Méthode d’allègement d’une antenne cornet vivaldi

Le poids, la vitesse de développement, le coût et l’encombrement des systèmes sont des problématiques importantes dans le domaine des hyperfréquences pour des applications telles que les télécommunications, les radars, la guerre électronique…. . Cependant, la complexité croissante des différents systèmes électroniques 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 électroniques radiofréquence et hyperfréquence. La fabrication additive contrairement à 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].

Cette article propose une antenne ultralégère à ouverture variable réalisée en impression 3D et fonctionnant dans la bande de fréquence de  2 GHz à 8 GHz. Les performances de cette antenne sont comparées à celle de l’antenne originale.

L’antenne cornet proposée est présentée à la Figure 1. Elle est inspirée d’un modèle d’antenne cornet usinée de façon conventionnelle et qui pèse 380 g. L’intérêt du travail décrit ici est d’adapter une telle  antenne cornet 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 cornet est conçue et réalisée. Les dimensions de cette antenne cornet 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 diagramme de rayonnement assez directif et 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’ondes afin d’éviter tout rayonnement électromagnétique sur les bords de l’antenne. Ces trous permettent surtout 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 électromagnétiquement sous l’environnement logiciel Ansys HFSS et imprimée en stéréolithographie grâce à l’imprimante Formlabs Form 3 avec 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)