Chapitre 4 Intégration et gestion thermique des fonctions passives (antenne thermiquement Active)
3. Propositions de base pour la conception d’Antennes Thermiquement Active Intégrées (ATAI)
3.2. Antenne patch thermiquement active refroidie par une couche à haute conductivité thermique
3.2.2. Résultats électromagnétiques et thermiques
La Figure 100 montre la variation du paramètre S11 en fonction de la fréquence et le gain de l’antenne à la fréquence 2GHz, telle que simulée.
(a) (b)
Figure 100 : Antenne patch refroidie par couche de Saphir, (a) Coefficient de réflexion en fonction de la fréquence, (b) Gain à la fréquence de fonctionnement 2GHz, telles que simulés
La Figure 101 montre la répartition de la température de la structure présentée Figure 99. La température du boîtier est considérée à 20°C. La puissance thermique évacuée par l’antenne thermiquement active refroidie par une couche de nitrure d’aluminium est de 9 W pour une température maximale de 80°C au niveau du composant de puissance. L’antenne est donc capable d’évacuer une puissance thermique de l’ordre de 1 W par centimètre carré de l'antenne.
Figure 101 : Répartition de la température de la structure d’antenne patch refroidie par couche de saphir, simulée
3.2.2.2. Mesures
Un prototype de l’antenne patch thermiquement active refroidie par une couche de Saphir à haut conductivité thermique a été réalisé et est présenté Figure 102. La couche de Saphir a été collée sur l’antenne en utilisant de la laque d’argent afin d’assurer un bon contact thermique avec le plateau supérieur de l’antenne. Ce dernier est associé au drain thermique (cylindre métallique) par soudure étain-plomb. De plus, un fil métallique fin ayant une résistance de 18 Ω est enroulé autour de ce cylindre afin de simuler une source de chaleur (résistance thermique). Afin d’obtenir une puissance thermique de 9W, le fil est alimenté par une tension
9 18
12.73 V
V
P R
.(a) (b)
Figure 102 : Antenne patch thermiquement active refroidie par une couche de Saphir (a) vue de dessus, (b) vue de dessous, telle que fabriquée
La Figure 103 présente les coefficients de réflexion S11 mesurés pour l’antenne patch sans et avec la couche de Saphir. Les fréquences de résonance sont un peu décalées. Ceci peut être expliqué par le fait qu’en simulation, la permittivité relative de Saphir considérée est de
10
r
, en réalité le Saphir est un matériau anisotrope présentant des permittivités différentes dans deux directions perpendiculaires. Elle est de l’ordre de 9.4 en perpendiculaire et de 11.6 en parallèle [92]. La fréquence peut être aisément recalée en ajustant la longueur du plateau supérieur de l’antenne. Si les résultats de mesure (Figure 103) sont cohérents avec la simulation (Figure 100), il existe cependant, des pertes supplémentaires sur la réponse en fréquence, liées à la présence de la couche de Saphir. Ceci peut être causé par l’imperfection du contact entre l’antenne patch et la plaque de saphir lors de la réalisation pratique.Figure 103 : Coefficient de réflexion S11 en dB mesuré de l’antenne avec Saphir (), sans Saphir ()
Un support métallique a été spécialement fabriqué et connecté aux bords de la carte d’antenne par de la laque d’argent. Ce support est ensuite posé sur un plateau métallique refroidi par de l’eau à température fixe (20°C), circulant dans le plateau. On utilise pour cela une pompe contrôlée en température, telle que présentée Figure 104. Le plateau métallique et la pompe constituent le système de refroidissement. On impose ainsi au support une température de 20°C, afin de pouvoir tester la capacité à écouler la chaleur de l'antenne thermiquement active utilisant une couche de Saphir. Les mesures sont réalisées, comme précédemment, par un système d'imagerie infrarouge puis comparées aux simulations. Le banc de mesure utilisé pour l’évaluation des performances thermiques du dispositif est présenté Figure 104.
(a) (b)
Figure 104 : (a) Antenne patch « radomée » par la couche de saphir sous test, (b) Configuration de mesure
La Figure 105 présente la répartition de la température sur l’antenne patch pour une puissance thermique dissipée de 9W, d’abord sans la couche de Saphir (Figure 105-a) et puis avec la couche de Saphir (Figure 105-b). La température de l’eau utilisée, donc du support est de 20°C alors que la température ambiante est environ de 26°C.
(a) (b)
Figure 105 : Répartition de la température sur l’antenne patch thermiquement active connectée au support porté à 20°C pour une puissance thermique de 9 W
(a) Antenne patch sans couche de Saphir, (b) Antenne patch avec couche de Saphir
La Figure 105 montre que la température maximale sur l’antenne sans couche de Saphir est proche de 140°C, par contre la température maximale sur l’antenne avec couche de Saphir est proche de 80°C. Cela signifie qu’une amélioration d’environ 60°C est réalisée en utilisant la couche de Saphir. La puissance thermique évacuée par l'antenne patch thermiquement active refroidie en utilisant une couche de Saphir est 9 W pour une température maximale de 80°C au niveau de l’antenne et donc au niveau du composant de puissance qui sera connecté à cette antenne. Ce résultat est cohérent avec celui obtenu par simulation. Les mesures montrent que l’antenne est capable d’évacuer une puissance thermique de l’ordre de 1 Watt par centimètre carré de surface d'antenne.
3.2.3. Conclusion
Cette nouvelle topologie d’antenne thermiquement active refroidie en utilisant une couche diélectrique ayant une conductivité thermique élevée, présente une très bonne capacité de dissipation thermique similaire à la technique de l’antenne refroidie par fluide. Cette technique passive car elle n’utilise pas la circulation forcée d’un fluide dans le module. Par contre, un système de refroidissement extérieur connecté au boitier du module est nécessaire. La température au niveau de l’antenne est ainsi limitée à 80°C pour une puissance thermique dissipée de 9 W et la performance thermique est de 1 W par centimètre carré.
4.
Conclusion
Dans ce chapitre, deux topologies d'antenne patch thermiquement active avec de bonnes performances thermiques ont été présentées. Aucune influence majeure sur les performances électromagnétiques (gain, diagramme de rayonnement et bande passante) n’est observée. Ce point est directement lié au choix que nous avons fait en disposant les drains thermiques associant le composant de puissance à l’antenne au niveau de zones où l’amplitude des champs électriques est faible.
Les performances thermiques en W par centimètre carré pour les différentes antennes thermiquement actives proposées sont de 0,28 pour l'antenne patch seule, de 1 pour l’antenne refroidie par un liquide et de 0,98 pour l'antenne associée à une couche de Saphir. L’antenne patch thermiquement active, refroidie par un liquide caloriporteur, peut être utilisée si la présence de ce liquide n’est pas un frein à l’application envisagée, tandis que l'antenne patch thermiquement active, utilisant une surcouche de nitrure d’aluminium (ou de Saphir) peut être utilisée si le boîtier de l'émetteur a de bonnes conditions de refroidissement.
Il paraît donc tout à fait possible d'intégrer, par exemple, un amplificateur de puissance de 10W avec un RPA de 50% en utilisant uniquement ces antennes comme élément de refroidissement, ce qui, pour une taille plus faible, représente le double de puissance par rapport aux travaux présentés récemment sur ce sujet [BP 1].