CHAPITRE 4 : Réalisation d'une antenne CRPA avec résonateurs
4.3. Réalisation
Dans cette dernière partie, notre objectif est de fabriquer différents démonstrateurs intégrant des résonateurs pour en mesurer les performances. Le procédé de fabrication doit être bien maîtrisé et permettre d'ajuster la fréquence de résonance des dispositifs de découplage puisque les bandes passantes sont étroites et pourraient s'avérer non coïncidentes.
Nous développons le procédé de fabrication mis en œuvre pour la réalisation des différents prototypes. Ces démonstrateurs consistent en : une antenne patch en cavité de référence, une antenne patch en cavité environnée par des résonateurs inspirés HIS, deux réseaux d'antennes patch en cavité avec et sans résonateurs. Chaque antenne faisant appel au même principe de fabrication, nous portons notre attention sur la réalisation du réseau de deux antennes patchs en cavité environnées par des résonateurs. Ainsi, nous montrons en quoi le procédé de fabrication développé permet d'utiliser des antennes interchangeables et offre des degrés de liberté sur l'ajustement de la fréquence de résonance des résonateurs.
Nous décrivons dans ce qui suit les différentes étapes de fabrication de l'antenne réseau à deux cavités avec résonateurs HIS (les autres réalisations mettant en œuvre les mêmes procédés mais de manière moins complexe). Ainsi un détail du concept de modularité de l'antenne – permettant d'obtenir des degrés de liberté supplémentaires sur la fréquence d'opération des résonateurs HIS – est donné. Nous verrons en quoi l'ensemble des choix technologiques permet une réalisation simple et relativement peu coûteuse.
Ainsi une antenne est composée de différents éléments : un support métallique
des cales métalliques (pièces d'ajustement) des pavés céramiques
des patchs imprimés sur un fin substrat diélectrique (matériau Neltec İr=2.2) d'épaisseur 0.127 mm)
un substrat imprimé de part et d'autre avec les patchs carrés de la HIS (matériau Neltec İr=2.2, d'épaisseur 0.127 mm)
des connecteurs SMA (2 par élément rayonnant) des vis de fixation diélectriques ou métalliques
Sur la Figure 103, une vue 3D des pièces métalliques – à l'exception des supports pour les patchs – est donnée. Nous pouvons y voir le support métallique principal qui constitue le plan de masse de l'antenne et sur lequel viennent se fixer les différentes cales et supports (pour l'antenne et pour les résonateurs). Les découpes pour les antennes et les résonateurs sont traversantes permettant d'obtenir des arrondis très faibles dans les angles. Sur ce support, les trous taraudés accueillant les vis sont réalisés. Les différents supports des résonateurs viennent se visser sur ce support principal pour constituer le bas des cavités HIS. Entre ces supports HIS et la pièce principale, différentes cales peuvent être insérées. Ainsi, nous avons réalisé des cales de hauteurs 1 mm, 2 mm et 4 mm. La hauteur initiale de la cavité étant de 12 mm, il est alors possible d'ajuster la hauteur de cette dernière entre 12 mm et 19 mm avec un pas de 1 mm. En jouant sur la hauteur de cette cavité, nous pouvons ajuster la fréquence de résonance du dispositif d'isolation. En effet, augmenter la hauteur permet d'augmenter l'effet inductif mis en jeu et donc de diminuer la fréquence de résonance. Dans une certaine mesure, cette fréquence de résonance est alors ajustable mécaniquement.
Plan de masse
Bas des résonateurs inspirés HIS
Cales
d'ajustement
(a)
(b)
Plan de masse
Bas des résonateurs inspirés HIS
Cales
d'ajustement
Plan de masse
Bas des résonateurs inspirés HIS
Cales
d'ajustement
(a)
(b)
Figure 103 : Vue 3D du support métallique avec cales pour réseau de deux patchs en cavité avec résonateurs inspirés HIS : (a) de dessus, (b) de dessous
Les patchs sur leurs supports métalliques sont assemblés séparément (Figure 104). Le substrat sur lequel est imprimé le patch est collé sur le pavé céramique. Ce dernier est ensuite collé au support métallique. Finalement, les connecteurs sont insérés dans les trous prévus à cet effet, fixés au support métallique et soudés au patch. Ces antennes peuvent alors être insérées par le dessous du support principal. Ainsi, il est possible de concevoir plusieurs antennes qui pourront être aisément enlevées ou insérées dans le réseau d'antennes.
Patch imprimé
Pavé céramique
Support patch
Perçages connecteurs
(a)
(b)
Patch imprimé
Pavé céramique
Support patch
Perçages connecteurs
(a)
(b)
Pour finir de réaliser les résonateurs inspirés HIS, il suffit alors d'imprimer de part et d'autre d'un fin substrat diélectrique les motifs métalliques périodiques. Le substrat est ensuite découpé et fixé à la partie supérieure du support métallique par des vis en nylon disposées dans les angles, comme illustré sur la Figure 105. En pratique, ce substrat imprimé est très flexible. Nous envisageons d'utiliser une plaque rigide transparente pour plaquer ce dernier sur le plan de masse. Ceci permet d'assurer une épaisseur constante de la lame d'air présente entre ces deux parties. Les motifs périodiques pourront alors être enlevés et remplacés par d'autres. Nous avons alors un deuxième degré de liberté sur la conception des résonateurs. A terme, ce substrat pourra être collé pour assurer un bon maintient mécanique sans l'utilisation de la plaque rigide transparente.
Trous pour vis nylon
Patchs imprimés
(a)
(b)
Trous pour vis nylon
Patchs imprimés
(a)
(b)
Figure 105 : couronne de motif périodique pour résonateurs inspirés HIS : (a) face supérieure, (b) face inférieure
Finalement, chaque pièce de l'antenne (patchs, cavités HIS, motifs HIS) est facilement démontable et remplaçable. De plus, la hauteur des cavités est ajustable. Nous avons donc réalisé un ensemble d'antennes aux différentes parties modulables. De plus, grâce à l'utilisation des résonateurs inspirés HIS, nous nous sommes affranchis de la réalisation de vias métalliques très coûteux et limitant la hauteur des HIS. Sur la Figure 106, différents éléments des prototypes sont présentés.
(a) différentes parties du patch à insérer
(b) Plan de masse de l'antenne réseau à deux éléments de référence avec les patchs à insérer
(c) Réseau à deux éléments avec résonateurs inspirés HIS
(d) Vue arrière de l'antenne réseau à 2 éléments partiellement montée (Illustration du principe de cales pour HIS)
(e) Echantillon de pièces réalisées