EP4372910A1 - Device for controlling rf electromagnetic beams according to their angle of incidence and manufacturing method - Google Patents
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Definitions
- the present invention relates generally to the field of radio frequencies (RF), and in particular to a device for controlling RF electromagnetic beams, in particular for controlling the emission and/or reception of electromagnetic beams according to an angle of incidence of the beam by relating to the device, as well as a method of manufacturing such a device.
- RF radio frequencies
- beam control devices coming from RF electromagnetic signal sources, consisting of a network of small radiating elements in which an RF electromagnetic wave circulates, as described for example in the application for patent FR3117685A1 .
- Such devices generally planar, are configured to emit and/or receive electromagnetic beams characterized by a direction forming an angle of incidence of the beam relative to the planar device.
- Each radiating element and thus the induced device can be characterized by an active impedance.
- adaptation solutions are used to stabilize the active impedance of a control device according to the direction of beam propagation.
- adaptation solutions include for example the implementation of WAIM screens (acronym for the Anglo-Saxon expression of Wide Angle Impedance Matching ) as described for example in the article " Wide angle impedance matching of a planar array antenna by a dielectric sheet” by E. Magill et al., IEEE Transactions on Antennas and Propagation, vol. 14, no. 1, 1966, pages. 49-53 , or in the article " Wide angle impedance matching metamaterials for waveguided phased-array antennas" by S.
- the present invention improves the situation by proposing a device for controlling radiofrequency beams defined in an orthogonal reference frame (X,Y,Z).
- the device generally extends in the plane (X,Y) of the orthogonal reference frame (X,Y,Z).
- the device comprises a set of at least one cell corresponding to a radiating element.
- the cell comprises a support frame and an excitation element of the radiating element, each radio frequency beam being defined in a given direction of propagation having an angle of incidence ⁇ relative to the device.
- the support frame is in a generally tubular shape oriented along the Z axis of the orthogonal reference frame (X,Y,Z).
- the tubular shape has a length d z given along the axis of the frame Z and a transverse section defined in the plane (X,Y).
- the transverse section has a perimeter P
- the support frame includes a frame inlet and a frame outlet.
- the support frame further comprises a number N of slots extending, along the frame axis Z, between the frame outlet and a slot position Z 0n along the frame axis Z.
- the slot position Z 0n is located between frame inlet and frame outlet, each slot has a variable slot width w n along the frame axis Z.
- the slot width w n has a minimum slot value at the slot position Z 0n , and a maximum slot value at the exit of the frame, the maximum slot value being determined as a function of the perimeter P of the transverse section and the number N of slots.
- Each cell is configured to carry out transmission and/or reception of radio frequency beams invariant depending on the direction of propagation.
- Each slot may be associated with at least two slot edges, the slot edges representing the boundaries of the support frame connecting the slot position Z 0n to the frame outlet.
- Each slot edge can be associated with a variability function, the variability function being a concave and/or convex polygonal function.
- the excitation element may comprise a number H of longitudinal metal ribs arranged within the tubular shape.
- a rib can extend along the axis of the frame Z between the frame entry and a rib position Z h .
- the rib position Z h can be set between frame inlet and frame outlet.
- the number H of ribs can be equal to the number N of slots.
- the ribs of the cell may be identical to each other and the slots of the cell may be identical to each other.
- the rib position Z h can be set between the slot position Z 0n and the frame outlet.
- the excitation element may comprise a so-called “Vivaldi” antipodal transition arranged at least partly inside the tubular shape.
- the transition may comprise at least a first metallic etching and a second metallic etching extending along the axis of the frame Z between the frame entrance and an engraving position Z 0g .
- the engraving position Z 0g can be set between frame entry and frame exit.
- the excitation element may comprise a number T of planar metallic elements arranged inside the tubular shape, a planar element extending along the plane (X,Y) at the level of a planar position Z t .
- the planar position Z t can be set between frame entry and frame exit.
- the slots of the cell can be identical to each other, the planar position Z t being defined between the slot position Z 0n and the frame outlet.
- the device may be partly metallic.
- the transverse section may have the shape of a circle or polygon.
- the invention also provides a method of manufacturing the radio frequency beam control device characterized in that the device is at least partially metallic, and the manufacturing method uses at least one 3D printing technique.
- the device according to the embodiments of the invention makes it possible to control beams of RF electromagnetic waves according to a wide angular sector of beam depointing relative to the device and a reduction in the blinding directions, thanks to an improvement in stability of the active impedance of the device.
- Such a device is particularly suitable for RF bandwidths compatible with telecommunication antenna systems. It also provides an efficient solution, while limiting manufacturing complexity and costs, and allows for reduced weight and significant compactness. In particular, in the space domain, such a device does not impact the payload of the satellite.
- FIG. 1 schematically represents a radio frequency (RF) beam control device 10 according to embodiments of the invention.
- RF radio frequency
- the RF beam control device 10 can be used in an antenna system 1.
- an antenna system can be implemented in the form of an active antenna mounted at on board a satellite in low orbit (or LEO for Low Earth Orbit according to the English name) and belonging to a constellation of satellites intended to provide telecommunications services throughout the Earth.
- An antenna system 1 can thus be configured to transmit and/or receive beams (or signals) of RF electromagnetic waves.
- An RF electromagnetic wave beam is associated with an RF frequency band (being inversely proportional to a wavelength ⁇ ).
- an antenna system 1 can be configured to emit an RF signal in specific frequency bands.
- a specific frequency band may correspond to a low frequency band, such as for example an “L band” or an “S band” typically between 1 and 2 GHz or 2 and 4 GHz.
- Such a specific frequency band can also correspond to a band of higher frequencies (used for high-speed telecommunications systems for example), such as for example a “Ku band”, a “Ka band” or a “Q/ band”.
- An electromagnetic wave of an RF signal can be further characterized by a given phase, a given amplitude and a given polarization.
- the RF beams emitted by the antenna system 1 are designated by the notation SRF10 on the figures 1 and 2
- the RF beams received by the antenna system 1 are designated by the notation SRF20 on the figures 1 and 2 .
- the radio frequency beam control device 10 can be configured to emit the SRF10 beams.
- the radio frequency beam control device 10 can also be configured to receive external SRF20 beams.
- the term "radio frequency beam control" also called 'radio frequency beam manipulation' refers to various phenomena related to electromagnetic waves that can occur when an RF beam interacts with matter. a given object (here device 10). These phenomena may include in particular the emission, reception, transmission, reflection, absorption, diffusion, refraction and/or diffraction of the electromagnetic wave.
- the RF beam control device 10 is defined in a reference frame (X,Y,Z).
- the device 10 comprises a first face 11 (also called 'input face') and a second face 12 (also called 'output face') opposite the first face 11.
- the beam SRF10 is emitted from the second face 12 of the device 10 while the beam and SRF20 is received by the second face 12.
- the terms “input” or “output” are used here depending on the direction of circulation of the radio frequency (RF) waves in the device 10 when it it operates in transmission, that is to say in the direction of circulation going from the first face 11 towards the second face 12.
- the two faces 11 and 12 are spaced from each other by a distance d z representing the thickness of the device 10.
- the thickness value of the device d z is very small compared to the overall size of the antenna system , the device 10 can have a generally planar structure, defined in the plane (X,Y) orthogonal to the Z axis. Thus, the device 10 generally extends in the plane (X,Y).
- the two faces 11 and 12 of the device 10 can be parallel to each other.
- the two faces 11 and 12 can be surfaces defined in two dimensions in the plane (X,Y) orthogonal to the normal axis Z.
- the two faces 11 and 12 can be surfaces defined according to three dimensions in the reference frame (X,Y,Z).
- the thickness of the device d z between the two parallel faces 11 and 12 is homogeneous along the device 10.
- the thickness of the device d z between the two faces 11 and 12 is inhomogeneous along the device 10, the thickness of the device d z varying along the axis X and/or along the axis Y.
- at least one of the two faces 11 and 12 can be defined as a surface defined according to three dimensions in the reference frame (X,Y,Z).
- the device 10 may comprise a center O positioned in the plane (X,Y), the thickness of the device d z varying in an increasing or decreasing manner from this center O along the axis to form a quasi-optical element, which can be a concave or convex element.
- the RF beam control device 10 comprises a set of cells 100 arranged in the plane (X,Y), as shown in the figure 1 .
- An SRF10 beam emitted by the device 10 can be characterized by a given direction of incidence of emission. As shown on the figure 1 , the direction of incidence of emission of a beam SRF10 forms with the normal axis Z of the device 10 an angle of incidence of emission denoted ⁇ e .
- An SRF20 beam received by the device 10 can be characterized by a given reception incidence direction. As shown on the figure 1 , the direction of reception incidence of a beam SRF20 forms with the normal axis Z of the device 10 a reception angle of incidence denoted ⁇ r .
- the SRF10 beams emitted and/or SRF20 received by the device 10 can also be characterized by a maximum angular sector ⁇ max , the emission angles of incidence ⁇ e and reception ⁇ r then being between 0 and ⁇ max .
- the SRF10 beams transmitted and/or SRF20 received are then described as 'unfocused'.
- the maximum angular sector noted ⁇ max can be equal to ⁇ 55°.
- the SRF10 beams emitted and/or SRF20 received can also be associated with an angular sector of vision denoted ⁇ 1 and corresponding to an angular sector where beam transmission must be carried out, that is to say an angular sector without "blinding ".
- the antenna system 1 comprises the RF beam control device 10 and a beam forming unit 20.
- the beam forming unit 20 (even more simply called 'unit 20' in the remainder of the description) can be a multi-beam former as described for example in the patent application FR2986377A1 .
- the beamforming unit 20 may be configured to generate and transmit to the device 10 one or more electromagnetic wave signals, designated by the notation SRF12 on the figure 2 .
- the beamforming unit 20 can be configured to transmit to each cell 100 of the device 10 a distinct SRF12 signal.
- the unit 20 can be configured to apply to these SRF12 signals a modification of the phase and/or the amplitude, so as to defocus the SRF10 beams emitted according to angles of incidence emission ⁇ e distinct and/or variable between 0 and ⁇ max .
- the unit 20 can therefore be configured to receive one or more RF SRF22 signals resulting from the transmission of the external SRF20 beam received by the device 10.
- the unit 20 can be configured to receive from each cell 100 a distinct SRF22 signal to process.
- the unit 20 can be configured to apply to these SRF22 signals a measurement of the phase and/or the amplitude so as to estimate the direction of incidence of reception of the received SRF20 beam.
- Unit 20 may also be configured to apply a weighted combination of the SRF22 RF signals based on the estimated direction.
- the antenna system 1 can comprise a processing unit (for example a satellite payload processor not shown in the figures) configured to process the SRF22 signals received and processed by the unit 20.
- Each cell 100 of the device 10 corresponds to a radiating element and comprises an external support frame of the cell 130 and an internal excitation element of the cell 150.
- the device 10 is thus described as a 'radiating panel'.
- FIG. 3 Only shows the support frame 130, to facilitate understanding of the invention.
- FIG. 4 illustrate perspective views of a cell 100 comprising a support frame 130, according to different embodiments.
- the support frame 130 of a cell 100 is in a generally tubular shape having a main axis extending along the Z axis, also called “frame axis”.
- the support frame 130 of a cell 100 (also called waveguide) comprises a frame entrance 131, arranged in the plane (X,Y), at the entrance face 11.
- the position Z 0 of the frame entry 131 along the Z axis is called “entry position”.
- the support frame 130 of a cell 100 further comprises a frame outlet 132, aligned in the plane (X,Y) at the outlet face 12.
- the position Z c of the frame outlet 132 according to the Z axis is called “output position”.
- the support frame 130 consists of a set of “walls” having a wall thickness m.
- the support frame 130 has a frame length defined along the axis of the frame Z.
- the thickness of the device d z may be less than or equal to a value substantially equal to ⁇ /2.
- each cell 100 can be associated with a specific length of cell d z ( n ) .
- the tubular shape of the support frame 130 comprises a transverse section defined in a plane (X,Y) perpendicular to the axis Z.
- the transverse section is characterized by a given shape and a perimeter value P calculated according to the dimensions of the shape of the transverse section.
- the transverse section can be circular, oval, square, rectangular, or polygonal.
- the tubular shape can correspond to a polyhedron with N c facets each having a parallelogram shape.
- Each facet (or “prismatic face” corresponding to the walls) extends along the axis of the frame Z.
- the N c facets are connected together by N c edges oriented along the axis of the frame Z.
- the support frame 130 of a cell 100 also includes a number N of slots (or notches) denoted 133-n, “n” being an index associated with the different slots, with n ⁇ [1, N ].
- Each slot 133-n extends along the axis of the frame Z, from the frame exit position Z c 132 to a slot position (or initial slot position) denoted Z 0 n .
- the slot position Z 0 n is arranged between the frame entrance 131 (ie entry position Z 0 ) and the frame exit 132 (ie exit position Z c ).
- Each slot 133-n is further associated with at least two slot edges, denoted respectively n1 and n2, representing the limits of the support frame 130 and connecting the slot position Z 0 n to the exit position Z c as indicated on there Figure 3 .
- Each edge of slots, n1 or n2 can be characterized by a predefined function called variability, denoted respectively f n 1 or f n 2 . Consequently, each slot 133-na has a variable slot width w n , along the axis of the frame Z, constructed from the variability functions f n 1 and f n 2 .
- the slots can be flared towards the exit position 132.
- the slot width variable takes maximum slot value at the outlet of the support frame 132 and a minimum slot value at position Z 0 n .
- Maximum slot value can be determined as a function of the perimeter P of the transverse section of the cell 100 and the number N of slots 133-n.
- the minimum slot value is less than the maximum slot value , either : w not max > w not min
- a slit variability function f n can be a linear function (cf. Figure 5 ), a step function or any other function (monotonic or not, increasing polygonal called concave and/or convex as illustrated on the figures 3 , 4 And 6 for example) so as to vary the width w n of the slot 133-n along the axis of the frame Z by a minimum value at a maximum value
- a slot variability function f n can be defined by an exponential function so as to vary the width w n exponentially between the minimum value at the maximum value
- the edges of slots n1 and n2 of a slot 133-n can be symmetrical to each other with respect to an axis Z defined at the center of this slot 133-n.
- the edges of slots n1 and n2 can be symmetrical with respect to an axis Z defined at the center of this facet.
- an RF beam control device 10 may include modulations of slot profile 133-n (of a few micrometers for example) relative to the center O of the device 10 in order to spatially modulate the phase of the incident beam, so as to deal with certain edge effects.
- the RF beam control device 10 can comprise a set of several cells 100 having geometric shapes and dimensions of support frame and slots variable in the plane (X,Y) chosen so as to modify in a very fine manner (at the cell scale) the phase and the associated wavefront of the electromagnetic wave in the plane (X,Y).
- the first part without slots may be negligible compared to the second part with slots in the case where all the slots of the same cell 100 are characterized by the same length d 0 n of the first part then equal to the thickness of wall m, such that Z 0 n ⁇ Z 0 , as shown in the Figure 6 .
- the minimum value of the width of a slot 133-n can be equal to 0, i.e. And as shown on the figures 5 And 6 .
- the minimum slot value can be greater than or equal to the wall thickness m, as shown in the figures 3 And 4 .
- Such a minimum slot value different from zero makes it possible to obtain a compact 100 cell design along the Z axis.
- the maximum value of the width of a slot 133-n is greater than the wall thickness m.
- the sum of the proportion coefficients ⁇ n over all the slots 133-n is less than or equal to N, according to the following expression (03): ⁇ not ⁇ not ⁇ NOT
- the maximum values width of the slots of the same cell 100 can be identical.
- the proportion coefficients ⁇ n can be equal for the N 130-n slots of a cell.
- the maximum value width of a slot can for example be defined according to the following equation (05): w not max ⁇ L vs
- a slot 133-n can be positioned so that it coincides with an edge of the polyhedron.
- the number N of slots 133-n can be equal to the number N c of sides, as shown on the figures 3 , 4 And 6 .
- the number N of slots 133-n may be less than the number N c of sides, as shown on the figure 5 .
- the number N of slots 133-n can be equal to 2 and each slot 133-n can be positioned on a facet of the polyhedron parallel to the polarization axis X' (ie the slots then being arranged parallel to the electric field of the electromagnetic wave of the RF signal circulating in the waveguide 130).
- the number N of slots 133-n may be greater than the number N c of sides (not shown in the figures).
- a facet of the polyhedron may comprise at least two slots 133-n.
- the slots 133-n positioned on the same facet of support frame 130 can be symmetrical with respect to a Z axis defined at the center of this facet.
- the dimensions associated with the longitudinal slots 133-n are adapted to compensate for this variability in thickness d z ( n ) , allowing the adjustment of the slots 133-n to the variability of the lengths of walls between adjacent cells.
- the support frame 130 can be entirely or partially metallic so as to form an electrically conductive structure.
- the notched opening of the support frames 132 at the level of the N slots 133-n makes it possible to simulate a partially dielectric material and to significantly widen the transmission band of the RF beam control device 10.
- the support frame 130 of a cell 100 is further characterized by an impedance.
- the dimensions associated with the longitudinal slots 133-n make it possible to adjust the characteristic impedance of the cell 100.
- the variability of the width w n of the longitudinal slots 133-n, and in particular a variability function defined by a function increasing or exponential, makes it possible to progressively modify the impedance of the second part of frame with slots, from an input impedance of the waveguide (following the impedance of a first part of frame without slot, typically about a hundred ohms) until the free space impedance is adapted (i.e. to 377 ⁇ ).
- This progressive modification of the impedance of the support frame 130 (and therefore of the device 10) makes it possible in particular to stabilize the active impedance of the radiating elements of the device 10 in an antenna system whatever the angle of depointing of the incident beam.
- a support frame 130 metallic and notched by the N longitudinal slots 133-n (or slotted), acts as a waveguide allowing the propagation of electromagnetic waves in TEM mode to be transmitted by the control device of RF beams 10.
- Such support frames 130 can thus function as radiating elements in all frequency bands of RF signals, and can in particular be used for L, S, C, Ku, Ka and Q/V bands.
- the longitudinal slots allow electric fields not to completely cancel out on the sides of the waveguide, allowing electromagnetic waves in TEM mode to settle.
- the set of cells 100 forms a periodic arrangement of waveguides (or a network of cells 100) whose dimensioning is small compared to the wavelength ⁇ associated with the frequency band of the RF beam transmitted or received ( SRF10 and SRF20).
- the electric field excited in a waveguide then couples to neighboring waveguides, inducing significant coupling between cells, which makes it possible to propagate the electromagnetic waves in mode over a wide frequency band, and to ensure a strong mutual coupling with between adjacent guides.
- Such a set of cells 100 forms a wideband transmission window making it possible not to introduce frequency dispersion into the sections of the waveguide.
- the different cells 100 of the device 10 are adjacent and connected to each other, along the frame axis Z, by common cell parts.
- the different cells 100 can be connected by the prismatic faces.
- the periodic arrangement of cells can be characterized by a mesh size of the network denoted ⁇ defined from the shape and dimensions associated with the transverse sections of the cells 100.
- the mesh size ⁇ corresponds to the diameter of the circular section.
- the mesh of the network ⁇ corresponds for example to the diameter of the circle circumscribed by the polygonal section or to the side width l c of the polygon.
- the mesh of the network ⁇ of the device 10 can be uniform or variable in the plane (X,Y) depending on the modes of application of the invention.
- the network mesh ⁇ can be determined in relation to a maximum mesh value denoted ⁇ max .
- the maximum mesh value ⁇ max can be defined as a function of the wavelength ⁇ of the RF beam transmitted or received (SRF10 and SRF20), the maximum angular sector of defocusing ⁇ ⁇ max and the angular sector vision ⁇ ⁇ 1 .
- the network mesh ⁇ can be less than the maximum mesh value ⁇ max such that ⁇ ⁇ ⁇ max .
- the mesh of the network ⁇ makes it possible to avoid causing the appearance of network lobes generated by a periodicity effect associated with the mesh.
- the mesh of the network ⁇ can be determined so as to minimize the number of radiating elements in the RF beam control device 10.
- the mesh of the network ⁇ can be between 0.4 ⁇ and 0.6 ⁇ .
- the network mesh ⁇ can be equal to 0.4.
- the thickness of common walls between two cells 100 can be defined as being equal to a value 2 ⁇ m .
- the thickness m of the support frame 132 can be small and can also be adjusted, for example minimized, so as to attenuate the transmission losses of the SRF10 and/or SRF20 beams at the interfaces between the air and the waveguide (for example at the entrance to frame 131 and/or at the exit from frame 132). It should be noted that the transmission losses on a given frequency band and angular sector are proportional to the ratio m / ⁇ . The reduction in the bandwidth and the reduction in the angular sector associated with the RF wave can be correlated to the quantity of metallic material forming the support frame 130.
- the minimization of the wall thickness m can also result in a minimization of the total mass of the device 10, while guaranteeing its rigidity.
- the wall thickness m is less than the wavelength ⁇ , which makes it possible to confer stability of transmission of the RF wave with respect to the variation of the opening angle of incidence (in particular of reception ⁇ r ) on the device 10.
- the wall thickness m according to the modes of the invention can be between 250 ⁇ m and 500 ⁇ m .
- the wall thickness m can be further defined as a function of the advantages and constraints associated with the manufacturing process of the device 10.
- the frame entrance 131 can be “closed” (or “sealed”) in the plane (X,Y) by a closing wall 11 -0 (not shown in the figure). Figure 3 but illustrated on the Figure 6 ).
- the thickness of this closing wall 11 -0 can be equal to the wall thickness m.
- each support frame 130 may comprise a frame entrance 131 closed along the entrance face 11 of the device 10.
- a device 10 comprising closing walls 11-0 of the frame entrance 131 of the cells has advantages manufacturing and structural solidity.
- This closing wall 11 -0 may be metallic.
- the transverse section of the cells 100 of the device 10 is polygonal, the different cells 100 being adjacent and connected to each other by the prismatic faces, all of the closing walls 11-0 of the frame entrance 131 cells can form a single entrance plaque.
- This input plate corresponds to a ground plane of the device 10.
- the device 10 can present manufacturing advantages since the overall structure has less material.
- the device 10 can present better impedance properties (partly active input) of the radiating elements with respect to the variation of the opening angle (ie the angular orientation) of the SRF10 and/or SRF20 beams at the interfaces between the air and the waveguide.
- Each cell 100 of the RF beam control device 10 comprises an internal excitation element 150 of the cell 100 as shown in the figures 4 , 5 And 6 .
- the implementation of an excitation element 150 internal to the support frame 130 makes it possible to preserve the intrinsic broadband properties of the waveguide.
- the implementation of an internal excitation element 150 in the support frame 130 allows the progressive conversion of the fundamental mode of the RF signal circulating in the waveguide towards the TEM mode of the RF signal which propagates in the sections slotted.
- an excitation element 150 may comprise a number H of longitudinal metal structures 152-h extending along the axis of the frame Z and arranged inside the cell 100.
- "h” is a index associated with the different slots, with h ⁇ [1, H ].
- Each metal structure 152-h, also called “rib” is connected to the support frame 130 by a rib edge h0 defined, along the axis of the frame Z, extending from the frame entrance 131 (ie position d 'entry Z 0 ) up to a rib position denoted Z h .
- the distribution of all the ribs inside the support frame 130 can be determined as a function of the perimeter P of the transverse section of the cell 100 and the number H of ribs 152-h.
- a rib 152-h can be arranged inside the frame at the level of an edge of the polyhedron forming the cell and oriented along the axis of the frame Z.
- the number H of ribs in a cell can also be defined as a function of the number N of slots 133-n and/or the number N c of sides of the polygonal transverse section of a cell 100.
- the number H of ribs 152-h can be equal to the number N of slots 133-n. All of the ribs can be regularly distributed around the waveguide according to a regular spacing between the ribs, for example equal to the ratio of the perimeter P to the number H.
- each rib 152-h can be positioned at an interior side surface of the cell 100.
- each rib 152-h can be positioned in a plane orthogonal to the slots 133-n of the cell 100, the slots then being arranged parallel to the electric field of the electromagnetic wave of the RF signal circulating in the waveguide 130.
- the rib position Z h along the axis of the frame Z can be arranged between the frame entry 131 (ie entry position Z 0 ) and a slot position Z 0 n , so that the rib 152-h is located in a first part of length d 0 n corresponding to the support frame 130 without slot with d h ⁇ d 0 n .
- the rib position Z h can be arranged between the frame outlet 132 (ie outlet position Z c ) and a position Z 0 n of a slot 133-n, such d h > d 0 n .
- part of the rib 152-h and part of the slot 133-n can overlap (or be “superimposed”) at least partially over an overlap distance between Z h and Z 0 n .
- a cell 100 comprising a superposition between ribs and slots ensures a progressive conversion of the fundamental mode of the RF signal circulating in the waveguide (ribbed guide in this case) towards the TEM mode of the RF signal which propagates in slotted sections (slotted guide).
- Such superposition between ribs and slots also makes it possible to obtain a compact cell 100 design.
- each rib 152-ha has a thickness m h and a width l h .
- the rib thickness m h and/or the rib width l h are variable dimensions along the axis Z such that each rib 152-h comprises a plurality of “steps” distributed along the axis of the frame Z.
- the rib thickness m h and/or the rib width l h takes a maximum value (respectively m h max And L h max ) at frame input 131 (ie input position Z 0 ), and a minimum value (respectively m h min And L h min ) at the rib position Z h .
- the number of steps and their dimensions can be determined based on the rib length d h and maximum and minimum rib values ( m h max , L h max , m h min And L h min ), according to a variability profile of rib noted f h .
- the minimum value of the rib thickness m h min and/or rib width L h min can be equal to the wall thickness m.
- the different dimensions of the rib 152-h are configured to contribute to the conversion of modes in the waveguide of the cell 100.
- the thicknesses and heights of the steps of the ribs 152-h can vary in particular in a manner decreasing along the Z axis, from the entry position Z 0 to the rib position Z h .
- the dimensions of the ribs of the same cell 100 and/or of the slots of all the cells 100 of the RF beam control device 10 can be identical or different from each other depending on the modes of application of the invention .
- a support frame 130 associated with ribs 152-h may comprise a polarizer (or so-called 'septum' polarizer and not shown in the figures) making it possible to generate radiation with double circular polarization.
- a "polarizer" refers to an element intended to convert, on the one hand, the received SRF20 signals having a circular polarization into SRF22 signals having a linear polarization and, on the other hand, the SRF12 signals to be transmitted having a linear polarization into SRF10 signals having a circular polarization.
- the polarizer can be formed by an internal blade extending along the axis of the frame Z and generated from two ribs 152-h connected at least in part to each other inside the cell 100.
- the two Ribs 152-h connected to form the polarizer may originate from opposing edges of the straight polygonal cylinder or on two opposing interior side surfaces of the straight polygonal cylinder.
- THE figures 7(a) , 7(b) And 8 are graphs illustrating examples of radio performance achieved by a device 10 comprising an excitation element 150.
- the graphics of the figure 7(a) show the evolution of the simulated active reflection coefficient as a function of frequency for a device 10 each cell 100 of which comprises ribs 152-h, according to embodiments of the invention.
- the determination by simulation of the active reflection coefficient makes it possible in particular to characterize the variation of the active impedance of the device 10, by taking into account a radiating element surrounded by an infinity of similar radiating elements (ie infinite network) associated with a gradient phase of an electromagnetic wave.
- the phase gradient makes it possible to orient the beam resulting in emission from the device 10 at a given angle of incidence ⁇ .
- the graphics of the figure 7(a) highlight a stabilization of the active impedance over a large angular sector.
- the active reflection coefficient represented on the figure 7(a) is less than -10 dB for a wide frequency band Ka and ).
- the graphics of the figure 7(b) show the evolution of the simulated gain of an electromagnetic wave in a continuity of given emission directions ⁇ (or phi) of the beam resulting in emission, co-polarization and cross-polarization of the RF source, for a device 10 including each cell 100 comprises ribs 152-h, according to embodiments of the invention.
- the determination by simulation of such a radiation pattern on a given angular sector can be correlated to the variation of the active impedance on this angular sector of a radiating element powered by an electromagnetic wave and positioned at the center of a small network (for example at the center of 24 other similar radiating elements and connected to a load), thus taking into account the mutual coupling between the radiating elements as well as the edge effects associated with this small network.
- the graphics of the figure 7(b) demonstrate a stabilization of the radiation pattern in all the emission planes of the device 10, as well as a slight reduction in cross-polarization gain ranging from 3 to 5 dB. Indeed, the variation of the main polarization gain of this so-called “surrounded” radiation diagram (i.e. graphs of the figure 7(b) ) is linked to the variation of the active impedance as a function of the direction of the beam. Thus, the more stable the gain is over a set of directions of incidence of the beam, the lower the degradation of the active impedance when a beam is pointed in these directions.
- the mode of transmission of microwave waves in the amplifiers and in the radiating panel 10 are different.
- the waves at the output of the radiating panel are transmitted via a wave guide (ridged) while the waves in the amplifier generally propagate using a line called a “microstrip line”. » or “microstrip line” which can be any type of suitable microwave transmission line.
- the passage of the HF wave propagation mode in waveguide from the radiating panel to the microstrip line of the amplifiers is carried out via a suitable transition.
- an excitation element 150 may comprise a so-called “Vivaldi” antipodal transition 154 arranged inside the cell 100, making it possible to produce a transition between a waveguide and a microstrip line.
- an antipodal transition 154 comprises a first metallic structure 154-1 extending in a first plane (X', Z), and a second metallic structure 154-2 extending in a second plane (X', Z) parallel to the foreground (X',Z).
- the antipodal transition 154 may be a “tri-plane structure” (or “tri-plate line”) such that the antipodal transition 154 comprises a third metallic structure 154-3 extending in a third plane ( X',Z) parallel to the first and second planes (X',Z).
- the first metal structure 154-1 can be placed between the second metal structure 154-2 and the third metal structure 154-3.
- the third metallic structure 154-3 has a shape equivalent to the second metallic structure 154-2.
- an antipodal transition 154 may further comprise a dielectric substrate 154-0 comprising at least a first dielectric face and a second dielectric face, the second dielectric face being opposite and parallel to the first dielectric face, the first and second dielectric faces extending the axis of the frame Z.
- the first metallic structure 154-1 corresponds to a first metallic engraving 154-1 arranged on the first dielectric face
- the second metallic structure 154-2 corresponds to a second metallic engraving 154-2 arranged on the second dielectric face.
- the dielectric substrate 154-0 may include a third dielectric face extending the frame axis Z and parallel to the first and second dielectric faces.
- the first dielectric face can be placed between the second and the third face of the dielectric substrate 154-0.
- the third metallic structure 154-3 corresponds to a third metallic etching 154-3 arranged on the third dielectric face and having a shape equivalent to the second metallic etching 154-2.
- the substrate position Z g along the frame axis Z may be arranged between the frame entrance 131 and a slot position Z 0 n , such that the dielectric substrate 154-0 is located in a first part of length d 0 n corresponding to the support frame 130 without slot with d g ⁇ d 0 n .
- the substrate position Z g can be arranged between the frame output 132 (ie output position Z c ) and a position Z 0 n of a slot 133-n, such d g > d 0 n .
- part of the dielectric substrate 154-0 and part of the slot 133-n can overlap (or be “superimposed”) over an overlap distance between Z g and Z 0 n .
- the first metallic structure (or etching) 154-1 can form a conductive microstrip arranged at the frame entrance 131 (ie entry position Z 0 ).
- the first metallic structure (or etching) 154-1 is progressively widened in the first plane (X', Z), inside the waveguide up to a first etching position Z 0 g so as to be connected to a first substrate edge g0-1.
- the second metallic structure (or engraving) 154-2 (and possibly the third metallic structure or engraving 154-3) can form a ground plane from a position Z m less than the input position Z 0 of the frame entry 131 up to a second engraving position Z mg .
- the second metallic structure (or engraving) 154-2 (and possibly the third metallic structure or engraving 154-3) can also form a conductive microstrip progressively widened in the second plane (X', Z), inside the guide d 'wave from the second etching position Z mg to the first etching position Z g so as to be connected to the second substrate edge g0-2. It should be noted that the electric field is then established between the first metallic structure (or engraving) 154-1 and the second metallic structure (or engraving) 154-2 (and possibly between the first metallic structure or engraving 154-1 and the third metallic structure or engraving 154-3) along the polarization axis Figure 5 .
- the first engraving position Z 0 g along the axis of the frame Z, is arranged between the frame entrance 131 and the substrate position Z g
- the second engraving position Z mg along the axis of the frame Z, is arranged between the frame entrance 131 and the first engraving position Z 0 g .
- the first engraving position Z 0 g along the axis of the frame Z can be arranged between the substrate position Z g and the position Z 0 n of the slot 133-n.
- part of the first and second metal engravings and part of the slot 133-n can overlap (or be “superimposed”) at least partially over an overlap distance between Z g and Z 0 n .
- the metal structures (or engravings) 154-1, 154-2 (and optionally 154-3) can be characterized by a thickness m s defined in a plane perpendicular to the planes (X',Z).
- the thickness m s of each metal structure (or engraving) can be equal to the wall thickness m.
- each metal etching of the antipodal transition 154 is configured to “rotate” the electric field.
- an excitation element 150 may comprise a number T of planar metal elements 156-t extending in the plane (X,Y) and arranged one above the other along the axis of the frame Z. “t” is an index associated with the different slots, with t ⁇ [1, T ].
- the excitation element 150 further comprises a closing wall 11-0 arranged at the level of the frame entrance 131 of the cell (and by extension of the entrance face 11 of the device 10) .
- each planar element 156-t (also called planar radiating element or 'patch') can be of any shape.
- a planar element 156-t may be of circular shape or of polygonal shape comprising a number N c of sides.
- a planar element 156-t can also be centered inside the support frame 130.
- Each planar element 156-t can be arranged at a planar position Z t defined between the frame entrance 131 (ie entry position Z 0 ) and the frame output 132 (ie output position Z c ), as shown in the Figure 6 .
- a planar position Z t defined along the axis of the frame Z can be located between the frame entry 131 (ie entry position Z 0 ) and a slot position Z 0 n , so that a planar element 156-t is located in a first part of length d 0 n corresponding to the support frame 130 without slot with d h ⁇ d 0 n .
- a planar position Z t can be located between the frame output 132 (ie output position Z c ) and a position Z 0 n of a slot 133-n, such d h > d 0 n .
- planar element 156-t can be located above the position Z 0 n of slot 133-n at the position Z t .
- a cell 100 comprising at least one planar element 156-t located above the base of all the slots (ie position Z 0 n ) makes it possible to obtain a compact cell design.
- each planar element 156-t can be separated by a spacing ⁇ z between the closing wall 11-0 and/or one of the other planar elements 156-t.
- Each planar element 156-t can be characterized by a thickness m t and a width D t .
- the thickness m t of each planar element 156-t can be equal to the wall thickness m .
- planar elements 156-t can be connected to each other and/or to the closing wall 11-0 by one or more substrates 156-0, extending along the axis of the frame Z inside the frame. support 130.
- a substrate 156-0 of a planar element 156-t may be metallic so as to form an entirely metallic cell 100.
- a substrate 156-0 of a planar element 156-t may be dielectric.
- a planar element 156-t may comprise a number T t of the cell 100 also makes it possible to reduce the mass of the planar element 156-t.
- the different dimensions of the planar elements of the same cell 100 and/or of the planar elements of all the cells 100 of the RF beam control device 10 may be identical or different from each other depending on the applications of the invention.
- the width D t of the planar elements can be progressively reduced between the width of a planar element at the exit of cell 100 relative to the width of a planar element at the entrance to cell 100 This reduction in width D t of planar elements contributes to the progressive adaptation of the impedance of the cell with the impedance of the free space.
- excitation element 150 comprises planar metallic elements are particularly suitable for use for radiating elements in low frequency bands L or S.
- these embodiments allow the design of a compact device, with reduced vertical dimensions, particularly along the Z axis, and low mass, beneficial for satellite antenna applications.
- the RF beam control device 10 can be manufactured using different techniques.
- a manufacturing technique can be a 3D printing technique, also called additive manufacturing. Certain 3D printing techniques make it possible to obtain a uniform device 10, containing no dielectric and entirely metallic, using an electrically conductor such as aluminum or titanium for example. The electrically conductive material such as titanium can then be covered with another electrically conductive material such as silver for example in order to reduce ohmic losses. These 3D printing techniques are particularly suitable for use of the device 10 in Ku, Ka and Q/V bands.
- a technique for manufacturing patches relating to use of the device 10 in low frequency bands L or S can be implemented by conventional manufacturing and assembly of all-metal parts, or by additive manufacturing of the support frame associated with an assembly of patches obtained by printed technology.
- the RF beam control device in particular may thus include one or more of the previously stated characteristics taken in isolation or in any possible technical combination.
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Abstract
Il est proposé un dispositif de contrôle de faisceaux radiofréquences (10) comprenant un ensemble de cellules (100). Chaque cellule comprend un cadre de support (130) et un élément d'excitation (150), et réalise une émission et/ou une réception de faisceaux invariante selon la direction de propagation du faisceau. Le cadre est inscrit dans une forme généralement tubulaire, orientée selon l'axe Z d'un repère (X,Y,Z), ayant une section transverse de périmètre P, et comprend une entrée (131), une sortie (132) et un nombre N de fentes (133-n) entre la sortie et une position Zo située entre l'entrée et la sortie. Chaque fente a une largeur variable le long de Z. La largeur de fente a une valeur minimale à la position Zo, et une valeur maximale au niveau de la sortie déterminée en fonction du périmètre P et du nombre N.There is provided a radio frequency beam control device (10) comprising a set of cells (100). Each cell comprises a support frame (130) and an excitation element (150), and performs beam transmission and/or reception invariant according to the direction of beam propagation. The frame is inscribed in a generally tubular shape, oriented along the axis Z of a mark (X,Y,Z), having a transverse section of perimeter P, and comprises an inlet (131), an outlet (132) and a number N of slots (133-n) between the output and a position Zo located between the input and the output. Each slot has a variable width along Z. The slot width has a minimum value at position Zo, and a maximum value at the outlet determined according to the perimeter P and the number N.
Description
La présente invention concerne de manière générale de domaine des radiofréquences (RF), et en particulier un dispositif de contrôle des faisceaux électromagnétiques RF, notamment pour contrôler l'émission et/ou la réception des faisceaux électromagnétiques selon un angle d'incidence de faisceau par rapport au dispositif, ainsi qu'un procédé de fabrication d'un tel dispositif.The present invention relates generally to the field of radio frequencies (RF), and in particular to a device for controlling RF electromagnetic beams, in particular for controlling the emission and/or reception of electromagnetic beams according to an angle of incidence of the beam by relating to the device, as well as a method of manufacturing such a device.
Il est connu d'utiliser des dispositifs de contrôle de faisceaux, provenant de sources de signaux électromagnétiques RF, constitués d'un réseau d'éléments rayonnants de faibles dimensions dans lesquels circule une onde électromagnétique RF, tel que décrit par exemple dans la demande de brevet
Dans de tels dispositifs, il existe un couplage mutuel important entre les ondes électromagnétiques RF adjacentes d'un même réseau. Le couplage mutuel entre éléments rayonnants contribue à modifier, en fonction de l'angle d'incidence d'un faisceau par rapport au dispositif, l'impédance active des éléments rayonnants et limite ainsi de façon significative les performances de transmission de faisceaux RF d'un dispositif sur un secteur angulaire de faible élévation et/ou sur certaines directions spécifiques, appelées « directions d'aveuglement », comme décrit par exemple dans l'article "
Certaines solutions connues, dites d'adaptation, sont utilisées pour stabiliser l'impédance active d'un dispositif de contrôle selon la direction de propagation de faisceaux. Ces solutions d'adaptation comprennent par exemple l'implémentation des écrans WAIM (acronyme pour l'expression anglo-saxonne de Wide Angle Impédance Matching) comme décrit par exemple dans l'article "
Il existe ainsi un besoin pour un dispositif amélioré permettant de contrôler des faisceaux d'ondes électromagnétiques RF selon un large secteur angulaire de dépointage de faisceau par rapport au dispositif et pour réduction des directions d'aveuglement, via une solution d'amélioration de la stabilité de l'impédance active du dispositif.There is thus a need for an improved device making it possible to control beams of RF electromagnetic waves according to a large angular sector of beam defocusing relative to the device and for reducing blinding directions, via a stability improvement solution. of the active impedance of the device.
La présente invention vient améliorer la situation en proposant un dispositif de contrôle de faisceaux radiofréquences défini dans un repère orthogonal (X,Y,Z). Le dispositif s'étend généralement dans le plan (X,Y) du repère orthogonal (X,Y,Z). Le dispositif comprend un ensemble d'au moins une cellule correspondant à un élément rayonnant. La cellule comprend un cadre de support et un élément d'excitation de l'élément rayonnant, chaque faisceau radiofréquence étant défini selon une direction de propagation donnée ayant un angle d'incidence θ par rapport au dispositif. Le cadre de support est inscrit dans une forme généralement tubulaire orientée selon l'axe Z du repère orthogonal (X,Y,Z). La forme tubulaire a une longueur dz donnée selon l'axe du cadre Z et une section transverse définie dans le plan (X,Y). La section transverse a un périmètre P, le cadre de support comprend une entrée de cadre et une sortie de cadre. Le cadre de support comprend en outre un nombre N de fentes s'étendant, selon l'axe du cadre Z, entre la sortie de cadre et une position de fente Z0n le long de l'axe de cadre Z. La position de fente Z0n est située entre l'entrée de cadre et la sortie de cadre, chaque fente a une largeur de fente w n variable le long de l'axe du cadre Z. La largeur de fente w n a une valeur minimale de fente
Chaque fente peut être associée à au moins deux bords de fente, les bords de fentes représentant les limites du cadre de support reliant la position de fente Z0n à la sortie de cadre. Chaque bord de fente peut être associé à une fonction de variabilité, la fonction de variabilité étant une fonction polygonale concave et/ou convexe.Each slot may be associated with at least two slot edges, the slot edges representing the boundaries of the support frame connecting the slot position Z 0n to the frame outlet. Each slot edge can be associated with a variability function, the variability function being a concave and/or convex polygonal function.
Dans des modes de réalisation, l'élément d'excitation peut comprendre un nombre H de nervures métalliques longitudinales agencées à l'intérieur de la forme tubulaire. Une nervure peut s'étendre selon l'axe du cadre Z entre l'entrée de cadre et une position de nervure Zh. La position de nervure Zh peut être définie entre l'entrée de cadre et la sortie de cadre.In embodiments, the excitation element may comprise a number H of longitudinal metal ribs arranged within the tubular shape. A rib can extend along the axis of the frame Z between the frame entry and a rib position Z h . The rib position Z h can be set between frame inlet and frame outlet.
En particulier, le nombre H de nervures peut être égal au nombre N de fentes.In particular, the number H of ribs can be equal to the number N of slots.
Les nervures de la cellule peuvent être identiques entre elles et les fentes de la cellule peuvent être identiques entre elles. La position de nervure Zh peut être définie entre la position de fente Z0n et la sortie de cadre.The ribs of the cell may be identical to each other and the slots of the cell may be identical to each other. The rib position Z h can be set between the slot position Z 0n and the frame outlet.
Dans des modes de réalisation, l'élément d'excitation peut comprendre une transition antipodale dite « Vivaldi » agencée au moins en partie à l'intérieur de la forme tubulaire. La transition peut comprendre au moins une première gravure métallique et une deuxième gravure métallique s'étendant selon l'axe du cadre Z entre l'entrée de cadre et une position de gravure Z0g. La position de gravure Z0g peut être définie entre l'entrée de cadre et la sortie de cadre.In embodiments, the excitation element may comprise a so-called “Vivaldi” antipodal transition arranged at least partly inside the tubular shape. The transition may comprise at least a first metallic etching and a second metallic etching extending along the axis of the frame Z between the frame entrance and an engraving position Z 0g . The engraving position Z 0g can be set between frame entry and frame exit.
Dans des modes de réalisation, l'élément d'excitation peut comprendre un nombre T d'éléments métalliques planaires agencés à l'intérieur de la forme tubulaire, un élément planaire s'étendant selon le plan (X,Y) au niveau d'une position planaire Zt. La position planaire Zt peut être définie entre l'entrée de cadre et la sortie de cadre.In embodiments, the excitation element may comprise a number T of planar metallic elements arranged inside the tubular shape, a planar element extending along the plane (X,Y) at the level of a planar position Z t . The planar position Z t can be set between frame entry and frame exit.
Les fentes de la cellule peuvent être identiques entre elles, la position planaire Zt étant définie entre la position de fente Z0n et la sortie de cadre.The slots of the cell can be identical to each other, the planar position Z t being defined between the slot position Z 0n and the frame outlet.
Le dispositif peut être en partie métallique, La section transverse peut avoir une forme de cercle ou de polygone.The device may be partly metallic. The transverse section may have the shape of a circle or polygon.
L'invention fournit également un procédé de fabrication du dispositif de contrôle de faisceaux radiofréquences caractérisé en ce que le dispositif est au moins partiellement métallique, et le procédé de fabrication utilise au moins une technique d'impression 3D.The invention also provides a method of manufacturing the radio frequency beam control device characterized in that the device is at least partially metallic, and the manufacturing method uses at least one 3D printing technique.
Le dispositif selon les modes de réalisation de l'invention permet de contrôler des faisceaux d'ondes électromagnétiques RF selon un large secteur angulaire de dépointage de faisceau par rapport au dispositif et une diminution des directions d'aveuglement, grâce à une amélioration de la stabilité de l'impédance active du dispositif.The device according to the embodiments of the invention makes it possible to control beams of RF electromagnetic waves according to a wide angular sector of beam depointing relative to the device and a reduction in the blinding directions, thanks to an improvement in stability of the active impedance of the device.
Un tel dispositif est particulièrement adapté aux bandes passantes RF compatibles avec les systèmes antennaires de télécommunication. Il fournit en outre une solution efficace, tout en limitant la complexité et les coûts de fabrication, et permet d'obtenir un poids réduit et une compacité significative. En particulier, dans le domaine spatial, un tel dispositif n'impacte pas la charge utile du satellite.Such a device is particularly suitable for RF bandwidths compatible with telecommunication antenna systems. It also provides an efficient solution, while limiting manufacturing complexity and costs, and allows for reduced weight and significant compactness. In particular, in the space domain, such a device does not impact the payload of the satellite.
D'autres caractéristiques, détails et avantages de l'invention ressortiront à la lecture de la description faite en référence aux dessins annexés donnés à titre d'exemple.
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Fig.1 ] Lafigure 1 est un schéma représentant un dispositif de contrôle de faisceaux radiofréquences, selon des modes de réalisation de l'invention. - [
Fig.2 ] Lafigure 2 est un schéma représentant un système antennaire, selon des modes de réalisation de l'invention. - [
Fig.3 ] Lafigure 3 est un schéma représentant le cadre de support d'une cellule du dispositif de contrôle de faisceaux radiofréquences, selon des modes de l'invention. - [
Fig.4 ] Lafigure 4 est une vue en perspective d'une cellule du dispositif de contrôle de faisceaux radiofréquences montrant le cadre de support et des nervures interne de la cellule, selon des modes de l'invention. - [
Fig.5 ] Lafigure 5 est une vue en perspective d'une cellule du dispositif de contrôle de faisceaux radiofréquences montrant le cadre de support et une transition antipodale interne de la cellule, selon des modes de l'invention. - [
Fig.6 ] Lafigure 6 est une vue en perspective d'une cellule du dispositif de contrôle de faisceaux radiofréquences montrant le cadre de support et des éléments planaires internes de la cellule, selon des modes de l'invention. - [
Fig.7a ] et [Fig 7b ] Lesfigures 7a et7b sont des ensembles de graphiques illustrant les performances radioélectriques atteintes par un dispositif de contrôle de faisceaux radiofréquences selon des exemples de réalisation de l'invention. - [
Fig.8 ] Lafigure 8 est un ensemble de graphiques illustrant les performances radioélectriques atteintes par un dispositif de contrôle de faisceaux radiofréquences, selon des exemples de réalisation de l'invention.
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Fig.1 ] Therefigure 1 is a diagram representing a radio frequency beam control device, according to embodiments of the invention. - [
Fig.2 ] Therefigure 2 is a diagram representing an antenna system, according to embodiments of the invention. - [
Fig.3 ] ThereFigure 3 is a diagram representing the support frame of a cell of the radio frequency beam control device, according to modes of the invention. - [
Fig.4 ] ThereFigure 4 is a perspective view of a cell of the radio frequency beam control device showing the support frame and internal ribs of the cell, according to embodiments of the invention. - [
Fig.5 ] ThereFigure 5 is a perspective view of a cell of the radio frequency beam control device showing the support frame and an internal antipodal transition of the cell, according to embodiments of the invention. - [
Fig.6 ] ThereFigure 6 is a perspective view of a cell of the radio frequency beam control device showing the support frame and internal planar elements of the cell, according to embodiments of the invention. - [
Fig.7a ] And [Fig 7b ] THEfigures 7a And7b are sets of graphs illustrating the radio performances achieved by a radio frequency beam control device according to exemplary embodiments of the invention. - [
Fig.8 ] Therefigure 8 is a set of graphs illustrating the radio performances achieved by a radio frequency beam control device, according to exemplary embodiments of the invention.
Des références identiques sont utilisées dans les figures pour désigner des éléments identiques ou analogues. Pour des raisons de clarté, les éléments représentés ne sont pas à l'échelle.Identical references are used in the figures to designate identical or similar elements. For reasons of clarity, the elements shown are not to scale.
La
Le dispositif de contrôle de faisceaux RF 10 (appelé également 'dispositif 10' par la suite) peut être utilisé dans un système antennaire 1. Par exemple et sans limitation, un système antennaire peut être implémenté sous la forme d'une antenne active montée à bord d'un satellite en orbite basse (ou LEO pour Low Earth Orbit selon l'appellation anglaise) et appartenant à une constellation de satellites destinée à fournir des services de télécommunication sur toute la Terre.The RF beam control device 10 (also called 'device 10' hereinafter) can be used in an
Un système antennaire 1 peut ainsi être configuré pour émettre et/ou recevoir des faisceaux (ou signaux) d'ondes électromagnétiques RF. Un faisceau d'onde électromagnétique RF est associé à une bande de fréquences RF (étant inversement proportionnelle à une longueur d'onde λ). Par exemple, un système antennaire 1 peut être configuré pour émettre un signal RF dans des bandes fréquentielles spécifiques. Une telle bande fréquentielle spécifique peut correspondre à une bande de basses fréquences, telle que par exemple une « bande L » ou une « bande S » comprise typiquement entre 1 et 2 GHz ou 2 et 4 GHz. Une telle bande fréquentielle spécifique peut également correspondre à une bande de plus hautes fréquences (utilisée pour les systèmes de télécommunication à haut débit par exemple), telle que par exemple une « bande Ku », une « bande Ka » ou une « bande Q/V » comprise typiquement entre 12 et 18 GHz ou 22.5 et 40 GHz. Une onde électromagnétique d'un signal RF peut être en outre caractérisée par une phase donnée, une amplitude donnée et une polarisation donnée. Les faisceaux RF émis par le système antennaire 1 sont désignés par la notation SRF10 sur les
Le dispositif de contrôle de faisceaux radiofréquences 10 peut être configuré pour émettre les faisceaux SRF10. En outre, le dispositif de contrôle de faisceaux radiofréquences 10 peut également être configuré pour réceptionner des faisceaux SRF20 externes. Ainsi, tel qu'utilisé ici, le terme « contrôle de faisceaux radiofréquences » (encore appelé 'manipulation de faisceaux radiofréquences') fait référence à divers phénomènes liés à des ondes électromagnétiques qui peuvent se produire lorsqu'un faisceau RF interagit avec la matière d'un objet donné (ici le dispositif 10). Ces phénomènes peuvent comprendre notamment l'émission, la réception, la transmission, la réflexion, l'absorption, la diffusion, la réfraction et/ou la diffraction de l'onde électromagnétique.The radio frequency
Comme représenté sur la
Les deux faces 11 et 12 sont distantes l'une de l'autre d'une distance dz représentant l'épaisseur du dispositif 10. La valeur d'épaisseur du dispositif dz est très petite par rapport à la taille globale du système antennaire, le dispositif 10 peut avoir une structure généralement plane, définie dans le plan (X,Y) orthogonal à l'axe Z. Ainsi, le dispositif 10 s'étend généralement dans le plan (X,Y).The two faces 11 and 12 are spaced from each other by a distance d z representing the thickness of the
Dans un mode de réalisation, les deux faces 11 et 12 du dispositif 10 peuvent être parallèles entre elles. Dans un tel mode de réalisation, les deux faces 11 et 12 peuvent être des surfaces définies selon deux dimensions dans le plan (X,Y) orthogonal à l'axe normal Z. En variante, les deux faces 11 et 12 peuvent être des surfaces définies selon trois dimensions dans le repère (X,Y,Z). Dans ces modes de réalisation, l'épaisseur du dispositif dz entre les deux faces 11 et 12 parallèles est homogène le long du dispositif 10.In one embodiment, the two faces 11 and 12 of the
Alternativement, l'épaisseur du dispositif dz entre les deux faces 11 et 12 est inhomogène le long du dispositif 10, l'épaisseur du dispositif dz variant selon l'axe X et/ou selon l'axe Y. Dans ce mode de réalisation avec épaisseur du dispositif variable, au moins une des deux faces 11 et 12 peut être définie comme une surface définie selon trois dimensions dans le repère (X,Y,Z). Par exemple et de façon non limitative, le dispositif 10 peut comprendre un centre O positionné dans le plan (X,Y), l'épaisseur du dispositif dz variant de façon croissante ou décroissante à partir de ce centre O selon l'axe X pour former un élément quasi-optique, pouvant être un élément concave ou convexe.Alternatively, the thickness of the device d z between the two faces 11 and 12 is inhomogeneous along the
Le dispositif de contrôle de faisceaux RF 10 selon les modes de réalisation de l'invention comprend un ensemble de cellules 100 agencées dans le plan (X,Y), comme représenté sur la
Un faisceau SRF10 émis par le dispositif 10 peut être caractérisé par une direction d'incidence d'émission donnée. Comme représenté sur la
Un faisceau SRF20 reçu par le dispositif 10 peut être caractérisé par une direction d'incidence de réception donnée. Comme représenté sur la
Les faisceaux SRF10 émis et/ou SRF20 reçus par le dispositif 10 peuvent également être caractérisés par un secteur angulaire maximal θmax , les angles d'incidence d'émission θ e et de réception θ r étant alors compris entre 0 et θmax. Les faisceaux SRF10 émis et/ou SRF20 reçus sont alors qualifiés de 'dépointés'. Par exemple et sans limitation, le secteur angulaire maximal noté θmax peut être égal à ±55°. Les faisceaux SRF10 émis et/ou SRF20 reçus peuvent également être associés à un secteur angulaire de vision noté θ 1 et correspondant à un secteur angulaire où la transmission de faisceau doit être effectuée, c'est-à-dire un secteur angulaire sans « aveuglement ».The SRF10 beams emitted and/or SRF20 received by the
Dans l'exemple de réalisation représenté schématiquement sur la
L'unité de formation de faisceaux 20 (encore appelée plus simplement 'unité 20' dans la suite de la description) peut être un formateur multifaisceaux tel que décrit par exemple dans la demande de brevet
L'unité de formation de faisceaux 20 peut être configurée pour générer et transmettre au dispositif 10 un ou plusieurs signaux d'ondes électromagnétiques, désignés par la notation SRF12 sur la
Dans certains modes de réalisation de l'invention, l'unité 20 peut être configurée pour appliquer sur ces signaux SRF12 une modification de la phase et/ou de l'amplitude, de manière à dépointer les faisceaux SRF10 émis selon des angles d'incidence d'émission θ e distincts et/ou variables entre 0 et θmax. In certain embodiments of the invention, the
Dans ces modes de réalisation, l'unité 20 peut donc être configurée pour recevoir un ou plusieurs signaux RF SRF22 issus de la transmission du faisceau SRF20 externe reçu par le dispositif 10. Ainsi, l'unité 20 peut être configurée recevoir de chaque cellule 100 un signal SRF22 distinct à traiter. L'unité 20 peut être configurée pour appliquer sur ces signaux SRF22 une mesure de la phase et/ou de l'amplitude de manière à estimer la direction d'incidence de réception du faisceau SRF20 reçu. L'unité 20 peut également être configurée pour appliquer une combinaison pondérée des signaux RF SRF22 en fonction de la direction estimée. Avantageusement, le système antennaire 1 peut comprendre une unité de traitement (par exemple un processeur de la charge utile du satellite non représenté sur les figures) configurée pour traiter les signaux SRF22 reçus et traités par l'unité 20.In these embodiments, the
Chaque cellule 100 du dispositif 10 correspond à un élément rayonnant et comprend un cadre de support externe de cellule 130 et un élément d'excitation interne de la cellule 150. Le dispositif 10 est ainsi qualifié de 'panneau rayonnant'.Each
La
Le cadre de support 130 d'une cellule 100 est inscrit dans une forme généralement tubulaire ayant un axe principal s'étendant selon l'axe Z, encore appelé « axe du cadre ».The
Tel que représentée sur la
Le cadre de support 130 est constitué d'un ensemble de « murs » ayant une épaisseur de mur m. Le cadre de support 130 a une longueur de cadre définie selon l'axe du cadre Z. La longueur de cadre de support peut être sensiblement égale à l'épaisseur du dispositif dz , tel que dz = Zc - Z 0. Par exemple et sans limitation, l'épaisseur du dispositif dz peut être inférieure ou égale à une valeur sensiblement égale à λ/2. Dans les modes de réalisation où l'épaisseur du dispositif dz est variable dans le plan (X,Y), chaque cellule 100 peut être associé à une longueur spécifique de cellule d z(n).The
La forme tubulaire du cadre de support 130 comprend une section transverse définie dans un plan (X,Y) perpendiculaire à l'axe Z. La section transverse est caractérisée par une forme donnée et une valeur de périmètre P calculée en fonction des dimensions de la forme de la section transverse. Par exemple et sans limitation, la section transverse peut être de forme circulaire, ovale, carré, rectangulaire, ou polygonal.The tubular shape of the
Dans certains modes de réalisation où la section transverse est un polygone comprenant un nombre Nc de côtés, la forme tubulaire peut correspondre à un polyèdre à Nc facettes ayant chacune une forme de parallélogramme. Chaque facette (ou « face prismatique » correspondant aux murs) s'étend selon l'axe du cadre Z. Un tel polyèdre peut être par exemple un polygone régulier d'ordre pair, et en particulier un polygone parallélépipède carré (où Nc = 4), dit cuboïde, ou un prisme hexagonal (où Nc = 6), tel que représenté sur la
Le cadre de support 130 d'une cellule 100 comprend également un nombre N de fentes (ou entailles) notées 133-n, « n » étant un indice associé aux différentes fentes, avec n ∈ [1, N]. Chaque fente 133-n s'étend selon l'axe du cadre Z, de la position Zc de sortie de cadre 132 à une position de fente (ou position initiale de fente) notée Z 0n . Comme représenté sur la
En particulier, les fentes peuvent être évasées en direction de la position de sortie 132. Ainsi, la largeur de fente
Par exemple et sans limitation, une fonction de variabilité de fente fn peut être une fonction linéaire (cf.
Dans certains modes de réalisation, les bords de fentes n1 et n2 d'une fente 133-n peuvent être symétriques entre elles par rapport à un axe Z défini au centre de cette fente 133-n. En particulier, dans les modes de réalisations où la fente 133-n est positionnée sur une facette du cadre de support 130, les bords de fentes n1 et n2 peuvent être symétriques par rapport à un axe Z défini au centre de cette facette.In certain embodiments, the edges of slots n1 and n2 of a slot 133-n can be symmetrical to each other with respect to an axis Z defined at the center of this slot 133-n. In particular, in the embodiments where the slot 133-n is positioned on a facet of the
Les dimensions des fentes (c'est-à-dire les largeurs wn et variabilités fn , et/ou les longueurs de fentes dn par exemple) d'une même cellule 100 et/ou des fentes de l'ensemble des cellules 100 du dispositif de contrôle de faisceaux RF 10 peuvent être identiques ou différentes entre elles en fonction des applications de l'invention. Par exemple, et de façon non limitative, un dispositif de contrôle de faisceaux RF 10 peut comprendre des modulations de profil de fentes 133-n (de quelques micromètres par exemple) par rapport au centre O du dispositif 10 afin de moduler spatialement la phase du faisceau incident, de manière à traiter certains effets de bords. Ainsi, le dispositif de contrôle de faisceaux RF 10, s'étendant généralement dans un plan (X,Y), peut comprendre un ensemble de plusieurs cellules 100 ayant des formes géométriques et des dimensions de cadre de support et de fentes variables dans le plan (X,Y) choisies de manière à modifier de façon très fine (à l'échelle de la cellule) la phase et le front d'onde associé de l'onde électromagnétique dans le plan (X,Y).The dimensions of the slots (that is to say the widths w n and variabilities f n , and/or the lengths of slots d n for example) of the
Dans les modes de réalisation où les longueurs de fente dn des fentes d'une même cellule 100 sont identiques, le cadre de support 130 de cette cellule 100 peut être décomposé en deux parties, représentées sur la
- Une première partie de longueur d 0n (ou d 0) correspondant à un cadre de
support 130 sans fente, et - Une deuxième partie de longueur dn (ou d) correspondant à un cadre de
support 130 avec fentes.
- A first part of length d 0 n (or d 0 ) corresponding to a
support frame 130 without slot, and - A second part of length d n (or d ) corresponding to a
support frame 130 with slots.
Selon certains modes de réalisation, la longueur de la première partie d 0n d'une fente 133-n (tel que d 0n = Z 0n - Zc ) peut être égale à l'épaisseur de mur m. Par exemple, la première partie sans fente peut être négligeable pas rapport à la deuxième partie avec fentes dans le cas où toutes les fentes d'une même cellule 100 est caractérisé par une même longueur d 0n de première partie alors égale à l'épaisseur de mur m, tel que Z 0n ≅ Z 0, comme représenté sur la
La valeur minimale
La valeur maximale
En particulier, la somme des coefficients de proportion εn sur l'ensemble des fentes 133-n est inférieure ou égale à N, selon l'expression (03) suivante :
Dans des modes de réalisation, les valeurs maximales
En particulier, les coefficients de proportion εn peuvent être égaux pour les N fentes 130-n d'une cellule. Par exemple et sans limitation, les paramètres de largeur εn = ε peuvent être égaux à 1, avec Σ n εn = Σ ε = N, comme représenté sur les
En variante, les paramètres de largeur peuvent être inférieurs à 1, avec Σ ε < N, tel que représenté sur la
Dans les modes de réalisation où la section transverse est un polygone régulier, une fente 133-n peut être positionnée sur une des facettes du polyèdre de largeur
Dans certains modes de réalisation où la section transverse est un polygone régulier, une fente 133-n peut être positionnée de manière à ce qu'elle coïncide avec une arrête du polyèdre.In certain embodiments where the transverse section is a regular polygon, a slot 133-n can be positioned so that it coincides with an edge of the polyhedron.
Le nombre N de fentes 133-n peut être égale au nombre Nc de côtés, comme représenté sur les
En variante, le nombre N de fentes 133-n peut être inférieur au nombre Nc de côtés, tel que représenté sur la
En variante, le nombre N de fentes 133-n peut être supérieur au nombre Nc de côtés (non représenté sur les figures). Par exemple et sans limitation, une facette du polyèdre peut comprendre au moins deux fentes 133-n. En particulier, dans ces modes de réalisations, les fentes 133-n positionnées sur une même facette de cadre de support 130 peuvent être symétriques par rapport à un axe Z défini au centre de cette facette.Alternatively, the number N of slots 133-n may be greater than the number N c of sides (not shown in the figures). For example and without limitation, a facet of the polyhedron may comprise at least two slots 133-n. In particular, in these embodiments, the slots 133-n positioned on the same facet of
Avantageusement, dans les modes de réalisation où l'épaisseur du dispositif d z(n) est variable dans le plan (X,Y), les dimensions associées aux fentes longitudinales 133-n (en particulier, différentes longueurs de fentes dn d'un même cadre de support 130) sont adapter pour compenser cette variabilité d'épaisseur d z(n), permettant l'ajustement des fentes 133-n à la variabilité des longueurs de murs entre cellules adjacentes.Advantageously, in the embodiments where the thickness of the device d z ( n ) is variable in the plane (X,Y), the dimensions associated with the longitudinal slots 133-n (in particular, different lengths of slots d n d' the same support frame 130) are adapted to compensate for this variability in thickness d z ( n ) , allowing the adjustment of the slots 133-n to the variability of the lengths of walls between adjacent cells.
Par ailleurs, le cadre de support 130 peut être entièrement ou partiellement métallique de sorte à former une structure électriquement conductrice. L'ouverture par entailles des cadres de support 132 au niveau des N fentes 133-n permet de simuler un matériau partiellement diélectrique et d'élargir significativement la bande de transmission du dispositif de contrôle de faisceaux RF 10.Furthermore, the
Le cadre de support 130 d'une cellule 100 est en outre caractérisé par une impédance. En particulier, les dimensions associées aux fentes longitudinales 133-n permettent d'ajuster l'impédance caractéristique de la cellule 100. La variabilité de la largeur wn des fentes longitudinales 133-n, et en particulier une fonction de variabilité définie par une fonction croissante ou exponentielle, permet de modifier progressivement l'impédance de la deuxième partie de cadre avec fentes, à partir d'une impédance d'entrée du guide d'onde (suivant l'impédance d'une première partie de cadre sans fente, typiquement une centaine d'ohms) jusqu'à une adaptation de l'impédance de l'espace libre (c'est-à-dire à 377 Ω). Cette modification progressive de l'impédance du cadre de support 130 (et donc du dispositif 10) permet en particulier de stabiliser l'impédance active des éléments rayonnants du dispositif 10 dans un système antennaire quel que soit l'angle de dépointage du faisceau incident.The
Par conséquent, un cadre de support 130, métallique et entaillé par les N fentes longitudinales 133-n (ou fendus), agit comme un guide d'onde permettant la propagation d'ondes électromagnétiques en mode TEM à transmettre par le dispositif de contrôle de faisceaux RF 10. De tels cadres de support 130 peuvent ainsi fonctionner comme éléments rayonnants dans toutes les bandes de fréquences des signaux RF, et peuvent être en particulier utilisés pour des bandes L, S, C, Ku, Ka et Q/V. En effet, les fentes longitudinales permettent aux champs électriques de ne pas s'annuler totalement sur les côtés du guide d'onde, ce qui permet aux ondes électromagnétiques en mode TEM de s'installer.Consequently, a
L'ensemble de cellules 100 forme un agencement périodique de guides d'ondes (ou un réseau de cellules 100) dont le dimensionnement est petit par rapport à la longueur d'onde λ associée à la bande de fréquence du faisceau RF émis ou réceptionné (SRF10 et SRF20). Le champ électrique excité dans un guide d'onde se couple alors aux guides d'onde avoisinants, induisant un couplage important entre cellules, ce qui permet de propager les ondes électromagnétiques en mode sur une large bande de fréquence, et d'assurer un fort couplage mutuel avec entre guides adjacents. Un tel ensemble de cellules 100 forme une fenêtre de transmission large bande permettant de ne pas introduire de dispersion fréquentielle dans les sections du guide d'onde.The set of
Les différentes cellules 100 du dispositif 10 sont adjacentes et connectées entre elles, selon l'axe de cadre Z, par des parties de cellule communes. Par exemple et sans limitation, pour une section transverse de cellule polygonale, les différentes cellules 100 peuvent être connectées par les faces prismatiques.The
L'agencement périodique de cellules peut être caractérisé par une taille de maille du réseau noté φ définie à partir de la forme et des dimensions associées aux sections transverses des cellules 100.The periodic arrangement of cells can be characterized by a mesh size of the network denoted φ defined from the shape and dimensions associated with the transverse sections of the
Dans un mode de réalisation dans lequel la section transverse des cellules 100 est de forme circulaire, la taille de maille φ correspond au diamètre de la section circulaire. Dans un mode de réalisation dans lequel la section transverse des cellules 100 est de forme polygonale, la maille du réseau φ correspond par exemple au diamètre du cercle circonscrit à la section polygonale ou à la largeur lc de côté du polygone.In an embodiment in which the transverse section of the
Avantageusement, la maille du réseau φ du dispositif 10 peut être uniforme ou variable dans le plan (X,Y) en fonction des modes d'application de l'invention. En particulier, la maille du réseau φ peut être déterminée par rapport à une valeur de maille maximale notée φ max. La valeur de maille maximale φ max peut être définie en fonction de la longueur d'onde λ du faisceau RF émis ou réceptionné (SRF10 et SRF20), le secteur angulaire maximal de dépointage ±θmax et le secteur angulaire de vision ±θ 1. La valeur de maille maximale φ max peut être définie par exemple selon l'expression (06) suivante :
Par exemple, la maille du réseau φ peut être inférieure à la valeur de maille maximale φ max tel que φ < φ max. Dans ce mode de réalisation, la maille du réseau φ permet de ne pas entraîner l'apparition de lobes de réseau générés par un effet de périodicité associé à la maille. En outre, la maille du réseau φ peut être déterminée de manière à minimiser le nombre d'éléments rayonnants dans le dispositif de contrôle de faisceaux RF 10. Avantageusement, la maille du réseau φ peut être comprise entre 0.4 λ et 0.6 λ. En particulier, dans les modes de réalisation où les faisceaux SRF10 et/ou SRF20 sont des signaux dits bi-bandes, c'est-à-dire comprenant deux bandes de fréquences RF distinctes, la maille du réseau φ peut être égale à 0.4.For example, the network mesh φ can be less than the maximum mesh value φ max such that φ < φ max . In this embodiment, the mesh of the network φ makes it possible to avoid causing the appearance of network lobes generated by a periodicity effect associated with the mesh. In addition, the mesh of the network φ can be determined so as to minimize the number of radiating elements in the RF
Par ailleurs, l'épaisseur de murs communs entre deux cellules 100 peut être définie comme étant égale à une valeur 2 × m. L'épaisseur m du cadre de support 132 peut être faible et être en outre ajustée, par exemple minimisée, de manière à atténuer les pertes de transmission des faisceaux SRF10 et/ou SRF20 aux interfaces entre l'air et le guide d'onde (par exemple en entrée de cadre 131 et/ou en sortie de cadre 132). Il est à noter que les pertes de transmission sur une bande de fréquence et un secteur angulaire donnés sont proportionnelles au rapport m/φ. La réduction de la bande passante et la réduction du secteur angulaire associé à l'onde RF peuvent être corrélées à la quantité de matière métallique formant le cadre de support 130. La minimisation de l'épaisseur de mur m peut de surcroît entraîner une minimisation de la masse totale du dispositif 10, tout en garantissant sa rigidité. Avantageusement, l'épaisseur de mur m est inférieure à la longueur d'onde λ, ce qui permet de conférer une stabilité de transmission de l'onde RF par rapport à la variation de l'angle d'ouverture d'incidence (notamment de réception θ r ) sur le dispositif 10. En particulier, l'épaisseur de mur m selon les modes de l'invention peut être comprise entre 250µm et 500µm. L'épaisseur de mur m peut être en outre définie en fonction des avantages et contraintes associées au processus de fabrication du dispositif 10. Par exemple et de façon non limitative, lorsque le dispositif est fabriqué en utilisant un processus de fabrication additive (ou technique d'impression 3D), l'épaisseur de murs entre deux cellules 100 d'un dispositif de contrôle de faisceaux RF 300 peut être égale à une valeur 2 × m = 500µm. Lorsque le dispositif est fabriqué en utilisant un processus de fabrication dit traditionnelle, l'épaisseur de murs entre deux cellules 100 peut être égale à une valeur 2 × m = 1mm. Furthermore, the thickness of common walls between two
Dans certains modes de réalisation, l'entrée de cadre 131 peut être « refermée » (ou « scellée ») dans le plan (X,Y) par une paroi de fermeture 11 -0 (non représentée sur la
Dans les modes de réalisation où la section transverse des cellules 100 du dispositif 10 est polygonale, les différentes cellules 100 étant adjacentes et connectées entre elles par les faces prismatiques, l'ensemble des parois de fermeture 11-0 de l'entrée de cadre 131 des cellules peut former une plaque d'entrée unique. Cette plaque d'entrée correspond à un plan de masse du dispositif 10.In the embodiments where the transverse section of the
Pour un dispositif 10 comprenant des cellules 100 de section transverse polygonale comprenant un nombre de côtés Nc ≤ 4, le dispositif 10 peut présenter des avantages de fabrication puisque la structure globale présente moins de matière. Alternativement, pour un dispositif 10 comprenant des cellules 100 de section transverse circulaire ou polygonale définie selon Nc > 4, le dispositif 10 peut présenter de meilleures propriétés d'impédance (en partie d'entrée active) des éléments rayonnants par rapport à la variation de l'angle d'ouverture (i.e. l'orientation angulaire) des faisceaux SRF10 et/ou SRF20 au niveau des interfaces entre l'air et le guide d'onde.For a
Chaque cellule 100 du dispositif de contrôle de faisceaux RF 10 comprend un élément d'excitation interne 150 de la cellule 100 tel que représenté sur les
Selon certains modes de réalisation, un élément d'excitation 150 peut comprendre un nombre H de structures métalliques longitudinales 152-h s'étendant selon l'axe du cadre Z et agencées à l'intérieure de la cellule 100. « h » est un indice associé aux différentes fentes, avec h ∈ [1, H]. Chaque structure métallique 152-h, également appelée « nervure », est connectée au cadre de support 130 par un bord de nervure h0 défini, selon l'axe du cadre Z, s'étendant de l'entrée de cadre 131 (i.e. position d'entrée Z 0) jusqu'à une position de nervure notée Zh . Comme représenté sur la vue en perspective d'une cellule de la
La répartition de l'ensemble des nervures à l'intérieur du cadre de support 130 peut être déterminée en fonction du périmètre P de la section transverse de la cellule 100 et du nombre H de nervures 152-h.The distribution of all the ribs inside the
Dans le mode de réalisation où la section transverse de la cellule 100 est une section transverse polygonale, une nervure 152-h peut être disposée à l'intérieur du cadre au niveau d'une arête du polyèdre formant la cellule et orientée selon l'axe du cadre Z. Le nombre H de nervures dans une cellule peut en outre être défini en fonction du nombre N de fentes 133-n et/ou du nombre Nc de côtés de la section transverse polygonale d'une cellule 100. Par exemple et sans limitation, le nombre H de nervures 152-h peut être égal au nombre N de fentes 133-n. L'ensemble des nervures peuvent être régulièrement réparties autour du guide d'onde selon un espacement régulier entre les nervures, par exemple égal au rapport du périmètre P sur le nombre H. Comme représenté dans l'exemple de la
En particulier, dans les modes de réalisation où l'onde électromagnétique du signal RF circulant dans le guide d'onde 130 comprend une polarisation linéaire donnée définie selon un axe X' défini dans le plan (X,Y), chaque nervure 152-h peut être positionnée dans un plan orthogonal aux fentes 133-n de la cellule 100, les fentes étant alors agencées parallèlement au champ électrique de l'onde électromagnétique du signal RF circulant dans le guide d'onde 130.In particular, in the embodiments where the electromagnetic wave of the RF signal circulating in the
Dans des modes de réalisation, la position de nervure Zh selon l'axe du cadre Z peut être agencée entre l'entrée de cadre 131 (i.e. position d'entrée Z 0) et une position de fente Z 0n , de sorte que la nervure 152-h se situe dans une première partie de longueur d 0n correspondant au cadre de support 130 sans fente avec dh ≤ d 0 n. Alternativement, la position de nervure Zh peut être agencée entre la sortie de cadre 132 (i.e. position de sortie Zc ) et une position Z 0n d'une fente 133-n, tel dh > d 0 n. Dans ce cas, une partie de la nervure 152-h et une partie de la fente 133-n peuvent se recouvrir (ou être « superposées ») au moins partiellement sur une distance de recouvrement comprise entre Zh et Z 0n . Une cellule 100 comprenant une superposition entre des nervures et des fentes permet d'assurer une conversion progressive du mode fondamental du signal RF circulant dans le guide d'onde (guide nervuré dans ce cas) vers le mode TEM du signal RF qui se propage dans les sections à fentes (guide à fentes). Une telle superposition entre des nervures et des fentes permet également d'obtenir une conception de cellule 100 compacte.In embodiments, the rib position Z h along the axis of the frame Z can be arranged between the frame entry 131 (ie entry position Z 0 ) and a slot position Z 0 n , so that the rib 152-h is located in a first part of length d 0 n corresponding to the
En outre, chaque nervure 152-h a une épaisseur mh et une largeur lh. L'épaisseur de nervure mh et/ou la largeur de nervure lh sont des dimensions variables selon l'axe Z tel que chaque nervure 152-h comprend une pluralité de « marches » distribuées le long de l'axe du cadre Z.In addition, each rib 152-ha has a thickness m h and a width l h . The rib thickness m h and/or the rib width l h are variable dimensions along the axis Z such that each rib 152-h comprises a plurality of “steps” distributed along the axis of the frame Z.
Dans certains modes de réalisation, l'épaisseur de nervure mh et/ou la largeur de nervure lh prend une valeur maximale (respectivement
Les différentes dimensions de la nervure 152-h sont configurées pour contribuer à la conversion de modes dans le guide d'onde de la cellule 100. De manière générale, les épaisseurs et les hauteurs des marches des nervures 152-h peuvent notamment varier de façon décroissante selon l'axe Z, de la position d'entrée Z 0 à la position de nervure Zh .The different dimensions of the rib 152-h are configured to contribute to the conversion of modes in the waveguide of the
Avantageusement, les dimensions des nervures d'une même cellule 100 et/ou des fentes de l'ensemble des cellules 100 du dispositif de contrôle de faisceaux RF 10 peuvent être identiques ou différentes entre elles en fonction des modes d'application de l'invention.Advantageously, the dimensions of the ribs of the
En l'absence de ces éléments de nervures 152-h, et avec une maille du réseau φ faible (entre 0.4 λ et 0.6 λ), il n'est plus possible de propager un mode sur une large bande RF pour exciter l'élément rayonnant.In the absence of these 152-h rib elements, and with a low φ network mesh (between 0.4 λ and 0.6 λ ), it is no longer possible to propagate a mode over a wide RF band to excite the element radiant.
Dans des modes de réalisation, un cadre de support 130 associé à des nervures 152-h peut comprendre un polariseur (ou polariseur dit 'à septum' et non représenté sur les figures) permettant de générer un rayonnement à double polarisation circulaire. Tel qu'utilisé ici, un « polariseur » fait référence à un élément destiné à convertir, d'une part, les signaux SRF20 reçus ayant une polarisation circulaire en des signaux SRF22 ayant une polarisation linéaire et, d'autre part, les signaux SRF12 à émettre ayant une polarisation linéaire en des signaux SRF10 ayant une polarisation circulaire. Le polariseur peut être formé par une lame interne s'étendant selon l'axe du cadre Z et générée à partir de deux nervures 152-h reliées au moins en partie entre elles à l'intérieur de la cellule 100. Par exemple, les deux nervures 152-h reliées pour former le polariseur peuvent être issues de arêtes opposées du cylindre droit polygonal ou sur deux surfaces latérales intérieures opposées du cylindre droit polygonal.In embodiments, a
Les
En particulier, les graphiques de la
Les graphiques de la
Le mode de transmission des ondes hyperfréquences dans les amplificateurs et dans le panneau rayonnant 10 sont différents. En effet, les ondes à la sortie du panneau rayonnant sont transmises par l'intermédiaire d'un guide d'onde (ridgé) alors que les ondes dans l'amplificateur se propagent généralement à l'aide d'une ligne dite « ligne microruban » ou « ligne microstrip » (« microstrip line » en anglais) qui peut être tout type de ligne de transmissions hyperfréquences adaptée. Le passage du mode de propagation des ondes HF en guide d'ondes depuis le panneau rayonnant vers la ligne microstrip des amplificateurs est réalisé via l'intermédiaire d'une transition adaptée.The mode of transmission of microwave waves in the amplifiers and in the radiating
Selon certains modes de réalisation, un élément d'excitation 150 peut comprendre une transition antipodale dite « Vivaldi » 154 agencée à l'intérieure de la cellule 100, permettant de réaliser une transition entre un guide d'onde et une ligne microstrip.According to certain embodiments, an excitation element 150 may comprise a so-called “Vivaldi”
Comme représenté sur la vue en perspective d'une cellule de la
Selon certains modes de réalisation, la transition antipodale 154 peut être une « structure tri-plan » (ou « ligne tri-plaque ») telle que la transition antipodale 154 comprend une troisième structure métallique 154-3 s'étendant dans un troisième plan (X',Z) parallèle aux premier et deuxième plans (X',Z). En particulier, la première structure métallique 154-1 peut être disposée entre la deuxième structure métallique 154-2 et la troisième structure métallique 154-3. Dans ce cas, la troisième structure métallique 154-3 a une forme équivalente à la deuxième structure métallique 154-2.According to certain embodiments, the
Dans des modes de réalisation, une transition antipodale 154 peut comprendre en outre un substrat diélectrique 154-0 comprenant au moins une première face diélectrique et une deuxième face diélectrique, la deuxième face diélectrique étant opposée et parallèle à la première face diélectrique, les première et deuxième faces diélectriques s'étendant l'axe du cadre Z. Dans ces modes de réalisation, la première structure métallique 154-1 correspond à une première gravure métallique 154-1 disposée sur la première face diélectrique, et la deuxième structure métallique 154-2 correspond à une deuxième gravure métallique 154-2 disposée sur la deuxième face diélectrique. Dans les modes de réalisation où la transition antipodale 154 est une « structure tri-plan », le substrat diélectrique 154-0 peut comprendre une troisième face diélectrique s'étendant l'axe du cadre Z et parallèle aux première et deuxième faces diélectriques. En particulier, la première face diélectrique peut être disposée entre la deuxième et la troisième face du substrat diélectrique 154-0. Dans ce cas, la troisième structure métallique 154-3 correspond à une troisième gravure métallique 154-3 disposée sur la troisième face diélectrique et ayant une forme équivalente à la deuxième gravure métallique 154-2.In embodiments, an
Dans certains modes de réalisation, le substrat diélectrique 154-0 peut être positionné à l'intérieur du cadre de support 130 et relié par une ou deux arêtes opposées ou bien par deux surfaces latérales intérieures opposées du cadre de support 130, par un bord de substrat, et/ou un premier et un deuxième bords de substrat noté g0-1 ou g0-2, de longueur de substrat dg et définis selon l'axe du cadre Z, à partir de l'entrée de cadre 131 (i.e. position d'entrée Z 0) jusqu'à une position de substrat notée Zg , tel que dg = Zg - Z 0 et que dg < dz (ou dg < d z(n)). In some embodiments, the dielectric substrate 154-0 may be positioned inside the
Dans des modes de réalisation, la position de substrat Zg selon l'axe du cadre Z peut être agencée entre l'entrée de cadre 131 et une position de fente Z 0n , de sorte que le substrat diélectrique 154-0 se situe dans une première partie de longueur d 0n correspondant au cadre de support 130 sans fente avec dg ≤ d 0 n. Alternativement, la position de substrat Zg peut être agencée entre la sortie de cadre 132 (i.e. position de sortie Zc ) et une position Z 0n d'une fente 133-n, tel dg > d 0 n. Dans ce cas, une partie du substrat diélectrique 154-0 et une partie de la fente 133-n peuvent se recouvrir (ou être « superposées ») sur une distance de recouvrement comprise entre Zg et Z 0n .In embodiments, the substrate position Z g along the frame axis Z may be arranged between the
En outre, la première structure métallique (ou gravure) 154-1 peut former un microruban conducteur agencé à l'entrée de cadre 131 (i.e. position d'entrée Z 0). La première structure métallique (ou gravure) 154-1 est progressivement élargie dans le premier plan (X',Z), à l'intérieur du guide d'onde jusqu'à une première position de gravure Z 0g de manière à être connectée à un premier bord de substrat g0-1. La deuxième structure métallique (ou gravure) 154-2 (et éventuellement la troisième structure métallique ou gravure 154-3) peut former un plan de masse à partir d'une position Zm inférieure à la position d'entrée Z 0 de l'entrée de cadre 131 jusqu'à une deuxième position de gravure Zmg . La deuxième structure métallique (ou gravure) 154-2 (et éventuellement la troisième structure métallique ou gravure 154-3) peut également former un microruban conducteur progressivement élargi dans le deuxième plan (X',Z),à l'intérieur du guide d'onde de la deuxième position de gravure Zmg jusqu'à la première position de gravure Zg de manière à être connectée au deuxième bord de substrat g0-2. Il est à noter que le champ électrique s'établit alors entre la première structure métallique (ou gravure) 154-1 et la deuxième structure métallique (ou gravure) 154-2 (et éventuellement entre la première structure métallique ou gravure 154-1 et la troisième structure métallique ou gravure 154-3) selon l'axe de polarisation X' représenté sur la
Avantageusement, la première position de gravure Z 0g , selon l'axe du cadre Z, est disposée entre l'entrée de cadre 131 et la position de substrat Zg , et la deuxième position de gravure Zmg , selon l'axe du cadre Z, est disposée entre l'entrée de cadre 131 et la première position de gravure Z 0g .Advantageously, the first engraving position Z 0 g , along the axis of the frame Z, is arranged between the
Dans les modes de réalisation où la position de substrat Zg est agencée entre la sortie de cadre 132 et une position Z 0n d'une fente 133-n, la première position de gravure Z 0g selon l'axe du cadre Z peut être agencée entre la position de substrat Zg et la position Z 0n de la fente 133-n. Dans ce cas, une partie des première et deuxième gravures métalliques et une partie de la fente 133-n peuvent se recouvrir (ou être « superposées ») au moins partiellement sur une distance de recouvrement comprise entre Zg et Z 0n .In the embodiments where the substrate position Z g is arranged between the
Dans des modes de réalisation, les structures métalliques (ou gravures) 154-1, 154-2 (et éventuellement 154-3) peuvent être caractérisées par une épaisseur ms définie dans un plan perpendiculaire aux plans (X',Z). En particulier, l'épaisseur ms de chaque structure métallique (ou gravure) peut être égale à l'épaisseur de mur m.In embodiments, the metal structures (or engravings) 154-1, 154-2 (and optionally 154-3) can be characterized by a thickness m s defined in a plane perpendicular to the planes (X',Z). In particular, the thickness m s of each metal structure (or engraving) can be equal to the wall thickness m.
Avantageusement, la forme de chaque gravure métallique de la transition antipodale 154 est configurée pour faire « tourner » le champ électrique.Advantageously, the shape of each metal etching of the
Selon certains modes de réalisation, un élément d'excitation 150 peut comprendre un nombre T d'éléments métalliques planaires 156-t s'étendant dans le plan (X,Y) et disposés les uns au-dessus des autres selon l'axe du cadre Z. « t » est un indice associé aux différentes fentes, avec t ∈ [1, T]. Avantageusement, dans de tels modes de réalisation, l'élément d'excitation 150 comprend en outre une paroi de fermeture 11-0 agencée au niveau de l'entrée de cadre 131 de la cellule (et par extension de la face d'entrée 11 du dispositif 10).According to certain embodiments, an excitation element 150 may comprise a number T of planar metal elements 156-t extending in the plane (X,Y) and arranged one above the other along the axis of the frame Z. “t” is an index associated with the different slots, with t ∈ [1, T ]. Advantageously, in such embodiments, the excitation element 150 further comprises a closing wall 11-0 arranged at the level of the
En particulier, chaque élément planaire 156-t (également appelé élément rayonnant planaire ou 'patch') peut être de forme quelconque. Par exemple et sans limitation, un élément planaire 156-t peut être de forme circulaire ou de forme polygonale comprenant un nombre Nc de côtés. Un élément planaire 156-t peut en outre être centré à l'intérieure du cadre de support 130. Chaque élément planaire 156-t peut être agencé à une position planaire Zt définie entre l'entrée de cadre 131 (i.e. position d'entrée Z 0) et la sortie de cadre 132 (i.e. position de sortie Zc ), comme représenté sur la
Dans des modes de réalisation, une position planaire Zt définie selon l'axe du cadre Z peut être située entre l'entrée de cadre 131 (i.e. position d'entrée Z 0) et une position de fente Z 0n , de sorte qu'un élément planaire 156-t se situe dans une première partie de longueur d 0n correspondant au cadre de support 130 sans fente avec dh ≤ d 0 n. Alternativement, une position planaire Zt peut être située entre la sortie de cadre 132 (i.e. position de sortie Zc ) et une position Z 0n d'une fente 133-n, tel dh > d 0 n. Dans ce cas, l'élément planaire 156-t peut être situé au-dessus de la position Z 0n de fente 133-n au niveau de la position Zt . Une cellule 100 comprenant au moins un élément planaires 156-t situé au-dessus de la base de l'ensemble des fentes (i.e. position Z 0n ) permet d'obtenir une conception de cellule compacte.In embodiments, a planar position Z t defined along the axis of the frame Z can be located between the frame entry 131 (ie entry position Z 0 ) and a slot position Z 0 n , so that a planar element 156-t is located in a first part of length d 0 n corresponding to the
En outre, chaque élément planaire 156-t peut être séparé d'un espacement δz entre la paroi de fermeture 11-0 et/ou un des autres éléments planaires 156-t. Chaque élément planaire 156-t peut être caractérisé par une épaisseur mt et une largeur Dt. En particulier, l'épaisseur mt de chaque élément planaire 156-t peut être égale à l'épaisseur de mur m.In addition, each planar element 156-t can be separated by a spacing δz between the closing wall 11-0 and/or one of the other planar elements 156-t. Each planar element 156-t can be characterized by a thickness m t and a width D t . In particular, the thickness m t of each planar element 156-t can be equal to the wall thickness m .
Avantageusement, les éléments planaires 156-t peuvent être reliés entre eux et/ou à la paroi de fermeture 11-0 par un ou plusieurs substrats 156-0, s'étendant selon l'axe du cadre Z à l'intérieur du cadre de support 130. Par exemple et sans limitation, un substrat 156-0 d'un élément planaire 156-t peut être métallique de manière à former une cellule 100 entièrement métallique. Alternativement, un substrat 156-0 d'un élément planaire 156-t peut être diélectrique.Advantageously, the planar elements 156-t can be connected to each other and/or to the closing wall 11-0 by one or more substrates 156-0, extending along the axis of the frame Z inside the frame.
Le couplage électromagnétique entre plusieurs patchs de dimensions différentes produit des résonances supplémentaires qui permettent d'accroitre la bande passante, comme illustré sur les graphiques de la
Dans des modes de réalisation, un élément planaire 156-t peut comprendre un nombre Tx de cavités 156-tx qui permet notamment de modifier la fréquence de résonnance de la cellule 100. L'agencement de cavités 156-tx sur élément planaire 156-t de la cellule 100 permet également de diminuer la masse de l'élément planaire 156-t.In embodiments, a planar element 156-t may comprise a number T t of the
Les différentes dimensions des éléments planaires d'une même cellule 100 et/ou des éléments planaires de l'ensemble des cellules 100 du dispositif de contrôle de faisceaux RF 10 peuvent être identiques ou différentes entre elles en fonction des applications de l'invention. Par exemple et sans limitation, la largeur Dt des éléments planaires peut être progressivement réduite entre la largeur d'un élément planaire à la sortie de la cellule 100 par rapport à la largeur d'un élément planaire à l'entrée de la cellule 100. Cette réduction de largeur Dt d'éléments planaires permet de contribuer à l'adaptation progressive de l'impédance de la cellule avec l'impédance de l'espace libre.The different dimensions of the planar elements of the
Les modes de réalisation où l'élément d'excitation 150 comprend des éléments métalliques planaires sont particulièrement adaptés à une utilisation pour les éléments rayonnants dans des bandes de basses fréquences L ou S. En outre, ces modes de réalisation permettent la conception d'un dispositif compact, d'encombrement vertical réduit notamment selon l'axe Z, et de faible masse profitable à des applications antennaires sur satellite.The embodiments where the excitation element 150 comprises planar metallic elements are particularly suitable for use for radiating elements in low frequency bands L or S. In addition, these embodiments allow the design of a compact device, with reduced vertical dimensions, particularly along the Z axis, and low mass, beneficial for satellite antenna applications.
Le dispositif de contrôle de faisceaux RF 10 peut être fabriqué en utilisant différentes techniques. Une technique de fabrication peut être une technique d'impression 3D, encore appelée fabrication additive. Certaines techniques d'impressions 3D permettent d'obtenir un dispositif 10 uniforme, ne comportant pas de diélectrique et entièrement métallique, en utilisant un matériau électriquement conducteur tel que l'aluminium ou le titane par exemple. Le matériau électriquement conducteur comme le titane peut ensuite être recouvert d'un autre matériau électriquement conducteur tel que l'argent par exemple afin de réduire les pertes ohmiques. Ces techniques d'impressions 3D sont particulièrement adaptées à une utilisation du dispositif 10 dans des bandes Ku, Ka et Q/V. Une technique de fabrication des patchs relatifs à une utilisation du dispositif 10 dans des bandes basses fréquences L ou S, peut être mise en oeuvre par une fabrication classique et un assemblage de pièces tout métalliques, ou par une fabrication additive du cadre de support associée à un assemblage de patchs obtenus par une technologie imprimée.The RF
II est à noter que, sauf indication contraire ou techniquement impossible, les différents modes, variantes et alternatives de réalisation de l'invention peuvent être combinés. Le dispositif de contrôle de faisceaux RF en particulier peut ainsi comporter l'une ou plusieurs des caractéristiques précédemment énoncées prises isolément ou suivant toutes combinaisons techniques possibles.It should be noted that, unless otherwise indicated or technically impossible, the different modes, variants and alternatives for carrying out the invention can be combined. The RF beam control device in particular may thus include one or more of the previously stated characteristics taken in isolation or in any possible technical combination.
En outre, la présente invention n'est pas limitée aux modes de réalisation décrits ci-avant à titre d'exemple non limitatif. Elle englobe toutes les variantes de réalisation qui pourront être envisagées par l'homme du métier. En particulier, l'homme du métier comprendra que l'invention n'est pas limitée aux géométries de cellules, de cadre correspondant à l'élément rayonnant, et de l'élément d'excitation décrites à titre d'exemple non limitatif.Furthermore, the present invention is not limited to the embodiments described above by way of non-limiting example. It encompasses all the alternative embodiments which could be envisaged by those skilled in the art. In particular, those skilled in the art will understand that the invention is not limited to the geometries of cells, of frame corresponding to the radiating element, and of the excitation element described by way of non-limiting example.
Claims (10)
chaque cellule (100) étant configurée pour réaliser une émission et/ou une réception de faisceaux radiofréquences invariante selon ladite direction de propagation.Radio frequency beam control device (10) defined in an orthogonal reference frame (X,Y,Z), the device (10) generally extending in the plane (X,Y) of said orthogonal reference frame (X,Y,Z), the device comprising an array of cells (100), each cell corresponding to a radiating element, said cell comprising a support frame (130) and an excitation element (150) of said radiating element, each radio frequency beam being defined in a direction of given propagation having an angle of incidence θ with respect to said device, characterized in that said support frame (130) is inscribed in a generally tubular shape oriented along the Z axis of said orthogonal reference mark (X,Y,Z), said tubular shape having a length d z given along the axis of the frame Z and a transverse section defined in the plane (X,Y), said transverse section having a perimeter P , said support frame (130) comprising a frame entry ( 131) and a frame outlet (132), said support frame further comprising a number N of slots (133-n) extending, along the axis of the frame Z, between said frame outlet (132) and a slot position Z 0 n along the frame axis Z, said slot position Z 0 n being located between said frame inlet (131) and said frame outlet (132), each slot having a slot width w n variable along the axis of the frame Z, said slot width w n having a minimum slot value
each cell (100) being configured to carry out transmission and/or reception of radio frequency beams invariant according to said direction of propagation.
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S. SAJUYIGBE ET AL., IET MICROWAVES, ANTENNAS & PROPAGATION, vol. 4, no. 8, 2010, pages 1063 - 1072 |
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