FR2804249A1 - Dispositif d'emission et/ou de reception d'ondes electromagnetiques comprenant une lentille comportant un volume conforme de materiau dielectrique - Google Patents
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Abstract
L'invention concerne un dispositif d'émission et/ ou de réception d'ondes électromagnétiques comprenant une lentille (1, 5) pour faire correspondre une pluralité de directions déterminées par l'espace de rayonnement de la lentille et une pluralité de points de focalisation définissant une surface de focalisation de la lentille, la lentille comportant un volume (7) conforme de matériau diélectrique.Selon l'invention, le matériau diélectrique comprend un agglomérat granulaire défini par une répartition homogène ou quasi-homogène de granulés (3) de même nature et de petite taille par rapport à la longueur d'onde ((T 364)R , (T 364)T ) des ondes électromagnétiques à recevoir et/ou à émettre par ledit dispositif, lesdits granulés étant maintenus sous pression dans ledit volume par des moyens de maintien (2, 6) conformés selon ledit volume.L'invention concerne également un terminal de communication comportant un dispositif selon l'invention.Application particulière aux dispositifs d'émission et/ou de réception de signaux dans un système de télécommunications avec des satellites géostationnaires, des satellites défilants ou des stations terrestes.
Description
-1 L'invention se rapporte au domaine des télécommunications. Elle
concerne plus particulièrement un dispositif d'émission et/ou de réception d'ondes électromagnétiques comprenant une lentille pour faire correspondre une pluralité de directions déterminées par l'espace de rayonnement de la lentille et une pluralité de points de focalisation définissant une surface de focalisation de la lentille, la lentille comportant un volume conforme de matériau diélectrique. L'invention concerne également un terminal de télécommunications. Il est connu, dans les demandes de brevet françaises n 98 05111 et n 98 05112 déposées le 23 avril 1998 au nom de la Demanderesse, d'utiliser dans des dispositifs de réception par satellite une lentille du type de Luneberg, notamment pour la poursuite de satellites à défilement. En théorie, la lentille doit être composée d'un nombre donné de couches de matériaux diélectriques suffisamment élevé pour s'approcher du modèle idéal de variation d'indice. de réfraction en fonction du rayon caractéristique de la lentille de Luneberg. L'indice de réfraction n relatif à une couche et la constante diélectrique relative E (ou permittivité) lui correspondant sont alors reliés par la relation: n = El/2. Mais, l'augmentation du nombre de couches est limitée en pratique par des tolérances sévères qui sont incompatibles avec un procédé de fabrication de grande série. Pour des lentilles de taille réduite, typiquement de diamètre inférieur à 40cm pour des transmissions en bande Ku, une solution à ce problème est d'opter pour une lentille à une seule couche de matériau
diélectrique.
En vue de réduire l'encombrement de la lentille tout en conservant une focalisation opérante, il est alors nécessaire d'augmenter la permittivité du matériau, ce qui a pour conséquence d'accroître désavantageusement le poids de la lentille. Un compromis est alors nécessaire entre la focale de la lentille et son poids. Ces contraintes d'encombrement et de poids imposent pour le matériau diélectrique une gamme de permittivité bien définie. Par exemple, la permittivité requise est typiquement comprise entre 1,8 et 2,5 pour une lentille sphérique de diamètre avoisinant 40 cm et de poids maximum sensiblement égal à 15 kg. D'autre part, le matériau diélectrique choisi devra présenter des pertes diélectriques faibles (typiquement une
tangente de pertes inférieure à 0,001 dans la bande Ku par exemple).
Il est connu, de l'art antérieur, d'utiliser comme matériau diélectrique un mélange comprenant du polystyrène expansé chargé avec des particules à forte densité, des particules de céramique ou métalliques par exemple, pour en augmenter la permittivité et la faire évoluer vers la gamme de permittivité désirée. Il est également connu d'utiliser aux mêmes fins un mélange de particules de différents constituants (plastique, céramique ou métal, par exemple) tenues entre elles par un liant de manière
à former un matériau diélectrique composite.
Cependant, ces types de mélanges ne permettent pas d'assurer une homogénéité totale des particules dans le mélange, notamment dans un volume important, et ne garantissent donc pas une permittivité homogène
dans le volume de la lentille. De plus, le mélange obtenu est coûteux.
L'invention a pour but de remédier à ces inconvénients.
A cet effet, I'invention a pour objet un dispositif d'émission et/ou de réception d'ondes électromagnétiques comprenant une lentille pour faire correspondre une pluralité de directions déterminées par l'espace de rayonnement de la lentille et une pluralité de points de focalisation définissant une surface de focalisation de la lentille, la lentille comportant un volume conforme de matériau diélectrique, caractérisé en ce que le matériau diélectrique comprend un agglomérat granulaire défini par une répartition homogène ou quasi-homogène de granulés de même nature et de petite taille par rapport à la longueur d'onde des ondes électromagnétiques à recevoir et/ou à émettre par ledit dispositif, lesdits granulés étant maintenus sous pression dans ledit volume par des moyens de maintien conformés
selon ledit volume.
Ainsi, le dispositif selon l'invention peut être réalisé à faible coût selon un procédé de fabrication compatible avec une production de grande série. Les granulés étant uniformément répartis dans ledit volume, une
homogénéité de permittivité est assurée dans tout le volume.
Selon un mode de réalisation, lesdits moyens de maintien sont également conçus pour adapter de façon optimale la transition des ondes électromagnétiques entre l'espace de rayonnement et ledit volume. De cette manière, les pertes par réflexion à la surface desdits moyens de maintien
sont minimisés.
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Avantageusement, pour passer de l'espace de rayonnement vers le volume de granulés, les moyens de maintien présentent une permittivité égale à la racine carrée de la permittivité de la composition du contenu du volume. Selon un mode de réalisation, les moyens de maintien ont une épaisseur d'un multiple d'un quart de longueur d'onde. Ces moyens de
maintien jouent ainsi le rôle de couche d'adaptation.
Selon un autre mode de réalisation, l'épaisseur desdits moyens de maintien est soit négligeable par rapport à la longueur d'onde des ondes électromagnétiques à recevoir et/ou à émettre soit égale à un multiple de la demi-longueur d'onde desdites ondes à recevoir ou à émettre de sorte que lesdis moyens de maintien présentent une transparence électromagnétique
par rapport auxdites ondes.
Avantageusement, ces moyens de maintien sont conçus d'une matière suffisamment solide pour offrir une protection contre les agressions extérieures. Par exemple, les moyens de maintien comprennent un matériau plastique nommé ABS (pour "Acrylonitrile-Butadiène-Styrène")couvrant ledit
volume. Ces moyens de maintien jouent ainsi le rôle de radôme.
Selon un mode de réalisation, le diamètre des granulés est inférieur au dixième de la longueur d'onde des ondes électromagnétiques à
recevoir et/ou à émettre par ledit dispositif.
Selon un mode de réalisation, le volume est composé d'un mélange de granulés et d'air se comportant comme un matériau diélectrique artificiel de permittivité équivalente sequ définie selon la relation Eequ = ((1+2F) sro + 2(1-F)) / ((1-F) Ero + 2 + F), F correspondant au rapport entre le volume effectivement occupé par les granulés et le volume total dudit volume (7), et Cro correspondant à la
permittivité intrinsèque du granulé.
Selon un mode de réalisation, les granulés sont composés d'une matière plastique. De cette sorte, le coût de revient du dispositif est peu élevé.
Par exemple, les granulés sont constitués de polystyrène.
Pour augmenter la permittivité du matériau diélectrique, chaque granulé est chargé par de l'oxyde de titane avec, par exemple, une teneur
de 30% en masse.
Selon un mode de réalisation, lesdits moyens de maintien comportent une coque de volume de révolution pour permettre une poursuite de cibles selon un angle solide de 360 dans le cadre d'un suivi de satellites par exemple. Par exemple, cette coque est sphérique,
hémisphérique, ou cylindrique.
L'invention a également pour objet un terminal de télécommunications comprenant un dispositif d'émission et/ou de réception d'ondes électromagnétiques comprenant une lentille pour la focalisation de signaux reçus selon une direction en un point, I'espace de rayonnement de la lentille déterminant un ensemble de directions définissant une surface de focalisation, caractérisé en ce que ledit dispositif d'émission et/ou de
réception est un dispositif selon l'invention.
D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention
ressortiront de la description des exemples de réalisation qui vont suivre,
pris à titres d'exemples non limitatifs, en référence aux figures annexées dans lesquelles: - la figure 1 représente un dispositif de focalisation selon un mode de réalisation de l'invention, - la figure 2 représente un dispositif de focalisation selon un autre mode de
réalisation de l'invention.
Pour simplifier la description, les mêmes références seront
utilisées dans ces dernières figures pour désigner les éléments remplissant
des fonctions identiques.
La figure 1 illustre une lentille 1 comprenant une coque 2 remplie de granulés 3 plastiques selon un procédé de remplissage adéquat. La coque est constituée de deux demi-coques hémisphériques thermoformées ou moulées, et assemblées par collage ou par soudure au niveau de leurs sections libres 4 pour former une sphère compacte. Le procédé de remplissage de la sphère peut simplement se traduire par l'introduction des granulés 3 par une ouverture (non représentée) réalisée dans l'hémisphère supérieur de la coque jusqu'à saturation de la sphère. Une fois que le volume intérieur de la coque est complètement rempli de granulés 3 de manière à présenter la permittivité apparente désirée, I'ouverture est
refermée et la lentille est prête à l'emploi.
La taille des granulés étant très petite par rapport à la longueur d'onde, de l'ordre du dixième de la longueur d'onde à recevoir XR et/ou à émettre XT, le mélange air-granulés est vu électromagnétiquement comme un matériau diélectrique artificiel de permittivité équivalente pouvant être approximée par la relation: r = [(1 + 2F) e + 2 (1 - F)]/ [(1 - F) sr + 2 + F], o so est la permittivité intrinsèque du granulé et F le facteur de remplissage de la lentille, à savoir le rapport entre le volume effectivement
occupé par les granulés et le volume total de la lentille.
Par exemple, des granulés en polystyrène chargé par de l'oxide de Titane (teneur de l'ordre de 30%) mis en vrac dans le volume sphérique et possédant un facteur de remplissage de 0,55 fournissant une permittivité
équivalente de l'ordre de 2.
Dans le mode de réalisation illustré sur la figure 1, la coque remplit la fonction de protection contre les agressions extérieures que pourrait subir la lentille (protection contre les intempéries par exemple). Pour assurer une transparence électromagnétique vis-à-vis des ondes électromagnétiques, le radôme ainsi formé peut être soit d'une épaisseur négligeable par rapport à la longueur d'onde des ondes à émettre et/ ou à
recevoir (radôme fin), soit d'une épaisseur égale à un multiple de la demi-
longueur d'onde desdites ondes (radôme épais). Pour un radôme fin, en l'occurrence équivalent à une épaisseur de l'ordre de 1 mm dans la bande de transmission Ku, la coque peut être constituée d'un matériau solide de
type ABS.
La figure 2 illustre une lentille homogène 5 ayant une coque sphérique 6 jouant le rôle de couche d'adaptation des ondes entre l'espace de rayonnement et le volume 7 contenant les granulés 3 de matière plastique. La coque 6 peut être réalisée en moulant deux demi-coques que I'on assemblera par collage ou par soudure. Le procédé de remplissage de la coque 6 peut être similaire à celui de la lentille 1 de la figure 1, à savoir l'introduction des granulés 3 par une ouverture dans la coque jusqu'à
saturation de celle-ci.
La coque remplit la fonction de couche d'adaptation des ondes électromagnétiques entre l'air et le mélange air-granulés compris dans la lentille. Pour un mélange air-granulés ayant une permittivité apparente de 2, la coque doit avoir une épaisseur de 5 mm pour remplir la fonction d'adaptation (soit un quart de la longueur d'onde de l'onde à émettre et/ou à recevoir) et une permittivité égale à la racine carrée de la permittivité
apparente de la lentille, soit 1,4.
On utilise à cette fin une couche de polystyrène expansé haute densité de l'ordre de 350 kg/m3. Une étude expérimentale a été réalisée autour d'une lentille 1 homogène de 350 mm de diamètre intérieur (hors coque) faite de grains de polypropylène chargé avec 30% en masse d'oxide de Titane TiO2 (désigné dans la suite par PP+ TiO2, dans un souci de concision) dont les caractéristiques principales sont détaillées dans le tableau ci-après: Permittivité du granulé PP+TiO2 (so) 3.2 Permittivité apparente des granulés 2.1 PP+TiO2 (Er) La simulation d'une lentille possédant de telles caractéristiques amène aux caractéristiques suivantes: - une masse de l'ordre de 1 5kg, - une distance focale f telle que: f = 1.4R (R étant le rayon de la lentille) soit une distance focale dans le présent mode de réalisation de 245mm pour obtenir une variation de phase acceptable (de l'ordre de 35 maximum) sur l'ouverture de l'antenne, - un rendement total de l'ordre de 60% avec une source primaire
ayant un éclairement en cosinus à la puissance 4.
On notera que, de façon générale, la permittivité du granulé 3 peut être ajustée suivant la teneur de la charge utilisée (composition avec un élément lourd, du type de l'oxyde de titane) pour pouvoir réduire ou augmenter la distance focale du dispositif, et par conséquent son
encombrement.
Ainsi, grâce au remplissage de coques de volumes définis par des granulés de permittivités définies et de petites tailles par rapport à la longueur d'onde de rayonnement, il est obtenu une lentille simple, peu
onéreuse et compatible pour une production de grande série.
Cette invention est particulièrement adaptée pour être utilisée dans un terminal de télécommunications comportant au moins une antenne source agencée au voisinage de la focale de la lentille. Ce terminal de télécommunications est notamment exploitable pour l'échange de signaux comportant tout type de données (vidéo, fax, internet, etc) avec des satellites géostationnaires, un système de satellites défilants ou des stations terrestres.
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Claims (11)
1. Dispositif d'émission et/ou de réception d'ondes électromagnétiques comprenant une lentille (1, 5) pour faire correspondre une pluralité de directions déterminées par l'espace de rayonnement de la lentille à respectivement une pluralité de points de focalisation définissant une surface de focalisation de la lentille, la lentille comportant un volume (7) conforme de matériau diélectrique, caractérisé en ce que le matériau diélectrique comprend un agglomérat granulaire défini par une répartition homogène ou quasi-homogène de granulés (3) de même nature et de petite taille par rapport à la longueur d'onde (IR, XT) des ondes électromagnétiques à recevoir et/ou à émettre par ledit dispositif, lesdits granulés étant maintenus sous pression dans ledit volume par des moyens de maintien (2,
6) conformés selon ledit volume.
2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits moyens de maintien sont également conçus pour adapter de façon optimale la transition des ondes électromagnétiques entre l'espace de rayonnement
et ledit volume.
3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que les moyens de maintien présentent une permittivité égale à la racine carrée de
la permittivité de la composition du contenu du volume.
4. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que l'épaisseur desdits moyens de maintien est égale à un multiple du quart de
la longueur d'onde des ondes à recevoir ou à émettre.
5. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'épaisseur desdits moyens de maintien est soit négligeable par rapport à la longueur d'onde des ondes électromagnétiques à recevoir et/ou à émettre soit égale à un multiple de la demi-longueur d'onde desdites ondes à recevoir ou à émettre de sorte que lesdis moyens de maintien présentent
une transparence électromagnétique par rapport auxdites ondes.
6. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que ces moyens de maintien sont conçus d'une matière suffisamment solide pour
offrir une protection contre les agressions extérieures.
7. Dispositif selon la revendication 5 ou 6, caractérisé en ce que les moyens de maintien comprennent un matériau plastique nommé
Acrylonitrile-Butadiène-Styrène ou ABS couvrant ledit volume.
8. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en
ce que le diamètre des granulés est inférieure au dixième de la longueur d'onde des ondes électromagnétiques à recevoir et/ou à émettre par ledit dispositif.
9. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en
ce que le volume est composé d'un mélange de granulés et d'air se comportant comme un matériau diélectrique artificiel de permittivité équivalente;equ définie selon la relation: _equ = ( (1 +2F) Fro + 2(1-F)) / ((1 -F) sro + 2 + F), F correspondant au rapport entre le volume effectivement occupé par les granulés et le volume total dudit volume (7), et Sro correspondant à la
permittivité intrinsèque du granulé.
10. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisé en
ce que chaque granulé est chargé par de l'oxyde de titane.
11. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 10, caractérisé
en ce que lesdits moyens de maintien comportent une coque de volume de
révolution, du type sphérique, hémisphérique, ou cylindrique.
i12. Terminal de télécommunications comprenant un dispositif d'émission et/ou de réception d'ondes électromagnétiques comprenant une lentille pour la focalisation de signaux reçus selon une direction en un point, l'espace de rayonnement de la lentille déterminant un ensemble de directions définissant une surface de focalisation, caractérisé en ce que ledit dispositif d'émission et/ou de réception est un dispositif selon l'une des
revendications 1 à 1 1.
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