Brevet FR3118835A1 — publié le 20220715

Radôme (RDM) comprenant une coque (CD) en matériau diélectrique présentant une face externe (FE) et une face interne (FI), la face interne définissant, avec une surface de support (PS), un volume (V) destiné à contenir une antenne (A), caractérisé en ce qu’il présente, sur ou à proximité d’au moins une région périphérique de sa face interne, une structure diffractante (SD, SD’) assimilable localement à un réseau de diffraction en transmission. Système d’antenne comprenant un tel radôme contenant une antenne (A), par exemple de type dépointable. Figure pour l’abrégé : Fig. 1 Radôme et système d’antenne avec fonction de compensation d’élévation L’invention porte sur un radôme présentant une fonction de compensation de l’élévation des ondes électromagnétiques incidentes ; elle porte également sur un système d’antenne comprenant un tel radôme. Elle relève du domaine des antennes pour télécommunications, notamment spatiales, et plus particulièrement des antennes de télécommunications spatiales destinées à être déployées sur des plateformes mobiles, terrestres, tels que des trains ou des autobus, ou aéroportées (en anglais, « satcom on the move », c’est-à-dire « télécommunications satellitaires en mouvement »). Dans ce type d’application, et notamment dans le cas de plateformes aéroportées, les antennes utilisées sont généralement de type planaire pour des raisons d’encombrement et d’aérodynamique. Des antennes paraboliques orientables sont parfois placées au niveau de l’empennage des avions d’affaires, mais ces solutions sont insatisfaisantes pour une exploitation commerciale à grande diffusion compte-tenu de l’accroissement de consommation entrainée par la protubérance formée par l’antenne et son radôme. En outre, leur installation nécessite souvent une étape de certification spécifique et coûteuse. D’autre part, les antennes planaires dépointables – de manière mécanique ou électronique – présentent un gain qui décroit avec l’élévation (définie comme étant l’angle entre une direction et l’horizon). Cela conduit à une réduction du débit d’informations, voire à une rupture de la liaison, depuis ou vers un satellite bas sur l’horizon (typiquement 30° ou moins). Diverses solutions ont été proposées pour accroître la plage angulaire de fonctionnement de ces antennes. Par exemple WO 2010144170 divulgue l’utilisation de métamétériaux à indice de réfraction négatif. Cette technologie n’est cependant pas suffisamment mûre pour une utilisation industrielle. L’article de E. Gandini et al. « A Low-Profile Low-Cross Polarization Dielectric Dome Antenna for Wide-Scanning Applications »13th European Conference on Antennas and Propagation (EuCAP 2019) propose l’utilisation d’un radôme à épaisseur variable, se comportant comme une lentille divergente. L’inconvénient de cette approche est que le radôme déforme le lobe de rayonnement de l’antenne même pour des angles d’élévation importants. Encore une autre approche consiste à combiner un radôme à métasurface avec l’utilisation d’une antenne active où la loi d’émission comporte une pré-compensation angulaire de formation du diagramme de rayonnement complémentaire à la fonction du radôme (Alice Benini et al, « Phase-Gradient Meta-Dome for Increasing Grating-Lobe-Free Scan Range in Phased Arrays », IEEE Transactions On Antennas And Propagation, Vol. 66, No. 8, August 2018, 3973). Cette solution est très complexe et coûteuse. Il existe donc un besoin pour une solution simple et économique permettant d’accroître la plage angulaire de fonctionnement d’une antenne planaire, et plus particulièrement d’augmenter son gain pour des faibles angles d’élévation. L’invention vise à apporter une telle solution. Conformément à l’invention ce but est atteint grâce à un radôme équipé, dans sa partie périphérique intérieure, d’une structure diffractive assimilable localement à un réseau de diffraction destiné à fonctionner en régime de Bragg en transmission. Cette structure diffractive introduit une déflexion des ondes électromagnétiques en incidence rasante, qui augmente leur angle d’élévation, sans affecter sensiblement la propagation des ondes dont la direction de propagation est plus proche de la normale à l’antenne. La structure diffractive est portée par une structure qui peut être soit intégrée à la partie périphérique de la coque du radôme, soit située à proximité mais physiquement séparée de cette dernière. Dans les deux cas, elle peut avantageusement être réalisée en matériaux polymères ou composites par impression tridimensionnelle (3D), notamment par dépôt de fil fondu. Un objet de l’invention est donc un radôme comprenant une coque en matériau diélectrique présentant une face externe et une face interne, la face interne définissant, avec une surface de support, un volume destiné à contenir une antenne, caractérisé en ce qu’il présente, sur ou à proximité d’au moins une région périphérique de sa face interne, une structure diffractante assimilable localement à un réseau de diffraction en transmission opérant dans une plage spectrale dans le domaine hyperfréquence. Selon des modes de réalisation particuliers d’un tel radôme : - La structure diffractante peut comporter une alternance de couches d’au moins deux matériaux diélectriques de permittivités diélectriques différentes, inclinées par rapport à ladite surface de support. - La structure diffractante peut être assimilable localement à un réseau de transmission épais dans ladite plage spectrale du domaine hyperfréquence. - La structure diffractante peut être configurée pour qu’une onde électromagnétique incidente, à au moins une longueur d’onde λ 0 de ladite plage spectrale dans le domaine hyperfréquence se propageant selon un angle d’élévation θ 0 compris entre 5° et 30°, et de préférence entre 10° et 20°, par rapport à la surface de support, satisfasse la condition de Bragg, et qu’une onde diffractée par la structure se propage avec un angle d’élévation θ’ supérieur à celui de ladite onde électromagnétique incidente. - La structure diffractante peut être configurée pour que l’efficacité de diffraction soit inférieure à 50%, et préférentiellement inférieure à 20%, pour les ondes électromagnétiques se propageant selon un angle d’élévation supérieur ou égal à 40°, et préférentiellement supérieur ou égal à 30°. - L’inclinaison de la structure diffractante peut être dimensionnée de telle sorte qu’une onde électromagnétique incidente à la longueur d’onde λ 0 et présentant un angle d’élévation θ 0 soit défléchie d’un angle compris entre 20° et 40°. Ce dimensionnement peut notamment consister à choisir les épaisseurs et l’inclinaison des couches, ou plus généralement le module et la direction du vecteur d’onde du réseau (à son tour fonction de la variation spatiale de l’indice de réfraction). - La structure diffractante peut être physiquement séparée de la coque en matériau diélectrique. - Inversement, la structure diffractante peut être réalisée d’une seule pièce avec la coque en matériau diélectrique. Le radôme peut alors être fabriqué par fabrication additive. Un autre objet de l’invention est un système d’antenne comprenant un tel radôme et une antenne dépointable située à l’intérieur du volume délimité par la surface de support et la face interne de la coque du radôme, l’antenne étant adaptée pour émettre ou recevoir des ondes électromagnétiques dans une plage spectrale dans le domaine hyperfréquence, le réseau de diffraction en transmission étant adapté pour défléchir une dite onde électromagnétique dont l’angle d’élévation par rapport à la surface de support est inférieur à un seuil prédéterminé en augmentant son angle d’élévation. Cette déflexion permet de compenser en tout ou en partie la diminution du gain de l’antenne avec l’angle d’élévation. Par une structure « à proximité » de la face interne de la coque on entend une structure dont la distance maximale à ladite face interne est très inférieure – typiquement d’au moins un facteur 10 – au diamètre de ladite coque, ou plus généralement à sa plus grande dimension latérale (c’est à dire dans un plan parallèle à la surface de support). Par « structure diffractive assimilable localement à un réseau de diffraction » on entend une structure présentant une variation spatiale de sa permittivité diélectrique qui peut soit être périodique selon au moins une dimension sur toute ou partie de son étendue, soit s’écarter d’une périodicité parfaite par une modulation d’amplitude ou de période. Les modulations de période, en particulier, doivent être relativement lentes et/ou faibles, avec par exemple des fluctuations entre périodes successives n’excédant pas 10%. On peut parler dans ce cas d’une variation « quasi-périodique ». A titre d’exemple il peut s’agir d’un réseau « chirpé ». D’autres caractéristiques, détails et avantages de l’invention ressortiront à la lecture de la description faite en référence aux dessins annexés donnés à titre d’exemple et qui représentent, respectivement : , une vue en coupe d’un système d’antenne comprenant un radôme selon un premier mode de réalisation de l’invention ; une vue en coupe d’un système d’antenne comprenant un radôme selon un second mode de réalisation de l’invention ; une vue de détail de la structure diffractive équipant le radôme de la illustrant son fonctionnement ; et une vue en coupe d’un système d’antenne comprenant un radôme selon un troisième mode de réalisation de l’invention. Le radôme RDM de la comprend une coque CD en matériau diélectrique – typiquement un polymère. Dans les applications de télécommunications spatiales sur plateformes mobiles, la coque présente typiquement une périphérie arrondie, par exemple en forme de couronne circulaire, et un sommet plat avec une transition douce entre les deux régions. Dans le mode de réalisation de la figure, l’épaisseur de la coque est représentée constante dans un souci de simplicité. Cependant, en réalité, elle est généralement variable, calculée de manière à optimiser le rayonnement. Il faudra alors en tenir compte lors de la conception de la structure diffractive. La coque est délimitée par une face externe FE et une face interne FI, et repose sur une surface de support PS, généralement plane, qui porte une antenne planaire A pouvant fonctionner en émission et/ou en réception (dans la suite, on considèrera le cas d’une antenne fonctionnant en réception, mais la généralisation ne pose aucune difficulté, en vertu de la loi du retour inverse). Généralement, la partie de la coque située à la verticale de l’antenne est au moins approximativement plane, de manière à ne pas déformer le diagramme de rayonnement. La face interne FI de la coque et la surface de support PS délimitent un volume totalement ou partiellement fermé V. L’antenne A est par exemple de type planaire – telle qu’une antenne « patch », « leaky wave » ou « slot array » – et avantageusement dépointable, c’est-à-dire présentant un diagramme d’antenne orientable, notamment en élévation. Le dépointage peut être obtenu par différents moyens autres qu’une orientation mécanique de l’antenne, par exemple un contrôle de phase dans le cas d’une antenne réseau ou un système de prismes de Risley. Typiquement, l’antenne A est conçue pour opérer dans le domaine des hyperfréquences (entre 1 GHz et 300 GHz, c’est-à-dire des longueurs d’onde comprise entre environ 30 cm et environ 1 mm). Le radôme de la se différencie d’un radôme de l’art antérieur par la présence, à l’intérieur du volume V, d’une structure diffractante SD, localement assimilable à un réseau de diffraction, située dans une partie périphérique, c’est à dire externe, dans une direction radiale mesurée parallèlement à la surface de support, de ce volume et à proximité de la face interne FI de la coque. Dans le mode de réalisation de la , la structure SD est tronconique et, vue en coupe, elle se présente sous la forme de deux éléments planaires, inclinés par rapport à la surface de support PS et à l’antenne A. Elle est physiquement séparée de la coque CD bien qu’elle soit proche, ou puisse même toucher, sa face intérieure. Avantageusement, la structure SD peut être réalisée par des techniques de fabrication additive (« impression 3D »), notamment par dépôt de fil fondu (FDM, c’est-à-dire « Fused Deposition Modeling »), en un matériau tel que l’acrylonitrile butadiène styrène (ABS), les copolymères d’oléfines cycliques (COC), le Polyétheréthercétone (PEEK) et le polyéthercétonecétone (PEKK), ces deux derniers étant des polymères à hautes performances présentant une stabilité thermique particulièrement élevée. Ces matériaux peuvent être chargés pour en moduler les propriétés diélectriques. En variante, la structure SD pourrait être fabriquée par assemblage de matériaux diélectriques ayant des permettivités différentes. Par exemple, il est possible de réaliser un empilement de couches de tels matériaux, puis le découper dans une direction inclinée par rapport aux plans des couches. Cette approche est néanmoins beaucoup plus complexe à mettre en œuvre. Dans le mode de réalisation de la , la structure SD est intégrée à la coque CD et forme une partie de sa face interne. Par exemple, la structure SD peut être « imprimée » sur la face interne d’une coque préexistante, ou l’ensemble coque – structure diffractante peut être entièrement réalisé par fabrication additive. Une telle réalisation « monolithique » évite la nécessité d’une étape d’assemblage, mais nécessite une compatibilité entre les matériaux utilisés pour la coque et pour la structure diffractive. Une réalisation en deux parties, comme dans la , présente aussi des avantages surtout pour des applications aéronautiques : la structure diffractante est isolée des déformations mécaniques de la coque ; en outre cette dernière ne doit pas subir un nouveau processus de certification. Comme mentionné plus haut, la structure SD présente une variation périodique ou quasi-périodique de sa permittivité diélectrique. Elle s’apparente donc, en première approximation, à un réseau de diffraction « holographique » épais. Dans sa forme la plus simple, elle comprend une alternance de bandes formées par des couches CM1, CM2 d’au moins deux matériaux ayant des permittivités diélectriques différentes et, de préférence, sensiblement réelles (n’introduisant pas de pertes significatives). Dans un souci de simplicité on considèrera ici le cas d’un réseau périodique, dans lequel les couches d’un même type ont toutes la même épaisseur, qui est constante sur toute l’étendue de chaque couche. « Epais » signifie ici que l’épaisseur « e » du réseau satisfait la condition et de préférence où λ 0 est la longueur d’onde dans le vide du rayonnement électromagnétique devant être diffracté Λ est la période spatiale, ou pas, du réseau et n l’indice de réfraction moyen du matériau le constituant. La théorie de ces réseaux est décrite en détail dans l’article de H. Kogelnik « Coupled wave analysis of thick hologram gratings » Bell Scientific Technical Journal 48, 29089 (1969). La généralisation au cas d’une structure à pas variable ne pose pas de difficulté de principe. Sur la : - n représente la normale à la structure diffractive SD en un point du plan de la figure ; - Λ est la période spatiale, ou pas, du réseau, c’est-à-dire la somme des épaisseurs des couches CM1 et CM2 (dans le cas d’un réseau à pas variable, le pas Λ est défini localement) ; - K est le vecteur d’onde du réseau, dont l’orientation est perpendiculaire aux couches et le module vaut 2π/Λ ; - ϕ est l’angle formé par le vecteur K et le plan de la surface de support PS (ou un plan tangent à cette surface) ; - une onde électromagnétique incidente OEI, provenant de l’extérieur du radôme, forme un angle θ (angle d’élévation) avec le plan de la surface de support PS (ou un plan tangent à cette surface) et un angle α avec la direction normale n . La normale n forme donc un angle α+θ avec la surface PS. - L’onde électromagnétique diffractée OED, résultant de l’interaction de OEI avec le réseau, forme un angle θ’ avec le plan de la surface de support PS (ou un plan tangent à cette surface). L’onde électromagnétique incidente OEI est diffractée de manière optimale lorsque sa longueur d’onde λ 0 et son angle d’élévation satisfont, de manière exacte ou approchée, la condition de Bragg : (1) où n moy est l’indice de réfraction moyen de la structure (on rappelle que, pour des matériaux non magnétiques, l’indice de réfraction est la racine carrée de la permittivité diélectrique relative) et l’angle d’élévation mesuré à l’intérieur de la structure considérée comme un milieu homogène d’indice de réfraction n moy . Lorsque la condition de Bragg (1) est satisfaite, l’efficacité de diffraction, définie comme le rapport entre l’intensité d’une onde électromagnétique diffractée et celle de l’onde électromagnétique incidente correspondante, dépend de la différence Δn entre les indices de réfraction des couches CM1, CM2 ; de l’épaisseur « e » du réseau, de la longueur d’onde λ 0 et de l’angle d’incidence . Dans le cas particulier ϕ=π/2, elle est proportionnelle à : (2) où Δn est la différence entre les indices de réfraction des couches CM1, CM2 et « e » l’épaisseur de réseau. Le formalisme de Kogelnik permet aussi de déterminer une plage angulaire d’acceptance Δθ - définie comme la plage angulaire, centrée autour de l’angle θ 0 – dans laquelle l’efficacité de diffraction à la longueur d’onde λ 0 est supérieure ou égale à la moitié de sa valeur maximale. Le vecteur d’onde ρ de l’onde électromagnétique incidente et celui, σ, de l’onde diffractée, sont liés par la relation suivante : σ = ρ - K (3) Cette équation permet de calculer θ’ en fonction de θ, ϕ, Λ et λ. Typiquement, la structure diffractante est dimensionnée de telle sorte que les ondes électromagnétiques incidentes présentant un angle d’élévation θ inférieure à une valeur critique θ c sont diffractées vers des angles d’incidence θ’ plus élevés, tandis que les ondes présentant un angle d’élévation plus important ne sont pas diffractées efficacement. A son tour l’angle θ c correspond à une élévation en deçà de laquelle le gain de l’antenne est considéré insuffisant – par exemple inférieur à 20% du gain maximal correspondant à une incidence normale. Le dimensionnement consiste à choisir les matériaux des couches CM1, CM2 (et donc les paramètres n moy et Δn), leurs épaisseurs, éventuellement variables (et donc le paramètre Λ dans le cas d’une structure périodique) ainsi que l’angle ϕ. L’épaisseur e est choisie, pour une valeur Δn fixée, pour maximiser l’efficacité de diffraction. On peut considérer par exemple le cas d’un réseau conçu pour fonctionner à une longueur d’onde λ 0 de 1 cm (~30 GHz), présentant une inclinaison α=10° par rapport au plan PS et réalisé en des matériaux présentant des indices de réfraction de 1,63 et 2,83. En choisissant et l’on obtient un réseau de diffraction dans lequel la condition de Bragg est satisfaite pour θ 0 =10°. Une onde incidente avec une élévation de 10° (angle de Bragg) est diffractée à un angle θ’=35°. Par contre, des ondes présentant un angle d’élévation supérieur ou égal à 30° sont peu diffractées (efficacité de diffraction inférieure ou égale à 15%). Le but de l’invention est donc atteint : les ondes en incidence rasante, pour lesquelles le gain d’antenne serait très faible, sont diffractées de manière à parvenir sur l’antenne avec des élévations plus importantes ; les ondes dont l’élévation est déjà satisfaisante ne sont que très peu affectées par la structure. L’épaisseur e optimale vaut environ 3,5 mm si on ne considère que l’ordre 1 de diffraction. Si le réseau est optimisé pour un fonctionnement à l’ordre 2, on trouve une épaisseur de 10,5 mm, ce qui peut être plus facile à fabriquer. Plus généralement, le concepteur peut être amené à choisir un fonctionnement à un ordre supérieur à 1 pour des raisons technologiques ou de sensibilité à la polarisation. D’une manière générale, la structure diffractante est dimensionnée pour que la condition de Bragg soit satisfaite pour un angle θ 0 inférieur à 30° et généralement compris entre 5° et 30° et préférentiellement entre 10° et 20°. Pour les ondes à la longueur d’onde λ 0 incidentes à l’angle de Bragg θ 0 , la déflexion induite par la structure diffractante doit préférentiellement être comprise entre 20° et 40°. Il est généralement souhaitable que l’efficacité de diffraction soit inférieure à 50%, et préférentiellement inférieure à 20%, pour les ondes électromagnétiques se propageant selon un angle d’élévation supérieur ou égal à 40°, et préférentiellement supérieur ou égal à 30°. La structure diffractante peut être dimensionnée en utilisant le formalisme de Kogelnik, au moyen d’algorithmes numériques d’optimisation, des algorithmes génétiques, etc. L’invention a été décrite en référence à deux modes de réalisation particuliers, mais de nombreuses variantes sont possibles. Par exemple : - La structure SD ne doit pas nécessairement être tronconique ; elle peut par exemple épouser la forme arrondie de la face interne de la coque. - Comme mentionné plus haut, le réseau de diffraction peut présenter un pas variable, notamment à ses extrémités, et plus particulièrement en se rapprochant de son extrémité supérieure (la plus éloignée de la surface PS) pour limiter les lobes secondaires de diffraction. Dans le mode de réalisation de la , par exemple, la structure diffractante SD’’ couvre l’intégralité de la face interne de la coque et présente un pas variable, de telle sorte que son efficacité de diffraction à la longueur d’onde λ 0 diminue progressivement, jusqu’à s’annuler en incidence normale. L’avantage est d’éviter des discontinuités ayant des effets indésirables sur le diagramme de rayonnement de l’ensemble antenne-radome. - Le réseau peut comporter plus de deux types de couches distinctes. Cela est même généralement préférable afin d’offrir au concepteur davantage de degrés de liberté pour optimiser les performances de l’ensemble. La variation de l’indice de réfraction peut également être progressive, par exemple sinusoïdale. Cela est généralement désirable, encore une fois pour éviter des discontinuités, et peut être obtenu en fabrication additive par fusion à l’interface entre deux couches. - L’invention s’applique à tout type d’antenne, non nécessairement planaire, et à des radomes pouvant présenter des formes différentes et contenant ou pas des éléments, notamment conducteurs, par exemple des surfaces sélectives en fréquence, susceptibles d’affecter la propagation des ondes électromagnétiques. Radôme (RDM) comprenant une coque (CD) en matériau diélectrique présentant une face externe (FE) et une face interne (FI), la face interne définissant, avec une surface de support (PS), un volume (V) destiné à contenir une antenne (A), caractérisé en ce qu’il présente, sur ou à proximité d’au moins une région périphérique de sa face interne, une structure diffractante (SD, SD’, SD’’) assimilable localement à un réseau de diffraction en transmission opérant dans une plage spectrale dans le domaine hyperfréquence. Radôme selon la revendication 1 dans lequel la structure diffractante comporte une alternance de couches (CM1, CM2) d’au moins deux matériaux diélectriques de permittivités diélectriques différentes, inclinées par rapport à ladite surface de support. Radôme selon l’une des revendications précédentes dans lequel la structure diffractante est assimilable localement à un réseau de transmission épais dans ladite plage spectrale du domaine hyperfréquence. Radôme selon l’une des revendications précédentes dans lequel la structure diffractante est configurée pour qu’une onde électromagnétique incidente (OEI), à au moins une longueur d’onde λ 0 de ladite plage spectrale dans le domaine hyperfréquence se propageant selon un angle d’élévation θ 0 compris entre 5° et 30°, et de préférence entre 10° et 20°, par rapport à la surface de support, satisfasse la condition de Bragg, et qu’une onde diffractée (OED) par la structure se propage avec un angle d’élévation (θ’) supérieur à celui de ladite onde électromagnétique incidente. Radôme selon la revendication 4 dans lequel la structure diffractante est configurée pour que l’efficacité de diffraction soit inférieure à 50%, et préférentiellement inférieure à 20%, pour les ondes électromagnétiques se propageant selon un angle d’élévation supérieur ou égal à 40°, et préférentiellement supérieur ou égal à 30°. Radôme selon l’une des revendications 4 ou 5 dans lequel l’inclinaison de la structure diffractante est dimensionnée de telle sorte qu’une onde électromagnétique incidente à la longueur d’onde λ 0 et présentant un angle d’élévation θ 0 soit défléchie d’un angle compris entre 20° et 40°. Radôme selon l’une des revendications précédentes dans lequel la structure diffractante (SD) est physiquement séparée de la coque en matériau diélectrique. Radôme selon l’une des revendications 1 à 6 dans lequel la structure diffractante (SD’, SD’’) est réalisée d’une seule pièce avec la coque en matériau diélectrique. Radôme selon la revendication 8, fabriqué par fabrication additive. Système d’antenne comprenant un radôme (RDM) selon l’une des revendications précédentes et une antenne (A) dépointable située à l’intérieur du volume (V) délimité par la surface de support (PS) et la face interne (FI) de la coque (CD) du radôme, l’antenne étant adaptée pour émettre ou recevoir des ondes électromagnétiques dans une plage spectrale dans le domaine hyperfréquence, le réseau de diffraction en transmission étant adapté pour défléchir une dite onde électromagnétique dont l’angle d’élévation par rapport à la surface de support est inférieur à un seuil prédéterminé (θ) en augmentant son angle d’élévation.