Brevet FR2751473A1 — publié le 19980123

STRUCTURE D'ANTENNE A MODULES ACTIFS L'invention se rapporte à une structure d'antenne à balayage électronique à modules actifs, et concerne plus particulièrement les moyens de montage, de maintien et de refroidissement de tels modules. Une antenne à balayage électronique comporte un assemblage de modules actifs agencés côte-à-côte de sorte que toutes les faces de sortie desdits modules soient regroupées au voisinage d'une surface d'émission. Les faces de sortie comportent des moyens de raccordement à des éléments rayonnants élémentaires, placés devant les modules et occupant ladite surface d'émission. Cette dernière est par exemple approximativement circulaire. Chaque module actif comporte un circuit d'émission et/ou de réception et, en général, le circuit de commande de ce dernier. L'un des rôles de la structure de ce type d'antennes est de conditionner thermiquement les modules actifs, c'est-à-dire d'en contrôler la température externe (température de boîtier) dans leurs différents régimes thermiques. En effet, la génération du signal de puissance hyperfréquence, la réception du signal, ainsi que d'autres fonctions dissipatrices, sont effectuées au niveau de ces organes, nombreux et dispersés sur l'envergure de l'antenne. La dissipation thermique des modules actifs est fonction de leur régime de fonctionnement. La structure évacue donc une dissipation répartie, pouvant représenter au total plusieurs kilowatts ou dizaines de kilowatts dans le cas d'un radar, et variable dans le temps. Il s'avère donc nécessaire de refroidir tous les modules actifs. Par ailleurs, les contraintes de rayonnement imposent la forme et les dimensions des éléments rayonnants élémentaires et, par voie de conséquence, celles de la face de sortie de chaque module actif. Une première technique connue consiste à refroidir chaque module actif par circulation directe d'un liquide de refroidissement à l'intérieur même du module. Cette technique conduit à prévoir un circuit interne de passage du liquide dans le module. Si le module doit être interchangeable, la connectique hydraulique devient un problème délicat. De plus, I'association, sur un même module, de la fonction électrique et de la fonction thermique est génératrice de contraintes de conception. Cette solution est néanmoins utilisée pour de faibles nombres de modules. Elle reste relativement onéreuse et contraignante. Une seconde solution pour évacuer par l'extérieur la puissance thermique élevée dissipée par les modules actifs, consiste à faire circuler un liquide caloporteur dans la structure mécanique de l'antenne elle-même, et assurer le contact thermique entre le boîtier du module et cette structure. Cette technique est bien adaptée aux ordres de grandeur de puissance à évacuer. La disposition dite de "bouilleur" ou "chaudière" illustrée par la figure 1 utilise cette technique: l'antenne est ici constituée d'une enceinte étanche 1 comportant une pluralité de tubes creux 2 dans lesquels viennent s'enficher des modules actifs cylindriques 3. Un liquide de refroidissement pénètre dans l'enceinte étanche 1 par un tube d'entrée 10 et vient baigner extérieurement les tubes 2. Le liquide échauffé ressort alors de l'enceinte étanche 1 par un tube de sortie 11, vers un circuit de refroidissement (non représenté). Le principal inconvénient de cette disposition réside dans la difficulté à assurer un bon contact thermique entre les modules et les tubes, ces derniers étant, de par leur forme, indéformables. Pour s'affranchir de l'inconvénient précédent, la Demanderesse a déjà proposé une structure d'antennes telle que représentée sur les figures 2a et 2b: D'après la figure 2a, I'antenne proposée, ici à ouverture circulaire, comporte une pluralité de poutres 4 disposées parallèlement sur l'ouverture de l'antenne, et maintenues à celle-ci par deux supports 40, 41 se faisant face, symétriquement de part et d'autre d'une embase annulaire 42 de l'antenne. Les poutres 4 sont plates et creuses, et traversées d'une extrémité à l'autre par un fluide de refroidissement par l'intermédiaire de canaux pratiqués dans les supports 40, 41 et communiquant avec l'espace interne des poutres 4. Deux cavités non représentées sont en communication avec deux branches 46, 47 d'un circuit de refroidissement et permettent la circulation du fluide dans les poutres 4 par l'intermédiaire de trous 44 pratiqués dans l'embase 42. Les parois des poutres 4 sont en outre flexibles, de sorte qu'elles se gonflent lors du passage d'un fluide sous pression. Une telle structure assure ainsi à la fois le maintien et le refroidissement des modules actifs. En effet, comme représenté sur la figure 2b, les modules actifs sont disposés en lignes entre les poutres parallèles 4. Le boîtier 50, par exemple de forme parallélépipédique, de chaque module 5 est constitué de parois supérieures et inférieures sensiblement planes et rigides 51, 52 thermiquement conductrices, et directement appliquées contre au moins une poutre 4. Le contact thermique nécessaire entre le module actif et le liquide est assuré par appui des parois de la poutre 4 sur les parois 51, 52 du boîtier, grâce à la déformation des parois flexibles de la poutre 4 sous la pression statique du liquide. Sur la figure 2b, le fluide entre simultanément dans les poutres 4 par l'entrée schématisée à droite, et ressort par la sortie o schématisée à gauche. La structure précédente assure à la fois le maintien et le positionnement précis des modules dans une large gamme de vibrations et de chocs, et un excellent contact thermique par déformation des tubes caloporteurs (ou poutres) que la pression du fluide applique sur la paroi du module. Les modules actifs peuvent être extraits aisément après équilibrage de la pression avec la pression atmosphérique. De plus, la réalisation de cette structure est simple et fiable et son prix de revient réduit, grâce à des technologies largement répandues, chaque poutre étant un cylindre aplati obtenu par exemple par extrusion. Par ailleurs, cette structure garantit un fonctionnement de longue durée car les faibles déformations des poutres n'entraînent pas de fatigue du métal. En outre, l'équilibrage thermique de ligne à ligne, optimisant l'utilisation du fluide, est aisé, du fait de la simplicité des trajets. Cependant, la structure précédente peut présenter l'inconvénient suivant: Les modules d'une même ligne (c'est-à-dire entre deux poutres parallèles) étant thermiquement en série, le fluide en contact avec un module donné a déjà été échauffé par les modules précédents. Il apparaît un gradient de température le long des lignes. Ce phénomène, inhérent à la disposition des modules, ne nuit pas à leur bon fonctionnement dans la mesure o la température maximale en bout de ligne ne dépasse pas le maximum admis pour le module. Mais, dans certaines applications pour lesquelles les densités de puissance en jeu sont très importantes, I'existence de ce gradient de température systématique d'un bord à l'autre de l'antenne peut entraîner d'une part, un risque de pannes supérieur à l'extrémité chaude de l'antenne avec, à terme, une répartition déterministe des modules en panne, et, d'autre part, une réduction de la précision du contrôle de la fonction de transfert des modules en amplitude et en phase du fait de la sensibilité des composants actifs à la température. Cela peut être par exemple à l'origine de déviations parasites de l'axe du faisceau, difficiles à corriger. L'objectif de la présente invention est de pallier l'inconvénient précédent en proposant une amélioration de la structure précédente susceptible d'apporter le complément de performance de refroidissement recherché. Plus précisément, la présente invention concerne une structure d'antenne à modules actifs du type incluant une pluralité de modules actifs contenus dans des boîtiers possédant une paroi supérieure et une paroi inférieure sensiblement planes, les modules étant agencés sensiblement parallèlement entre eux et à un axe perpendiculaire au plan de l'antenne, et s15 disposés en lignes selon ledit plan de l'antenne entre des poutres parallèles, quasiment plates, creuses et traversées par un fluide de refroidissement sous pression, les poutres possédant des parois suffisamment flexibles pour être déformées sous la pression du fluide et venir en contact avec les parois supérieure et inférieure des boîtiers, assurant ainsi simultanément le maintien et le refroidissement des modules, la structure étant caractérisée en ce que chaque poutre comporte: - un canal d'arrivée du fluide, thermiquement isolé des modules; - un canal de sortie du fluide, thermiquement isolé des modules; et - une pluralité de canaux transversaux par rapport à l'axe longitudinal des poutres, séparés entre eux par une cloison de séparation et s'étendant le long des boîtiers des modules en reliant chacun le canal d'arrivée au canal de sortie; de sorte que les modules d'une même ligne sont refroidis en parallèle par le passage du fluide dans les canaux transversaux. Le principe de fonctionnement de la structure d'antenne selon l'invention sera mieux compris au vu de la description suivante, faite en référence aux figures annexées: - La figure 1 illustre une structure du type "bouilleur" de l'art antérieur; - Les figures 2a et 2b illustrent une structure d'antenne à poutres flexibles déjà proposée par la Demanderesse; - La figure 3a illustre une première réalisation possible d'une poutre flexible dans une structure d'antenne selon l'invention; - La figure 3b illustre une seconde réalisation possible d'une poutre flexible dans une structure d'antenne selon l'invention. Les figures 1, 2a et 2b ont déjà été décrites dans l'introduction de la présente demande. La disposition en lignes des modules actifs 5 telle que décrite précédemment, en référence aux figures 2a et 2b n'est pas elle-même à remettre en cause. Elle permet en effet de disposer avantageusement de io l'épaisseur des poutres comme degré de liberté, ce qui permet le maintien et le bon contact thermique par expansion suivant ce degré de liberté, lorsque la pression du fluide est établie, et la libération des modules après contraction, lorsque la pression du fluide est équilibrée avec la pression atmosphérique. En outre, elle autorise au besoin de grouper les modules actifs en blocs mécaniques, et de mettre ainsi en commun des boîtiers, des circuits de commande, des connecteurs, etc... La disposition nouvelle selon l'invention consiste à mettre les modules d'une même ligne thermiquement en parallèle. Une première réalisation possible d'une poutre flexible dans une structure d'antenne selon l'invention est représentée sur la figure 3a: Comme pour la structure de l'art antérieur, les poutres 6 telles que représentées sur la figure 3a sont disposées parallèlement au plan de l'antenne. Elles sont parallèles entre elles, et alimentées par leurs extrémités à partir de la structure porteuse munie de canaux d'amenée et de retour du fluide caloporteur (non visibles sur la figure 3a). Selon l'invention, chaque poutre 6 comporte un canal d'arrivée 60 du fluide et un canal de sortie 61 du fluide, reliés respectivement aux canaux d'amenée et de retour de la structure porteuse. Les canaux d'arrivée 60 et de sortie 61 sont thermiquement isolés des modules. Ils sont placés de préférence sensiblement parallèlement au plan de l'antenne. Chaque poutre 6 selon l'invention comporte en outre une pluralité de canaux 62, transversaux par rapport à l'axe longitudinal des poutres 6, séparés entre eux par une cloison de séparation 63, et reliant chacun le canal d'arrivée 60 au canal de sortie 61. Chaque canal transversal 62 s'étend le long des boîtiers 50 des modules actifs 5 de façon à être en contact thermique avec les parois inférieure 52 ou supérieure 51 de ces derniers. De manière préférentielle, il y a autant ou davantage de canaux transversaux 62 que de modules actifs 5 à refroidir dans une ligne. Le fluide de refroidissement, amené sous une pression convenable par le canal d'arrivée 60, circule le long des canaux transversaux 62 de façon quasiment équilibrée, avec un débit suffisant pour pouvoir refroidir parallèlement tous les modules de la ligne. Le sens de circulation du fluide peut être a priori quelconque. Dans l'exemple montré sur les figures, le fluide circule de l'arrière de l'antenne vers l'avant de celle-ci. On choisit préférentiellement de mettre si possible les éléments de modules les plus sensibles à la température du côté du canal d'entrée 60, et les éléments les plus dissipatifs près du canal de sortie 61. Comme le canal d'entrée 60 est isolé thermiquement des modules 5, le fluide à l'entrée des canaux transversaux 62 n'est pratiquement pas échauffé. Par contre, le passage du fluide dans les canaux transversaux permet de gonfler les parois de ces canaux, et d'assurer ainsi un bon contact thermique avec les modules. Le fluide s'échauffe donc à la traversée des canaux transversaux 62, jusqu'à atteindre sa température maximale, correspondant au plein échange thermique, à la sortie de ces canaux. Dans le cas de la figure 3a, les canaux transversaux 62 sont perpendiculaires aux canaux d'entrée 60 et de sortie 61. La section des canaux 60, 61 et 62 est aplatie. Pour assurer un refroidissement quasi-simultané des différents modules actifs 5, cette disposition des canaux présuppose que les pertes de charges le long des canaux 60 et 61 sont faibles. Pour des pertes de charges plus élevées du fluide dans le canal d'entrée 60 et le canal de sortie 61, on préférera la configuration des canaux illustrée sur la figure 3b. Dans cette configuration, le trajet suivi par le fluide dans les canaux d'entrée 60 et de sortie 61 n'est pas perpendiculaire à celui suivi par le fluide dans les canaux transversaux 62, comme dans le cas de la figure 3a. Cela est dû à la modulation de la section des canaux 60 et 61 sur leur longueur. La section décroissante sur les canaux d'entrée 60 et de sortie 61 permet au fluide d'arriver avec un débit suffisant au niveau des modules situés en fin de ligne. Une autre solution pour réguler le débit du fluide consiste à donner aux canaux 60 et 61 une section importante, et à réaliser l'équilibrage des débits du fluide en donnant des sections adaptées aux canaux transversaux 62. Il existe différentes réalisations technologiques possibles de poutres flexibles 6 selon l'invention. Une première technique consiste par exemple à assembler par soudage deux demi-coquilles en matériau déformable conducteur thermique, embouties en forme. La mise en forme peut également être effectuée, après soudage de deux feuilles de ce matériau, par mise sous pression interne dans un moule. Une seconde technique consiste à réaliser, par tout procédé, un profilé avec le matériau adéquat, le profilé étant muni intérieurement d'un dispositif d'orientation de flux. Le dispositif d'orientation de flux est par exemple réalisé à l'aide d'une lame ondulée dont les ondulations maxima et minima sont en contact avec les parois supérieures et inférieures du profilé. Dans un autre mode de réalisation possible, le dispositif d'orientation du flux est réalisé à l'aide d'une pluralité de tuyaux accolés fixés aux parois supérieure et inférieure du profilé, ou liés entre eux par un mastic souple. Bien entendu, les exemples de réalisations donnés ci-dessus ne sont aucunement limitatifs, le dispositif d'orientation de flux pouvant être réalisé par tout dispositif définissant des canaux transversaux et laissant aux parois supérieures et inférieures du profilé une possibilité d'expansion. Le matériau utilisé sera avantageusement un alliage métallique bon conducteur thermique et facile à assembler et à mettre en forme (alliage d'aluminium, bronze au béryllium, inox...). Le fluide utilisé peut être tous types de fluide caloporteur, liquide ou gazeux (eau glycolée, coolanol...). La structure d'antenne à modules actifs selon l'invention, telle qu'elle vient d'être présentée, possède de nombreux avantages: Elle permet tout d'abord un excellent maintien des modules, même en conditions vibratoires et de chocs. Le positionnement des modules est précis et reproductible, même après extraction et remise en place de ces modules lors de la maintenance. Le contact thermique entre les canaux transversaux des poutres et les boîtiers des modules est très bon, même sous de faibles pressions. En outre, de par la mise en parallèle thermique des modules d'une même ligne, il n'existe pratiquement plus de gradient thermique le long d'une ligne, ce qui minimise les conséquences d'une asymétrie au niveau de la fiabilité des composants et des erreurs de pointage du faisceau. Par ailleurs, du fait de l'adjonction des canaux transversaux internes, la nouvelle structure de poutre possède une surface d'échanges thermiques plus importante. Il est par conséquent possible, soit de baisser la température io moyenne de l'antenne, et améliorer par là-même sa fiabilité, soit de réduire le débit du fluide à température constante. On peut enfin ajuster finement la température de chaque module en ajustant le flux transversal à son niveau. Les applications industrielles d'une telle structure d'antenne selon l'invention sont nombreuses puisqu'elles concernent tous les types d'antennes dont les éléments dissipatifs sont dispersés sur une structure à une ou deux dimensions (antennes réseaux linéaires, antennes réseaux plans). Les antennes visées pourront appartenir à des systèmes embarqués ou non de radars, de contre-mesures électroniques, d'anticollision, de cartographie, que ce soit dans les domaines civils ou militaires. Une extension de domaine d'application à tous types de matériels comportant des éléments dissipatifs répartis sur une surface ou dans un volume, est possible. REVENDICATIONS 1. Structure d'antenne à modules actifs du type incluant une pluralité de modules actifs (5) contenus dans des boîtiers (50) possédant une paroi supérieure (51) et une paroi inférieure (52) sensiblement planes, les modules étant agencés sensiblement parallèlement entre eux et à un axe perpendiculaire au plan de l'antenne, et disposés en lignes selon ledit plan de l'antenne entre des poutres parallèles (6), quasiment plates, creuses et io traversées par un fluide de refroidissement sous pression, les poutres (6) possédant des parois suffisamment flexibles pour être déformées sous la pression du fluide et venir en contact avec les parois supérieure (51) et inférieure (52) des boîtiers (50), assurant ainsi simultanément le maintien et le refroidissement des modules (5), la structure étant caractérisée en ce que Us chaque poutre (6) comporte: - un canal d'arrivée (60) du fluide, thermiquement isolé des modules; - un canal de sortie (61) du fluide, thermiquement isolé des modules; et - une pluralité de canaux transversaux (62) par rapport à l'axe longitudinal des poutres, séparés entre eux par une cloison de séparation (63) et s'étendant le long des boîtiers des modules (5) en reliant chacun le canal d'arrivée (60) au canal de sortie (61); de sorte que les modules (5) d'une même ligne sont refroidis en parallèle par le passage du fluide dans les canaux transversaux (62). 2. Structure d'antenne à modules actifs (5) selon la revendication 1, caractérisée en ce que la circulation de fluide dans le canal d'arrivée (60) et le canal de sortie (61) s'effectue sensiblement parallèlement à l'axe longitudinal des poutres (6). 3. Structure d'antenne à modules actifs (5) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que le canal d'arrivée (60) et le canal de sortie (61) s'étendent le long du plan de l'antenne respectivement à l'arrière et à l'avant de l'antenne. 4. Structure d'antenne à modules actifs (5) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que le canal d'arrivée (60) et le canal de sortie (61) possèdent une section interne qui va respectivement en décroissant et en croissant le long du plan de l'antenne, de sorte que, pour des vitesses de fluide de refroidissement faibles, les modules soient sensiblement refroidis en même temps quelle que soit leur position dans la ligne. 5. Structure d'antenne à modules actifs (5) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que chaque poutre (6) est réalisée par assemblage de deux demi-coquilles en forme. 6. Structure d'antenne à modules actifs (5) selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que chaque poutre (6) est un o10 profilé muni intérieurement d'un dispositif d'orientation de flux. 7. Structure d'antenne à modules actifs (5) selon la revendication 6, caractérisée en ce que le dispositif d'orientation de flux est une lame ondulée. 8. Structure d'antenne à modules actifs (5) selon la revendication 6, caractérisée en ce que le dispositif d'orientation de flux est constitué d'une pluralité de tubes accolés réalisant les canaux transversaux.