Brevet FR3077165A1 — publié le 20190726

La présente invention concerne une antenne planaire destinée à équiper un véhicule spatial, tel qu'un lanceur spatial ou un satellite. Arrière-plan de l'invention Les véhicules spatiaux sont équipés d'antennes qui assurent pendant les phases de vol la communication entre ces véhicules et les stations au sol. Ces antennes servent notamment à la télémesure, la trajectographie, ou au système de positionnement par satellites (« Global Navigation Satellite System », « GNSS »). Il est souhaitable de disposer d'antennes destinées à équiper des véhicules spatiaux présentant un diagramme de rayonnement hémisphérique afin d'améliorer la couverture conférée. Objet et résumé de l'invention L'invention vise, selon un premier aspect, une antenne planaire destinée à équiper un véhicule spatial, l'antenne comprenant : - un substrat diélectrique, - un élément d'antenne rayonnant présent sur le substrat diélectrique, l'élément d'antenne rayonnant présentant un centre de symétrie et une zone dépourvue de matière, le centre de symétrie étant présent dans la zone dépourvue de matière, et - une couche de protection recouvrant l'élément d'antenne rayonnant. Dans la suite, l'expression « élément d'antenne rayonnant » sera désignée par « élément d'antenne ». Le fait qu'une zone dépourvue de matière soit positionnée au niveau du centre de symétrie de l'élément d'antenne permet d'obtenir un diagramme de rayonnement hémisphérique pour l'antenne. Dans un exemple de réalisation, la zone dépourvue de matière a une forme polygonale. Dans un exemple de réalisation, l'élément d'antenne présente au moins deux coins symétriques l'un de l'autre par rapport au centre de symétrie, un premier axe reliant ces deux coins, et la zone dépourvue de 2 matière s'étendant le long d'un deuxième axe formant un angle inférieur ou égal à 50 avec le premier axe. Une telle caractéristique permet d'obtenir une polarisation circulaire pour le rayonnement produit, et donc une atténuation réduite 5 lors de sa propagation. En particulier, le deuxième axe peut former un angle inférieur ou égal à 2° avec le premier axe. Une telle caractéristique permet de réduire davantage encore l'atténuation du rayonnement lors de sa propagation. 10 Dans un exemple de réalisation, la zone dépourvue de matière est une fente. Une telle caractéristique permet d'obtenir un diagramme de rayonnement hémisphérique sur une bande de fréquence élargie. Dans un exemple de réalisation, l'élément d'antenne est 15 positionné sur le barycentre du substrat diélectrique. Dans un exemple de réalisation, l'épaisseur de la couche de protection est inférieure ou égale à 5 mm. Une telle caractéristique permet de minimiser le caractère protubérant de l'antenne, et donc de réduire davantage encore 20 l'endommagement par les flux aérothermiques. Dans un exemple de réalisation, la couche de protection est directement au contact de l'élément d'antenne et du substrat diélectrique. Une telle caractéristique permet avantageusement d'éliminer le risque d'un effet Corona qui pourrait conduire à une perte temporaire de 25 la transmission. Dans un exemple de réalisation, la couche de protection est une couche de protection thermique ou une couche de protection contre les radiations spatiales. La présente invention vise également un véhicule équipé sur sa 30 surface externe d'au moins une antenne telle que décrite plus haut. Dans un exemple de réalisation, le véhicule comprend sur sa surface externe une pluralité d'antennes telles que décrites plus haut réparties uniformément sur cette surface. Dans un exemple de réalisation, le véhicule est un lanceur 35 spatial ou un satellite. 3 Brève description des dessins D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description suivante, donnée à titre non limitatif, en référence aux dessins annexés, sur lesquels : 5 la figure 1 est une vue en section, schématique et partielle, d'un premier exemple d'antenne planaire selon l'invention, la figure 2 est une vue de dessus du premier exemple d'antenne planaire en transparence au travers de la couche de protection, 10 - la figure 3 est une vue en perspective du premier exemple d'antenne du côté de la couche de protection, - la figure 4 est une vue en perspective du premier exemple d'antenne du côté du plan de masse, la figure 5 représente, de manière schématique et partielle, 15 un véhicule spatial équipé de deux antennes selon le premier exemple, et les figures 6 à 8 représentent, de manière schématique et partielle, des variantes d'antennes planaires selon l'invention. 20 Description détaillée de modes de réalisation On a représenté aux figures 1 à 4 un premier exemple d'antenne planaire 1 selon l'invention. L'antenne planaire 1 comprend un substrat diélectrique 3 sur 25 lequel est présent un élément d'antenne 5. Le substrat diélectrique 3 a une forme plane. Le substrat diélectrique 3 peut être en matériau composite, par exemple en polytétrafluoroéthène (PTFE) renforcé par du verre. Le substrat diélectrique 3 peut par exemple être un substrat commercialisé sous la référence TLC30 par la société Taconic. On a 30 représenté dans cet exemple un substrat 3 monocouche mais on ne sort pas du cadre de l'invention lorsque ce dernier est formé par une pluralité de couches empilées. L'épaisseur du substrat diélectrique 3 peut par exemple être inférieure ou égale à 5 mm, et par exemple être comprise entre 2 mm et 5 mm. 35 Le substrat diélectrique 3 peut présenter une pluralité d'ajours traversant 8 permettant chacun le passage d'un élément de fixation, tel 4 qu'une vis. Les éléments de fixation permettent de fixer l'antenne 1 au véhicule spatial. Les ajours 8 peuvent être présents aux coins du substrat diélectrique 3, comme illustré à la figure 2. L'élément d'antenne 5 est formé par une métallisation, par 5 exemple en cuivre. L'élément d'antenne 5 a une forme plane. L'épaisseur e5 de l'élément d'antenne 5 peut par exemple être inférieure ou égale à 40 pm, et par exemple être comprise entre 15 pm et 40 pm. L'élément d'antenne 5 est présent sur une première face Fi du substrat diélectrique 3. L'élément d'antenne 5 peut être au contact du substrat diélectrique 3. 10 Comme illustré sur la figure 2, l'élément d'antenne 5 recouvre une partie seulement de la surface du substrat diélectrique 3. La figure 2 est une vue en transparence au travers de la couche de protection 9, laquelle peut être transparente ou opaque. La figure 1 est, quant à elle, une vue en section partielle montrant l'antenne 1 uniquement au niveau 15 de la zone où l'élément d'antenne 5 est présent. Le substrat diélectrique 3 peut porter un unique élément d'antenne 5. L'élément d'antenne 5 peut recouvrir le barycentre du substrat diélectrique 3. Le barycentre du substrat diélectrique 3 peut être un centre de symétrie de ce substrat 3. Un plan de masse 12 est présent sur une deuxième face F2 du 20 substrat diélectrique 3, opposée à la première face Fi. Le plan de masse 12 est formé par une métallisation, par exemple en cuivre. Un connecteur 14 est présent sur la deuxième face F2 (représenté en figure 4, non représenté en figure 1). Un câble coaxial d'alimentation est destiné à être relié au connecteur 14. Le substrat 25 diélectrique 3 peut présenter un perçage au travers duquel s'étend le conducteur central du connecteur lequel relie l'entrée du connecteur 14 à l'élément d'antenne 5 et lequel permet ainsi l'alimentation de cet élément d'antenne 5 (perçage et conducteur central électrique non représentés). L'élément d'antenne 5 est destiné à émettre un signal dans le spectre 30 radiofréquence. L'élément d'antenne 5 présente un centre de symétrie Cl. Le centre de symétrie Cl de l'élément d'antenne 5 peut se superposer au centre de symétrie du substrat diélectrique 3, ce qui est le cas dans l'exemple illustré. L'élément d'antenne 5 présente une zone 7 dépourvue 35 de matière. Le centre de symétrie Cl est présent dans la zone 7 dépourvue de matière. La zone 7 dépourvue de matière ne présente pas 5 de dépôt métallique. La zone 7 dépourvue de matière est symétrique par rapport au centre de symétrie Cl comme illustré. Lors de la fabrication, la surface du substrat diélectrique 3 peut être entièrement recouverte d'une métallisation. Puis, on réalise une élimination sélective de cette 5 métallisation déposée dans la zone 7 et autour de l'élément rayonnant 5. L'élimination sélective effectuée peut être réalisée au travers d'ajours d'un masque superposé à la métallisation effectuée. La zone 7 dépourvue de matière peut avoir une forme polygonale, et par exemple une forme rectangulaire comme illustré. Dans 10 une variante non illustrée, la zone dépourvue de matière est de forme carrée. La zone 7 dépourvue de matière peut être une fente, comme illustré. Comme indiqué plus haut, cette caractéristique permet d'obtenir un diagramme de rayonnement hémisphérique sur une bande de fréquence élargie par exemple d'environ 90 MHz de largeur. Le rapport 15 entre la longueur Li et la largeur L2 (Li/L2) de la zone 7 dépourvue de matière peut être supérieur ou égal à 5, par exemple à 10. L'élément d'antenne 5 peut présenter une forme polygonale, et présente ici une forme carrée. L'élément d'antenne 5 peut présenter des coins CO1 et CO2 symétriques l'un de l'autre par rapport au centre de 20 symétrie Cl. Les coins CO1 et CO2 peuvent chacun former un sommet de l'élément d'antenne 5. Les coins CO1 et CO2 peuvent chacun former un angle inférieur ou égal à 90°. Dans l'exemple illustré, les coins CO1 et CO2 forment chacun un angle droit, égal à 90°. Les coins CO1 et CO2 peuvent être reliés par un premier axe 25 Xl. Le premier axe X1 peut définir une diagonale de l'élément d'antenne 5. La zone 7 dépourvue de matière peut s'étendre le long d'un deuxième axe X2. Le deuxième axe X2 peut correspondre à l'axe longitudinal de la zone 7 dépourvue de matière. Le deuxième axe X2 peut former un angle inférieur ou égal à 5°, par exemple inférieur ou égal à 2°, avec le premier 30 axe Xl. En particulier, le deuxième axe X2 est, dans l'exemple illustré à la figure 1, colinéaire au premier axe X1 mais on ne sort pas du cadre de l'invention lorsque ce n'est pas le cas comme il sera décrit plus bas. La couche de protection 9 recouvre l'élément d'antenne 5 afin de protéger ce dernier de l'environnement extérieur. La couche de 35 protection 9 a une forme plane. La couche de protection 9 peut être en matériau diélectrique. La couche de protection 9 recouvre la première face 6 Fi du substrat diélectrique 3. La couche de protection 9 peut recouvrir l'intégralité du substrat diélectrique 3 (voir figure 3). La couche de protection 9 peut être au contact de l'élément d'antenne 5 et du substrat diélectrique 3. Ainsi, l'antenne 1 peut ne pas présenter de cavité en son 5 sein. L'épaisseur e9 de la couche de protection 9 peut être inférieure ou égale à 5 mm. En particulier, la couche de protection 9 peut être une couche de protection thermique ou une couche de protection contre les radiations spatiales. 10 La couche de protection thermique peut présenter une conductivité thermique, mesurée à 50°C, inférieure ou égale à 0,3 W.rnpar exemple à 0,2 W.m-1.K-1. A titre d'exemple de protection thermique utilisable, on peut citer le matériau commercialisé sous la référence « Norcoat 4000 » par la société ArianeGroup. 15 Le matériau formant la couche de protection contre les radiations spatiales peut ne pas être dégradé après absorption d'une dose d'un rayonnement gamma supérieure ou égale à 10 000 Gray, par exemple à 15 000 Gray. A titre d'exemple de protection contre les radiations spatiales 20 utilisable, on peut citer le matériau commercialisé sous la référence PEEK GF30 par la société Ensinger ou le polyimide 35N commercialisé par la société Arlon. Lorsqu'elle équipe un lanceur spatial, il est avantageux de munir l'antenne d'une couche de protection thermique afin de protéger les 25 éléments sous-jacents des hautes températures rencontrées en fonctionnement. Lorsqu'elle équipe un satellite, il est avantageux de munir l'antenne d'une couche de protection contre les radiations spatiales afin de protéger les éléments sous-jacents de ces radiations en fonctionnement. 30 On a représenté à la figure 5, de manière schématique, un véhicule spatial V équipé de deux antennes 1 selon le premier exemple. Selon un exemple, le substrat 3 est suffisamment flexible pour se conformer à la forme de la surface S du véhicule V. Il est ainsi possible 35 dans ce cas de conférer au substrat 3 une courbure non nulle lors de son montage sur la surface S externe du véhicule V. L'antenne 1 est dans ce 7 cas directement fixée à la surface S sans nécessiter de l'emploi d'une tôle supplémentaire d'adaptation à la courbure de la surface du véhicule spatial V. Le véhicule spatial V peut être un lanceur spatial ou un satellite. Le lanceur spatial peut permettre le positionnement d'un ou plusieurs 5 satellites. Les antennes 1 peuvent être réparties uniformément sur la surface du véhicule spatial V. Les antennes peuvent chacune occuper une même couverture angulaire. On a représenté à la figure 6 une variante d'élément d'antenne 10 15. Selon cette variante, l'élément d'antenne 15 ne diffère de l'élément d'antenne 5 qu'en ce qu'il comprend des coins CO3 et C04 symétriques par rapport au centre Cl de symétrie qui correspondent à des sommets tronqués. L'élément d'antenne 15 présente ici une forme carrée avec deux sommets tronqués CO3 et C04. Les autres caractéristiques décrites plus 15 haut dans le cadre de l'exemple des figures 1 à 4 restent applicables à cet exemple de réalisation. On a représenté à la figure 7 une autre variante d'élément d'antenne 25. Selon cette variante, l'élément d'antenne 25 ne diffère de l'élément d'antenne 5 qu'en ce que le deuxième axe X2 forme un angle 20 non nul avec le premier axe Xl, ici égal à 5°. Les autres caractéristiques décrites plus haut dans le cadre de l'exemple des figures 1 à 4 restent applicables à cet exemple de réalisation. On a représenté à la figure 8 une autre variante d'élément d'antenne 35. Selon cette variante, l'élément d'antenne 35 ne diffère de 25 l'élément d'antenne 5 qu'en ce qu'il présente une forme circulaire et non plus carrée. L'élément d'antenne pourrait avoir une autre forme comme une forme ovale, ou encore rectangulaire non carrée. Les autres caractéristiques décrites plus haut dans le cadre de l'exemple des figures 1 à 4 restent applicables à cet exemple de réalisation. 30 L'expression « compris(e) REVENDICATIONS1. Antenne planaire (1) destinée à équiper un véhicule spatial (V), l'antenne comprenant : - un substrat diélectrique (3), - un élément d'antenne rayonnant (5; 15; 25; 35) présent sur le substrat diélectrique, l'élément d'antenne rayonnant présentant un centre (Cl) de symétrie et une zone (7) dépourvue de matière, le centre de symétrie étant présent dans la zone dépourvue de matière, et - une couche de protection (9) recouvrant l'élément d'antenne rayonnant. 2. Antenne (1) selon la revendication 1, dans laquelle la zone (7) dépourvue de matière a une forme polygonale. 15 3. Antenne (1) selon la revendication 1 ou 2, dans laquelle l'élément d'antenne (5; 15; 25) présente au moins deux coins (C01 ; CO2) symétriques l'un de l'autre par rapport au centre (Cl) de symétrie, un premier axe (X1) reliant ces deux coins, et dans lequel la zone (7) 20 dépourvue de matière s'étend le long d'un deuxième axe (X2) formant un angle (a) inférieur ou égal à 5° avec le premier axe. 4. Antenne (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans laquelle la zone dépourvue de matière est une fente. 25 5. Antenne (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans laquelle l'épaisseur (e9) de la couche de protection (9) est inférieure ou égale à 5 mm. 30 6. Antenne (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, dans laquelle la couche de protection (9) est directement au contact de l'élément d'antenne (5) et du substrat diélectrique (3). 7. Antenne (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, 35 dans laquelle la couche de protection (9) est une couche de protection thermique ou une couche de protection contre les radiations spatiales. 9 8. Véhicule spatial (V) équipé sur sa surface externe (S) d'au moins une antenne (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 7. 5 9. Véhicule spatial (V) selon la revendication 8, dans lequel le véhicule comprend sur sa surface externe (S) une pluralité d'antennes (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 7 réparties uniformément sur cette surface. 10 10. Véhicule spatial (V) selon la revendication 8 ou 9, dans lequel le véhicule est un lanceur spatial ou un satellite.