FR2960707A1 - Antenne a balayage electronique de construction modulaire amelioree et procede de refroidissement d'une telle antenne - Google Patents

Abstract

Cette antenne à balayage électronique est du type possédant une pluralité de modules émetteurs/récepteurs assemblés pour définir une surface étendue d'émission/réception. Selon un aspect de l'invention, elle comprend au moins une série de modules traversés en série par un conduit de circulation d'un fluide de refroidissement et des dissipateurs thermiques (36) disposés dans le conduit , chaque dissipateur thermique (36) étant disposé dans un module respectif, au moins deux des dissipateurs thermiques (36) ayant des coefficients de transfert thermique différents. Application aux antennes à balayage électronique de construction modulaire active ou passive, émettrice et/ou réceptrice.

Description

Antenne à balayage électronique de construction modulaire améliorée et procédé de refroidissement d'une telle antenne La présente invention concerne une antenne à balayage électronique de construction modulaire, du type possédant une pluralité de modules émetteurs/récepteurs assemblés pour définir une surface étendue d'émission/réception. De telles antennes émettent une puissance radioélectrique croissante et dissipent une quantité de chaleur croissante, ce qui nécessite des prévoir des systèmes de refroidissement dimensionnés en conséquence. Or ces antennes sont notamment destinées aux véhicules aéroportés, pour lesquels il est souhaitable de limiter l'encombrement et la masse de l'antenne. Un but de l'invention est de proposer une antenne à balayage électronique de construction modulaire présentant une masse et un encombrement réduits. A cet effet, l'invention propose une antenne à balayage électronique de construction modulaire du type précité, caractérisée en ce qu'elle comprend au moins une série de modules traversés en série par un conduit de circulation d'un fluide de refroidissement et des dissipateurs thermiques disposés dans le conduit, chaque dissipateur thermique étant disposé dans un module respectif, au moins deux des dissipateurs thermiques ayant des coefficients de transfert thermique différents. Grâce à l'invention, il est possible de proposer une antenne à balayage électronique de construction modulaire munie de moyens de dissipation d'énergie adaptés pour optimiser les échanges thermiques entre un fluide de refroidissement et des modules traversés par le fluide de refroidissement. Il en résulte la possibilité de dimensionner le système de refroidissement de manière plus juste et ainsi de limiter l'encombrement et la masse de l'antenne.

Selon d'autres modes de réalisation, l'antenne à balayage électronique comprend une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prises isolément ou selon toutes les combinaisons techniquement possibles : - les dissipateurs thermiques disposés dans le conduit présentent des coefficients de transfert thermique croissants le long du conduit dans le sens de circulation du fluide de refroidissement ; - les modules de la ou chaque série de modules comprennent chacun un support traversé par le conduit et au moins une plaque électronique fixée sur le support, les dissipateurs thermiques disposés dans le conduit présentant des coefficients de transfert thermique croissants le long du conduit de façon à maintenir sensiblement la même température à l'interface entre les supports et les plaques électroniques le long du conduit ; - chaque module comprend deux plaques électroniques prenant le support en sandwich ; et - les dissipateurs thermiques sont des dissipateurs thermiques à ailettes présentant des agencements d'ailettes analogues et différant par leurs densités d'ailettes, la longueur de leurs ailettes et/ou la hauteur de leurs ailettes. L'invention concerne également un procédé de refroidissement de modules émetteurs/récepteurs d'une antenne à balayage électronique modulaire assemblés, dans lequel on refroidit une série de modules par circulation d'un fluide de refroidissement dans un conduit de circulation traversant les modules en série, caractérisé en ce qu'on favorise les échanges thermiques avec le fluide de refroidissement dans au moins un des modules par rapport à au moins un autre parmi les modules ; Selon un mode de mise en oeuvre, on favorise les échanges thermiques de manière croissante le long du conduit dans le sens de circulation du fluide de refroidissement.

Selon un mode de mise en oeuvre, chaque module comprenant un support traversé par le conduit et au moins une plaque électronique fixée sur le support, on favorise les échanges thermiques de façon à maintenir les plaques électroniques sensiblement à la même température le long du conduit. L'invention et ses avantages seront mieux compris à la lecture de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple, et faite en référence aux dessins annexés, sur lesquels : - la figure 1 est une vue schématique de face d'une antenne à balayage électronique de construction modulaire selon l'invention, comprenant une pluralité de modules d'émission/réception assemblés ; - les figures 2 et 3 sont des vues en perspective respectivement assemblée et éclatée d'un module d'émission/réception de l'antenne à balayage électronique de la figure 1 ; - les figures 4 à 6 sont des graphiques illustrant les caractéristiques thermiques et le comportement thermique d'une rangée de modules d'émission/réception traversés par un conduit de circulation d'un fluide de refroidissement en série. L'antenne à balayage électronique 2 représentée sur la figure 1 est de construction modulaire. Elle comprend une pluralité de modules 4 d'émission/réception assemblés de façon à définir une surface étendue d'émission/réception de l'antenne à balayage électronique 2.

Chaque module 4 possède une surface élémentaire d'émission/réception représentant une fraction de la surface étendue d'émission/réception. Les modules 4 sont assemblés jointifs en étant répartis sur la surface étendue d'émission/réception. Chaque module 4 comprend de manière classique des moyens électroniques d'émission/réception définissant au moins une antenne élémentaire, de préférence une pluralité d'antennes élémentaires. La(les) antenne(s) élémentaire(s) de chaque module 4 est(sont) répartie(s) sur la surface élémentaire d'émission/réception du module 4. Dans l'exemple illustré, les modules 4 sont agencés en rangées et en colonnes. Plus spécifiquement, l'antenne à balayage électronique 2 comprend quatre rangées de modules 4 superposées. Les deux rangées centrales possèdent chacune douze modules 4, les deux rangées supérieure et inférieure possèdent chacune dix modules 4. L'antenne à balayage électronique 2 comprend un système de refroidissement 6 pour évacuer la chaleur produite par les modules 4 lors du fonctionnement de l'antenne à balayage électronique 2.

Le système de refroidissement 6 comprend un circuit 8 de circulation d'un fluide de refroidissement et un dispositif d'entraînement 10 pour forcer la circulation du fluide dans le circuit 8. Le fluide de refroidissement est par exemple un gaz, notamment de l'air, et le dispositif d'entraînement un ventilateur. En variante, le fluide de refroidissement pourrait être un liquide, par exemple du Coolanol® commercialisé par la société Exxon Mobil Corporation, et le dispositif d'entraînement une pompe. Le circuit 8 comprend au moins un conduit 12 de circulation d'un fluide de refroidissement traversant une série de modules 4 en série. Chaque conduit 12 est défini par une série de tronçons 14, chaque tronçon 14 étant défini au travers d'un module 4 respectif.

Dans l'exemple illustré le circuit 8 comprend une pluralité de conduits 12 raccordés en parallèle, chaque conduit 12 traversant les modules 4 d'une rangée de modules en série. Selon un aspect de l'invention, l'antenne à balayage électronique 2 comprend des dissipateurs thermiques disposés dans chaque conduit 12, chaque dissipateur thermique étant disposé dans un module 4 respectif du conduit 12, et au moins deux des dissipateurs thermiques disposés dans chaque conduit 12 présentant des coefficients de transfert thermique différents. Un dissipateur thermique a pour fonction d'augmenter les échanges thermiques entre le module 4 dans lequel il est disposé et le fluide de refroidissement traversant le module 4.

Un dissipateur thermique est caractérisé par son coefficient de transfert thermique qui représente le flux thermique pouvant être échangé au travers du dissipateur thermique en fonction de la différence de température entre l'élément sur lequel le dissipateur thermique est disposé, ici les modules 4, et le fluide de refroidissement.

Le coefficient de transfert thermique s'exprime généralement en Watt par Kelvin (W/K) si l'on considère le coefficient de transfert thermique global ou en Watt par Kelvin par mètre carré (W/m2K) si l'on considère le coefficient de transfert thermique surfacique. Le coefficient de transfert thermique d'un dissipateur thermique est inversement proportionnel à sa résistance thermique.

Un module 4 et son dissipateur thermique associé vont maintenant être décrits en référence aux figures 2 et 3 représentant des vues en perspective, respectivement assemblée et éclatée, du module 4. Tel que représenté sur les figures 2 et 3, le module 4 comprend un support 16 muni d'un canal 18 de circulation d'un fluide de refroidissement traversant le support 16 et 15 un dispositif électronique 20 d'émission/réception fixé sur le support 16. Le support 16 se présente ici sous la forme d'un corps monobloc de forme générale parallélépipédique. Le support 16 présente une face avant 16a et une face arrière 16b opposées et deux faces latérales 16c, 16d opposées. Le dispositif électronique 20 définit au moins une antenne élémentaire 20 d'émission/réception. Le dispositif électronique 20 comprend une plaque avant 22 électronique rapportée sur la face avant 16a du support 16 et un résonateur 24 recouvrant la plaque avant 22. Le résonateur 24 comprend une grille 26 appliquée sur la plaque avant 22 et un film 28 recouvrant la grille 28. 25 La plaque avant 22 comprend des circuits imprimés, des cartes imprimées et/ou des composants électroniques. Elle comprend notamment des antennes élémentaires, par exemple sous la forme de pistes conductrices prévues sur une carte multicouche imprimée. La plaque avant 22, la grille 26 et le film 28 définissent ensemble une cavité résonnante en regard de chaque antenne élémentaire définie sur la plaque avant 22. 30 Le dispositif électronique 20 comprend ici huit antennes élémentaires réparties en deux colonnes de quatre antennes élémentaires. Les antennes élémentaires pourraient en variante être prévues en nombre différent et/ou réparties différemment. Le dispositif électronique 20 comprend en outre une plaque arrière 30 électronique rapportée sur la face arrière 16b du support 16. La plaque avant 22 et la plaque arrière 30 35 prennent le support 16 en sandwich. La plaque arrière 30 comprend des circuits imprimés, des cartes imprimées et/ou des composants électroniques. La plaque arrière 30 regroupe une partie des éléments électroniques pouvant être disposés à l'écart des cavités résonnantes. La répartition des éléments électroniques sur deux plaques prenant le support en sandwich favorise l'évacuation de la chaleur. En variante, le dispositif électronique 20 ne comprend pas de plaque arrière.

Le canal 18 s'étend au travers du support 16 entre les faces latérales 16c, 16d sur lesquelles il débouche. Le canal 18 présente ici une section droite rectangulaire. Le canal 18 est délimité par une paroi 34 latérale. Lorsqu'une série de modules 4 sont disposés côte à côte, les canaux 18 des modules 4 définissent ensemble un conduit 12, chaque canal 18 définissant un tronçon 14 du conduit 12. Le support 16 est réalisé dans un matériau présentant une conductivité thermique élevée pour favoriser le transfert de chaleur au travers du support 16, et ainsi permettre l'évacuation de la chaleur produite au niveau des plaques 22, 30 vers le canal 18. Le support 16 est par exemple métallique.

Le dissipateur thermique 36 associé au module 4 est inséré dans le canal 18 en contact avec la paroi 34 du canal 18. Le dissipateur thermique 36 ainsi disposé définit l'interface d'échange thermique entre le module 4 et le fluide de refroidissement circulant dans le canal 18. Le dissipateur thermique 36 augmente les échanges thermiques entre le module 4 et le fluide de refroidissement. En l'absence de dissipateur thermique les échanges thermiques se feraient uniquement au travers de la paroi 34 latérale du canal 18. Le dissipateur thermique 36 est ici du type à ailettes 40 agencées en quinconce. II comprend plusieurs rangées 42 d'ailettes 40 disposées successivement dans le sens de l'écoulement du fluide dans le canal 18, chaque rangée d'ailettes 40 étant décalée transversalement par rapport à la précédente. Dans l'exemple illustré, chaque rangée 42 d'ailettes 40 est formée par une bande en forme de créneaux. Le dissipateur 36 peut être obtenu d'un seul bloc à partir d'une feuille métallique découpée suivant des lignes de séparation entre les bandes et mise en forme, par exemple par emboutissage, pour conférée à chaque bande une forme en créneaux, ou par assemblage de plusieurs bandes en créneaux. Le dissipateur 36 est fixé à l'intérieur du canal 18. Le dissipateur 36 est par exemple brasé ou soudé sur le support 16. Chaque ailette 40 s'étend sensiblement dans un plan parallèle à la direction d'écoulement du fluide dans le canal 18 et présente une hauteur H transversalement à la direction d'écoulement et une longueur L suivant la direction d'écoulement.

Le coefficient de transfert thermique d'un dissipateur thermique dépend notamment de la matière qui le constitue, de l'agencement de ses ailettes, de sa densité d'ailettes (nombre d'ailettes par unité de sur-face transversalement à la direction d'écoulement du fluide), de la hauteur H de ses ailettes et de la longueur L de ses ailettes.

Dans le cas d'une rangée d'ailettes en créneaux, la densité d'ailettes dépend du pas P des créneaux. Selon l'invention, des modules 4 destinés à être assemblés en formant une rangée de modules 4 traversés par un conduit 12 sont munis de dissipateurs thermiques 36 possédant des coefficients de transfert thermique différents, de préférence des coefficients de transfert thermique croissants de l'amont vers l'aval le long du conduit 12 dans le sens de la circulation du fluide de refroidissement. De préférence, les dissipateurs thermiques 36 disposés dans les modules 4 traversés par un même conduit 12 possèdent le même type d'agencement d'ailettes, par exemple un agencement en quinconce, mais diffèrent par leur densité d'ailettes, la hauteur H de leurs ailettes, la longueur L de leurs ailettes, et/ou le pas P entre leur ailettes. Le fonctionnement d'une telle rangée de onze modules 4 va maintenant être décrit en référence aux figures 4 à 6. La figure 4 est un graphique représentant le coefficient de transfert thermique surfacique du dissipateur thermique disposé dans chaque module de la série (ordonnée en W/m2K) en fonction de la position du module dans la série de module (abscisse - position de 1 à 11). La figure 5 est un graphique représentant une première courbe Cl en trait plein de température du fluide de refroidissement dans chaque module de la série de modules (ordonnée en `C) en fonction de la position du modu le dans la série de modules (abscisse - position de 1 à 11) et une deuxième courbe C2 en traits mixtes de température à l'interface entre la plaque avant 22 et le support 16 de chaque module 4 de la série de modules en fonction de la position du module dans la série de modules. La figure 6 est un graphique représentant la perte de charge induite par le dissipateur thermique disposé dans chaque module de la série (ordonnée en Pascal - Pa) en fonction de la position du module dans la série de modules (abscisse). Tel qu'illustré sur la figure 4, les dissipateurs thermiques 36 disposés dans les modules 4 possèdent des coefficients de transfert thermique strictement croissants le long du conduit de la série de module 4, de l'amont (module en position 1) vers l'aval (module en position 11).

En fonctionnement, les dispositifs électroniques 20 des modules 4 émettent de la chaleur. Cette chaleur se propage au travers des supports 16 des modules 4 vers les canaux 18 où elle est cédée au fluide de refroidissement. Le fluide de refroidissement se réchauffe. II en résulte que la température du fluide de refroidissement augmente continûment le long d'un conduit 12, comme illustré par la courbe Cl sur la figure 5. Le flux thermique qui peut être cédé de chaque module 4 vers le fluide de refroidissement, pour ne pas dépasser la température maximale admissible par des plaques électroniques 22,30 dépend de la température du fluide de refroidissement. Plus la température du fluide de refroidissement est élevée, plus le flux thermique acceptable est faible. II en résulte donc que le fluide de refroidissement prélève a priori moins de chaleur dans les modules aval que dans les modules plus amont. Le flux thermique qui peut être cédé par chaque module 4 vers le fluide de refroidissement dépend également du coefficient de transfert thermique entre ce module et le fluide de refroidissement. Plus le coefficient de transfert thermique est élevé, plus le 15 flux thermique est important. La prévision de dissipateurs thermiques ayant des coefficients de transfert thermique croissants de l'amont vers l'aval permet de compenser l'augmentation de la température du fluide de refroidissement le long du conduit 12 pour obtenir des flux thermiques sensiblement uniformes entre les modules 4 et le fluide de refroidissement, 20 afin de maintenir les modules 4 sensiblement à la même température, lors du fonctionnement de l'antenne de balayage électronique 2. Ainsi, comme illustré par la courbe C2 sur la figure 5, il est possible d'obtenir une température sensiblement uniforme d'un module 4 à l'autre, en particulier à l'interface entre les supports 16 et les plaques avant 22, respectivement arrière 30. Cela évite la 25 formation d'un gradient de température entre les modules 4, et évite des dilatations différentielles. En outre, cela permet de maintenir les plaques électroniques avant 22, respectivement arrière 30, des dispositifs électroniques 20 sensiblement à la même température (par exemple dans une plage de 5'C), ce qui permet de simplifier les tables de compensation des signaux fournis par les antennes élémentaires, qui sont nécessaires 30 lorsque les antennes élémentaires sont à des températures différentes (pouvant atteindre classiquement 20`C). En outre, la perte de charge induite dans l'écoulement du fluide de refroidissement par un dissipateur thermique dépend de sa géométrie et est corrélée, en général, avec son coefficient de transfert thermique : la perte de charge augmente avec le coefficient de 35 transfert thermique.

Grâce à l'invention, il est possible de limiter la perte de charge globale dans un conduit en limitant les pertes de charge des dissipateurs thermiques à ce qui est juste nécessaire, en particulier dans la partie amont du conduit. Dans le cas présent, comme illustrée sur la figure 6, la perte de charge induite par 5 le dissipateur thermique disposé dans chaque module augmente le long du conduit de l'amont vers l'aval. La perte de charge totale, représentée schématiquement par l'aire située sous la courbe de la figure 6 est ainsi faible, notamment beaucoup plus faible que si tous les dissipateurs thermiques était identiques à celui disposé dans le dernier module de la 10 rangée pour tenir compte du cas le plus critique. Il est ainsi envisageable de diminuer la perte de charge d'environ 50 à 60% sur une série de onze modules. Des dissipateurs thermiques ayant des coefficients de transfert thermique réduit sont généralement moins fortement dimensionnés. La diminution de la perte de charge permet également de diminuer le dimensionnement du système de refroidissement, et en 15 particulier le dimensionnement des ventilateurs ou pompes et/ou le dimensionnement du circuit. Ces différents facteurs permettent finalement de réduire la masse et l'encombrement de l'antenne à balayage électronique 2 dans son ensemble et/ou d'augmenter sa puissance. 20 L'antenne à balayage électronique 2 de construction modulaire peut être obtenue à faible coût du fait de la standardisation des modules 4. Ces modules 4 sont identiques. En particulier, leurs supports 16 et leurs dispositifs électroniques 20 sont identiques. Ils peuvent servir à la fabrication d'antennes à balayage électronique ayant des tailles et/ou des formes variées. 25 La différenciation des modules d'une même antenne à balayage électronique uniquement par les dissipateurs thermiques qui leur sont associés permet un compromis satisfaisant entre la standardisation et la réduction de masse et d'encombrement. Le mode de réalisation décrit a été donné uniquement à titre d'exemple et des variantes sont envisageables. 30 Ainsi, dans le mode de réalisation décrit, les dissipateurs thermiques d'une série de module présentent des coefficients de transfert thermique strictement croissant. En variante, il est possible que les dissipateurs thermiques d'une série de module présentent des coefficients de transfert thermique simplement croissants. Par exemple, au moins un groupe de modules d'une même série sont équipés de dissipateurs thermiques ayant le 35 même coefficient de transfert thermique, ces dissipateurs étant de préférence identiques.

La série de modules peut aussi comprendre des groupes de module, ayant des dissipateurs thermiques ayant des coefficients de transfert thermique identiques. Le coefficient de transfert thermique des dissipateurs thermiques est ainsi croissant par paliers successifs le long du conduit.

Par exemple, les modules d'une série de module peuvent comprendre un premier groupe amont de modules dont les dissipateurs thermiques possèdent un premier coefficient de transfert thermique et un deuxième groupe aval de modules dont les dissipateurs thermiques possèdent un deuxième coefficient de transfert thermique supérieur au premier coefficient de transfert thermique. Un tel agencement permet déjà d'envisager un gain substantiel en terme de perte de charge global, de l'ordre de 40%. L'invention s'applique à tout type d'antenne à balayage électronique de construction modulaire, notamment aux antennes actives ou passives, émettrices et/ou réceptrices.

Claims (1)

1. REVENDICATIONS1.- Antenne à balayage électronique de construction modulaire, du type possédant une pluralité de modules (4) émetteurs/récepteurs assemblés pour définir une surface étendue d'émission/réception, caractérisée en ce qu'elle comprend au moins une série de modules (4) traversés en série par un conduit (12) de circulation d'un fluide de refroidissement et des dissipateurs thermiques (36) disposés dans le conduit (12), chaque dissipateur thermique (36) étant disposé dans un module (4) respectif, au moins deux des dissipateurs thermiques (36) ayant des coefficients de transfert thermique différents.

   2.- Antenne selon la revendication 1, dans laquelle les dissipateurs thermiques (36) disposés dans le conduit (12) présentent des coefficients de transfert thermique croissants le long du conduit (12) dans le sens de circulation du fluide de refroidissement.

   3.- Antenne selon la revendication 1 ou 2, dans laquelle les modules (4) de la ou chaque série de modules (4) comprennent chacun un support (16) traversé par le conduit (12) et au moins une plaque électronique (22, 30) fixée sur le support (16), les dissipateurs thermiques (36) disposés dans le conduit (12) présentant des coefficients de transfert thermique croissants le long du conduit (12) de façon à maintenir sensiblement la même température à l'interface entre les supports (16) et les plaques électroniques (22, 30) le long du conduit (12).

   4.- Antenne selon la revendication 3, dans laquelle chaque module (4) comprend 20 deux plaques électroniques (22, 30) prenant le support (16) en sandwich.

   5.- Antenne selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle les dissipateurs thermiques (36) sont des dissipateurs thermiques à ailettes présentant des agencements d'ailettes analogues et différant par leurs densités d'ailettes, la longueur de leurs ailettes et/ou la hauteur de leurs ailettes 25

   6.- Procédé de refroidissement de modules (4) émetteurs/récepteurs d'une antenne à balayage électronique modulaire assemblés, dans lequel on refroidit une série de modules (4) par circulation d'un fluide de refroidissement dans un conduit (12) de circulation traversant les modules (4) en série, caractérisé en ce qu'on favorise les échanges thermiques avec le fluide de refroidissement dans au moins un des modules (4) 30 par rapport à au moins un autre parmi les modules (4).

   7.- Procédé de refroidissement selon la revendication 6, dans lequel on favorise les échanges thermiques de manière croissante le long du conduit (12) dans le sens de circulation du fluide de refroidissement.

   8.- Procédé de refroidissement selon la revendication 6 ou 7, dans lequel, chaque 35 module (4) comprenant un support (16) traversé par le conduit (12) et au moins une plaque électronique (22, 30) fixée sur le support (16), on favorise les échangesthermiques de façon à maintenir les plaques électroniques (22, 30) sensiblement à la même température le long du conduit (12).