Brevet FR2983578A1 — publié le 20130607

Structure de revêtement d'une paroi pour redirection des ondes reçues par ladite paroi. L'invention se rapporte au domaine général de la réflexion des ondes électromagnétiques, des ondes radio en particulier, et plus particulièrement à celui de la prévention des effets des ondes radioélectriques réfléchies par des structures telle des façades de bâtiments sur l'espace environnant de telles structures. On s'intéresse en particulier aux effets des ondes radio réfléchies par des bâtiments situés en zone aéroportuaire sur le bon fonctionnement de systèmes de mesures radioélectriques. Quand on s'intéresse à l'aménagement de zones aéroportuaires, un problème important consiste à déterminer la meilleure manière d'implanter les bâtiments nécessaires au fonctionnement des services de l'aéroport, pour réduire au maximum les effets indirects de cette implantation sur les zones sensibles d'un point de vue radioélectrique. En effet, de telles structures présentent généralement des façades de grandes dimensions, façades qui se comportent comme des réflecteurs des ondes radioélectriques émises par les différentes sources d'émissions présentes au voisinage ou à l'intérieur de la zone de l'aéroport. Or il est des cas où la réflexion par la façade d'un bâtiment de l'émission radioélectrique produite par une source, distante ou non du bâtiment, peut s'avérer extrêmement gênante dans la mesure où le signal reçu par la façade est réfléchi vers une zone où il vient polluer les émissions radioélectriques réalisées dans cette zone. C'est en particulier le cas si la façade d'un bâtiment situé dans une zone relativement proche d'une piste d'atterrissage réfléchit en direction de la piste une émission radioélectrique dont la bande de fréquence se situe dans la bande occupée par les émissions du système d'atterrissage ILS, dans la bande occupée par le "Localizer" (système de radioalignement sur l'axe de piste) en particulier. Une telle réflexion parasite, si elle est assez forte, peut venir altérer le signal du localizer et par suite perturber l'alignement sur l'axe de la piste des aéronefs en phase d'atterrissage. Dans la mesure où un aéroport héberge de nombreuses sources radioélectriques (notamment les antennes ILS elles-mêmes), le problème des réflexions parasites par les bâtiments est un problème important dont la résolution passe généralement par l'élaboration d'un plan d'implantation comportant des zones, notamment les zones relativement proches des pistes où l'on s'interdit de placer une quelconque construction de taille un tant soit peu importante. Or compte tenu, notamment, de la concentration urbaine et de la volonté de placer les zones aéroportuaires à des distances relativement faibles des zones urbaines, il devient de plus en plus nécessaire de maximiser le taux d'occupation des zones aéroportuaires en termes de surface. Par suite, trouver une solution aux problèmes de réflexions parasites de signaux radioélectriques dans des directions sensibles apparaît plus que jamais actuel. L'art antérieur connu en ce domaine consiste à équiper les façades des bâtiments susceptibles d'être la cause fortuite de réflexions parasites dans des directions sensibles, de structures rapportées dont l'objet est de créer avec la paroi sur laquelle elles sont installées un dispositif diffracteur permettant de réfléchir les ondes incidentes, émises par des sources électromagnétiques extérieures, dans une direction privilégiée, en direction de la source par exemple, qui évite de générer des perturbations dans une zone sensible. Une telle structure est généralement constituée d'éléments structuraux longilignes agencés de façon à former des nervures espacées les unes des autres. Ces nervures sont généralement des éléments tubulaires présentant une hauteur déterminée de façon à créer un déphasage de valeur donnée entre l'onde directement réfléchie par la paroi du bâtiment et celle réfléchie par les nervures. On forme ainsi un réseau diffracteur, de type réseau de Bragg, qui permet, selon le déphasage induit par les nervures, de diffracter l'onde incidente dans la direction voulue. Pour assurer une diffraction correcte de l'onde incidente, il est généralement préférable d'équiper la façade exposée au rayonnement dont on veut empêcher les effets, de nervure présentant une hauteur sensiblement égale à celle de la façade ou occupant, du moins, une proportion significative de la partie supérieur du bâtiment. Par suite la fixation de ses éléments structuraux sur la façade considérée induit une charge importante sur la façade, charge que l'on cherche à minimiser en utilisant des éléments structuraux creux ayant une forme de tube. La section de ces tubes est communément triangulaire ou rectangulaire et l'épaisseur de leur paroi est fine au regard de leur longueur. Cependant, une section triangulaire confère à l'élément structural une bonne rigidité, mais nécessite en revanche que l'élément présente une hauteur importante, hauteur qui correspond à la hauteur du triangle. Cette hauteur est directement fonction de la fréquence du signal à diffracter. Une section rectangulaire permet quant à elle, pour des contraintes analogues de fréquence, de direction et de puissance réfléchie, d'utiliser des éléments structuraux de plus faible épaisseur, épaisseur qui correspond à la largeur du rectangle, mais présente une rigidité plus faible. Ainsi dans les deux cas on utilise des éléments structuraux dont le montage sur la façade à équiper est relativement délicat en termes de poids, poids supporté par la façade, et de rigidité de la structure formée. Un but de l'invention est de proposer une structure alternative pour former un revêtement se comportant comme un réseau diffracteur, composé d'éléments structuraux tubulaires présentant à la fois, pour la bande de fréquence considérée, une rigidité intrinsèque supérieur à celle d'éléments de section rectangulaire et une épaisseur plus modeste que celles d'éléments de section triangulaire, tout en garantissant un niveau de puissance réfléchi suffisant pour obtenir l'effet de diffraction désiré. Un autre but de l'invention est de proposer une méthode permettant 25 de déterminer de manière simple les paramètres dimensionnels des éléments structuraux constituant le revêtement selon l'invention. A cet effet l'invention a pour objet un dispositif diffracteur formant un revêtement destiné à une façade d'un bâtiment, ou toute autre paroi 30 réflectrice, exposée au rayonnement électromagnétique émis par une source distante. Ce revêtement comporte une pluralité d'éléments structuraux conducteurs longilignes disposés de manière périodique sur la façade dudit bâtiment, de façon sensiblement parallèle, de façon à former un réseau diffracteur. Lesdits éléments conducteurs sont des éléments cylindriques de 35 section trapézoïdale, orientés dans une direction sensiblement perpendiculaire au plan défini par les vecteurs de propagation des ondes incidente et réfléchie. Selon l'invention, le pas d'espacement des différents éléments conducteurs est déterminé en fonction de la longueur d'onde À et de l'angle d'incidence 0 de façon à créer un réseau de diffraction réalisant un déphasage de l'onde incidente tel que celle-ci soit diffractée dans une direction préférentielle. 1 0 Dans une forme de réalisation particulière, adaptée au cas où la source de l'émission électromagnétique est lointaine, l'espacement entre les différents éléments conducteurs est constant. Dans une forme de réalisation particulière, adapté au cas où la source 15 de l'émission électromagnétique est proche, l'espacement entre les différents éléments conducteurs est fonction de l'angle d'incidence de l'onde électromagnétique à l'endroit de la paroi considéré. Dans une forme de mise en oeuvre préférée de l'invention, la hauteur 20 et la largeur au sommet des éléments conducteurs sont définies, en fonction de la fréquence de l'onde incidente, en déterminant, pour différentes largeurs de bases b, choisies a priori, et pour une pluralité de valeurs de hauteur h de la section trapézoïdale, la valeur de la largeur au sommet w qui minimise la réflexion de l'onde incidente dans la direction spéculaire, cette détermination 25 étant réalisée par simulation électromagnétique, puis en sélectionnant une des sections trapézoïdales retenues. Selon l'invention, la sélection d'une des sections trapézoïdales retenues est réalisée principalement sur la base de critères mécaniques 30 prédéfinis. Dans une forme de mise en oeuvre particulière ; le critère mécanique retenu est le rapport masse sur rigidité. Selon un mode de réalisation particulier du dispositif selon l'invention, les éléments structuraux conducteurs sont réalisés dans le matériau constituant la façade ou plus généralement la paroi. L'invention permet avantageusement de réaliser un dispositif diffracteur pouvant revêtir une paroi à partir d'éléments structuraux dont la hauteur est plus faible que celle d'éléments structuraux de section triangulaire et dont la rigidité est supérieure, pour des propriétés radioélectriques équivalentes, à celle d'éléments structuraux de section rectangulaire. La méthode de détermination proposée, bien adaptée à la détermination des dimensions des éléments structuraux de section trapézoïdale constituant le revêtement de paroi selon l'invention, permet en outre avantageusement de déterminer ces dimensions de manière simple, sans résolution de systèmes complexes. Les caractéristiques et avantages de l'invention seront mieux appréciés grâce à la description qui suit, description qui s'appuie sur les figures annexées qui présentent: - la figurel , une illustration schématique de la structure du revêtement selon l'invention; - la figure 2, une courbe illustrant le principe de détermination des dimensions des éléments structuraux formant le revêtement selon l'invention. - la figure 3, une représentation schématique d'un exemple d'agencement du revêtement selon l'invention sur la façade d'un bâtiment. La description qui suit présente le système selon l'invention dans une application particulière, celle du revêtement des parois d'un bâtiment aéroportuaire, un bâtiment situé à proximité d'une piste d'atterrissage équipée d'un système permettant l'atterrissage d'un aéronef aux instruments (ILS) par exemple. Cet exemple d'application, qui permet de bien mettre en évidence les avantages de l'invention, ne doit toutefois pas être considéré comme limitatif de la portée ou de l'étendue de celle-ci. Le revêtement selon l'invention comporte un ensemble d'éléments structuraux conducteurs, ou nervures, disposés sur tout ou partie des façades du bâtiment considéré. Les façades à protéger sont ici celles susceptibles d'être soumises à des émissions radioélectriques et de réfléchir ces émissions dans une direction pour laquelle elles constituent une source d'altération d'un signal utile, la zone d'exploitations du signal émis par le « Localizer » d'un système ILS dans l'exemple pris ici. Selon l'invention, comme l'illustre la figure 1, les éléments conducteurs sont des éléments longilignes creux qui sont agencés les uns par rapport aux 1 0 autres de façon à former, de manière connue, un réseau de diffraction, de type réseau de Bragg. Chaque élément conducteur présente une structure tubulaire dont la section présente des dimensions qui sont fonction principalement de la fréquence des ondes que l'on souhaite diffracter. 15 De manière connue, la forme de la section retenue est généralement un polygone simple de type rectangle ou triangle, forme choisie notamment parce que la détermination des dimensions d'une telle section est simple. Il est à noter qu'on préfère généralement la forme triangulaire dans la mesure où, pour une longueur et une épaisseur de paroi égales, un élément 20 structural de section triangulaire présente une rigidité intrinsèque bien plus importante qu'un élément structural de section rectangulaire. Cependant, pour une fréquence radioélectrique relativement basse, de l'ordre de la centaine de mégahertz par exemple, les nervures triangulaires présentent l'inconvénient de présenter une hauteur importante, plusieurs dizaines de 25 centimètres typiquement, de sorte que le revêtement apparaît comme très saillant sur la façade et les éléments structuraux comme difficiles à fixer de manière rigide sur celle-ci. En revanche, le revêtement selon l'invention est quant à lui constitué d'éléments structuraux conducteurs 11 de section trapézoïdale, dont les 30 dimensions, hauteur h et largeur au sommet w notamment, prennent en compte à la fois les exigences radioélectriques liées à la nécessité de diffracter l'onde reçue par la façade 10, et des exigences d'architecture et de génie civile, liées en particulier aux moyens pouvant être mis en oeuvre, compte tenu de la structure de la façade, pour assurer le montage des 35 éléments structuraux 11. Selon l'invention, l'espacement d entre les nervures 11, (pas du réseau diffracteur) est classiquement déterminé, pour une source d'émission distante, par la relation suivante: cl = À /( 2sin(0) [1] Où 6 est la direction de l'onde incidente par rapport à la normale à la façade On entend ici par source distante une source située à une distance du bâtiment telle que l'onde reçue par la façade 10 du bâtiment est une onde plane (Zone de Fraunhofer). Usuellement la distance D au-delà de laquelle on considère que la source est réellement lointaine est donnée par la formule suivante : D= 2- L2 2 [2] Où L représente, dans l'application considérée, la longueur de la façade et À la longueur d'onde émise. Dans le cas où la source dont on essaie de se protéger ne peut être considérée comme distante, le pas d peut être un pas non constant, la valeur de d séparant deux éléments structuraux 11 consécutifs, deux nervures, étant alors fonction de leurs positions sur la façade pour un angle d'arrivée de l'onde incidente donné. Autrement dit, l'angle d'arrivée de l'onde incidente sur la façade ne peut pas être considéré comme constant en première approximation de sorte que le pas d est alors fonction de l'angle d'incidence local de l'onde reçue par la façade 10. Selon l'invention également, les dimensions des éléments structuraux, les dimensions de la section 12 principalement, sont déterminées de façon à produire entre les ondes réfléchies par la façade elle-même (entre deux éléments structuraux 11) et celles réfléchies par les éléments structuraux un déphasage tel que l'on produise une atténuation significative de l'onde 2 9 8 3 5 7 8 8 réfractée globale dans la direction spéculaire. S'agissant ici d'éléments de section trapézoïdale, fixés à la façade de telle façon qu'ils prennent appui sur la face de la paroi correspondant à la grande base du trapèze, on s'intéresse plus particulièrement à la hauteur h du trapèze et de la largeur w de la petite 5 base. De manière générale, la détermination des mensurations optimales de la section 12 des nervures pour une section polygonale, n'est pas facilement déterminable par calcul analytique. C'est pourquoi on se limite généralement à des formes simples telles que le rectangle et le triangle même si ces deux 10 formes induisent sur le revêtement des limitations morphologiques et fonctionnelles. En effet ces deux formes simples peuvent être décrites par seulement deux grandeurs, largeur de base et hauteur pour le triangle ou longueur et largeur pour le rectangle, les deux grandeurs apportant au fonctionnement global des contributions distinctes, indépendantes. 15 Par suite dans la mesure où le revêtement selon l'invention comporte des nervures 11 de section trapézoïdale 12, il est nécessaire de disposer d'un moyen approprié pour déterminer de manière simple et rapide les mensurations de la section trapézoïdale les plus appropriées au cas considéré. Dans la suite du texte on décrit une méthode permettant 20 d'optimiser la détermination, pour une application donnée, des mensurations optimales de la section trapézoïdale des tubes constituant les nervures 11. Cette méthode est illustrée par la figure 2 qui prend pour exemple la détermination des mensurations optimales de la section trapézoïdale 12 d'un élément structural 11 constituant le revêtement d'une façade soumise à une 25 émission radio électrique d'une fréquence de 110 MHz, dont la direction d'arrivée est sensiblement orientée à 45° par rapport à la normale à la façade 10. La méthode selon l'invention consiste à déterminer les mensurations des sections des éléments structuraux 11 en procédant par étapes 30 successives : - dans une première étape, on détermine, pour une fréquence incidente donnée, une valeur de largeur de la grande base. Cette valeur est choisie a priori, en fonction notamment de la rigidité souhaitée et des contraintes de montage des nervures 11 sur la façade. - dans une seconde étape, on détermine pour une pluralité de valeurs de hauteurs h de la section trapézoïdale 12, déterminées a priori également, la valeur de la largeur au sommet w, largeur de la petite base du trapèze, qui, compte tenu du pas d du réseau de diffraction que constitue le revêtement, minimise la réflexion de l'onde incidente dans la direction voulue. Cette direction peut être, par exemple, la direction spéculaire, c'est à dire la direction symétrique de la direction d'arrivée de l'onde par rapport au plan de la façade. On obtient ainsi pour chacune des hauteurs h choisies, hauteurs comprises entre une valeur maximale et une valeur minimale, une largeur au sommet w, les trapèzes correspondant aux couples de valeurs (w, h) pouvant ainsi être représentés dans plan (hauteur, largeur au sommet) par des points 21 définissant une courbe 22. Comme on peut le constater sur la figure 2, chaque point 21 correspond ainsi à une forme trapézoïdale particulière 23 avec une hauteur et une largeur au sommet spécifiques de cette forme. La courbe 22 est quant à elle censée définir le lieu des sections trapézoïdales définissant des nervures présentant une réflexion minimale dans la direction désirée. - dans une troisième étape, on choisit celui des points 21 de la courbe qui répond le mieux à l'ensemble des contraintes imposées aux éléments structuraux constituant le revêtement selon l'invention. A ce stade, les contraintes électromagnétiques ayant déjà été prises en compte dans la mise en oeuvre des premières étapes, les critères de sélection sont principalement liés à des contraintes de montage en rapport à la fois avec la longueur et la rigidité des éléments structuraux proprement dits et avec des considérations relatives à la structure de la façade elle-même. Cette méthode de détermination originale peut être mise en oeuvre de différentes façons. On peut par exemple réaliser différentes maquettes du revêtement final, chaque maquette comportant des éléments structuraux dont la section présente des mensurations spécifiques et utiliser les mensurations des maquettes présentant une réflexion minimale pour établir la courbe 22. Alternativement, si l'on dispose des moyens informatiques appropriés, 35 on peut procéder par simulation du comportement électromagnétique, à la fréquence considérée, de modèles informatiques des éléments structuraux, et sélectionner ceux des modèles présentant une réflexion minimale à cette fréquence. Il est à noter que dans le cas ou la méthode de détermination est mise en oeuvre sur des modèles de simulation, il est avantageux considérer lors de la première étape, plusieurs valeurs possibles pour la largeur de la grande base du trapèze. De la sorte les candidats retenus au cours de la deuxième étape pourront alors également présenter des largeurs de base différentes, 1 0 pour autant cependant que ces largeurs restent compatibles de l'exigence que constitue la direction de réfraction maximale souhaitée. Dans ce cas, la courbe plane 22 de la figure 2 devient une courbe en trois dimensions et laisse un plus large choix pour tenir compte des contraintes qui sont à considérer lors de la troisième étape de la méthode (sélection de la section 15 optimale). Il est à noter par ailleurs que, dans le cas où on procède par simulation, il est également possible d'utiliser un optimiseur pour trouver des dimensions optimales des nervures. 20 En ce qui concerne la mise en place du revêtement selon l'invention sur la paroi considérée, la façade d'un bâtiment dans l'exemple détaillé ici, Il convient d'abord de considérer la façon dont sont arrangés selon l'invention les éléments structuraux qui le constituent. Le revêtement selon l'invention se présente comme un arrangement 25 d'éléments longilignes parallèles dont la longueur dépend de la hauteur de la paroi à revêtir. Les éléments structuraux sont disposés de façon à être orientés dans une direction sensiblement perpendiculaire au plan défini par les vecteurs de propagation des ondes incidente et réfléchie. Ainsi, dans le cas précis d'une façade de bâtiment les éléments structuraux son disposés 30 verticalement. En ce qui concerne la longueur des éléments structuraux, celle-ci résulte avant tout d'un compromis entre le coût d'implantation et l'efficacité de la suppression des perturbations. Le meilleur compromis peut être évalué par simulation, au moyen de logiciels spécifiques ou à partir de mesures 35 effectuées sur des maquettes à échelle réduite. La figure 3 illustre un exemple de mise en place d'un revêtement selon l'invention sur une façade 31 d'un bâtiment 30, pourvu de fenêtres 32 et d'accès 33 et 34. Dans cet exemple le revêtement selon l'invention se trouve mis en place au niveau de la partie supérieure de la façade. REVENDICATIONS1. Dispositif diffracteur pour équiper une façade (31) d'un bâtiment (30), ou toute autre paroi réflectrice, exposée au rayonnement électromagnétique émis par une source distante, caractérisé en ce qu'il comporte une pluralité d'éléments structuraux conducteurs (11) disposés de manière périodique, de façon sensiblement parallèle, sur la façade dudit bâtiment, de façon à former un réseau diffracteur, lesdits éléments conducteurs (11) étant des éléments cylindriques de section trapézoïdale (12), orientés dans une direction sensiblement perpendiculaire au plan défini par les vecteurs de propagation des ondes incidente et réfléchie. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le pas d'espacement, d, des différents éléments conducteurs (11) est déterminé en fonction de la longueur d'onde À et de l'angle d'incidence 0 de façon à créer un réseau de diffraction réalisant un déphasage de l'onde incidente tel que celle-ci soit diffractée dans une direction préférentielle. 3. Dispositif selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que si la source de l'émission électromagnétique est lointaine l'espacement d entre les différents éléments conducteurs (11) est constant. 4. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que si la source de l'émission électromagnétique est proche l'espacement d entre les différents éléments conducteurs (11) est fonction de l'angle d'incidence local de l'onde électromagnétique. 5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la hauteur h et la largeur au sommet w des éléments conducteurs (11) sont définies, en fonction de la fréquence de l'onde incidente, en déterminant, pour différentes largeurs debases b, choisies a priori, et pour une pluralité de valeurs de hauteur h de la section trapézoïdale (12), la valeur de la largeur au sommet w qui minimise la réflexion de l'onde incidente dans la direction spéculaire, cette détermination étant réalisée par simulation électromagnétique, et en sélectionnant une des sections trapézoïdales (23) retenues. 6. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que la sélection d'une des sections trapézoïdales (23) est réalisée sur la base de critères mécaniques prédéfinis. 7. Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que le critère retenu est le rapport masse sur rigidité. 8. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les éléments conducteurs (11) sont réalisés dans le matériau de la façade.