CH722000A1 - Réseau d'antennes à multiplexage fréquentiel et son procédé de fabrication - Google Patents
Réseau d'antennes à multiplexage fréquentiel et son procédé de fabricationInfo
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Abstract
La présente invention concerne également un procédé de fabrication d'un réseau d'antennes à commande de phase.
Description
Domaine technique
[0001] La présente invention concerne un réseau d'antennes à commande de phase et un procédé de fabrication d'un tel réseau.
Etat de la technique
[0002] Les réseaux d'antennes à commande de phase sont des systèmes antennaires permettant de contrôler la distribution d'ondes électromagnétiques, c'est-à-dire la phase et l'amplitude dans l'ouverture du réseau d'antennes, au moyen de circuits électroniques, afin de contrôler les caractéristiques du faisceau de l'antenne telles que sa direction, sa ou ses polarisation(s), sa puissance, sa largeur, etc.
[0003] La plupart des réseaux d'antennes à commande de phase connus ne permettent habituellement pas d'opérer sur plusieurs bandes fréquences en même temps, et donc d'opérer en plusieurs modes simultanément, e.g. en émission (TX) et en réception (RX) simultanément. Typiquement, ces réseaux sont pourvus d'un switch TX-RX permettant d'activer un mode ou l'autre alternativement. En conséquence, le débit d'un tel réseau d'antenne se trouve réduit puisqu'il ne peut opérer qu'en un seul mode à la fois.
[0004] Une solution connue réside dans l'utilisation de deux antennes, une pour chaque bande de fréquence afin de maximiser la largeur de la bande passante du réseau. Cette solution permet notamment d'obtenir un haut niveau d'isolation entre les bandes fréquences, et donc d'empêcher la perturbation d'un mode par un autre. Elle permet également de couvrir de larges plages de fréquences puisqu'une antenne simple ne couvre généralement pas deux bandes fréquences à la fois.
[0005] Afin d'opérer sur plusieurs bandes fréquences tout en ayant un niveau d'isolation suffisant entre ces bandes, il est également connu de recourir à un diplexeur ou multiplexeur fréquentiel. Il s'agit de dispositifs de filtrage permettant de séparer les canaux de communication et de fournir un niveau d'isolation entre les bandes fréquences suffisant.
[0006] Cependant, les multiplexeurs existants sont soit encombrants et donc difficilement intégrables dans des réseaux à commande de phase, soit miniaturisés, mais souffrent alors de perte conséquentes qui limitent les possibilités du système.
Bref résumé de l'invention
[0007] Un but de la présente invention est de proposer un réseau d'antennes à commande de phase exempt des limitations de l'art antérieur.
[0008] Un autre but de l'invention est de proposer un réseau d'antennes à commande de phase compact permettant un multiplexage fréquentiel.
[0009] Un autre but de l'invention est de proposer un procédé de fabrication d'un tel réseau d'antennes à commande de phase.
[0010] Selon l'invention, ces buts sont atteints notamment au moyen d'un réseau d'antennes à commande de phase comprenant une pluralité d'antennes élémentaires, chaque antenne élémentaire comprenant
un élément radiant à large bande fréquence permettant d'émettre une onde électromagnétique depuis l'antenne vers l'extérieur et/ou de recevoir une onde électromagnétique depuis l'extérieur vers l'antenne
un multiplexeur fréquentiel connecté à l'élément radiant, le multiplexeur fréquentiel permettant de discriminer au moins deux bandes fréquence d'une onde électromagnétique propagée dans le multiplexeur fréquentiel,
au moins deux circuits imprimés, chaque circuit imprimé étant associé à exactement une bande fréquence parmi les au moins deux bandes fréquence et chaque circuit imprimé comprenant un circuit intégré de formation de faisceaux,
caractérisé en ce que l'élément radiant et le multiplexeur fréquentiel sont obtenus par fabrication additive métallique de manière à former un seul élément monolithique et en ce qu'une largeur de chaque élément radiant mesurée dans un plan perpendiculaire à une direction de propagation dans l'élément radiant est inférieure ou égal à la longueur d'onde à la fréquence maximale d'opération du réseau d'antennes.
[0011] Un tel réseau d'antennes permet donc de combiner plusieurs bandes de fréquences isolées dans une seule ouverture, i.e. dans un seul élément radiant par antenne élémentaire.
[0012] La fabrication additive (ou impression 3D) des éléments radiants et des multiplexeurs de chaque antenne élémentaire permet l'obtention d'une portion monolithique augmentant la compacité du réseau d'antennes en limitant le besoin de moyen de fixation entre les différents éléments simplifiant donc les interfaces lors de la fabrication et l'intégration.
[0013] La largeur, c'est-à-dire la dimension de l'ouverture, n'excède pas la longueur d'onde à la fréquence maximale d'opération du réseau d'antennes. De cette manière, il est possible d'augmenter la compacité du réseau en fonction de sa fréquence maximale d'opération.
[0014] Le terme de bande fréquence est à entendre ici au sens large et peut notamment signifier que la bande fréquence couvre plusieurs sousbandes fréquences distinctes (aussi appelé multibande). Ainsi chaque antenne élémentaire peut par exemple opérer en multibande fréquence en réception et en multibande fréquence en transmission sur un seul élément radiant.
[0015] Les au moins deux circuits imprimés de chaque antenne élémentaire peuvent être disposés consécutivement le long de la direction de propagation des ondes dans l'antenne élémentaire. Les circuits imprimés (ou PCB de anglais „Printed Circuit Board“) peuvent donc être empilés selon la direction de propagation.
[0016] Cette disposition des PCBs permet de réduire de manière importante la surface (dans une direction perpendiculaire à la direction de propagation) nécessaire pour l'aménagement des composants de la partie électronique du réseau d'antennes et donc augmenter sa compacité. Elle permet de plus d'augmenter l'isolation fréquentielle afin de limiter les problèmes de bruit.
[0017] Lorsque les PCBs sont empilés de la sorte, le multiplexeur de chaque antenne élémentaire peut être connecté au circuit intégré de chaque circuit imprimé de l'antenne élémentaire au moyen de lignes de connexion coaxiales, au moins une ligne de connexion coaxiale traversant un circuit imprimé intermédiaire. De cette manière, il est possible de ne pas augmenter la surface perpendiculaire à la direction de propagation à des fins de connexion de l'électronique (en particulier les circuits intégrés) au reste du réseau d'antennes.
[0018] Afin d'augmenter l'isolation fréquentielles entre les circuits intégrés dédiés à des bandes fréquences différentes, le réseau d'antennes peut inclure au moins deux couches d'isolation métalliques, chaque couche d'isolation métallique étant adjacente à un circuit imprimé et délimitant un volume interne configuré pour accommoder le circuit intégré de formation de faisceaux du circuit imprimé adjacent à la couche d'isolation métallique.
[0019] Un circuit intégré dédié à une bande fréquence est ainsi isolé des autres circuits intégrés disposés sur des circuits imprimés adjacents ou proches grâce aux couches d'isolation métallique. Les volumes internes sont par exemple délimités par le circuit imprimé sur lequel se situe le circuit intégré d'une part, et d'autre part par des parois internes de la couche d'isolation métallique.
[0020] Afin d'optimiser l'espace à disposition au niveau des circuits imprimés pour l'électronique, une ou les deux faces de chaque circuits imprimés peuvent être utilisées pour supporter des composants électroniques, en particulier les circuits intégrés de formation de faisceaux.
[0021] De manière surprenante, l'utilisation des faces des circuits imprimés faisant face au multiplexeur fréquentiel pour supporter des composants électroniques (en particulier les circuits intégrés de formation de faisceaux) permettent de se servir du bloc métallique monolithique formé par le multiplexeur et de l'élément radiant de l'antenne élémentaire comme d'un dissipateur thermique.
[0022] Selon un mode de réalisation, le multiplexeur fréquentiel comprend au moins deux filtres, chaque filtre étant configuré pour accepter exactement une bande fréquence parmi les au moins deux bandes fréquence (c'est-à-dire pour filtrer/rejeter toutes les autres bandes fréquences) et chaque filtre étant un filtre à guide d'ondes ou un filtre coaxial.
[0023] Le multiplexeur fréquentiel peut par exemple comprendre un premier filtre destiné à une bande fréquence pour la réception et un deuxième filtre destiné à une bande fréquence pour la transmission. Ainsi le réseau d'antenne peut fonctionner simultanément selon deux modes.
[0024] Mais le multiplexeur fréquentiel peut comprendre un nombre de filtres fréquentiels supérieur à deux. Ces filtres étant typiquement connectés en parallèle, chacun étant ensuite connecté à un circuit imprimé particulier et à un circuit intégré de formation de faisceaux configuré pour opérer à la fréquence acceptée par le filtre.
[0025] Chaque filtre du multiplexeur fréquentiel peut être connecté au circuit intégré de formation de faisceaux correspondant par une ligne de connexion coaxiale.
[0026] Le multiplexeur fréquentiel de chaque antenne élémentaire peut être connecté à l'élément radiant correspondant au moyen d'une ligne de connexion coaxiale ou au moyen d'un guide d'ondes.
[0027] Afin d'augmenter la compacité du réseau, les éléments radiants peuvent comprendre trois stries afin de permettre leur miniaturisation tout en maintenant une large bande passante.
[0028] De manière avantageuse, les trois stries sont disposées de manière à ce que la section de l'élément radiant soit invariant par rotation dans un plan perpendiculaire à la direction de propagation. Par exemple, si la section de l'élément radiant est circulaire, les trois stries sont typiquement disposées angulairement à 120° les unes des autres.
[0029] Selon un mode de réalisation, et afin d'augmenter la compacité du réseau, les éléments radiants peuvent être de type Vivaldi afin de permettre leur miniaturisation tout en maintenant une large bande passante.
[0030] De manière avantageuse, chaque élément radiant peut combiner les avantages liés à la présence de trois stries et des protrusions d'une antenne de type Vivaldi.
[0031] Selon un mode de réalisation, les antennes élémentaires peuvent être disposées de manière contigüe selon une première direction formant un réseau unidimensionnel.
[0032] Complémentairement, les antennes élémentaires peuvent être additionnellement disposées de manière contigüe selon une seconde direction formant un réseau bi-dimensionnel.
[0033] Le réseau d'antennes peut être à simple ou à double polarisation.
[0034] Les antennes élémentaires peuvent être agencées les unes par rapport aux autres de manière à former un motif triangulaire, rectangulaire, hexagonal.
[0035] La section de chaque antenne élémentaire peut être circulaire, triangulaire, rectangulaire, carrée, pentagonale, hexagonale, heptagonale, octogonale ou polygonale à plus de huit côtés. Ces polygones peuvent être réguliers ou non. La section peut également être composée de portions courbes ou d'une combinaison de portions courbes et rectilignes. En particulier, la section peut être configurée pour être adaptée à la fabrication additive selon l'axe de fabrication choisi.
[0036] La surface du réseau d'antennes au niveau des éléments radiants peut être plane ou courbe (e.g. dans le cas d'un réseau confocal).
[0037] La section de chaque élément radiant peut être identique ou différente de la section d'éventuels guides d'ondes composants le multiplexeur fréquentiel.
[0038] Bien que généralement obtenue par fabrication additive métallique, tout ou partie des éléments obtenus par fabrication additive du présent réseau d'antennes peuvent être obtenus par impression 3D de polymère et/ou céramique puis revêtus d'une couche de métal conductrice (i.e. métallisation).
[0039] Selon l'invention, ces buts sont atteints notamment au moyen d'un procédé de fabrication d'un réseau d'antennes à commande de phase comprenant les étapes de :
fabriquer additivement une pluralité d'antennes élémentaires métalliques arrangées en réseau, chaque antenne élémentaire comprenant un élément radiant et un multiplexeur fréquentiel permettant de discriminer au moins deux bandes fréquence d'une onde électromagnétique propagée dans le multiplexeur fréquentiel, la pluralité d'antennes élémentaires formant un ensemble monolithique,
assembler la pluralité d'antennes élémentaires avec au moins deux circuits imprimés, chaque circuit imprimé étant associé à exactement une bande fréquence parmi les au moins deux bandes fréquence et chaque circuit imprimé comprenant un circuit intégré de formation de faisceaux.
[0040] Les au moins deux circuits imprimés de chaque antenne élémentaire peuvent être disposés consécutivement le long d'une direction de propagation des ondes dans l'antenne élémentaire.
[0041] Le multiplexeur de chaque antenne élémentaire peut être connecté au circuit intégré de chaque circuit imprimé de l'antenne élémentaire au moyen de lignes de connexion coaxiales, au moins une ligne de connexion coaxiale traversant un circuit imprimé intermédiaire.
[0042] Le procédé peut comprendre en outre une étape de disposition d'au moins deux couches d'isolation métalliques, chaque couche d'isolation métallique étant associée à un circuit imprimé et chaque couche d'isolation métallique délimitant un volume interne configuré pour accommoder le circuit intégré de formation de faisceaux du circuit imprimé associé à la couche d'isolation métallique.
Brève description des figures
[0043] Des exemples de mise en œuvre de l'invention sont indiqués dans la description illustrée par les figures annexées dans lesquelles :
•
La figure 1 illustre schématiquement une antenne élémentaire d'un réseau d'antennes à commande de phase.
•
La figure 2 illustre schématiquement un multiplexeur fréquentiel connecté à une pluralité de circuits imprimés.
•
La figure 3 illustre schématiquement une pluralité de dispositif de la figure 2 organisé en réseau.
•
La figure 4 illustre schématiquement un multiplexeur fréquentiel connecté à une pluralité de circuits imprimés dont les deux faces sont utilisées pour accommoder des circuits intégrés.
Exemple(s) de mode de réalisation de l'invention
[0044] Comme illustré sur la figure 1, chaque antenne élémentaire 1 du réseau d'antennes à commande de phase comprend un élément radiant 10 connecté à un multiplexeur fréquentiel 20 permettant de discriminer au moins deux bandes fréquences. Le multiplexeur est lui-même connecté à au moins deux circuits imprimés 30, chaque circuit imprimé incluant un circuit intégré de formation de faisceaux 31 (ou BFIC de l'anglais BeamForming Integrated Circuit). Chaque circuit intégré 31 est configuré pour opérer dans une des fréquences discriminées par le multiplexeur fréquentiel 20.
[0045] Chaque élément radiant possède une largeur L, mesurée dans un plan perpendiculaire à la direction de propagation z d'une onde dans l'antenne élémentaire, inférieure ou égale à une fois la longueur d'onde à la fréquence maximale d'opération du réseau d'antennes.
[0046] Comme illustré sur la figure 2, le multiplexeur fréquentiel 20 peut comprendre une pluralité de filtres fréquentiels, e.g. deux filtres fréquentiels 21, 22 (e.g. pour une opération en transmission et en réception simultanément). Chacun de ces filtres fréquentiels est connecté d'une part à un élément radiant (non représenté sur la figure 2), et d'autre part à un circuit imprimé 30 incluant un circuit intégré 31 correspondant à la fréquence d'opération du filtre. D'autres composants électroniques, e.g. des amplificateurs, peuvent également être disposés sur les circuits imprimés 30 et connecté aux filtres et/ou circuits intégrés 31.
[0047] Comme illustré sur la figure 2, les au moins deux circuits imprimés 30 peuvent être empilés selon la direction de propagation z de manière à augmenter la compacité de chaque antenne élémentaire 1 dans le plan perpendiculaire à la direction de propagation z. Généralement le nombre de couches de circuits imprimés empilés correspond au nombre de fréquences d'opération du réseau d'antennes.
[0048] Comme illustré sur la figure 2, les circuits intégrés 31 peuvent être isolés les uns des autres au moyen de couches d'isolation métallique 32. Ces couches délimitent un ou plusieurs volume(s) interne(s) dans le(s)quel(s) sont accommodés les composants électroniques, en particulier les circuits intégrés 31.
[0049] A l'exception des circuits imprimés et des composant électroniques, le réseau d'antennes peut ainsi être réalisé intégralement en métal, y.c. les couches d'isolation fréquentielles 32. Il est ainsi possible de n'utiliser aucun élément diélectrique dans le réseau d'antennes.
[0050] Comme illustré sur la figure 3, les antennes élémentaires 1 peuvent être disposées de manière contigüe pour former un réseau uni- ou bi-dimensionnel.
[0051] Selon un mode de réalisation, les circuits imprimés 30 associés à une même fréquence pour chaque élémentaire 1 sont formés par un seul circuit imprimé dont les dimensions correspondent au nombre d'antennes élémentaires du réseau.
[0052] Lors de la fabrication, il est ainsi possible de connecter le bloc monolithique formé par l'ensemble fabriqué additivement comprenant les multiplexeurs 20 et les éléments radiants 10 directement sur un circuit imprimé 30 ou sur un empilement de circuits imprimés 30 comme expliqué plus haut.
[0053] Comme illustré sur la figure 4, il est possible de disposer les composants électroniques, et en particulier les circuits intégrés 31 de formation de faisceaux sur les deux faces d'un circuit imprimé 30. Comme expliqué plus haut, cela permet notamment d'utiliser le bloc métallique et monolithique formé par l'ensemble fabriqué additivement comprenant les multiplexeurs 20 et les éléments radiants 10 comme dissipateur de chaleur pour évacuer la chaleur générée par l'électronique.
Numéros de référence employés sur les figures
[0054] 1 Antenne élémentaire 10 Elément radiant 20 Multiplexeur fréquentiel 21 Filtre 22 Filtre 30 Circuit imprimé 31 Circuit intégré de formation de faisceaux 32 Couche d'isolation métallique 40 Ligne de connexion coaxiale L Largeur d'un élément radiant z Direction de propagation
Claims (16)
1. Réseau d'antennes à commande de phase comprenant une pluralité d'antennes élémentaires (1), chaque antenne élémentaire comprenant
un élément radiant (10) à large bande fréquence permettant d'émettre une onde électromagnétique depuis l'antenne vers l'extérieur et/ou de recevoir une onde électromagnétique depuis l'extérieur vers l'antenne
un multiplexeur fréquentiel (20) connecté à l'élément radiant, le multiplexeur fréquentiel permettant de discriminer au moins deux bandes fréquence d'une onde électromagnétique propagée dans le multiplexeur fréquentiel,
au moins deux circuits imprimés (30), chaque circuit imprimé étant associé à exactement une bande fréquence parmi les au moins deux bandes fréquence et chaque circuit imprimé comprenant un circuit intégré (31) de formation de faisceaux,
caractérisé en ce que l'élément radiant et le multiplexeur fréquentiel sont obtenus par fabrication additive métallique de manière à former un seul élément monolithique et en ce qu'une largeur (L) de chaque élément radiant mesurée dans un plan perpendiculaire à une direction de propagation (z) dans l'élément radiant est inférieure ou égal à la longueur d'onde à la fréquence maximale d'opération du réseau d'antennes.
2. Réseau d'antennes selon la revendication 1, les au moins deux circuits imprimés (30) de chaque antenne élémentaire (1) étant disposés consécutivement le long de la direction de propagation (z) des ondes dans l'antenne élémentaire (1).
3. Réseau d'antennes selon la revendication 2, le multiplexeur (20) de chaque antenne élémentaire (1) étant connecté au circuit intégré (31) de chaque circuit imprimé (30) de l'antenne élémentaire au moyen de lignes de connexion coaxiales (40), au moins une ligne de connexion coaxiale (40) traversant un circuit imprimé (30) intermédiaire.
4. Réseau d'antennes selon l'une des revendications 2 à 3, comprenant au moins deux couches d'isolation métalliques (32), chaque couche d'isolation métallique étant adjacente à un circuit imprimé (30) et délimitant un volume interne configuré pour accommoder le circuit intégré (31) de formation de faisceaux du circuit imprimé adjacent à la couche d'isolation métallique.
5. Réseau d'antennes selon l'une des revendications 2 à 4, chaque circuit intégré (31) étant disposé sur une face du circuit imprimé (30) opposée au multiplexeur fréquentiel (20) par rapport à la direction de propagation (z) et/ou sur une face du circuit imprimé (30) du côté du multiplexeur fréquentiel (20) par rapport à la direction de propagation (z).
6. Réseau d'antennes selon l'une des revendications 1 à 5, le multiplexeur fréquentiel (20) comprenant au moins deux filtres (21,22), chaque filtre étant configuré pour accepter exactement une bande fréquence parmi les au moins deux bandes fréquence et chaque filtre étant un filtre à guide d'ondes ou un filtre coaxial.
7. Réseau d'antennes selon la revendication 6, chaque filtre (21,22) du multiplexeur fréquentiel (20) étant connecté au circuit intégré (31) correspondant par une ligne de connexion coaxiale (40).
8. Réseau d'antennes selon l'une des revendications précédentes, le multiplexeur fréquentiel (20) de chaque antenne élémentaire (1) étant connecté à l'élément radiant (10) de l'antenne élémentaire au moyen d'une ligne de connexion coaxiale ou au moyen d'un guide d'ondes.
9. Réseau d'antennes selon l'une des revendications précédentes, chaque élément radiant (10) comprenant trois stries.
10. Réseau d'antennes selon l'une des revendications précédentes, chaque élément radiant (10) étant de type Vivaldi.
11. Réseau d'antennes selon l'une des revendications précédentes, les antennes élémentaires (1) étant disposées de manière contigüe selon une première direction formant un réseau unidimensionnel.
12. Réseau d'antennes selon la revendication précédente, les antennes élémentaires (1) étant additionnellement disposées de manière contigüe selon une seconde direction formant un réseau bi-dimensionnel.
13. Procédé de fabrication d'un réseau d'antennes à commande de phase comprenant les étapes de :
fabriquer additivement une pluralité d'antennes élémentaires (1) métalliques arrangées en réseau, chaque antenne élémentaire comprenant un élément radiant (10) et un multiplexeur fréquentiel (20) permettant de discriminer au moins deux bandes fréquence d'une onde électromagnétique propagée dans le multiplexeur fréquentiel, la pluralité d'antennes élémentaires (1) formant un ensemble monolithique,
assembler la pluralité d'antennes élémentaires(1) avec au moins deux circuits imprimés (30), chaque circuit imprimé étant associé à exactement une bande fréquence parmi les au moins deux bandes fréquence et chaque circuit imprimé (30) comprenant un circuit intégré (31) de formation de faisceaux.
14. Procédé selon la revendication 13, les au moins deux circuits imprimés (30) de chaque antenne élémentaire (1) étant disposés consécutivement le long d'une direction de propagation (z) des ondes dans l'antenne élémentaire (1).
15. Procédé selon la revendication 14, le multiplexeur (20) de chaque antenne élémentaire (1) étant connecté au circuit intégré (31) de chaque circuit imprimé (30) de l'antenne élémentaire au moyen de lignes de connexion coaxiales (40), au moins une ligne de connexion coaxiale (40) traversant un circuit imprimé (30) intermédiaire.
16. Procédé selon l'une des revendications 14 à 15, comprenant en outre une étape de disposition d'au moins deux couches d'isolation métalliques (32), chaque couche d'isolation métallique (32) étant associée à un circuit imprimé (30) et chaque couche d'isolation métallique délimitant un volume interne configuré pour accommoder le circuit intégré (31) de formation de faisceaux du circuit imprimé (30) associé à la couche d'isolation métallique.
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