EP0651458B1 - Procédé de réalisation d'une antenne plane - Google Patents

Procédé de réalisation d'une antenne plane Download PDF

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EP0651458B1
EP0651458B1 EP94402408A EP94402408A EP0651458B1 EP 0651458 B1 EP0651458 B1 EP 0651458B1 EP 94402408 A EP94402408 A EP 94402408A EP 94402408 A EP94402408 A EP 94402408A EP 0651458 B1 EP0651458 B1 EP 0651458B1
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foam
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conductive
organic
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EP94402408A
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Loic Demeure
Yvonne Garnier
Anne-Claude Tarot
Ala Sharaiha
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Orange SA
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France Telecom SA
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    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01QANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q9/00Electrically-short antennas having dimensions not more than twice the operating wavelength and consisting of conductive active radiating elements
    • H01Q9/04Resonant antennas
    • H01Q9/0407Substantially flat resonant element parallel to ground plane, e.g. patch antenna
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01QANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q1/00Details of, or arrangements associated with, antennas
    • H01Q1/36Structural form of radiating elements, e.g. cone, spiral, umbrella; Particular materials used therewith
    • H01Q1/38Structural form of radiating elements, e.g. cone, spiral, umbrella; Particular materials used therewith formed by a conductive layer on an insulating support

Definitions

  • the foam in some cases it is interesting, as illustrated in Figure 3, to give the foam a particular shape, before depositing selective conductive parts 11.
  • the shaping of the foam can be obtained by cold or hot pressing thereof in a suitable mold, or by mechanical machining.

Landscapes

  • Details Of Aerials (AREA)
  • Waveguide Aerials (AREA)

Description

Domaine technique
La présente invention concerne le procédé de réalisation d'une antenne plane.
Etat de la technique
L'invention se situe dans le cadre du grand marché des Télécommunications. On assiste, en effet, depuis quelques années au décollement sans précédent d'un nouveau service des Télécommunications, celui des liaisons avec des terminaux mobiles appelés couramment "mobiles". Ces liaisons sont à considérer tant pour les liaisons systèmes fixes à mobiles que pour les liaisons entre mobiles.
De telles liaisons sont rendues possibles grâce aux énormes progrès faits dans le domaine de l'électronique, en particulier celui des composants intégrés (M.M.I.C.), et celui des sources d'énergie (piles-batteries).
Dans un équipement de liaison, l'antenne est le sous-ensemble extérieur le plus visible et souvent le plus encombrant. Elle doit avoir des performances toujours meilleures, pour une discrétion toujours plus grande, et un coût toujours plus bas.
Après un travail de recherche intensif mené chez les universitaires comme chez les industriels des pays les plus développés, il est apparu que les antennes dites "imprimées" ou "planes" représentaient la meilleure solution possible.
Les performances d'une antenne dépendent de la technologie choisie. La réalisation d'antennes planes implique l'utilisation de supports présentant de faibles pertes, et une constante diélectrique la plus faible possible. Ces supports peuvent être réalisés en matériaux organiques présentant de telles caractéristiques. Des matériaux organiques particulièrement avantageux sont ceux se présentant sous forme expansée ou "mousses". La constante diélectrique de ces dernières est très proche de celle de l'air et leurs faibles pertes permettent une amélioration sensible des performances des antennes, particulièrement pour des fréquences situées autour du GHz, ou de quelques GHz. Pour d'autres domaines de fréquences, l'utilisation de supports organiques non expansés est aussi possible.
Jusqu'à présent les différentes mousses disponibles sont utilisées comme interface entre plusieurs plans conducteurs et maintenues mécaniquement pour servir :
  • de diélectrique ;
  • de radôme ;
  • de rigidificateur.
Mais de telles réalisations impliquent un certain nombre de contraintes, du fait des constituants qu'il faut assembler avec précision, et qui ne permettent pas nécessairement une grande facilité d'intégration.
Aussi, actuellement, les concepteurs d'antennes souhaitent disposer d'une technologie dans laquelle les plans conducteurs seraient directement associés à la mousse, et déposés sélectivement.
L'invention a pour objet de résoudre un tel problème.
On va analyser ci-dessous différents documents de l'art antérieur.
WO 93/09577 décrit différents types d'antennes terrestres capables d'émettre et de recevoir des signaux radios directement vers ou en provenance de satellites à orbite terrestre basse et notamment une antenne formée d'éléments comportant chacun des couches conductrices disposées de part et d'autre d'une couche de mousse.
US-A-4937585 décrit une antenne qui comprend un substrat en mousse de polyéthylène, un plan de masse sur une face du substrat et des éléments rayonnants déposés sur une couche plastique, qui peut être en polypropylène, et qui adhère à la surface du substrat. Le dépôt des éléments rayonnants se fait sur la couche plastique par une méthode de sérigraphie, la couche étant ensuite rapportée sur le substrat de mousse.
Exposé de l'invention
L'invention concerne un procédé de réalisation d'une antenne dite plane, selon la revendication 1.
Dans certains exemples de réalisation, le support peut être préalablement mis en forme.
On peut reporter sur au moins une des faces de l'antenne, une (ou plusieurs) couche(s) de matériaux supports métallisés en intercalant une (ou plusieurs) feuille(s) de matériau organique adhérent La couche de matériau organique adhérent peut être du polypropylène ou un copolymère de polypropylène. La juxtaposition des couches est réalisée par pressage ou calandrage, à chaud.
Avantageusement, la mousse est une mousse d'imide de polyméthacrylate.
L'antenne de l'invention peut comprendre sur au moins une de ses faces une (ou plusieurs) couche(s) de matériaux supports métallisés, en intercalant une (ou plusieurs) feuille(s) de matériau organique adhérent.
L'antenne de l'invention peut comporter des liaisons électriques, entre plans conducteurs, réalisées à l'aide de pâte conductrice, ou par tout autre type de matériau conducteur.
Avantageusement, le radôme est une couche de mousse organique, ou une couche de polypropylène ou en copolymère de polypropylène, ou un vernis protecteur.
Brève description des dessins
  • Les figures 1 à 7 illustrent différentes caractéristiques de l'invention ;
  • les figures 8A et 8B, 9A et 9B illustrent des exemples utiles à la compréhension de l'invention.
Exposé détaillé de modes de réalisation
Le procédé de l'invention concerne la réalisation d'antennes imprimées par dépôt sélectif d'une couche conductrice soit :
  • sur une mousse organique ;
  • sur un polymère non expansé ;
  • sur un stratifié associant mousse et polymère non expansé.
Le procédé de l'invention inclut aussi la réalisation d'antennes à circuits multicouches par association d'éléments ci-dessus définis, de même que la réalisation de liaisons entre couches conductrices situées dans des plans différents. Il permet de réaliser des antennes en y associant directement un radôme de protection ou tout autre élément, comme un polariseur, sous une forme homogène.
Selon l'invention, la technique utilisée pour réaliser ces antennes consiste en un dépôt sur un matériau support de produits métalliques, définissant directement la géométrie des parties conductrices des circuits. Ce dépôt est suivi généralement d'une opération de transformation de ces produits métalliques ayant pour objet de les rendre adhérents aux matériaux supports et bons conducteurs. Il peut se faire par sérigraphie, tamponnage, pistolettage, ou par tout autre mode de dépôt. Un traitement ayant pour objet de donner au dépôt toute sa conductibilité, par exemple un traitement thermique, un exposition à différents rayonnements : infrarouge, ultraviolet..., peut également être réalisé.
Dans la description qui suit, le dépôt sera réalisé, à titre d'exemple, par sérigraphie suivi d'un traitement thermique.
Réalisation d'antennes sur mousse organique
Dans un exemple déjà connu dans l'état de la technique, illustré à la figure 1, pour une utilisation dans le domaine radiofréquence, le choix de la mousse comme matériau support 10 est d'abord dicté par la recherche de caractéristiques électriques intéressantes : une faible constante diélectrique, voisine de 1, et de faibles pertes, inférieures à 10-3. La mousse doit être une mousse rigide pouvant supporter des températures au moins égales à celles de cuisson des pâtes comprises entre 120°C et 200°C.
Dans certains cas il est intéressant, comme illustré à la figure 3, de donner à la mousse une forme particulière, avant de procéder au dépôt sélectif des parties conductrices 11. La mise en forme de la mousse peut être obtenue par pressage à froid ou à chaud de celle-ci dans un moule approprié, ou par usinage mécanique.
La pâte conductrice 11 à sérigraphier est constituée d'éléments métalliques en suspension dans un véhicule organique. Son choix est fait selon deux critères essentiels :
  • il faut qu'en final le dépôt obtenu possède la meilleure conductibilité possible ;
  • il faut que ses différents constituants soient compatibles avec la nature de la mousse.
D'autres facteurs peuvent intervenir dans le choix de cette pâte conductrice comme par exemple le fait de pouvoir obtenir une bonne définition des circuits réalisés ou une bonne soudabilité, etc....
Dans un exemple de réalisation, les circuits sont réalisés par sérigraphie. Toutefois, s'agissant de circuits destinés à des fréquences élevées, certaines précautions doivent être respectées : obtenir la meilleure définition possible des géométries et une bonne régularité d'épaisseur est nécessaire. Dans le cas de circuits double face, la précision d'alignement des motifs d'une face à l'autre face de la mousse est importante....
De par sa nature même, la surface d'une mousse présente souvent une rugosité relativement importante, ce qui peut nuire à la précision des conducteurs. Comme illustré à la figure 2, l'on procède au dépôt d'une pâte isolante formant une couche uniforme 12 sur une ou deux faces du matériau support 10 en mousse avant le dépôt des produits métalliques 11. Une telle couche 12 a pour effet d'améliorer l'état de surface. La pâte isolante doit être choisie de façon à ne pas perturber, ou perturber le moins possible, les caractéristiques électriques du support. Il peut être intéressant de choisir le véhicule organique constituant la pâte conductrice. Après polymérisation de cette couche isolante, la réalisation de l'antenne s'effectue avec la technique classique de sérigraphie.
Réalisation d'antennes sur stratifiés mousse - polymère thermoplastique non expansé
Si compte tenu des performances requises par l'antenne l'état de surface de la mousse est pénalisante, et si les constantes diélectriques des matériaux non expansés sont trop élevées, un compromis est trouvé en effectuant un dépôt métallique 11 sur un stratifié constitué d'une mousse 10 recouverte sur une ou deux faces d'un polymère thermoplastique non expansé 17, comme représenté sur la figure 4. Ce stratifié peut être réalisé par exemple par une opération de pressage à chaud.
Le choix de la mousse se fait en fonction des critères définis précédemment. S'y ajoute une obligation, celle de pouvoir supporter des pressions de quelques bars à une température égale ou supérieure à 120°C.
Le matériau thermoplastique est encore choisi en fonction de sa faible constante diélectrique et de ses faibles pertes. De plus sa température de ramollissement doit être inférieure à la température de déformation sous charge de la mousse.
Le choix de la pâte conductrice se fait selon les deux critères définis plus haut.
Réalisation d'antennes comportant plusieurs niveaux diélectriques de même constante diélectrique ou de constantes diélectriques différentes
A partir de circuits réalisés selon les variantes du procédé de l'invention définies ci-dessus, il est possible, comme illustré à la figure 5, de réaliser des circuits multicouches en particulier par pressage à chaud.
La liaison entre les différents circuits se fait par l'intermédiaire d'un film thermoplastique de fine épaisseur 13, choisi selon les critères de choix du matériau support, tels que définis ci-dessus. De plus, sa température de ramollissement doit être inférieure à celle des matériaux support précédemment définis. Son cycle de mise en oeuvre comprend une juxtaposition température-pression.
Comme illustré à la figure 6, il est possible de réaliser des liaisons conductrices 15 entre les différents niveaux conducteurs 11. Ces liaisons peuvent être réalisées de différentes façons connues de l'homme de l'art, par exemple par métallisation à l'aide de pâtes conductrices, ou par inserts métalliques.
Dans bon nombre de cas, les antennes imprimées nécessitent une protection vis-à-vis de l'environnement par un radôme 16. Celui-ci peut être réalisé à l'aide d'une couche de matériau organique expansé ou non. La fixation d'un tel radôme sur l'antenne qui vient d'être décrite peut être réalisée, comme illustré à la figure 7, en utilisant la technique de réalisation d'antenne comportant plusieurs niveaux diélectriques. décrite précédemment.
Dans un exemple utile à la compréhension de l'invention, une antenne se présente comme un circuit imprimé double face, comme illustré sur les figures 8A et 8B.
Le matériau support 20 est en mousse d'imide de polyméthacrylate, de masse volumique 51 Kg/m3, possédant les caractéristiques suivantes fournies par le fabricant.
Constante diélectrique à 2.8 GHz et 20°C εr2 = 1.07
Tangente de l'angle de pertes tgδ2 = 8.10-4
Epaisseur h2 = 3 mm
Les dépôts métalliques 21 et 22 sont réalisés par sérigraphie d'une pâte composée d'un liant organique à base d'éthylcellulose chargée à l'argent comme décrit précédemment. On a les caractéristiques suivantes :
Conductivité σ1 = σ3 = 50 mΩ/□
Epaisseur moyenne h1 = h3 = 40 µm
Dimensions du plan de masse L1 = W1 = 160 mm
Dimensions de l'élément rayonnant L3 = W3 = 64 mm
Cette antenne est alimentée par une sonde coaxiale 23 localisée sur la médiane de l'élément rayonnant 21 à une distance de 10,25 mm du centre.
Cette antenne émet dans la bande L autour de 2 GHz. Les caractéristiques radioélectriques de celle-ci ont été mesurées et sont rassemblées dans le tableau suivant :
Fréquence de résonance 1,975 GHz
Bande passante à R.O.S. < 1,5 2,2 %
Gain 7,5 dB
Ces résultats, ainsi que les diagrammes de rayonnement, sont tout à fait comparables à ceux obtenus avec des prototypes de laboratoire réalisés à l'aide de film de cuivre collé.
Dans un autre exemple utile à la compréhension de l'invention une antenne à deux éléments rayonnants couplés est réalisée sur un stratifié associant mousse et polymère non expansé. L'antenne se présente comme une antenne bicouche réalisée comme illustré sur les figures 9A et 9B.
Le dépôt métallique 31 constituant l'élément rayonnant supérieur est réalisée par sérigraphie d'une pâte composée d'un liant organique à base d'éthylcellulose chargé à l'argent comme décrit précédemment :
  • Epaisseur h4 = 40 µm environ
  • Conductivité = 50 mΩ/□
  • L4 = W4 = 74 mm
  • Le matériau support 30 est une mousse d'imide de polyméthacrylate de masse volumique 51 Kg/m3 possédant les caractéristiques suivantes :
  • εr5 = 1.07
  • tgδ5 = 8.10-4
  • h5= 10mm
  • La couche 32 est une couche de polymère non expansé très mince d'épaisseur h6 = 20 µm et de dimensions 200 x 200 mm.
    La couche 33 est une couche de polypropylène dont les caractéristiques sont les suivantes :
  • εr7 = 2,2
  • Tfδ7 = 10-4
  • h7= 1,6 mm
  • L7 = W7 = 200 mm
  • Les dépôts métalliques 34 et 35 constituant respectivement le deuxième élément rayonnant et le plan de masse sont réalisés à l'aide d'un feuillard de cuivre d'épaisseur 20 µm. Leurs dimensions respectives sont les suivantes :
  • L8 = W8 = 64 mm
  • L9 = W9 = 200 mm
  • L'antenne est alimentée sur la diagonale par une sonde 36, au niveau du conducteur inférieur 34, à une distance de 41 mm du centre.
    Cette antenne émet dans la bande L autour de 1,5 GHz. Ses caractéristiques ont été mesurées et rassemblées dans le tableau suivant :
    Fréquence de résonance 1,490 - 1,640 GHz
    Bande passante à R.O.S. < 1,5 11,5 %
    Gain 9,52 dB
    Ouverture à 3dB plans E et H 60°
    Ce type d'antenne peut être entièrement réalisé avec tous les niveaux conducteurs obtenus à l'aide de pâte à l'argent sérigraphiée.

    Claims (10)

    1. Procédé de réalisation d'une antenne dite plane, fonctionnant à une fréquence de quelques GHz, et comprenant au moins une couche de circuit, dans lequel, pour chaque couche de circuit, on réalise une métallisation par dépôt direct d'une couche de matériau conducteur (11) sur tout ou partie d'au moins une surface d'un support en matériau organique, définissant les parties conductrices de ce circuit caractérisé en ce que le support est formé avant ledit dépôt direct d'un stratifié constitué d'une couche de mousse (10) recouverte sur au moins l'une de ses deux faces d'une couche en matériau organique non expansé (17), le dépôt de la couche de matériau conducteur ayant lieu sur la couche de matériau organique non expansé et en ce que le matériau organique présente une constante diélectrique inférieure à 2,5, et des pertes inférieures à 10-3.
    2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel le matériau conducteur est composé d'une pâte conductrice à liant organique à base d'éthylcellulose chargée d'argent.
    3. Procédé selon l'une des revendications 1 ou 2, dans lequel on réalise une opération de transformation de la couche de matériau conducteur (11) permettant de la rendre adhérente au support et bonne conductrice.
    4. Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, dans lequel le support en matériau organique est préalablement mis en forme avant de procéder au dépôt sélectif de la couche de matériau conducteur (11).
    5. Procédé selon l'une des revendications 1 à 4, dans lequel on reporte sur au moins une des faces de l'antenne une (ou plusieurs) couche (s) de matériaux supports métallisés (11), en intercalant une (ou plusieurs) feuille(s) de matériau organique adhérent (13).
    6. Procédé selon la revendication 5, dans lequel chaque couche de matériau organique adhérent est du polypropylène ou un copolymère de polypropylène.
    7. Procédé selon l'une quelconque des revendications 5 ou 6, dans lequel la juxtaposition des couches est réalisée par pressage ou calandrage, à chaud.
    8. Procédé selon l'une des revendications 5 à 7, dans lequel on réalise des liaisons électriques (15), entre plans conducteurs (11), à l'aide d'une pâte conductrice composée d'un liant organique à base d'éthylcellulose chargée d'argent.
    9. Procédé selon l'une des revendications 1 à 8, dans lequel on dépose un radôme (16), formé d'une couche de mousse organique, de polypropylène, de copolymère de polypropylène, ou de vernis protecteur, adhérant à l'une des faces extérieures de l'antenne.
    10. Procédé selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisée en ce que la mousse est une mousse d'imide de polyméthacrylate.
    EP94402408A 1993-10-28 1994-10-26 Procédé de réalisation d'une antenne plane Expired - Lifetime EP0651458B1 (fr)

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    FR9312872A FR2711845B1 (fr) 1993-10-28 1993-10-28 Antenne plane et procédé de réalisation d'une telle antenne.
    FR9312872 1993-10-28

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    EP0651458A1 EP0651458A1 (fr) 1995-05-03
    EP0651458B1 true EP0651458B1 (fr) 2003-01-02

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    EP94402408A Expired - Lifetime EP0651458B1 (fr) 1993-10-28 1994-10-26 Procédé de réalisation d'une antenne plane

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    EP (1) EP0651458B1 (fr)
    JP (1) JPH07183722A (fr)
    DE (1) DE69431942T2 (fr)
    FR (1) FR2711845B1 (fr)

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