Brevet FR2787244A1 — publié le 20000616

TITRE: RÉFLECTEUR D'ONDES ÉLECTROMAGNÉTIQUES POUR ANTENNE DE TÉLÉCOMMUNICATION L'invention est relative à un réflecteur d'ondes électromagnétiques et à son procédé de fabrication. Elle concerne plus particulièrement un réflecteur utilisable dans des condi- tions variables de température, notamment dans un environnement spatial. Un réflecteur d'ondes électromagnétiques assure une fonction analogue à celle d'un miroir optique, c'est-à-dire que les ondes reçues selon une certaine direc- tion doivent être réfléchies selon une autre direction bien déterminée. Ces réflec- teurs exigent que la direction réfléchie soit définie avec précision, ce qui implique, lors de la fabrication, de faibles tolérances sur la forme du réflecteur et, lors de l'utili- sation, une grande stabilité de forme, notamment quand la température varie. Un réflecteur d'ondes électromagnétiques pour applications spatiales com- porte, le plus souvent, une âme ou espaceur comprenant une structure de type nid d'abeille et, de chaque côté de cette âme, des peaux mécaniquement porteuses constituées par des fibres de carbone imprégnées de résine époxyde ou de résine cyanate ester. Ces laminés composites à base de fibres de carbone et de résine ont une très grande stabilité en température et peuvent être utilisés directement comme sur- faces réfléchissantes. Mais aux fréquences élevées, en général supérieures à 30 GHz, ils engendrent des pertes importantes, supérieures à 0,2 dB. C'est pourquoi, à ces fréquences élevées la surface réfléchissante est habituellement recouverte par un dépôt métallique permettant d'abaisser les pertes. L'invention résulte de la constatation que ce dépôt métallique altère la forme du réflecteur, notamment sa courbure, et, qu'en particulier, il induit une varia- tion de forme provoquée par un effet de bilame, tant lors de la fabrication qu'en cours d'utilisation, notamment dans l'espace o les variations de température sont importantes. En effet, on sait qu'un matériau formé par la superposition de deux couches en matières différentes ayant des coefficients de dilatation thermique différents pré- sente une courbure qui varie quand la température varie. Cet effet bilame peut être particulièrement gênant pour des applications spatiales dans lesquelles, comme indiqué ci-dessus, les températures varient de façon importante. Par exemple, pour des satellites mobiles en orbite basse (ou moyenne), la température peut varier entre -60 C et + 60 C environ. Pour un satellite géostationnaire la température peut varier entre -180 C (en cas d'éclipse de soleil) et +150"C. En outre, la fabrication du réflecteur s'effectue à une température qui dépend de la cinétique de polymérisation de la résine. Cette température est par exemple voisine de 175 C. Ainsi, même en l'absence de variation de température lors de l'utilisation, il est difficile d'obtenir la courbure désirée en raison de l'effet de bilame résultant de la différence entre les températures de fabrication et d'utilisation. L'invention permet de réduire, de façon importante, les variations de cour- bure du réflecteur en cas d'utilisation de ce dernier à des températures variables, et/ou de modifier la courbure d'un réflecteur. A cet effet, le réflecteur selon l'invention est caractérisé en ce que sa zone arrière - de préférence sa face arrière- comporte une couche supplémentaire, avan- tageusement métallique, qui, avec le laminé, forme un autre bilame s'opposant à l'effet du bilame constitué par le substrat et la couche métallique sur la face active et/ou permettant de conférer une courbure déterminée au réflecteur. On a constaté qu'avec cette disposition on pouvait améliorer de façon signi- ficative la qualité de la forme du réflecteur sans augmentation du coût. La présente invention prévoit un réflecteur d'ondes électromagnétiques pour antenne de télécommunication, notamment pour une antenne embarquée à bord d'un satellite comprenant un substrat recouvert d'une couche métallique réflec- trice sur sa face avant, cette couche réflectrice présentant un coefficient de dilata- tion thermique différent du coefficient de dilatation thermique du substrat. Ce réflec- teur comporte, dans sa zone arrière, une autre couche présentant un coefficient de dilatation thermique différent de celui du substrat. Selon un mode de réalisation, la couche de la zone arrière compense les variations, en fonction de la température, de la forme du réflecteur qui résultent des valeurs différentes des coefficients de dilatation du substrat et de la couche avant. Selon un mode de réalisation, la couche de la zone arrière modifie, à une température déterminée, la courbure présentée par le réflecteur en l'absence de cette couche. Selon un mode de réalisation, la couche de la zone arrière est déposée sur la face arrière du substrat. Selon un mode de réalisation, la couche de la zone arrière est métallique. Selon un mode de réalisation, la couche de la zone arrière est en un métal de même nature que celui constituant la couche réflectrice de la face avant. Selon un mode de réalisation, le couplage membrane/flexion de l'assem- blage des couches du substrat avec la couche réflectrice et la couche de la zone arrière est minimisé. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront avec la description de certains de ses modes de réalisation, celle-ci étant effectuée en se référant aux dessins ci-annexés sur lesquels la figure 1 est une vue en coupe partielle d'un réflecteur conforme à l'inven- tion, la figure 2 est un schéma servant à expliquer comment est définie la qualité de forme d'une surface, et les figures 3 et 4 sont des diagrammes montrant certains effets et certaines propriétés du réflecteur conforme à l'invention. Le réflecteur représenté sur la figure 1 est destiné à être intégré dans une antenne de télécommunication embarquée à bord d'un satellite afin de réfléchir des ondes en bande Ka de 20 GHz à 44 GHz, voire à des fréquences supérieures, jusqu'à 80 GHz ou plus. Ce réflecteur comporte, de façon classique, une âme 10 en forme de nid d'abeille aluminium ou aramide, rigidifiée sur chacun de ses côtés par des laminés en fibres de carbone imprégnées de résine époxyde. Dans cet exemple, on prévoit, de chaque côté de l'âme 10, un empilage 12, 14 de quatre couches élémentaires carbone/époxyde, chaque couche élémentaire étant unidirectionnelle. Dans chacun des laminés d'un même empilement, les fibres de carbone ont des directions diffé- rentes. Par exemple, les fibres du pli le plus extérieur ont une première orientation, dite de référence à 0 , le pli immédiatement inférieur présente des fibres orientées à -45 par rapport à la direction des fibres du premier pli, le troisième pli présente des fibres orientées à +45 par rapport aux fibres du premier pli et les fibres du qua- trième pli, les plus proches de l'âme 10, sont orientées à 90 par rapport aux fibres du premier pli. Le laminé arrière 14 du sandwich présente des couches élémen- taires ou plis dont les fibres ont les mêmes orientations relatives, le pli le plus exté- rieur ayant des fibres orientées parallèlement à celles du pli le plus extérieur du laminé avant 12. Sur la surface extérieure du laminé avant 12, est déposée une couche d'aluminium 16, cette couche d'aluminium étant par exemple déposée en phase vapeur. Elle permet de réfléchir les ondes électromagnétiques avec un minimum de pertes radioélectriques. - TI Selon l'invention, sur la face arrière du réflecteur on dépose une autre couche 18, par exemple métallique, et dans le même matériau, c'est-à- dire l'alumi- nium, que la couche 16 de la face active. Cette couche 18 a pour but de compenser l'effet de bilame résultant des différences de coefficients de dilatation entre, d'une part, la couche métallique 16 et, d'autre part, I'ensemble, ou sandwich, formé de l'âme 10 et des laminés 12 et 14 dont le coefficient de dilatation thermique est très faible. L'effet de bilame se traduit par le fait que, lorsque la température du réflecteur varie, sa courbure se modifie, ce qui altère la précision de forme. Autrement dit, la couche 18 forme avec le sandwich 10, 12, 14 un autre bilame contrecarrant les effets du premier bilame. Par ailleurs, si, à une température déterminée, la courbure du réflecteur dépourvu de la couche 18 ne correspond pas exactement à la courbure souhaitée, le dépôt de la couche 18 peut permettre de modifier cette courbure à cette tempéra- ture déterminée. Cette modification de courbure dépend de la température à laquelle le dépôt de la couche métallique est effectué et de l'épaisseur de ce dépôt. On a constaté qu'avec le réflecteur selon l'invention, si son diamètre est de l'ordre du mètre, on peut obtenir une erreur de RMS sur une forme de l'ordre de 15 pm en fabrication et de l'ordre de 30 pm lors de l'utilisation à bord d'un satellite. Ces erreurs de RMS sont environ trois fois inférieures à celles obtenues quand la cou- che 18 n'est pas présente. On rappelle ici que le facteur RMS est défini de la façon suivante: on part d'une surface parfaite souhaitée 20 (figure 2) et on détermine, en n points de la surface réelle 22, les écarts dzl, dz2..., dzn entre la surface réelle 22 et la surface souhaitée 20. L'erreur de RMS a alors pour valeur: n dz. RMS= i=1 n Dans le cas d'un réflecteur d'un mètre de diamètre, on prévoit en général 500 points environ répartis de façon régulière. L'effet de compensation de la courbure s'obtient en déposant la couche à une température déterminée, par exemple de l'ordre de 50 C. A cette température, la contrainte qui s'exerce est nulle; par contre à une température différente, par exemple à la température ambiante de 20 C, il s'exercera une contrainte qui pourra compenser un défaut de courbure présent avant que ne soit déposée cette couche 18. L'épaisseur et, éventuellement, la nature du revêtement 18 peuvent être déterminées à l'aide de calculs classiques de résistance des matériaux. On tient, en effet, compte du fait qu'on annule le couplage membrane/flexion de l'assemblage constitué par les diverses couches du réflecteur. La nature et l'épaisseur de la couche 18 peuvent également être détermi- nées de façon empirique. Pour obtenir l'effet voulu, c'est-à-dire une minimisation de la déformation de la surface active du réflecteur lors de variations de température, on peut choisir les paramètres suivants: I'épaisseur des dépôts avant et arrière, la nature des dépôts avant et arrière et les températures auxquelles sont déposées les couches avant 16 et arrière 18. La figure 3 est un diagramme comparatif montrant des défauts de RMS obtenus pour plusieurs types de matériaux et, dans chaque cas, avec et sans la couche arrière 18. Dans cet exemple, on utilise un réflecteur de diamètre 600 mm avec des peaux en préimprégné de type M55J/914 (M55J est une référence carac- térisant la nature des fibres et 914 est une référence caractérisant la résine époxyde utilisée), et une âme en nid d'abeille aluminium d'épaisseur 15 mm. On a porté en abscisses, l'épaisseur e en micromètres, du dépôt métallique sur la face avant et, le cas échéant, sur la face arrière et, en ordonnées, l'erreur de RMS, également en micromètres. La droite 30 correspond à la courbe de variation en fonction de l'épaisseur de l'erreur de RMS pour un dépôt d'aluminium seulement sur la face avant tandis que la droite 32 correspond à un dépôt d'aluminium sur les faces avant et arrière du réflecteur. La figure 4 est un diagramme correspondant à un réflecteur de diamètre 600 mm avec des peaux M55J et une âme d'épaisseur 15 mm en nid d'abeille alu- minium. Dans ce cas, le dépôt métallique en face avant présente une épaisseur de 4 pm d'aluminium. Sur la face arrière de ce réflecteur, on a prévu des dépôts métal- liques d'épaisseurs diverses et on a analysé l'erreur de RMS résultante. Sur ce dia- gramme, on a porté en abscisses, l'épaisseur e du dépôt métallique en face arrière et, en ordonnées, l'erreur de RMS, toutes les deux étant exprimées en micromètres. Sur la figure 4, la courbe 34 montre que l'erreur de RMS est minimale quand l'épaisseur de la couche arrière est de l'ordre de 9 pm, alors que l'épaisseur du dépôt en face avant est de 4 pm. Autrement dit, I'optimum n'est pas forcément obtenu avec des épaisseurs de dépôts 16 et 18 qui sont égales. Il n'est pas indispensable que le revêtement métallique 18, destiné à com- penser l'effet de bilame résultant des différences de coefficient de dilatation entre la couche 16 et l'âme et les laminés, soit constitué par un dépôt extérieur. En variante (non montrée), ce revêtement 18 est disposé entre deux plis du laminé arrière 14. REVENDICATIONS 1. Réflecteur d'ondes électromagnétiques pour antenne de télécommunication, notamment pour une antenne embarquée à bord d'un satellite comprenant un substrat recouvert d'une couche métallique (16) réflectrice sur sa face avant, cette couche réflectrice présentant un coefficient de dilatation thermique diffé- rent du coefficient de dilatation thermique du substrat, caractérisé en ce qu'il comporte, dans sa zone arrière, une autre couche (18) présentant un coefficient de dilatation thermique différent de celui du substrat (10, 12, 14). 2. Réflecteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que la couche (18) de la zone arrière compense les variations, en fonction de la température, de la forme du réflecteur qui résultent des valeurs différentes des coefficients de dilatation du substrat et de la couche avant. 3. Réflecteur selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la couche (18) de la zone arrière modifie, à une température déterminée, la courbure présentée par le réflecteur en l'absence de cette couche. 4. Réflecteur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la couche de la zone arrière est déposée sur la face arrière du substrat. 5. Réflecteur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la couche de la zone arrière est métallique. 6. Réflecteur selon la revendication 5, caractérisé en ce que la couche de la zone arrière est en un métal de même nature que celui constituant la couche réflec- trice de la face avant. 7. Réflecteur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le couplage membrane/flexion de l'assemblage des couches du sub- strat avec la couche réflectrice et la couche de la zone arrière est minimisé.