Articles

Méthode d’allègement d’une antenne cornet vivaldi

antenne cornet double ridge ultra légère

Introduction

Le poids, la vitesse de développement le coût et l’encombrement des systèmes sont des problématiques importantes dans le domaine des hyperfréquences. Cependant, la complexité croissante des différents systèmes réalisés en technologie volumique tend à augmenter leur encombrement, poids et temps d’usinage et donc, leurs coûts. Durant la dernière décennie, les techniques d’impression 3d ont fait un grand bond dans la fabrication de dispositifs radiofréquence. La fabrication additive contrairement l’usinage classique permet de réaliser de pièces avec des formes complexes en un temps record [1]. Les techniques de fabrication additive deviennent de plus en plus le premier choix pour la fabrication de dispositifs hyperfréquence tels que des guides d’ondes, les filtres des antennes cornets ou les réseaux d’antennes [2]. Récemment des dispositifs plus complexes tels que des antennes à ouverture variable ont été réalisés [3] ainsi que d’autres dispositifs simples allégés [4].

Dans ce papier les auteurs proposent une antenne ultralégère à ouverture variable imprimée en 3D fonctionnant dans la bande de fréquences 2-18 GHz. Les performances de cette antenne sont comparées à celle de l’antenne originale.

Conception et réalisation de l’antenne

L’antenne proposée est présentée à la Figure 1. Elle est inspirée d’un modèle d’antenne usinée de façon conventionnelle et qui pèse 380 g. L’intérêt du travail décrit ici est d’adapter une telle  antenne  à  la  fabrication

additive dans le but de réduire drastiquement le poids, le coût et la durée de fabrication. Une version ultralégère (UL) de l’antenne est conçue et réalisée. Les dimensions de cette antenne et de sa transition coaxiale vers guide d’ondes présentées à la Figure 1, sont adaptées à l’utilisation d’un connecteur SMA directement vissé à l’antenne sans modification. Ces dimensions sont aussi choisies pour avoir un gain minimum de 6 dBi à 2 GHz et augmentant progressivement jusqu’à 16 dBi à 18 GHz.

Les parois de l’antenne sont ensuite percées de multiples trous dont les dimensions sont très inférieures à la longueur d’onde afin d’éviter tout rayonnement sur les bords de l’antenne. Ces trous permettent de réduire la quantité de matière nécessaire à la fabrication et par conséquent le poids de l’antenne finale. La cellule unitaire des trous est  représentée en pointillés sur la Figure 2. Elle présente une périodicité p = 4.6 mm et un motif de forme carrée de côté l = 3 mm, soit respectivement 0.276λ et 0.18λ, où λ est la longueur d’onde à 18 GHz.

L’antenne a été conçue et simulée sous l’environnement logiciel Ansys HFSS et imprimée en stéréolithographie grâce à l’imprimante Formlabs Form 2 et la résine Formlabs White v4. Les pièces sont ensuite métallisées par un procédé chimique déposant une couche de 3µm de cuivre, puis par un procédé électrolytique de cuivre et d’étain d’une épaisseur de 10 µm chacune. Une photo de l’antenne ainsi réalisée est présentée sur la Figure 3 (a)

https://www.elliptika.com/wp-content/uploads/2021/08/antenne-allege.png

Figure n°1 : Coupe transverse de l’antenne cornet Vivaldi simple polarisation ultralégère dans le plan des champs (a) électrique et (b) magnétique. Les dimensions internes de l’antenne sont données en mm      et l’épaisseur de parois est de 2mm.

https://www.elliptika.com/wp-content/uploads/2021/08/antenne-allege-1.png

Figure n°2 : Cellule unitaire des trous appliqués aux parois de l’antenne ultralégère, de périodicité p et de largeur de motif .

https://www.elliptika.com/wp-content/uploads/2021/08/mesure_UL_antenna.png

Figure n°3. (a) Coefficients de réflexion simulés et mesuré et (b) diagrammes de rayonnement simulés de l’antenne cornet Vivaldi simple polarisation en version classique (antenne) et en version ultralégère (antenne UL).

Résultats de simulation et de mesure

Le poids de l’antenne connectorisée ainsi obtenue est de 76 g, soit une réduction de 80% du poids de l’antenne usinée de manière classique.

La Figure 3 (a) donne les résultats de simulation d’une antenne sans trou et de sa version ultralégère présentée à la Figure 1. Les coefficients de réflexion |R| simulés des deux antennes sont à peine différenciables démontrant la transparence électromagnétique des motifs décrits sur la Figure 2. Une très légère remontée du coefficient de réflexion |R| peut être observée en mesure en comparaison à la simulation tout en conservant une très bonne concordance avec cette dernière. Cette légère remontée peut être attribuée aux précisions d’impression et de métallisation, notamment au niveau de la connexion entre le connecteur SMA et les deux stries. Les précisions de fabrication étant critiques à cet endroit.

La Figure 3 (b) présente les diagrammes de rayonnement simulés de l’antenne avec et sans trous à 12 GHz. Les diagrammes de rayonnement des deux versions sont parfaitement identiques, ce qui montre qu’il n’y a aucune fuite du rayonnement à travers les parois percées.

Conclusion

Une méthode d’allègement par évidement des parois a été appliquée à une antenne cornet Vivaldi simple polarisation impression 3D fonctionnant dans la bande 2-18 GHz avec un gain de  12 dBi. L’antenne est fabriquée par stéréolithographie et ensuite métallisée. Cette technique de fabrication a permis d’atteindre un poids de 76 g contre 380 g pour l’antenne du commerce réalisée par usinage avec des performances similaires.

Références

[1] I. Gibson, et al., “Additive Manufacturing Technologies: Rapid Prototyping to Direct Digital Manufacturing”, Springer-Verlag, 2010

[2] H. Yao, et al., “Ka band 3d printed horn antennas, » 2017 Texas Symposium on Wireless and Microwave Circuits and Systems (WMCS), Waco, TX, 2017, pp. 1-4.

[3] B. Zhang, et al., “Metallic, 3D-Printed, K-Band-Stepped, Double-Ridged Square Horn Antennas”, Appl. Sci. 2018, 8(1), 33

[4] G. Huang, et al., “Lightweight Perforated Waveguide Structure Realized by 3-D Printing for RF Applications”, IEEE Trans. Antennas Propag., vol. 65, no 8, p. 3897‑3904, 2017.

Voici quelques références de produits Elliptika utilisant cette technique :

ELL-A3D-SP-009008001200-01

ELL-A3D-SP-020018001200-01 

ELL-A3D-SP-020018001200-02

Auteurs : J. Haumant1,2, G. Cochet1, D. Diedhiou1, A. Manchec1, R. Allanic2, C. Quendo2, C. Person3, R.-M. Sauvage4

1Elliptika, 2 rue Charles Jourde, 29200 Brest, France

2Univ. Bretagne Occidentale, UMR6285, Lab-STICC, 29200 Brest, France

3IMT-Atlantique, UMR6285, Lab-STICC, 29200 Brest, France

4DGA, 60 Bd Général Martial Valin, 75000 Paris, France