THERmique et électroMAgnétique pour COnnectiques et Antennes en environneMent sévère – THERMACOM

Le projet est décomposé en une tâche 1 de management et en 3 tâches scientifiques et techniques étalées sur 36 mois.
La tâche 1, dont le leader sera l’ONERA, a pour objectif de coordonner, de piloter le projet. La synthèse des travaux et l’identification des perspectives seront gérées dans cette première tâche, de même que la dissémination et la valorisation des travaux.
La tâche 2, pilotée par RADIALL, a pour objet l’étude et le développement d’une nouvelle gamme de cordons RF hautes températures avec connecteur coaxial. Plusieurs sous-tâches structurent la tache 2. La phase spécification permettra d’établi un cahier des charges clair pour la définition des cordons. La phase de recherche et développement permettra quant à elle d’élargir nos connaissances scientifiques en étudiant l’utilisation de nouveaux matériaux/revêtement, l’utilisation d’un nouvel alliage à haute température et d’étudier l’appairage en phase et le cambrage des cordons.
La tâche 3, pilotée par l’ONERA, est consacrée au développement des bancs d’essais à l’ONERA et l’Institut Fresnel.
Côté ONERA, elle portera sur :
- Le développement d’un dispositif de mesure électromagnétique combinant des mesures en réflexion et des mesures en transmission, et de la méthodologie associée pour le banc d’essais en Espace Libre.
- L’évolution des protocoles de mesures du banc d’essai four tubulaire pour acquérir une meilleure maitrise des mesures thermo-électromagnétiques.
Côté Institut Fresnel, cette tâche concernera le développement d’une nouvelle capacité du banc d’essais en guide pour permettre des mesures jusqu’à 450°C (minimum).
La tâche 4, dont le leader sera l’Institut Fresnel, porte sur l'application des bancs d'essais sur des briques et des systèmes antennaires. Elle inclut :
- La caractérisation des cordons RF avec le banc d’essais four tubulaire de l’ONERA.
- Des tests de caractérisation EM de matériaux avec le banc d’essais en Espace Libre de l’ONERA et le banc d’essais en guide d’onde de l’Institut Fresnel.
- Des mesures de diagrammes de rayonnement d’une antenne chauffée avec le banc d’essais en Espace Libre de l’ONERA.
Les différentes tâches concernant le banc de caractérisation EM en guide d’onde seront prises en charge par un doctorant recruté pour le projet, et elles constitueront une partie de ses objectifs de thèse. L'autre partie de son travail consistera à synthétiser les résultats obtenus par les autres partenaires du projet, à savoir ONERA et RADIALL.

La tâche 4 intitulé «Applications : caractérisation EM en température de cordons, antennes et matériaux « sera consacré au test et à la validation de ces bancs et aux tests des cordons RF. Une sous-tâche portera sur des tests de caractérisation radioélectrique de matériaux avec le banc d’essais en Espace Libre de l’ONERA et le banc d’essais en guide d’onde de l’Institut Fresnel. Ces tests seront effectués dans un premier temps à température ambiante sur des matériaux communs et pourront être comparés aux résultats obtenus avec les bancs BACCARAT et ROCAMAT de l'ONERA. Des essais en température sur des matériaux maîtrisés permettront de comparer les résultats du banc ONERA avec celui de l'Institut Fresnel.
Les nouveaux protocoles mises en œuvre sur le banc d'essais four tubulaire de l'ONERA seront testés sur des cordons Hautes Températures déjà disponibles. Les nouveaux cordons développés par Radiall seront évalués par la suite avec ce banc.

Dans le domaine spécifique de la Défense, les travaux proposés dans ce projet s’inscrivent dans le cadre du développement de systèmes antennaires en technologie imprimée pour des applications RF (capteur électrostatique, radar, etc.) sur porteurs hypervéloces. Les capacités expérimentales développées permettront d’évaluer les performances EM de composants constitutifs dimensionnants pour la fonction antennaire (matériaux diélectriques, métallisation, assemblage mécaniques et connexions électriques, câbles RF et connectiques associées) et celles de l’antenne assemblée dans un environnement thermique représentatif.
De plus, la solution innovante de cordons RF (semi-rigides capables de fonctionner à des températures élevées et avec une phase très linéaire en fonction de la température pourra être utilisée notamment dans les radars AESA (Active Electronically Scanned Array) et SAR (Synthetic Aperture Radar).
ans les domaines spatial et nucléaire, en plus de devoir fonctionner dans un environnement avec de fortes radiations, les câbles et les connectiques doivent tenir les performances à hautes températures (jusqu’à 200°C). Dans le domaine spatial, ils sont utilisés sur les lanceurs spatiaux au niveau de la coiffe et de la zone moteur. Ils peuvent être aussi installés sur les faces externes des satellites dans l'environnement très contraint du vide avec des radiations spatiales mais aussi des fortes variations de températures (-120 à +150°C). Pour les applications nucléaires, les connexions des sondes de température, notamment pour les cuves de réacteurs, restent un point délicat en raison des températures élevées des zones concernées.
Dans les applications de volcanologie, pour les transmissions des données, des capteurs sont implantés au plus près des zones volcaniques sous surveillance et connectés via des transmissions sans fil, ce qui implique l’utilisation d’antennes et de connectiques soumis à des températures intenses. A l’heure actuelle, c’est un problème largement non résolu.

A venir

Le projet THERMACOM vise à répondre à des enjeux scientifiques et techniques liés aux performances des systèmes antennaires et des cordons RF, dans des environnements thermiques particulièrement sévères. Les applications ciblées couvrent aussi bien le domaine Défense (antennes, signatures radar) que civil (spatial, nucléaire, volcanologie). D’une manière générale, les systèmes radiofréquence (RF) et hyperfréquences, notamment les antennes, les câbles et les connectiques associées, doivent supporter des températures élevées ; des environnements thermiques de l’ordre de plusieurs dizaines de degrés sont fréquents. Néanmoins, pour certains systèmes, ces températures peuvent devenir bien supérieures : c’est le cas par exemple des porteurs hypervéloces, des lanceurs spatiaux, des satellites et des réacteurs nucléaires, pour lesquels les températures peuvent atteindre 600°C. Le défi réside dans la capacité à concevoir des technologies permettant de s’accommoder conjointement des contraintes thermomécaniques, aérothermiques et électromagnétiques (EM).

L’intégration d’un système antennaire soumis à de très haute température ne peut pas se limiter à la cellule de rayonnement ; elle doit prendre en compte le câblage RF auquel celle-ci est connectée. L'objectif principal du projet est donc de développer des capacités expérimentales (protocoles et technologies de mesure avancées) pour tester et caractériser des composants de type antenne ou cordons RF à de très hautes températures, afin de garantir leur performance sous contraintes thermiques extrêmes. Ce développement inclut la mise en place de trois bancs d’essais dédiés :
- Un banc d’essais four tubulaire pour évaluer les cordons RF et des maquettes de démonstration.
- Un banc d’essais en espace libre (c.à.d. hors chambre anéchoïde) pour caractériser des matériaux et des rayonnements d'antennes sous contrainte thermique.
- Un banc d’essais en guide d'onde pour caractériser électromagnétiquement (permittivité et perméabilités complexes) les échantillons des matériaux en température.

Ces bancs permettront de mesurer la réponse EM des composants dans des conditions proches de celles rencontrées, dans des contextes de défense ou civils, pour lesquelles la précision des performances est crucial pour la réussite de la mission (application radar, télémétrie, communications, commandes sans fil.
Plus particulièrement, le projet propose le développement d’une solution innovante de cordons RF (câble et connecteurs) semi-rigides capables de fonctionner à des températures élevées, jusqu’à 600°C. Ces cordons, utilisés notamment dans les radars AESA (Active Electronically Scanned Array) et SAR (Synthetic Aperture Radar), permettent de transmettre des signaux avec une précision élevée. En outre, le projet propose la mise en place d’un sujet de thèse pour lequel un doctorant travaillera sur la modélisation thermo-électromagnétique, et participera par son travail fondamental à la cohérence entre les différentes étapes du projet.

Ce travail s’inscrit dans le cadre de l'axe thématique « Ondes acoustiques et radioélectriques», et plus particulièrement dans les sous-axes thématiques :
- « Génération et mesure des rayonnements » avec l’orientation « Maîtrise des systèmes antennaires en environnement aérothermique ».
- « Guerre électronique et furtivité », avec l’orientation « Caractérisation électromagnétique des matériaux in situ et en température ».

Pour mener à bien ces travaux, le projet THERMACOM est organisé autour de trois partenaires aux profils complémentaires :
- L'ONERA, laboratoire de recherche pour la défense, l’aéronautique et le spatial.
- RADIALL, industriel leader dans le développement et la fabrication de connecteurs et des composants associés pour des applications électroniques.
- L’Institut Fresnel, laboratoire académique de recherche en optique, photonique, électromagnétisme, traitement de l’information et imagerie avancée.