Login| Sign Up| Help| Contact|

Patent Searching and Data


Title:
PATCH ANTENNA FOR EQUIPPING A SPACECRAFT
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2019/141947
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to a patch antenna (1) for equipping a spacecraft, the antenna comprising: - a dielectric substrate (3); - a radiating antenna element (5) which is located on the dielectric substrate and has a center of symmetry (Cl) and a material-free zone (7), the center of symmetry being located in the material-free zone; and - a protective layer covering the radiating antenna element.

Inventors:
LECERF, Nathalie (8 Allée de Haute Grave Appt 16, SAINT AUBIN DE MEDOC, 33160, FR)
VILLERS, Serge (6 rue Castillon, LE BOUSCAT, 33110, FR)
Application Number:
FR2019/050095
Publication Date:
July 25, 2019
Filing Date:
January 17, 2019
Export Citation:
Click for automatic bibliography generation   Help
Assignee:
ARIANEGROUP SAS (Tour Cristal, 7-11 Quai André Citroën, PARIS, 75015, FR)
International Classes:
H01Q1/28; H01Q1/40; H01Q9/04; H01Q13/10
Domestic Patent References:
WO2003007425A12003-01-23
WO2012069492A12012-05-31
WO2003007425A12003-01-23
WO2012069492A12012-05-31
Foreign References:
US5977924A1999-11-02
KR20080073568A2008-08-11
FR2736213A11997-01-03
EP0598580A11994-05-25
US5977924A1999-11-02
EP0598580A11994-05-25
FR2736213A11997-01-03
Other References:
P. SHARMA ET AL: "Analysis and optimized design of single feed circularly polarized microstrip antennas", IEEE TRANSACTIONS ON ANTENNAS AND PROPAGATION, vol. 31, no. 6, 1 November 1983 (1983-11-01), USA, pages 949 - 955, XP055568431, ISSN: 0096-1973, DOI: 10.1109/TAP.1983.1143162
Attorney, Agent or Firm:
LAÏK, Eric et al. (CABINET BEAU DE LOMENIE, 158 Rue de l'Université, PARIS Cedex 07, 75340, FR)
Download PDF:
Claims:
REVENDICATIONS

1. 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, la zone dépourvue de matière étant une fente et ayant une forme rectangulaire, l'élément d'antenne présentant au moins deux coins (COI ; C02) symétriques l'un de l'autre par rapport au centre de symétrie, un premier axe (XI) reliant ces deux coins, et la zone dépourvue de matière s'étendant le long d'un deuxième axe (X2) formant un angle (a) inférieur ou égal à 5° avec le premier axe, et

- une couche de protection (9) recouvrant l'élément d'antenne rayonnant.

2. Antenne (1) selon la revendication 1, dans laquelle l'épaisseur (e9) de la couche de protection (9) est inférieure ou égale à 5 mm.

3. Antenne (1) selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, dans laquelle la couche de protection (9) est directement au contact de l'élément d'antenne (5) et du substrat diélectrique (3).

4. Antenne (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans laquelle la couche de protection (9) est une couche de protection thermique ou une couche de protection contre les radiations spatiales. 5. Antenne selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans laquelle le deuxième axe (X2) est colinéaire au premier axe (XI).

6. Antenne selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, dans laquelle l'élément d'antenne (15) comprend deux sommets tronqués (C03 ; C04) symétriques par rapport au centre (Cl) de symétrie.

7. Véhicule spatial (V) équipé sur sa surface externe (S) d'au moins une antenne (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 6.

8. Véhicule spatial (V) selon la revendication 7, dans lequel le véhicule comprend sur sa surface externe (S) une pluralité d'antennes (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 6 réparties uniformément sur cette surface.

9. Véhicule spatial (V) selon la revendication 7 ou 8, dans lequel le véhicule est un lanceur spatial ou un satellite.

Description:
Antenne planaire destinée à équiper un véhicule spatial

La présente invention concerne une antenne planaire destinée à équiper un véhicule spatial, tel qu'un lanceur spatial ou un satellite.

Arrière-olan 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 »).

Diverses structures d'antenne sont connues de WO 03/007425, US 5 977 924, EP 0 598 580, WO 2012/069492 et FR 2 736 213.

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 matière s'étendant le long d'un deuxième axe formant un angle inférieur ou égal à 5° avec le premier axe.

Une telle caractéristique permet d'obtenir une polarisation circulaire pour le rayonnement produit, et donc une atténuation réduite 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.

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 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 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 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 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 spatial ou un satellite.

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 :

- 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,

- 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, 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.

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 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 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.

Le substrat diélectrique 3 peut présenter une pluralité d'ajours traversant 8 permettant chacun le passage d'un élément de fixation, tel 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 exemple en cuivre. L'élément d'antenne 5 a une forme plane. L'épaisseur e 5 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 Fl du substrat diélectrique 3. L'élément d'antenne 5 peut être au contact du substrat diélectrique 3.

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 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 substrat diélectrique 3, opposée à la première face Fl. 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 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 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 de matière. L'élément d'antenne 5 peut présenter une unique zone 7 dépourvue 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 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 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 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 entre la longueur L1 et la largeur L2 (L1/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 COI et C02 symétriques l'un de l'autre par rapport au centre de symétrie Cl. Les coins COI et C02 peuvent chacun former un sommet de l'élément d'antenne 5. Les coins COI et C02 peuvent chacun former un angle inférieur ou égal à 90°. Dans l'exemple illustré, les coins COI et C02 forment chacun un angle droit, égal à 90°.

Les coins COI et C02 peuvent être reliés par un premier axe XI. Le premier axe XI 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 axe XI. En particulier, le deuxième axe X2 est, dans l'exemple illustré à la figure 1, colinéaire au premier axe XI 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 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 Fl 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 sein. L'épaisseur e 9 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.

La couche de protection thermique peut présenter une conductivité thermique, mesurée à 50°C, inférieure ou égale à 0,3 W.rrf 1 .K 1 , par exemple à 0,2 W.m^.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.

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 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 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. 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 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 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 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

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 C03 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 C03 et C04. 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 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 non nul avec le premier axe XI, 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 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. L'expression « compris(e) entre ... et ... » doit se comprendre comme incluant les bornes.