FR2787244A1 - ELECTROMAGNETIC WAVE REFLECTOR FOR TELECOMMUNICATION ANTENNA - Google Patents
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Abstract
L'invention est relative à un réflecteur d'ondes électromagnétiques pour antenne de télécommunication, notamment pour une antenne embarquée à bord d'un satellite comprenant un substrat recouvert d'une couche métallique (16) réflectrice sur sa face avant, cette couche réflectrice présentant un coefficient de dilatation thermique différent du coefficient de dilatation thermique du substrat.Le réflecteur comporte, dans sa zone arrière, une autre couche (18) présentant un coefficient de dilatation thermique différent de celui du substrat (10, 12, 14).Cette couche (18) de la zone arrière compense les variations, en fonction de la température, de la forme du réflecteur qui résultent des valeurs différentes des coefficients de dilatation du substrat et de la couche avant.The invention relates to an electromagnetic wave reflector for a telecommunications antenna, in particular for an antenna on board a satellite comprising a substrate covered with a reflective metallic layer (16) on its front face, this reflective layer having a coefficient of thermal expansion different from the coefficient of thermal expansion of the substrate. The reflector has, in its rear zone, another layer (18) having a coefficient of thermal expansion different from that of the substrate (10, 12, 14). (18) of the rear zone compensates for the variations, as a function of temperature, in the shape of the reflector which result from the different values of the expansion coefficients of the substrate and of the front layer.
Description
TITRE: RÉFLECTEUR D'ONDES ÉLECTROMAGNÉTIQUES POUR ANTENNETITLE: ELECTROMAGNETIC WAVE REFLECTOR FOR ANTENNA
DE TÉLÉCOMMUNICATIONTELECOMMUNICATION
L'invention est relative à un réflecteur d'ondes électromagnétiques et à son The invention relates to an electromagnetic wave reflector and to its
procédé de fabrication.manufacturing process.
Elle concerne plus particulièrement un réflecteur utilisable dans des condi- It relates more particularly to a reflector which can be used under conditions
tions variables de température, notamment dans un environnement spatial. variable temperature conditions, especially in a space environment.
Un réflecteur d'ondes électromagnétiques assure une fonction analogue à An electromagnetic wave reflector performs a function similar to
celle d'un miroir optique, c'est-à-dire que les ondes reçues selon une certaine direc- that of an optical mirror, that is to say that the waves received in a certain direction
tion doivent être réfléchies selon une autre direction bien déterminée. Ces réflec- tion must be reflected in another well-defined direction. These reflec-
teurs exigent que la direction réfléchie soit définie avec précision, ce qui implique, ers demand that the reflected direction be defined precisely, which implies,
lors de la fabrication, de faibles tolérances sur la forme du réflecteur et, lors de l'utili- during manufacturing, small tolerances on the shape of the reflector and, during use
sation, une grande stabilité de forme, notamment quand la température varie. sation, great shape stability, especially when the temperature varies.
Un réflecteur d'ondes électromagnétiques pour applications spatiales com- An electromagnetic wave reflector for space applications including
porte, le plus souvent, une âme ou espaceur comprenant une structure de type nid d'abeille et, de chaque côté de cette âme, des peaux mécaniquement porteuses constituées par des fibres de carbone imprégnées de résine époxyde ou de résine most often carries a core or spacer comprising a honeycomb type structure and, on each side of this core, mechanically load-bearing skins constituted by carbon fibers impregnated with epoxy resin or resin
cyanate ester.cyanate ester.
Ces laminés composites à base de fibres de carbone et de résine ont une These composite laminates based on carbon fibers and resin have a
très grande stabilité en température et peuvent être utilisés directement comme sur- very high temperature stability and can be used directly as a
faces réfléchissantes. Mais aux fréquences élevées, en général supérieures à 30 GHz, ils engendrent des pertes importantes, supérieures à 0,2 dB. C'est pourquoi, à ces fréquences élevées la surface réfléchissante est habituellement recouverte par reflective faces. But at high frequencies, generally above 30 GHz, they generate significant losses, greater than 0.2 dB. This is why, at these high frequencies, the reflecting surface is usually covered by
un dépôt métallique permettant d'abaisser les pertes. a metal deposit to reduce losses.
L'invention résulte de la constatation que ce dépôt métallique altère la The invention results from the observation that this metallic deposit alters the
forme du réflecteur, notamment sa courbure, et, qu'en particulier, il induit une varia- shape of the reflector, in particular its curvature, and, in particular, it induces a varia-
tion de forme provoquée par un effet de bilame, tant lors de la fabrication qu'en cours d'utilisation, notamment dans l'espace o les variations de température sont importantes. En effet, on sait qu'un matériau formé par la superposition de deux couches tion of shape caused by a bimetallic strip effect, both during manufacture and during use, especially in space where temperature variations are significant. Indeed, we know that a material formed by the superposition of two layers
en matières différentes ayant des coefficients de dilatation thermique différents pré- in different materials having different coefficients of thermal expansion pre-
sente une courbure qui varie quand la température varie. feels a curvature that varies when the temperature varies.
Cet effet bilame peut être particulièrement gênant pour des applications spatiales dans lesquelles, comme indiqué ci-dessus, les températures varient de façon importante. Par exemple, pour des satellites mobiles en orbite basse (ou moyenne), la température peut varier entre -60 C et + 60 C environ. Pour un satellite géostationnaire la température peut varier entre -180 C (en cas d'éclipse de soleil) This bimetallic strip effect can be particularly troublesome for space applications in which, as indicated above, the temperatures vary significantly. For example, for mobile satellites in low (or medium) orbit, the temperature can vary between -60 C and + 60 C approximately. For a geostationary satellite the temperature can vary between -180 C (in case of solar eclipse)
et +150"C.and +150 "C.
En outre, la fabrication du réflecteur s'effectue à une température qui dépend de la cinétique de polymérisation de la résine. Cette température est par exemple voisine de 175 C. Ainsi, même en l'absence de variation de température lors de l'utilisation, il est difficile d'obtenir la courbure désirée en raison de l'effet de In addition, the manufacture of the reflector is carried out at a temperature which depends on the kinetics of polymerization of the resin. This temperature is for example close to 175 C. Thus, even in the absence of temperature variation during use, it is difficult to obtain the desired curvature due to the effect of
bilame résultant de la différence entre les températures de fabrication et d'utilisation. bimetallic strip resulting from the difference between manufacturing and operating temperatures.
L'invention permet de réduire, de façon importante, les variations de cour- The invention makes it possible to significantly reduce the variations in
bure du réflecteur en cas d'utilisation de ce dernier à des températures variables, bure of the reflector if it is used at variable temperatures,
et/ou de modifier la courbure d'un réflecteur. and / or to modify the curvature of a reflector.
A cet effet, le réflecteur selon l'invention est caractérisé en ce que sa zone To this end, the reflector according to the invention is characterized in that its zone
arrière - de préférence sa face arrière- comporte une couche supplémentaire, avan- rear - preferably its rear side - has an additional layer, front
tageusement métallique, qui, avec le laminé, forme un autre bilame s'opposant à l'effet du bilame constitué par le substrat et la couche métallique sur la face active metallic tagging, which, with the laminate, forms another bimetallic strip opposing the effect of the bimetallic strip formed by the substrate and the metallic layer on the active face
et/ou permettant de conférer une courbure déterminée au réflecteur. and / or making it possible to impart a determined curvature to the reflector.
On a constaté qu'avec cette disposition on pouvait améliorer de façon signi- It has been found that with this arrangement, it could significantly improve
ficative la qualité de la forme du réflecteur sans augmentation du coût. ficative the quality of the shape of the reflector without increasing the cost.
La présente invention prévoit un réflecteur d'ondes électromagnétiques pour antenne de télécommunication, notamment pour une antenne embarquée à The present invention provides an electromagnetic wave reflector for telecommunication antenna, in particular for an on-board antenna with
bord d'un satellite comprenant un substrat recouvert d'une couche métallique réflec- edge of a satellite comprising a substrate covered with a reflective metallic layer
trice sur sa face avant, cette couche réflectrice présentant un coefficient de dilata- trice on its front face, this reflective layer having a coefficient of dilata-
tion thermique différent du coefficient de dilatation thermique du substrat. Ce réflec- different thermal coefficient of thermal expansion of the substrate. This reflec-
teur comporte, dans sa zone arrière, une autre couche présentant un coefficient de in its rear area, there is another layer having a coefficient of
dilatation thermique différent de celui du substrat. thermal expansion different from that of the substrate.
Selon un mode de réalisation, la couche de la zone arrière compense les variations, en fonction de la température, de la forme du réflecteur qui résultent des According to one embodiment, the layer of the rear zone compensates for the variations, as a function of the temperature, of the shape of the reflector which result from the
valeurs différentes des coefficients de dilatation du substrat et de la couche avant. different values of the expansion coefficients of the substrate and the front layer.
Selon un mode de réalisation, la couche de la zone arrière modifie, à une température déterminée, la courbure présentée par le réflecteur en l'absence de According to one embodiment, the layer of the rear zone modifies, at a determined temperature, the curvature presented by the reflector in the absence of
cette couche.this layer.
Selon un mode de réalisation, la couche de la zone arrière est déposée sur According to one embodiment, the layer of the rear zone is deposited on
la face arrière du substrat.the back side of the substrate.
Selon un mode de réalisation, la couche de la zone arrière est métallique. According to one embodiment, the layer of the rear zone is metallic.
Selon un mode de réalisation, la couche de la zone arrière est en un métal According to one embodiment, the layer of the rear zone is made of a metal
de même nature que celui constituant la couche réflectrice de la face avant. of the same nature as that constituting the reflective layer of the front face.
Selon un mode de réalisation, le couplage membrane/flexion de l'assem- According to one embodiment, the coupling membrane / bending of the assembly
blage des couches du substrat avec la couche réflectrice et la couche de la zone bonding of the substrate layers with the reflective layer and the zone layer
arrière est minimisé.rear is minimized.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront avec la Other characteristics and advantages of the invention will become apparent with the
description de certains de ses modes de réalisation, celle-ci étant effectuée en se description of some of its embodiments, this being carried out in
référant aux dessins ci-annexés sur lesquels referring to the attached drawings on which
la figure 1 est une vue en coupe partielle d'un réflecteur conforme à l'inven- Figure 1 is a partial sectional view of a reflector according to the invention.
tion, la figure 2 est un schéma servant à expliquer comment est définie la qualité de forme d'une surface, et les figures 3 et 4 sont des diagrammes montrant certains effets et certaines tion, Figure 2 is a diagram for explaining how the shape quality of a surface is defined, and Figures 3 and 4 are diagrams showing some effects and some
propriétés du réflecteur conforme à l'invention. properties of the reflector according to the invention.
Le réflecteur représenté sur la figure 1 est destiné à être intégré dans une antenne de télécommunication embarquée à bord d'un satellite afin de réfléchir des ondes en bande Ka de 20 GHz à 44 GHz, voire à des fréquences supérieures, The reflector shown in FIG. 1 is intended to be integrated into a telecommunication antenna on board a satellite in order to reflect Ka-band waves from 20 GHz to 44 GHz, or even at higher frequencies,
jusqu'à 80 GHz ou plus.up to 80 GHz or more.
Ce réflecteur comporte, de façon classique, une âme 10 en forme de nid d'abeille aluminium ou aramide, rigidifiée sur chacun de ses côtés par des laminés en fibres de carbone imprégnées de résine époxyde. Dans cet exemple, on prévoit, de chaque côté de l'âme 10, un empilage 12, 14 de quatre couches élémentaires carbone/époxyde, chaque couche élémentaire étant unidirectionnelle. Dans chacun This reflector comprises, in a conventional manner, a core 10 in the form of an aluminum or aramid honeycomb, stiffened on each of its sides by laminates of carbon fibers impregnated with epoxy resin. In this example, there is provided, on each side of the core 10, a stack 12, 14 of four elementary carbon / epoxy layers, each elementary layer being unidirectional. In each one
des laminés d'un même empilement, les fibres de carbone ont des directions diffé- laminates of the same stack, the carbon fibers have different directions
rentes. Par exemple, les fibres du pli le plus extérieur ont une première orientation, dite de référence à 0 , le pli immédiatement inférieur présente des fibres orientées à -45 par rapport à la direction des fibres du premier pli, le troisième pli présente des annuities. For example, the fibers of the outermost ply have a first orientation, called the reference to 0, the immediately lower ply has fibers oriented at -45 relative to the direction of the fibers of the first ply, the third ply has
fibres orientées à +45 par rapport aux fibres du premier pli et les fibres du qua- fibers oriented at +45 compared to fibers of the first ply and fibers of the qua-
trième pli, les plus proches de l'âme 10, sont orientées à 90 par rapport aux fibres third fold, closest to the core 10, are oriented at 90 relative to the fibers
du premier pli. Le laminé arrière 14 du sandwich présente des couches élémen- of the first fold. The back laminate 14 of the sandwich has elementary layers
taires ou plis dont les fibres ont les mêmes orientations relatives, le pli le plus exté- hides or folds whose fibers have the same relative orientations, the outermost fold
rieur ayant des fibres orientées parallèlement à celles du pli le plus extérieur du laughing having fibers oriented parallel to those of the outermost fold of the
laminé avant 12.laminated before 12.
Sur la surface extérieure du laminé avant 12, est déposée une couche d'aluminium 16, cette couche d'aluminium étant par exemple déposée en phase vapeur. Elle permet de réfléchir les ondes électromagnétiques avec un minimum de On the outer surface of the front laminate 12, an aluminum layer 16 is deposited, this aluminum layer being for example deposited in the vapor phase. It allows electromagnetic waves to be reflected with a minimum of
pertes radioélectriques.radio losses.
- TI Selon l'invention, sur la face arrière du réflecteur on dépose une autre - TI According to the invention, on the rear face of the reflector another is deposited
couche 18, par exemple métallique, et dans le même matériau, c'est-à- dire l'alumi- layer 18, for example metallic, and in the same material, i.e. aluminum
nium, que la couche 16 de la face active. nium, than layer 16 of the active face.
Cette couche 18 a pour but de compenser l'effet de bilame résultant des différences de coefficients de dilatation entre, d'une part, la couche métallique 16 et, d'autre part, I'ensemble, ou sandwich, formé de l'âme 10 et des laminés 12 et 14 dont le coefficient de dilatation thermique est très faible. L'effet de bilame se traduit par le fait que, lorsque la température du réflecteur varie, sa courbure se modifie, ce The purpose of this layer 18 is to compensate for the bimetallic strip effect resulting from the differences in expansion coefficients between, on the one hand, the metal layer 16 and, on the other hand, the whole, or sandwich, formed of the core 10 and laminates 12 and 14 whose coefficient of thermal expansion is very low. The effect of bimetallic strip results in the fact that, when the temperature of the reflector varies, its curvature changes, this
qui altère la précision de forme.which alters the accuracy of shape.
Autrement dit, la couche 18 forme avec le sandwich 10, 12, 14 un autre In other words, the layer 18 forms with the sandwich 10, 12, 14 another
bilame contrecarrant les effets du premier bilame. bimetallic strip counteracting the effects of the first bimetallic strip.
Par ailleurs, si, à une température déterminée, la courbure du réflecteur dépourvu de la couche 18 ne correspond pas exactement à la courbure souhaitée, Furthermore, if, at a determined temperature, the curvature of the reflector devoid of the layer 18 does not exactly correspond to the desired curvature,
le dépôt de la couche 18 peut permettre de modifier cette courbure à cette tempéra- the deposition of layer 18 can make it possible to modify this curvature at this temperature.
ture déterminée. Cette modification de courbure dépend de la température à determined ture. This change in curvature depends on the temperature at
laquelle le dépôt de la couche métallique est effectué et de l'épaisseur de ce dépôt. which the metal layer is deposited and the thickness of this deposit.
On a constaté qu'avec le réflecteur selon l'invention, si son diamètre est de l'ordre du mètre, on peut obtenir une erreur de RMS sur une forme de l'ordre de 15 pm en fabrication et de l'ordre de 30 pm lors de l'utilisation à bord d'un satellite. Ces It has been found that with the reflector according to the invention, if its diameter is of the order of a meter, an RMS error can be obtained on a shape of the order of 15 pm in manufacture and of the order of 30 pm when used on board a satellite. These
erreurs de RMS sont environ trois fois inférieures à celles obtenues quand la cou- RMS errors are about three times lower than those obtained when the
che 18 n'est pas présente.che 18 is not present.
On rappelle ici que le facteur RMS est défini de la façon suivante: on part d'une surface parfaite souhaitée 20 (figure 2) et on détermine, en n points de la surface réelle 22, les écarts dzl, dz2..., dzn entre la surface réelle 22 et la surface souhaitée 20. L'erreur de RMS a alors pour valeur: n dz. RMS= i=1 n Dans le cas d'un réflecteur d'un mètre de diamètre, on prévoit en général We recall here that the RMS factor is defined as follows: we start from a desired perfect surface 20 (FIG. 2) and we determine, at n points of the real surface 22, the deviations dzl, dz2 ..., dzn between the real surface 22 and the desired surface 20. The RMS error then has the value: n dz. RMS = i = 1 n In the case of a reflector of one meter in diameter, provision is generally made
500 points environ répartis de façon régulière. Around 500 points distributed evenly.
L'effet de compensation de la courbure s'obtient en déposant la couche à une température déterminée, par exemple de l'ordre de 50 C. A cette température, la contrainte qui s'exerce est nulle; par contre à une température différente, par exemple à la température ambiante de 20 C, il s'exercera une contrainte qui pourra compenser un défaut de courbure présent avant que ne soit déposée cette couche 18. L'épaisseur et, éventuellement, la nature du revêtement 18 peuvent être déterminées à l'aide de calculs classiques de résistance des matériaux. On tient, en effet, compte du fait qu'on annule le couplage membrane/flexion de l'assemblage The curvature compensation effect is obtained by depositing the layer at a determined temperature, for example of the order of 50 C. At this temperature, the stress which is exerted is zero; on the other hand, at a different temperature, for example at an ambient temperature of 20 ° C., there will be a constraint which may compensate for a defect in curvature present before this layer 18 is deposited. The thickness and, possibly, the nature of the coating 18 can be determined using conventional material strength calculations. In fact, account is taken of the fact that the membrane / flexion coupling of the assembly is canceled.
constitué par les diverses couches du réflecteur. formed by the various layers of the reflector.
La nature et l'épaisseur de la couche 18 peuvent également être détermi- The nature and thickness of the layer 18 can also be determined.
nées de façon empirique.born empirically.
Pour obtenir l'effet voulu, c'est-à-dire une minimisation de la déformation de la surface active du réflecteur lors de variations de température, on peut choisir les paramètres suivants: I'épaisseur des dépôts avant et arrière, la nature des dépôts avant et arrière et les températures auxquelles sont déposées les couches avant 16 To obtain the desired effect, that is to say a minimization of the deformation of the active surface of the reflector during temperature variations, the following parameters can be chosen: the thickness of the front and rear deposits, the nature of the front and rear deposits and the temperatures at which the front layers are deposited 16
et arrière 18.and rear 18.
La figure 3 est un diagramme comparatif montrant des défauts de RMS obtenus pour plusieurs types de matériaux et, dans chaque cas, avec et sans la couche arrière 18. Dans cet exemple, on utilise un réflecteur de diamètre 600 mm FIG. 3 is a comparative diagram showing RMS defects obtained for several types of material and, in each case, with and without the rear layer 18. In this example, a reflector with a diameter of 600 mm is used
avec des peaux en préimprégné de type M55J/914 (M55J est une référence carac- with prepreg type M55J / 914 skins (M55J is a charac-
térisant la nature des fibres et 914 est une référence caractérisant la résine époxyde verifying the nature of the fibers and 914 is a reference characterizing the epoxy resin
utilisée), et une âme en nid d'abeille aluminium d'épaisseur 15 mm. used), and a 15 mm thick aluminum honeycomb core.
On a porté en abscisses, l'épaisseur e en micromètres, du dépôt métallique sur la face avant et, le cas échéant, sur la face arrière et, en ordonnées, l'erreur de RMS, également en micromètres. La droite 30 correspond à la courbe de variation en fonction de l'épaisseur de l'erreur de RMS pour un dépôt d'aluminium seulement sur la face avant tandis que la droite 32 correspond à un dépôt d'aluminium sur les The thickness e in micrometers is plotted on the abscissa, of the metal deposit on the front face and, if appropriate, on the rear face and, on the ordinate, the RMS error, also in micrometers. The straight line 30 corresponds to the variation curve as a function of the thickness of the RMS error for an aluminum deposit only on the front face while the straight line 32 corresponds to an aluminum deposit on the
faces avant et arrière du réflecteur. front and rear sides of the reflector.
La figure 4 est un diagramme correspondant à un réflecteur de diamètre Figure 4 is a diagram corresponding to a diameter reflector
600 mm avec des peaux M55J et une âme d'épaisseur 15 mm en nid d'abeille alu- 600 mm with M55J skins and a 15 mm thick aluminum honeycomb core
minium. Dans ce cas, le dépôt métallique en face avant présente une épaisseur de minimum. In this case, the metal deposit on the front face has a thickness of
4 pm d'aluminium. Sur la face arrière de ce réflecteur, on a prévu des dépôts métal- 4 µm aluminum. On the rear face of this reflector, metal deposits have been provided.
liques d'épaisseurs diverses et on a analysé l'erreur de RMS résultante. Sur ce dia- various thicknesses and the resulting RMS error was analyzed. On this slide
gramme, on a porté en abscisses, l'épaisseur e du dépôt métallique en face arrière gram, we have plotted on the abscissa, the thickness e of the metal deposit on the rear face
et, en ordonnées, l'erreur de RMS, toutes les deux étant exprimées en micromètres. and, on the ordinate, the RMS error, both being expressed in micrometers.
Sur la figure 4, la courbe 34 montre que l'erreur de RMS est minimale quand l'épaisseur de la couche arrière est de l'ordre de 9 pm, alors que l'épaisseur du dépôt en face avant est de 4 pm. Autrement dit, I'optimum n'est pas forcément In FIG. 4, curve 34 shows that the RMS error is minimal when the thickness of the back layer is of the order of 9 μm, while the thickness of the deposit on the front face is 4 μm. In other words, the optimum is not necessarily
obtenu avec des épaisseurs de dépôts 16 et 18 qui sont égales. obtained with thicknesses of deposits 16 and 18 which are equal.
Il n'est pas indispensable que le revêtement métallique 18, destiné à com- It is not essential that the metal coating 18, intended to com-
penser l'effet de bilame résultant des différences de coefficient de dilatation entre la couche 16 et l'âme et les laminés, soit constitué par un dépôt extérieur. En variante think of the bimetallic strip effect resulting from the differences in expansion coefficient between the layer 16 and the core and the laminates, that is to say constituted by an external deposit. As a variant
(non montrée), ce revêtement 18 est disposé entre deux plis du laminé arrière 14. (not shown), this covering 18 is arranged between two plies of the rear laminate 14.
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