FR2841389A1 - Cellule dephaseuse pour reseau reflecteur d'antenne - Google Patents

Abstract

L'invention concerne les cellules déphaseuses constituant les réseaux réflecteurs passifs d'antennes à direction d'émission reconfigurable émettant dans le domaine des hyperfréquencesPlus particulièrement, elle décrit, dans le cadre des cellules déphaseuses de type à brins (7) de dipôles à répartition angulaire en étoile, un nouveau type de commutateur constitué d'un micro-dispositif électromécanique comprenant essentiellement une micro-membrane (11) suspendue qui, sous l'action d'une force électrostatique provoquée par une tension de commande, se déforme de façon suffisante pour assurer la liaison électrique entre les brins (7) permettant de former un dipôle dans l'orientation souhaitée. Dans un mode particulier de réalisation, la micro-membrane (11) est assimilable à l'une des armatures d'un condensateur et sa déformation correspond à une augmentation importante de la capacité de ce condensateur, assurant ainsi la liaison électrique. Cette technologie de commutateur présente les avantages d'une plus grande simplicité de réalisation et l'obtention de performances accrues par rapport aux technologies connues. L'invention donne les principales caractéristiques géométriques et technologiques permettant d'obtenir des performances optimisées.

Description

multifrequence est obtenu.

CELLULEDEPHASEUSE POUR RESEAUREFLECTEURD'ANTENNE

Le domaine de ['invention est celui des reseaux reflecteurs passifs composes d'une mosaque de cellules dephaseuses elementaires pour antenne a direction d'emission reconfigurable fonctionnant dans la gamme

des hyperfrequences.

Dans un grand nombre d'applications, il est necessaire de pouvoir orienter le faisceau electromagnetique d'emission d'une antenne dans la direction souhaitee. Les applications possibles vent notamment: Ies telecommunications spatiales: suivi de zone au sol dans le cas d'un satellite defilant, minimisation du rayonnement interferant en cas d'utilisation simultanee de plusieurs signaux, reprogrammation de l'antenne liee a une evolution de trafic et redondance en vol pour pallier des antennes defaillantes; Ies applications embarquees sur aeronefs: communications avion-satellite et applications aux radars; 20. Ies applications sol: communications en ondes millimetriques

et applications aux radars meteo.

Pour realiser cette orientation, il existe trots techniques possibles.

II est possible d'orienter mecaniquement toute l'antenne dans la direction souhaitee. Cette solution necessite des dispositifs de positionnement mecaniques complexes a mettre en ceuvre dans le cas, par exemple, d'applications spatiales. Dans une seconde solution, on realise une antenne cite active composee d'une pluralite de cellules elementaires emettrices. En controlant la phase des differents signaux emis par chaque cellule, on obtient I'emission dans la direction souhaitee. Cependant, cette solution, bien que plus souple que la precedente, presente les inconvenients d'etre chere et de

masse elevee.

La troisieme possibilite technique est illustree en figures 1 et 2, elle consiste a realiser une antenne a partir d'une source emettrice 1 unique portee par un bras 2 qui illumine un reseau reflecteur 3. L'ensemble est commande par un module electronique de commande du signal 5. Le reseau reflecteur est compose d'une mosaque de cellules 4 dephaseuses passives generalement disposees en nid d'abeille qui vont reemettre un faisceau dans la direction souhaitee. Pour controler la direction de reemission, il suffit alors de controler le dephasage introduit par chaque cellule. Cette solution presente, comme l'antenne active, I'avantage de ne pas necessiter de pieces mobiles. Wile n'en a cependant pas les inconvenients: la mise en oeuvre d'une seule source puissante etant plus simple et moins couteuse a realiser

que celle d'une multitude de sources independantes.

II existe plusieurs solutions pour realiser les cellules dephaseuses elementaires. Une premiere solution consiste a faire transiter puis reflechir l'onde de longueur d'onde dans un guide d'onde de iongueur L donnee. Le dephasage introduit est alors proportionnel au rapport L/. On obtient ainsi le dephasage souhaite en adaptant la longueur du guide d'onde. Ce dephasage depend egalement, par principe meme, directement de la longueur d'onde du signal emis et par consequent, ce type de dispositif ne

peut fonctionner que pour des bandes spectrales d'emission etroites.

Pour pallier cet inconvenient, un type de dispositif permet d'obtenir un dephasage dont la valeur est quasi-independante de la longueur d'onde (James P. Mongomery: A Microstrip ReflectArray Antenna Element Antenna Applications Symposium - Sep. 20-22, 1978, pp 1-16, University of

Illinois). Celui-ci est adapte a des ondes emises en polarisation circulaire.

Le schema de principe de ce type de dispositif est decrit en figures 3 et 4. La cel l u le dephas eu se co m p ren d p rinci pa le ment u n su bstrat dielectrique plan 6 d'epaisseur egale a environ le quart de la longueur d'onde centrale d'utilisation sur lequel on depose sur la partie inferieure un plan de masse 10 et, sur la partie superieure un nombre pair de brins de dipoles conducteurs 7 disposes de fa,con reguliere autour d'un disque central 8 egalement conducteur. Des dispositifs de commutation 9 permettent de relier

sur commande deux brins diametralement opposes au disque central.

Lorsque deux brins vent ainsi relies au disque, ils constituent un dipole rayonnant ayant une orientation geometrique donnee, les autres brins non

relies ne rayonnant pas ou tres faiblement.

Le principe de fonctionnement est le suivant: soit une once polarisee circulairement tombant sur une cellule dephaseuse dont deux des brins vent relies pour former un dipole, on demontre que si le vecteur champ electrique representant cette once circulaire forme au niveau de la surface du dipole un angle de dephasage +3 avec la direction audit dipole, alors le champ electrique reemis fera avec la direction du dipole un angle de dephasage -. En fonction des dipoles crees dans chaque cellule dephaseuse, il devient ainsi possible de controler le dephasage apporte et par consequent ['angle de reemission du faisceau. L'avantage majeur de cette disposition est que le dephasage introduit est ainsi quasiindependent

de la longueur d'onde du signal.

Une des principales difficultes technologiques de ce type de cellule dephaseuse est la realisation des dispositifs de commutation. Chaque reseau reflecteur peut comporter plusieurs dizaines de cellules dephaseuses et par consequent plusieurs centaines de dispositifs de commutation. Ils dolvent done etre gables, de taille reduite, typiquement l'encombrement de chaque commutateur ne doit pas exceder quelques centaines de microns, avoir une consommation electrique faible, et ne pas parasiter le

fonctionnement du dipole en hyperfrequence.

Le brevet US 5 835 062 (Flat panel-configured electronically steerable phased array antenna having spatially distribued array of fanned dipole sub-array controlled by triode-configured field emission devices) o propose de realiser les commutateurs a partir de triodes electroniques. Cette solution necessite la realisation et ['implantation pour chaque triode de

commutateur de micro-cathodes coniques et de micro-anodes annulaires.

Ces dispositifs necessitent egalement pour fonctionner une puissance electrique importante compte-tenu du grand nombre de commutateurs par

reseau reflecteur.

L' invention propose, quant a elle, une solution alternative permettant de simplifier la realisation du dispositif et de reduire la puissance electrique dissipee. L'objet de ['invention est de realiser les commutateurs a

partir de micro-dispositifs electro-mecaniques.

Le principe de fonctionnement de ce type de dispositif est decrit de fa, con schematique sur les figures 5 et 6 dans le cas le plus simple de l'utilisation en micro-interrupteur. Une membrane ou une poutre metallique 11 de tres faible epaisseur est maintenue suspendue par des supports 14 au-dessus de surfaces conductrices 12 et 13 isolees entre elles. L'ensemble membrane - surfaces conductrices peut etre soumis a une tension electrique

T. En ['absence de tension appliquee, la membrane est suspendue au-

dessus des surfaces conductrices et il n'y a aucun contact electrique entre celles-ci. Dans ce cas, un courant electrique ne peut passer entre 12 et 13 et on assimile ['ensemble membrane-surfaces conductrices a un interrupteur ouvert. Lorsque l'on soumet ['ensemble membrane-surfaces conductrices a une tension T croissante, la membrane est soumise a une force electrostatique qui la deforme jusqu'a ce que la membrane entre en contact avec les surfaces conductrices pour une tension Tc. Le courant electrique peut alors passer de 12 a 13. L'ensemble membrane-surfaces conductrices

est equivalent a un interrupteur ferme. On realise ainsi un microinterrupteur.

Les principaux avantages de ce type de dispositif vent essentiellement: Ies techniques de realisation qui vent derivees des technologies classiques de fabrication de circuits micro-electroniques en couches minces, qui permettent d'obtenir des coOts de realisation faibles, en comparaison d'autres technologies tout en garantissant une fiabilite elevee; À Les tres faibles puissances electriques consommees, pratiquement nulles; L'encombrement. On realise ainsi un micro- commutateur dans une surface de l'ordre du dixieme de millimetre carre; Les performances en utilisation hyperfrequence. Ce type de commutateur presente des pertes d'insertion tres faibles, de l'ordre du dixieme de deciBel, bien inferieures a celles de dispositifs assurant les

memes fonctions.

Plus precisement, I'invention a pour objet une cellule dephaseuse d'un reseau reflecteur reconfigurable pour antenne fonctionnant dans le domaine des hyperfrequences, ledit reseau comportant une pluralite de cellules dephaseuses, chacune desdites cellules dephaseuses comportant plusieurs brins electriquement conducteurs, caracterise en ce qu'au moins deux desdits brins peuvent etre relies entre eux au moyen d'au moins un dispositif de commutation constitue d'un micro-systeme electromecanique comprenant une membrane flexible commendable electriquement, les brins

ainsi relies constituent un dipole rayonnant.

Dans le cadre des reseaux reflecteurs dont la disposition geometrique des brins est en etoile, ladite cellule dephaseuse comporte deux faces planes et paralleles separees d'une epaisseur representant environ le quart de la longueur d'onde de la frequence d'utilisation, ladite premiere face comportant un reseau en etoile constitue d'un nombre pair de brins electriquement conducteurs tous identiques disposes regulierement autour d'un disque central egalement conducteur, chaque brin pouvant etre electriquement relic au disque central par un dispositif a commutation dependent d'une tension de commande, chaque padre de brins diametralement opposes constituent ainsi, lorsque les deux dispositifs les reliant au disque central vent actives, un dipole resonnant dans le domaine des frequences d'utilisation de l'antenne, la seconde face comprenant un plan de masse; ladite cellule etant caracterisee en ce que le dispositif de commutation est constitue d'un micro-systeme electromecanique comprenant une membrane flexible soutenue par au moins deux piliers places entre ladite membrane et la premiere face de la cellule, ladite membrane etant ainsi placee au-dessus de l'extremite de chaque brin en

regard du disque central et de la partie peripherique audit disque placee vis-

a-vis de cette extremite; ladite membrane, lorsque la tension de commande est appliquee, etant deformee par la force electrostatique resultante de fa,con suffisante pour assurer la liaison electrique entre l'extremite du brin et la

partie peripherique correspondante du disque central.

Avantageusement, le dispositif de commutation est de type condensateur et la liaison electrique correspond a une forte augmentation de sa capacite. Un fonctionnement du micro-commutateur en simple interrupteur avec contact electrique entre la membrane flexible et les pieces du dipole presente ['inconvenient d'avoir une tres faible fiabilite. Dans le domaine des frequences d'utilisation considere, I'utilisation d'un micro- condensateur a faible capacite, typiquement variant du femtoFarad en circuit ouvert au picoFarad en circuit ferme permet d'obtenir un excellent couplage en position fermee et une tres bonne isolation en position ouverte tout en

augmentant de fa,con considerable la fiabilite du dispositif.

Avantageusement, le rapport entre la valeur de la capacite du condensateur en ['absence de tension de commande et la valeur de la capacite lorsque la tension de commande est appliquee est de l'ordre du centieme. Dans ce cas, les armatures du condensateur vent constituees d'une part de la membrane flexible et d'autre part de l'extremite du brin et de la partie peripherique du disque correspondent places sous cette membrane, I'isolement electrique etant assure par une couche de materiau dielectrique recouvrant les brins et le disque. Ce materiau est preferentiellement du nitrure de silice. Les parametres geometriques et mecaniques de la membrane vent dimensionnes de telle sorte que la tension de commande a appliquer pour assurer la commutation est grande devant les tensions parasites possibles. Cette tension de commande vaut typiquement trente volts. La fiabilite du dispositif, le temps de commutation et la tension de commande dependent en partie des caracteristiques geometriques de la membrane. Le meilleur compromis est obtenu lorsque la membrane se presente sous la forme d'un parallelepipede rectangle de faible epaisseur, la largeur du rectangle valant typiquement cent microns, sa longueur trots cents microns et son epaisseur sept cents nanometres. Les materiaux utilises pour la realisation de la membrane vent avantageusement l'Or, I'Aluminium ou des alliages de Tungstene et de Titane disposes en couches. En ['absence de tension de commande, les armatures du condensateur vent separees

d'environ trots microns.

Avantageusement, I'extremite du brin et la partie du disque central en regard places sous la membrane composent un peigne de doigts interdigites, le nombre total de doigts est preferentiellement de cinq. La forme en peignes interdigites des deux surfaces de l'extremite du brin et du disque

central en regard permettent d'optimiser l'effet capacitif.

Les tensions de commande des dispositifs a commutation passent par les brins au moyen de lignes resistives internee et les membranes flexibles vent toutes reliees a la masse electrique au moyen egalement d'autres lignes resistives internee. Le materiau utilise pour realiser les differentes liaisons electriques est preferentiellement de l'or. La valeur de so ['impedance des lignes resistives a la frequence d'utilisation est suffisamment elevee pour isoler ['ensemble des brine, du disque central et des dispositifs

de commutation de l'exterieur.

Avantageusement, la cellule est de forme hexagonale et comporte douze brine, chaque brin ayant preferentiellement une forme evasee, I'angle a5 d 'evasement etant vo is in de 20 deg ree. La forme hexagona le de la cel lu le permet un pavage complet et uniforme de l'espace du reseau reflecteur. Par principe, le dephasage introduit par chaque cellule est discret, I'angle

minimal de dephasage etant inversement proportionnel au nombre de brine.

II est. bien entendu interessant de diminuer cet angle en augmentant le nombre de brine. Cependant, celui-ci est limite par la complexite des systemes d'interconnexion lorsque le nombre de brins a commander s'accrot, la necessaire limite de miniaturisation des commutateurs et les interferences possibles entre brins si leur espacement se resserre. En pratique, douze brins par cellule vent un bon compromis entre la complexite lo technologique et ['angle minimal de dephasage. Le coefficient de reflexion de l'onde par le dipole depend de sa taille qui doit etre classiquement voisine d'une demi-longueur d'onde, mais egalement de sa forme, les formes faiblement evasees etant bien adaptees pour obtenir une bonne resonance

du dipole.

Avantageusement, I'ensemble electronique de ladite cellule forme par les brine, le disque central, les dispositifs de commutation et les differentes lignes resistives amenant les tensions de commande et la masse electrique est implante sur un substrat transparent aux ondes hyperfrequences, le materiau utilise peut etre du silicium, du quartz ou du verre, notamment de marque Pyrex. Ledit substrat se presente sous la forme d'un cylindre droit a faces planes et paralleles, de base circulaire ou

hexagonale et est centre sur le disque central de la cellule.

Avantageusement, les parties superieures des substrats qui comportent les disques centraux et les differents dispositifs de commutation vent protegees par un ou plusieurs capots de protection. Chaque cellule pent disposer de son propre capot de protection ou le capot peut etre unique, commun a ['ensemble du reseau reflecteur. Les dispositifs de commutation qui vent des pieces mecaniques de tres faibles dimensions, de l'ordre de quelques microns a quelques centaines de microns necessitent un capot permettant de les proteger des elements exterieurs comme les guides ou la poussiere qui risqueraient de degrader fortement leurs performances. En particulier, ies performances des membranes metalliques peuvent etre

gravement alterees par l'oxydation.

Avantageusement, le substrat commun a ['ensemble du reseau reflecteur comporte deux faces planes et paralleles, la face superieure portent les differents substrats en verre correspondent a cheque cellule, et la face opposee comportant un plan de masse, le materiau de ce substrat etant un materiau transparent aux ondes hyperfrequences et electriquement isolant. Preferentiellement, ce materiau est realise a base de fibres de verre et de teflon. La societe NELTEC commercialise un materiau de ce type sous

la marque METCLAD.

Avantageusement, la connectique de chaque cellule est assuree par un pavage en nid d'abeille de trous de connexion circulaires realises dans le substrat commun et disposes en hexagone, chacun des hexagones lo etant centre sur un disque central de cellule, chacune des lignes resistives internee d'une cellule issues des brins ou des membranes etant reliee a ces trous par d'autres liaisons resistives de connection externes implantees sur le substrat commun, les lignes resistives internee implantes sur les substrats en verre de chaque cellule etant reliees aux lignes resistives externes implantees sur le substrat du reseau reflecteur au moyen de fils de

connexion cables.

Avantageusement, les lignes de trous de connexion vent communes a deux cellules adjacentes et chaque hexagone de plots de connexion comporte alors un nombre de plots egal a au moins deux fois le nombre total de brins de chaque cellule augmente de deux de facon a

pouvoir assurer la connexion de deux cellules adjacentes.

II est necessaire d'assurer ['isolation de chaque cellule de fa,con qu'une configuration de cellule donnee ne parasite pas les cellules environnantes. Cette isolation est assuree de deux fa,cons; d'une part par les trous de connexion qui vont jouer un role de barriere electromagnetique si leur espacement est suffisamment faible devant la longueur d'onde et d'autre part par des ensembles de parois metalliques de separation disposees en hexagone au-dessus des trous de connexion, lesdites parois etant reliees entre elles et reliees a la masse par des pions de centrage metalliques situes d'une part dans les parois et d'autre part dans certains trous de connexion reserves a cet effet. L'ensemble des parois des cellules forme alors une grille

en nid d'abeille situee au-dessus du reseau reflecteur.

Avantageusement, I'ensemble du reseau reflecteur est recouvert d'un traitement dielectrique multicouches permettant d'augmenter l'efficacite de la cell u le lorsque [' incidence d u rayon nement incident ou reflech i est importante. De fa,con generale, le procede de realisation du reseau reflecteur comprend les etapes suivantes: 5. Realisation du substrat circuit imprime commun aux cellules Depot du plan de masse Realisation des plots de connexion electrique: trous et plages metallises Realisation des substrats micro-electroniques centraux des 0 cellules Depots sur ces substrats des differents dispositifs electroniques Realisation des brine, du disque central et des lignes resistives Realisation des dispositifs de commutation 15. Protection des dispositifs de commutation par la mise en place de capots. Mise en place des substrats centraux sur le substrat commun Raccordement electrique des lignes resistives aux plots de connexion À Mise en place des pions de centrage Pose des grilles d'isolation sur les pions de centrage Avantageusement, le procede de realisation des commutateurs comprend les sous-etapes suivantes: Depot d'une couche de materiau dielectrique a ['emplacement des

peignes interdigites; --

Depot d'une couche de resine photosensible couvrant au moins ['emplacement de la membrane et de ses piliers supports; Retrait de ladite resine a ['emplacement de chaque pilier; Creation des piliers et de la membrane par depot d'une couche metallique au moins aux emplacements desdits piliers et de la membrane. Retrait de la resine au moins sous la membrane de fa,con a laisser

libre la membrane sur ces piliers.

L'invention sera mieux comprise et d'autres avantages

apparatront a la lecture de la description qui va suivre, donnee a titre non

limitatif et grace aux figures annexees parmi lesquelles: La figure 1 represente le schema de principe d'une antenne selon ['invention. La figure 2 represente une vue de dessus du reseau reflecteur

montrant le pavage hexagonal des cellules dephaseuses.

La figure 3 represente le principe general des cellules dephaseuse a dipoles en etoile en vue de dessus. Sur cette vue, les o commutateurs vent representes par de simples interrupteurs. En configuration d'utilisation normale, seulement deux interrupteurs

diametralement opposes vent fermes, les autres etant laisses ouverts.

La figure 4 represente le meme schema que la figure

precedente, mais en coupe.

La figure 5 represente le principe de fonctionnement d'un commutateur a dispositif electromecanique lorsqu'il est en position OFF, ciest-a-dire qu'il n'existe aucune difference de potentiel entre la membrane et

les surfaces conductrices situees au-dessous.

La figure 6 represente le principe de fonctionnement d'un

commutateur a dispositif electromecanique lorsqu'il est en position ON, c'est-

a-dire qu'il existe une difference de potentiel suffisante entre la membrane et les surfaces conductrices situees au-dessous pour que le contact mecanique

soit realise.

La figure 7 represente une vue de dessus de deux ensembles de commutation selon ['invention. Sur cette figure, seules vent representes l'extremite de deux brins en regard du disque central, la partie du disque central leur faisant face, les liaisons resistives et la membrane de chaque commutateur. La figure 8 represente une vue de l'extremite du brin et de la partie du disque central en regard, montrant les peignes interdigites situes sous la membrane. Seuls les contours de la membrane ont ete representes

en pointilles dans un souci de clarte.

La figure 9 represente une vue en perspective des deux commutateurs de la figure 7, I'un des deux commutateurs est en position

OFF(membrane droite), I'autre en position ON (membrane courbe).

La figure 10 represente une vue de dessus de la cellule selon ['invention. Dans un souci de clarte, les commutateurs vent representes par

des pointilles en position OFF et par un trait plein en position ON.

La figure 11 represente une premiere vue en coupe de la cellule selon ['invention passant par le centre de la cellule. Les commutateurs

ne vent pas representes sur cette figure par un souci de clarte.

La figure 12 represente une seconde vue en coupe de la cellule selon ['invention passant par la peripherie de la cellule, montrant le

raccordement d'une paroi metallique sur le substrat commun.

o. La figure 13 represente la disposition generale de trots cellules

voisines en vue de dessus.

La figure 7 represente une vue de dessus des dispositifs de commutation selon ['invention. Deux brins conducteurs 7 adjacents d'une cellule dephaseuse 4 vent representes ainsi que la partie du disque central 8 leur faisant face. La zone de commutation de chaque brin est constituee par l'extremite du brin situee en regard du disque central. Le dispositif de commutation comprend essentiellement une membrane 11 disposee au dessus de la zone de commutation. Les tensions de commande et les mises

a la masse vent realisees au moyen de lignes resistives 151, 154 et 155.

La figure 8 represente une vue detaillee de la zone de commutation. L'extremite 71 de chaque brin place du cote du disque central et la partie correspondante 81 du disque placee en regard de cette extremite composent un peigne de doigts interdigites. La zone de ce peigne constitue la zone de commutation. L'interet de cette disposition geometrique est qu'elle permet de repartir la tension de commande venant du brin de facon homogene dans la zone de commutation. Sur la figure 8, a titre d'exemple, cinq doigts vent interdigites, deux appartenant au disque central et trots appartenant a chaque brie. L'ensemble de la zone de commutation est recouvert d'une couche de materiau isolant comme par exemple le nitrure de

silice, non represente sur la figure.

La figure 9 represente une vue en perspective des deux commutateurs representes en figure 7. Chaque membrane est soutenue par au moins deux piliers 14 disposes de part et d'autre de la zone de commutation. La membrane se trouve ainsi isolee a une certaine distance au-dessus de la zone de commutation. Cette distance vaut typiquement quelques microns. Ladite membrane metallique a une forme grossierement parallelepipedique. Cette forme represente un bon compromis entre la resistance mecanique de la membrane qui conditionne sa duree de vie et sa fiabilite et les tensions necessaires a mettre en osuvre pour obtenir la commutation qui ne doivent pas etre trop importantes. Ainsi, pour une membrane de longueur typique trots cents microns, de largeur typique cent microns et d'epaisseur sept cents nanometres, les tensions de commande vent de l'ordre de trente volts. La membrane est egalement percee d'une multitude de trous 110 au cours de sa realisation. Ces trous permettent le passage du solvent permettant la liberation de la membrane au cours du processus de realisation. Par souci de clarte, ces trous ne vent pas representes sur les differentes figures representant la membrane, hormis sur la vue de detail de la figure 7. La membrane est metallique. Les metaux et alliages possibles vent preferentiellement l'or, I'aluminium, le tungstene ou le titane. L'ensemble constitue par la membrane et l'extremite du brin et la partie du disque central situee dessous forment les armatures d'un condensateur dont la capacite au repos vaut quelques femtofarads. Lorsque o la membrane est sollicitee, elle se deforme, rapprochant les deux armatures

du condensateur. Sa capacite augmente et vaut alors quelques picofarads.

Les figures 10, 11 et 12 representent la vue de dessus et deux

vues en coupe d' une cellu le du reseau selon ['invention.

s La figure 10 represente la vue de dessus de la cellule. La partie centrale de la cellule 4 comprend un substrat 61 sur loquel est implante le reseau en etoile des brins 7 electriquement conducteurs constituent les differents dipoles, ledit reseau etant centre sur un disque central 8 electriquement conducteur. Le substrat est electriquement isolant et transparent aux ondes hyperfrequences. II doit etre compatible des technologies d'implantation des differents composants electroniques de la cellule. Ce substrat est. par exemple, du silicium ou du quartz ou du verre, notamment de marque pyrex. Les brins vent necessairement en nombre pair et disposes symetriquement de fa,con que chaque brin est un vis-avis 3 diametralement oppose. Chaque padre de brins diametralement oppose constitue ainsi un dipole lorsqu'elle est reliee au disque central par les

dispositifs de commutation representes sur les figures 7, 8 et 9.

Les tensions de commande et les mises a la masse vent realisees au moyen de lignes resistives 151, 154 et 155 reliees d'une part aux differents brins et aux membranes de commutation et d'autre part a des plots de connexion 161 disposes sur le pourtour du substrat central. Une premiere serie de lignes de commande 151 est connectee a l'extremite de chaque brin comme il est montre sur la figure 10. Deux lignes de mise a la masse diametralement opposees 154 relient deux membranes a la masse, les autres membranes et le disque central vent reliees a ces deux membranes par d'autres lignes resistives 155 comme il est montre sur la figure 10. Les lignes resistives 151, 154 et 155 ont une resistance suffisante pour obtenir un isolement electrique complet aux ondes hyperfrequences de ['ensemble des brins et des dispositifs de commutation. Typiquement, les depots resistifs

ont une resistance ohmique de quelques centaines d'Ohm carre. Les brins son preferentiellement de forme evasee de facon a augmenter le

rendement du dipole. L'angle d'evasement fait environ vingt degree. La longueur de chaque brin vaut environ le quart de la longueur d'onde hyperfrequence d'utilisation. Les substrats centraux correspondent a une cellule donne vent implantes de fa,con reguliere sur un substrat commun 62 a ['ensemble des cellules 4 du reseau reflecteur. Ce substrat est

egalement electriquement isolant et transparent aux ondes hyperfrequences.

II doit etre compatible des technologies d'implantation des differents composants electron iques de la cellu le. Ce su bstrat est realise notamment^ partir d'un composite a base de fibres de verre et de teflon. Ce type de materiau est commercialise par la societe NELTEC sous la marque METCLAD. L'epaisseur totale du substrat commun et de chaque substrat central vaut environ le quart de la longueur d'onde hyperfrequence d'utilisation, soit de l'ordre de un a deux millimetres compte-tenu des frequences d'utilisation. Ce substrat comporte sur la face opposee a celle

des substrats centraux un plan de masse 10.

Le substrat commun comporte un pavage de plots de connexion

electrique 171 et 172 disposes regulierement suivant un motif hexagonal.

Chaque hexagone est centre sur un substrat central de cellule comme il est indique sur les figures 7 et 13 et est compose de six lignes d'au moins six plots de connexion. Les plots de chaque ligne vent regulierement espaces

entre eux. Ils traversent completement le substrat commun (figure 12).

Chaque cellule est surmontee d'un ensemble de six parois metalliques 18 (figure 12) egalement disposees en hexagone et placees au- dessus des lignes de plots de connexion, I'ensemble formant une grille en

nid d'abeille (figures 10 et 13).

II existe deux types de plots. Le premier type est utilise pour relier les lignes resistives de commande a liexterieur du reseau reflecteur vers le module electronique de commande et vent isoles du plan de masse. Le second type est utilise d'une part pour fixer mecaniquement les parois metalliques sur le substrat commun au moyen de pions de fixation 172 et d'autre part, pour relier ces parois au plan de masse comme il est indique sur

la figure 12.

Les plots du premier type vent relies aux lignes resistives 151 et 154 des substrats commune par d'autres lignes resistives 153 interconnectees au moyen de fils de connexion cables 152 comme il est indique sur la figure 10. Lesdites lignes resistives 153 ont une resistance suffisante pour obtenir un isolement electrique complet aux ondes

hyperfrequences de ['ensemble des brins et des dispositifs de commutation.

Typiquement, les depots resistifs ont une resistance ohmique d'environ un kiloOhm carre. Les plots vent isoles des parois metalliques par des pastilles isolantes 173. La disposition des lignes resistives reliees aux plots d'interconnexion est indiquee sur les figures 10 et 13. Cette disposition permet a la fois d'avoir la meme disposition geometrique pour toutes le cellules du reseau et d'autre part de minimiser les longueurs des lignes resistives. II est necessaire de proteger les dispositifs de commutation qui vent mecaniquement fragiles. Cette protection est assuree soit au niveau de chaque cellule par un capot de protection 19 comme il est indique sur la figure 11 qui represente une vue en coupe de la cellule. Ce capot 19 doit egalement etre transparent aux ondes hyperfrequences. Ce capot peut

egalement etre commun a ['ensemble du reseau reflectif.

Les substrats centraux peuvent egalement etre recouvert d'un traitement dielectrique multicouches de facon a augmenter le rendement des

cellules sous forte incidence angulaire.

Le principe de fonctionnement du reseau reflecteur est le suivant: Pour obtenir la reflexion des ondes hyperfrequences fournies par l'emetteur dans une direction determinee, le module electronique calcule

pour chaque cellule la disposition geometrique des dipoles a activer.

Pour chaque celluie, le module electronique genere les tensions O de commande qui vent envoyees aux deux brins diametralement opposes a activer. Sous l'effet de la tension, les deux membranes placees au dessus des brins actives se deforment (figure 9). La capacite existent entre les armatures augmente fortement. L'ordre de grandeur entre les rapports des capacites des deux etats du commutateur est environ cent. L'impedance du dispositif de commutation devient negligeable et les deux brins sollicites

vent connectes au disque central formant ainsi un dipole.

Les dispositifs de commutation vent mis en ceuvre simultanement pour deux brins opposes par deux commandes en tension separees, la geometric du dispositif ne permettant pas de relier les deux brins

simultanement au disque central par une commande commune.

De fa,con generale, le procede de realisation du reseau reflecteur comprend les etapes suivantes: À Realisation du substrat circuit imprime commun aux cellules Depot du plan de masse Realisation des plots de connexion electrique: trous et plages metallises Realisation des substrats micro-electroniques centraux des cellules Depots sur ces substrats des differents dispositifs electroniques Realisation des brine, du disque central et des lignes resistives À Realisation des dispositifs de commutation Protection des dispositifs de commutation par la mise en place de capots. Mise en place des substrats centraux sur le substrat commun Raccordement electrique des lignes resistives aux plots de connexion Mise en place des pions de centrage Pose des grilles d'isolation sur les pions de centrage Le procede de realisation des commutateurs comprend les sous etapes suivantes: lo. Depot d'une couche de materieu dielectrique a ['emplacement des peignes interdigites; Depot d'une couche de resine photosensible couvrant au moins ['emplacement de la membrane et de ses piliers supports; Retrait de ladite resine a ['emplacement de chaque pilier; 15. Creation des piliers et de la membrane par depot d'une couche metallique au moins aux emplacements desdits piliers et de la membrane. Retrait de la resine au moins sous la membrane de fa,con a laisser

libre la membrane sur ces piliers.

Claims (31)

REVENDICATIONS

1. Celluie (4) dephaseuse d'un reseau reflecteur (3) reconfigurable pour antenne fonctionnant dans le domaine des hyperfrequences, ledit reseau comportant une pluralite de cellules dephaseuses, chacune desdites cellules dephaseuses comportant plusieurs brins (7) electriquement conducteurs, caracterisee en ce qu'au moins deux desdits brins peuvent etre relies entre eux au moyen d'au moins un dispositif de commutation constitue d'un micro-systeme electromdcanique comprenant une membrane (1 1) flexible commendable electriquement, les brins ainsi relies constituent un

dipole rayonnant.

2. Cellule (4) dephaseuse d'un reseau reflecteur (3) reconfigurable pour antenne fonctionnant dans le domaine des hyperfrequences, ledit reseau comportant une pluralite de cellules elementaires dephaseuses identiques, chacune desdites cellules comportant deux faces planes et paralleles separees d'une epaisseur representant environ le quart de la longueur d'onde de la frequence d'utilisation, ladite premiere face comportant un reseau en etoile constitue d'un nombre pair de brins (7) electriquement conducteurs tous identiques disposes regulierement autour d'un disque central (8) egalement conducteur, chaque brin pouvant etre electriquement relic au disque central par un dispositif a commutation dependent d'une tension de commande, chaque pair de brins diametralement opposes constituent ainsi, lorsque les deux dispositifs a commutation les reliant a disque central vent actives, un dipole resonnant dans le domaine des frequences d'utilisation de l'antenne, la seconde face etant constituee par un plan de masse; ladite cellule etant caracterisee en ce que chaque dispositif de commutation est constitue d'un micro-systeme electromecanique comprenant une membrane (11) flexible soutenue par au moins deux piliers (14) places entre ladite membrane et la premiere face de la cellule, ladite membrane etant ainsi placee au-dessus de l'extremite (71) de chaque brin en regard du disque central et de la partie peripherique (81) audit disque placee vis-a-vis de cette extremite, ladite membrane, lorsque la tension de commande est appliquee, etant deformee par la force electrostatique resultante de fa,con suffisante pour assurer la liaison electrique entre

l'extremite du brin et la partie peripherique correspondante du disque central.

3. Cellule dephaseuse selon la revendication 2, caracterisee en ce que le dispositif de commutation est de type condensateur et que la liaison

electrique correspond a une forte augmentation de sa capacite.

4. Cellule dephaseuse selon la revendication 3, caracterisee en ce que le rapport entre la valeur de la capacite du condensateur en ['absence de tension de commande et la valeur de la capacite lorsque la tension de

commande est appliquee est de l'ordre du centieme.

5. Cellule dephaseuse selon la revendication 3, caracterisee en ce que les armatures du condensateur vent constituees d'une part de la membrane (11) flexible et d'autre part de l'extremite du brin (71) et de la partie peripherique (81) du disque correspondent places sous cette membrane, I'isolement electrique etant assure par une couche de materiau

dielectrique recouvrant les brins et le disque.

zo

6. Cellule dephaseuse selon la revendication 5, caracterisee en ce que le materieu dielectrique utilise est preferentiellement du nitrure de silice (Si3N4).

7. Cellule dephaseuse selon la revendication 3, caracterisee en ce que les parametres geometriques et mecaniques de la membrane vent dimensionnes de telle sorte que la tension de commande a appliquer pour

assurer la commutation est grande devant les tensions parasites possibles.

8. Cellule dephaseuse selon la revendication 7, caracterisee en ce

o que cette tension de commande vaut typiquement trente volts.

9. Cellule dephaseuse selon la revendication 7, caracterisee en ce que la membrane a grossierement la forme d'un parallelepipede rectangle de faible epaisseur, la largeur du rectangle valant typiquement cent microns, sa

s longueur trots cents microns et son epaisseur sept cents nanometres.

10. Cellule dephaseuse selon la revendication 7, caracterisee en ce que la membrane et les piliers la soutenant vent constitues principalement de couches d'Or, d'Aluminium et de couches d'alliages de Tungstene et de Titane.

11. Cellule dephaseuse selon la revendication 4, caracterisee en ce que, en ['absence de tension de commande, I'espace entre la membrane et les parties du disque central et du brin placee dessous fait environ trots

microns.

12. Cellule dephaseuse selon la revendication 3, caracterise en ce que l'extremite (71) du brin et la partie (81) du disque central en regard

places sous la membrane composent un peigne de doigts interdigites.

13. Cellule dephaseuse selon la revendication 12, caracterise en

ce que le nombre total de doigts est de cinq.

14. Cellule dephaseuse selon la revendication 2, caracterisee en ce que les tensions de commande des dispositifs a commutation passent par les brins au moyen de lignes resistives (151) internee et que les membranes flexibles vent toutes reliees a la masse electrique au moyen egalement

d'autres lignes resistives internee (154,155).

15. Cellule dephaseuse selon la revendication 14, caracterisee en ce que le materiau utilise pour realiser les differentes liaisons electriques est

preferentiellement de l'or.

16. Cellule dephaseuse selon la revendication 14, caracterisee en ce que la valeur de ['impedance des lignes resistives a la frequence d'utilisation est suffisamment elevee pour isoler ['ensemble des brine, du

disque central et des dispositifs de commutation de l'exterieur.

17. Cellule dephaseuse selon l'une des revendications 2 a 16,

caracterisee en ce que la cellule est de forme hexagonale et comporte douze

brins (7).

18. Cellule dephaseuse selon l'une des revendications 2 a 17,

caracterisee en ce que chaque brin a une forme evasee, I'angle d'evasement

etant voisin de 20 degree.

19. Cellule selon l'une des revendications 2 a 18, caracterisee en

ce que ['ensemble electronique de ladite cellule forme par les brins (7), le disque central (8), les dispositifs de commutation et les differentes lignes resistives (151, 154, 155) amenant les tensions de commande et la masse O electrique est implante sur un substrat central (61) transparent aux ondes hyperfrequences, ce substrat etant notamment du silicium ou du quartz ou du

verre, notamment de marque Pyrex.

20. Cellule selon l'une des revendications 2 a 19, caracterisee en

ce que ledit substrat (61) se presente sous la forme d'un cylindre droit a faces planes et paralleles, de base circulaire ou hexagonale et centre sur le

disque central de la cellule.

21. Cellule selon l'une des revendications 2 a 20, caracterisee en

ce que la partie superieure du substrat (61) qui comporte le disque central et les differents dispositifs de commutation est protege par un capot de protection (19) transparent aux ondes electromagnetiques hyperfrequences d'utilisation.

22. Cellule selon l'une des revendications 2 a 21, caracterisee en

ce que le substrat (62) commun a ['ensemble du reseau reflecteur comporte deux faces planes et paralleles, la face superieure portent les differents substrats centraux correspondent a chaque cellule, et la face opposee

comportant un plan de masse (10).

23. Cellule selon la revendication 22, caracterisee en ce que ce substrat (62) est realise notamment a base de fibres de verre et de teflon, ce substrat pouvant etre le materiau ayant comme nom de marque METCLAD

commercialise par la societe NELTEC.

24. Cellule selon l'une des revendications 2 a 23, caracterisee en

ce que la connectique de chaque cellule est assuree par un pavage de plots de connexion circulaires (171) realises dans le substrat commun et disposes en lignes formant un hexagone, chaque hexagone etant centrb sur le disque central de chaque cellule, chacune des lignes resistives internee d'une cellule issues des brins ou des membranes etant reliee a ces plots (171) par d'autres liaisons resistives (153) de connexions externes implantees sur le substrat commun, les lignes resistives internee implantes sur les substrats centraux de chaque cellule etant reliees aux lignes resistives externes lo implantees sur le substrat du reseau reflecteur au moyen de fiis de

connexion cables (152).

25. Cellule selon la revendication 24, caracterisee en ce que chaque hexagone de plots de connexion comporte un nombre de plots egal a au moins deux fois le nombre total de brins de chaque cellule augmente de deux.

26. Cellule selon les revendications 24 et 25, caracterisee en ce

que les lignes de trous de connexion vent commune a deux cellules

adjacentes.

27. Cellule selon l'une des revendications 2 a 26, caracterisee en

ce que chaque cellule est surmontee d'un ensemble de six parois (18) metalliques de separation disposees en hexagone au-dessus des trous de connexion, lesdites parois etant reliees entre elles et reliees a la masse par des pions metalliques (172) situes d'une part dans les parois et d'autre part dans certains trous de connexion reserves a cet effet. L'ensemble des parois des cellules forme une grille en nid d'abeille situee au-dessus du reseau reflecteur.

28. Cellule selon l'une des revendications 2 a 27, caracterisee en

ce que l'isolement electrique de chaque cellule vis-a-vis des cellules adjacentes est realisee, d'une part par les pavages de trous de connexions et d'autre part, par les parois metalliques disposees au- dessus de chaque

cellule.

29. Cellule selon l'une des revendications 2 a 28, caracterisee en

ce que ['ensemble du reseau reflecteur est recouvert d'un traitement

dielectrique multicouches.

30. Procede de realisation de la cellule selon les revendications 2

a 29, caracterise en ce que l'etape de realisation des commutateurs comprend les sous-etapes suivantes: À Depot d'une couche de materiau dielectrique a ['emplacement de o la zone de commutation; Depot d'une couche de resine photosensible couvrant au moins ['emplacement de la membrane et de ses piliers supports; À Retrait de ladite resine a ['emplacement de chaque pilier; À Creation des piliers (14) et de la membrane (11) par depot d'au moins une couche metallique aux emplacements desdits piliers et

de la membrane.

À Retrait de la resine au moins sous la membrane de fa,con a laisser

libre la membrane (11) surces piliers (14).

31. Procede de realisation de la cellule selon les revendications 19

a 29, caracterise en ce qu'il comprend les etapes suivantes: À Realisation du substrat circuit imprime (62) commun aux cellules (4) À Depot du plan de masse (10); 2s. Realisation des plots de connexion electrique (171): trous et plages metallises; À Realisation des substrats micro-electroniques centraux des cellules (61); À Depots sur ces substrats des differents dispositifs electroniques 30. Realisation des brins (7), du disque central (8) et des lignes resistives (7, 151, 154, 155); À Realisation des dispositifs de commutation; Protection des dispositifs de commutation par la mise en place de capots (19); Mise en place des substrata centraux (61) sur le substrat commun (61); Realisation et raccordement electrique des lignes resistives (153) aux plots de connexion ( 171); 5. Pose des grilles desolation sur les lignes de plots de connexion et

mise en place des supports mecaniques (172).

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