Brevet FR2598339A1 — publié le 19871113

La présente invention est relative à des antennes, et plus particulièrement à des antennes du type dit à réflecteur parabolique destinées à être utilisées à bord d'un satellite de télécommunications, et à un procédé de fabrication de ces antennes. Il est connu des techniciens en la matière que, dans le domaine des liaisons par satellite, on utilise plusieurs types d'antennes, notamment: - des antennes approximativement isotropes, qui ne nécessi10 tent aucune orientation particulière du satellite, mais qui gaspillent la puissance d'émission, - des dipôles, dont le diagramme de rayonnement présente un maximum dans le plan perpendiculaire à son axe, lequel plan doit être orienté vers la Terre en stabilisant le satellite 15 par une rotation autour d'un axe parallèle au dipôle, - des antennes-cornets à couverture globale, dont le diagramme de rayonnement coïncide avec un cône ayant un angle d'ouverture de 17 , mais qui doivent rester pointées vers la Terre, et - des antennes à réflecteurs paraboliques destinées à couvrir une zone limitée à un continent ou une région, voire même un pays, et dont le gain augmente en raison inverse de l'angle d'ouverture du faisceau. Or, parmi les antennes à réflecteurs paraboliques 25 on utilise les deux types suivants: les antennes (ou réflecteurs) à surface sensible à la polarisation et les antennes (ou réflecteurs) à surface sensible à la fréquence (notoirement connues selon la terminologie anglo-saxonne, comme "polarization-sensitive surfaces", PSS, et "frequency30 sensitive surfaces", FSS, respectivement: voir l'ouvrage ANTENNA ENGINEERING HANDBOOK de Johnson/Jasik-Mc Graw Hill). En ce qui concerne les réflecteurs sensibles à la polarisation, ceux-ci sont utilisés à bord des satellites de télécommunication pour pourvoir à la réutilisation de fréquence dans 35 la polarisation linéaire double. -2 La surface sensible à la polarisation des signaux est constituée d'une pluralité de réflecteurs linéaires parallèles, consistant en des bandes métalliques d'aluminium, cuivre ou autre, et définissant une grille g sur la surface 5 du réflecteur (on parle aussi de réflecteur à grille: cf. aussi la référence Rp dans le Figure la annexée à la présente description) , lesquels réflecteurs linéaires réfléchissent une polarisation et transmettent la polarisation perpendiculaire. 15 La structure de support de ladite grille est constituée par un noyau à nid d'abeille n compris entre deux feuilles de "Kevlar" Kv1 et Kv2 (cf. la Figure lb). En ce qui concerne les réflecteurs sensibles à la fréquence, ceux-ci sont utilisés pour permettre la génération simultanée de différents faisceaux dans plus d'une bande de fréquences à l'aide de la même antenne (autrement dit, ces réflecteurs transmettent les signaux d'une bande de fréquences et réfléchissent les signaux d'une autre bande de fréquences). La surface sensible à la fréquence des signaux (ou surface dichroïque) est constituée par une pluralité d'éléments résonnants séparés, mais disposés l'un à côté de l'autre et définissant à la surface du réflecteur une double grille (on parle de réflecteur à grille double) d'éléments 25 résonnants qui sont nécessaires pour réaliser la séparation de fréquences dont le rapport est compris entre 1,5/1 et 2/1. Différents types d'éléments sont utilisés, tels que les anneaux (cf. la Figure 2a), les dipôles croisés (cf. la Figure 2b), les boucles carrées (cf. la Figure 2c) , les 'croix 30 de Jérusalem" (cf. la Figure 2d) et les trip8les (non représentés, mais définis chacun par une étoile à trois rayons séparés de 120 l'un par rapport à l'autre). Les contraintes mécaniques et celles dues à l'environnement imposent que la double grille d'éléments résonnants soit noyée dans des 35 structures diélectriques stratifiées du type à nid d'abeille -3 en "Kevlar" (cf. la Figure 5). Or, la réalisation desdites surfaces sensibles à la polarisation et à la fréquence est très délicate. En fait: - en ce qui concerne l'espacement entre les axes des deux 5 bandes métalliques adjacentes d'un réflecteur PSS et la largeur de ces bandes, ces paramètres doivent être optimisés pour minimiser les pertes d'insertion et rendre maximum la suppression de la polarisation croisée: par exemple, pour la fréquence de 12GHz la largeur des bandes mé10 talliques et l'espacement entre les axes de deux bandes adjacentes sont de l'ordre de 0,1 mm et 0,25 mm, respectivement; en outre, l'épaisseur des bandes métalliques doit être maintenue à une valeur minimum pour réduire la distorsion thermique du réflecteur due aux coefficients de dila15 tation thermique différents de la structure de support stratifiée et de la grille, - en ce qui concerne le dimensionnement des éléments résonnants d'un réflecteur FSS (ou dichroique) celui-ci est critique pour l'optimisation du comportement électrique: par 20 exemple, il faut réaliser des éléments dont la largeur est d'environ 25 mm, ce qui est très délicat; de plus, également dans ce cas il faut rendre minimum l'épaisseur des éléments résonnants métalliques pour réduire la distorsion thermique. L'aspect critique du dimensionnement des réflecteurs dichro ques existe aussi en rapport avec une catégorie particulière de ce type de réflecteur, qui est représentée par les écrans thermiques transparents aux radiofréquences. Ces écrans sont destinés a réfléchir le rayonnement infra30 rouge et à filtrer autant que possible les rayons solaires pour limiter la montée en température. Ils sont constitués par un support diélectrique en "Kapton" revêtu d'aluminium du côté interne, le revêtement d'aluminium étant gravé suivant une configuration assurant une transparence efficace aux 35 radiofréquences. Or, pour que les pertes de transmission -4 soient très faibles, il est impératif que le support diélectrique et les éléments métalliques gravés dessus aient, respectivement, une épaisseur et des dimensions les plus faibles possibles: une valeur typique pour les éléments carrés (cf. 5 la Figure 3) est 90 pm pour le côté correspondant, avec environ 7 Mm entre deux éléments adjacents. En ce qui concerne les techniques de fabrication des réflecteurs PSS, on utilise les quatre procédés indiqués ci-après pour appliquer la grille métallique précitée sur la 10 feuille de "Kevlar" d'un réflecteur de ce type: - ler procédé: revêtement de la surface à l'aide d'un film qui fait office de masque et dans lequel la structure de la grille a été découpée préalablement, 15. dépôt sous vide d'un métal approprié à l'état de vapeur, élimination du masque pour laisser en place les bandes métallisées; - 2ème procédé: application d'une grilie métallique par procédé photo20 chimique sur les bandes de ruban adhésives en "Kapton"; dans ce cas, la disposition de ces bandes ainsi métallisées suivant des bandes parallèles sur une surface parabolique est obtenue en découpant le ruban en petites pièces qui sont ensuite collées ensemble; 25 - 3ème procédé: la grille susdite à disposer sur une surface parabolique est obtenue en développant cette dernière sur une feuille plane et en la découpant dans cette feuille: il y a lieu de remarquer que sur cette feuille lesdites bandes - qui 30 sont parallèles sur la surface parabolique - ne sont plus parallèles entre elles (cf. la Figure 4, ainsi que le Brevet US-4 001 836) . La grille ainsi développée est transférée par procédé photo-chimique sur un ruban adhésif réalisé en "Kapton". Ensuite, ce ruban adhésif est 35 collé par morceau sur la surface du réflecteur pour for- -5 mer la grille d'éléments parallèles typique des réflecteurs PSS; - 4ème procédé: incorporation de fils métalliques formant la grille vou5 lue dans une structure stratifiée. Toutefois, tous ces procédés présentent des temps d'exécution longs dus au respect des tolérances de fabrication, et ce du point de vue mécanique et électrique. En outre, le collage de la grille sous forme d'un ruban préfabri10 qué ajoute à ces problèmes celui de la stabilité des lignes de jonction dans un environnement aussi rude que l'environnement spatial et, par conséquent, ceux de l'augmentation des pertes d'insertion et de la dégradation des performances de l'antenne. Les inconvénients typiques des quatre procédés 15 susdits sont les suivants: - en ce qui concerne le 1er procédé, le découpage du masque limite la configuration que l'on peut donner à la grille, et en particulier l'optimisation de l'espacement entre les axes des bandes et la largeur de ces dernières qui est né20 cessaire pour permettre l'adaptation aux fréquences supérieures, - en ce qui concerne le 2ème et le 3ème procédé, le collage des bandes adjacentes sur une surface non plane est critique pour contenir les pertes chimiques à des faibles va25 leurs, ce qui impose l'emploi de moyens de contrôle optique de l'alignement qui sont très consommateurs en temps, - en ce qui concerne le 4ème procédé, celui-ci ne permet pas de satisfaire à l'exigence de bonnes performances électriques à cause des limites inférieures existant pour le dia30 mètre des fils métalliques et les paramètres dimensionnels de la grille. Quant à la technique de fabrication des réflecteurs FSS, il y a lieu de préciser que celle-ci consiste à disposer deux couches de "Kapton" Kp1 et KP2 - dans lesquelles des 35 dipÈles métalliques (dichroique) D ont été préalablement -6 noyés - entre des couches Kv en "Kevlar" et à nid d'abeille (cf. les Figures 5a et 5b). Toutefois, étant donné que le coefficient de dilatation thermique de couches métallisées diffère de beaucoup 5 par rapport à celui du substrat de "Kapton", on a besoin d'utiliser une couche d'adhésif relativement épaisse, ce qui ajoute aux problèmes de tolérances de fabrication rappelés plus haut le problème de stabilité de la structure composite. En outre, en ce qui concerne la fabrication desdits 10 écrans thermiques transparents aux radiofréquences, la réalisation des carrés métalliques, illustrés à la Figure 3, sur une feuille de "Kapton" Kp est actuellement obtenue par photo-gravure. Toutefois, les limitations inhérentes aux procédés 15 actuels de photo-gravure empêchent la réalisation en une seule pièce d'écrans thermiques de grandes dimensions, ee qui impose leur fabrication par assemblage d'éléments composants de petites dimensions et, par conséquent, une augmentation des temps et des coûts de fabrication. Le Brevet FR-2 152 671 décrit un procédé de production d'une couche de matière diélectrique chargée d'une matière électroconductrice, notamment pour habillage de radomes, dans lequel celle-ci est déposée sur la première sous forme d'une configuration appropriée définissant des zones 25 identiques de matière électroconductrice. Cette configuration est obtenue soit par gravure sélective d'une couche de matière électroconductrice appliquée sur la surface diélectrique soit par application sur cette dernière d'un écran présentant des ouvertures, dont le contours délimite une zone correspon30 dant aux dites zones électroconductrices, et par application de la matière électroconductrice à travers ces ouvertures. Toutefois, mis à part l'emploi d'un écran du type susdit, le procédé décrit dans le Brevet FR-2 152 671 n'a rien à voir avec le procédé selon l'invention. La présente invention a pour but de pourvoir à un -7 procédé de fabrication d'une antenne à réflecteur parabolique, en particulier du type comportant une surface sensible à la polarisation (PSS) ou à la fréquence (FSS), lequel procédé répond mieux aux nécessités de la pratique que les procédés 5 visant au même but antérieurement connus, notamment en ce que les tolérances de fabrication obtenues assurent des performances optimales pour les réflecteurs ainsi produits, et en ce que les temps d'exécution sont considérablement réduits. La présente invention a pour objet un procédé de 10 fabrication d'une antenne à réflecteur parabolique à grille, destinée a être utilisée à bord d'un satellite de télécommunication, du type comportant une surface sensible à la polarisation (PSS) ou à la fréquence (FSS) et portée par un support réalisé en un matériau isolant approprié, cette sur15 face étant définie par une grille métallique comportant des éléments de configuration appropriée, lequel procédé est caractérisé en ce qu'il comprend en combinaison les étapes suivantes: - nivelage ou égalisation des irrégularités de la surface 20 dudit support par application d'un moyen de nivellement approprié, tel qu'une laque ou un film polymère ou autre, métallisation totale de cette surface ainsi nivelée par dépôt de métal sous vide, - réalisation d'un masque ou écran de conformation présentant 25 des orifices correspondant aux éléments de la grille désirée, interposition de ce masque entre une source laser appropriée et une lentille de focalisation, - focalisation du faisceau laser émis par cette source sur la 30 surface métallisée du réflecteur en suivant les contours des orifices ménagés dans le masque, - exploration de la surface du réflecteur à l'aide du faisceau laser pour y découper ladite grille, - compensation des variations de distance entre la surface du 35 réflecteur parabolique et la source laser, et donc l'opti- -8 que de focalisation du faisceau laser émis par celle-ci, pendant l'exploration de cette surface. Outre les dispositions qui précèdent, l'invention comprend encore d'autres dispositions, qui ressortiront de la description qui va suivre. L'invention sera mieux comprise à l'aide du complément de description qui va suivre, qui se réfère aux dessins annexés dans lesquels: - les Figures 1 à 5 se réfèrent à l'Art antérieur, et en par10 ticulier: les Figures la et lb illustrent un réflecteur parabolique à surface sensible à la polarisaton (PSS), la Figure la étant une vue en plan tandis que la Figure lb est une vue en coupe, 15. les Figures 2a et 2d illustrent les différentes configurations des éléments définissant la surface d'un réflecteur parabolique sensible à la fréquence (FSS) ou réflecteur dichroique, la Figure 3 illustre la configuration des éléments défi20 nissant la surface d'un type particulier de réflecteur FSS, à savoir d'un écran thermique transparent aux radiofréquences, la Figure 4 illustre la surface d'un réflecteur PSS développé dans un plan, 25. les Figures 5a et 5b illustrent la structure d'un réflecteur FSS ou dichroique, et - la Figure 6 illustre, de façon schématique, le procédé de réalisation de la surface d'un réflecteur parabolique PSS ou FSS et en particulier d'un écran thermique. Il doit être bien entendu, toutefois, que ces dessins et les parties descriptives correspondantes, sont donnés uniquement à titre d'illustration de l'objet de l'invention, dont ils ne constituent en aucune manière une limitation. Les Figures 1 à 5 ont été décrites en rapport avec 35 la description de l'état de la technique, en sorte que la -9- description qui va suivre se limitera essentiellement à la Figure 6, qui sera utilisée pour décrire le procédé selon l'invention visant à réaliser les surfaces des antennes à réflecteurs paraboliques 1, PSS ou FSS, définies plus haut et 5 destinées à équiper les satellites de télécommunication.Les surfaces sensibles à la polarisation (PSS) ou à la fréquence (FSS) sont supportées par un support isolant constitué par une portion de paraboloYde dont la réalisation est connue des techniciens en la matière. En ce qui concerne la réalisation de surfaces PSS ou FSS, la Demanderesse propose l'application avantageuse d'un procédé capable d'apporter une solution aux problèmes présentés par les procédés existants et décrits précédemment, notamment en ce qui concerne les temps et les tolérances de 15 fabrication et donc les performances pratiques de ce type d'antenne. Le procédé conforme à l'invention comprend en combinaison les étapes suivantes: I étape Celle-ci concerne -la préparation préalable de la surface dudit support isolant en Kevlar du réflecteur 1. En fait, l'état de cette surface n'est pas rigoureusement lisse, ce qui demande l'application d'un agent de nivellement des irrégularités inévitables de la surface du support. A cet effet, 25 on peut avantageusement utiliser: soit une laque, par exemple "Tedlor 50AM20LH, "Drabit" 60125, "Cuvertin 001, etc.... soit une résine, soit un film polymère. Les tests de faisabilité ont démontré le caractère critique de cette étape, qui doit donc être effectuée très soigneusement. II étape La deuxième étape du procédé consiste à métalliser complète35 ment la surface dudit support isolant, égalisée pendant la -10 première étape. Cette métallisation est effectuée par dépôt sous vide de vapeur d'un métal approprié tel qu'aluminium ou cuivre. III étape Cette étape consiste à monter d'abord le réflecteur 1 sur un banc optique (non représenté à la Figure 6) et à préparer un masque 2 de conformation dans lequel sont reproduites des ouvertures dont le contours correspond à celui des éléments de la grille définissant la surface du réflecteur 1, PSS ou 10 FSS. On interpose ce masque entre une source laser appropriée 3 (par exemple choisie parmi des sources Argon ou Nd87ag ou encore CO2, qui génèrent des faisceaux lasers dont la longueur d'onde varie entre 0,5 et 10,6 M) et une lentille 4 de focalisation du faisceau laser généré par la 15 source 3. Ensuite, on focalise ce faisceau sur la surface du réflecteur 1 parabolique, en suivant les contours défins dans le masque 2 et en découpant ainsi au laser la surface métallisée du réflecteur 1. En agissant sur les dispositifs de focalisa20 tion du faisceau laser on peut régler l'épaisseur de ce faisceau et donc la largeur de coupe. En ce qui concerne la réalisation d'une grille PSS (cf. la Figure la), celle-ci est obtenue en explorant la surface du réflecteur par mouvements parallèles de l'équipement optique de ce réflecteur. Il va de soi que la réalisation d'une grille FSS selon l'une quelconque des configurations élémentaires de la Figure 2, diffère de la réalisation d'une grille PSS en ce qui concerne le masque; de même, l'emploi d'un masque correspondant à la configuration illustrée à la Figure 3 permet de 30 découper au laser la surface d'un écran thermique transparent aux radiofréquences. Dans chaque cas, la configuration des éléments ménagés dans le masque peut être réduite, au moyen de l'optique de focalisation, à l'échelle correspondant aux dimensions dé35 sirées. -11 En outre, il faut compenser les variations de la distance entre la source laser, et donc l'optique de focalisation, et la surface du réflecteur, qui ont lieu pendant l'exploration de cette surface (visant à découper sur cette 5 dernière la grille correspondant au type de réflecteur souhaité) à cause du profil parabolique du réflecteur. Il va de soi que l'optimisation de la profondeur de coupe au laser peut être obtenue en contrôlantles paramètres du laser, ainsi que la vitesse d'exploration de la surface du réflec10 teur. A titre indicatif, la largeur d'onde du laser devrait être choisie de manière à correspondre à 1/10 de la largeur de coupe désirée. A titre d'exemple non limitatif, il y a lieu de préciser que l'application du procédé selon l'invention, no15 tamment en ce qui concerne la réalisation des réflecteurs PSS, permet d'obtenir des bandes métalliques dont la largeur minima est de l'ordre de 50 Mm À 10%. Ci-après, on compare ce résultat avec les résultats obtenus en particulier par application des 1er et 2ème procé20 dés de l'Art antérieur évoqués dans la partie de cette description ayant trait à l'état de la technique; dans ces deux cas, la largeur minima d'une bande est respectivement de: - 0,4 mm i 10%, en ce qui concerne le 1er procédé, et - 0,1 mm i 10%, en ce qui concerne le 2ème procédé; toute25 fois, après collage sur la surface parabolique de support, les performances du réflecteur obtenu se dégradent à cause des imprécisions dans l'alignement relatif des bandes contiguës collées les unes à côtés des autres. En ce qui concerne le 3ème procédé de l'Art anté30 rieur, décrit à la suite des 1er et 2ème procédés précités, il y a lieu de remarquer que celui-ci donne lieu à une distorsion thermique très élevée et, donc, ne présente pas d'intérêt pratique réel. Il n'est pas possible d'établir aucune comparaison 35 avec le 4ème procédé de l'Art antérieur parce que la Demande- -12 ressse ne dispose pas de données comparatives à ce sujet. Cela étant, on peut souligner, toujours à titre d'exemple non limitatif, que l'espacement minimum qu'on peut réaliser entre deux bandes contiguës d'un réflecteur PSS, à l'aide du procé5 dé selon l'invention, est de 10 Mm 10% (cet espacement n'étant pas à confondre avec l'espacement entre les axes de deux bandes contiguës, dont la valeur minima - dans le cadre de la présente invention - peut être déduite à partir des deux valeurs minima précitées, relatives à un réflecteur PSS 10 selon l'invention). Le procédé de la présente invention permet donc d'obtenir des antennes, et plus particulièrement des antennes du type dit à réflecteur parabolique et notamment des réflecteurs PSS ou FSS, qui présentent des tolérances de fabrica15 tion et par conséquent des performances que - à la connaissance de la Demanderesse - l'on n'a jamais obtenues jusqu'à présent. Ainsi que cela ressort de ce qui précède, l'invention ne se limite nullement à ceux de ces modes de réalisa20 tion et d'application qui viennent d'être décrits de façon plus explicite; elle en embrasse, au contraire, toutes les variantes qui peuvent venir à l'esprit du technicien en la matière, sans s'écarter du cadre, ni de la portée, de la présente invention. -13 REVENDICATIONS 1. - Procédé de fabrication d'une antenne à réflecteur parabolique (à grille) destinée à être utilisée à bord d'un satellite de télécommunication, du type comportant une 5 surface sensible à la polarisation (PSS)ou à la fréquence (FSS) et portée par un support réalisé en un matériau isolant approprié, cette surface étant définie par une grille métallique comportant des éléments de configuration appropriée, lequel procédé est caractérisé en ce qu'il comprend en combi10 naison les étapes suivantes: - nivelage ou égalisation des irrégularités de la surface dudit support par application d'un moyen de nivellement approprié, tel qu'une laque ou un film polymère ou autre, - métallisation totale de cette surface ainsi nivelée par dé15 pÈt de métal sous vide, - réalisation d'un masque ou écran de conformation présentant des orifices correspondant aux éléments de la grille désirée, - interposition de ce masque entre une source laser appro20 priée et une lentille de focalisation, - focalisation du faisceau laser émis par cette source sur la surface métallique du réflecteur en suivant les contours des orifices ménagés dans le masque, exploration de la surface du réflecteur à l'aide du fais25 ceau laser pour y découper ladite grille, - compensation des variations de distance entre la surface du réflecteur parabolique et la source laser, et donc l'optique de focalisation du faisceau laser émis par celle-ci pendant l'exploration de cette surface. 2. - Antenne à réflecteur parabolique du type dit PSS, à savoir comportant une surface sensible à la polarisation, obtenue à l'aide du procédé selon la revendication 1. 3. - Antenne à réflecteur parabolique du type dit FSS, à savoir comportant une surface sensible à la fréquence, 35 obtenue à l'aide du procédé selon la revendication 1.