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EP3465815A1 - Guide d'ondes comprenant une couche conductrice épaisse - Google Patents

Guide d'ondes comprenant une couche conductrice épaisse

Info

Publication number
EP3465815A1
EP3465815A1 EP17728662.2A EP17728662A EP3465815A1 EP 3465815 A1 EP3465815 A1 EP 3465815A1 EP 17728662 A EP17728662 A EP 17728662A EP 3465815 A1 EP3465815 A1 EP 3465815A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
core
layer
waveguide
conductive layer
thickness
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
EP17728662.2A
Other languages
German (de)
English (en)
Other versions
EP3465815B1 (fr
Inventor
Emile De Rijk
Mirko Favre
Mathieu BILLOD
Alexandre DIMITRIADES
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Swissto12 SA
Original Assignee
Swissto12 SA
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Swissto12 SA filed Critical Swissto12 SA
Publication of EP3465815A1 publication Critical patent/EP3465815A1/fr
Application granted granted Critical
Publication of EP3465815B1 publication Critical patent/EP3465815B1/fr
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01P—WAVEGUIDES; RESONATORS, LINES, OR OTHER DEVICES OF THE WAVEGUIDE TYPE
    • H01P3/00—Waveguides; Transmission lines of the waveguide type
    • H01P3/12—Hollow waveguides
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01P—WAVEGUIDES; RESONATORS, LINES, OR OTHER DEVICES OF THE WAVEGUIDE TYPE
    • H01P11/00—Apparatus or processes specially adapted for manufacturing waveguides or resonators, lines, or other devices of the waveguide type
    • H01P11/001—Manufacturing waveguides or transmission lines of the waveguide type
    • H01P11/002—Manufacturing hollow waveguides

Definitions

  • Waveguide comprising a thick conductive layer
  • the present invention relates to a waveguide device, a method of manufacturing said waveguide and an information carrier for the manufacture of said waveguide.
  • Radio frequency (RF) signals can propagate either in a free space or in waveguide devices. These waveguide devices are used to channel the RF signals or to manipulate them in the spatial or frequency domain.
  • the present invention particularly relates to passive RF devices that propagate and manipulate signals.
  • Passive waveguides can be divided into three distinct categories:
  • the present invention relates in particular to the first category above, collectively referred to hereafter as guides. wave.
  • Examples of such devices include waveguides per se, filters, antennas, mode converters, and so on. They can be used for signal routing, frequency filtering, separation or recombination of signals, transmission or reception of signals in or from free space, etc.
  • FIG. 1 An example of conventional waveguide is illustrated in Figure 1. It is constituted by a hollow device, the shape and proportions determine the propagation characteristics for a given wavelength of the electromagnetic signal.
  • Conventional waveguides used for radio frequency signals have internal openings of rectangular or circular section. They allow to propagate electromagnetic modes corresponding to different distributions of electromagnetic field along their section.
  • the waveguide has a height B along the y axis and a width A along the x axis.
  • FIG. 2 schematically illustrates the electric field lines E and magnetic lines H in such a waveguide.
  • the dominant mode of propagation is in this case the electrical transverse mode called TE10.
  • Index 1 indicates the number of half-wavelengths across the width of the guide, and 0 the number of half-wavelengths along the height.
  • Figures 3 and 4 illustrate a waveguide with circular section. Circular modes of transmission can propagate in such a waveguide.
  • the arrows in FIG. 4 illustrate the transmission mode TE1 1; the substantially vertical arrows show the electric field, the arrows further horizontal the magnetic field. The orientation of the field changes across the section of the waveguide.
  • FIG. 5 Examples of possible waveguide apertures are illustrated in FIG. 5.
  • the illustrated surface corresponds to the section of the waveguide aperture delimited by electrically conductive surfaces.
  • the shape and surface of the section may further vary along the main direction of the waveguide device.
  • Waveguides with ceramic or polymer walls manufactured by an additive method and then covered with a metal veneer have been suggested in particular.
  • the inner surfaces of the waveguide must indeed be electrically conductive to operate.
  • the use of a non-conductive core makes it possible on the one hand to reduce the weight and the cost of the device, on the other hand to implement 3D printing methods adapted to polymers or ceramics and making it possible to produce parts high precision with low roughness.
  • waveguide 1 made by additive manufacturing comprises a core 3 non-conductive, for example polymer or ceramic, which is manufactured for example by stereolithography, by selective laser melting or by another additive method and which defines an internal opening 2 for propagation of the RF signal.
  • the window has a rectangular section of width a and height b.
  • the inner walls of this core around the opening 2 are coated with an electrically conductive coating 4, for example a metal veneer.
  • the outer walls of the waveguide are also coated with a metal plating which may be of the same metal and the same thickness. This outer coating strengthens the waveguide against external mechanical or chemical stresses.
  • Figure 7 illustrates an alternative waveguide similar to that of Figure 6, but without the conductive coating on the outer faces.
  • the waveguides are typically used outside, for example in the aerospace (plane, helicopter, drone) to equip a spacecraft in space, on a boat at sea or on a sub-gear. marine, on gear evolving in the desert or high mountain, each time in hostile or even extreme conditions. In these environments, waveguides are particularly exposed to:
  • existing techniques do not allow the manufacture of waveguides sufficiently resistant to evolve in hostile environments.
  • the existing waveguides manufactured by additive manufacturing of a polymer core whose inner surface is covered with metal, do not have mechanical and structural characteristics that allow satisfactory use in hostile environments where they are used.
  • the waveguides Exposed to significant variations in pressure or temperature, the structure of these waveguides is unstable and tends to degrade which disrupts the transmission of the RF signal.
  • the existing waveguides manufactured by additive manufacturing of a conductive material, such as a metal material, have surface conditions of too low quality, including excessive roughness, which degrades the RF performance of the waveguide. wave and makes additive manufacturing difficult to use for this application.
  • An object of the present invention is to provide a waveguide device free or minimizing the limitations of known devices.
  • Another object of the invention is to provide an additive fabrication waveguide device which can be used in
  • the device comprising:
  • a core manufactured by additive manufacturing of conductive or preferably non-conductive material, comprising side walls with external and internal surfaces, the internal surfaces delimiting a waveguide channel,
  • a smoothing layer covering the inner surface of the core, made to smooth at least partially the irregularities of the layer of the inner surface of the core,
  • a metal conductive layer covering the smoothing layer, said conductive layer being formed of a metal characterized by a skin depth ⁇ at the frequency f, the conductive layer having a thickness at least five times equal to said skin depth ⁇ , preferably at least 20 times said skin depth.
  • the skin depth ⁇ is defined as: where ⁇ is the magnetic permeability of the plated metal, f is the radio frequency of the signal to be transmitted and ⁇ is the electrical conductivity of the plated metal. Intuitively, it is the thickness of the area where the current in the conductor is concentrated at a given frequency.
  • waveguides are known in which the conductive layer deposited on the core is very thin, less than the skin depth of the metal constituting the conductive layer. So, he was
  • the inventors have discovered that by increasing the thickness of the conductive layer so that the latter reaches a thickness at least five times equal to the skin depth ⁇ of the metal of the conductive layer, preferably at least equal to twenty Once this depth is reached, the structural, mechanical, thermal and chemical properties of the waveguide depend mainly or almost exclusively on the conductive layer. This surprising behavior is observed although the thickness of the conductive layer remains significantly less than the thickness of the core.
  • the resistance of the device selected from tensile strength, torsion, bending or a combination of these resistors is conferred mainly by the conductive layer.
  • the conductive layer is made of metal and is less thick than the core and yet it is the metal layer that provides the essential rigidity of the device. Thus, it is possible to reduce the thickness of the core, and thus its dimensions, while improving the tensile strength, torsion, bending of the device (see Figure 12).
  • the thickness of the walls and thus the dimensions of the waveguide, while increasing the tensile strength (for example rigidity), torsion, bending of the waveguide, especially for spacecraft or submarine or where the space available for each component is restricted.
  • the resistance of the device selected from the tensile strength, torsion, bending or a combination of these resistors being conferred mainly by the conductive layer over the operating temperature range of the device.
  • operating temperatures means temperatures between -150 ° C and + 150 ° C. This temperature range makes it possible to cover the majority of the temperatures where the device according to the invention is likely to evolve (space, desert, deep water, etc.).
  • the conductive layer has a thickness between twenty times and sixty times the skin depth ⁇ . This embodiment makes it possible to reduce or even eliminate the roughness of the conductive surface. It also strengthens the resistance in tension, in torsion, in bending of the device, for example the rigidity of the waveguide.
  • the conductive layer has a thickness of between sixty and one thousand times the skin depth ⁇ .
  • Such a conductive layer thickness particularly makes it possible to reinforce the tensile strength, torsion, bending of the device, for example the rigidity of the waveguide.
  • the device comprises a smoothing layer between the core and the conductive layer.
  • the additive manufacturing process creates a high roughness (for example, hollows and bumps), especially on the edges and surface of the core, particularly on the edges at an angle.
  • These hollows and bumps can take the form of steps, each step representing the addition of a layer of non-conductive material during additive manufacturing. It was observed that after covering the core with a thin conductive layer, the roughness of the core persisted so that the surface after metallization still had a roughness which disturbed the transmission of the RF signal. In this case, the addition of a smoothing layer between the core and the conductive layer makes it possible to reduce or even eliminate this roughness, which improves the transmission of the RF signal.
  • the smoothing layer may be of conductive or non-conductive material.
  • This smoothing layer is preferably between 5 and 500 microns, preferably between 10 and 150 microns,
  • this thickness effectively smoothes the surface irregularities due to the printing process.
  • the thickness of said smoothing layer is preferably greater than or equal to the roughness (Ra) of the core.
  • the thickness of said smoothing layer is preferably greater than or equal to the resolution of the manufacturing process of the core.
  • the smoothing layer comprises a weakly conductive material, for example nickel
  • the transmission of the RF signal is provided essentially by the outer metal conductive layer
  • the influence of the smoothing layer is negligible, and in this case the outer conductive layer must be at least five times the thickness of the
  • the resistance of the device selected from tensile strength, torsion, bending or a combination of these resistors is conferred mainly by the conductive layer comprising the smoothing layer.
  • the resistance of the device selected from tensile strength, torsion, bending or a combination of these resistors is conferred mainly by the conductive layer comprising the smoothing layer over the temperature range.
  • a conductive layer thicker than what would be required by the skin thickness also helps to smooth the roughness of the soul due to the resolution of the 3D printer.
  • the conductive layer also makes it possible to reduce or even eliminate the roughness of the core.
  • This smoothing layer also improves the structural, mechanical, thermal and chemical properties of the waveguide device.
  • the device comprises a hooking layer (or priming) between the core and the conductive layer.
  • the attachment layer is on the inner surface of the core.
  • the attachment layer may be of conductive or non-conductive material.
  • the bonding layer makes it possible to improve the adhesion of the conductor on the core. Its thickness is preferably less than the roughness Ra of the core, and less than the resolution of the additive manufacturing process of the core.
  • the device comprises
  • the bonding layer and the smoothing layer make it possible to reduce the roughness of the surface of the waveguide channel.
  • the bonding layer makes it possible to improve the adhesion of the conductive or non-conductive core with the smoothing layer and the conductive layer.
  • the metal layer comprises a plurality of metal sub-layers.
  • the conductive layer comprises several successive layers of highly conductive metals, for example Cu, Au, Ag, the skin depth ⁇ is determined by the properties of the materials of all the layers in which the film current is concentrated.
  • the skin depth ⁇ of the weakly conductive sub-layer is negligible in the calculation of the thickness of the conductive layer, most of the transmission of the RF signal being provided by the sub-layers of highly conductive metals deposited on top of the sub-layer of weakly conductive materials.
  • the conductive metal layer also covers the outer surface of the core.
  • the core comprises at least one layer of polymer and / or ceramic.
  • the core is formed of a metal or an alloy.
  • the metal or alloy is selected from Cu, Au, Ag, Ni, Al, stainless steel, brass or a combination of these choices.
  • the metal layer comprises a metal selected from Cu, Au, Ag, Ni, Al, stainless steel, brass.
  • the attachment layer optionally comprises a metal selected from Cu, Au, Ag, Ni, Al, stainless steel, brass, a non-conductive material, for example a polymer or a ceramic or a combination. of these choices.
  • the smoothing layer optionally comprises a metal selected from Cu, Au, Ag, Ni, Al, stainless steel, brass, a non-conductive material, for example a polymer or a ceramic or a combination. of these choices.
  • the device comprises
  • the device comprises
  • the invention also relates to a method for manufacturing a waveguide device for guiding a radio frequency signal at a determined frequency f, the method comprising:
  • a conductive layer on the inner surface of the core, said conductive layer being formed of a metal characterized by a skin depth ⁇ at frequency f, the process being characterized in that said conductive layer has a thickness equal to at least twenty times said skin depth ⁇ .
  • the deposition of the conductive layer on the core is carried out by electrolytic deposition or electroplating, chemical deposition, vacuum deposition, physical deposition by vapor phase (PVD), deposition by printing, deposition by sintering. .
  • the conductive layer comprises several layers of metals and / or non-metals deposited successively.
  • the manufacture of said core comprises an additive manufacturing step.
  • Additive manufacturing means any process for manufacturing parts by adding material, according to computer data stored on a computer medium and defining a model of the part.
  • stereolithography and selective laser melting the term also refers to other manufacturing methods such as curing or coagulation of liquid or powder including, but not limited to, jet-based methods.
  • ink binder jetting
  • DED Direct Energy Deposition
  • EBFF Electro beam freeform fabrication
  • FDM fused deposition modeling
  • PFF plastic freeforming
  • aerosol aerosol
  • BPM ballistic particle manufacturing
  • SLS Selective Laser Sintering
  • ALM additive Layer Manufacturing
  • polyjet EBM (electron beam melting), photopolymerization, etc.
  • the manufacture by stereolithography or by selective laser melting is however preferred because it makes it possible to obtain parts with relatively clean surface conditions with low roughness, which reduces the stresses on the smoothing layer.
  • the invention furthermore relates to a manufacturing process comprising:
  • said data representing the shape of a core are determined by taking into account the thickness of the conductive layer so that the waveguide is optimized for RF signal transmission at the frequency f , the conductive layer having a thickness of at least five times, preferably twenty times, the skin depth ⁇ .
  • the dimensions of the waveguide channel are determined as a function of the frequency of the wave to be transmitted. It is necessary that to know the thickness of the conductive layers and the thickness of the walls of the core to calculate the dimensions (width and height) of the waveguide channel.
  • the thickness of the core which is manufactured is calculated taking into account the unusual thickness of the conductive layer which will be deposited in a second time on the core to obtain a guide channel of waves to the required dimensions.
  • the invention also relates to a computer data medium containing data intended to be read by an additive manufacturing device for manufacturing an object, said data
  • the shape of a waveguide core said core having sidewalls with outer and inner surfaces, the inner surfaces defining a waveguide channel.
  • the computer data medium can be constituted for example by a hard disk, a flash memory, a virtual disk, a USD key, an optical disk, a storage medium in a network or cloud type, etc..
  • FIG. 1 illustrates a truncated perspective view of a conventional rectangular waveguide device.
  • FIG. 2 illustrates the magnetic and electrical field lines in the device of FIG. 1.
  • FIG. 3 illustrates a truncated perspective view of a conventional circular waveguide device.
  • Figure 4 illustrates the magnetic and electrical field lines in the device of Figure 3.
  • FIG. 6 illustrates a truncated perspective view of a rectangular section waveguide produced by additive manufacturing and whose inner and outer walls are both covered with a conductive electrical material deposition.
  • FIG. 7 illustrates a truncated perspective view of a rectangular section waveguide device produced by additive manufacturing and of which only the internal walls are covered with a deposition of conductive electrical material.
  • FIGS. 8A and 8B illustrate a device according to a first embodiment in which the core is covered with a single conductive layer on the inner face and, respectively, on the inner and outer face.
  • FIGS. 9A and 9B illustrate a device according to a second embodiment in which the core is covered with a layer of smoothing then a conductive layer on the inner face and, respectively, on the inner and outer face.
  • FIGS. 10A and 10B illustrate a device according to a third embodiment in which the core is covered with a bonding layer, a smoothing layer and then a conductive layer on the internal face and, respectively, on the inner and outer side.
  • FIG. 12 is a comparative table of the Young's moduli for a waveguide according to the prior art and a waveguide according to the present invention.
  • FIGS 8, 9 and 10 show three embodiments of a waveguide device 1 according to the invention, with each time two sub-variants.
  • the waveguide 1 comprises a core 3, for example a metal core (aluminum, titanium or steel), or optionally polymer, epoxy, ceramic, or organic material.
  • the core 3 is manufactured by additive manufacturing, preferably stereolithography or selective laser melting to reduce the roughness of the surface.
  • the material of the soul can be non-conductive or
  • the thickness of the walls of the core is for example between 0.5 and 3 mm, preferably between 0.8 and 1.5 mm.
  • the shape of the soul can be determined by a file
  • the core may also consist of several parts formed by stereolithography or by selective laser melting and assembled together before plating, for example by gluing or thermal fusion or mechanical assembly.
  • This core 3 delimits an internal channel 2 for waveguiding, and whose section is determined according to the frequency of the electromagnetic signal to be transmitted.
  • the dimensions of this internal channel a, b and its shape are determined according to the operating frequency of the device 1, that is to say the frequency of the electromagnetic signal for which the device is manufactured and for which a stable transmission mode and optionally with a minimum of attenuation is obtained.
  • the core 3 has an inner surface 7 and an outer surface 8, the inner surface 7 covering the walls of the rectangular section opening 2.
  • the internal surface 7 of the polymer core 3 is covered with a conductive metal layer 4, for example copper, silver, gold, nickel, etc. plated by chemical deposition without electrical current.
  • the thickness of this layer is for example between 1 and 20 microns, for example between 4 and 10 microns.
  • this conductive coating 4 must be sufficient for the surface to be electrically conductive at the chosen radio frequency. This is typically obtained using a conductive layer whose thickness is greater than the skin depth ⁇ .
  • this thickness is substantially constant on all internal surfaces to obtain a finished part with dimensional tolerances for the precise channel.
  • the thickness of this layer 4 is at least twenty times greater than the skin depth in order to improve the structural, mechanical, thermal and chemical properties of the device.
  • the outer surface 8 of the core is bare. In order to protect it, in the embodiment of FIG. 8B, this external surface is also covered with a layer
  • the deposition of conductive metal 4,5 on the inner faces 7 and possibly outer 8 is done by immersing the core 3 in a series of successive baths, typically 1 to 15 baths. Each bath involves a fluid with one or more reagents. The deposition does not require applying a current on the core to be covered. Stirring and regular deposition are obtained by stirring the fluid, for example by pumping the fluid into the transmission channel and / or around the device or by vibrating the core 3 and / or the fluid tank, for example with a device vibrating ultrasound to create ultrasonic waves.
  • the inner surface 7 of the polymer core 3 is covered with a smoothing layer 9, for example a layer of Ni.
  • the thickness of the smoothing layer 9 is at least equal to the roughness Ra of the inner surface 7, or at least equal to the resolution of the 3D printing process used to manufacture the core (the resolution of the printing process 3D determining the roughness Ra of the surface). In one embodiment, the thickness of this layer is between 5 and 500 micrometers, preferably between 10 and 150 micrometers, preferably between 20 and 150 micrometers.
  • This smoothing layer also determines the mechanical and thermal properties of the device 1.
  • the Ni layer 9 is then covered with the conductive layer 4, for example copper, silver, gold, etc.
  • the smoothing layer makes it possible to smooth the surface of the core and thus to reduce the transmission losses due to the roughness of the internal surface.
  • the core 3 is covered with a metal layer 4 + 9 formed of a smoothing layer 9 and a conductive layer 4.
  • the total thickness of this layer 4 + 9 is greater than or equal to five times, preferably twenty times the skin depth ⁇ .
  • the value of the Young's modulus of the device 1 is conferred mainly by this conducting layer 4 + 9.
  • the thickness of the conductive layer 4 may also only be greater than or equal to twenty times the skin depth ⁇ .
  • the most conductive layer is preferably deposited last at the periphery.
  • the inner surface 7 of the non-conductive polymer core 3 is covered with a smoothing layer 9 of Ni, deposited by chemical deposition.
  • the Ni layer 9 is then covered by chemical deposition of a conductive layer 4 made of Cu, the thickness of which is at least equal to twenty skin thicknesses at the nominal transmission frequency of the waveguide.
  • the outer surface 8 of the core 3 is also covered by chemical deposition of a nickel smoothing layer 6, which also serves as a structural support.
  • a conductive layer 5, for example copper, may be deposited on top of this smoothing layer.
  • the waveguide 1 comprises an attachment layer 11, for example a Cu layer, over the inner surface 7 of the core 3; this layer
  • the attachment layer facilitates the subsequent deposition of the smoothing layer 9 if such a layer is provided, or of the conductive layer 4.
  • the thickness of this layer is advantageously less than 30 micrometers.
  • the waveguide 1 comprises an attachment layer 12, for example a Cu layer, over the outer surface 8 of the core 3; this attachment layer facilitates the subsequent deposition of the smoothing layer 6.
  • Figure 1 1 is a diagram showing a longitudinal section of a portion of the inner surface 7 of the core 3 of a waveguide device 1 having a waveguide channel 2. It can be seen that this inner surface is very irregular or rough because of the additive manufacturing process.
  • the waveguide 1 comprises a bonding layer 1 1, for example a Cu layer between 1 and 10 micrometers thick.
  • the thickness of this smoothing layer is as follows: less than the resolution of the additive printing system and therefore the roughness of Ra of the surface; in one embodiment, the thickness of the smoothing layer 9 is between 5 and 500 micrometers, preferably between 20 and 150 micrometers.
  • a third conductive layer 4 of copper or silver is deposited by chemical deposition on the smoothing layer 9; its thickness is preferably greater than or equal to twenty times the skin thickness at the nominal frequency f of the waveguide, so that the surface currents concentrate mainly, or almost exclusively, in this layer.
  • the relatively large thickness of this conductive layer 4 also makes it possible to reinforce the mechanical rigidity of the device.
  • the thickness of this layer is between 5 and 50 micrometers, preferably between 5 and 15 micrometers.
  • the table of FIG. 12 compares the Young's modulus of a waveguide 1 entirely in Al with the Young's modulus of a device. waveguide 1 according to the invention.
  • the waveguide according to the prior art used for this comparison consists of a 500 micrometer thick AI sheet having a Young's modulus of 72500 N / mm 2 .
  • the waveguide 1 according to the invention used in this example comprises a polymer core 3 of 1 mm thick, a coupling layer 1 1 of Cu 5 micrometer, a smoothing layer 9 of Ni 90 micrometer and a conductive layer 4 of Cu of 5 microns.
  • the overall thickness of the coating is thus 100 micrometers for a Young's modulus of 214000 N / mm 2 .
  • the flexural strength (flexural rigidity) of the waveguide according to the invention is greater than that of the waveguide made entirely of aluminum according to the prior art, for a reduced weight.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Waveguides (AREA)
  • Optical Integrated Circuits (AREA)
  • Control Of Motors That Do Not Use Commutators (AREA)

Abstract

L'invention concerne un dispositif à guide d'ondes (1) pour guider un signal radiofréquence à une fréquence f déterminée, le dispositif (1) comprenant une âme (3) comprenant des parois latérales avec des surfaces externes (8) et internes (7), les surfaces internes (7) délimitant un canal de guide d'ondes (2). Une couche conductrice (4) recouvre la surface interne (7) de l'âme (3), ladite couche conductrice (4) étant formée d'un métal caractérisé par une profondeur de peau δ à la fréquence f. Le dispositif (1) est caractérisé en ce que ladite couche conductrice (4) a une épaisseur au moins vingt fois égale à ladite profondeur de peau δ.

Description

Guide d'ondes comprenant une couche conductrice épaisse
Domaine technique
[0001] La présente invention concerne un dispositif à guide d'ondes, un procédé fabrication dudit guide d'ondes et un support d'information pour la fabrication dudit guide d'ondes.
Etat de la technique [0002] Les signaux radiofréquence (RF) peuvent se propager soit dans un espace libre, soit dans des dispositifs guide d'onde. Ces dispositifs guide d'onde sont utilisés pour canaliser les signaux RF ou pour les manipuler dans le domaine spatial ou fréquentiel.
[0003] La présente invention concerne en particulier les dispositifs RF passifs qui permettent de propager et de manipuler des signaux
radiofréquence sans utiliser de composants électroniques actifs. Les guides d'onde passifs peuvent être répartis en trois catégories distinctes :
• Les dispositifs basés sur le guidage d'ondes à l'intérieur de canaux métalliques creux, couramment appelés guides d'ondes. · Les dispositifs basés sur le guidage d'ondes à l'intérieur de substrats diélectriques.
• Les dispositifs basés sur le guidage d'ondes au moyen d'ondes de surface sur des substrats métalliques tels que des circuits imprimés PCB, des microstrips, etc. [0004] La présente invention concerne en particulier la première catégorie ci-dessus, collectivement désignée par la suite comme guides d'ondes. Des exemples de tels dispositifs incluent des guides d'ondes en tant que tels, des filtres, des antennes, des convertisseurs de mode, etc. Ils peuvent être utilisés pour le routage de signal, le filtrage fréquentiel, la séparation ou recombinaison de signaux, l'émission ou la réception de signaux dans ou depuis l'espace libre, etc.
[0005] Un exemple de guide d'ondes conventionnel est illustré sur la figure 1. Il est constitué par un dispositif creux, dont la forme et les proportions déterminent les caractéristiques de propagation pour une longueur d'onde donnée du signal électromagnétique. Les guides d'onde classiques utilisés pour les signaux radiofréquence ont des ouvertures internes de section rectangulaire ou circulaire. Ils permettent de propager des modes électromagnétiques correspondant à différentes distributions de champ électromagnétique le long de leur section. Dans l'exemple illustré le guide d'ondes a une hauteur B le long de l'axe y et une largeur A le long de l'axe x.
[0006] La figure 2 illustre schématiquement les lignes de champ électrique E et magnétique H dans un tel guide d'ondes. Le mode de propagation dominant est dans ce cas le mode transversal électrique appelé TE10. L'indice 1 indique le nombre de demi-longueurs d'onde à travers la largeur du guide, et 0 le nombre de demi longueur d'onde le long de la hauteur.
[0007] Les figures 3 et 4 illustrent un guide d'ondes à section circulaire. Des modes de transmission circulaires peuvent se propager dans un tel guide d'onde. Les flèches sur la figure 4 illustrent le mode de transmission TE1 1 ; les flèches sensiblement verticales montrent le champ électrique, les flèches davantage horizontales le champ magnétique. L'orientation du champ change à travers la section du guide d'ondes.
[0008] Mis à part ces exemples d'ouvertures de guide d'ondes
rectangulaires ou circulaires, d'autres formes d'ouverture ont été imaginées ou peuvent être imaginées dans le cadre de l'invention et qui permettent de maintenir un mode électromagnétique à une fréquence de signal donnée afin de transmettre un signal électromagnétique. Des exemples d'ouverture de guide d'ondes possibles sont illustrés sur la figure 5. La surface illustrée correspond à la section de l'ouverture du guide d'ondes, délimitée par des surfaces conductrices électriquement. La forme et la surface de la section peuvent en outre varier le long de la direction principale du dispositif à guide d'ondes.
[0009] La fabrication de guides d'ondes avec des sections complexes est difficile et coûteuse. Des travaux récents ont cependant démontré la possibilité de réaliser des composants guide d'ondes, y compris des antennes, des guides d'ondes, des filtres, des convertisseurs, etc, à l'aide de méthodes de fabrication additives, par exemple d'impression 3D. On connaît en particulier la fabrication additive de guides d'ondes comportant à la fois des matériaux non conducteurs, tels que des polymères ou des céramiques, et des métaux conducteurs.
[0010] Des guides d'ondes comportant des parois céramiques ou polymères fabriquées par une méthode additive puis recouvertes d'un placage métallique ont notamment été suggérés. Les surfaces internes du guide d'ondes doivent en effet être conductrices électriquement pour opérer. L'utilisation d'une âme non conductrice permet d'une part de réduire le poids et le coût du dispositif, d'autre part de mettre en œuvre des méthodes d'impression 3D adaptées aux polymères ou aux céramiques et permettant de produire des pièces de haute précision avec une faible rugosité. [0011] A titre d'exemple, l'article de Mario D'Auria et al, "3-D PRINTED METAL-PIPE RECTANGULAR WAVEGUIDES", 21 août 2015, IEEE Transactions on components, packaging and manufacturing technologies, Vol. 5, No 9, pages 1339-1349, décrit au paragraphe III un procédé de fabrication de l'âme d'un guide d'onde par dépôt de fil en fusion (FDM, Fused déposition modeling). Ce document reconnaît que la résolution obtenue par ce procédé est limitée par le diamètre de la buse d'extrusion, qui est de 400 micromètres. Il produit ainsi une âme relativement rugueuse. Une couche d'amorçage de 3 micromètres est déposée sur cette âme ; l'épaisseur de cette couche, par rapport à la résolution du procédé d'impression de l'âme et par rapport à la rugosité Ra de l'âme, est insuffisante pour produire un lissage significatif. Une couche conductrice de 27 micromètre de cuivre est ensuite déposée sur cette couche d'amorçage.
[0012] Un exemple de guide d'ondes 1 réalisé par fabrication additive est illustré sur la figure 6. Il comporte une âme 3 non conductrice, par exemple en polymère ou céramique, qui est fabriquée par exemple par stéréolithographie, par sélective laser melting ou par un autre procédé additif et qui définit une ouverture interne 2 pour la propagation du signal RF. Dans cet exemple, la fenêtre a une section rectangulaire de largeur a et de hauteur b. Les parois internes de cette âme autour de l'ouverture 2 sont revêtues d'un revêtement électriquement conducteur 4, par exemple d'un placage métallique. Dans cet exemple, les parois externes du guide d'onde sont également revêtues d'un placage métallique 5 qui peut être du même métal et de la même épaisseur. Ce revêtement externe renforce le guide d'ondes face aux sollicitations mécaniques ou chimiques externes.
[0013] La figure 7 illustre une variante de guide d'ondes similaire à celui de la figure 6, mais sans le revêtement conducteur sur les faces externes.
[0014] Les guides d'ondes sont typiquement utilisés à l'extérieur, par exemple dans l'aérospatial (avion, hélicoptère, drone) pour équiper un engin spatial dans l'espace, sur un bateau en mer ou sur un engin sous- marin, sur des engins évoluant dans le désert ou en haute montagne, à chaque fois dans des conditions hostiles voire extrêmes. Dans ces milieux, les guides d'ondes sont notamment exposés à :
- des pressions et des températures extrêmes qui varient de façon
importante ce qui induit des chocs thermiques répétés ; un stress mécanique, le guide d'ondes étant intégré dans un engin qui subit des chocs, des vibrations et des charges qui impactent le guide d'ondes ;
- des conditions météorologiques et environnementales hostiles dans lesquels évoluent les engins équipés de guide d'ondes (vent, gel, humidités, sable, sels, champignons/bactéries) ;
[0015] Pour répondre à ces contraintes, on connaît des guides d'ondes formés par assemblage de plaques métallique préalablement usinées, qui permettent de fabriquer des guides d'ondes aptes à évoluer dans des environnements hostiles. En revanche, la fabrication de ces guides d'ondes est souvent difficile, coûteuse et difficilement adaptable à la fabrication de guide d'ondes légers et aux formes complexes.
[0016] En ce qui concerne les guides d'ondes assemblés par fabrication additive, les techniques existantes ne permettent pas la fabrication de guides d'ondes suffisamment résistants pour évoluer en milieux hostiles. Les guides d'ondes existants, fabriqués par fabrication additive d'une âme en polymère dont la surface interne est recouverte de métal, ne présentent pas des caractéristiques mécaniques et structurelles qui permettent une utilisation satisfaisante dans les milieux hostiles où l'on utilise
généralement les guides d'ondes. Exposés à des variations importantes de pressions ou de températures, la structure de ces guides d'ondes est instable et tend à se dégrader ce qui perturbe la transmission du signal RF. De plus, les guides d'ondes existants, fabriqués par fabrication additive d'un matériel conducteur, comme un matériel métallique, présentent des états de surface de trop faible qualité, notamment une rugosité trop importante, ce qui dégrade les performances RF du guide d'onde et rend la fabrication additive difficilement utilisable pour cette application. Bref résumé de l'invention
[0017] Un but de la présente invention est de proposer un dispositif à guide d'onde exempt ou minimisant les limitations des dispositifs connus.
[0018] Un autre but de l'invention est de fournir un dispositif à guide d'ondes par fabrication additive qui puissent être utilisé dans des
conditions hostiles.
[0019] Selon l'invention, ces buts sont atteints notamment au moyen d'un dispositif à dispositif à guide d'ondes pour guider un signal
radiofréquence à une fréquence f déterminée, le dispositif comprenant:
- une âme fabriquée par fabrication additive en matériau conducteur ou de préférence non conducteur, comprenant des parois latérales avec des surfaces externes et internes, les surfaces internes délimitant un canal de guide d'ondes,
- une couche de lissage recouvrant la surface interne de l'âme, réalisée de manière à lisser au moins partiellement les irrégularités de la couche de la surface interne de l'âme,
- une couche conductrice métallique recouvrant la couche de lissage, ladite couche conductrice étant formée d'un métal caractérisé par une profondeur de peau δ à la fréquence f, la couche conductrice ayant une épaisseur au moins cinq fois égale à ladite profondeur de peau δ, de préférence au moins égale à vingt fois ladite profondeur de peau.
[0020] La profondeur de peau δ est définie comme: dans laquelle μ est la perméabilité magnétique du métal plaqué, f est la fréquence radio du signal à transmettre et σ est la conductivité électrique du métal plaqué. Intuitivement, il s'agit de l'épaisseur de la zone où se concentre le courant dans le conducteur, à une fréquence donnée.
[0021] Cette solution présente notamment l'avantage par rapport à l'art antérieur de fournir des guides d'ondes assemblés par fabrication additive qui sont plus résistants aux contraintes auxquelles ils sont exposés
(contraintes thermiques, mécaniques, météorologiques et
environnementales).
[0022] Dans les guides d'ondes assemblés par fabrication additive selon les méthodes existantes, les propriétés structurelles, mécaniques,
thermiques et chimiques dépendent essentiellement des propriétés de l'âme. Typiquement, on connaît des guides d'ondes dans lequel la couche conductrice déposée sur l'âme est très mince, inférieure à la profondeur de peau du métal constituant la couche conductrice. Ainsi, il était
généralement admis que pour améliorer les propriétés structurelles et mécaniques des guides d'ondes il fallait augmenter l'épaisseur et/ou la rigidité de l'âme. Il était aussi admis qu'il faut réduire l'épaisseur de la couche pelliculaire conductrice, afin d'alléger la structure.
[0023] Les inventeurs ont découvert qu'en augmentant l'épaisseur de la couche conductrice pour que cette dernière atteigne une épaisseur au moins cinq fois égale à la profondeur de peau δ du métal de la couche conductrice, de préférence au moins égale à vingt fois cette profondeur, les propriétés structurelles, mécaniques, thermiques et chimiques du guide d'onde dépendent majoritairement, voire quasi exclusivement, de la couche conductrice. Ce comportement surprenant est observé bien que l'épaisseur de la couche conductrice reste significativement inférieure à l'épaisseur de l'âme.
[0024] Dans un mode de réalisation, la résistance du dispositif choisi parmi la résistance en traction, en torsion, en flexion ou une combinaison de ces résistances est conférée majoritairement par la couche conductrice. Par exemple, un moyen de caractériser la résistance d'un dispositif est de mesurer le module de Young. Il est admis que pour un matériau, plus le module de Young est élevé, plus le matériau est rigide. Par exemple, l'acier a un module de Young plus élevé que le caoutchouc. Selon un mode de réalisation, la couche conductrice est constituée de métal et est moins épaisse que l'âme et pourtant c'est la couche métallique qui assure l'essentielle de la rigidité du dispositif. Ainsi, il est possible de diminuer l'épaisseur de l'âme, et ainsi ses dimensions, tout en améliorant la résistance en traction, en torsion, en flexion du dispositif (cf. figure 12). Il est avantageux de pouvoir diminuer l'épaisseur des parois, et ainsi les dimensions du guide d'ondes, tout en augmentant la résistance en traction (par exemple la rigidité), en torsion, en flexion du guide d'ondes, notamment pour des engins spatiaux ou sous-marin ou lorsque l'espace disponible pour chaque composant est restreint. [0025] Dans un mode de réalisation, la résistance du dispositif choisi parmi la résistance en traction, en torsion, en flexion ou une combinaison de ces résistances étant conférée majoritairement par la couche conductrice sur la plage de températures opérationnelles du dispositif. Par
températures opérationnelles, on entend des températures entre -150°C et +150°C. Cette plage de températures permet de couvrir la majorité des températures ou le dispositif selon l'invention est susceptible d'évoluer (espace, désert, eaux profondes, etc .).
[0026] Dans un mode de réalisation, la couche conductrice a une épaisseur comprise entre vingt fois et soixante fois la profondeur de peau δ. Ce mode de réalisation permet de diminuer, voire de supprimer, la rugosité de la surface conductrice. Cela permet également de renforcer la résistance en traction, en torsion, en flexion du dispositif, par exemple la rigidité du guide d'ondes.
[0027] Dans un mode de réalisation, la couche conductrice a une épaisseur comprise entre soixante fois et mille fois la profondeur de peau δ. Une telle épaisseur de couche conductrice permet particulièrement de renforcer la résistance en traction, en torsion, en flexion du dispositif, par exemple la rigidité du guide d'ondes.
[0028] Le dispositif comprend une couche de lissage entre l'âme et la couche conductrice. A l'issue de la fabrication additive de l'âme, il a été observé que le processus de fabrication additive créé une forte rugosité (par exemple des creux et des bosses), notamment sur les bords et surface de l'âme, notamment sur les bords en biais. Ces creux et bosses peuvent prendre la forme de marches d'escalier, chaque marche représentant l'ajout d'une couche de matériau non conducteur lors de la fabrication additive. Il a été observé qu'après recouvrement de l'âme par une couche conductrice fine, la rugosité de l'âme persistaient de sorte que la surface après métallisation présentait encore une rugosité qui perturbait la transmission du signal RF. Dans ce cas, l'ajout d'une couche de lissage entre l'âme et la couche conductrice permet de diminuer, voire de supprimer, cette rugosité ce qui améliore la transmission du signal RF. La couche de lissage peut être en matériau conducteur ou non conducteur.
[0029] L'épaisseur de cette couche de lissage est de préférence comprise entre 5 et 500 microns, de préférence entre 10 et 150 microns, de
préférence entre 20 et 150 microns. Dans le cas d'une fabrication de l'âme par stéréolithographie ou par sélective laser melting, cette épaisseur permet de lisser efficacement les irrégularités de surface dues au procédé d'impression.
[0030] L'épaisseur de ladite couche de lissage est de préférence supérieure ou égale à la rugosité (Ra) de l'âme. [0031] L'épaisseur de ladite couche de lissage est de préférence supérieure ou égale à la résolution du procédé de fabrication de l'âme.
[0032] Lorsque la couche de lissage comprend un matériau faiblement conducteur, par exemple le Nickel, la transmission du signal RF est assurée essentiellement par la couche conductrice métallique externe, l'influence de la couche de lissage est négligeable, et dans ce cas la couche conductrice externe doit avoir une épaisseur au moins cinq fois égale à ladite
profondeur de peau δ, de préférence au moins 20 fois égale à cette profondeur de peau. [0033] Dans un mode de réalisation, la résistance du dispositif choisi parmi la résistance en traction, en torsion, en flexion ou une combinaison de ces résistances est conférée majoritairement par la couche conductrice comprenant la couche de lissage.
[0034] Dans un mode de réalisation, la résistance du dispositif choisi parmi la résistance en traction, en torsion, en flexion ou une combinaison de ces résistances est conférée majoritairement par la couche conductrice comprenant la couche de lissage sur la plage de températures
opérationnelles du dispositif.
[0035] L'utilisation d'une couche conductrice plus épaisse que ce qui serait exigé par l'épaisseur de peau contribue également à lisser les rugosités de l'âme dues à la résolution de l'imprimante 3D. Ainsi, la couche conductrice permet également de diminuer, voire de supprimer, la rugosité de l'âme.
[0036] Cette couche de lissage améliore aussi les propriétés structurelles, mécaniques, thermiques et chimiques du dispositif à guide d'ondes.
[0037] Dans un mode de réalisation, le dispositif comprend une couche d'accrochage (ou d'amorçage) entre l'âme et la couche conductrice. De préférence, la couche d'accrochage est sur la surface interne de l'âme. La couche d'accrochage peut être en matériau conducteur ou non conducteur. La couche d'accrochage permet d'améliorer l'adhésion de la conductrice sur l'âme. Son épaisseur est de préférence inférieure à la rugosité Ra de l'âme, et inférieure à la résolution du procédé de fabrication additive de l'âme.
[0038] Dans un mode de réalisation, le dispositif comprend
successivement une âme non conductrice réalisée en fabrication additive, une couche d'accrochage, une couche de lissage et une couche conductrice. Ainsi, la couche d'accrochage et la couche de lissage permettent de diminuer la rugosité de la surface du canal guide d'ondes. La couche d'accrochage permet d'améliorer l'adhésion de l'âme, conductrice ou non conductrice, avec la couche de lissage et la couche conductrice.
[0039] Dans un mode de réalisation, la couche métallique comprend plusieurs sous-couches de métaux. Lorsque la couche conductrice comprend plusieurs couches successives de métaux fortement conducteurs, par exemple Cu, Au, Ag, la profondeur de peau δ est déterminée par les propriétés des matériaux de toutes les couches dans lesquelles se concentre le courant pelliculaire.
[0040] Lorsque la couche conductrice comprend plusieurs sous couches successives de métaux dont au moins un est un faible conducteur, par exemple Ni, la profondeur de peau δ de la sous-couche faiblement conductrice est négligeable dans le calcul de l'épaisseur de la couche conductrice, l'essentiel de la transmission du signal RF étant assurée par les sous couches en métaux fortement conducteurs déposés par-dessus la sous couche de matériaux faiblement conducteurs.
[0041] Dans un mode de réalisation, la couche métallique conductrice recouvre également la surface externe de l'âme. Lorsque le dispositif est recouvert d'une couche métallique, la rigidité du dispositif est améliorée. [0042] Selon un mode de réalisation, l'âme comprend au moins une couche de polymère et/ou de céramique.
[0043] Dans un mode de réalisation, l'âme est formée d'un métal ou d'un alliage. Par exemple, le métal ou l'alliage est choisi parmi Cu, Au, Ag, Ni, Al, acier inoxydable, laiton ou une combinaison de ces choix.
[0044] Dans un mode de réalisation, la couche métallique comprend un métal choisi parmi Cu, Au, Ag, Ni, Al, acier inoxydable, laiton.
[0045] Dans un mode de réalisation, la couche d'accrochage comprend au choix un métal choisi parmi Cu, Au, Ag, Ni, Al, acier inoxydable, laiton, un matériau non conducteur par exemple un polymère ou une céramique ou une combinaison de ces choix.
[0046] Dans un mode de réalisation, la couche de lissage comprend au choix un métal choisi parmi Cu, Au, Ag, Ni, Al, acier inoxydable, laiton, un matériau non conducteur, par exemple un polymère ou une céramique ou une combinaison de ces choix.
[0047] Dans un mode de réalisation, le dispositif comprend
successivement une âme, une couche d'accrochage, une couche de lissage en nickel, et ladite couche conductrice métallique.
[0048] Selon un mode de réalisation, le dispositif comprend
successivement une âme non conductrice, une première couche de cuivre, une couche de nickel, une deuxième couche de cuivre. La couche d'accrochage comprend la première couche de cuivre. La couche de lissage comprend la couche de Ni. La couche métallique comprend la deuxième couche de Cu. [0049] L'invention concerne également un procédé de fabrication d'un dispositif à guide d'ondes pour guider un signal radiofréquence à une fréquence f déterminée, le procédé comprenant:
- Fabriquer une âme en matériau conducteur ou de préférence non conducteur comprenant des parois latérales avec des surfaces externes et internes, les surfaces internes délimitant un canal de guide d'ondes,
- Déposer une couche conductrice sur la surface interne de l'âme, ladite couche conductrice étant formée d'un métal caractérisé par une profondeur de peau δ à la fréquence f, le procédé étant caractérisé en ce que ladite couche conductrice a une épaisseur égale à au moins vingt fois ladite profondeur de peau δ.
[0050] Selon un mode de réalisation, le dépôt de la couche conductrice sur l'âme est effectué par dépôt électrolytique ou galvanoplastie, dépôt chimique, dépôt sous vide, dépôt physique par phase vapeur (PVD), dépôt par impression, dépôt par frittage.
[0051] Dans un mode de réalisation du procédé, la couche conductrice comprend plusieurs couches de métaux et/ou de non métaux déposées successivement. [0052] Dans un mode de réalisation, la fabrication de ladite âme comporte une étape de fabrication additive. On entend par « fabrication additive » tout procédé de fabrication de pièces par ajout de matière, selon des données informatiques stockées sur un support informatique et définissant un modèle de la pièce. Outre la stéréolithographie et le sélective laser melting, l'expression désigne aussi d'autres méthodes de fabrication par durcissement ou coagulation de liquide ou de poudre notamment, y compris sans limitation des méthodes basées sur des jets d'encre (binder jetting), DED (Direct Energy Déposition), EBFF (Electron beam freeform fabrication), FDM (fused déposition modeling), PFF (plastic freeforming), par aérosols, BPM (ballistic particle manufacturing), lit de poudre, SLS (Sélective Laser Sintering), ALM (additive Layer Manufacturing), polyjet, EBM (électron beam melting), photopolymerisation, etc. La fabrication par stéréolithographie ou par sélective laser melting est cependant préférée car elle permet d'obtenir des pièces avec des états de surface relativement propres, à faible rugosité, ce qui réduit les contraintes sur la couche de lissage. [0053] L'invention concerne en outre un procédé de fabrication comprenant:
1) l'introduction de données représentant la forme d'une âme pour dispositif à guide d'ondes, l'âme comportant des parois latérales avec des surfaces externes et internes,
2) l'utilisation de ces données pour réaliser par fabrication additive une âme de dispositif à guide d'ondes,
3) la déposition d'une couche conductrice sur ladite âme, la couche conductrice étant caractérisée par une profondeur de peau δ à la fréquence f, de manière à recouvrir les surfaces internes de l'âme pour définir un canal guide d'ondes,
4) caractérisé en ce que lesdites données représentant la forme d'une âme sont déterminée en tenant compte de l'épaisseur de la couche conductrice de manière à ce que le guide d'onde soit optimisé pour la transmission de signal RF à la fréquence f, la couche conductrice ayant une épaisseur d'au moins cinq fois, de préférence vingt fois, la profondeur de peau δ. [0054] Les dimensions du canal guide d'ondes sont déterminées en fonction de la fréquence de l'onde à transmettre. Il est nécessaire de connaître l'épaisseur des couches conductrice et l'épaisseur des parois de l'âme pour calculer les dimensions (largeur et hauteur) du canal guide d'ondes. Dans le procédé selon l'invention, l'épaisseur de l'âme qui est fabriquée est calculée en tenant compte de l'épaisseur inhabituelle de la couche conductrice qui sera déposée dans un second temps sur l'âme pour obtenir un canal guide d'ondes aux dimensions requises.
[0055] L'invention concerne également un support de données informatique contenant des données destinées à être lues par un dispositif de fabrication additive pour fabriquer un objet, lesdites données
représentant la forme d'une âme pour dispositif à guide d'ondes, ladite âme comportant des parois latérales avec des surfaces externes et internes, les surfaces internes définissant un canal de guide d'ondes.
[0056] Le support de données informatique peut être constitué par exemple par un disque dur, une mémoire flash, un disque virtuel, une clé USD, un disque optique, un support de stockage dans un réseau ou de type cloud, etc.
[0057] Les modes de réalisation du dispositif de guide d'onde
s'appliquent mutatis mutandis aux procédés de fabrication et au support de données selon l'invention et vice versa. [0058] Dans le contexte de l'invention, les termes « couche
conductrice », « revêtement conducteur », « couche conductrice
métallique » et « couche métallique » sont synonymes et interchangeables.
Brève description des figures
[0059] 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 une vue en perspective tronquée d'un dispositif guide d'onde conventionnel à section rectangulaire.
• La figure 2 illustre les lignes de champ magnétiques et électriques dans le dispositif de la figure 1. · La figure 3 illustre une vue en perspective tronquée d'un dispositif guide d'ondes conventionnel à section circulaire.
• La figure 4 illustre les lignes de champ magnétiques et électriques dans le dispositif de la figure 3.
• La figure 5 illustre différentes sections possibles de canaux de transmission dans des dispositifs à guide d'ondes.
• La figure 6 illustre une vue en perspective tronquée d'un dispositif guide d'onde à section rectangulaire produit par fabrication additive et dont les parois internes et externes sont toutes deux recouvertes d'une déposition de matériau électrique conducteur. · La figure 7 illustre une vue en perspective tronquée d'un dispositif guide d'ondes à section rectangulaire produit par fabrication additive et dont seules les parois internes sont recouvertes d'une déposition de matériau électrique conducteur.
• Les figures 8A et 8B illustrent un dispositif selon un premier mode de réalisation dans lequel l'âme est recouverte d'une seule couche conductrice sur la face interne et, respectivement, sur la face interne et externe.
• Les figures 9A et 9B illustrent un dispositif selon un deuxième mode de réalisation dans lequel l'âme est recouverte d'une couche de lissage puis d'une couche conductrice sur la face interne et, respectivement, sur la face interne et externe.
• Les figures 10A et 10B illustre un dispositif selon un troisième mode de réalisation dans lequel l'âme est recouverte d'une couche d'accrochage, d'une couche de lissage puis d'une couche conductrice sur la face interne et, respectivement, sur la face interne et externe.
• La figure 1 1 représente une vue en coupe longitudinale d'une portion de la surface rugueuse de l'âme de la couche de lissage et conductrice sur cette âme. · La figure 12 est un tableau comparatif des modules de Young pour un guide d'ondes selon l'art antérieur et un guide d'onde selon la présente invention.
Exemple(s) de mode de réalisation de l'invention
[0060] Les figures 8, 9 et 10 représentent trois modes de réalisation d'un dispositif à guide d'ondes 1 selon l'invention, avec à chaque fois deux sous- variantes. Le guide d'ondes 1 comporte une âme 3, par exemple une âme en métal (aluminium, Titane ou acier), ou éventuellement en polymère, en époxy, en céramique, ou en matériau organique.
[0061] L'âme 3 est fabriquée par fabrication additive, de préférence par stéréolithographie ou par sélective laser melting afin de réduire la rugosité de la surface. Le matériau de l'âme peut être non conducteur ou
conducteur. L'épaisseur des parois de l'âme est par exemple entre 0,5 et 3 mm, de préférence entre 0,8 et 1 ,5mm.
[0062] La forme de l'âme peut être déterminée par un fichier
informatique stocké dans un support de données informatique. [0063] L'âme peut aussi être constituée de plusieurs parties formées par stéréolithographie ou par sélective laser melting et assemblées entre elles avant le plaquage, par exemple par collage ou fusion thermique ou assemblage mécanique. [0064] Cette âme 3 délimite un canal interne 2 destiné au guidage d'ondes, et dont la section est déterminée selon la fréquence du signal électromagnétique à transmettre. Les dimensions de ce canal interne a, b et sa forme sont déterminées en fonction de la fréquence opérationnelle du dispositif 1 , c'est-à-dire la fréquence du signal électromagnétique pour lequel le dispositif est fabriqué et pour laquelle un mode de transmission stable et optionnellement avec un minimum d'atténuation est obtenu.
[0065] L'âme 3 présente une surface interne 7 et une surface externe 8, la surface interne 7 recouvrant les parois de l'ouverture de section rectangulaire 2. [0066] Dans un premier mode de réalisation illustré sur la figure 8A, la surface interne 7 de l'âme 3 en polymère est recouverte d'une couche métallique 4 conductrice, par exemple de cuivre, d'argent, d'or, de nickel etc, plaqué par déposition 25 chimique sans courant électrique. L'épaisseur de cette couche est par exemple comprise entre 1 et 20 micromètres, par exemple entre 4 et 10 micromètres.
[0067] L'épaisseur de ce revêtement conducteur 4 doit être suffisante pour que la surface soit conductrice électriquement à la fréquence radio choisie. Ceci est typiquement obtenu à l'aide d'une couche conductrice dont l'épaisseur est supérieure à la profondeur de peau δ .
[0068] Cette épaisseur est sensiblement constante sur toutes les surfaces internes afin d'obtenir une pièce finie avec des tolérances dimensionnelles pour le canal précises. Selon l'invention, l'épaisseur de cette couche 4 est au moins vingt fois supérieure à la profondeur de peau afin d'améliorer les propriétés structurelles, mécaniques, thermiques et chimiques du dispositif. [0069] Sur le mode de réalisation de la figure 8A, la surface externe 8 de l'âme est nue. Afin de la protéger, sur le mode de réalisation de la figure 8B, cette surface externe est également recouverte d'une couche
conductrice 5, qui contribue également à améliorer les propriétés structurelles, mécaniques, thermiques et chimiques du dispositif.
[0070] La déposition de métal conducteur 4,5 sur les faces internes 7 et éventuellement externes 8 se fait en immergeant l'âme 3 dans une série de bains successifs, typiquement 1 à 15 bains. Chaque bain implique un fluide avec un ou plusieurs réactifs. La déposition ne nécessite pas d'appliquer un courant sur l'âme à recouvrir. Un brassage et une déposition régulière sont obtenus en brassant le fluide, par exemple en pompant le fluide dans le canal de transmission et/ou autour du dispositif ou en vibrant l'âme 3 et/ou le bac de fluide, par exemple avec un dispositif vibrant à ultrasons pour créer des vagues ultrasoniques. [0071] Dans le mode de réalisation illustré sur la figure 9A, la surface interne 7 de l'âme de polymère 3 est recouverte d'une couche de lissage 9, par exemple une couche en Ni. L'épaisseur de la couche de lissage 9 est au moins égale à la rugosité Ra de la surface interne 7, ou au moins égale à la résolution du procédé d'impression 3D utilisé pour fabriquer l'âme (la résolution du procédé d'impression 3D déterminant la rugosité Ra de la surface). Dans un mode de réalisation, l'épaisseur de cette couche est comprise entre 5 et 500 micromètres, de préférence entre 10 et 150 micromètres, de préférence entre 20 et 150 micromètres. Cette couche de lissage détermine également les propriétés mécaniques et thermiques du dispositif 1. La couche de Ni 9 est ensuite recouverte de la couche conductrice 4, par exemple en cuivre, en argent, en or etc.
[0072] La couche de lissage permet de lisser la surface de l'âme et donc de réduire les pertes de transmission dues à la rugosité de la surface interne. [0073] Dans ce mode de réalisation, l'âme 3 est donc recouverte d'une couche métallique 4+9 formée d'une couche de lissage 9 et d'une couche conductrice 4. L'épaisseur totale de cette couche 4+9 est supérieure ou égale à cinq fois, de préférence vingt fois la profondeur de peau δ. La valeur du module de Young du dispositif 1 est conférée majoritairement par cette couche conductrice 4+9. L'épaisseur de la couche conductrice 4 peut aussi à être seule être supérieure ou égale à vingt fois la profondeur de peau δ . La couche la plus conductrice est de préférence déposée en dernier, à la périphérie. [0074] De la même façon, sur la figure 9B, la surface interne 7 de l'âme non conductrice de polymère 3 est recouverte d'une couche de lissage 9 en Ni, déposée par déposition chimique. La couche de Ni 9 est ensuite recouverte par déposition chimique d'une couche conductrice 4 en Cu, dont l'épaisseur est au moins égale à vingt épaisseurs de peau à la fréquence de transmission nominale du guide d'ondes. La surface externe 8 de l'âme 3 est également recouverte par déposition chimique d'une couche de lissage 6 en nickel, qui sert aussi de support structurel. Une couche conductrice 5, par exemple du cuivre, peut être déposée par-dessus cette couche de lissage. [0075] Dans le mode de réalisation illustré sur la figure 10A, le guide d'onde 1 comprend une couche d'accrochage 1 1 , par exemple une couche en Cu, par-dessus la surface interne 7 de l'âme 3 ; cette couche
d'accrochage facilite la déposition ultérieure de la couche de lissage 9 si une telle couche est prévue, ou de la couche conductrice 4. L'épaisseur de cette couche est avantageusement inférieure à 30 micromètres.
[0076] De la même façon, sur la figure 10B, le guide d'onde 1 comprend une couche d'accrochage 12, par exemple une couche en Cu, par-dessus la surface externe 8 de l'âme 3 ; cette couche d'accrochage facilite la déposition ultérieure de la couche de lissage 6. [0077] La figure 1 1 est un schéma représentant une coupe longitudinale d'une portion de la surface interne 7 de l'âme 3 d'un dispositif guide d'onde 1 comportant un canal de guide d'onde 2. On voit que cette surface interne est très irrégulière ou rugueuse en raison du procédé de fabrication additive.
[0078] Par-dessus l'âme 3, le guide d'onde 1 comprend une couche d'accrochage 1 1 , par exemple une couche en Cu entre 1 et 10 micromètres d'épaisseur.
[0079] Une couche de lissage 9, par exemple une couche en Ni, est déposée par déposition chimique et permet de lisser partiellement les irrégularités de la couche de la surface de l'âme 3. L'épaisseur de cette couche de lissage est au moins supérieure à la résolution du système d'impression additif et donc à la rugosité de Ra de la surface ; dans un mode de réalisation, l'épaisseur de la couche de lissage 9 est comprise entre 5 et 500 micromètres, de préférence entre 20 et 150 micromètres.
[0080] Une troisième couche conductrice 4 en cuivre ou en argent est déposée par déposition chimique sur la couche de lissage 9 ; son épaisseur est de préférence supérieure ou égale à vingt fois l'épaisseur de peau à la fréquence f nominale du guide d'ondes, de manière à ce que les courants superficiels se concentrent majoritairement, voire presque exclusivement, dans cette couche. L'épaisseur relativement importante de cette couche conductrice 4 permet en outre de renforcer la rigidité mécanique du dispositif. Dans un mode de réalisation, l'épaisseur de cette couche est comprise entre 5 et 50 micromètres, de préférence entre 5 et 15
micromètres.
[0081] Ces dépositions peuvent être appliquées mutatis mutandis à la surface externe 8.
[0082] Le tableau de la figure 12 compare le module de Young d'un guide d'onde 1 entièrement en Al avec le module de Young d'un dispositif guide d'onde 1 selon l'invention. Le guide d'onde selon l'art antérieur utilisé pour cette comparaison est constitué d'une feuille d'AI de 500 micromètre d'épaisseur ayant un module de Young de 72500 N/mm2. Le guide d'onde 1 selon l'invention utilisé dans cet exemple comprend une âme 3 en polymère de 1 mm d'épaisseur, une couche d'accrochage 1 1 de Cu de 5 micromètre, une couche de lissage 9 en Ni de 90 micromètre et une couche conductrice 4 de Cu de 5 micromètre. L'épaisseur globale du revêtement est ainsi de 100 micromètre pour un module de Young de 214000 N/mm2. L'influence des couches d'accrochage sur le module de Young est négligeable. On remarque que la résistance en flexion (rigidité en flexion) du guide d'onde selon l'invention est supérieure à celle du guide d'onde entièrement en aluminium selon l'art antérieur, pour un poids réduit.
Numéros de référence employés sur les figures
1 Dispositif guide d'ondes
a Hauteur du guide d'ondes
b Largeur du guide d'ondes
2 Canal guide d'onde
3 Âme
4 Revêtement conducteur interne
5 Revêtement conducteur externe
6 Couche de lissage ou structurelle
7 Surface interne de l'âme
8 Surface externe de l'âme
9 Couche de lissage
1 1 Couche d'accrochage interne
12 Couche d'accrochage externe

Claims

Revendications
1. Dispositif à guide d'ondes (1) pour guider un signal radiofréquence à une fréquence f déterminée, le dispositif (1) comprenant:
- une âme (3) fabriquée par fabrication additive et comprenant des parois latérales avec des surfaces externes (8) et internes (7), les surfaces internes (7) délimitant un canal de guide d'ondes (2),
- une couche de lissage (9) recouvrant la surface interne (7) de l'âme (3), réalisée de manière à lisser au moins partiellement les
irrégularités de la couche de la surface interne de l'âme, - une couche conductrice métallique (4) recouvrant la couche de
lissage, ladite couche conductrice métallique (4) étant formée d'un métal caractérisé par une profondeur de peau δ à la fréquence f, la couche conductrice métallique (4) ayant une épaisseur au moins égale à cinq fois ladite profondeur de peau δ.
2. Dispositif à guide d'onde (1) selon la revendication 1 , l'épaisseur de ladite couche de lissage (9) est comprise entre 5 et 500 microns, de préférence entre 10 et 150 microns, de préférence entre 20 et 150 microns.
3. Dispositif à guide d'onde (1) selon l'une des revendications 1 ou 2, l'épaisseur de ladite couche de lissage (9) étant supérieure ou égale à la rugosité (Ra) de l'âme.
4. Dispositif à guide d'onde (1) selon l'une des revendications 1 à 3, l'épaisseur de ladite couche de lissage (9) étant supérieure ou égale à la résolution du procédé de fabrication de l'âme.
5. Dispositif à guide d'onde (1) selon l'une des revendications 1 à 4, la couche de lissage étant formée de nickel.
6. Dispositif à guide d'onde (1) selon l'une des revendications 1 à 5, l'âme étant formée d'un métal ou d'un alliage.
7. Dispositif à guide d'onde (1) selon la revendication 6, l'âme étant formée d'aluminium, de titane ou d'acier.
8. Dispositif à guide d'onde (1) selon l'une des revendications 1 à 5, l'âme (3) étant formée d'un matériau polymère.
9. Dispositif à guide d'onde (1) selon l'une des revendications 1 à 5, l'âme (3) étant formée de céramique.
10. Dispositif à guide d'onde (1) selon l'une des revendications 1 à 5, l'âme (3) étant réalisée par stéréolithographie ou par sélective laser melting.
1 1. Dispositif à guide d'onde (1) selon l'une des revendications 1 à 10, la couche métallique (4) comprenant au choix un métal choisi parmi Cu, Au,
Ag, Ni, Al, acier inoxydable, laiton ou une combinaison de ces métaux.
12. Dispositif à guide d'onde (1) selon l'une des revendications 1 à 1 1 , l'épaisseur de ladite couche conductrice métallique (4) étant au moins égale à vingt fois ladite profondeur de peau δ.
13. Dispositif à guide d'onde selon l'une des revendications 1 à 12, comportant en outre une couche d'accrochage (1 1) entre ladite âme et ladite couche de lissage.
14. Dispositif à guide d'onde (1) selon la revendication 1 à 13, la résistance du dispositif (1) choisie parmi la résistance en traction, en torsion, en flexion ou une combinaison de ces résistances étant conférée
majoritairement par la couche conductrice (4).
15. Dispositif à guide d'onde (1) selon la revendication 14, la résistance du dispositif (1) choisi parmi la résistance en traction, en torsion, en flexion ou une combinaison de ces résistances étant conférée majoritairement par la couche conductrice (4) et par la couche de lissage (9).
16. Dispositif à guide d'onde (1) selon l'une des revendications 1 à 15, comprenant une couche métallique (5) recouvrant la surface externe (8) de l'âme (3).
17. Procédé de fabrication d'un dispositif à guide d'ondes (1) pour guider un signal radiofréquence à une fréquence f déterminée, le procédé comprenant:
Fabriquer une âme (3) comprenant des parois latérales avec
surfaces externes (8) et internes (7), les surfaces internes (7)
délimitant un canal de guide d'ondes (2),
Déposer sur la surface interne (7) de l'âme (3) successivement une couche de lissage (9) et une couche conductrice (4), l'épaisseur de la couche de lissage étant supérieure ou égale à la rugosité (Ra) de l'âme (3) de manière à lisser au moins partiellement les irrégularités de la couche de la surface interne de l'âme, ladite couche conductrice (4) étant formée d'un métal caractérisé par une profondeur de peau δ à la fréquence f, ladite couche conductrice (4) a une épaisseur au moins égale à cinq fois ladite profondeur de peau δ.
18. Procédé selon la revendication 17, la fabrication de l'âme comportant une étape de fabrication additive par stéréolithographie ou par sélective laser melting.
19. Procédé selon la revendication 18, comportant la déposition d'une couche d'accrochage entre ladite âme et ladite couche de lissage.
20. Support de données informatique comprenant des données destinées à la fabrication additive d'une âme (3) d'un dispositif à guide d'ondes (1) selon l'une des revendications 1 à 16, l'âme comportant des parois latérales avec des surfaces externes (8) et internes (7),
lesdites données représentant la forme d'une âme (3) étant déterminée de manière à ce que le guide d'onde soit optimisé pour la transmission de signal RF à la fréquence f, en tenant compte de l'épaisseur d'une couche de lissage destinée à être superposée sur ladite âme, ladite épaisseur étant supérieure ou égale à la résolution du procédé de
fabrication additive, et d'une couche conductrice destinée à être
superposée sur la couche de lissage, la couche conductrice ayant une épaisseur d'au moins cinq fois la profondeur de peau δ.
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