WO2010043652A1 - Structure deployable et systeme antennaire a membranes comprenant une telle structure - Google Patents
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Abstract
L'invention concerne une structure déployable comprenant : une pluralité de membranes (M) supportant au moins un élément imprimé ayant la fonction d'antenne; une pluralité de pantographes (20) destinée à déployer les membranes; caractérisée en ce qu'une membrane (M) est supportée par deux pantographes en regard, les pantographes étant identiques et disposés de part et d'autre de la membrane.
Description
STRUCTURE DEPLOYABLE ET SYSTEME ANTENNAIRE A MEMBRANES COMPRENANT UNE TELLE STRUCTURE
DOMAINE TECHNIQUE GENERAL L'invention concerne une structure déployable supportant au moins une membrane et plus particulièrement son utilisation dans un système antennaire dont les membranes constituent la structure rayonnante principale et notamment celles pouvant être embarquées sur un système satellite.
ETAT DE LA TECHNIQUE
Les structures déployables sont fréquemment utilisées sur les satellites afin de répondre aux contraintes d'encombrement sous coiffe lors du lancement. On entend par déployable une structure dont le volume stocké est inférieur au volume après déploiement.
On parle de structure dépliable lorsque le volume stocké est égal au volume en opération.
Les structures déployables sont particulièrement appropriées pour la conception mécanique d'antennes, dont l'aire projetée dans une direction donnée exprimée en longueurs d'ondes conditionne fortement les performances en rayonnement.
Ainsi lorsqu'une forte directivité est demandée ou lorsque la fréquence de fonctionnement est relativement basse, des antennes de grandes dimensions sont nécessaires.
Au delà de deux à trois mètres, les solutions dépliables ne peuvent généralement plus répondre aux contraintes d'aménagement sous coiffe.
Parmi les solutions d'antennes déployables connues, de nombreuses réalisations s'appuient sur des technologies membranes.
Associées à une structure porteuse et un système de déploiement, les antennes membranes présentent l'avantage d'être d'un encombrement faible lorsqu'elles sont en configuration de stockage.
Ces antennes présentent aussi en général un poids sensiblement inférieur à des antennes rigides de dimensions équivalentes.
Lorsqu'une antenne de grandes dimensions est nécessaire, plusieurs problèmes contraignant la conception doivent être considérés.
Tout d'abord, le volume de stockage doit être compatible avec des contraintes d'aménagement sous coiffe. En outre, la structure porteuse et le mécanisme de déploiement associé doivent assurer une rigidité suffisante afin d'obtenir un bon état de surface, cette dernière caractéristique ayant un impact direct sur les performances électromagnétiques de l'antenne.
Plus précisément, le gain de l'antenne est dégradé lorsque l'état de surface n'est pas conforme.
Des rayonnements non désirés (lobes secondaires, rayonnement arrière, polarisation croisée) peuvent également être accentués.
La non-conformité de l'état de surface peut être due à la précision de la structure porteuse en elle-même ou aux efforts mécaniques et vibrations subis.
En particulier, pour des antennes de grandes dimensions, des phénomènes de battement dans la direction orthogonale au plan de l'antenne peuvent affecter sensiblement l'état de surface.
De plus, lorsque plusieurs membranes sont nécessaires pour réaliser la fonction d'antenne (généralement, deux voire davantage de membranes parallèles), la précision du positionnement relatif est particulièrement importante pour assurer de bonnes performances en adaptation et rayonnement.
La qualité de l'état de surface et du positionnement relatif éventuel des membranes est généralement définie proportionnellement à la longueur d'onde.
Typiquement, une précision de l'ordre du vingtième de la longueur d'onde est nécessaire.
Le choix de la structure porteuse est donc particulièrement important pour ne pas conduire à un surdimensionnement mécanique, avec pour conséquence une masse et un encombrement accrus.
Ainsi, une antenne membrane déployable doit satisfaire à plusieurs contraintes : un faible encombrement en configuration de stockage, une grande taille en configuration déployée, une structure de maintien précise et qui plus est capable de supporter des efforts mécaniques, et une masse réduite par rapport à son équivalent en technologies rigides.
PRESENTATION DE L'INVENTION
L'invention concerne une structure déployable permettant d'obtenir une antenne membrane avec une ouverture rayonnante de grandes dimensions tout en conservant un volume de stockage faible.
La structure de l'invention offre une rigidité supplémentaire par rapport aux antennes déployables de type connu, notamment afin de minimiser les effets de battement selon la direction orthogonale au plan de l'antenne. En outre, la structure de l'invention permet d'assurer un bon état de surface des membranes déployées par l'ajout de barres transverses sur lesquels reposent la ou les membranes.
Ainsi, selon un premier aspect, l'invention concerne un structure déployable comprenant : une pluralité de membranes supportant au moins un élément imprimé ayant la fonction d'antenne ; une pluralité de pantographes destinée à déployer les membranes.
La structure de l'invention est caractérisée en ce que chaque membrane est supportée par deux pantographes en regard, identiques et disposés de part et d'autre de la membrane qu'ils supportent. Le déploiement de chaque membrane s'effectue dans une direction générale qui est à la verticale de la base de la structure et de manière plus
précise dans une direction qui correspond à celle donnée par la forme des pantographes mis en œuvre. Ainsi, la forme de la structure déployée est donnée par le profil des pantographes : droit, parabolique ou tel que la structure déployée ait une forme hexagonale ou trapézoïdale. En configuration déployée, une telle structure peut avoir une hauteur de deux mètres et plus en fonction des contraintes mécaniques, de poids et de planéités exigées propre à l'application ciblée, et plus particulièrement à la fréquence de fonctionnement.
Selon un second aspect, l'invention concerne un système antennaire comprenant une structure déployable selon le premier aspect de l'invention.
Selon un troisième aspect, l'invention concerne un système satellite comprenant au moins un système antennaire selon le second aspect de l'invention.
PRESENTATION DES FIGURES
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront encore de la description qui suit laquelle est purement illustrative et non limitative et doit être lue en regard des figures annexées sur lesquelles : - la figure 1 illustre schématiquement un satellite ;
- la figure 2 illustre une structure déployable selon l'invention utilisée dans un système antennaire de type réseau à rayonnement direct ;
- la figure 3 illustre une structure déployable selon l'invention utilisée dans un système antennaire de type réseau réflecteur ou transmetteur alimentée par un élément rayonnant en vis-à- vis ;
- la figure 4 illustre deux structure déployables selon l'invention utilisées dans un système antennaire de type réseau à rayonnement direct ;
- la figure 5 illustre une structure déployable selon l'invention utilisée dans un système antennaire comportant plusieurs réseaux réflecteurs ou transmetteurs selon un arrangement dit en palette avec un élément rayonnant en vis-à-vis par réseau ; - les figures 6a, 6b, 6c illustrent plusieurs configurations de membranes déployées avec différents profils pour les pantographes en regard ;
- la figure 7 illustre une vue de profil d'une structure déployable permettant une surface autre que plane ; - les figures 8a, 8b illustrent le principe de déploiement d'un pantographe mis en œuvre pour déployer la structure porteuse ;
- la figure 9 illustre un pantographe s'étendant selon une direction à profil parabolique ;
- les figures 10a, 10b, 10c illustrent différentes phases du déploiement de la structure porteuse.
DESCRIPTION DETAILLEE
La figure 1 illustre schématiquement un satellite 10 comprenant deux structures 11 déployables. En configuration de stockage, les structures déployables sont repliées sur la partie centrale 12 du satellite.
La figure 2 illustre une structure 11 déployée, comprenant deux membranes M, utilisée dans un système antennaire de type réseau à rayonnement direct.
Les composants imprimés R (à titre illustratif représentés ici tous identiques) sur chaque membrane M émettent directement l'énergie qui leur est transmise par le circuit d'alimentation approprié, usuellement également imprimé.
La structure déployée sur cet exemple a une forme parallélépipédique. Les pantographes 20 sont disposés de manière parallèle, de part et d'autre des membranes M à déployer.
Pour accroître la rigidité de la structure déployée, on peut disposer des barres 21 transversales pour relier les pantographes notamment aux extrémités de la structure. Grâce à ces barres transversales la tenue mécanique de la structure est garantie. Ces barres transversales 21 contribuent également à la planéité des membranes M.
L'ensemble de la structure porteuse, incluant pantographe 20 et barres transversales 21 , peut être réalisée avec des matériaux usuels en applications spatiales de type aluminium ou carbone. II est à noter que la structure offre naturellement une dimension contrôlable dans la direction orthogonale au plan principal de l'antenne.
Cette dimension est contrôlable en ce qu'elle dépend directement du dimensionnement du pantographe.
Cet aspect permet d'assurer un bon positionnement relatif des différentes membranes nécessaires.
Les membranes M permettent d'inclure toutes les fonctions radio- fréquences de type connues et nécessaires à l'utilisation de cette structure dans un système antennaire de type réseau à rayonnement direct, réseau réflecteur ou réseau transmetteur, encore appelé lentille. En particulier, une membrane M peut jouer le rôle de plan de masse, tandis qu'une autre comprend les éléments rayonnants.
Le plan de masse permet en particulier de minimiser le rayonnement arrière, habituellement non désiré pour des modes de fonctionnement de type réseau à rayonnement direct ou réseau réflecteur. Dans le cas d'un mode de fonctionnement de type lentille, les éléments imprimés ne nécessitent pas de plan de masse.
Le circuit d'alimentation ou des éléments rayonnants supplémentaires de type empilés peuvent éventuellement être imprimés sur une ou plusieurs membranes supplémentaires. L'intérêt d'imprimer le circuit d'alimentation sur une membrane séparée est de réduire le couplage avec les éléments rayonnants et ainsi
d'améliorer les performances globales de l'antenne, tandis que les structures rayonnantes de type empilées permettent usuellement d'élargir la bande de fréquences.
On entend par membrane un matériau souple de faible épaisseur relativement transparent radio-électriquement sur lequel il est possible de faire un dépôt de métallisation (du cuivre par exemple) afin de réaliser des motifs correspondant aux fonctions radio-fréquences mentionnées ci- dessus.
Le matériau utilisé pour la membrane peut être du Kapton. La figure 3 illustre une structure 11 déployée similaire à celle de la figure 2 utilisée dans un système antennaire de type réseau réflecteur ou lentille comprenant en outre une pluralité de motifs imprimés R disposés sur chaque membrane M et une source S disposée en regard.
L'énergie électromagnétique est rayonnée par la source S puis est réfléchie ou transmise par le réseau d'éléments imprimés.
L'intérêt des réseaux réflecteurs (en anglais, « reflect array ») et des réseaux transmetteurs ou lentilles (en anglais, « transmit array » ou « lens ») est de permettre des performances en rayonnement avec une surface plane comparables à celles d'une antenne réflecteur de forme parabolique connue pour focaliser l'énergie et donc assurer en théorie une directivité d'antenne maximale.
Les réseaux réflecteurs et les lentilles tels que décris ci-dessus sont avantageux en ce qu'une surface plane est généralement plus simple à réaliser qu'une surface formée pour une précision d'état de surface donnée.
Le réseau réflecteur ou transmetteur est constitué d'une pluralité de motifs élémentaires dont la forme modifie la phase du coefficient de réflexion ou transmission respectivement.
Pour assurer un fonctionnement optimal du réseau réflecteur ou transmetteur, la phase du coefficient de réflexion ou transmission respectivement doit compenser le décalage en phase induit par la
différence de chemins électriques entre une surface plane et la surface parabolique ayant son foyer au niveau de la source S.
Afin d'accroître la surface de rayonnement dans le cas d'une structure en rayonnement direct, il est possible de positionner deux structures 11 déployables de part et d'autre du centre 12 d'un satellite tel qu'illustré sur la figure 4.
La figure 5 illustre une structure déployable comprenant deux membranes M, chaque membrane comprend plusieurs réflecteurs Ri, R2, R3, R4 sont imprimés selon un agencement dit en palette. Chacune des sources Si, S2, S3, S4 est associée respectivement à un réflecteur R1, R2, R3, R4 et est pointée dans sa direction.
Les figures 6a, 6b, 6c illustrent différentes orientations possibles pour les deux pantographes permettant le déploiement de la structure.
La figure 6a permet d'obtenir une structure déployée en forme de parallélépipède déjà décrite ci-dessus.
Cet agencement présente l'avantage d'avoir des barres transversales rigides, par opposition aux autres orientations envisagées.
D'un point de vue électromagnétique, cette orientation permet des formes d'antennes fortement rectangulaires, permettant une directivité importante selon un axe uniquement. Ce mode de rayonnement est régulièrement employé dans les applications radars et radiomètres.
Le type d'antenne associé est usuellement un réseau à rayonnement direct, mais un mode de fonctionnement en réseau réflecteur ou transmetteur peut aussi être envisagé pour certaines applications spécifiques.
La figure 6b permet d'obtenir une structure déployée en forme d'hexagone.
Cette forme de structure est intéressante pour accroître la directivité de l'antenne tout en ayant une similitude géométrique entre les deux axes principaux définissant le plan de l'antenne. Cette dernière caractéristique permet des diagrammes en coupe de rayonnant en champ
lointain fortement similaires dans les deux plans orthogonaux principaux de l'antenne, propriété intéressante pour certaines applications comme en télécommunications par exemple.
Cette forme peut avoir un intérêt en mode de rayonnement direct ou indirect (réseau réflecteur ou lentille).
La figure 6c permet d'obtenir une structure déployée en forme de trapèze.
Cette forme de structure est intéressante pour une implantation d'antenne de type palette telle que décrite précédemment (voir figure 5). En effet, dans ce type de configuration, les réflecteurs ou lentilles les plus dépointés ont généralement besoin d'avoir un diamètre plus important afin de compenser certains phénomènes de pertes radio-fréquence (pertes par débordement ou rendement de surface dégradé).
Pour chacune de ces orientations, le déploiement s'effectue toujours dans une direction perpendiculaire à la base de la structure.
Pour les configurations illustrées sur les figures 6b et 6c la séquence de déploiement nécessite des barres transversales extensibles.
On préférera utiliser des technologies connues de barres extensibles avec point d'arrêt ou blocage en fin de déploiement afin d'assurer une meilleure rigidité de l'ensemble de la structure.
La figure 7 illustre une vue de côté d'une structure déployée avec des pantographes 20 à profil parabolique ou circulaire. De tels profils permettent d'améliorer les performances radio-fréquences de l'antenne en configuration réseau réflecteur. Plus précisément, ils permettent d'élargir la bande passante de l'antenne en réduisant les différences de chemin électrique entre la forme réelle de l'antenne et la parabole équivalente. De ce fait, le déphasage nécessaire au niveau des éléments rayonnants qui réfléchissent l'énergie électromagnétique émise par la source est moins important. Les figures 8a, 8b illustrent le déploiement d'un pantographe 20.
Un pantographe est constitué d'une pluralité de brins rigides 200, 201 agencés en ciseaux et tels qu'un resserrement de la base produit un allongement du pantographe.
Pour illustrer ce point, la figure 8a présente un pantographe 20 en configuration stockée, tandis que la figure 8b présente le même pantographe 20 en configuration déployée.
Le pantographe en question est dit régulier en ce que tous les brins le constituant possèdent la même longueur.
En définissant judicieusement les longueurs respectives de chaque brin, il est possible d'obtenir les profils parabolique ou circulaire mentionnés précédemment.
La figure 9 illustre un pantographe a profil parabolique.
De part sa nature, le pantographe présente une rigidité supérieure dans le plan le contenant. Il peut par contre être sujet à des phénomènes de battement dans la direction orthogonal au plan le contenant.
Pour cette raison, la structure proposée présente un bon agencement de ces pantographes assurant une meilleure tenue mécanique de l'ensemble.
En particulier, les pantographes minimisent les phénomènes de battement dans la direction orthogonale au plan contenant la ou les membranes, tandis que l'ensemble constitué de la disposition en regard et des barres transversales assure une bonne tenue mécanique dans le plan.
Pour une description géométrique détaillée des pantographes on peut se référer à A. Kaveh, A. Davaran, « Analysis of pantograph foldable structures », Août 1994.
Les figures 10a, 10b, 10c illustrent le déploiement de la structure porteuse complète, comprenant les deux pantographes 20 en regard et les barres transversales 21. La structure porteuse passe de l'état stocké à l'état totalement déployé.
Ce déploiement peut s'opérer de façon connue soit par un moteur en rotation associé à un mécanisme à base de fils dont l'enroulement produit une tension permettant d'allonger le pantographe soit par un moteur produisant un déplacement linéaire d'une des extrémités en base du pantographe.
Dans les deux cas, l'autre extrémité en base du pantographe est fixée à l'interface avec le satellite par une liaison pivot.
En fonction des contraintes de planéité, liées directement à la fréquence de fonctionnement de l'antenne, différents modes de fixation des membranes peuvent être envisagés.
Les membranes M peuvent par exemple être attachées aux pantographes 20 via des systèmes de mise en tension. Elles peuvent également être attachées au niveau des barres transversales.
En fonction du mode de fixation retenue, la membrane en position de stockage peut soit être laissée libre - elle se replie alors en suivant la structure porteuse - soit être enroulée autour d'une structure adéquat en base du pantographe.
Dans cette dernière configuration, les points de fixation de la membrane seraient limités. Mais en contrepartie, le stockage en rouleau évite l'apparition de plis sur la membrane pouvant dégrader l'état de surface pour des fonctionnements à plus hautes fréquences.
Dans le cas où la membrane est juste repliée, un système de mise en tension est nécessaire pour assurer la planéité des membranes et la disparition des plis précédemment mentionnés.
Claims
1. Structure déployable comprenant :
- une pluralité de membranes (M) supportant au moins un élément imprimé ayant la fonction d'antenne ;
- une pluralité de pantographes (20) destinée à déployer les membranes ; caractérisée en ce que chaque membrane (M) est supportée par deux pantographes en regard, identiques et disposés de part et d'autre de la membrane (M) qu'ils supportent.
2. Structure selon la revendication 1 , caractérisée en ce que les pantographes sont réguliers de sorte que la structure se déploie dans une direction (D) perpendiculaire à la base (B) de la structure.
3. Structure selon l'une des revendications 1 à 2, caractérisée en ce que les pantographes sont parallèles de sorte que la structure déployée forme un parallélépipède.
4. Structure selon l'une des revendications 1 à 2, caractérisée en ce que les pantographes sont configurés de sorte que la structure déployée forme un trapèze.
5. Structure selon l'une des revendications 1 à 2, caractérisée en ce que les pantographes sont configurés de sorte que la structure déployée forme un hexagone.
6. Structure selon la revendication 1 , caractérisée en ce que les pantographes ont un profil parabolique ou circulaire.
7. Structure selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que les pantographes sont reliés par au moins une barre transversale destinée à assurer la rigidité de la structure déployée.
8. Système antennaire à membranes, caractérisé en ce qu'il comprend au moins une structure déployable selon l'une des revendications précédentes.
9. Système antennaire selon la revendication précédente caractérisé en ce que son mode de fonctionnement est choisi parmi le groupe suivant : de type réseau à rayonnement direct, réseau réflecteur ou lentille.
10. Système satellitaire comprenant au moins un système antennaire à membranes selon la revendication précédente.
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| 121 | Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application |
Ref document number: 09736214 Country of ref document: EP Kind code of ref document: A1 |
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| NENP | Non-entry into the national phase |
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| WWE | Wipo information: entry into national phase |
Ref document number: 2009736214 Country of ref document: EP |