Antenne réseau notamment pour application spatiale

Description

[0001] L'invention concerne une antenne réseau notamment pour application spatiale.

[0002] Une antenne réseau a la particularité de présenter une ouverture réalisée par un nombre important d'éléments rayonnants. Le rayonnement de l'antenne est alors la synthèse des rayonnements de chaque élément rayonnant. Le développement de telles antennes est récent et on leur trouve actuellement des applications dans des domaines aussi variés que :

• le contrôle du trafic aérien,
• la réception par satellite (télévision, messagerie, communication avec les mobiles),
• les antennes spatiales : télédétection et observation de la terre (radars), relais de données, antennes de télécommunications.

[0003] Les fréquences couvertes vont des ondes UHF et VHF jusqu'aux ondes millimétriques. Lorsque les éléments rayonnants sont commandés individuellement en amplitude et/ou en phase, on parle alors d'antenne active : Il est en effet possible de choisir la forme du diagramme de rayonnement de l'antenne de manière à, par exemple, sélectionner des zones de couverture très différentes (faisceau étroit, large ou formé) ou effectuer un balayage électronique.

[0004] Les éléments rayonnants qui forment l'antenne conditionnent les performances, les caractéristiques techniques (masse, tenue à l'environnement, fiabilité) et le coût de celle-ci par leurs performances radioélectriques intrinsèques, leur capacité à être mis en réseau et leur technologie.

[0005] Une antenne étant constituée de quelques dizaines à quelques milliers de tels éléments rayonnants, le coût unitaire de ceux-ci est déterminant dans le coût global de l'antenne. Ce même type de raisonnement s'applique aussi à d'autres paramètres tels que la masse. Le choix des technologies est important car il permet de simplifier les problèmes d'adaptation de l'antenne à son environnement. Par exemple, pour des applications spatiales en orbite géostationnaire, il est important de pouvoir contrôler thermiquement l'antenne par des moyens simples (couvertures thermiques, peintures) sans avoir recours à une demande de puissance de réchauffage qui grêve le bilan énergétique du système. Dans ces conditions, des gammes de températures aussi larges que -150°C ; + 120°C peuvent être obtenues en tenant compte des caractéristiques thermo-optiques des surfaces. Une telle antenne est, de plus, soumise à des flux de particules chargées qui ne doivent ni détériorer les matériaux, ni provoquer de décharges électrostatiques après accumulation sur des zones isolantes ou mal reliées à la masse.

[0006] Une antenne doit conserver toutes ses qualités radioélectriques après avoir subi les fortes contraintes mécaniques dues au lancement.

[0007] Les éléments rayonnants, pour constituer un réseau, doivent être réunis sur une structure porteuse par un dispositif interface. Ces deux derniers éléments, structure porteuse et dispositif interface, doivent être optimisés en masse en tenant compte des performances en rigidité et en résistance mécanique nécessaires au lancement, ainsi que des performances en rigidité et en stabilité dimensionnelle nécessaires aux exigences radioélectriques dans le cas d'un satellite en orbite. Les solutions actuelles permettent d'obtenir des masses surfacique de l'ordre de 4,5 à 7 kg/m².

[0008] L'invention a pour objet de résoudre ces problèmes.

[0009] Elle propose à cet effet une antenne réseau pour application spatiale constituée d'éléments rayonnants ayant une structure de type stratifié, caractérisé en ce que ces éléments sont fixés sur une structure porteuse ajourée sous les éléments rayonnants.

[0010] Dans une réalisation avantageuse, l'antenne réseau comprend au moins un sous-réseau formé de quatre éléments rayonnants ; chaque élément rayonnant étant formé d'une fente réalisée entre un disque central et un plan de masse supérieur, une ligne située à un niveau inférieur, alimentant ladite fente ; chaque sous-réseau comprenant différentes couches :

• un plan de masse inférieur conducteur ;
• une couche diélectrique de collage ;
• un premier élément diélectrique espaceur sur lequel est disposée une piste conductrice qui se subdivise en quatre lignes alimentant chacun des éléments rayonnants ;
• un second élément diélectrique espaceur ;
• une couche diélectrique de collage ;
• le plan de masse supérieur conducteur.

[0011] L'invention permet d'obtenir des panneaux rayonnants pour antenne réseau de masse surfacique très faible.

[0012] L'invention proposée présente des qualités techniques et économiques particulièrement appropriées pour une application spatiale, bien que de simple aménagements ne remettent en cause des applications éventuelles dans d'autres domaines.

[0013] Les caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront d'ailleurs de la description qui va suivre, à titre d'exemple non limitatif, en référence aux figures annexées sur lesquelles :

• la figure 1 illustre un dispositif de l'art connu ;
• les figures 2 et 3 illustrent le dispositif selon l'invention ;
• la figure 4 illustre une variante du dispositif de l'invention.

[0014] L'élément rayonnant, tel que représenté sur la figure 1, est communément appelé fente annulaire. Un tel élément est décrit dans l'article intitulé "a new circularly polarised planar antenna fed by electromagnetical coupling and its subarray" de M. Haneishi, Y. Hakura, S. Saito et T. Hasegawa ("18th european microwave conference proceeding" 12-15 septembre 1988 ; Stockholm). Dans un tel élément rayonnant une fente 10 est pratiquée dans un premier plan de masse 11. Elle est alimentée par couplage électromagnétique à partir d'une ligne 12 de propagation, de type triplaque, située à un niveau inférieur entre le premier plan de masse 11 et un second plan de masse 13 ; cette ligne 12 étant maintenue en position grâce à un élément diélectrique 14′.

[0015] Le sous réseau 14, représenté sur les figures 2 et 3, est formé de quatre éléments 15 rayonnants. Chaque élément rayonnant 15 est formé d'une fente annulaire 16 réalisée entre un disque central 17 (ou "patch") et un plan de masse supérieur 18, une ligne 19 située à un niveau inférieur, alimentant ladite fente 16.

[0016] Ce sous-réseau comprend donc différentes couches :

• un plan de masse inférieur 20 (conducteur) ;
• une couche diélectrique de collage 21 ;
• un élément conducteur espaceur 22 si nécessaire d'un point de vue mécanique ;
• un premier élément diélectrique espaceur 23 sur lequel est disposé une piste conductrice 24 qui se subdivise en quatre lignes 19 alimentant chacun des éléments rayonnants ;
• un second élément diélectrique espaceur 25 ;
• une couche diélectrique de collage 26 ;
• le plan de masse supérieur (conducteur) 18.

[0017] Ce sous-réseau 14 est donc réalisé par un empilement de couches conductrices ou isolantes dont on minimise la masse, tout en procurant à ce sous-réseau des caractéristiques mécaniques minimales de bon fonctionnement. Ainsi les plans de masse sont constitués par une feuille métallique ou par une couche diélectrique métallisée. Le choix des matériaux, qui constituent les plans de masse des sous-réseaux se fait de manière à obtenir pour une moindre masse les caractéristiques mécaniques minimales pour un bon fonctionnement.

[0018] L'écartement entre plans de masse est donné par des matériaux de très faible densité : mousse ou "nid d'abeille" (structure alvéolaire). Ces matériaux peuvent être choisis diélectriques ou conducteurs selon qu'ils sont placés à des endroits où le champ électromagnétique est intense ou non. Ces éléments sont assemblés entre eux par collage pour constituer une structure stratifiée de type "sandwich".

[0019] Plusieurs sous-réseaux peuvent être intégrés dans un même sandwich continu sans que cela modifie l'invention.

[0020] Ces sous-réseaux, dont la masse a été ainsi minimisée, sont fixés sur une structure porteuse 30 elle aussi optimisée. Comme représenté sur la figure 3, cette structure porteuse 30 est ajourée de façon à procurer des zones d'interface 31 pour fixer les sous-réseaux sur leur périphérie.

[0021] La structure porteuse 30, assurant un bon comportement mécanique d'ensemble de l'antenne, est avantageusement réalisée en utilisant des matériaux à hautes performances mécaniques tels que matériaux composites à renfort carbone, beryllium, ou alliages légers en tenant compte des contraintes mécaniques et économiques. Cette structure 30 peut être obtenue à partir d'une plaque "sandwich" de la dimension de l'antenne, ajourée par usinage. Cette solution simplifie les problèmes des noeuds de structure. Cependant d'autres solutions peuvent être citées telles que l'assemblage de tubes profilés 32 représenté sur la figure 4.

[0022] Les sous-réseaux étant solidarisés par collage à la structure porteuse 30, sur leur périphérie 31, on interpose avantageusement une couche souple telle que du nid d'abeille ou de la mousse entre les sous réseaux et la structure porteuse pour favoriser leur découplage thermoélastique.

[0023] Dans un exemple de réalisation l'antenne, qui est une antenne spatiale de communication avec les mobiles en bande L, comporte un panneau plan de 2,1 m x 2,1 m fixé en six points sur une plateforme de satellite. Elle est constituée de 36 sous-réseaux de quatre fentes annulaires 16 rayonnantes comportant chacun un accès coaxial. Chaque sous-réseau est constitué d'un assemblage par collage de feuilles très minces d'alliage d'aluminium constituant les plans de masse avec du "nid d'abeille" aluminium dans les zones n'ayant pas de fonctions radioélectriques. Dans les zones ayant des fonctions radioélectriques, le "nid d'abeille" aluminium est remplacé par du "nid d'abeille" diélectrique enserrant une piste de cuivre qui permet d'obtenir une propagation en mode TEM depuis l'accès coaxial et d'alimenter les quatre éléments rayonnants par couplage électromagnétique. L'épaisseur de feuilles d'aluminium est calculée pour obtenir juste la rigidité et la résistance nécessaire.

[0024] La structure porteuse 30 est obtenue par usinage d'une plaque "sandwich" à peaux, en fibre de carbone "Ultra Haut Module" (c'est-à-dire très raides) et à matrice époxy, collées sur du "nid d'abeille" aluminium. L'épaisseur des peaux est minimisée pour obtenir les caractéristiques mécaniques nécessaires pour la tenue à l'environnement de lancement. Les sous-réseaux sont assemblés sur la structure porteuse par collage par l'intermédiaire d'une couche de "nid d'abeille".

[0025] Ces technologies pouvant supporter une grande variation de températures, un contrôle thermique simple est utilisé : peinture blanche en face avant de l'antenne appliquée sur les sous-réseaux et super-isolation multicouche tendue en face arrière sur la structure porteuse.

[0026] Ces différents éléments ainsi que les câbles coaxiaux d'alimentation étant pris en compte dans le dimensionnement mécanique, on peut obtenir une masse surfacique totale (hors câble coaxiaux) inférieure à 3 kg/m².

[0027] En utilisant des matériaux encore plus performants tels que le beryllium, des composites à matrice métallique, et des composites fibres de carbone UHM à matrice organique utilisés avec des plis de faible épaisseur (inférieure ou égale à 25 »m), on peut envisager d'obtenir une masse surfacique totale (hors câbles coaxiaux) de l'ordre de 2,3 kg/m².

Revendications

1. Antenne réseau, notamment pour application spatiale, constituée d'éléments rayonnants (15) ayant une structure de type stratifié et regroupés pour former des sous-réseaux (14) disposés à la surface d'une structure porteuse (30), caractérisée en ce que cette structure porteuse (30) est ajourée sous les éléments rayonnants (15) et prévue pour procurer des zones d'interfaces pour fixer les sous-réseaux sur leur périphérie.

2. Antenne réseau selon la revendication 1, caractérisée en ce que chaque sous-réseau (14) est formé de quatre éléments (15) rayonnants ; chaque élément rayonnant (15) étant formé d'une fente (16) réalisée entre un disque central (17) et un plan de masse supérieur (18), une ligne (19) située à un niveau inférieur, alimentant ladite fente (16).

3. Antenne selon la revendication 1, caractérisée en ce que chaque sous-réseau (14) comprend différentes couches :

- un plan de masse inférieur (20) conducteur ;

- une couche diélectrique de collage (21) ;

- un premier élément diélectrique espaceur (23) sur lequel est disposé une piste conductrice (24) qui se subdivise en quatre lignes (19) alimentant chacun des éléments rayonnants ;

- un second élément diélectrique espaceur (25) ;

- une couche diélectrique de collage (26) ;

- le plan de masse supérieur conducteur (18).

4. Antenne selon la revendication 3, caractérisée en ce que les couches conductrices sont des couches métalliques, ou des couches en diélectriques métallisés, ou des couches en composites à matrice métallique.

5. Antenne selon la revendication 3, caractérisée en ce que les sous-réseaux (14) sont collés sur la structure porteuse (30) sur leur périphérie.

6. Antenne réseau selon la revendication 4, caractérisée en ce que les sous-réseaux (14) sont collés sur la structure porteuse (30) par l'intermédiaire d'une couche de "nid d'abeille" ou de mousse.

7. Antenne réseau selon la revendication 1, caractérisée en ce que la structure porteuse (30) est obtenue à partir d'une plaque "sandwich" ajourée par usinage.

8. Antenne réseau selon la revendication 7, caractérisée en ce que la plaque "sandwich" comporte des peaux en matériaux composites à renfort carbone et à matrice organique ou métallique.

9. Antenne réseau selon la revendication 7, caractérisée en ce que la plaque "sandwich" comporte des peaux métalliques.

10. Antenne réseau selon la revendication 1, caractérisée en ce que la structure porteuse (30) est obtenue par assemblage de tubes profilés (32).

11. Antenne réseau selon la revendication 10, caractérisée en ce que les tubes profilés (32) sont constitués de matériaux composites à renfort carbone et à matrice organique ou métallique.

12. Antenne réseau selon la revendication 10, caractérisée en ce que les tubes profilés (32) sont constitués en métaux ou en alliages métalliques.

Ansprüche

1. Netzantenne zur Anwendung im Satellitenfunk, die aus strahlenden Elementen (15) mit einer geschichteten Struktur besteht, die Unternetze (14) bilden und auf der Oberfläche einer Trägerstruktur (30) angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß diese Trägerstruktur (30) unter den strahlenden Elementen (15) liegt und gelocht ist sowie Übergangszonen bildet, um die Unternetze an ihrem Umfang zu befestigen.

2. Netzantenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Unternetz (14) aus vier strahlenden Elementen (15) besteht und daß jedes strahlende Element (15) aus einem Schlitz (16) zwischen einer zentralen Scheibe (17) und einer oberen Massenebene (18) besteht, während eine auf einem niedrigeren Niveau liegende Leitung (19) den Schlitz (16) speist.

3. Antenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Unternetz (14) verschiedene Schichten aufweist:

- eine untere leitende Massenebene (20),

- eine dielektrische Klebeschicht (21),

- ein erstes dielektrisches Abstandselement (23), auf dem eine Leiterbahn (24) angeordnet ist, die sich in vier je eines der strahlenden Elemente speisende Leitungen (19) aufteilt,

- ein zweites dielektrisches Abstandselement (25),

- eine dielektrische Klebeschicht (26),

- die obere leitende Massenebene (18).

4. Antenne nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die leitenden Schichten Metallschichten oder metallisierte dielektrische Schichten oder Schichten aus Verbundmaterialien mit metallischer Matrix sind.

5. Antenne nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Unternetze (14) an ihrem Umfang auf die Trägerstruktur (30) geklebt sind.

6. Netzantenne nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Unternetze (14) mittels einer Schicht aus Wabenstruktur oder aus einem Schaum auf die Trägerstruktur (30) geklebt sind.

7. Netzantenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Trägerstruktur (30) aus einer durch Stanzung gelochten "Sandwich"-Platte erhalten wird.

8. Netzantenne nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die "Sandwich"-Platte Häute aus Verbundmaterialien mit Kohlenstoffverstärkung und mit organischer oder metallischer Matrix aufweist.

9. Netzantenne nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die "Sandwich"-Platte metallische Häute aufweist.

10. Netzantenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Trägerstruktur (30) durch Zusammenbau von Profilrohren (32) erhalten wird.

11. Netzantenne nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Profilrohre (32) aus Verbundmaterialien mit Kohlenstoffverstärkung und mit organischer oder metallischer Matrix bestehen.

12. Netzantenne nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Profilrohre (10) aus Metallen oder Metallegierungen bestehen.

Claims

1. An array antenna, in particular for space applications, the antenna being constituted by radiating elements (15) having a stratified type structure and collected together in groups to form subarrays (14) which are disposed on the surface of a support structure (30), the antenna being characterized in that said support structure (30) has openings beneath the radiating elements (15) and is designed to provide interface zones for fixing to the peripheries of the subarrays.

2. An array antenna according to claim 1, characterized in that each subarray (14) comprises four radiating elements (15); each radiating element (15) being constituted by a slot (16) extending between a central disk (17) and an upper ground plane (18), with a transmission line (19) situated at a lower level feeding said slot (16).

3. An antenna according to claim 1, characterized in that each subarray (14) comprises various different layers:
   a conductive lower ground plane (20);
   a dielectric adhesive layer (21);
   a first dielectric spacer (23) on which a conductive track (24) is disposed which is split into four transmission lines (19) each feeding one of the radiating elements;
   a second dielectric spacer (25);
   a dielectric adhesion layer (26); and
   an upper conductive ground plane (18).

4. An antenna according to claim 3, characterized in that the conductive layers are metal layers or metal-plated dielectric layers or composite layers having metal matrices.

5. An antenna according to claim 3, characterized in that the subarrays (14) are glued to the support structure (30) at their peripheries.

6. An array antenna according to claim 4, characterized in that the subarrays (14) are glued to the support structure (30) via an intermediate layer of honeycomb or foam.

7. An array antenna according to claim 1, characterized in that the support structure (30) is made from a sandwich plate which is provided with openings by machining.

8. An array antenna according to claim 7, characterized in that the sandwich plate includes skins of composite material comprising carbon reinforcement and a matrix that is organic or metallic.

9. An array antenna according to claim 7, characterized in that the sandwich plate has metal skins.

10. An array antenna according to claim 1, characterized in that the support structure (30) is obtained by assembling shaped tubes (32).

11. An array antenna according to claim 10, characterized in that the shaped tubes (32) are made of composite materials comprising carbon reinforcement and a matrix that is organic or metallic.

12. An array antenna according to claim 10, characterized in that the shaped tubes (32) are made of metal or metal alloy.

Dessins