REFLECTEUR D'ONDES ELECTROMAGNETIQUES POUR ANTENNE
DE. TELECOMMUNICATION
L'invention est relative à un réflecteur d'ondes électromagnétiques et à son procédé de fabrication.
Elle concerne plus particulièrement un réflecteur utilisable dans des condi-tions variables de température, notamment dans un environnement spatial.
Un réflecteur d'ondes électromagnétiques assure une fonction analogue à
celle d'un miroir optique, c'est-à-dire que les ondes reçues selon une certaine direc-tion doivent être réfléchies selon une autre direction bien déterminée. Ces réflec-teurs exigent que la direction réfléchie soit définie avec précision, ce qui implique, lors de la fabrication, de faibles tolérances sur la forme du réflecteur et, lors de l'utilisation, une grande stabilité de forme, notamment quand la température varie.
Un réflecteur d'ondes électromagnétiques pour applications spatiales com porte, le plus souvent, une âme ou espaceur comprenant une structure de type nid d'abeille et, de chaque côté de cette âme, des peaux mécaniquement porteuses constituées par des fibres de carbone imprégnées de résine époxyde ou de résine cyanate ester.
Ces laminés composites à base de fibres de carbone et de résine ont une très grande stabilité en température et peuvent être utilisés directement comme sur faces réfléchissantes. Mais aux fréquences élevées, en général supérieures à
GHz, ils engendrent des pertes importantes, supérieures à 0,2 dB. C'est pourquoi, à
ces fréquences élevées la surface réfléchissante est habituellement recouverte par un dépôt métallique permettant d'abaisser les pertes.
L'invention résulte de la constatation que ce dépôt métallique altère la forme du réflecteur, notamment sa courbure, et, qu'en particulier, il induit une varia tion de forme provoquée par un effet de bilame, tant lors de la fabrication qu'en cours d'utilisation, notamment dans l'espace où les variations de température sont importantes.
En effet, on sait qu'un matériau formé par la superposition de deux couches en matières différentes ayant des coefficients de dilatation thermique différents présente une courbure qui varie quand la température varie.
Cet effet bilame peut être particulièrement gênant pour des applications spatiales dans lesquelles, comme indiqué ci-dessus, les températures varient de façon importante. Par exemple, pour des satellites mobiles en orbite basse (ou moyenne), la température peut varier entre -60°C et +60°C
environ. Pour un ELECTROMAGNETIC WAVE REFLECTOR FOR ANTENNA
OF. TELECOMMUNICATION
The invention relates to an electromagnetic wave reflector and to its manufacturing process.
It relates more particularly to a reflector which can be used under conditions variable temperature conditions, especially in a space environment.
An electromagnetic wave reflector performs a function similar to that of an optical mirror, that is to say that the waves received according to a certain direction tion must be reflected in another well-defined direction. These reflective ers require that the reflected direction be precisely defined, which involved, during manufacturing, small tolerances on the shape of the reflector and, during use, great shape stability, especially when the temperature varied.
An electromagnetic wave reflector for space applications like most often carries a core or spacer comprising a type structure nest bee and, on each side of this soul, mechanically load-bearing skins consisting of carbon fibers impregnated with epoxy resin or resin cyanate ester.
These composite laminates based on carbon fibers and resin have a very high temperature stability and can be used directly Like on reflective faces. But at high frequencies, generally higher than GHz, they generate significant losses, greater than 0.2 dB. It is Why these high frequencies the reflective surface is usually covered through a metal deposit to reduce losses.
The invention results from the observation that this metallic deposit alters the shape of the reflector, in particular its curvature, and, in particular, it induces a varia tion of shape caused by a bimetallic strip effect, both during manufacture that during use, especially in space where temperature variations are important.
Indeed, we know that a material formed by the superposition of two layers of different materials having coefficients of thermal expansion different has a curvature that varies when the temperature varies.
This bimetal effect can be particularly troublesome for applications in which, as indicated above, the temperatures vary of importantly. For example, for mobile satellites in low orbit (or medium), the temperature can vary between -60 ° C and + 60 ° C
about. For a
2 satellite géostationnaire la température peut varier entre -180°C (en cas d'éclipse de soleil) et +150°C.
En outre, la fabrication du réflecteur s'effectue à une température qui dépend de la cinétique de polymérisation de la résine. Cette température est par exemple voisine de 175°C. Ainsi, même en l'absence de variation de température lors de l'utilisation, il est difficile d'obtenir la courbure désirée en raison de l'effet de bilame résultant de la différence entre les températures de fabrication et d'utilisation.
L'invention permet de réduire, de façon importante, les variations de cour-bure du réflecteur en cas d'utilisation de ce dernier à des températures variables, et/ou de modifier la courbure d'un réflecteur.
A cet effet, le réflecteur selon l'invention est caractérisé en ce que sa zone arrière - de préférence sa face arrière- comporte une couche supplémentaire, avan-tageusement métallique, qui, avec le laminé, forme un autre bilame s'opposant à
l'effet du bilame constitué par le substrat et la couche métallique sur la face active et/ou permettant de conférer une courbure déterminée au réflecteur.
On a constaté qu'avec cette disposition on pouvait améliorer de façon significative la qualité de la forme du réflecteur sans augmentation du coût.
La présente invention prévoit un réflecteur d'ondes électromagnétiques pour antenne de télécommunication, notamment pour une antenne embarquée à
bord d'un satellite comprenant un substrat recouvert d'une couche métallique réflec trice sur sa face avant, cette couche réflectrice présentant un coefficient de dilata tion thermique différent du coefficient de dilatation thermique du substrat.
Ce réflec teur comporte, dans sa zone arrière, une autre couche présentant un coefficient de dilatation thermique différent de celui du substrat.
Selon un mode de réalisation, la couche de la zone arrière compense les variations, en fonction de la température, de la forme du réflecteur qui résultent des valeurs différentes des coefficients de dilatation du substrat et de la couche avant.
Selon un mode de réalisation, la couche de la zone arrière modifie, à une température déterminée, la courbure présentée par le réflecteur en l'absence de cette couche.
Selon un mode de réalisation, la couche de la zone arrière est déposée sur la face arrière du substrat.
Selon un mode de réalisation, la couche de la zone arrière est métallique.
Selon un mode de réalisation, la couche de la zone arrière est en un métal de même nature que celui constituant la couche réflectrice de ta face avant. 2 geostationary satellite the temperature can vary between -180 ° C (in eclipse case ) and + 150 ° C.
In addition, the reflector is produced at a temperature which depends on the kinetics of polymerization of the resin. This temperature is through example close to 175 ° C. So even in the absence of variation in temperature during use, it is difficult to obtain the desired curvature in reason for the effect of bimetallic strip resulting from the difference between the manufacturing temperatures and of use.
The invention makes it possible to significantly reduce the variations in reflector housing when using the reflector at temperatures variables, and / or to modify the curvature of a reflector.
To this end, the reflector according to the invention is characterized in that its zone rear - preferably its rear side - has an additional layer, before tagging metallic, which, with the laminate, forms another bimetallic opposing at the effect of the bimetallic strip formed by the substrate and the metallic layer on the active face and / or making it possible to impart a determined curvature to the reflector.
We found that with this arrangement we could improve so significantly the quality of the shape of the reflector without increasing the cost.
The present invention provides an electromagnetic wave reflector for telecommunication antenna, in particular for an on-board antenna edge of a satellite comprising a substrate covered with a metallic layer reflective trice on its front face, this reflective layer having a coefficient of dilata different thermal coefficient of thermal expansion of the substrate.
This refl in its rear area, there is another layer having a coefficient of thermal expansion different from that of the substrate.
According to one embodiment, the layer of the rear zone compensates for the variations, depending on the temperature, of the shape of the reflector which result from different values of the expansion coefficients of the substrate and the layer before.
According to one embodiment, the layer of the rear zone modifies, to a determined temperature, the curvature presented by the reflector in the absence of this layer.
According to one embodiment, the layer of the rear zone is deposited on the back side of the substrate.
According to one embodiment, the layer of the rear zone is metallic.
According to one embodiment, the layer of the rear zone is made of a metal of the same nature as that constituting the reflective layer of your front face.
3 Selon un mode de réalisation, le couplage membrane/flexion de l'assem-blage des couches du substrat avec la couche réflectrice et la couche de la zone arrière est minimisé.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront avec la description de certains de ses modes de réalisation, celle-ci étant effectuée en se référant aux dessins ci-annexés sur lesquels la figure 1 est une vue en coupe partielle d'un réflecteur conforme à l'inven-tion, la figure 2 est un schéma servant à expliquer comment est définie la qualité de forme d'une surface, et les figures 3 et 4 sont des diagrammes montrant certains effets et certaines propriétés du réflecteur conforme à l'invention.
Le réflecteur représenté sur la figure 1 est destiné à ëtre intégré dans une antenne de télécommunication embarquée à bord d'un satellite afin de réfléchir des ondes en bande Ka de 20 GHz à 44 GHz, voire à des fréquences supérieures, jusqu'à 80 GHz ou plus.
Ce réflecteur comporte, de façon classique, une âme 10 en forme de nid d'abeille aluminium ou aramide, rigidifiée sur chacun de ses côtés par des laminés en fibres de carbone imprégnées de résine époxyde. Dans cet exemple, on prévoit, de chaque côté de l'âme 10, un empilage 12, 14 de quatre couches élémentaires carbone/époxyde, chaque couche élémentaire étant unidirectionnelle. Dans chacun des laminés d'un même empilement, les fibres de carbone ont des directions diffé-rentes. Par exemple, les fibres du pli le plus extérieur ont une première orientation, dite de référence à 0°, le pli immédiatement inférieur présente des fibres orientées à
-45° par rapport à la direction des fibres du premier pli, le troisième pli présente des fibres orientées à +45° par rapport aux fibres du premier pli et les fibres du qua-trième pli, les plus proches de l'âme 10, sont orientées à 90° par rapport aux fibres du premier pli. Le laminé arrière 14 du sandwich présente des couches élémen-taires ou plis dont les fibres ont les mêmes orientations relatives, le pli le plus exté-rieur ayant des fibres orientées parallèlement à celles du pli le plus extérieur du laminé avant 12.
Sur la surface extérieure du laminé avant 12, est déposée une couche d'aluminium 16, cette couche d'aluminium étant par exemple déposée en phase vapeur. Elle permet de réfléchir les ondes électromagnétiques avec un minimum de pertes radioélectriques. 3 According to one embodiment, the coupling membrane / bending of the assembly bonding of the substrate layers with the reflective layer and the layer of the zoned rear is minimized.
Other characteristics and advantages of the invention will become apparent with the description of some of its embodiments, this being carried out in se referring to the attached drawings on which Figure 1 is a partial sectional view of a reflector according to the invention.
tion, Figure 2 is a diagram to explain how the shape quality of a surface, and Figures 3 and 4 are diagrams showing certain effects and certain properties of the reflector according to the invention.
The reflector shown in Figure 1 is intended to be integrated in a telecommunication antenna on board a satellite to reflect of Ka-band waves from 20 GHz to 44 GHz, or even at higher frequencies, up to 80 GHz or more.
This reflector conventionally comprises a core 10 in the form of a nest aluminum or aramid bee, stiffened on each of its sides by laminated made of carbon fibers impregnated with epoxy resin. In this example, we plans, on each side of the core 10, a stack 12, 14 of four elementary layers carbon / epoxy, each elementary layer being unidirectional. In each laminates in the same stack, carbon fibers have directions differ-annuities. For example, the fibers of the outermost fold have a first orientation, so-called reference at 0 °, the immediately lower fold has fibers oriented to -45 ° to the direction of the fibers of the first ply, the third fold presents fibers oriented at + 45 ° to the fibers of the first ply and the fibers of the qua-third fold, closest to the core 10, are oriented at 90 ° by compared to fibers of the first fold. The back laminate 14 of the sandwich has elementary layers or folds whose fibers have the same relative orientations, the fold more external laughing having fibers oriented parallel to those of the most fold outside of laminated before 12.
On the outer surface of the front laminate 12, a layer is deposited of aluminum 16, this aluminum layer being for example deposited in phase steam. It allows electromagnetic waves to be reflected with a minimum of radio losses.
4 Selon l'invention, sur la face arrière du réflecteur on dépose une autre couche 18, par exemple métallique, et dans le même matériau, c'est-à-dire l'alumi-nium, que la couche 16 de la face active.
Cette couche 18 a pour but de compenser l'effet de bilame résultant des différences de coefficients de dilatation entre, d'une part, la couche métallique 16 et, d'autre part, l'ensemble, ou sandwich, formé de l'âme 10 et des laminés 12 et 14 dont le coefficient de dilatation thermique est très faible. L'effet de bilame se traduit par le fait que, lorsque la température du réflecteur varie, sa courbure se modifie, ce qui altère la précision de forme.
Autrement dit, la couche 18 forme avec le sandwich 10, 12, 14 un autre bilame contrecarrant les effets du premier bilame.
Par ailleurs, si, à une température déterminée, la courbure du réflecteur dépourvu de la couche 18 ne correspond pas exactement à la courbure souhaitée, le dépôt de la couche 18 peut permettre de modifier cette courbure à cette tempéra-ture déterminée. Cette modification de courbure dépend de la température à
laquelle le dépôt de la couche métallique est effectué et de l'épaisseur de ce dépôt.
On a constaté qu'avec le réflecteur selon l'invention, si son diamètre est de l'ordre du mètre, on peut obtenir une erreur de RMS sur une forme de l'ordre de 15 pm en fabrication et de l'ordre de 30 Nm lors de l'utilisation à bord d'un satellite. Ces erreurs de RMS sont environ trois fois inférieures à celles obtenues quand la cou che 18 n'est pas présente.
On rappelle ici que le facteur RMS est défini de la façon suivante : on part d'une surface parfaite souhaitée 20 (figure 2) et on détermine, en n points de la surface réelle 22, les écarts dz~, dz2 .. , dz~ entre la surface réelle 22 et la surface souhaitée 20. L'erreur de RMS a alors pour valeur RMS =
n i=1 Dans le cas d'un réflecteur d'un mètre de diamètre, on prévoit en général 500 points environ répartis de façon régulière.
L'effet de compensation de la courbure s'obtient en déposant la couche à
une température déterminée, par exemple de l'ordre de 50°C. A cette température, la contrainte qui s'exerce est nulle ; par contre à une température différente, par exemple à la température ambiante de 20°C, il s'exercera une contrainte qui pourra compenser un défaut de courbure présent avant que ne soit déposée cette couche 18.
L'épaisseur et, éventuellement, la nature du revêtement 18 peuvent être déterminées à l'aide de calculs classiques de résistance des matériaux. On tient, en effet, compte du fait qu'on annule le couplage membrane/flexion de l'assemblage constitué par les diverses couches du réflecteur. 4 According to the invention, on the rear face of the reflector another is deposited layer 18, for example metallic, and in the same material, i.e.
alumi-nium, than layer 16 of the active face.
The purpose of this layer 18 is to compensate for the bimetallic effect resulting from the differences in expansion coefficients between, on the one hand, the layer metallic 16 and, on the other hand, the assembly, or sandwich, formed of the core 10 and the laminates 12 and 14 whose coefficient of thermal expansion is very low. The bimetal effect Traducting by by the fact that, when the temperature of the reflector varies, its curvature amended, which alters the accuracy of form.
In other words, the layer 18 forms with the sandwich 10, 12, 14 another bimetallic strip counteracting the effects of the first bimetallic strip.
Furthermore, if, at a determined temperature, the curvature of the reflector without the layer 18 does not correspond exactly to the desired curvature, the deposition of layer 18 can make it possible to modify this curvature at this temperature-determined ture. This change in curvature depends on the temperature at which the metal layer is deposited and the thickness of this deposit.
It has been found that with the reflector according to the invention, if its diameter is the order of the meter, we can get an RMS error on a form of the order of 15 pm in production and around 30 Nm when used on board a satellite. These RMS errors are about three times lower than those obtained when the neck che 18 is not present.
We recall here that the RMS factor is defined as follows: we start of a desired perfect surface 20 (FIG. 2) and it is determined, at n points of the real surface 22, the differences dz ~, dz2 .., dz ~ between the real surface 22 and the surface desired 20. The RMS error then has the value RMS =
not i = 1 In the case of a reflector of one meter in diameter, provision is generally made Around 500 points distributed evenly.
The curvature compensation effect is obtained by depositing the layer at a determined temperature, for example of the order of 50 ° C. At this temperature, the constraint which is exerted is zero; on the other hand at a temperature different, by example at an ambient temperature of 20 ° C, there will be a constraint who will be able to compensate for a defect in curvature present before this layer is deposited 18.
The thickness and, optionally, the nature of the coating 18 can be determined using conventional material strength calculations. We hold on effect, account for the fact that the membrane / bending coupling of assembly formed by the various layers of the reflector.
5 La nature et l'épaisseur de la couche 18 peuvent également être détermi-nées de façon empirique.
Pour obtenir l'effet voulu, c'est-à-dire une minimisation de la déformation de la surface active du réflecteur lors de variations de température, on peut choisir les paramètres suivants : l'épaisseur des dépôts avant et arrière, la nature des dépôts avant et arrière et les températures auxquelles sont déposées les couches avant 16 et arrière 18.
La figure 3 est un diagramme comparatif montrant des défauts de RMS
obtenus pour plusieurs types de matériaux et, dans chaque cas, avec et sans la couche arrière 18. Dans cet exemple, on utilise un réflecteur de diamètre 600 mm avec des peaux en préimprégné de type M55J/914 (M55J est une référence carac-térisant la nature des fibres et 914 est une référence caractérisant la résine époxyde utilisée), et une âme en nid d'abeille aluminium d'épaisseur 15 mm.
On a porté en abscisses, l'épaisseur e en micromètres, du dépôt métallique sur la face avant et, le cas échéant, sur la face arrière et, en ordonnées, l'erreur de RMS, également en micromètres. La droite 30 correspond à la courbe de variation en fonction de l'épaisseur de l'erreur de RMS pour un dépôt d'aluminium seulement sur la face avant tandis que la droite 32 correspond à un dépôt d'aluminium sur les faces avant et arrière du réflecteur.
La figure 4 est un diagramme correspondant à un réflecteur de diamètre 600 mm avec des peaux M55J et une âme d'épaisseur 15 mm en nid d'abeille alu minium. Dans ce cas, le dépôt métallique en face avant présente une épaisseur de 4 Nm d'aluminium. Sur la face arrière de ce réflecteur, on a prévu des dépôts métal liques d'épaisseurs diverses et on a analysé l'erreur de RMS résultante. Sur ce dia gramme, on a porté en abscisses, l'épaisseur e du dépôt métallique en face arrière et, en ordonnées, l'erreur de RMS, toutes les deux étant exprimées en micromètres.
Sur la figure 4, la courbe 34 montre que l'erreur de RMS est minimale quand l'épaisseur de la couche arrière est de l'ordre de 9 Nm, alors que l'épaisseur du dépôt en face avant est de 4 Nm. Autrement dit, l'optimum n'est pas forcément obtenu avec des épaisseurs de dépôts 16 et 18 qui sont égales.
II n'est pas indispensable que le revêtement métallique 18, destiné à com-penser l'effet de bilame résultant des différences de coefficient de dilatation entre la The nature and thickness of layer 18 can also be determined.
born empirically.
To obtain the desired effect, that is to say a minimization of the deformation of the active surface of the reflector during temperature variations, it is possible to to choose the following parameters: the thickness of the front and rear deposits, the nature of front and rear deposits and the temperatures at which the layers front 16 and rear 18.
Figure 3 is a comparative diagram showing RMS faults obtained for several types of materials and, in each case, with and without the rear layer 18. In this example, a reflector of diameter 600 is used.
mm with prepreg type M55J / 914 skins (M55J is a charac-verifying the nature of the fibers and 914 is a reference characterizing the resin epoxy used), and a 15 mm thick aluminum honeycomb core.
We have plotted on the abscissa, the thickness e in micrometers, of the deposit metallic on the front face and, if necessary, on the rear face and, in ordered, RMS error, also in micrometers. Line 30 corresponds to the curve of variation depending on the thickness of the RMS error for a deposit aluminum only on the front face while the right 32 corresponds to a deposit aluminum on the front and rear sides of the reflector.
Figure 4 is a diagram corresponding to a diameter reflector 600 mm with M55J skins and a 15 mm thick aluminum honeycomb core minimum. In this case, the metal deposit on the front face has a thickness of 4 Nm of aluminum. On the rear side of this reflector, deposits have been provided metal various thicknesses and the resulting RMS error was analyzed. Sure this slide gram, we have plotted on the abscissa, the thickness e of the metal deposit opposite back and, on the ordinate, the RMS error, both being expressed in micrometers.
In Figure 4, curve 34 shows that the RMS error is minimal when the thickness of the rear layer is of the order of 9 Nm, while the thickness of the front panel deposit is 4 Nm. In other words, the optimum is not necessarily obtained with thicknesses of deposits 16 and 18 which are equal.
It is not essential that the metal coating 18, intended to think of the bimetallic strip effect resulting from the differences in coefficient of dilation between the
6 couche 16 et l'âme et les laminés, soit constitué par un dépôt extérieur. En variante (non montrée), ce revëtement 18 est disposé entre deux plis du laminé arrière 14. 6 layer 16 and the core and the laminates, or constituted by an external deposit. In variant (not shown), this covering 18 is arranged between two plies of the rear laminate 14.