Brevet FR3157688A1 — publié le 20250627

Antenne direct iv e compacte Antenne (100) comprenant au moins : - une enceinte (110) électriquement conductrice formée par une surface inférieure (111) entourée de bords latéraux (112) et fermée par un couvercle (140) dont une surface extérieure est partiellement réflective ; - un substrat (120) placé au fond de l’enceinte sur la surface inférieure de l’enceinte ; et - un radôme (150) placé dans l’enceinte en vis-à-vis du substrat et apte à protéger l’antenne des températures supérieures à 1000 °C ; caractérisée en ce que l’antenne comprend également un élément rayonnant (130) placé sur le substrat dans l’enceinte et apte à émettre un signal à au moins une première fréquence, et une grille (160) placée sur une surface du radôme en vis-à-vis de l’élément rayonnant de manière à former une lame d’air (170) entre la grille et le substrat. Figure pour l’abrégé : Fig. 1 Antenne directive compacte La présente invention concerne une antenne directive compacte adaptée aux conditions de rentrée atmosphérique. Certaines applications nécessitent de disposer d’une antenne directive pour concentrer l’énergie rayonnée dans une direction particulière de l’espace, comme par exemple les communications longue distance, les radars ou les radioaltimètres. De plus, dans le cas d’un véhicule spatial de rentrée atmosphérique, il est préférable d’avoir une antenne compacte sur ce véhicule. Ainsi, il faut minimiser la masse de l’antenne, minimiser son épaisseur pour faciliter son intégration dans le véhicule et minimiser ses dimensions externes (présentes sur l’enveloppe externe du véhicule) pour qu’elle perturbe le moins possible l’aérodynamisme du véhicule et qu’elle soit capable de supporter les mêmes conditions environnementales (comme la température) que le véhicule. Actuellement les antennes directives utilisées pour des véhicules spatiaux de rentrée atmosphérique sont de grandes dimensions et d’épaisseur importante, peu résistantes aux conditions environnementales, et/ou sont difficiles à intégrer au véhicule du fait de leur masse ou de leur encombrement, et/ou ont des performances (adaptation, gain) sensibles à l’évolution (échauffement, récession) significative du matériaux de radôme. Il est donc souhaitable de disposer d’une nouvelle antenne directive, compacte pouvant supporter les conditions environnementales de rentrée atmosphérique et de masse réduite. La présente invention concerne une antenne comprenant au moins : une enceinte électriquement conductrice formée par une surface inférieure entourée de bords latéraux et fermée par un couvercle dont une surface extérieure est partiellement réflective ; un substrat placé au fond de l’enceinte sur la surface inférieure de l’enceinte ; et un radôme placé dans l’enceinte en vis-à-vis du substrat et apte à protéger l’antenne des températures supérieures à 1000 °C ; caractérisée en ce que l’antenne comprend également un élément rayonnant placé sur le substrat dans l’enceinte et apte à émettre un signal à au moins une première fréquence, et une grille placée sur une surface du radôme en vis-à-vis de l’élément rayonnant de manière à former une lame d’air entre la grille et le substrat. Grâce à la grille, en particulier aux motifs présents sur la grille, on peut faire varier la réflectivité de l’antenne. On peut alors régler la directivité de l’antenne en faisant également varier ses dimensions, comme la hauteur de la lame d’air ou l’épaisseur du substrat. Cette antenne est capable de tenir les températures extrêmes de rentrée atmosphérique grâce à la présence du radôme. De plus, grâce à la lame d’air et à la grille, on crée une cavité résonnante qui permet de réduire la taille et la masse de l’antenne. L’antenne selon l’invention est ainsi particulièrement compacte et de masse réduite. Selon une caractéristique particulière de l’invention, la grille est métallique. Selon une autre caractéristique particulière de l’invention, la grille est mobile sur la surface du radôme. Cela permet de faire varier la réflectivité de la grille pour pouvoir faire varier la directivité de l’antenne. Selon une autre caractéristique particulière de l’invention, le radôme est en silice-silice. Selon une autre caractéristique particulière de l’invention, la lame d’air a une hauteur entre la grille et le substrat égale à la moitié de la longueur d’onde correspondante à la première fréquence. Selon une autre caractéristique particulière de l’invention, l’élément rayonnant est un patch rayonnant. Il est également possible de remplacer le patch rayonnant par un cornet si l’on souhaite que l’antenne soit plus directive. Le patch étant plus petit qu’un cornet, si l’on souhaite privilégier la compacité de l’antenne par rapport à sa directivité, on choisira préférentiellement le patch comme élément rayonnant. Selon une autre caractéristique particulière de l’invention, l’épaisseur du radôme est variable. En faisant varier l’épaisseur du radôme, on peut adapter sa géométrie au-dessus de la grille pour dépointer le faisceau de l’antenne afin que son lobe principal soit orienté latéralement. Cela permet, pour les radars à synthèse d’ouverture (Synthetic-Aperture Radar, SAR) ou des applications de radioaltimètre ou d’autodirecteur électromagnétique de viser en amont la trajectoire du faisceau de l’antenne avant d’arriver sur la zone cible. Un autre objet de l’invention est un véhicule équipé d’au moins une antenne selon l’invention. Selon une caractéristique particulière de l’invention, le véhicule est un véhicule spatial. Selon une autre caractéristique particulière de l’invention, le véhicule est un lanceur spatial, un véhicule d’exploration ou un satellite. D’autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront de la description faite ci-dessous, en référence aux dessins annexés qui en illustrent des exemples de réalisation dépourvus de tout caractère limitatif. FIG. 1 La FIG. 1 représente, de manière schématique et partielle, une antenne selon un mode de réalisation de l’invention. FIG. 2 La FIG. 2 représente, de manière schématique et partielle, un premier exemple de réalisation de la grille. FIG. 2 La FIG. 2 représente, de manière schématique et partielle, un deuxième exemple de réalisation de la grille. FIG. 2 La FIG. 2 représente, de manière schématique et partielle, un troisième exemple de réalisation de la grille. FIG. 3 La FIG. 3 représente, de manière schématique, la directivité de l’antenne de la FIG. 1 en fonction de la réflectivité de la grille. FIG. 4 La FIG. 4 représente des coupes d’une antenne selon l’invention. FIG. 5 La FIG. 5 représente, de manière schématique et partielle, une antenne selon un autre mode de réalisation de l’invention. FIG. 5 La FIG. 5 représente, de manière schématique et partielle, une antenne selon un autre mode de réalisation de l’invention. FIG. 5 La FIG. 5 représente, de manière schématique et partielle, une antenne selon un autre mode de réalisation de l’invention. La FIG. 1 représente une antenne 100 selon un premier mode de réalisation de l’invention. L’antenne 100 comprend une enceinte 110 comprenant une surface inférieure 111 et des bords latéraux 112. L’enceinte 110 est fermée par un couvercle 140. L’enceinte 110 est métallique et/ou en un matériau conducteur électrique parfait. Le couvercle 140 forme une surface extérieure partiellement réflective. Plus particulièrement, plus le coefficient de réflectivité diminue, plus son gain est faible. Le couvercle 140 est par exemple en matériau conducteur sous forme métallique ou sous forme de patch imprimé. L’antenne 100 comprend également un substrat 120 placé au fond de l’enceinte 110 sur sa surface inférieure 111 sur lequel est placé un élément rayonnant 130, et un radôme 150 placé dans l’enceinte 110 en vis-à-vis du substrat 120 et de l’élément rayonnant 130. Une grille 160 est placée sur une surface du radôme 150 en vis-à-vis du substrat 120 et de l’élément rayonnant 130. L’élément rayonnant 130 est configuré pour émettre un signal à au moins une première fréquence f. Le substrat 120 a une épaisseur t, par exemple comprise entre 0,1 mm et 10 mm. Le substrat est par exemple en verre-téflon. Une lame d’air 170 de hauteur H est formée entre la grille 160 et l’élément rayonnant 130 et forme une cavité résonnante grâce à la grille 160. La hauteur H de la lame d’air 170 est par exemple égale à λ/2 avec λ la longueur d’onde correspondante à la fréquence f d’émission de l’élément rayonnant 130. Le radôme 150 est par exemple en silice-silice et permet de protéger l’antenne 100 des températures supérieures à 1000 °C, et plus avantageusement des températures supérieures à 2500 °C. L’antenne 100, et plus particulièrement l’enceinte 110, est par exemple de forme circulaire. La forme circulaire simplifie la tenue du joint entre l’antenne 100 et l’enveloppe du véhicule spatial portant l’antenne 100 sous flux en rentrée. Néanmoins, d’autres formes sont possibles. L’antenne 100, et notamment son enceinte 110 peuvent par exemple être de forme carrée ou rectangulaire, ce qui permet de pouvoir régler le gain de l’antenne 100 dans plusieurs directions de manière indépendante, en ayant par exemple une antenne 100 très ouverte dans un plan et très directive dans un autre plan. La grille 160 peut présenter différents types de motifs. Les motifs peuvent être réguliers ou non, et leurs dimensions peuvent également varier. Ces motifs sont choisis de manière à contrôler la réflectivité de la grille 160. Ces motifs permettent également de contrôler la forme du lobe de l’antenne 100 ainsi que sa polarisation. De plus, les dimensions de ces motifs sont liées à la longueur d’onde choisie pour l’antenne 100 et peuvent donc varier entre deux antennes de fréquence différente présentant des caractéristiques similaires au niveau du lobe et/ou de la polarisation. Les figures 2A, 2B et 2C donnent des exemples de réalisation de motifs pour la grille 160. Sur ces trois figures, le radôme 250 est représenté en pointillés devant la grille 260A ( FIG. 2 ), ou 260B ( FIG. 2 ) ou 260C ( FIG. 2 ). Sur la FIG. 2 , la grille 260A est formée d’une succession de bandes 270, 271, 272 métalliques présentes sur un semi-conducteur 280. Par exemple, les bandes 270, 271, 272 ont une épaisseur e de 3,4 mm et sont espacées d’une largeur l de 4,3 mm. Sur la FIG. 2 , la grille 260B est formée d’une succession de bandes 201, 202, 203 ayant une épaisseur eb de 1 mm et une hauteur hb de 2 mm et sont espacées d’une largeur lb de 5,5 mm. Sur la FIG. 2 , le motif de la grille 260C est par exemple une succession de trous 210, 211, 212 présentant tous le même diamètre DC et dont les centres sont tous espacés d’une même distance dc. Par exemple, les trous 210, 211, 212 ont un diamètre DC de 6,5 mm et leurs centres sont espacés de dc = 1 mm. La grille 160 (ou les grilles 260A, 260B, 260C des figures 2A, 2B et 2C) peut être formée par un semi-conducteur dont la métallisation produit les motifs de la grille 160, ou elle peut être conductrice, par exemple métallique, et usinée selon les motifs de la grille 160. La FIG. 3 représente de manière schématique la directivité de l’antenne 100 en fonction de la réflectivité ρ de la grille 160. Plus la grille 160 est réflective, plus la directivité de l’antenne 100 augmente. Néanmoins, en augmentant la directivité de l’antenne 100, sa bande passante diminue. Le motif de la grille 160 est donc choisi de manière à trouver un compromis entre directivité et bande passante selon l’application. La FIG. 4 représente des coupes d’une antenne 400 selon l’invention. L’antenne 400 est par exemple l’antenne 100 de la FIG. 1 avec une grille 160 dont le motif peut être choisi parmi ceux des figures 2A, 2B ou 2C ou peut être un autre motif. En comparaison avec une antenne de l’art antérieur comprenant, comme l’antenne 400, un élément rayonnant apte à émettre un signal électromagnétique à une fréquence de 13,5 GHz, l’antenne de l’art antérieur a une masse de quelques kilogrammes, alors que l’antenne 400 a une masse d’environ 0,7 kg. L’antenne de l’art antérieur a une hauteur d’une centaine de millimètres pour un diamètre total de quelques centaines de millimètres ; alors que l’antenne 400 a une hauteur h400 de 63 mm pour un diamètre total DT400 de 130 mm, son enceinte 410 ayant un diamètre D400 de 80 mm. Le diamètre total DT400 inclut les dimensions des éléments de fixation 435 de l’antenne 400 sur un véhicule. En plus d’être plus compacte et plus légère, l’antenne 400 présente un gain supérieur de presque 4 dB par rapport à l’antenne de l’art antérieur. Cela permet d’augmenter la portée d’un système d’émission nécessitant ce type d’antenne d’un facteur 2,5 à 3. Les figures 5A, 5B et 5C représentent, de manière schématique et partielle, une antenne 500 selon un deuxième ( FIG. 5 ), un troisième ( FIG. 5 ) et un quatrième ( FIG. 5 ) mode de réalisation de l’invention. Comme précédemment décrite en FIG. 1 , l’antenne 500 comprend une enceinte 510 formée par une surface inférieure 511 et des bords latéraux et fermée par un couvercle dont la surface extérieure est partiellement réflective ; un substrat 520 placé au fond de l’enceinte 510 sur la surface inférieure 511 ; un élément rayonnant 530 placé sur le substrat 520 et un radôme 550 placé dans l’enceinte 510 en vis-à-vis du substrat 520. Le radôme 550 permet de protéger l’antenne des températures supérieures à 1000 °C, voire supérieures à 2500 °C. L’antenne 500 comprend également une grille 560 placée sur une surface du radôme en vis-à-vis de l’élément rayonnant 530 de manière à former une lame d’air 570 entre la grille 560 et le substrat 520. Comme indiqué précédemment, la grille 560 présente un motif dont on peut adapter la géométrie et les dimensions pour jouer sur sa réflectivité et obtenir une antenne plus ou moins directive. Dans ces modes de réalisation, l’épaisseur du radôme est variable et comprise entre les épaisseurs E1 et E2. Cela permet de dépointer le faisceau de l’antenne 500 par rapport au faisceau de l’antenne 100 de la FIG. 1 afin que le lobe principal soit orienté latéralement. Autrement dit, on peut dévier angulairement le faisceau électromagnétique émis par l’antenne 500 grâce à cette épaisseur variable. Cela permet de viser en amont la trajectoire du faisceau avant d’arriver sur la zone de réception du signal émis par l’antenne. Par exemple, si la différence entre E1 et E2 est de 10 mm, on peut dépointer le faisceau de 5 ° tout en ayant une perte de 1 dB au niveau du signal émis par l’antenne 500. Sur les figures 5A, 5B et 5C, la grille 560 et le substrat 520 sont parallèles entre eux. Sur la FIG. 5 , ils sont également parallèles à la surface supérieure 512 de l’enceinte 510, alors que le radôme 550 a une surface inclinée par rapport à cette même surface 512. Sur les figures 5B et 5C, la grille 560 et le substrat 520 sont inclinés par rapport à la surface supérieure 512 de l’enceinte 510 et le radôme 550 a une surface supérieure parallèle à la surface 512 de l’enceinte 510. L’enceinte 510 peut présenter un fond plat (figures 5A et 5C) ou un fond incliné ( FIG. 5 ). Il est également possible d’avoir une grille mobile afin d’obtenir une antenne bi-mode. Ainsi, selon un premier mode de fonctionnement, la grille peut être placée sur toute la surface du radôme en vis-à-vis de l’élément rayonnant. Dans ce premier mode, la grille est alors très réflective et donc la directivité de l’antenne est améliorée. Selon un deuxième mode de fonctionnement, on peut déplacer la grille afin de diminuer la réflectivité de la grille pour diminuer la directivité de l’antenne et avoir une antenne omnidirectionnelle. L’intérêt de ces deux modes de fonctionnement de la grille est de pouvoir, par exemple, rechercher une cible dans le deuxième mode puis réaliser l’émission du signal vers la cible dans le premier mode. L’antenne est alors adaptable selon les phases de vol du véhicule. Antenne (100, 400, 500) comprenant au moins : une enceinte (110, 410, 510) électriquement conductrice formée par une surface inférieure (111, 511) entourée de bords latéraux (112) et fermée par un couvercle (140) dont une surface extérieure est partiellement réflective ; un substrat (120, 520) placé au fond de l’enceinte sur la surface inférieure de l’enceinte ; et un radôme (150, 250, 550) placé dans l’enceinte en vis-à-vis du substrat et apte à protéger l’antenne des températures supérieures à 1000 °C ; caractérisée en ce que l’antenne comprend également un élément rayonnant (130, 530) placé sur le substrat dans l’enceinte et apte à émettre un signal à au moins une première fréquence (f), et une grille (160, 260A, 260B, 260C, 560) placée sur une surface du radôme en vis-à-vis de l’élément rayonnant de manière à former une lame d’air (170, 570) entre la grille et le substrat. Antenne selon la revendication 1, dans laquelle la grille est métallique. Antenne selon l’une quelconque des revendications 1 ou 2, dans laquelle le radôme est en silice-silice. Antenne selon l’une quelconque des revendications 1 à 3, dans laquelle la lame d’air a une hauteur (H) entre la grille et le substrat égale à la moitié de la longueur d’onde correspondante à la première fréquence (f). Antenne selon l’une quelconque des revendications 1 à 4, dans laquelle l’élément rayonnant est un patch rayonnant. Antenne (500) selon l’une quelconque des revendications 1 à 5, dans laquelle l’épaisseur (E1, E2) du radôme (550) est variable. Véhicule équipé d’au moins une antenne selon l’une quelconque des revendications 1 à 6. Véhicule selon la revendication 7, dans lequel le véhicule est un véhicule spatial. Véhicule selon la revendication 8, dans lequel le véhicule est un lanceur spatial, un véhicule d’exploration ou un satellite.