EP1579528A1 - Transition entre un guide d onde rectangulaire et une ligne microruban - Google Patents

Transition entre un guide d onde rectangulaire et une ligne microruban

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EP1579528A1 EP03810852A EP03810852A EP1579528A1 EP 1579528 A1 EP1579528 A1 EP 1579528A1 EP 03810852 A EP03810852 A EP 03810852A EP 03810852 A EP03810852 A EP 03810852A EP 1579528 A1 EP1579528 A1 EP 1579528A1
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waveguide
transition
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    • H01P5/10—Coupling devices of the waveguide type for linking dissimilar lines or devices for coupling balanced lines or devices with unbalanced lines or devices
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    • H01P5/08—Coupling devices of the waveguide type for linking dissimilar lines or devices
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
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    • Y10T29/49—Method of mechanical manufacture
    • Y10T29/49002—Electrical device making
    • Y10T29/49016—Antenna or wave energy "plumbing" making

Definitions

  • the invention relates to a transition between a rectangular waveguide and a microstrip line.
  • Waveguide structures are often well suited for performing passive functions with low losses and high performance (antenna source such as corrugated horns, polarizers, filters, diplexers) more particularly at very high frequencies (centimeter bands and millimeter).
  • Planar structures are very well suited for the low-cost, high-volume production of devices integrating passive and active functions using the methods of manufacturing conventional printed circuits at frequencies up to millimeter bands.
  • the antenna source, the filter and the polarizer if necessary are produced in waveguide technology while the rest of the signal processing functions (weak amplification noise, mixing and intermediate filtering) are carried out using conventional printed circuit technology.
  • European patent n ° 0350324 describes a transition between a waveguide structure and a microstrip transmission line according to which a conductive line is supported inside the waveguide perpendicular to its axis and the microstrip transmission line extends transversely through the wall of the waveguide in a position producing energy coupling between the microstrip transmission line and the conductive line.
  • the substrate is slid under the ribbed part waveguide to ensure good mechanical stability and easy assembly.
  • a guided structure is produced on a microwave substrate.
  • the rectangular waveguide is produced by a double-sided metallization of the microwave substrate associated with metallized holes to produce the lateral faces of the rectangular waveguide.
  • the object of the invention is to provide a transition between a rectangular waveguide and a microstrip line which can be manufactured at low cost without assembling several parts.
  • the transition is characterized in that it consists of a rectangular rib waveguide produced in a bar of synthetic material, the metallized base of which under the rib extends in the form of a plate of synthetic material constituting a substrate for the microstrip line, the rib having a bottom extending between the upper plane of the rib waveguide and the upper plane of the substrate and the microstrip line being disposed on the upper plane of the substrate in the extension of the bottom of the rib.
  • the bottom of the rib has a linear profile.
  • the foam plate constituting the substrate has a thickness which varies in a longitudinal direction to modify the width of the microstrip line while maintaining its almost constant characteristic impedance.
  • the synthetic material is a dielectric foam having electrical characteristics close to those of air, and
  • the foam is a polymetacrylate imide foam.
  • Figure 1 shows a block diagram of a transition according to the invention between a rectangular waveguide and a microstrip line.
  • FIG. 1 a transition between a rectangular waveguide and a microstrip line is formed by a rectangular rib waveguide G produced in a foam bar of synthetic material which also serves as a substrate for the microstrip line.
  • the bar of foam made of synthetic material for example a polymetacrylate imide foam known for its electrical characteristics close to those of air, for its mechanical characteristics of rigidity and lightness and for its low cost price, extends in a longitudinal direction A between two ends 1, 2 between which is formed a shoulder 3 which extends perpendicular to the longitudinal direction A.
  • This shoulder 3 defines an upper plane 4 of the rib waveguide and an upper plane 5 of the substrate.
  • the upper plane 5 of the substrate is offset perpendicular to the longitudinal direction of the bar of a height H relative to the upper plane 4 of the rib waveguide, the height H corresponding to the height of the rib of the rib waveguide.
  • the bottom of the rib 6 of the waveguide G extends between the upper plane 4 of the waveguide and the upper plane 5 of the substrate through
  • the metallized base 8 of the rib waveguide which extends under the rib 6 therefore extends in the form of a foam plate constituting the substrate for the microstrip line.
  • This metallized base therefore serves as a ground plane for the microstrip line 7.
  • the lateral faces 9 and 10 of the foam bar defining the rectangular rib waveguide are also metallized up to the limit of the shoulder 3 although the metallization of the lateral flanks of the plate constituting the substrate of the microstrip line may not not degrade the electrical behavior of the microstrip line.
  • the bottom of the rib 6, at the junction with the microstrip line 7, is at a distance E from the ground plane of the microstrip line, this distance E corresponding to the thickness of the substrate at the junction with the rib waveguide.
  • the bottom of the rib 6 has a linear profile which allows it to be produced simply by machining, stamping, hot pressing or by cutting the foam bar.
  • the rib 6 is centered in the width of the foam bar and its dimensions can be adjusted according to the desired working frequency range by ensuring an adequate gradual passage from the quasi-TEM propagation mode of the microstrip line to the fundamental mode of the guide. Such a progressive passage takes place according to a given profile, linear, exponential or other.
  • the minimum length of the profile obtained to ensure correct adaptation over the entire operating range must be of the order of a fraction of the wavelength (for example a quarter of the wavelength) corresponding to the lowest frequency.
  • the microstrip line 7 may have a width identical to that of the rib or greater, but it is well known that the width of a microstrip line depends on the thickness of the substrate on which it is arranged as well as its permittivity. Thus, it is possible to adjust the height of the substrate in the junction plane so as to obtain an identical width, or as close as possible to that of the rib. Then to return to the most suitable substrate thickness, for the microstrip line 7, it suffices to gradually vary the thickness of the foam plate constituting the substrate in the longitudinal direction A.
  • This variation in thickness is done at quasi-constant characteristic impedance by simultaneously modifying the width of the microstrip line which avoids passing through quarter-wave impedance transformers with discontinuous variation in line width which are the cause of performance degradations ( losses, reduction in bandwidth).
  • the impedance adaptation of the microstrip line is illustrated by a continuous linear decrease (shown in broken lines by 11) in the thickness of the substrate in direction A and by a continuous linear decrease (shown in straight lines). interrupted by 12) of the width of the microstrip line over a certain length L of the microstrip line.
  • FIGS. 2 to 4 illustrate a method of manufacturing the transition according to the invention in foam technology.
  • a foam bar 20 is previously put in a rectangular shape in cross section with dimensions which correspond to the internal dimensions of a rectangular waveguide for operation a priori mono modal in the desired frequency range.
  • the foam bar is worked by machining, thermoforming, stamping or the like to form the rib 6.
  • the operation of delimiting the rib 6 in the section of the waveguide G can be extended at the section of the microstrip line 7.
  • Complete metallization of the foam block 20 can then be performed, the metallization of the rib and the formation of the microstrip line being carried out simultaneously.
  • a non-directive metallization may be used by projection or with a brush.
  • the foam block is cut transversely at the end of the rib 6 to form the plate-shaped substrate 5 of the microstrip line.
  • the transition according to the invention is therefore carried out in one piece using a material of low permittivity, generating low losses and having good mechanical strength which contributes to obtaining a microstrip line whose dimensions are in accordance with those in the waveguide section. Furthermore, the realization of the transition according to the invention makes it possible to obtain electrical and physical continuity between the waveguide and the microstrip line without recourse to impedance transformers of the discontinuous change in line width type.

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Abstract

La transition entre un guide d'onde rectangulaire et une ligne microruban consiste en un guide d'onde rectangulaire nervuré réalisé dans un barreau en matière synthétique dont la base métallisée sous la nervure se prolonge sous la forme d'une plaque en matiére synthétique constituant un substrat pour la ligne microruban, la nervure ayant un fond s'étendant entre le plan supérieur du guide d'onde nervuré et le plan supérieur du substrat et la ligne microruban étant disposée sur le plan supérieur du substrat dans le prolongement du fond de la nervure.

Description

TRANSITION ENTRE UN GUIDE D'ONDE RECTANGULAIRE ET UNE
LIGNE MICRORUBAN
L'invention concerne une transition entre un guide d'onde rectangulaire et une ligne microruban. Les structures en guide d'onde sont souvent bien adaptées pour la réalisation de fonctions passives à faibles pertes et à hautes performances (source d'antenne tels que cornets corrugués, polariseurs, filtres, diplexeurs) plus particulièrement aux très hautes fréquences (bandes centimétriques et millimétriques). Les structures planaires sont de leur côté très bien adaptées pour la production à bas coût et en grand volume de dispositifs intégrant des fonctions passives et actives utilisant les procédés de fabrication de circuits imprimés classiques à des fréquences pouvant aller jusqu'aux bandes millimétriques. Par exemple, dans une tête de réception satellite, assez souvent la source d'antenne, le filtre et le polariseur s'il y a lieu sont réalisés en technologie guide d'onde alors que le reste des fonctions de traitement du signal (amplification faible bruit, mélange et filtrages intermédiaires) sont réalisées en technologie circuit imprimé classique. Le brevet européen n°0350324 décrit une transition entre une structure guide d'onde et une ligne de transmission microruban selon laquelle une ligne conductrice est supportée à l'intérieur du guide d'onde de façon perpendiculaire à son axe et la ligne de transmission microruban s'étend transversalement à travers la paroi du guide d'onde dans une position produisant un couplage d'énergie entre la ligne de transmission microruban et la ligne conductrice.
Le document IEEE - 1995 - CESLT - page 1502 - « An improved approach to implement a microstrip to waveguide transition » - G. Zarba, G. Bertin, L. Accatino, P. Besso- décrit une transition entre un guide d'onde nervure et une ligne microruban disposée sur un substrat. Dans la réalisation décrite, le substrat est glissé sous la partie nervurée du guide d'onde pour lui assurer une bonne stabilité mécanique et un assemblage aisé.
Le document lEEEProceedings of APMC 2001 , Taipei, Taiwan, ROC - page 543 - « A broadband Microstrip to Waveguide Transition using Planar Technique »- décrit une transition en bande Ka (26-40 GHz) qui est obtenue en insérant le substrat micro-onde, sur lequel est gravée une ligne microruban effilée, dans un guide d'onde rectangulaire partiellement rempli d'un diélectrique pour assurer une transition sans contact avec le conducteur chaud de la ligne microruban. Le document IEEE MICROWAVE AND WIRELESS
COMPONENTS LETTERS, Vol 11 , N°2, Février 2001 - page 68 - « Integrated Microstrip and Rectangular Waveguide in Planar Form » - Dominique Deslandes et Ke Wu - Cheg -Jung Lee, Hsien-Shun Wu & Ching-Kuang C. Tzuang - présente une version planaire d'une transition en bande ka (25-31 GHz). Une structure guidée est réalisée sur un substrat micro-onde. Le guide d'onde rectangulaire est réalisé par une métallisation double face du substrat micro-onde associée à des trous métallisés pour réaliser les faces latérales du guide d'onde rectangulaire.
Ces réalisations d'une transition entre une structure en guide d'onde et une structure planaire s'avèrent relativement complexes à réaliser et requièrent des assemblages de plusieurs pièces qui doivent être d'autant plus précis que les fréquences de travail sont élevées. Par ailleurs, elles requièrent des substrats micro-onde de bonne qualité pour éviter les pertes diélectriques mais dont le coût est élevé. Le but de l'invention est de proposer une transition entre un guide d'onde rectangulaire et une ligne microruban qui peut être fabriquée à faible coût sans assemblage de plusieurs pièces.
Selon l'invention, la transition est caractérisée en ce qu'elle consiste en un guide d'onde rectangulaire nervure réalisé dans un barreau en matière synthétique dont la base métallisée sous la nervure se prolonge sous la forme d'une plaque en matière synthétique constituant un substrat pour la ligne microruban, la nervure ayant un fond s'étendant entre le plan supérieur du guide d'onde nervure et le plan supérieur du substrat et la ligne microruban étant disposée sur le plan supérieur du substrat dans le prolongement du fond de la nervure. Selon des particularités de la transition selon l'invention : - le fond de la nervure a un profil linéaire.
- la plaque en mousse constituant le substrat a une épaisseur qui varie selon une direction longitudinale pour modifier la largeur de la ligne microruban en maitenant son impédance caractéristique quasiment constante. - la matiière synthétique est une mousse diélectrique présentant des caractéristiques électriques proches de celles de l'air, et
- la mousse est une mousse d'imide de polymetacrylate. D'autres caractéristiques et avantages de la transition selon l'invention apparaîtront encore mieux à la lecture de la description qui suit illustrée par les dessins.
La figure 1 montre un schéma de principe d'une transition selon l'invention entre un guide d'onde rectangulaire et une ligne microruban.
Les figures 2 à 4 illustrent le processus de fabrication d'une transition selon l'invention. Sur la figure 1 , une transition entre un guide d'onde rectangulaire et une ligne microruban est constituée par un guide d'onde rectangulaire nervure G réalisé dans un barreau de mousse en matière synthétique qui sert également de substrat pour la ligne microruban.
Comme visible sur la figure 1 , le barreau de mousse en matière synthétique, par exemple une mousse d'imide de polymetacrylate connu pour ses caractéristiques électriques proches de celles de l'air, pour ses caractéristiques mécaniques de rigidité et de légèreté et pour son faible coût de revient, s'étend selon une direction longitudinale A entre deux extrémités 1 ,2 entre lesquelles est formé un épaulement 3 qui s'étend perpendiculairement à la direction longitudinale A. Cet épaulement 3 définit un plan supérieur 4 du guide d'onde nervure et un plan supérieur 5 du substrat. Le plan supérieur 5 du substrat est décalé perpendiculairement à la direction longitudinale du barreau d'une hauteur H par rapport au plan supérieur 4 du guide d'onde nervure, la hauteur H correspondant à la hauteur de la nervure du guide d'onde nervure.
Le fond de la nervure 6 du guide d'onde G s'étend entre le plan supérieur 4 du guide d'onde et le plan supérieur 5 du substrat à travers
Pépaulement 3. Le fond et les parois latérales de la nervure 6 sont métallisés, la métallisation du fond de la nervure 6 se poursuivant sur le plan supérieur 5 du substrat pour constituer la ligne microruban 7.
La base métallisée 8 du guide d'onde nervure qui s'étend sous la nervure 6 se prolonge donc sous la forme d'une plaque en mousse constituant le substrat pour la ligne microruban. Cette base métallisée sert donc de plan de masse pour la ligne microruban 7.
Les faces latérales 9 et 10 du barreau de mousse définissant le guide d'onde rectangulaire nervure sont également métallisées jusqu'à la limite de l'épaulement 3 bien que la métallisation des flancs latéraux de la plaque constituant le substrat de la ligne microruban puisse ne pas dégrader le comportement électrique de la ligne microruban.
Comme visible sur la figure 1 , le fond de la nervure 6, à la jonction avec la ligne microruban 7, est à une distance E du plan de masse de la ligne microruban, cette distance E correspondant à l'épaisseur du substrat à la jonction avec le guide d'onde nervure.
Sur la figure 1 , le fond de la nervure 6 a un profil linéaire ce qui permet de la réaliser simplement par usinage, emboutissage, pressage à chaud ou par découpe du barreau de mousse. La nervure 6 est centrée dans la largeur du barreau de mousse et ses dimensions peuvent être ajustées en fonction de la plage de fréquence de travail souhaitée en assurant un passage progressif adéquat du mode de propagation quasi-TEM de la ligne microruban vers le mode fondamental du guide. Un tel passage progressif, se fait selon un profil donné, linéaire, exponentiel ou autre. Et en règle générale, la longueur minimale du profil obtenu pour assurer une adaptation correcte sur toute la plage de fonctionnement doit être de l'ordre d'une fraction de la longueur d'onde (par exemple un quart de la longueur d'onde) correspondant à la fréquence la plus basse.
A la jonction du fond de la nervure 6, la ligne microruban 7 peut avoir une largeur identique à celle de la nervure ou plus grande mais on sait bien que la largeur d'une ligne microruban dépend de l'épaisseur du substrat sur lequel elle est disposée ainsi que de sa permittivité. Ainsi, il est possible d'ajuster la hauteur du substrat dans le plan de jonction de manière à obtenir une largeur identique, ou la plus proche possible de celle de la nervure. Ensuite pour revenir à l'épaisseur de substrat la plus adaptée, pour la ligne microruban 7, il suffit de faire varier progressivement l'épaisseur de la plaque en mousse constituant le substrat selon la direction longitudinale A. Cette variation d'épaisseur se fait à impédance caractéristique quasi-constante en modifiant simultanément la largeur de la ligne microruban ce qui évite de passer par des transformateurs d'impédance de type quart-d'onde à variation discontinue de largeur de lignes qui sont à l'origine de dégradations de performances (pertes, réduction de la largeur de bande). Sur la figure 1 , l'adaptation d'impédance de la ligne microruban est illustrée par une diminution continue linéaire (représentée en trait interrompu par 11 ) de l'épaisseur du substrat selon la direction A et par une diminution continue linéaire (représentée en trait interrompu par 12) de la largeur de la ligne microruban sur une certaine longueur L de la ligne microruban.
Les figure 2 à 4 illustrent un mode de fabrication de la transition selon l'invention en technologie mousse. Un barreau de mousse 20 est préalablement mis sous une forme rectangulaire en section transversale avec des dimensions qui correspondent aux dimensions intérieures d'un guide d'onde rectangulaire pour un fonctionnement a priori mono modal dans la plage de fréquence souhaitée. Ensuite, le barreau de mousse est travaillé par usinage, thermoformage, emboutissage ou autre pour former la nervure 6. L'opération de délimitation de la nervure 6 dans la section du guide d'onde G peut être prolongée au niveau de la section de la ligne microruban 7. Une métallisation complète du bloc de mousse 20 peut ensuite être effectuée, la métallisation de la nervure et la formation de la ligne microruban se faisant de façon simultanée. On pourra utiliser une métallisation non directive par projection ou au pinceau. Ensuite, le bloc de mousse est découpé transversalement à l'extrémité de la nervure 6 pour former le substrat 5 en forme de plaque de la ligne microruban.
La transition selon l'invention est donc réalisée en une seule pièce en utilisant un matériau de faible permittivité, engendrant de faibles pertes et ayant une bonne tenue mécanique ce qui contribue à l'obtention d'une ligne microruban dont les dimensions sont en accord avec celles de la section guide d'onde. Par ailleurs, la réalisation de la transition selon l'invention permet d'obtenir une continuité électrique et physique entre le guide d'onde et la ligne microruban sans recours à des transformateurs d'impédance de type changement discontinu de largeur de lignes.

Claims

REVENDICATIONS
1/ Une transition entre un guide d'onde rectangulaire et une ligne microruban, caractérisée en ce qu'elle consiste en un guide d'onde rectangulaire nervure (G) réalisé dans un barreau (20) en matière synthétique dont la base métallisée (8) sous la nervure (6) se prolonge sous la forme d'une plaque en matière synthétique constituant un substrat pour la ligne microruban, la nervure ayant un fond s'étendant entre le plan supérieur (4) du guide d'onde nervure et le plan supérieur (5) du substrat et la ligne microruban (7) étant disposée sur le plan supérieur du substrat dans le prolongement du fond de la nervure.
2/ La transition selon la revendication 1 , dans laquelle le fond de la nervure (6) a un profil linéaire.
3/ La transition selon la revendication 1 ou 2, dans laquelle la plaque en mousse constituant le substrat a une épaisseur qui varie selon une direction longitudinale (A) pour modifier la largeur de la ligne microruban (7) en maitenant son impédance caractéristique quasiment constante.
4/ La transition selon l'une des revendications 1 à 3, dans laquelle le matériau synthétique est une mousse diélectrique, par exemple une mousse d'imide de polymetacrylate.
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