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French to English: Telecommunication antenna reflector for high-frequency applications in a geostationary space environment General field: Tech/Engineering Detailed field: Aerospace / Aviation / Space
Source text - French Réflecteur d'antenne de télécommunication pour application à hautes fréquences dans un environnement spatial géostationnaire
ABSTRACT
Réflecteur d'antenne (R) compatible avec des applications à hautes fréquences comprises entre 12 et 75 GHz et adapté pour un environnement spatial géostationnaire de forme paraboloïdale ou ellipsoïdale comprenant une face réfléchissante permettant de focaliser un rayonnement électromagnétique, le réflecteur (R) comprend une superposition d'au moins une couche (Cn) comprenant un matériau (M) composite fibré. Le réflecteur comprend au moins une couche (Cn) de matériau (M) composite fibré comprenant des secteurs angulaires [(Si)n] disposés autour d'un centre (c), chacun des secteurs angulaires [(Si)n] est défini par un premier angle au centre [(αi)n], et est orienté selon une direction (dR) radiale médiane de l'angle au centre [(αi)n], chacun des secteurs angulaires [(Si)n] comprend le matériau (M) composite fibré comprenant des premières fibres (f1) orientées dans une première direction [(di1)n] et des deuxièmes fibres (f2) orientées dans une deuxième direction [(di2)n] différente de la première direction [(di1)n], la première direction [(di1)n] des premières fibres (f1) d'un secteur angulaire [(Si)n] formant un deuxième angle [(βi)n] avec la direction (dR) radiale du segment angulaire [(Si)n] Les secteurs angulaires [(Si)n] comprennent trois zones concentriques : une zone centrale (Zc), une zone périphérique (Zp) et une zone intermédiaire (Zi) située entre la zone centrale (Zc) et la zone périphérique (Zp), la zone intermédiaire (Zi) formant un rebord.
CLAIMS(15)
Réflecteur d'antenne (R) compatible avec des applications à hautes fréquences comprises entre 12 et 75 GHz et adapté pour un environnement spatial géostationnaire de forme paraboloïdale ou ellipsoïdale comprenant une face réfléchissante permettant de focaliser un rayonnement électromagnétique, le réflecteur (R) comprend une superposition d'au moins une couche (Cn) comprenant un matériau (M) composite fibré, caractérisé en ce qu'au moins une couche (Cn) de matériau (M) composite fibré comprend des secteurs angulaires [(Si)n] disposés autour d'un centre (c), chacun des secteurs angulaires [(Si)n] est défini par un premier angle au centre [(αi)n], et est orienté selon une direction (dR) radiale médiane de l'angle au centre [(αi)n], chacun des secteurs angulaires [(Si)n] comprend le matériau (M) composite fibré comprenant des premières fibres (f1) orientées dans une première direction [(di1)n] et des deuxièmes fibres (f2) orientées dans une deuxième direction [(di2)n] différente de la première direction [(di1)n], la première direction [(di1)n] des premières fibres (f1) d'un secteur angulaire [(Si)n] formant un deuxième angle [(βi)n] avec la direction (dR) radiale du segment angulaire [(Si)n] et en ce que les secteurs angulaires [(Si)n] comprennent trois zones concentriques : une zone centrale (Zc), une zone périphérique (Zp) et une zone intermédiaire (Zi) située entre la zone centrale (Zc) et la zone périphérique (Zp), la zone intermédiaire (Zi) formant un rebord.
Réflecteur selon la revendication 1 dans lequel le deuxième angle [(βi)n] est compris entre 0 et 60°.
Réflecteur selon la revendication 1 ou 2 dans lequel au moins une couche comprend une partie centrale (PC) centrée sur le centre (C).
Réflecteur selon l'une des revendications précédentes dans lequel l'écart angulaire (θ) entre le deuxième angle (βi)n d'un premier segment angulaire [(Si)n] d'une couche [(C)n] et le deuxième angle [(βi)n+1] d'un premier secteur angulaire [(Si)n+1] d'une couche [(C)n+1] successive est constant.
Réflecteur selon l'une des revendications précédentes dans lequel la superposition comprend entre 2 et 10 couches [(C)n].
Réflecteur selon l'une des revendications précédentes dans lequel l'écart angulaire (θ) est compris entre 0°et 60°
Réflecteur selon l'une des revendications dans lequel des premiers secteurs angulaires [(SA)n] ont un angle au centre d'une valeur de (αi+X) et des deuxièmes secteurs angulaires [(SB)n] ont un angle au centre d'une valeur de (αi-X), un premier secteur [(SA)n] angulaire alternant avec un deuxième secteur [(SB)n] angulaire dans une couche [(C)n]
Réflecteur selon la revendication 7 dans lequel l'angle X est compris entre 2° et 5°.
Réflecteur selon la revendication 6 dans lequel les premiers secteurs [(SA)n] angulaires d'une couche [(C)n] recouvrent les deuxièmes secteurs [(SB)n] angulaires de la couche [(C)n+1] successive, de manière à assurer une continuité de la tenue mécanique entre secteurs consécutifs.
Réflecteur selon l'une des revendications précédentes dans lequel la zone intermédiaire (Zi) forme un rebord de forme concave.
Réflecteur selon l'une des revendications précédentes dans lequel la direction de la zone périphérique (Zp) forme un troisième angle (γ) avec un axe vertical passant par les centres (c) des parties centrales (Pc) des couches [(C)n], le troisième angle (γ) étant compris entre 0 et 30°.
Réflecteur (R) selon l'une des revendications précédentes dans lequel le réflecteur (R) a un diamètre compris entre 250 et 700 mm.
Réflecteur (R) selon l'une des revendications précédentes dans lequel le matériau (M) composite fibré comprend un matériau fibré imprégné d'une résine thermodurcissable.
Réflecteur des revendications 1 à 12 dans lequel le matériau (M) composite fibré est un matériau fibré imprégné d'une résine thermoplastique.
Réflecteur selon l'une des revendications 12 ou 13 dans lequel le matériau fibré est un tissu.
DESCRIPTION
[0001]
L'invention se situe dans le domaine des satellites de télécommunication comprenant des antennes passives équipées de réflecteurs. L'invention est particulièrement destinée pour des applications dans des bandes de très hautes fréquences de type Ka et Q/V mais répond aussi aux exigences techniques moindres de la bande de fréquences Ku.
[0002]
La bande de fréquences désignée Ku correspond aux fréquences comprises entre 12 et 18 GHz soit une longueur d'onde comprise entre 2,5 et 1,6 cm. La bande de fréquences désignée Ka correspond aux fréquences comprises entre 26,5 et 40 GHz soit une longueur d'onde comprise entre 11,3 et 7,5 mm.
[0003]
La bande de fréquences désignée Q/V correspond aux fréquences comprises entre 33 et 75 GHz soit une longueur d'onde comprise entre 9, 1 et 3,3 mm.
[0004]
Il existe une multitude d'application faisant intervenir les antennes à réflecteurs. Elles ont pour principal objectif d'atteindre des gains élevés en construisant des réflecteurs immenses, ce qui n'est envisageable que pour les radiotélescopes au sol.
[0005]
Pour les satellites, les gains demandés sont moins importants (de l'ordre de 40 à 50 dB), mais la principale contrainte se situe au niveau de l'encombrement et de la masse à envoyer dans l'espace. En effet, il n'est pas possible de surdimensionner les réflecteurs pour améliorer le gain.
[0006]
Une des solutions consiste à utiliser le concept d'antenne de type grégorienne à deux réflecteurs positionnés en vis-à-vis et permettant d'obtenir dans un petit volume une antenne à focale équivalente plus importante.
[0007]
Pour ce type d'antenne, les réflecteurs doivent :
avoir un diamètre compris entre 250 et 1200 mm compatible avec un environnement spatial,
présenter un profil réfléchissant fabriqué avec une très grande précision. Le défaut de fabrication d'une surface active peut être évalué à partir de la valeur RMS. La valeur RMS est la valeur moyenne des écarts type entre le profil de la surface élaborée et le profil de la surface théorique souhaitée. Les applications dans des bandes de fréquences Q/V nécessitent d'atteindre un RMS de l'ordre de 20 microns,
afficher une grande stabilité du profil réfléchissant sur une large plage de température, allant de -200°C à +200C. Ceci impose l'utilisation de matériaux à faible coefficient de dilatation thermo élastique.
être rigides, autrement dit, le premier mode de résonance doit être supérieur à une fréquence de 60Hz pour un type d'antenne défini.
être de faibles poids, typiquement, une masse inférieure à 400 g pour un réflecteur de 500 mm de diamètre par exemple, et
de mise en oeuvre facile de manière à limiter les coûts de production.
[0008]
Une première technologie classique dite technologie « coque épaisse » est largement répandue. Cette technologie repose sur une structure dite « sandwich ». Un réflecteur élaboré selon cette technologie comprend deux membranes ou peaux et un espaceur correspondant à une structure maintenant une position relative des membranes et assurant la rigidité de la structure « sandwich » ainsi formée. Pour les applications spatiales, les membranes sont généralement réalisées à base de renfort de carbone et l'espaceur est généralement de type « nid d'abeilles » ou CFRP (Carbon Fiber Renforced Polymer).
[0009]
Ce concept est particulièrement compétitif pour les réflecteurs dont le diamètre est compris entre 1 et 2 m, l'assemblage de ce type de structure est toutefois trop complexe et donc trop coûteux pour les réflecteurs de petit diamètre.
[0010]
De plus, cette technologie requiert l'utilisation de grande quantité de colle, ce qui non compatible avec des applications à des températures élevées.
[0011]
Par ailleurs, un réflecteur de diamètre 500 mm élaboré suivant la technologie dite « coque épaisse » pèse 550 g. Cette technologie ne permet pas d'atteindre les objectifs de poids fixés pour les applications dans un environnement spatial.
[0012]
Une deuxième technologie dite « métallique » est utilisée pour l'élaboration de réflecteurs de petit diamètre. Les réflecteurs sont classiquement réalisés par usinage. Cette technologie est économiquement intéressante.
[0013]
Par contre, cette technologie est peu performante concernant les objectifs de poids. En effet, la masse d'un réflecteur principal de 500 mm diamètre comprenant un alliage de type Ta6V est d'environ 900 g, soit plus de deux fois les objectifs de poids souhaités pour des applications spatiales.
[0014]
Une troisième technologie dite « Isogrid » décrite dans la demande de brevet EP 0948085 est techniquement très performante.
[0015]
Ce produit est un réflecteur comprenant une membrane sur laquelle est fixé un réseau de raidissage. Le réseau de raidissage est une grille de renfort formant un motif triangulaire dit « Isogrid » disposé de manière adjacente à la première structure, le réseau de raidissage étant fixé à la membrane par collage.
[0016]
La complexité d'assemblage de la grille de renfort rend cette technologie peu performante économiquement pour les réflecteurs de petit diamètre, de la même manière que la technologie dite « coque épaisse ».
[0017]
Une quatrième technologie dite « technologie monolithique à raidisseur périphérique » permet de surmonter les problèmes liés au poids.
[0018]
Cette technologie comprend une membrane monolithique sur laquelle une couronne de raidissage périphérique est collée. La couronne de raidissage est une nervure comprenant du carbone permettant de rigidifier le réflecteur et ainsi d'atteindre les objectifs de fréquence de résonance.
[0019]
Cette solution apporte une amélioration en terme de poids du réflecteur, toutefois le processus d'assemblage et de fabrication n'est pas optimisé.
[0020]
En effet, la réalisation d'un réflecteur selon cette technologie semble nécessiter la réalisation de deux moules distincts : un premier moule permettant la réalisation de la face active du réflecteur et un deuxième moule permettant la réalisation de la couronne de raidissage périphérique.
[0021]
D'autre part, le collage à froid de la couronne de raidissage périphérique sur la face active du réflecteur limite la gamme des températures d'utilisation.
[0022]
Un but de l'invention est d'élaborer un réflecteur d'antenne de télécommunication compatible avec des applications à hautes fréquences et adapté pour un environnement spatial et dont le processus d'élaboration nécessite peu de temps de main d'oeuvre.
[0023]
Selon un aspect de l'invention, il est proposé un réflecteur d'antenne compatible avec des applications à hautes fréquences comprises entre 12 et 75 GHz et adapté pour un environnement spatial géostationnaire de forme paraboloïdale ou ellipsoïdale comprenant une face réfléchissante permettant de focaliser un rayonnement électromagnétique. le réflecteur comprend une superposition d'au moins une couche comprenant un matériau composite fibré, caractérisé en ce qu'au moins une couche de matériau composite fibré comprend des secteurs angulaires disposés autour d'un centre, chacun des secteurs angulaires est défini par un premier angle au centre, et est orienté selon une direction radiale médiane de l'angle au centre, chacun des secteurs angulaires comprend le matériau composite fibré comprenant des premières fibres orientées dans une première direction et des deuxièmes fibres orientées dans une deuxième direction différente de la première direction, la première direction des premières fibres d'un secteur angulaire formant un deuxième angle avec la direction radiale du segment angulaire. Les secteurs angulaires comprennent trois zones concentriques : une zone centrale, une zone périphérique et une zone intermédiaire située entre la zone centrale et la zone périphérique, la zone intermédiaire formant un rebord.
[0024]
Avantageusement, le deuxième angle est compris entre 0 et 60°.
[0025]
L'utilisation d'un unique matériau composite fibré garantie de faibles déformations thermoplastiques.
[0026]
Le rebord formé à la périphérie de la surface active joue le rôle de couronne de raidissage directement intégrée dans le réflecteur évitant ainsi les inconvénients rencontrés dans la technologie dite « technologie monolithique à raidisseur périphérique » liés à la réalisation de moules et au collage à froid de la couronne sur la surface active. En effet, le réflecteur ainsi réalisé permet de limiter le nombre d'heures de main d'oeuvre nécessaires.
[0027]
Avantageusement le réflecteur comprend au moins une couche possédant une partie centrale centrée sur le centre ce qui facilite l'assemblage des secteurs angulaires et évite que le chevauchement des segments angulaires au centre du réflecteur
[0028]
Selon un autre mode de réalisation de l'invention, il est proposé un réflecteur tel que décrit précédemment dans lequel l'écart angulaire entre le deuxième angle d'un premier secteur angulaire d'une première couche et le deuxième angle d'un premier secteur angulaire d'une deuxième couche successive est constant de manière à assurer une continuité mécanique entre des secteurs consécutifs.
[0029]
Avantageusement, l'écart angulaire est compris entre 0°et 60°.
[0030]
Avantageusement, l'empilement comprend entre 2 et 10 couches, et préférentiellement 6 couches. Cette valeur est un compromis entre le poids du réflecteur et la qualité géométrique du réflecteur.
[0031]
Des premiers secteurs ont un angle au centre (αi + X) et des deuxièmes secteurs angulaires ont un angle au centre (αi -X), la valeur de X étant fixée préalablement. Une couche comprend alternativement un premier secteur angulaire puis un deuxième secteur angulaire.
[0032]
Avantageusement, la valeur de X est comprise entre 2 ° et 5°.
[0033]
Les premiers secteurs angulaires d'une couche recouvrent les deuxièmes secteurs angulaires de la couche successive, de manière à assurer une continuité de la tenue mécanique entre secteurs consécutifs.
[0034]
Réflecteur tel que décrit précédemment dans lequel la zone intermédiaire (Zi) forme un rebord de forme concave.
[0035]
Réflecteur tel que décrit précédemment lequel la direction de la zone périphérique (Zp) forme un troisième angle (γ) avec un axe vertical passant par les centres (c) des parties centrales (Pc) des couches [(C)n], le troisième angle (γ) étant compris entre 0 et 30°.
[0036]
Les couches ont un diamètre compris entre 250 et 700 mm, et préférentiellement 500 mm.
[0037]
Selon une variante de l'invention, le matériau composite tissé comprend un matériau fibré imprégné d'une résine thermodurcissable permettant au réflecteur d'atteindre des températures d'utilisation de 165°C.
[0038]
Selon une autre variante de l'invention, le matériau composite fibré comprend un matériau fibré imprégné d'une résine thermoplastique permettant d'atteindre des températures d'utilisation supérieures à 200°C.
[0039]
Préférentiellement, le matériau fibré est un tissu. Alternativement, le matériau fibré est de type NCF (ou non crimp Fabric).
[0040]
L'invention sera mieux comprise à l'étude de quelques modes de réalisation décrits à titre d'exemples nullement limitatifs, et illustrés par des dessins annexés sur lesquels :
la figure 1a représente un réflecteur, selon un aspect de l'invention,
la figure 1b représente une superposition de couches constitutives du réflecteur, selon un aspect de l'invention,
la figure 2 représente la structure d'une couche, selon un aspect de l'invention,
la figure 3 illustre l'agencement et l'orientation du matériau fibré dans une couche du réflecteur, selon un aspect de l'invention,
La figure 4 représente l'agencement relatif des secteurs comprenant le matériau fibré de l'ensemble des couches, selon un aspect de l'invention, et
les figures 5a et 5b représente l'agencement des secteurs angulaires en fonction de l'angle au centre dans une couche et l'agencement des secteurs angulaires d'une couche à une autre, selon un aspect de l'invention.
[0041]
La figure 1a illustre un réflecteur R, comprenant un matériau M fibré de forme paraboloïde comprenant un rebord, le diamètre du réflecteur R étant compris entre 250 et 700 mm, et préférentiellement 500 mm. Alternativement, le réflecteur peut être de forme ellipsoïde.
[0042]
La surface concave de la couche constitue la surface réfléchissante du réflecteur R et est orientée vers le globe terrestre. Le rebord joue le rôle de couronne de raidissage permettant de rigidifier la structure et d'atteindre des fréquences de résonnances de 60 Hz à une température de 20°C.
[0043]
La figure 1b met en évidence les éléments constitutifs du réflecteur R. Le réflecteur R comprend un empilement d'au moins une couche Cn. Avantageusement, l'empilement comprend entre 2 et 10 couches, le nombre de couche Cn dépend du type de matériau utilisé. Les performances mécaniques requises peuvent être obtenues en considérant une superposition de six couches C1-C6.
[0044]
La figure 2 illustre les différentes parties constituantes d'une couche Cn.
[0045]
Une couche Cn comprend une partie centrale PC et des secteurs angulaires (Si)n, les secteurs angulaires Si tronqués étant disposés autour de la partie centrale PC.
[0046]
Dans une variante de l'invention, la couche peut comprendre un centre (c).
[0047]
Par ailleurs, la couche Cn comprend trois zones concentriques: une première zone Zc centrale, correspondant à la surface active du réflecteur, une deuxième zone Zp périphérique et une troisième zone Zi intermédiaire, la deuxième zone Zi intermédiaire formant un rebord.
[0048]
La zone Zi intermédiaire est de forme concave de faible rayon de courbure, typiquement 5 mm de manière à limiter les effets de réflexions parasites des ondes électromagnétiques vers la source de l'antenne. Ce rayon ne peut être réduit davantage du fait de la faible capacité des tissus carbone à suivre sans se rompre des courbures de faible rayon.
[0049]
L'axe d'orientation de la zone Zp périphérique forme un angle γ avec un axe vertical passant par les centres des parties centrales PC des couches formant un raidisseur directement intégré à la structure du réflecteur permettant d'atteindre les objectifs de raideur fixés pour les applications de télécommunication à hautes fréquences.
[0050]
La figure 3 décrit l'agencement et l'orientation du matériau M fibré constituant les secteurs angulaires (Si)n d'une couche Cn. La stabilité géométrique du réflecteur en température chaude ou froide est obtenue en partie par l'utilisation d'un matériau M composite unique pour tous les éléments constitutifs du réflecteur R.
[0051]
Préférentiellement, le concept de réflecteur proposé est compatible avec une utilisation d'un matériau M comprenant des fibres de carbone et une résine thermoplastique permettant d'atteindre une température d'utilisation supérieure à 200°C.
[0052]
Les secteurs angulaires (Si)n d'une couches Cn sont orientés selon une direction radiale dR du secteur angulaire (Si)n considéré.
[0053]
Un secteur angulaire (Si)n comprend un matériau M fibré thermoplastique comprenant des premières fibres f1 et des deuxièmes fibres f2. Les premières fibres f1 sont orientées selon une première direction (di1)n, i étant un indice correspondant au secteur considéré et n étant un indice correspondant à la couche considérée, les deuxièmes fibres f2 étant orientées selon une direction (di2)n, différente de la première direction (di1)n. Un deuxième angle (βi)n est défini comme l'écart angulaire entre la première direction (di1)n et la direction dR radiale du secteur angulaire.
[0054]
Le deuxième angle (βi)n est compris entre 0° et 180°, en l'espèce, le deuxième angle (βi)n est égal à 60° pour tous les secteurs angulaires de la première couche C1.
[0055]
Lorsque le deuxième angle (βi)n est égal à 0°, les premières fibres f1 du matériau M tissé sont orientées selon la direction dR radiale du secteur angulaire (Si)n considéré.
[0056]
La figure 4 représente un empilement de six couches C1-C6 et l'agencement du matériau M constitutif des secteurs angulaires (Si)n d'une couches (C)n à une autre.
[0057]
Une première couches C1 comprend des secteurs angulaires (Si)1 comprenant un matériau M tissé comprenant des premières fibres f1 et des deuxièmes fibres f2 orientées telles que défini précédemment.
[0058]
Les premières fibres f1 d'un premier segment angulaire (S1)1 de la première couche (C)1 sont orientées selon une première direction (d11)1, la première direction (d11)1 formant un angle (β1)1 avec la direction radiale dR du premier secteur angulaire. En l'espèce, l'angle (β1)1 est nul, autrement dit, les premières fibres sont orientées selon la direction radiale dR du premier secteur angulaire (S1)1.
[0059]
Les premières fibres f1 d'un premier secteur angulaire (S1)2 de la deuxième couche C2 sont orientées selon une première direction (d11)2, la première direction (d11)2 formant un deuxième angle (β1)2 avec la première direction (d11)1 du premier secteur (S1)1 de la première couche C1. En l'espèce, le deuxième angle β est égal à 60°.
[0060]
L'écart angulaire θ correspond à la différence d'angle entre la direction (d11)2 des premières fibres f1 du premier secteur angulaire (S1)2 de la deuxième couche C2 et la direction (d11)1 des premières fibres f1 du premier secteur (S1)2 de la première coucheC1, autrement dit θ=(β1)2-(β1)1. En l'espèce, l'écart angulaire θ est constant d'une couche à une autre.
[0061]
Ainsi, les premières fibres f1 de la première couche C1 sont orientées selon la direction dR radiale du secteur angulaire considéré, les premières fibres f1 de la deuxième couche C2 sont orientées selon une direction formant un angle de 60° avec la direction dR radiale, les premières fibres de la troisième couche sont orientées selon une direction formant un angle de 120° avec la direction dR radiale.
[0062]
Selon une variante de l'invention, l'écart angulaire θ est variable d'une couche à une autre.
[0063]
La figure 5a représente l'agencement des secteurs angulaires (Si)n en fonction des premiers angles au centre (αi)n.
[0064]
Des premiers secteurs SA ont un angle au centre (αi + X) et des deuxièmes secteurs angulaires SB ont un angle au centre (αi -X), la valeur de X étant fixée préalablement. Une couche Cn comprend alternativement un premier secteur angulaire SA puis un deuxième secteur angulaire SB. Avantageusement, la valeur de X est comprise entre 2° et 5°.
[0065]
La figure 5b représente l'agencement des secteurs angulaires SA et SB sur une première couche Cn et une deuxième couche Cn+1 successive.
[0066]
Une première couche Cn comprend des premiers secteurs angulaires SA d'angle au centre (α+X) en alternance avec des deuxièmes secteurs angulaires SB d'angle au centre (α-X). Une deuxième couche Cn+1 successive comprend une alternance de premiers secteurs SA et de deuxièmes secteurs SB. Les secteurs angulaires sont disposés de manière à ce qu'un premier secteur angulaire SA de la couche Cn recouvre un deuxième secteur angulaire SB de la couche successive Cn+1. En variante, les secteurs angulaires (Si)n peuvent avoir des angles au centre αi aléatoires, les secteurs angulaires d'une première couche (C)n recouvrant au moins partiellement les secteurs angulaires d'une deuxième couche successive (C)n+1. Le réflecteur d'antenne élaboré selon un aspect de l'invention a une masse inférieure de 20% par rapport à un réflecteur élaboré selon une technologie « coque épaisse », par exemple. Cet avantage est particulièrement intéressant pour les applications sur des antennes positionnées sur la face terre des satellites. Dans ce type de configuration, les réflecteurs sont positionnés sur la partie haute du satellite, ils sont donc soumis à d'importantes accélérations lors du lancement.
[0067]
De plus, le réflecteur élaboré selon la technologie proposée ne présente pas de collage à froid.
Translation - English Telecommunication antenna reflector for high-frequency applications in a geostationary space environment
Abstract
Telecommunication antenna reflector for high-frequency applications in a geostationary space environment
CLAIMS
1. Antenna reflector (R) compatible with applications at high frequencies between 12 and 75GHz and suitable for a geostationary space environment of paraboloidal or ellipsoidal shape comprising a reflective face making it possible to focus electromagnetic radiation, the reflector (R) comprises a superposition of at least one layer (Cn) comprising a fibre composite material (M), characterized in that at least one layer (Cn) of fibre composite material (M) comprises angular sectors [(Si)n] arranged around a centre (c), each of the angular sectors [(Si)n] is defined by a first central angle [(αi)n], and is oriented in a radial direction (dR) that is the median of the central angle [(αi)n], each of the angular sectors [(Si)n] comprises the fibre composite material (M) comprising first fibres (f1) oriented in a first direction [(di1)n] and second fibres (f2) oriented in a second direction [(di2)n] that is different from the first direction [(di1)n], the first direction [(di1)n] of the first fibres (f1) of an angular sector [(Si)n] forming a second angle [(βi)n] with the radial direction (dR) of the angular sector [(Si)n], and in that the angular sectors [(Si)n] comprise three concentric areas: a central area (Zc), a peripheral area (Zp) and an intermediate area (Zi) situated between the central area (Zc) and the peripheral area (Zp), the intermediate area (Zi) forming a rim.
2. Reflector according to Claim 1, in which the second angle [(βi)n] is between 0° and 60°.
3. Reflector according to Claim 1 or 2, in which at least one layer comprises a central part (PC) centred on the centre (C).
4. Reflector according to one of the preceding claims, in which the angular distance (θ) between the second angle (βi)n of a first angular sector [(Si)n] of a layer [(C)n] and the second angle [(βi)n+1] of a first angular sector [(Si)n+1] of a successive layer [(C)n+1] is constant.
5. Reflector according to one of the preceding claims, in which the superposition comprises between 2 and 10 layers [(C)n].
6. Reflector according to one of the preceding claims, in which the angle difference (θ) is between 0° and 60°.
7. Reflector according to one of the preceding claims, in which some first angular sectors [(SA)n] have a central angle with a value of (αi + X) and some second angular sectors [(SB)n] have a central angle with a value of (αi – X), a first angular sector [(SA)n] alternating with a second angular sector [(SB)n] in a layer [(C)n].
8. Reflector according to Claim 7, in which the angle X is between 2° and 5°.
9. Reflector according to Claim 6, in which the first angular sectors [(SA)n] of a layer [(C)n] cover the second angular sectors [(SB)n] of the successive layer [(C)n+1], so as to ensure continuity of the mechanical strength between consecutive sectors.
10. Reflector according to one of the preceding claims, in which the intermediate area (Zi) forms a rim of concave shape.
11. Reflector according to one of the preceding claims, in which the direction of the peripheral area (Zp) forms a third angle (γ) with a vertical axis passing through the centres (c) of the central parts (Pc) of the layers [(C)n], the third angle (γ) being between 0° and 30°.
12. Reflector (R) according to one of the preceding claims, in which the reflector (R) has a diameter between 250 and 700mm.
13. Reflector (R) according to one of the preceding claims, in which the fibre composite material (M) comprises a fibrous material impregnated with a thermosetting resin.
14. Reflector according to one of Claims 1 to 12, in which the fibre composite material (M) is a fibrous material impregnated with a thermoplastic resin.
15. Reflector according to one of Claims 12 and 13, in which the fibrous material is a fabric.
Antenna reflector (R) compatible with applications at high frequencies between 12 and 75GHz and suitable for a geostationary space environment of paraboloidal or ellipsoidal shape comprising a reflective face making it possible to focus electromagnetic radiation, the reflector (R) comprises a superposition of at least one layer (Cn) comprising a fibre composite material (M). The reflector comprises at least one layer (Cn) of fibre composite material (M) comprising angular sectors [(Si)n] arranged around a centre (c), each of the angular sectors [(Si)n] is defined by a first central angle [(αi)n], and is oriented in a radial direction (dR) that is the median of the central angle [(αi)n], each of the angular sectors [(Si)n] comprises the fibre composite material (M) comprising first fibres (f1) oriented in a first direction [(di1)n] and second fibres (f2) oriented in a second direction [(di2)n] that is different from the first direction [(di1)n], the first direction [(di1)n] of the first fibres (f1) of an angular sector [(Si)n] forming a second angle [(βi)n] with the radial direction (dR) of the angular sector [(Si)n]. The angular sectors [(Si)n] comprise three concentric areas: a central area (Zc), a peripheral area (Zp) and an intermediate area (Zi) situated between the central area (Zc) and the peripheral area (Zp), the intermediate area (Zi) forming a rim.
.
The invention lies in the field of telecommunication satellites comprising passive antennas equipped with reflectors. The invention is particularly intended for applications in very high frequency bands of Ka and Q/V type but also meets the lesser technical requirements of the Ku frequency band.
The frequency band denoted Ku corresponds to frequencies between 12 and 18GHz, or wavelengths between 2.5 and 1.6cm. The frequency band denoted Ka corresponds to frequencies between 26.5 and 40GHz or wavelengths between 11.3 and 7.5mm.
The frequency band denoted Q/V corresponds to frequencies between 33 and 75GHz or wavelengths between 9.1 and 3.3mm.
There are a large number of applications involving reflector antennas. Their main aim is to attain high gains by constructing enormous reflectors, which is only possible for radio telescopes on the ground.
For satellites, the gains required are smaller (of the order of 40 to 50dB), but the main limiting factors are the size and mass to be sent into space. In fact it is not possible to oversize the reflectors to improve the gain.
One of the solutions consists in using the antenna design of the Gregorian type, with two reflectors positioned face to face and making it possible to obtain in a small volume an antenna with a larger equivalent focal length.
For this type of antenna, the reflectors must:
have a diameter between 250 and 1200mm compatible with a space environment,
exhibit a reflective profile manufactured with very high precision. The manufacturing defect of an active surface can be evaluated from the RMS value. The RMS value is the mean value of the standard deviations between the profile of the manufactured surface and the profile of the desired theoretical surface. Applications in Q/V frequency bands require the attainment of an RMS of the order of 20 microns,
display a high stability for the reflective profile over a wide range of temperatures, from -200°C to +200°C. This necessitates the use of materials with a low coefficient of thermal expansion.
be stiff, in other words the first resonance mode must be greater than a frequency of 60Hz for a defined type of antenna.
be of low weight, typically a mass of less than 400g for a reflector of 500mm in diameter, for example, and
be easy to implement so as to limit production costs.
A first conventional technology, so-called “thick shell” technology, is widespread. This technology relies on a so-called “sandwich” structure. A reflector manufactured using this technology comprises two membranes or skins and a spacer corresponding to a structure maintaining a relative position for the membranes and ensuring the stiffness of the “sandwich” structure thus formed. For space applications, the membranes are generally made using carbon reinforcement and the spacer is generally of “honeycomb” or CFRP (Carbon Fibre Reinforced Polymer) type.
This design is especially competitive for reflectors with a diameter between 1 and 2m. The assembly of this type of structure is, however, too complex and therefore too expensive for reflectors of small diameter.
This technology also requires the use of a large quantity of adhesive, which is not compatible with applications at high temperatures.
Moreover, a reflector of a diameter of 500mm manufactured using the so-called “thick shell” technology weighs 550g. This technology does not make it possible to attain the weight targets set for applications in a space environment.
A second so-called “metallic” technology is used for the manufacture of reflectors of small diameter. The reflectors are conventionally produced by machining. This technology is advantageous from an economic point of view.
On the other hand, this technology performs poorly where weight targets are concerned. Indeed, the mass of a main reflector of 500mm in diameter comprising an alloy of Ta6V type is around 900g, or more than twice the desired weight targets for space applications.
A third so-called “Isogrid” technology described in Patent Application EP 0948085 performs very well technically.
This product is a reflector comprising a membrane on which is fixed a stiffening lattice. The stiffening lattice is a reinforcement grid forming a so-called “Isogrid” triangular pattern arranged adjacently to the first structure, the stiffening lattice being fixed to the membrane by adhesive bonding.
The complexity of assembly of the reinforcement grid means that this technology does not perform well from an economic point of view for reflectors of small diameter, in the same way as the so-called “thick shell” technology.
A fourth technology, so-called “monolithic technology with peripheral stiffener” makes it possible to overcome the problems related to weight.
This technology comprises a monolithic membrane onto which a peripheral stiffening ring is adhesively bonded. The stiffening ring is a rib comprising carbon, making it possible to stiffen the reflector and thus to attain the resonant frequency targets.
This solution brings an improvement in terms of the weight of the reflector, though the process of assembly and manufacture is not optimized.
Indeed, the production of a reflector using this technology seems to require the production of two separate moulds: a first mould to enable production of the active face of the reflector and a second mould to enable production of the peripheral stiffening ring.
Moreover, the cold-adhesive bonding of the peripheral stiffening ring onto the active face of the reflector limits the range of use temperatures.
It is an aim of the invention to develop a telecommunication antenna reflector that is compatible with high-frequency applications and suitable for a space environment, and that has a manufacturing process requiring few labour hours.
According to one aspect of the invention, an antenna reflector is proposed that is compatible with applications at high frequencies between 12 and 75GHz and suitable for a geostationary space environment of paraboloidal or ellipsoidal shape comprising a reflective face making it possible to focus electromagnetic radiation. The reflector comprises a superposition of at least one layer comprising a fibre composite material, characterized in that at least one layer of fibre composite material comprises angular sectors arranged around a centre, each of the angular sectors is defined by a first central angle, and is oriented in a radial direction that is the median of the central angle, each of the angular sectors comprises the fibre composite material comprising first fibres oriented in a first direction and second fibres oriented in a second direction that is different from the first direction, the first direction of the first fibres of an angular sector forming a second angle with the radial direction of the angular sector. The angular sectors comprise three concentric areas: a central area, a peripheral area and an intermediate area situated between the central area and the peripheral area, the intermediate area forming a rim.
Advantageously, the second angle is between 0° and 60°.
The use of a single fibre composite material guarantees low thermoplastic deformation.
The rim formed at the periphery of the active surface acts as a stiffening ring directly incorporated into the reflector, thereby avoiding the drawbacks encountered in so-called “monolithic technology with peripheral stiffener” that are related to the production of moulds and to the cold-adhesive bonding of the ring onto the active surface. In fact, the reflector thus produced makes it possible to limit the number of labour hours necessary.
Advantageously the reflector comprises at least one layer possessing a central part centred on the centre, which facilitates the assembly of the angular sectors and prevents the angular sectors from overlapping at the centre of the reflector.
According to another embodiment of the invention, a reflector as described previously is proposed in which the angular distance between the second angle of a first angular sector of a first layer and the second angle of a first angular sector of a second, successive layer is constant so as to ensure mechanical continuity between consecutive sectors.
Advantageously, the angular distance is between 0° and 60°.
Advantageously, the stack comprises between 2 and 10 layers, and preferably 6 layers. This value is a compromise between the weight of the reflector and the geometric quality of the reflector.
Some first sectors have a central angle (αi + X) and some second angular sectors have a central angle (αi – X), the value of X being set beforehand. A layer comprises a first angular sector then a second angular sector alternately.
Advantageously, the value of X is between 2° and 5°.
The first angular sectors of a layer cover the second angular sectors of the successive layer, so as to ensure continuity of the mechanical strength between consecutive sectors.
Reflector as described previously, in which the intermediate area (Zi) forms a rim of concave shape.
Reflector as described previously, in which the direction of the peripheral area (Zp) forms a third angle (γ) with a vertical axis passing through the centres (c) of the central parts (Pc) of the layers [(C)n], the third angle (γ) being between 0 o and 30o.
The layers have a diameter between 250 and 700mm, and preferably of 500mm.
According to one variant of the invention, the woven composite material comprises a fibrous material impregnated with a thermosetting resin enabling the reflector to attain use temperatures of 165oC.
According to another variant of the invention, the fibre composite material comprises a fibrous material impregnated with a thermoplastic resin enabling use temperatures greater than 200oC to be attained.
Preferably, the fibrous material is a fabric. Alternatively, the fibrous material is of NCF (Non-Crimp Fabric) type.
The invention will be better understood after studying a few embodiments described as in no way limiting examples, and illustrated by appended drawings, in which:
Figure 1a shows a reflector, according to one aspect of the invention,
Figure 1b shows a superposition of component layers of the reflector, according to one aspect of the invention,
Figure 2 shows the structure of a layer, according to one aspect of the invention,
Figure 3 illustrates the arrangement and orientation of the fibrous material in a layer of the reflector, according to one aspect of the invention,
Figure 4 shows the relative arrangement of the sectors comprising the fibrous material in the totality of the layers, according to one aspect of the invention, and
Figures 5a and 5b show the arrangement of the angular sectors as a function of the central angle in one layer and the arrangement of the angular sectors from one layer to the next, according to one aspect of the invention.
Figure 1a illustrates a reflector R, comprising a fibrous material M of paraboloidal shape comprising a rim, the diameter of the reflector R being between 250 and 700mm, and preferably 500mm. Alternatively, the reflector can be of ellipsoidal shape.
The concave surface of the layer constitutes the reflective surface of the reflector R and is oriented towards the terrestrial globe. The rim acts as a stiffening ring enabling the structure to be stiffened and resonant frequencies of 60Hz to be attained at a temperature of 20oC.
Figure 1b highlights the component elements of the reflector R. The reflector R comprises a stack of at least one layer Cn. Advantageously, the stack comprises between 2 and 10 layers, the number of layers Cn depending on the type of material used. The required mechanical performance levels can be obtained by considering a superposition of six layers C1-C6.
Figure 2 illustrates the different component parts of a layer Cn.
A layer Cn comprises a central part Pc and angular sectors (Si)n, the truncated angular sectors Si being arranged around the central part Pc.
In a variant of the invention, the layer can comprise a centre (c).
Additionally, the layer Cn comprises three concentric areas: a first central area Zc, corresponding to the active surface of the reflector, a second peripheral area Zp and a third intermediate area Zi, the third intermediate area Zi forming a rim.
The intermediate area Zi is of concave shape with a small radius of curvature, typically 5 mm so as to limit the effects of parasitic reflections of the electromagnetic waves towards the source of the antenna. This radius cannot be further reduced due to the poor ability of the carbon fabrics to follow curves of small radius without breaking.
The axis of orientation of the peripheral area Zp forms an angle γ with a vertical axis passing through the centres of the central parts Pc of the layers, forming a stiffener that is directly incorporated into the structure of the reflector, allowing the stiffness targets set for high-frequency telecommunication applications to be attained.
Figure 3 describes the arrangement and the orientation of the fibrous material M constituting the angular sectors (Si)n of a layer Cn. The geometrical stability of the reflector in hot or cold temperatures is obtained partly by the use of a single composite material M for all of the component elements of the reflector R.
Preferably, the reflector design proposed is compatible with use of a material M comprising carbon fibres and a thermoplastic resin making it possible to attain a use temperature greater than 200° C.
The angular sectors (Si)n of a layer Cn are oriented in a radial direction dR of the angular sector (Si)n under consideration.
An angular sector (Si)n comprises a thermoplastic fibrous material M comprising first fibres f1 and second fibres f2. The first fibres f1 are oriented in a first direction (di1)n, i being an index corresponding to the sector under consideration and n being an index corresponding to the layer under consideration, the second fibres f2 being oriented in a direction (di2)n, which is different from the first direction (di1)n. A second angle (βi)n is defined as the angular distance between the first direction (di1)n and the radial direction dR of the angular sector.
The second angle (βi)n is between 0° and 180°, in this case the second angle (βi)n is equal to 60° for all of the angular sectors of the first layer C1.
When the second angle (βi)n is equal to 0o, the first fibres f1 of the woven material M are oriented in the radial direction dR of the angular sector (Si)n under consideration.
Figure 4 shows a stack of six layers C1-C6 and the arrangement of the material M constituting the angular sectors (Si)n from one layer Cn to the next.
A first layer C1 comprises angular sectors (Si)1 comprising a woven material M comprising first fibres f1 and second fibres f2 oriented as defined previously.
The first fibres f1 of a first angular sector (S1)1 of the first layer (C)1 are oriented in a first direction (d11)1, the first direction (d11)1 forming an angle (β1)1 with the radial direction dR of the first angular sector. In this case, the angle (β1)1 is nil, in other words the first fibres are oriented in the radial direction dR of the first angular sector (S1)1.
The first fibres f1 of a first angular sector (S1)2 of the second layer C2 are oriented in a first direction (d11)2, the first direction (d11)2 forming a second angle (β1)2 with the first direction (d11)1 of the first sector (S1)1 of the first layer C1. In this case, the second angle β is equal to 60°.
The angular distance θ corresponds to the difference in angle between the direction (d11)2 of the first fibres f1 of the first angular sector (S1)2 of the second layer C2 and the direction (d11)1 of the first fibres f1 of the first sector (S1)2 of the first layer C1, in other words θ = (β1)2 – (β1)1. In this case, the angular distance θ is constant from one layer to the next.
Thus, the first fibres f1 of the first layer C1 are oriented in the radial direction dR of the angular sector under consideration, the first fibres f1 of the second layer C2 are oriented in a direction forming an angle of 60° with the radial direction dR, the first fibres of the third layer are oriented in a direction forming an angle of 120° with the radial direction dR.
According to a variant of the invention, the angular distance θ is variable from one layer to the next.
Figure 5a shows the arrangement of the angular sectors (Si)n as a function of the first central angles (αi)n.
Some first sectors SA have a central angle (αi + X) and some second angular sectors SB have a central angle (ai - X), the value of X being set beforehand. A layer Cn comprises a first angular sector SA then a second angular sector SB alternately. Advantageously, the value of X is between 2° and 5°.
Figure 5b shows the arrangement of the angular sectors SA and SB on a first layer Cn and a second, successive layer Cn+1.
A first layer Cn comprises first angular sectors SA of central angle (α + X) alternating with second angular sectors SB of central angle (α - X). A second, successive layer Cn+1 comprises an alternation of first sectors SA and second sectors SB. The angular sectors are arranged in such a way that a first angular sector SA of the layer Cn covers a second angular sector SB of the successive layer Cn+1. As a variant, the angular sectors (Si)n can have random central angles αi, the angular sectors of a first layer (C)n at least partly covering the angular sectors of a second, successive layer (C)n+1. The antenna reflector manufactured according to one aspect of the invention has a mass of less than 20% compared to a reflector manufactured using a “thick shell” technology, for example. This advantage is particularly beneficial for applications on antennas positioned on the earth side of satellites. In this type of configuration, the reflectors are positioned on the upper part of the satellite, and are therefore subject to large accelerations during launch.
Moreover, the reflector manufactured using the proposed technology does not have cold-adhesive bonding.
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With an academic and professional background like mine, specializing in scientific/technical translations was an obvious choice. I have a good grasp of many areas of science, and an exceptional level of familiarity with physics, engineering I.T. and mathematics terminology and concepts. However, I am also happy to translate material from a wide range of other subject areas.
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