[0001] La présente invention concerne une structure composite à plusieurs couches empilées
dont l'échauffement reste limité sous l'effet d'un rayonnement électromagnétique.
Elle s'applique par exemple dans les domaines de la détection et des télécommunications.
[0002] La portée sans cesse croissante des antennes impose des émissions d'ondes électromagnétiques
toujours plus élevées en puissance. Et les fonctions sans cesse plus évoluées des
antennes entraînent une complexité toujours plus grande. La gamme des matériaux utilisés
pour assurer les diverses fonctions s'élargit, ces matériaux étant plus ou moins exposés
au rayonnement selon leur agencement par rapport à l'émetteur de puissance. Or tous
les matériaux présentent des propriétés d'échauffement lorsqu'ils sont traversés par
un rayonnement électromagnétique, en fonction de leur facteur de perte, noté « tgδ
».
[0003] Le facteur de perte tgδ d'un matériau traduit sa capacité à absorber une partie de
la puissance d'un rayonnement auquel il est exposé, cette puissance étant restituée
par le matériau par dissipation de chaleur. Ainsi, plus le facteur de perte tgδ d'un
matériau est élevé, plus il s'échauffe lorsqu'il est exposé à un rayonnement électromagnétique.
Dans l'ordre croissant du facteur de perte, peuvent être cités le vide qui est un
milieu présentant un facteur de perte quasiment nul et l'air qui est un milieu présentant
un facteur de perte encore extrêmement faible. En première approche, le facteur de
perte augmente avec la densité du matériau, c'est pourquoi les matériaux solides présentent
des facteurs de perte bien supérieurs au vide et à l'air.
[0004] Dans les antennes émettrices à forte puissance, notamment pour leurs parties directement
exposées à l'émetteur de puissance, il doit être tenu compte de ce phénomène. Cela
n'est pas sans poser problème. Par exemple dans des antennes à balayage électronique,
des matériaux sont utilisés pour jouer le simple rôle d'entretoise, c'est-à-dire que
leur seule fonction est d'assurer un espacement déterminé entre deux éléments ayant
eux-même des fonctions plus évoluées. La matière dont sont constituées les entretoises
n'a en soi aucune importance, à ceci près que les entretoises doivent perturber le
moins possible le fonctionnement de l'antenne, comme par exemple absorber le moins
possible de sa puissance et ainsi chauffer le moins possible.
[0005] Par exemple, il peut être cité le cas des « Grilles de Rotation de Polarisation »,
que l'on appellera polariseur par la suite. Un polariseur est un dispositif classique
dans les antennes à balayage électronique qui transforme les ondes à polarisation
horizontale qui la traversent en ondes à polarisation verticale et vice-versa. Un
polariseur comporte un support sur lequel est disposé une grille conductrice, comme
une grille à méandre ou une grille de fils métalliques, la grille conductrice présentant
des propriétés polarisantes. Les polariseurs actuels ont des fonctions très évoluées
qui nécessitent l'utilisation de plusieurs grilles superposées et donc l'utilisation
d'entretoises entre les grilles. Les solutions actuelles consistent à utiliser des
entretoises en matériaux mousse et des supports de grille en verre époxydique, le
tout assemblé en structure composite de type « sandwich ». Une structure composite
de type sandwich est un assemblage d'au moins deux matériaux différents se présentant
en plaques, l'un appelé « matériau d'âme » constituant l'ossature et assurant la tenue
mécanique et l'autre appelé « matériau de peau » constituant la protection et assurant
la structure. Les plaques des deux matériaux sont assemblées par collage. L'épaisseur
des plaques de matériau d'âme est bien supérieure à celle des plaques de matériau
de peau. Dans le cadre des polariseurs actuels, le matériau de peau est constitué
par des circuits imprimés en verre époxy comportant un motif de cuivre non alimenté
en courant électrique, ce motif jouant le rôle de grille polarisante. Le matériau
d'âme est une mousse, les matériaux de type mousse étant des matériaux solides de
densité faible présentant donc le double avantage d'avoir un poids léger et un facteur
de perte assez faible. Mais dans des conditions d'utilisation extrêmes, à pleine puissance
d'émission et à température extérieure très élevée de l'ordre de 80°C par exemple,
il arrive encore fréquemment que ces matériaux s'échauffent, risquant de détériorer
tout ou partie du polariseur et même de l'antenne.
[0006] Les solutions qui consistent à changer de matériau ne sont pas très efficaces, les
mousses étant déjà les matériaux à facteur de perte le plus faible et les mousses
entre elles ne présentant pas des facteurs de perte très différents. Cela ne permet
pas de diminuer l'échauffement dans des proportions importantes. Seul un test en fin
de cycle de production, consistant à échauffer les structures composites avant assemblage,
permet de tester convenablement les réalisations et d'éliminer les réalisations défectueuses.
[0007] Il apparaît que selon la qualité de réalisation de la structure sandwich, la marge
de sécurité par rapport aux matériaux utilisés peut être trop étroite. En premier
lieu, et ceci même en condition d'utilisation normale, il conviendrait que les structures
composites utilisées ne montent pas à des températures trop proches de la température
de transition vitreuse du matériau de type mousse, température notée « Tg ». La température
de transition vitreuse d'une mousse est la température à laquelle elle passe de l'état
vitreux, c'est-à-dire de l'état solide auquel elle est capable d'assurer un rôle d'entretoise,
à un état que l'on peut qualifier de caoutchoutique, qui est un état intermédiaire
plu mou auquel elle n'est plus capable d'assurer un rôle d'entretoise.
[0008] L'invention se propose donc notamment de maintenir les matériaux de type mousse à
une température nettement inférieure à leur température de transition vitreuse, en
diminuant la chaleur dissipée et en favorisant son évacuation par diminution du volume
de matière traversé. A cet effet, l'invention a pour objet une structure composite
à plusieurs couches empilées soumise à un rayonnement électromagnétique. Elle comporte
un empilement de plaques d'un matériau d'âme, les plaques de matériau d'âme étant
intercalées entre des plaques d'un matériau de peau comportant un motif conducteur.
Chaque plaque de matériau d'âme comporte des évidements la traversant de part en part,
les évidements de deux plaques mitoyennes de matériau d'âme étant reliés deux à deux
par un trou dans la plaque de matériau de peau les séparant.
[0009] En effet, la quantité de chaleur dissipée est une fonction croissant avec le volume
de matière traversé. Mais il s'agit surtout de ne perturber ni le fonctionnement de
l'antenne, ni sa conception. Car l'épaisseur de la structure composite est souvent
une caractéristique nécessaire au bon fonctionnement de l'antenne, par exemple elle
peut être fonction de la longueur d'onde émise. Il ne peut donc être envisagé de la
diminuer, sauf peut-être dans quelques cas particuliers. De plus, l'encombrement extérieur
de la structure composite peut être une contrainte nécessaire à l'assemblage de l'ensemble.
Par exemple la structure composite peut contribuer de manière décisive à la rigidité
et la compacité de l'assemblage. D'après l'invention, une bonne manière de diminuer
le volume de matière traversé sans modifier le volume extérieur de la structure composite
est de l'évider, c'est à dire de procéder à des retraits de matière qui ne changent
en rien son aspect extérieur. Par ailleurs, les évidements sont pratiqués de manière
à optimiser l'évacuation de la chaleur dissipée vers l'extérieur de la structure composite
par aération naturelle, afin de diminuer encore l'échauffement.
[0010] Avantageusement, les motifs conducteurs sur les plaques de matériau de peau peuvent
avoir une fonction de rotation de polarisation du rayonnement électromagnétique.
[0011] Par exemple, les plaques de matériau de peau et les plaques de matériau d'âme peuvent
être assemblées par collage.
[0012] Par exemple encore, les plaques de matériau d'âme ont toutes le même motif d'évidement
et par exemple chaque évidement peut être en forme de cylindres dont l'axe est normal
au plan de la plaque.
[0013] Les plaques de matériau de peau peuvent être en verre époxy, les plaques de matériau
d'âme peuvent être en mousse polyuréthane ou polyméthacrylimide et le motif conducteur
sur les plaques de matériau de peau peut être en cuivre.
[0014] Dans un mode de réalisation, les trous des différentes plaques de matériau de peau
peuvent être alignés.
[0015] L'invention a encore pour principaux avantages qu'elle ne modifie pas l'encombrement
extérieur de la structure à laquelle elle est appliquée, n'induisant ainsi aucun changement
de conception du produit final dans lequel elle est utilisée. Elle reprend aussi exactement
les mêmes principes de construction que les solutions classiques, autant en terme
de matériaux et structures de base que d'outillage. Le surcoût qu'elle induit est
donc tout à fait minime. Sa configuration beaucoup plus ouverte et aérée lui confère
non seulement une grande capacité à évacuer la chaleur de manière naturelle, mais
également des propriétés de désorption de l'humidité qui diminuent encore son échauffement.
L'invention présente aussi un poids moins élevé en fonction de l'ampleur des évidements,
avantage d'importance si l'on considère des applications dans un domaine comme l'avionique
par exemple.
[0016] D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à l'aide de la
description qui suit faite en regard de dessins annexés qui représentent :
- les figures 1a et 1b, un exemple de réalisation d'un dispositif de polariseur selon
l'invention par deux vues en coupe,
- les figures 2a et 2b, par deux graphiques l'échauffement d'un dispositif de polariseur
selon l'art antérieur et l'échauffement d'un dispositif de polariseur selon l'invention.
[0017] Les figures 1a et 1b illustrent respectivement par une vue de face et une vue en
coupe un exemple de réalisation d'un polariseur selon l'invention.
[0018] La figure 1a illustre par une vue de face une plaque 20 d'un matériau d'âme du type
mousse polyuréthane par exemple, la plaque ayant été évidée d'une face à l'autre en
plusieurs endroits 21. Avantageusement, les évidements 21 sont par exemple cylindriques
et tous identiques, ils sont uniformément répartis et dessinent par exemple un motif
régulier formant des triangles équilatéraux 22 et 23 sur toute la surface de la plaque
20. Dans l'exemple de réalisation, les cylindres d'évidement ont un diamètre de l'ordre
de 10 millimètres environ et les triangles équilatéraux 22 et 23 formant le motif
ont une base de l'ordre de 20 millimètres environ. Cela correspond à un taux d'évidement
approximatif de 35%. Mais selon la surface de la plaque de matériau d'âme, la taille
des évidements et le motif qu'ils dessinent peuvent être différents. En tous cas,
une diminution du volume de matière par évidement dans une proportion de l'ordre d'un
tiers permet au matériau d'âme de continuer à jouer son rôle d'ossature de la structure
composite. Au-delà, cela pourrait nuire à la tenue mécanique de l'ensemble. De plus,
il est préférable d'éviter d'évider la plaque au niveau des bords, car cela permet
de ne pas modifier l'encombrement extérieur de la structure et donc de ne pas perturber
son implantation dans le produit final qui l'utilise. Par diminution du volume de
matière traversé, les évidements vont permettre de limiter la quantité de chaleur
dissipée lorsque la structure est exposée à un rayonnement électromagnétique.
[0019] La figure 1b présente l'empilement de cinq couches du type de celle de la figure
1a. La plaque 20 de matériau d'âme est vue au niveau de l'axe de coupe 34 de la figure
1a, c'est pourquoi trois évidements seulement sont visibles sur la figure 1b. Les
cinq couches de matériau d'âme 20, 24, 25, 26 et 27, ont par exemple toutes été évidées
de manière identique. Elles présentent ainsi chacune trois évidements. Les cinq couches
de matériau d'âme ont été avantageusement collées à six couches de matériau de peau
28, 29, 30, 31, 32 et 33 en verre époxy du type circuit imprimé par exemple comportant
un motif de cuivre non alimenté. Une couche de matériau d'âme est intercalée entre
deux couches de matériau de peau, c'est là que réside la structure sandwich multicouche,
puis collée. L'assemblage peut se faire en enduisant une face de la plaque de matériau
d'âme de colle, puis en lui adjoignant une plaque de matériau de peau, enfin en répétant
l'opération sur l'autre face. Ce mode opératoire permet de réduire la quantité de
colle utilisée au niveau des évidements et donc également la quantité de matière traversée
par le rayonnement. Mais il peut également être envisagé d'enduire de colle les plaques
de matériau de peau, même au niveau des évidements de la plaque de matériau d'âme,
puis de les assembler à la plaque de matériau d'âme.
[0020] Au moins un trou 35 est réalisé dans chaque couche de matériau de peau au niveau
de chaque évidement du matériau d'âme. Par exemple, trois trous formant les sommets
d'un triangle sont réalisés au niveau de chaque évidement, dont un seul est visible
sur la figure 1b. Par exemple, ce sont des trous circulaires d'un diamètre de l'ordre
d'un millimètre. En tous cas, leur diamètre est nettement inférieur à la plus petite
largeur des évidements. En effet, les trous dans le matériau de peau ne doivent pas
empêcher celui-ci de jouer son rôle de protection et de structure. Ainsi il ne faut
pas faire trop de trous ou faire de trop gros trous. En particulier, percer le matériau
de peau selon les évidements du matériau d'âme exactement amènerait à un affaiblissement
de la structure composite finale qui nuirait grandement à sa rigidité. Dans cet exemple
de réalisation, les trous des différentes couches sont alignés, ce qui a permis de
les percer indifféremment avant ou après l'assemblage. La fonction des trous est de
favoriser l'aération naturelle des évidements du matériau d'âme et ainsi l'évacuation
vers l'extérieur de la chaleur dissipée.
[0021] La figure 2a illustre par un graphique l'échauffement d'un polariseur selon l'art
antérieur, c'est-à-dire ne comportant ni évidement des matériaux d'âme ni percement
des matériaux de peau. La figure 2b illustre par un graphique l'échauffement du polariseur
de l'exemple décrit précédemment. Les deux dispositifs de polariseur ont été utilisés
dans une même antenne à balayage électronique émettant un signal hyperfréquence de
forte puissance directement sur la structure composite. Dans les deux dispositifs,
les couches de matériau de peau sont des circuits imprimés en verre époxy sur lesquelles
sont imprimés des motifs de cuivre non alimentés. Dans les deux dispositifs, c'est
une même mousse polyméthacrylimide qui constitue le matériau d'âme. Les deux graphiques
sont dans un système d'axe où l'axe des abscisses représente le temps en heures et
l'axe des ordonnées représente la température en degrés celsius.
[0022] Pour le dispositif selon l'art antérieur, la courbe 40 montre l'évolution de la température
de peau externe, c'est-à-dire de la couche au contact de l'air ambiant, et la courbe
41 montre l'évolution de la température du coeur de la structure, c'est-à-dire des
couches de matériau d'âme. Il peut être constaté que la température de peau externe
ne se stabilise qu'un peu au-dessus de 60°C et que la température au coeur de la structure
grimpe jusqu'aux alentours de 145°C.
[0023] De manière similaire pour le dispositif de l'exemple de réalisation précédent, la
courbe 42 montre l'évolution de la température de peau externe, c'est-à-dire des couches
28 et 33, et la courbe 41 montre l'évolution de la température du coeur de la structure,
c'est-à-dire des couches 20, 24, 25, 26 et 27. La température de peau externe se stabilise
un peu en dessous de 60°C et la température au coeur de la structure se stabilise
dès 100°C.
[0024] Avec des matériaux strictement identiques et pour une application identique, la structure
composite selon l'invention se montre donc bien plus efficace à limiter l'échauffement.
Des compléments de mesure montrent également que le rapport de température entre le
coeur de la structure et la peau externe est diminué d'environ 50%. Ainsi, les résultats
obtenus vont au-delà de ce qui pourrait être attendu d'une structure présentant un
taux d'évidement de l'ordre de 35% seulement. En effet, l'aération produite par les
trous facilite directement les échanges thermiques avec l'extérieur.
[0025] L'exemple de réalisation présenté concerne un polariseur, mais une structure composite
à plusieurs couches empilées selon l'invention peut être mise en oeuvre pour d'autres
applications où des motifs conducteurs sont exposés à un rayonnement électromagnétique,
comme les structures à bande magnétique interdite par exemple.
1. Structure composite à plusieurs couches empilées soumise à un rayonnement électromagnétique,
caractérisée en ce qu'elle comporte un empilement de plaques d'un matériau d'âme (20, 24, 25, 26, 27), les
plaques de matériau d'âme étant intercalées entre des plaques d'un matériau de peau
(28, 29, 30, 31, 32, 33) comportant un motif conducteur, chaque plaque de matériau
d'âme comportant des évidements (21) la traversant de part en part, les évidements
de deux plaques mitoyennes de matériau d'âme étant reliés deux à deux par un trou
(35) dans la plaque de matériau de peau les séparant, chacune des deux plaques externes
de matériau de peau comportant un trou au niveau de chaque évidemment de la plaque
de matériau d'âme qui lui est adjacente.
2. Structure composite à plusieurs couches empilées soumise à un rayonnement électromagnétique
selon la revendication 1, caractérisée en ce que les motifs conducteurs sur les plaques de matériau de peau (28, 29, 30, 31, 32, 33)
ont une fonction de rotation de polarisation du rayonnement électromagnétique.
3. Structure composite à plusieurs couches empilées soumise à un rayonnement électromagnétique
selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que les plaques de matériau de peau (28, 29, 30, 31, 32, 33) et les plaques de matériau
d'âme (20, 24, 25, 26, 27) sont collées.
4. Structure composite à plusieurs couches empilées soumise à un rayonnement électromagnétique
selon la revendication 1, 2 ou 3, caractérisée en ce que les plaques de matériau d'âme (20, 24, 25, 26, 27) ont toutes le même motif d'évidement.
5. Structure composite à plusieurs couches empilées soumise à un rayonnement électromagnétique
selon la revendication 1, 2, 3 ou 4, caractérisée en ce que les évidements (21) des plaques de matériau d'âme (20, 24, 25, 26, 27) sont en forme
de cylindres dont les axes sont normaux au plan de la plaque.
6. Structure composite à plusieurs couches empilées soumise à un rayonnement électromagnétique
selon la revendication 1, 2, 3, 4 ou 5, caractérisée en ce que les plaques de matériau de peau (28, 29, 30, 31, 32, 33) sont en verre époxydique.
7. Structure composite à plusieurs couches empilées soumise à un rayonnement électromagnétique
selon la revendication 1, 2, 3, 4, 5 ou 6, caractérisée en ce que les plaques de matériau d'âme (20, 24, 25, 26, 27) sont en mousse polyuréthane.
8. Structure composite à plusieurs couches empilées soumise à un rayonnement électromagnétique
selon la revendication 1, 2, 3, 4, 5 ou 6, caractérisée en ce que les plaques de matériau d'âme (20, 24, 25, 26, 27) sont en mousse polyméthacrylimide.
9. Structure composite à plusieurs couches empilées soumise à un rayonnement électromagnétique
selon la revendication 1, 2, 3, 4, 5, 6 ou 7, caractérisée en ce que le motif conducteur sur les plaques de matériau de peau (28, 29, 30, 31, 32, 33)
est en cuivre.
10. Structure composite à plusieurs couches empilées soumise à un rayonnement électromagnétique
selon la revendication 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 ou 8, caractérisée en ce que les trous des différentes plaques de matériau de peau (35) sont alignés.