Brevet FR3095081A1 — publié le 20201016

Description Titre de l'invention : Arrangement d'un ensemble de guides d'ondes et son procédé de fabrication Domaine technique [0001] La présente invention concerne un arrangement pour satellites de télécommu- nications, comportant un ensemble de guides d'ondes pour signaux de radiofréquences. La présente invention concerne également un procédé de conception et de fabrication de cet arrangement. Etat de la technique [0002] Les guides d'ondes sont abondamment utilisés dans les satellites de télécommu- nications, notamment pour interconnecter des composants et équipements électroniques. [0003] Les systèmes conventionnels contiennent un grand nombre de composants et d'équipements électroniques et nécessitent par conséquent un grand nombre de guides d'ondes dont l'interconnexion se fait généralement en assemblant des éléments de longueur standard, par exemple des tubes rectilignes ou courbés, au moyen de brides vissées entre elles pour relier ces composants et équipements électroniques. [0004] L'utilisation de guides d'ondes fabriqués avec des tubes standardisés impose des chemins non optimaux et des schémas d'interconnexion complexe. Cela implique l'utilisation de guides d'ondes de longueurs importantes qui ont pour désavantages de dégrader ou atténuer des signaux transmis dans ces guides et d'augmenter le poids et le volume d'encombrement du système. [0005] Par ailleurs, la fixation des guides d'ondes dans la soute d'un satellite de télécommu- nications nécessite des pieds ou des systèmes de fixation vissés sur les guides d'ondes, ce qui implique un poids supplémentaire et complexifie le montage des systèmes conventionnels. [0006] Afin d'assurer la rigidité et la stabilité nécessaires aux guides d'ondes pour supporter les contraintes mécaniques importantes, notamment au décollage de la fusée embarquant le satellite de télécommunications, il est connu de surdimensionner les guides d'ondes afin qu'ils aient une épaisseur importante et de les fixer dans la soute grâce à de nombreux pieds de fixations. [0007] Par ailleurs, afin d'assurer que les guides d'ondes ainsi que les composants et équipements électroniques fonctionne dans une plage de température optimale, il est nécessaire d'intégrer aux systèmes conventionnels des ailettes, des radiateurs, des éléments de dissipation, des tuyaux d'évacuation de chaleur, etc. ce qui complexifie d'avantage le montage. 2 [0008] La conception du système peut ainsi devenir particulièrement complexe afin d'assurer que tous les guides d'ondes et les composants et équipements électroniques requis par le système peuvent être agencés dans un volume d'encombrement prédéterminé. [0009] Les procédés de fabrication conventionnels imposent des contraintes au niveau de la liberté du concepteur du système car les guides d'ondes complexes ont des tolérances mécaniques serrées afin d'obtenir la performance RF souhaitée. Il faut donc veiller à ce que les guides d'ondes puissent être construits de manière à permettre d'atteindre ces performances. [0010] De manière conventionnelle, les guides d'ondes sont conçus, fabriqués et fournis in- dividuellement, et sont assemblés manuellement dans un réseau de guides d'ondes à l'aide d'outils de fixation. Cette approche permet d'optimiser la conception de chaque guide d'onde en fonction de ses performances et des caractéristiques de transmission présentées aux signaux RF passant par ce guide d'onde. Cela implique toutefois des coûts de montage et des délais de réalisation qui sont importants. [0011] Au fur et à mesure que les exigences du système évoluent, nécessitant une conception de plus en plus complexe, en raison de la nécessité d'une largeur de bande de signal plus importante et d'une meilleure performance, les contraintes spatiales et de poids pour recevoir les guides d'ondes sont de plus en plus importantes. [0012] Les moyens classiques pour réduire la taille et le temps de fabrication associés aux guides d'ondes consistent à simplifier l'assemblage de guides d'ondes, en réduisant la taille, la longueur et/ou le diamètre des guides d'ondes. Il est également possible de concevoir des schémas de traitement de signaux plus complexes, de sorte que l'information puisse être multiplexée sur un plus petit nombre de signaux, nécessitant moins de guides d'ondes, par exemple, mais au détriment de l'augmentation de la charge de traitement d'un démultiplexeur. [0013] W02018029455 divulgue un ensemble de guide d'ondes pour un réseau de signaux radiofréquence comprenant une pluralité de guides d'ondes, dans lequel au moins deux guides d'ondes sont formés intégralement les uns avec les autres par une étape de fabrication additive. [0014] L'ensemble de guides d'ondes selon W02018029455 n'est toutefois pas approprié pour la fabrication de systèmes complexes requérant une multitude de guides d'ondes d'une certaine longueur pour interconnecter des composants et équipements électroniques selon un cahier des charges d'un concepteur. [0015] La présente invention a par conséquent pour but de fournir un arrangement d'un ensemble de guides d'ondes, pour satellites de télécommunications, optimisé en fonction de la complexité de l'arrangement, des contraintes spatiales et de poids. [0016] Un autre but de la présente invention est de fournir un arrangement d'un ensemble de guides d'ondes optimisé en fonction du nombre et du type d'équipements et/ou 3 composants électroniques devant être intégrés selon les contraintes d'un cahier des charges prédéterminé d'un concepteur. [0017] Un autre but de la présente invention est de fournir un arrangement d'un ensemble de guides d'ondes facile de conception et rapide à fabriquer. [0018] Un autre but de la présente invention est de fournir un arrangement d'un ensemble de guides d'ondes sur lequel peut être connectés, de manière aisée, des composants et/ou équipements électroniques. [0019] Bref résumé de l'invention [0020] Ces buts sont atteints grâce à un arrangement pour satellites comportant une soute. L'arrangement comporte un ensemble de guides d'ondes, des interfaces de fixation des guides d'ondes pour fixer les guides d'ondes à des équipements et/ou composants électroniques et une structure mécanique comportant plusieurs liens interconnectant au moins certains des guides d'ondes pour assurer la stabilité de l'ensemble de guides d'ondes. L'arrangement est formé d'une seule pièce par impression 3D. [0021] Selon une forme d'exécution, la structure mécanique comporte une multitude de liens rigides interconnectant les surfaces latérales d'aux moins deux guides d'ondes en différents points. [0022] Selon une forme d'exécution, l'arrangement comporte en outre des éléments de fixation pour fixer l'arrangement à la soute ou à un support lié à la soute. [0023] Selon une forme d'exécution, l'arrangement comporte en outre au moins un élément de dissipation de chaleur, par exemple une ou plusieurs ailettes de refroidissement et/ ou un ou plusieurs tubes de transport de chaleur. [0024] Selon une forme d'exécution, l'anangement comporte en outre au moins une antenne. [0025] Selon une forme d'exécution, l'anangement comporte en outre un ou plusieurs filtres. [0026] Un autre aspect de l'invention porte sur un assemblage pour satellites, comportant l'arrangement décrit précédemment et des équipements et/ou composants électroniques connectés aux interfaces de fixations des guides d'ondes. [0027] Selon une forme d'exécution, un ou plusieurs équipements et/ou composants élec- troniques sont sélectionnés parmi le groupe comportant les éléments suivants: switch, circulateur, isolateur, amplificateur à bas bruit, amplificateur de puissance, unité de traitement informatique du signal, charge RF, filtre, multiplexeur, circuit MMIC et circuit RF. [0028] Selon une forme d'exécution, l'assemblage comporte en outre des panneaux de cellules photovoltaïques qui sont connectés à la structure mécanique. [0029] Un autre aspect de l'invention porte sur un procédé de conception et de fabrication de l'arrangement de l'ensemble de guides d'ondes tel que décrit ci-dessus. Le procédé comprend notamment les étapes suivantes : - définir un volume d'encombrement de l'arrangement selon un volume d'encombrement prédéterminé ; - modéliser l'arrangement par ordinateur en définissant la forme et la longueur de chaque guide d'ondes de l'ensemble de guides d'ondes, la forme de la structure mécanique, et la forme des interfaces de fixations nécessaires pour la connexion de l'ensemble de guides d'ondes de l'arrangement à des équipements et/ou composants électroniques en respectant les contraintes du volume d'encombrement prédéterminé, et - fabriquer l'arrangement d'une seule pièce selon la forme modélisée conçue par ordinateur avec une étape de fabrication additive. [0030] Selon une forme d'exécution, la forme et la longueur de chaque guide d'ondes né- cessaires pour la connexion de l'ensemble de guides d'ondes de l'arrangement sont déterminés en outre en fonction du nombre et du type d'équipements et/ou composants électroniques devant être intégrés selon les contraintes d'un cahier des charges prédéterminé d'un concepteur. [0031] Selon une forme d'exécution, la forme et la longueur de chaque guide d'ondes né- cessaires pour la connexion de l'ensemble de guides d'ondes de l'arrangement sont déterminées en outre pour optimiser les performances de la charge utile du satellite, et en respectant les contraintes mécaniques et thermiques de l'arrangement. [0032] Selon une forme d'exécution, la forme de la structure mécanique ainsi que la forme des éléments de transfert de chaleur sont déterminées, en respectant les contraintes du volume d'encombrement prédéterminé tout en optimisant les performances de la charge utile du satellite, et en respectant les contraintes mécaniques et thermiques de l'arrangement. [0033] Selon une forme d'exécution, le procédé comporte en outre une étape consistant à connecter des équipements et/ou composants électroniques aux interfaces de fixation des guides d'ondes. [0034] Selon une forme d'exécution, le procédé comporte en outre une étape consistant à connecter des panneaux de cellules photovoltaïques à la structure mécanique de l'arrangement. Brève description des figures [0035] Des exemples de mise en oeuvre de l'invention sont indiqués dans la description illustrée par les figures annexées dans lesquelles : [fig.1] représente une vue schématique d'un arrangement pour satellites de télécommunications, comportant notamment un ensemble de guides d'ondes selon une forme d'exécution de l'invention ; [fig.2] représente une vue schématique d'un assemblage pour satellites de télécommunications, comportant un ensemble de guides d'ondes connectés à des équipements et/ ou composants électroniques selon une autre forme d'exécution, [fig.3] représente une vue schématique d'un assemblage pour satellites de télécommunications agencé dans la soute du satellite, selon un autre forme d'exécution, et [fig.4] illustre un schéma-bloc d'un procédé de conception et de fabrication selon les différentes formes d'exécution de la présente invention. [0036] Exemples de mode de réalisation de l'invention [0037] Dans la présente invention, le terme "arrangement" peut être interprété comme une structure complète pouvant être fixée dans la soute du satellite de télécommunications ou un sous-ensemble de la structure. Dans ce cas, la structure complète est obtenue par l'assemblage de plusieurs sous-ensembles de l'arrangement. [0038] Selon une première forme d'exécution illustrée à la Figure 1, l'arrangement 10, pour satellites de télécommunications, comporte un ensemble de guides d'ondes 12 interconnectés les uns aux autres par une structure mécanique afin d'assurer une rigidité/ stabilité satisfaisante de l'ensemble de guides d'ondes 12 selon une configuration prédéterminée. [0039] Cette configuration prédéterminée est dictée non seulement en fonction d'un volume d'encombrement restreint disponible dans la soute du satellite de télécommunications niais aussi en fonction du nombre et du type d'équipements et composants électroniques à intégrer dans la soute selon les contraintes d'un cahier des charges prédéterminé d'un concepteur. [0040] La structure mécanique peut comporter une multitude de liens rigides 14 inter- connectant plusieurs guides d'ondes 12 en différents points sur la longueur des guides d'ondes. Ces liens rigides sont par exemple sous la forme de tiges réalisées en impression 3D est agencées de sorte à connecter deux surfaces latérales ensemble d'au moins deux guides d'ondes afin que l'arrangement 10 puisse résister à des contraintes importantes, notamment au décollage de la fusée embarquant le satellite de télécommunications tout en remplissant la fonction d'amortisseur contre les vibrations générées par exemple lors du décollage de la fusée. Les tiges comportent chacune une âme, par exemple en polymère, et une enveloppe métallique qui donne la rigidité. [0041] L'arrangement 10 peut comporter par ailleurs un ou plusieurs éléments de dissipation de chaleur, par exemple sous la forme d'une ou plusieurs ailettes de refroidissement 16a et/ou d'un ou plusieurs tubes de transport de chaleur 16b, par exemple sous la forme d'un caloduc destiné à transporter la chaleur grâce au principe du transfert thermique par transition de phase d'un fluide. L'arrangement 10 peut comporter également des éléments de fixation, par exemple des pieds de fixation 18, pour fixer l'arrangement 10 à la soute ou à un support lié à la soute du satellite de télécommu- 6 nications. [0042] Chaque guide d'ondes 12 selon la Figure 1 comporte une interface de fixation 20 à ses deux extrémités, de préférence sous la forme d'une bride de fixation. Selon la configuration de l'arrangement 10, les guides d'ondes 12 sont disposés de sorte à pouvoir être connectés, par les biais de leurs brides de fixation respectives, à différents équipements et/ou composants électroniques. [0043] De manière avantageuse, l'arrangement 10 est formé d'une seule pièce réalisée à l'aide de méthodes de fabrication additives, par exemple d'impression 3D. On connait en particulier la fabrication additive de guides d'ondes comportant à la fois des matériaux non conducteurs, tels que des polymères ou des céramiques, et des métaux conducteurs. Des guides d'ondes comportant des parois céramiques ou polymères fabriquées par une méthode additive puis recouvertes d'un placage métallique ont notamment été suggérés. L'utilisation d'une âme non conductrice permet, d'une part, de réduire le poids et le coût de l'arrangement 10 et, d'autre part, de mettre en oeuvre des méthodes d'impression 3D adaptées aux polymères ou aux céramiques et permettant de produire des pièces de haute précision avec une faible rugosité. [0044] WO 2017208153, dont le contenu est incorporé par référence, divulgue en particulier un dispositif à guide d'ondes pour guider un signal radiofréquence à une fréquence déterminée. Le dispositif comprend une âme fabriquée par fabrication additive et comprenant des parois latérales avec des surfaces internes délimitant un canal de guide d'ondes et une couche conductrice métallique recouvrant la surface interne de l'âme. [0045] La fabrication additive permet de réaliser différentes configurations de la disposition des guides d'oncles 12 dont la trajectoire de chaque guide 12 est préalablement calculée et modélisée par ordinateur afin d'optimiser l'encombrement de l'arrangement 10 en tenant compte d'un cahier des charges particulier d'un concepteur. Ce procédé permet ainsi d'obtenir non seulement une configuration optimale de l'arrangement 10 mais aussi et surtout une fabrication rapide et facile avec un montage simplifié par rapport aux systèmes conventionnels. Par ailleurs, la réalisation de l'arrangement d'une seule pièce par une étape de fabrication additive permet d'imprimer des formes impossibles à assembler par des procédés d'assemblage conventionnels. [0046] Selon une autre forme d'exécution illustrée à la Figure 2, l'arrangement 110 n'est pas destiné à être monté sur un panneau ou un support. Cet arrangement 110 est connecté uniquement à des équipements et composants électroniques 122 notamment à un ou plusieurs amplificateurs, et à une unité de traitement informatique afin d'obtenir un assemblage 50 pouvant être connecté à la soute (non illustrée), directement ou indirectement. [0047] Tout comme l'arrangement 10 selon la première forme d'exécution, l'arrangement 110 de la Figure 2 comporte un ensemble de guides d'ondes 112 interconnectés les uns 7 aux autres par une multitude de liens sous forme de tiges rigides 114 interconnectant les guides d'ondes 112 en différents points sur leur longueur respective pour, d'une part, assurer une rigidité satisfaisante l'arrangement 110 et, d'autre part, pour que cet arrangement 110 puisse résister à des contraintes importantes. [0048] L'arrangement 110 peut comporter par ailleurs un ou plusieurs éléments de dis- sipation de chaleur qui peuvent également être sous la forme d'une ou plusieurs ailettes de refroidissement 116a et/ou d'un ou plusieurs tubes de transport de chaleur 116b (e.g. caloduc). A l'instar de la première forme d'exécution, chaque guide d'onde 112 comporte une interface de fixation 120 à ses deux extrémités, de préférence sous la forme d'une bride de fixation également réalisée de manière intégrale au guide d'onde. Les brides de fixation aux extrémités respectives des guides d'ondes 112 peuvent par exemple êtres connectées respectivement à deux équipements électroniques pour transférer des signaux de radiofréquences d'un équipement électronique à l'autre. [0049] Tout comme l'arrangement 10 selon la première forme d'exécution, l'arrangement 110 de la Figure 2 est réalisé d'une seule pièce obtenue par un procédé de fabrication additive ayant les avantages évoqués précédemment. L'assemblage 50 de la Figure 2 est obtenu par une étape additionnelle de fabrication consistant à connecter des équipements et/ou composants électroniques 122 aux interfaces de fixation 120 des guides d'ondes 112. [0050] Selon une autre forme d'exécution illustrée à la Figure 3, l'arrangement 210 comporte un ensemble de guides d'ondes 212, une structure mécanique 214, un ou plusieurs éléments de dissipation de chaleur, par exemple une ou plusieurs ailettes de refroidissement 216a et/ou un ou plusieurs tubes de refroidissement 216b, un ou plusieurs filtres 240 et au moins une antenne 230. Les filtres 240 sont par exemple reliés à un amplificateur 222 lequel est agencé pour communiquer avec une unité de traitement informatique 224. L'amplificateur 222 et l'unité de traitement informatique 224 sont en contact avec au moins un élément de dissipation de chaleur afin de dissiper la chaleur générée par l'amplificateur et l'unité informatique. Selon cette configuration, une portion de l'arrangement 210 peut être disposée hors de la soute 300. [0051] Des guides d'ondes 212 relient les filtres à l'antenne 230. La structure mécanique 214 est configurée de sorte à supporter les équipements et composants électroniques 222, 224, l'antenne 230 ainsi que plusieurs panneaux de cellules photovoltaïques 250. [0052] Tout comme l'arrangement 10, 110 selon les deux premières formes d'exécution, l'arrangement 210 de la Figure 3 est sous la forme d'une seule pièce réalisée par un procédé de fabrication additive ayant les avantages évoqués précédemment. L'assemblage 50 de la Figure 3 est obtenu par une étape additionnelle de fabrication consistant à connecter des équipements et/ou composants électroniques 222, 224 à l'ensemble de guides d'ondes 212, par le biais des brides de fixation 220 des guides 8 d'ondes, et les panneaux de cellules photovoltaïques 250 à l'arrangement 210, en particulier à la structure mécanique 214 dc l'arrangement. [0053] Le procédé de conception et de fabrication selon la Figure 4 peut être adapté a tout type d'arrangement selon l'invention. L'arrangement peut comporter par exemple un nombre limité de guides d'ondes ou, au contraire, pour les systèmes complexes, un nombre important de guides d'ondes. Pour ces systèmes complexes, la modélisation des trajectoires optimales des guides d'ondes sont calculées par ordinateur selon différents paramètres, en particulier en fonction du nombre et du type d'équipements et/ou de composants électroniques que doivent relier les guides d'ondes et du volume d'encombrement disponible pour son installation dans la soute d'un satellite de télécommunications. Les trajectoires optimales des guides d'ondes doivent en outre être modélisées pour optimiser les performances de la charge utile du satellite, et en respectant les contraintes mécaniques et thermiques de l'arrangement. 9 REVENDICATIONS[Revendication 1] Arrangement (10; 110 ; 210) pour satellites comportant une soute (300), l'arrangement comportant un ensemble de guides d'ondes (12; 112 ; 212), des interfaces de fixation (20; 120; 220) des guides d'ondes pour fixer les guides d'ondes à des équipements et/ou composants électroniques (122 ; 222, 224, 240) et une structure mécanique (14; 114; 214) comportant plusieurs liens interconnectant au moins certains des guides d'ondes pour assurer la stabilité de l'ensemble de guides d'ondes (12; 112; 212), caractérisé en ce que l'arrangement ( 1 0 ; 110; 210) est formé d'une seule pièce par impression 3D. [Revendication 2] Arrangement (10 ; 110) selon la revendication 1, caractérisé en ce que la structure mécanique comporte une multitude de liens rigides (14 ; 114) interconnectant les surfaces latérales d'aux moins deux guides d'ondes en différents points (12 ; 112). [Revendication 3] Arrangement (10) selon l'une des revendications précédentes, ca- ractérisé en ce qu'il comporte en outre des éléments de fixation (18) pour fixer l'arrangement (10) à la soute (300) ou à un support lié à la soute (300). [Revendication 4] Arrangement (10; 110) selon l'une des revendications précédentes, ca- ractérisé en ce qu'il comporte en outre au moins un élément de dissipation de chaleur, par exemple une ou plusieurs ailettes de refroidissement (16a, 116a, 216a) et/ou au moins un tube de transport de chaleur (16b, 116b, 216b). [Revendication 5] Arrangement (210) selon l'une des revendications précédentes, ca- ractérisé en ce qu'il comporte en outre au moins une antenne (230). [Revendication 6] Arrangement (210) selon l'une des revendications précédentes, ca- ractérisé en ce qu'il comporte en outre un ou plusieurs filtres (240). [Revendication 7] Assemblage (50) pour satellites, comportant l'arrangement (10 ; 110 ; 210) selon l'une des revendications précédentes, et des équipements et/ ou composants électroniques (122 ; 222, 224, 240) connectés aux interfaces de fixations (20 ; 120 ; 220) des guides d'ondes (12 ; 112; 212). [Revendication 8] Assemblage (50) selon la revendication précédente, dans lequel un ou plusieurs équipements et/ou composants électroniques (122 ; 222, 224, 240) sont sélectionnés parmi le groupe comportant les éléments suivants: switch, circulateur, isolateur, amplificateur à bas bruit, amplificateur de puissance, unité de traitement informatique du signal, charge RF, filtre, multiplexeur, circuit MMIC et circuit RF. 10 [Revendication 9] [Revendication 10] [Revendication 11] [Revendication 12] [Revendication 13] [Revendication 14] Assemblage (50) selon la revendication précédente, comportant en outre des panneaux de cellules photovoltaïques (250) connectés à la structure mécanique (214). Procédé de conception et de fabrication de l'arrangement pour satellites, selon l'une des revendications 1 à 6 comprenant les étapes suivantes : - définir un volume d'encombrement de l'arrangement (10 ; 110 ; 210) selon un volume d'encombrement prédéterminé ; - modéliser r arrangement par ordinateur en définissant la forme et la longueur de chaque guide d'ondes (12, 112 ; 212) de l'ensemble de guides d'ondes, la forme de la structure mécanique ainsi que la forme des interfaces de fixations (20 ; 120 ; 220) nécessaires pour la connexion de l'ensemble de guides d'ondes de l'arrangement (10 ; 110 ; 210) à des équipements et/ou composants électroniques (122; 222, 224, 240) en respectant les contraintes du volume d'encombrement prédéterminé, et - fabriquer l'arrangement d'une seule pièce selon la forme modélisée avec une étape de fabrication additive. Procédé selon la revendication précédente, dans lequel la forme et la longueur de chaque guide d'ondes (12, 112 ; 212) nécessaires pour la connexion de l'ensemble de guides d'ondes de l'arrangement (10; 110 ; 210), la forme de la structure mécanique (14; 114 ; 214) ainsi que la forme des interfaces de fixations sont déterminées en outre en fonction du nombre et du type d'équipements et/ou composants électroniques (122 ; 222, 224, 240) devant être intégrés selon les contraintes d'un cahier des charges prédéterminé. Procédé selon la revendication 10 ou 11, clans lequel la forme et la longueur de chaque guide d'ondes (12, 112 ; 212) nécessaires pour la connexion de l'ensemble de guides d'ondes de l'arrangement (10; 110 ; 210) sont déterminées en outre pour optimiser les performances de la charge utile du satellite, et en respectant les contraintes mécaniques et thermiques de l'arrangement. Procédé selon l'une des revendications 10 à 12, comportant en outre une étape consistant à connecter des équipements et/ou composants électroniques (122 ; 222, 224, 240) aux interfaces de fixation des guides d'oncles. Procédé selon l'une des revendications 10 à 13, comportant en outre une étape consistant à connecter des panneaux de cellules photovoltaïques (250) à la structure mécanique (14 ; 114 ; 214) de l'arrangement.