Réseau de guides d'ondes à section arrondie
Domaine technique
[0001] La présente invention concerne un réseau de guides d'ondes ainsi qu'une réseau d'antennes comprenant un tel réseau de guides d'ondes.
Etat de la technique
[0002] Les réseaux de guides d'ondes radiofréquence sont largement répandus dans de nombreux domaines des télécommunications, particulièrement dans le domaine des télécommunications par satellite.
[0003] Les contraintes liées à la charge utile des satellites limitent l'espace ainsi que le poids à disposition pour tous les éléments embarqués, notamment les éléments constitutifs des antennes et autres dispositifs radiofréquences passifs.
[0004] La fabrication additive de tels dispositifs permet avantageusement d'obtenir des géométries complexes permettant une optimisation de l'espace occupé par les dispositifs ainsi qu'une méthode de fabrication ne nécessitant que très peu d'étapes d'assemblage, réduisant ainsi le temps ainsi que le coût de fabrication. Cependant, la fabrication additive possède également certaines contraintes, notamment en termes de géométrie des dispositifs, afin d'être réalisable.
[0005] Il y a donc un besoin de dispositifs radiofréquences passifs dont la compacité est optimisée, dont le poids est réduit au minimum et dont la géométrie est adaptée pour la fabrication additive.
[0006] Il y a aussi un besoin pour des géométries alternatives de réseau de guide d'ondes, afin d'offrir au concepteur une plus grande liberté de conception.
[0007] Les réseaux de guide d'onde comprennent souvent des arrangements matriciels de guides d'ondes à section transversale rectangulaire, ou des arrangements en nid d'abeille de guides d'ondes à section hexagonale. Dans ces arrangements, chaque guide d'onde à l'exception de ceux du bord du réseau partage toutes ses parois avec des guides d'onde adjacents. Cette mutualisation des parois permet de réduire le poids et l'encombrement du réseau.
[0008] Contrairement à ce que l'on pourrait imaginer intuitivement, ces dispositions dans lequel toutes les parois sont partagées ne permettent pas toujours d'obtenir un ratio optimal entre la surface des canaux et la surface des parois. En effet, les parois des guides d'ondes doivent avoir une épaisseur suffisante pour garantir la rigidité du réseau ainsi que l'évacuation de chaleur. Cette épaisseur importante de toutes les parois tend à alourdir le réseau et à augmenter son encombrement.
[0009] Par ailleurs, la fabrication additive de réseaux de guide d'ondes à section transversale rectangulaire ou hexagonale est difficile, en raison du nombre de parois en porte-à-faux lors de l'impression.
[0010] Des réseaux formés de guide d'onde à section circulaire disposés en matrice ont aussi été imaginés. Dans cette disposition, chaque guide d'onde partage seulement une longueur de son contour très limitée avec ses voisins, par exemple quatre points. Le ratio entre la surface des canaux et la surface des parois est donc défavorable.
Bref résumé de l'invention
[0011] Un but de la présente invention est de proposer un réseau de guides d'ondes exempt des limitations présentes dans l'art antérieur.
[0012] Un autre but de l'invention est proposer un réseau de guides d'ondes facilitant sa fabrication additive.
[0013] Un autre but de l'invention est de proposer un réseau de guides d'ondes permettant de limiter les étapes d'assemblages lors de sa fabrication.
[0014] Un autre but de l'invention est de proposer un réseau de guides d'ondes à compacité optimisée.
[0015] Un autre but de l'invention est de proposer un réseau de guides d'ondes plus léger que les réseaux de guides d'ondes de l'art antérieur.
[0016] Selon l'invention, ces buts sont atteints notamment au moyen d'un réseau de guides d'ondes obtenu par fabrication additive comprenant des guides d'ondes arrangés deux par deux de manière à former au moins un couple de guides d'ondes, chaque couple de guides d'ondes comprenant : un premier canal de guide d'ondes, et un second canal de guide d'ondes; le premier et le second canal comprennent une section transversale ovale non circulaire avec un axe de symétrie et au moins une portion non rectiligne, et en ce que le premier guide d'ondes et le second guide d'ondes possèdent une portion de paroi commune.
[0017] Une section ovale est une section formée par une courbe fermée différentiable, qui comporte au moins un axe de symétrie et qui ressemble
plus ou moins à une ellipse. Des formes d'ellipse, d'œuf, de stade, de cacahouète sont par exemple considérées dans la présente demande comme des ovales.
[0018] Par rapport aux réseaux formés de guide d'ondes à section circulaire, la forme ovale permet d'augmenter la portion de parois communes partagées entre guides d'ondes voisins, et donc d'améliorer le ratio entre la surface de parois et la surface de canaux.
[0019] La forme ovale offre aussi l'avantage d'être généralement plus simple à réaliser par fabrication additive que d'autres formes qui comportent davantage de portions en porte-à-faux.
[0020] Des formes ovales ne peuvent pas être juxtaposées parfaitement sur un plan sans laisser subsister des zones entre ces formes. Ces zones habituellement considérées comme indésirable sont mises à profit dans l'invention en les remplissant, au moins partiellement, de manière à créer localement des parois plus épaisses qui renforcent la rigidité du dispositif et permettent d'améliorer l'évacuation de chaleur. Par conséquent, les autres portions de parois partagées, entre ces zones de renforcement, peuvent être imprimées avec une épaisseur plus fine. Ainsi, et contrairement à ce que l'on pourrait penser a priori, la juxtaposition imparfaite de canaux de guide d'ondes avec la forme revendiquée permet créer des zones de renforcement qui au final permettent de réduire l'épaisseur des autres parois, et donc de réduire le poids et l'encombrement du réseau par rapport à des réseaux formés de guide d'ondes à section rectangulaire ou hexagonale dans lesquelles toutes les parois sont mutualisées.
[0021] Dans une variante, ces zones de renforcement peuvent être percées d'ouvertures pour évacuer la chaleur et réduire encore le poids du réseau.
[0022] Dans un premier mode de réalisation le premier et le second canal comprennent une section ovale non circulaire avec deux axes de symétrie.
[0023] Les canaux de guide d'onde comportent alternativement, le long de leur plus grande dimension, une première extrémité convexe, une portion de liaison concave, et une seconde extrémité convexe.
[0024] La portion de liaison peut comporter deux parois concaves en face l'une de l'autre.
[0025] La dimension du canal dans une direction perpendiculaire à ladite plus grande dimension est plus grande auxdites extrémités que dans la portion de liaison.
[0026] Dans ce mode de réalisation, la section du canal est ainsi sensiblement une section en forme géométrique de cacahouète.
[0027] Le contour des extrémités forme par exemple un arc de cercle d'au moins 190°, de préférence au moins 210°. La portion de liaison peut se connecter à ces extrémités sont une direction tangentielle à ces arcs de cercle.
[0028] Une paroi concave de la portion de liaison concave peut comporter une strie.
[0029] Deux parois internes du premier guide d'ondes et deux parois internes du second guide d'ondes peuvent comprendre chacun une strie.
[0030] Le réseau peut comporter une première ligne (ou tranche) de guides d'ondes juxtaposés dans la direction de leur plus grande élongation, et une deuxième ligne (ou tranche) de guides d'ondes juxtaposés dans la direction de leur plus grande élongation, la deuxième ligne étant décalée
d'une demi longueur de guide d'onde par rapport à la première ligne.
Ainsi, une portion convexe de chaque d'onde s'appuie contre la portion de liaison convexe d'une guide d'onde sur une ligne adjacente.
[0031] Dans un autre mode de réalisation, les canaux de guide d'onde comportent alternativement, le long de leur plus grande dimension, une première extrémité convexe, et une seconde extrémité formée de deux parois non parallèles.
[0032] Les canaux de guide d'onde ont alors sensiblement une forme de goutte d'eau.
[0033] Les parois non parallèles se rejoignent afin de former la deuxième extrémité du canal.
[0034] Le contour de la première extrémité convexe peut former un arc de cercle d'au moins 180°.
[0035] Les parois non parallèles peuvent prolonger la première extrémité convexe selon deux tangentes.
[0036] Chaque canal peut comporter une ou plusieurs stries.
[0037] Le réseau selon ce deuxième mode de réalisation peut comporter une première ligne de guides d'ondes juxtaposés dans une direction perpendiculaire à leur plus grande élongation, et une deuxième ligne de guides d'ondes juxtaposés dans la direction de leur plus grande élongation, les deux lignes étant tête bêche, la deuxième ligne étant décalée d'une demi largeur de guide d'onde par rapport à la première ligne.
[0038] Le réseau peut comporter une troisième ligne de guides d'ondes juxtaposés dans une direction perpendiculaire à leur plus grande élongation, et une quatrième ligne de guides d'ondes juxtaposés dans la
direction de leur plus grande élongation, la troisième ligne étant juxtaposée à la deuxième ligne.
[0039] Le réseau de guides d'ondes peut comprendre en outre des jonctions Y pour fonctionner comme réseau de combinateurs.
[0040] Un réseau d'antennes à double polarisation obtenu par fabrication additive peut comprendre un réseau de guides d'ondes tel qui ci-dessus, et une pluralité d'éléments radiants, chaque élément radiant étant couplé à l'extrémité d'exactement un couple de guides d'ondes du réseau.
[0041] Une portion d'adaptation de section peut être prévue entre chaque guide d'ondes et chaque élément radiant.
[0042] Un septum peut être prévu entre chaque élément radiant et une paire de guides d'ondes.
[0043] Un tel réseau d'antennes peut comprendre au moins huit guides d'ondes et les couples de guides d'ondes étant disposés de manière contigüe selon une première direction et selon une seconde direction, en sorte que deux couples successifs selon la première direction possèdent au moins une paroi de guide d'ondes en commun et en sorte que deux couples successifs selon la seconde direction possèdent au moins une paroi de guide d'ondes en commun.
[0044] L'invention peut aussi concerner un réseau de guides d'ondes destiné à transmettre une seule polarisation, comportant plusieurs lignes (ou tranches) de guides d'onde, chaque ligne comprenant des combineurs de puissance, des guides d'onde coudés et des sections rectilignes, dans lequel les guides d'ondes rectilignes de chaque ligne ont des sections telles que décrites selon le premier ou le deuxième mode de réalisation.
21.03.2024
[0045] L'invention peut aussi concerner un réseau de guides d'ondes destiné à transmettre deux polarisations, comportant au moins une ligne (ou tranche) de guide d'ondes destinés à transmettre un signal de première polarisation et au moins une deuxième ligne (ou tranche) de guides d'onde destinés à transmettre un signal de deuxième polarisation, chaque ligne comprenant des combineurs de puissance, des guides d'onde coudés et des sections rectilignes, dans lequel les guides d'ondes rectilignes de chaque ligne ont des sections telles que décrites selon le premier ou le deuxième mode de réalisation.
Brève description des figures
[0046] Des exemples de mise en œuvre de l'invention sont indiqués dans la description illustrée par les figures annexées dans lesquelles :
• La figure 1 illustre schématiquement une vue en coupe transversale d'un guide d'onde selon un premier mode de réalisation.
• La figure 2 illustre schématiquement une vue en coupe transversale d'un guide d'onde selon un premier mode de réalisation, muni ici d'une seule strie.
• La figure 3 illustre schématiquement une vue en coupe transversale d'un réseau de guides d'onde selon le premier mode de réalisation.
• La figure 4 illustre schématiquement une vue en coupe transversale d'un réseau de guides d'onde selon un deuxième mode de réalisation.
Exemple(s) de mode de réalisation de l'invention
[0047] La figure 1 illustre la section transversale d'un guide d'onde selon un premier mode de réalisation, sensiblement en forme de cacahouète. Le guide d'onde comporte une âme 100 réalisée par fabrication additive, par
RECTIFIED SHEET (RULE 91) ISA/EP
exemple une âme métallique, et un revêtement 101 conducteur sur une paroi interne de cette âme.
[0048] La section transversale du canal 10 de guides d'ondes est ovale, non circulaire, et possède un premier axe de symétrie selon la direction de plus longue élongation x, ainsi qu'un deuxième axe de symétrique selon une direction y perpendiculaire à cette direction de plus élongation.
[0049] Selon la direction de plus longue élongation x, le canal 10 comporte alternativement une première extrémité convexe 110, une portion de liaison concave 111, et une seconde extrémité convexe 112. La dimension du canal dans la direction y perpendiculaire à ladite plus grande élongation x est plus grande auxdites extrémités que dans la portion de liaison.
[0050] La portion de liaison 11 comporte deux portions concaves 1110, 1111 en face l'une de l'autre. Ces portions concaves forment deux stries en regard l'une de l'autre permettant de filtrer certains modes de transmission. Une strie additionnelle 14 peut être prévue sur une des sections concaves afin de renforcer ce filtrage, comme illustré sur la figure 2. Il est aussi possible de prévoir plus d'une strie de ce type dans le canal.
[0051] Les parois des stries 14 peuvent être adaptée pour faciliter leur fabrication additive. Par exemple, les angles entre les parois des stries et la direction d'impression peut être adapté pour limiter les portions en porte- à-faux. Alternativement ou complémentairement, les stries peuvent comprendre des portions arrondies afin de faciliter l'impression additive.
[0052] Le contour des extrémités 110, 112 peut former un arc de cercle d'au moins 190°, de préférence d'au moins 210°. Il est aussi possible de prévoir des extrémités de forme différente.
[0053] Les sections de la portions de liaison 1110 prolongent les sections d'extrémité avec lesquelles elles se raccordent selon des tangentes, de manière à réaliser une courbe continue et différentiable.
[0054] La paroi du guide d'onde illustré sur la figure 1 est sensiblement constante. Un réseau en formé en juxtaposant plusieurs guides d'onde de cette forme, comme illustré sur la figure 3. Des portions de parois de guides d'ondes adjacents sont alors partagées.
[0055] La juxtaposition de guides d'ondes selon les figures 1 et 2 laisse subsister des zones non occupées par les motifs élémentaires de la figure 1. Ces zones peuvent être remplies de métal, lors de la fabrication additive, et former ainsi des zones de renforcement mécanique et pour l'évacuation de la chaleur. La rigidité mécanique et l'évaluation de chaleur étant renforcées grâce à ces zones, il est possible de diminuer l'épaisseur des parois de guides d'ondes aux autres endroits, et donc de réduire le poids et l'encombrement du réseau.
[0056] Des ouvertures longitudinales 21 optionnelles peuvent être prévues dans ces zones de renforcement 20, afin de refroidir le réseau et de l'alléger encore.
[0057] Le réseau de guides d'ondes comprend avantageusement un nombre pair de guides d'ondes. Les guides d'ondes du réseau sont arrangés deux par deux de manière à former des couples de guides d'ondes. Chaque couple de guide d'ondes comprend un premier guide d'ondes 10 permettant de propager une onde électromagnétique ayant une première polarisation P1 et un second guide d'ondes 11 permettant de propager une onde électromagnétique ayant une seconde polarisation P2. Ainsi, chaque couple de guides d'ondes permet de supporter deux polarisations. Ces couples sont caractérisés en ce que les guides d'ondes qui les forment partagent une portion de paroi.
[0058] Il est aussi possible de prévoir un réseau d'un des types décrit dans cette description, mais dans lequel chaque guide d'onde transmet la même polarisation.
[0059] Le réseau de guides d'onde est formé en créant des lignes de guides d'onde. Une première ligne 120 est formée en juxtaposant des guides d'ondes dans une direction x perpendiculaire à leur plus grande élongation. Une deuxième ligne 121 est formée en juxtaposant d'autres guides d'ondes dans la direction de leur plus grande élongation. Les deux lignes sont assemblées en décalant la deuxième ligne 121 d'une demi largeur de guide d'onde par rapport à la première ligne 120.
[0060] La figure 4 illustre un réseau de guides d'ondes réalisé par fabrication additive, selon un deuxième mode de réalisation. Chaque guide d'onde 10, 11 comporte une section transversale sensiblement en forme de goutte d'eau.
[0061] Le guide d'onde comporte une âme 100 réalisée par fabrication additive, par exemple une âme métallique, et un revêtement 101 conducteur sur une paroi interne de cette âme.
[0062] La section transversale du canal 10 de guides d'ondes est ovale, non circulaire, et possède un seul axe de symétrie selon la direction de plus longue élongation x.
[0063] Selon la direction de plus longue élongation x, le canal 10 comporte alternativement une première extrémité convexe 113, et une seconde extrémité formée de deux parois non parallèles 114, 115. Ces parois non parallèles se rejoignent. Les parois non parallèles 114, 115 prolongent la première extrémité convexe 113 selon deux tangentes.
[0064] Dans cet exemple, le contour de la première extrémité convexe forme un arc de cercle d'au moins 180°. D'autres courbes convexes peuvent être imaginées.
[0065] Le canal 10, 11 peut être muni d'une strie (non illustré), ou de plusieurs stries, sur n'importe quelle portion du canal, afin de filtrer certains modes de transmission.
[0066] Les guides d'onde selon le premier et le deuxième mode de réalisation décrits peuvent être rectilignes ou coudés. Il est aussi possible de prévoir des combineurs, par exemple des combineurs en Y ou en H, avec plusieurs branches de section telle que décrite.
[0067] Le réseau de guides d'onde est formé en créant des lignes de guides d'onde. Une première ligne 130 est formée en juxtaposant des guides d'ondes dans une direction x perpendiculaire à leur plus grande élongation. Une deuxième ligne 131 est formée en juxtaposant d'autres guides d'ondes dans la direction de leur plus grande élongation. Les deux lignes sont assemblées tête bêche, en décalant la deuxième ligne 131 d'une demi largeur de guide d'onde par rapport à la première ligne 130. Cela permet de partager les parois non parallèles 114, 115 entre guides d'onde de deux lignes.
[0068] Le guide d'ondes peut comporter une troisième ligne 132 de guides d'ondes juxtaposés dans la direction x, et une quatrième ligne 133 de guides d'ondes juxtaposés et déphasées par rapport à la troisième ligne d'une demi-largeur de guide d'onde. La deuxième et la troisième ligne sont adjacentes, les guides d'onde étant en contact via un portion de leur paroi de première extrémité convexe.
[0069] La juxtaposition de guides d'ondes en forme de gouttes d'eau laisse subsister des zones non occupées par les motifs élémentaires notamment entre les lignes 2 et 3. Ces zones peuvent être remplies de métal, lors de la fabrication additive, et former ainsi des zones de
renforcement mécanique et pour l'évacuation de la chaleur. La rigidité mécanique et l'évaluation de chaleur étant renforcées grâce à ces zones, il est possible de réduire l'épaisseur des parois de guides d'ondes aux autres endroits, afin de réduire le poids et l'encombrement du réseau.
[0070] La présente invention concerne également un réseau d'antennes 2 à double polarisation obtenu par fabrication additive et incluant un réseau de guides d'ondes 1 tel que décrit ci-dessus ainsi qu'une pluralité d'éléments radiants couplés aux couples de guides d'ondes.
[0071] Dans un mode de réalisation, chaque élément radiant est connecté à un couple de guides d'ondes 10, 11 de sorte à émettre ou recevoir un signal à double polarisation (P1,P2), le premier guide d'ondes 10 du couple propageant la première polarisation P1 et le second guide d'ondes 11 du couple propageant la seconde polarisation P2.
[0072] La fabrication additive est particulièrement adaptée pour la réalisation de tels réseaux de guides d'ondes et d'antennes. En effet, elle permet d'obtenir une densité optimisée des différents réseaux de guides d'ondes. Par ailleurs, elle permet de limiter drastiquement le temps et le coût de fabrication. En effet, la réalisation de pièces monolithiques en fabrication additive permet de réduire au minimum le nombre de pièces devant être assemblées pour obtenir le dispositif final. Dans certains cas, ce nombre de pièces est égal à un et ne nécessite aucun assemblage.
[0073] Dans un mode de réalisation, le réseau 1 de guides d'ondes opère comme combinateur/diviseur et/ou comme réseau de formation faisceaux. Typiquement, le réseau de guides d'ondes comprend en outre des jonctions Y pour fonctionner comme réseau de combinateurs.
[0074] Dans certains mode de réalisation, le réseau de guides d'ondes et/ou d'antennes comprennent en outre des éléments tels qu'un septum, des éléments d'adaptation d'impédance, des combinateurs et/ou diviseurs de puissance, des filtres passifs.
[0075] Les réseaux décrits sont typiquement destinés à opérer dans les bandes de fréquence X, Ku, Ka, QV, Ku/Ka et/ou Ka/QV.