Bâtir la prochaine génération d'antennes spatiales

Bannière de la mission M3MSat

Une équipe de l'Université de Waterloo conçoit une technologie d'antenne innovatrice pour le satellite M3MSat (Microsatellite de surveillance maritime et de messagerie)

Grâce à la coopération d'experts du gouvernement, de l'industrie et du milieu universitaire, M3MSat transporte une antenne de système d'identification automatique (SIA) de pointe dont on doit procéder à l'essai dans l'espace. Le résultat? Une antenne unique en son genre (tant sur les plans physique que fonctionnel) qui promet d'améliorer la capacité du Canada de surveiller et de gérer le trafic maritime à partir de l'espace.

Voici l'histoire du développement de cette antenne à la fois minuscule et puissante et de la façon dont les projets spatiaux nous poussent à innover!

Équipe de recherche et de conception

L'antenne a été conçue par une vaste équipe d'universitaires du Centre de recherche sur les systèmes radio et d'antennes intelligents (CIARS) de l'Université de Waterloo en étroite collaboration avec des experts de l'industrie de COM DEV International (maintenant Honeywell Canada) et des spécialistes en essais de qualification pour l'espace du Laboratoire David-Florida (LDF) de l'Agence spatiale canadienne (ASC). Le CIARS compte quelque 35 à 40 chercheurs actifs, dont 18 à 20 étudiants des cycles supérieurs. Plusieurs d'entre eux ont participé à cette recherche. L'équipe de recherche était constituée à la base d'un chercheur principal, d'un chercheur en chef et de deux étudiants au doctorat.

Équipe de recherche de base de l'Université de Waterloo

Équipe de recherche de base de l'Université de Waterloo - Professeur Safieddin (Ali) Safavi-Naeini – directeur, CIARS et chercheur principal. Centre : Dr Aidin Taeb (candidat au doctorat pendant le projet), conception de la structure d'alimentation et simulation. Droite : Dr Reza Rafi (directeur adjoint du CIARS), chercheur principal dans le domaine des calculs de simulation et de l'optimisation du processus de conception du système d'antenne. Absent : Dr Mehrbod Mohajer (candidat au doctorat pendant le projet), simulation et conception de l'antenne. (Source : Université de Waterloo)

Des défis uniques demandent des solutions novatrices

La conception d'une antenne repose sur une compréhension claire et nette de la situation, des contraintes et des besoins particuliers. Dans le cadre de ce projet-ci, certains défis ont fait en sorte que ce concept était très complexe.

L'équipe a dû s'attaquer aux problèmes attribuables au besoin

  1. de préserver le format réduit de l'antenne tout en assurant un niveau de performance élevé,
  2. de mesurer l'efficacité de l'antenne au sol; et
  3. d'élaborer un concept capable de résister à l'environnement spatial.

Diagramme – Longueur d'onde et mouvement ondulatoire

Source : Ministère des loisirs et de la culture, Hong Kong, Chine

Le saviez-vous?

  • La taille des antennes de satellite détermine la réception et la transmission des longueurs d'onde.
  • Il existe une relation inverse entre la fréquence et la longueur d'onde.
  • Basse fréquence = Longue longueur d'onde / ligne rouge dans le diagramme = Grande antenne
  • Haute fréquence = Courte longueur d'onde / ligne bleue dans le diagramme = Petite antenne

1. Exigences de conception entrant en conflit les unes avec les autres : Dans les petits pots, les meilleurs onguents!

La tâche

Élaborer un concept d'antenne qui :

  • Convient à une plate-forme de microsatellite
  • Ne doit faire l'objet d'aucun déploiement
  • Reçoit les signaux avec autant d'efficacité qu'une grande antenne

Le concept

Élaborer un concept unique constitué de quatre fentes en spirale accompagnées d'une cavité métallique peu profonde :

  • Offrant une efficacité considérable contre les radiations afin d'assurer une performance élevée
  • Présentant une interaction négative moindre avec les antennes avoisinantes et la structure du satellite
  • Ayant une forme recourbée pour qu'on puisse insérer une antenne grand format dans un espace limité

Le résultat : Eurêka!

Une antenne compacte capable de recevoir les signaux SIA d'un navire en provenance de toutes les directions et de manière redondante afin que, même si l'antenne devait tomber en panne, elle reçoive quand même tous les signaux SIA dont l'intensité sera cependant plus faible. Contrairement aux antennes SIA simples conventionnelles (comme les antennes droites sur les voitures), l'antenne SIA en spirale de M3MSat a également été optimisée pour assurer un balayage panoramique sans failles qui pourraient empêcher la réception de certains signaux SIA.

Dessin du microsatellite M3MSat

Source : Agence spatiale canadienne

2. Défis entourant le mesurage de l'antenne : Sur la même longueur d'onde!

L'équipe a dû relever deux principaux défis au moment de mesurer et d'essayer l'antenne. Premièrement, puisque le corps de l'antenne en tant que tel détermine sa forme et son rendement, on a dû procéder à l'essai du système complet (c'est-à-dire avec l'antenne installée sur le satellite). Deuxièmement, puisque la fréquence SIA est relativement faible, elle produit une longueur d'onde importante qui demande une chambre anéchoïque très vaste lorsqu'on doit vérifier le rendement de l'antenne. Même si le CIARS et COM DEV Ltd. possèdent tous deux des centres d'essai pour les antennes, l'équipe devait faire appel à un centre plus grand.

À la fin, on a essayé l'antenne en faisant appel à une maquette du satellite au LDF de l'ASC à Ottawa. La plus grande chambre anéchoïque du LDF a permis de mesurer l'antenne sur la réplique du satellite.

M3MSat – Séries d'essais effectuées dans la salle anéchoÏque au LDF

Essai de M3MSat dans la chambre anéchoïque au LDF à Ottawa. Cette chambre est conçue de manière à absorber complètement les ondes électromagnétiques. Il est important d'essayer l'antenne dans un endroit dépourvu de tout signal afin de prévenir les parasites ou les résultats faussés, ainsi que pour simuler l'immensité de l'environnement spatial. La forme des cônes bleus est adaptée de manière à emprisonner et absorber les ondes électromagnétiques dans une vaste gamme de fréquences. (Source : Recherche et développement pour la défense Canada)

3. Exigences particulières aux antennes spatiales : Changer d'approche!

Lors de la fabrication d'un satellite ou d'un matériel destiné à l'espace, il est important de tenir compte de certains défis uniques, comme l'environnement spatial hostile, ainsi que les vibrations extrêmes subies en cours de lancement. Pour atténuer ces risques, tous les composants spatiaux sont soumis à une série d'essais de qualification pour l'espace.

Dans ce cas-ci, l'exigence « spatiale » imposait des contraintes énormes au niveau du concept global de l'antenne. Les essais de qualification de la structure (en particulier en ce qui concerne la résistance aux chocs) ont empêché l'équipe de faire appel à certaines des techniques d'interconnexion et des structures de circuit les plus connues. Cet aspect du projet a donné lieu à une réalisation bien plus complexe et entraîné quelques modifications au niveau du concept en cours de route. En fait, deux concepts de maquette expérimentale n'ont pas obtenu la note de passage lors des essais de qualification spatiale. À la fin, cependant, le concept final était accepté et répondait aux exigences de qualification spatiale.

M3MSat microsatellite

Essai de M3MSat au LDF à Ottawa. Le satellite est placé sur une plateforme qui simule les vibrations subies lors d'un lancement. Certains de ces essais sont réalisés par l'ingénieur en mécanique de COM DEV Dwight Caldwell et par l'équipe de M3MSat. (Source : Recherche et développement pour la défense Canada)

Apprendre par la collaboration et l'innovation

Les défis entourant cette mission ont permis de réunir les forces uniques des différents intervenants. Le gouvernement a procuré la vision et précisé les exigences du projet; le milieu universitaire s'est chargé d'encadrer l'important volet science et recherche; alors que l'industrie a joué un rôle de chef de file en gérant l'expertise à la fois complexe et subtile dont on avait besoin pour développer M3MSat.

D'après le professeur Safieddin (Ali) Safavi-Naeini, principal chercheur et directeur du CIARS, l'antenne SIA du M3MSat a été un des modèles d'antenne les plus exigeants jamais conçus et développés par le CIARS, mais ce fut également « ...un des projets de conception d'antenne parmi les plus intéressants sur lesquels nous avons travaillé; nous avons appris tellement de cette expérience. » Le centre travaille à d'autres projets spatiaux sous son leadership, incluant les communications entre aéronefs et satellites, ainsi qu'entre voitures et satellites.

Représentation de satellites captant les signaux émis par des navires

Image montrant des antennes satellites recevant des signaux SIA émis par des navires, qui sont stockés à bord du satellite et retransmis lorsqu'ils arrivent dans le champ visuel d'une station terrestre appropriée. (Source : Agence spatiale européenne)

Pour de plus amples renseignements :