FR3118538A1 - Réseau d’antennes à fentes - Google Patents
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Abstract
Réseau d’antennes comprenant : -plusieurs antennes élémentaires juxtaposées, chaque antenne élémentaire comportant un guide d’onde dont une face est munie d’un réseau de fentes afin de rayonner à l’extérieur du guide d’ondes au moins partie de l’énergie électromagnétique dans ledit guide d’onde, dans lequel ladite antenne est un composant résultant d’une fabrication additive, la section des dites fentes étant soit non rectangulaire soit rectangulaire avec des côtés non parallèles à la direction longitudinale (z) desdits guides d’onde (20).. Figure à publier avec l’abrégé : Fig. 1.
Description
La présente invention concerne le domaine des antennes à fentes et de la fabrication de ces antennes.
Etat de la technique
Les antennes à fentes (« slot array antenna ») sont constituées d'une surface métallique, généralement une plaque plane, avec une matrice de fentes découpées qui rayonnent des ondes électromagnétiques. La forme, la taille et la disposition des fentes déterminent le diagramme de rayonnement pour une fréquence donnée. La forme et la disposition précise des fentes permet de réduire les problèmes de polarisation croisée entre fentes. Aux fréquences microonde, les fentes sont généralement prévues dans une des parois d’un guide d’onde qui conduit l’énergie électromagnétique jusqu’aux fentes en émission ou depuis les fentes en réception.
Plusieurs antennes à fentes peuvent être juxtaposées de manière à former un réseau d’antennes à fentes. Un tel réseau permet de mieux contrôler la phase et l’amplitude des signaux émis par chaque fente.
De telles antennes et réseaux d’antennes sont en particulier utilisées dans les antennes radar pour avions, y compris les antennes radar météorologiques dans le nez de l’avion (« airborne weather radar ») et certaines antennes d'émission de télévision UHF, et en particulier les antennes radar marines.
Les antennes à fentes sont compactes et plus faciles à fabriquer en série que d’autres types d’antenne. L’usinage précis d’un grand nombre de fentes renchérit cependant le coût de ces antennes. Il existe donc un besoin de réduire encore le coût de ce type d’antennes. Il est en outre souhaitable de pouvoir fabriquer des antennes à bas coût, et des réseaux de telles antennes, en petites ou en grandes séries ou avec des dimensions ou des réseaux de fentes personnalisés.
La fabrication additive a déjà été employée pour la fabrication de guides d’onde et permet notamment de fabriquer des guides d’onde en petites et en grandes séries et avec des dimensions personnalisées. Les guides d’onde sont généralement imprimés en 3D avec l’axe longitudinal, selon la direction de propagation du signal, vertical, ce qui permet d’éviter de devoir imprimer des parois du guide d’onde en porte-à-faux.
Ce mode de fabrication additif est cependant mal adapté à la fabrication d’antennes à fentes, car chaque fente comporte une portion de voute qu’il est difficile d’imprimer lorsque l’antenne est en position verticale.
Un but de la présente invention est donc de proposer un réseau d’antennes à fentes plus économique, notamment pour une fabrication en petites séries avec des dimensions personnalisées, ou aussi en grandes séries.
Un autre but de la présente invention est de proposer un procédé de fabrication de réseau d’antennes à fentes nouveau et plus économique.
Bref résumé de l’invention
Un but de la présente invention est donc de proposer un réseau d’antennes à fentes plus économique, notamment pour une fabrication en petites séries avec des dimensions personnalisées, ou aussi en grandes séries.
Un autre but de la présente invention est de proposer un procédé de fabrication d’antenne à réseau de fentes nouveau et plus économique.
Selon l’invention, ces buts sont atteints notamment au moyen d’un réseau d’antennes à fentes comprenant :
-plusieurs antennes élémentaires juxtaposées, chaque antenne élémentaire comportant un guide d’onde dont une face est munie de fentes afin de rayonner à l’extérieur du guide d’ondes au moins partie de l’énergie électromagnétique dans ledit guide d’onde,
dans laquelle ledit réseau d’antennes est un composant monolithique résultant d’un fabrication additive,
la section des dites fentes étant soit non rectangulaire, soit rectangulaire avec des côtés non parallèles à la direction longitudinale desdits guides d’onde.
-plusieurs antennes élémentaires juxtaposées, chaque antenne élémentaire comportant un guide d’onde dont une face est munie de fentes afin de rayonner à l’extérieur du guide d’ondes au moins partie de l’énergie électromagnétique dans ledit guide d’onde,
dans laquelle ledit réseau d’antennes est un composant monolithique résultant d’un fabrication additive,
la section des dites fentes étant soit non rectangulaire, soit rectangulaire avec des côtés non parallèles à la direction longitudinale desdits guides d’onde.
La section non rectangulaire des fentes offre plus de liberté au concepteur pour réaliser des fentes qui peuvent être imprimées en fabrication additive, c’est-à-dire des fentes qui ne doivent pas être usinées par retrait de matière dans une face.
En particulier, cette section non rectangulaire permet de réaliser des fentes dont la portion supérieure lors de l’impression risque moins de s’affaisser.
Cette section peut être par exemple ovale, elliptique, triangulaire, ou polygonale avec au moins cinq côtés.
La section des fentes est avantageusement hexagonale. Cela permet de réaliser une portion de voute de la fente lors de l’impression qui soit suffisamment oblique par rapport à l’horizontale pour ne pas s’affaisser.
La section des fentes peut être pentagonale.
La plus grande dimension des fentes peut s’étendre parallèlement à la direction longitudinale desdits guides d’onde. Cela permet de fabriquer le réseau d’antennes par impression additive avec les guides d’onde orientés verticalement et les fentes orientées verticalement, et donc de réduire le risque d’affaissement.
La plus grande dimension des fentes peut s’étendre obliquement par rapport à la direction longitudinale desdits guides d’onde. Cela permet de fabriquer le réseau d’antennes par impression additive avec les guides d’onde dont les fentes, même rectangulaires, ne comportent pas de section en porte-à-faux horizontal lors de l’impression, et qui risquent donc moins de s’affaisser.
L’énergie électromagnétique peut être conduite dans les différents guides d’onde juxtaposés au moyen d’un guide d’onde de couplage pour alimenter individuellement chaque dite antenne élémentaire depuis une face opposée à ladite face munie de fentes.
Le guide d’onde de couplage s’étend avantageusement dans une direction perpendiculaire à celle des antennes élémentaires.
Le guide d’onde de couplage est avantageusement connecté à chaque antenne élémentaire au travers d’au moins une fente de couplage qui permet de transmettre l’énergie électromagnétique entre le guide d’onde de couplage et cette antenne élémentaire.
La section des fentes de couplage peut être soit non rectangulaire, soit rectangulaire avec des côtés non parallèles à la direction longitudinale desdits guides d’onde.
La section des fentes de couplage peut être par exemple ovale, elliptique, triangulaire, ou polygonale avec au moins cinq côtés.
La plus grande dimension desdites fentes de couplage peut s’étendre obliquement par rapport à la direction longitudinale desdits guides d’onde.
Les fentes de couplage sont de préférence alternativement orientées à +45° et -45° par rapport à la direction longitudinale desdits guides d’onde. Cette orientation oblique facilite la fabrication en impression 3D en réduisant les portions en porte-à-faux. Des angles d’inclinaison différents, entre 0° et 90°, peuvent être prévus. Des tests et des simulations ont montré qu’une alternance des inclinaisons de fentes positives et négatives améliore les performances de couplage.
D’autres formes géométriques peuvent être utilisées pour les fentes de couplage, y compris par exemple des fentes en forme de losange ou de cercles.
Le guide d’onde de couplage comporte de préférence des iris et/ou des marches sur sa face interne de manière à contrôler la phase et/ou l’amplitude des signaux dans les différentes fentes de couplage.
Ces iris et/ou marches sont de préférence orientés parallèlement à l’axe longitudinal desdites antennes élémentaires, de manière à faciliter leur fabrication additive.
A cet effet, lesdits iris ont de préférence une section non rectangulaire.
La section dudit guide d’onde de couplage est aussi de préférence non rectangulaire, par exemple ovale, elliptique, trapézoïdale, hexagonale, ou polygonale avec au moins 5 côtés, afin de faciliter sa fabrication additive.
Le signal électromagnétique peut être introduit dans le guide d’onde de couplage, ou extrait de ce guide d’onde de couplage, au travers d’une fente d’introduction de signal.
Cette fente d’introduction de signal a avantageusement une section non rectangulaire, de préférence une section hexagonale.
Le réseau d’antenne peut comporter une âme métallique ou synthétique réalisée par fabrication additive, et un revêtement conducteur sur cette âme.
L’invention a aussi pour objet un procédé de fabrication d’un réseau d’antennes à fentes comportant une étape de fabrication additive, lesdites antennes élémentaires étant orientées avec leur axe longitudinal vertical lors de cette étape, les fentes ayant une section non rectangulaire, par exemple une section hexagonale.
Brève description des figures
Des exemples de mise en œuvre de l’invention sont indiqués dans la description illustrée par les figures annexées dans lesquelles :
La illustre une vue en perspective depuis la face avant d’un réseau d’antennes à fentes selon la présente invention
La illustre une vue en perspective depuis la face arrière d’un réseau d’antennes à fentes selon la présente invention
La illustre une vue en coupe d’un réseau d’antennes à fentes selon la présente invention, la vue étant orientée selon la ligne 3-3- sur la .
La illustre une vue en perspective d’une portion de réseau d’antennes à fentes selon la présente invention, la portion étant découpée selon la ligne 4-4- sur la .
La illustre une vue en perspective de la partie arrière d’un réseau d’antennes à fentes selon la présente invention.
La illustre une vue en perspective de la partie avant d’un réseau d’antennes à fentes selon la présente invention.
Exemple(s) de mode de réalisation de l’invention
La illustre une vue de la face avant 11 d’un réseau 1 d’antennes à fentes selon la présente invention. Le réseau comporte plusieurs antennes élémentaires 2a, 2b, …, 2n juxtaposées selon l’axe z, chaque antenne élémentaire 2 comportant n fentes rayonnantes disposées en colonnes. Dans l’exemple illustré, le réseau 1 comporte n= 10 antennes élémentaires, chaque antenne comportant 10 fentes rayonnantes formant une colonne. Les fentes rayonnantes impaires sont décalées latéralement par rapport aux fentes rayonnantes paires de la même antenne.
En émission, ce réseau d’antenne 1 est destinée à émettre un signal électromagnétique par chaque fente rayonnante, les signaux émis par les différentes fentes se combinant. En réception, les signaux reçus à travers les différentes fentes rayonnantes se combinent dans chaque antenne élémentaire 2 puis entre antennes élémentaires.
Le réseau d’antenne 1 peut être destiné par exemple à former une antenne de radar météorologique par exemple dans le nez d’un avion.
La illustre une vue de la face arrière du réseau d’antennes 1. L’élément 3 et un guide d’onde de couplage qui croise toutes les antennes élémentaires 2a-2n pour alimenter individuellement chacune de ces antennes élémentaires depuis la face arrière 12 opposée à la face avant munie de fentes, ou pour recevoir et combiner les signaux électromagnétiques dans ces différentes antennes élémentaires. La figure permet aussi de voir les ouvertures 20 traversant chaque antenne élémentaire 2 selon l’axe longitudinal z, et formant un guide d’onde relié aux fentes 21 sur la face avant 11. Les éléments 120 sont des nervures de renforcement et de rigidification s’étendant parallèlement à l’axe longitudinal des guides d’onde sur la face arrière 12. La nervure symétrique 121 a une hauteur plus importante que les nervures 101 et supporte l’ouverture 33. Cette ouverture 33 constitue une fente d’introduction de signal pour introduire un signal électromagnétique à émettre dans le guide d’onde de couplage 3, et/ou pour récupérer le signal reçu dans ce guide d’onde.
La est une vue en coupe du réseau 1 selon la ligne 3-3 sur la . Comme on le voit, le guide d’onde e couplage 3 est relié individuellement au guide d’onde 20 de chacune des antennes élémentaires 2 au moyen d0une fente de couplage 22. Une jonction en T 34 est prévue sur la face interne du guide d’onde de couplage 3 opposée à la fente 33 de manière à ce que l’énergie électromagnétique injectée par cette fente se répartisse de part et d’autre de cette jonction. Les éléments 32 sont des marches sur la face du guide d’onde de couplage 3 qui permettent de contrôler la phase et l’amplitude des signaux dans chaque fente de couplage 22.
La est une autre vue en coupe et en perspective du réseau d’antennes à fentes 1 selon la ligne 4-4 de la . Sur cette figure, la fente d’introduction de signal 33 est ménagée dans une nervure 121’ dont la forme asymétrique est modifiée par rapport à celle de la .
La est une autre vue en coupe et en perspective de la moitié arrière du réseau d’antennes à fentes 1. Sur cette figure, la fente d’introduction de signal 33 pénètre depuis la face arrière 12 dans le guide d’onde de couplage 3. Les marches 32 et les iris 31 prévue sur les parois de ce canal permettent de contrôler l’amplitude et la phase des signaux rayonnés depuis ce guide d’onde 3.
La est une autre vue en coupe et en perspective de la moitié avant du réseau d’antennes à fentes 1. Sur cette figure, on observe la jonction en T 34 en regard de la fente d’introduction de signal 33, ainsi que les fentes de couplage 22 entre le guide d’onde de couplage 3 et les guides d’onde 20. Ces fentes sont inclinées alternativement à plus et -45° par rapport à la direction longitudinale z des guides d’onde 20.
Le réseau d’antennes 1 est obtenu par fabrication additive, par exemple par impression 3D, par exemple par stéréolithographie. Il comporte avantageusement une âme non illustrée en métal, ou éventuellement en matériau synthétique ou céramique, et un revêtement obtenu par électrodéposition au moins sur les faces internes de cette âme, c’est-à-dire sur les parois des guides d’onde, et de préférence sur l’ensemble des surfaces du réseau. Le réseau d’antennes peut être monolithique.
Le réseau est obtenu à l’aide d’un procédé comprenant une étape d’impression de l’âme en orientant les antennes élémentaires 2 verticalement, c’est-à-dire parallèlement à l’axe z. Cette disposition permet d’éviter le risque d’affaissement des parois des guides d’onde lors de l’impression 3D.
Les fentes rayonnantes 21 ( ) ont une section 21, ce qui permet de les réaliser par impression 3D sans besoin d’usinage et sans risque que la portion supérieure 210 (voute) ne s’affaisse lors de l’impression. Dans un mode de réalisation préférentiel, cette portion supérieure forme un triangle, de même que la portion inférieure 211, en sorte que les fentes 21 ont une section transversale hexagonale. Une section pentagonale, avec une portion inférieure rectiligne, peut aussi être imaginée.
Les fentes de couplage 22 ( ) sont inclinées à + ou -45° par rapport à l’horizontale lors de l’impression, ce qui évite également le risque d’affaissement de leur plafond supérieur lors de l’impression.
La fente d’introduction de signal 33 est de préférence également de section non rectangulaire, par exemple ovale, elliptique, ou polygonale avec au moins cinq côté, par exemple hexagonale, afin de permettre son impression en position verticale.
D’autres portions en porte-à-faux lors de l’impression sont également réalisées avec des biais, c’est-à-dire des surfaces non horizontales qui pourraient s’affaisser. C’est notamment le cas des parois inférieures 35 et supérieures 36 du guide d’onde de couplage 3 qui a ainsi une section trapézoïdale. C’est aussi le cas des portions inférieures des iris 31.
Numéros de référence employés sur les figures
| 1 | Réseau d’antennes à fentes |
| 11 | Face avant |
| 12 | Face arrière |
| 120 | Nervures de renforcement sur la face arrière |
| 121 | Nervure supportant la fente d’introduction de signal. |
| 2 | Antenne élémentaire |
| 20 | Guide d’ondes |
| 21 | Fentes rayonnantes |
| 210 | Portion supérieure des fentes 21 (voute) |
| 211 | Portion inférieure des fentes 21 (plancher) |
| 22 | Fente de couplage |
| 3 | Guide d’onde de couplage |
| 31 | Iris |
| 32 | Marches |
| 33 | Fente d’introduction de signal |
| 34 | Jonction en T |
| 35 | Paroi inférieure du guide d’onde de couplage |
| 36 | Paroi supérieure du guide d’onde de couplage |
| z | Direction longitudinale des guides d’onde |
Claims (18)
- Réseau d’antennes à fentes (1) comprenant :
-plusieurs antennes élémentaires (2) juxtaposées, chaque antenne élémentaire (2) comportant un guide d’onde (20) dont une face (11) est munie de fentes rayonnantes (21) afin de rayonner à l’extérieur du guide d’ondes au moins partie de l’énergie électromagnétique dans ledit guide d’onde,
caractérisée en ce que
ledit réseau d’antennes est un composant résultant d’un fabrication additive,
et en ce que la section des dites fentes rayonnantes (21) est soit non rectangulaire, soit rectangulaire avec des côtés non parallèles à la direction longitudinale (z) desdits guides d’onde (20). - Réseau d’antennes selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite section est ovale, elliptique, circulaire, en forme de losange, ou polygonale avec au moins cinq côtés.
- Réseau d’antennes selon la revendication 2, caractérisée en ce que ladite section est hexagonale.
- Réseau d’antennes selon l’une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la plus grande dimension desdites fentes rayonnantes (21) s’étend parallèlement à la direction longitudinale (z) desdits guides d’onde (20).
- Réseau d’antennes selon l’une des revendications 1 à 4, comportant un guide d’onde de couplage (3) pour alimenter individuellement chaque dite antenne élémentaire (2) depuis une face (12) opposée à ladite face (11) munie de fentes rayonnantes (21).
- Réseau d’antennes selon la revendication 5, dans lequel le guide d’onde de couplage (3) est connecté à chaque antenne élémentaire (2) au travers d’une fente de couplage (22).
- Réseau d’antennes selon la revendication 6, dans lequel la section des fentes de couplage est soit non rectangulaire, soit rectangulaire avec des côtés non parallèles à la direction longitudinale desdits guides d’onde.
- Réseau d’antennes selon la revendication 7 dans lequel la section des fentes de couplage est ovale, elliptique, triangulaire, ou polygonale avec au moins cinq côtés.
- Réseau d’antennes l’une des revendications 6 à 8, dans lequel la plus grande dimension desdites fentes de couplage (22) s’étend obliquement par rapport à la direction longitudinale desdits guides d’onde (20).
- Réseau d’antennes selon la revendication 9, dans lequel les fentes de couplage (22) sont obliques et alternativement orientées avec un angle positif et négatif par rapport à la direction longitudinale desdits guides d’onde.
- Réseau d’antennes selon l’une des revendications 5 à 10, dans lequel le guide d’onde de couplage (3) comporte des iris (31) et/ou des marches (32) sur sa face interne de manière à contrôler la phase et/ou l’amplitude des signaux dans les différentes fentes de couplage.
- Réseau d’antennes selon la revendication 11, dans lequel lesdits iris (31) et/ou marches (32) sont orientés parallèlement à l’axe longitudinal desdites antennes élémentaires.
- Réseau d’antennes selon l’une des revendications 11 ou 12, dans lequel lesdits iris (31) ont une section non rectangulaire.
- Réseau d’antennes selon l’une des revendications 6 à 13, dans lequel la section dudit guide d’onde de couplage (3) est ovale, elliptique, trapézoïdale ou polygonale avec au moins 5 côtés.
- Réseau d’antennes selon l’une des revendications 5 à 14, dans lequel ledit guide d’onde de couplage (3) comporte une fente d’introduction de signal (33).
- Réseau d’antennes selon la revendication 15, dans lequel ladite fente d’introduction de signal (33) a une section ovale, elliptique, ou polygonale avec au moins cinq côtés.
- Réseau d’antennes selon l’une des revendications 1 à 16, comportant une âme résultant de ladite fabrication additive et une couche de revêtement sur ladite âme.
- Procédé de fabrication d’un réseau d’antennes selon l’une des revendications précédentes, comportant une étape de fabrication additive, lesdites antennes élémentaires étant orientées avec leur axe longitudinal vertical lors de cette étape.
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