, US 4 260 964 et US 8 305 280 décrivent des exemples d'une telle transition. Comme pour le troisième type, la difficulté majeure de cette famille de solutions correspond à l'insertion de tout ou partie du substrat supportant les motifs imprimés dans le guide d'ondes.

Enfin, un cinquième et dernier type est fondé sur l'utilisation d'une structure de type arête effilée ou bien « taperisée », le plus souvent réalisée à l'intérieur d'un guide d'ondes à air, en contact électrique avec l'extrémité d'une ligne de transmission gravée sur un substrat. Les documents US 6 265 950 et JP 2002344212 en illustrent deux exemples. Pour ce type de transitions à ridge, une solution alternative, où le guide et le substrat sont alors réalisés collectivement dans un même matériau diélectrique, est décrite dans le document US 7 382 212. Dans les documents US 6 265 950 et JP 2002344212, la transition nécessite un chevauchement précis du ridge et de l'extrémité de la ligne et le ridge est réalisé sous la forme d'une excroissance s'étendant dans le volume interne du guide d'ondes à air. Dans le document US 7 382 212, l'unicité du matériau diélectrique pour la réalisation conjointe du guide et du substrat ne permet pas de combiner une telle transition avec un circuit imprimé réalisé sur tout autre substrat diélectrique.

Compte tenu des différents types de transitions connus il existe un réel besoin de simplifier la réalisation d'une transition ainsi que de faciliter son report en surface sur tout type de circuits imprimés.

PRESENTATION DE L'INVENTION

L'invention répond au besoin ci-dessus mentionné et propose un dispositif de transition entre une ligne de transmission imprimée sur un substrat diélectrique et un guide d'ondes rectangulaire comprenant une face avant formant entrée du guide d'ondes, une face arrière parallèle à la face avant et formant sortie du guide d'ondes, une face inférieure, une face supérieure parallèle à la face inférieure, les faces inférieure et supérieure s'étendant entre les faces avant et arrière, le guide d'ondes étant un bloc en matériau diélectrique dont les faces sont intégralement métallisées exceptées la face avant et la face arrière, le dispositif de transition comprenant :

une cavité tridimensionnelle formée dans le volume du guide d'ondes entre l'entrée du guide d'ondes, formant en outre entrée de la cavité, et la face arrière en s'évasant, la cavité étant à une hauteur d'entrée de la face inférieure du guide d'ondes et se terminant à une distance de l'entrée de la cavité à une hauteur de sortie supérieure à la hauteur d'entrée ;

une connexion électrique s'étendant à partir de la ligne de transmission le long de la face avant du guide d'ondes jusqu'à l'entrée de la cavité tridimensionnelle.

L'invention est avantageusement complétée par les caractéristiques suivantes, prises seules ou en une quelconque de leur combinaison techniquement possible :

la cavité présente une largeur d'entrée et une largeur de sortie supérieure à la largeur d'entrée de sorte que l'évasement de la cavité conduit à ce que le long du guide d'ondes, le couple hauteur/largeur est croissant ;

le substrat diélectrique comprend une face avant comprenant un dépôt conducteur formant un plan de masse, et une face arrière parallèle à la face avant sur laquelle la ligne de transmission est imprimée, le guide d'ondes étant disposé sur le plan de masse, le substrat diélectrique comprenant un évidement configuré pour amener la connexion électrique à l'entrée de la cavité, le guide d'ondes comprenant sur sa face inférieure une zone locale au niveau de la connexion électrique dépourvue de métallisation afin d'empêcher tout contact électrique entre la connexion électrique et la face inférieure du guide d'ondes ;

le substrat diélectrique comprend une face avant comprenant un dépôt conducteur formant un plan de masse, et une face arrière parallèle à la face avant sur laquelle la ligne de transmission est imprimée, le guide d'ondes étant disposé sur la face arrière, la face inférieure du guide d'ondes étant connectée au plan de masse par l'intermédiaire d'une pluralité de vias métallisés traversant le substrat diélectrique, la face inférieure du guide d'ondes comprenant une zone locale au niveau de la connexion électrique dépourvue de métallisation afin d'empêcher tout contact électrique entre la connexion électrique et la face inférieure du guide d'ondes ; le substrat diélectrique comprend une face avant sur laquelle sont imprimés la ligne de transmission et un dépôt conducteur formant plan de masse en contact avec la face inférieure du guide d'ondes, le plan de masse et la ligne de transmission étant coplanaires, la connexion électrique étant connectée à l'extrémité de la ligne de transmission, la face inférieure du guide d'ondes comprenant une zone locale au niveau de la connexion électrique dépourvue de métallisation afin d'empêcher tout contact électrique entre la connexion électrique et la face inférieure du guide d'ondes ;

un support métallique sur lequel est disposé le guide d'ondes, la face inférieure du guide d'ondes étant connectée audit support métallique, support métallique sur lequel est également disposé le substrat diélectrique, l'élément conducteur étant connecté à l'entrée du guide d'ondes ;

la cavité tridimensionnelle comprend un profil d'entrée en entrée du guide d'ondes en forme de U ;

la cavité tridimensionnelle comprend un profil d'entrée à bords linéaires obliques, à bords concaves, à bords convexes, à bords sinueux ;

la cavité tridimensionnelle présente un profil d'évasement linéaire, concave, convexe, sinueux, ledit profil d'évasement étant caractéristique de la variation de la largeur de la cavité entre la largeur d'entrée et la largeur de sortie ;

la cavité tridimensionnelle comprend un profil latéral linéaire, concave, convexe, sinueux, ledit profil latéral étant caractéristique de la variation de la hauteur de la cavité entre la hauteur d'entrée et la hauteur de sortie.

Comparativement aux dispositifs de transitions connus, le dispositif de transition de l'invention permet de faciliter aussi bien la réalisation du dispositif que le report en surface de celui-ci sur tout type de circuits imprimés. En particulier, le couplage entre la ligne de transmission et le guide d'ondes, par une simple connexion électrique directe entre les deux éléments, rend cette solution particulièrement robuste et peu sensible aux dispersions technologiques et de montage.

D'autres avantages procurés par le dispositif de l'invention sont les suivants :

- simplicité de réalisation de la cavité tridimensionnelle inscrite dans le volume du guide d'ondes, par usinage ou par moulage du matériau diélectrique brut, puis métallisation externe globale de la structure, excepté au niveau des deux sections transverses aux extrémités du guide ainsi qu'au niveau de la zone locale non métallisée aménagée dans la face inférieure du guide ;

- multiples paramètres de liberté dans la conception d'une telle structure de transition, en particulier au niveau du choix de la géométrie de la surface tridimensionnelle de la cavité et de ses dimensions.

En outre, l'invention conduit également à de bonnes performances électriques, notamment en ce qui concerne la largeur de la bande passante du dispositif, tout en ayant une structure de dimension relativement compacte.

PRESENTATION DES FIGURES

D'autres caractéristiques, buts et avantages de l'invention ressortiront de la description qui suit, qui est purement illustrative et non limitative, et qui doit être lue en regard des dessins annexés sur lesquels :

- la figure 1 illustre une vue en perspective d'un dispositif de transition selon un premier mode de réalisation de l'invention ;

- les figures 2a, 2b, 2c et 2d illustrent respectivement une vue de dessous, une vue de face une vue de côté et une vue de dessus d'un guide d'ondes d'un dispositif de transition selon le premier mode de réalisation de l'invention ;

- les figures 3a, 3b et 3c illustrent respectivement une vue de la coupe AA', de la coupe BB' et de la coupe CC de la figure 2d ;

- les figures 4a, 4b, 4c, 4d et 4e illustrent plusieurs variantes du profil d'entrée d'une cavité d'un dispositif de jonction conforme à l'invention ;

- les figures 5a, 5b, 5c et 5d illustrent plusieurs variantes du profil d'évasement d'une cavité d'un dispositif de jonction conforme à l'invention ;

- les figures 6a, 6b, 6c et 6d illustrent plusieurs variantes du profil latéral d'une cavité d'un dispositif de jonction conforme à l'invention ;

- les figures 7a et 7b illustrent respectivement une vue de côté et une vue de face du dispositif de transition selon le premier mode de réalisation de l'invention ; - les figures 8a et 8b illustrent respectivement une vue de côté et une vue de face du dispositif de transition selon un second mode de réalisation de l'invention ;

- les figures 9a et 9b illustrent respectivement une vue de côté et une vue de face du dispositif de transition selon un troisième mode de réalisation de l'invention ;

- les figures 10a et 10b illustrent respectivement une vue de côté et une vue de face du dispositif de transition selon un quatrième mode de réalisation de l'invention ;

- la figure 11 illustre les coefficients de transmission et de réflexion d'un prototype simulé et réalisé, celui-ci étant constitué de deux dispositifs de transition selon le premier mode de réalisation montés en « tête-bêche ».

Sur l'ensemble des figures les éléments similaires portent des références identiques.

DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION

La figure 1 illustre un dispositif de transition entre une ligne de transmission 10 imprimée sur un substrat diélectrique 20 et un guide d'ondes 30 rectangulaire selon un premier mode de réalisation de l'invention.

Le substrat diélectrique 20 comprend une face avant 21 comprenant un dépôt conducteur 210 formant un plan de masse, et une face arrière 22 parallèle à la face avant sur laquelle la ligne de transmission 10 est imprimée.

Le guide d'ondes 30 diélectrique est rectangulaire et comprend une face avant 31 formant entrée du guide d'ondes, une face arrière 32 parallèle à la face avant et formant sortie du guide d'ondes, une face inférieure 33, une face supérieure 34 parallèle à la face inférieure, les faces inférieure 33 et supérieure 34 s'étendant entre les faces avant 31 et arrière 32.

En outre, le guide d'ondes rectangulaire comprend deux faces latérales 35, 36 parallèles l'une de l'autre s'étendant respectivement entre les faces supérieure 34 et inférieure 33.

Le guide d'ondes est en matériau diélectrique et est un bloc parallélépipédique plein. Le matériau du guide d'ondes est de préférence de type plastique ou mousse plastique avec des caractéristiques électriques telles que la permittivité relative ε _Γ soit la plus proche possible de 1 et les pertes diélectriques tgô très proches de zéro.

Le guide d'ondes est en outre métallisé sur toutes ses faces excepté la face avant et la face arrière de ce dernier. Ainsi sont métallisées : les faces inférieure 33 et supérieure 34 et les deux faces latérales 35, 36. Le dispositif de transition comprend en outre une cavité tridimensionnelle 40 (en anglais, « taper ») formée dans le volume du guide d'ondes 30 entre l'entrée 31 du guide d'ondes, formant en outre entrée de la cavité, et la face arrière 32 en s'évasant le long d'un axe longitudinal (non représenté) du guide d'ondes 30.

La cavité tridimensionnelle 40 peut être réalisée dans le volume du guide d'ondes 30, soit par usinage ou par moulage.

De manière avantageuse, afin de coupler la ligne de transmission 10 et le guide d'ondes 30, le dispositif comprend une connexion électrique 50 qui s'étend à partir de la ligne de transmission 10 le long de la face avant du guide d'ondes et ce jusqu'à l'entrée 31 de la cavité 40 tridimensionnelle.

En outre, le substrat diélectrique comprend un évidement 23 configuré pour amener la connexion électrique 50 à l'entrée de la cavité 40.

Comme on l'aura compris le dispositif de jonction est de type CMS (Composant Monté en Surface) de sorte qu'il peut être facilement reporté sur un substrat diélectrique (c'est-à-dire un circuit intégré), voire sur un support métallique.

On a illustré sur les figures 2a, 2b, 2c et 2d respectivement une vue de dessous, une vue de face, une vue de côté et une vue de dessus d'un guide d'ondes d'un dispositif de transition selon le premier mode de réalisation de l'invention.

Sur la vue de face, la cavité tridimensionnelle présente un profil d'entrée φ (à bords linéaires verticaux sur la figure 2b). En particulier il s'agit d'une encoche aménagée dans le guide d'ondes 30, de largeur Wi à sa base et ayant sous celle-ci une épaisseur de matériau diélectrique du guide d'ondes égale à Hi.

La cavité est à une hauteur d'entrée Hl de la face inférieure 33 du guide d'ondes 30 et se termine à une distance L de l'entrée de la cavité à une hauteur de sortie H2 supérieure à la hauteur d'entrée Hl.

Les valeurs de largeur Wi et hauteur Hi sont choisies pour correspondre aux caractéristiques géométriques d'une ligne de transmission de type micro-ruban d'impédance caractéristique Z _c (typiquement 50Ω), qui serait réalisée sur un substrat diélectrique de même matériau diélectrique que celui utilisé pour le guide d'ondes et d'épaisseur Hi, et dont la largeur du micro-ruban serait égale à Wi. Ce choix d'impédance caractéristique, et en conséquence le choix des dimensions Wi et Hi, permet d'assurer les conditions d'une bonne adaptation avec la ligne de transmission imprimée, elle-même d'impédance caractéristique Z _c .

Par la suite la cavité se développe sur une longueur L selon l'axe longitudinal du guide d'ondes selon un profil d'évasement φ' (sinueux sur la figure 2d).

Comme mentionnée plus haut l'entrée de la cavité est à une hauteur d'entrée Hi de la face inférieure 33 du guide d'ondes 30 et se termine à une distance L de l'entrée de la cavité à une hauteur de sortie H ₂ supérieure à la hauteur d'entrée Hl et présente un profil latéral φ" (sinueux sur la figure 2c).

De manière préférée, la cavité 40 se termine à une distance L de l'entrée par une section transverse, dont les dimensions W ₂ et H ₂ correspondent à celles du guide d'ondes rectangulaire dans lequel est formée cette dernière.

Avantageusement la longueur L de la cavité ainsi que l'allure des profils d'entrée φ, latéral φ" et d'évasement φ' permettent d'adapter progressivement les dimensions d'entrée de la cavité Wi, Hi à ses dimensions de sortie W ₂ , H ₂ .

Ainsi, la cavité présente un couple hauteur/largeur qui croit le long de la longueur L du guide d'ondes 30.

En outre, afin d'éviter tout contact électrique entre la connexion électrique 50 et la face inférieure du guide d'ondes métallisée, une zone locale 37, autour de la connexion électrique, est dépourvue de métallisation.

On a illustré sur les figures 3a, 3b et 3c respectivement une vue de la coupe AA', de la coupe BB' et de la coupe CC de la figure 2d sur lesquelles est illustré, à nouveau, l'évasement de la cavité. La largeur Wi en entrée est inférieure à la largeur W prise dans un plan de coupe intermédiaire du guide d'ondes 30 et encore inférieure à la largeur W ₂ prise en sortie de la cavité 40.

De même la hauteur Hi en entrée est inférieure à la hauteur H prise dans un plan de coupe intermédiaire selon la coupe BB' et encore inférieure à la hauteur H ₂ prise en sortie de la cavité 40. Comme on l'a donc mentionné, la cavité présente un couple hauteur/largeur qui croit le long de la longueur L du guide d'ondes 30.

Les profils d'entrée, d'évasement et latéral peuvent prendre plusieurs formes.

Le profil d'entrée peut être à bords linéaires verticaux (figure 4a), à bords linéaires obliques (figure 4b), à bords concaves (figure 4c), à bords convexes (figure 4d), à bords sinueux (figure 4e).

Le profil d'évasement peut être linéaire (figure 5a), concave (figure 5b), convexe (figure 5c) ou sinueux (figure 5d).

Le profil latéral peut être linéaire (figure 6a), concave (figure 6b), convexe (figure 6c) ou sinueux (figure 6d).

On décrit maintenant plusieurs modes de réalisation d'un dispositif de transition conforme à l'invention.

Les figures 7a et 7b illustrent respectivement une vue de côté et de face d'un dispositif de transition selon le premier mode de réalisation de l'invention. Selon ce premier mode de réalisation le substrat diélectrique 20 comprend une face avant 21 comprenant un dépôt conducteur 210 formant un plan de masse, et une face arrière 22 parallèle à la face avant sur laquelle la ligne de transmission 10 est imprimée. En outre, le guide d'ondes 30 est disposé sur le plan de masse 210 et le substrat diélectrique comprend un évidement 23 configuré pour amener la connexion électrique 50 à l'entrée de la cavité 40. En outre, le guide d'ondes comprend sur sa face inférieure une zone locale 37 au niveau de la connexion électrique 50 dépourvue de métallisation afin d'empêcher tout contact électrique entre la connexion électrique et la face inférieure du guide d'ondes.

Les figures 8a et 8b illustrent respectivement une vue de côté et de face d'un dispositif de transition selon un second mode de réalisation de l'invention.

Selon ce second mode de réalisation, le substrat diélectrique 20 comprend une face avant 21 comprenant un dépôt conducteur 210 formant un plan de masse, et une face arrière 22 parallèle à la face avant sur laquelle la ligne de transmission 10 est imprimée. En outre, le guide d'ondes 30 est disposé sur la face arrière du substrat diélectrique. Afin de connecter la face inférieure du guide d'ondes au plan de masse du substrat diélectrique, le dispositif comprend une pluralité de vias 70 métallisés traversant le substrat diélectrique et reliant électriquement le plan de masse à la face inférieure du guide d'ondes. En outre, le guide d'ondes comprend sur sa face inférieure une zone locale 37 au niveau de la connexion électrique 50 dépourvue de métallisation afin d'empêcher tout contact électrique entre la connexion électrique et la face inférieure du guide d'ondes.

Les figures 9a et 9b illustrent respectivement une vue de côté et de face d'un dispositif de transition selon un troisième mode de réalisation de l'invention.

Selon ce troisième mode de réalisation, le substrat diélectrique 20 comprend une face avant sur laquelle sont imprimés de manière coplanaire, la ligne de transmission 10 et un dépôt conducteur 210 formant plan de masse en contact avec la face inférieure du guide d'ondes 30. En outre, le guide d'ondes est disposé sur le plan de masse et la face inférieure du guide d'ondes comprend une zone locale 37 au niveau de la connexion électrique 50 dépourvue de dépôt conducteur afin d'empêcher tout contact électrique entre la connexion électrique 50 et la face inférieure du guide d'ondes.

Les figures 10a et 10b illustrent respectivement une vue de côté et de face d'un dispositif de transition selon un quatrième mode de réalisation de l'invention.

Selon ce quatrième mode de réalisation, le dispositif comprend un support 60 métallique sur lequel est disposé le guide d'ondes. En outre, la face inférieure du guide d'ondes est connectée au support métallique, support métallique sur lequel est également disposé le substrat diélectrique. Dans cette configuration, le substrat diélectrique 20 est dans le prolongement du guide d'ondes 30.

Dans chacun des modes de réalisation ci-dessus décrit, la connexion électrique 50 réalisée sous la forme d'un conducteur métallique permet d'assurer la liaison électrique entre l'extrémité de la ligne de transmission 10 et l'entrée de la cavité 40 et est choisie pour être la plus transparente possible sur le plan électrique. Il peut s'agir, par exemple, d'un fil ou d'un ruban métallique de très petite longueur voire même, si la configuration le permet, d'un simple point de soudure.

Un prototype d'un dispositif de transition selon le premier mode de réalisation a été développé et caractérisé en bande X [8-12 GHz]. En particulier, des performances obtenues par simulation numérique ont été comparées au dispositif développé.

Pour pouvoir mesurer expérimentalement le dispositif, celui-ci est composé de deux transitions selon le premier mode de réalisation, montées en « tête-bêche » et séparées par un tronçon de guide d'ondes de longueur donnée.

Le guide d'ondes est ici dans un matériau de nature mousse polyuréthane de permittivité relative ε _Γ = 1.17 et de pertes diélectriques tgô = 0,003. Pour une transition unique, la longueur L de la cavité est légèrement inférieure à 0,6λ ₉ , où λ ₉ est la longueur d'ondes guidée du signal dans un guide d'ondes fonctionnant en bande X, rempli de mousse.

Cette longueur L permet de conserver un caractère relativement compact pour ce type de transition.

La figure 11 illustre la comparaison entre mesures et simulations des coefficients de transmission et de réflexion du prototype fonctionnant en bande X. On constate, par cette figure, l'adéquation entre les différents résultats qui permet d'en déduire que le dispositif est bien adapté sur une large bande de fréquence (c'est-à-dire un niveau d'adaptation inférieur à -lOdB sur une bande supérieure à [8-12GHz]) et que les pertes d'insertion pour la structure globale n'excèdent pas 2,5dB à la fréquence centrale de 10GHz et 4dB à la fréquence la plus élevée de 12GHz.

Ces résultats ramenés à une simple transition conduisent à un niveau d'adaptation bien inférieur à -lOdB sur toute la bande X et à des pertes d'insertion à 10GHz bien inférieures à ldB pour une transition élémentaire.