EP1052724B1 - Structure inductive grillagée - Google Patents

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EP1052724B1
EP1052724B1 EP20000401264 EP00401264A EP1052724B1 EP 1052724 B1 EP1052724 B1 EP 1052724B1 EP 20000401264 EP20000401264 EP 20000401264 EP 00401264 A EP00401264 A EP 00401264A EP 1052724 B1 EP1052724 B1 EP 1052724B1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
elementary
grids
structure according
diffraction
grid
Prior art date
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Expired - Lifetime
Application number
EP20000401264
Other languages
German (de)
English (en)
Other versions
EP1052724A1 (fr
Inventor
Frank THOMSON-CSF Normand
Christophe THOMSON-CSF Meyer
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Thales SA
Original Assignee
Thales SA
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Filing date
Publication date
Application filed by Thales SA filed Critical Thales SA
Publication of EP1052724A1 publication Critical patent/EP1052724A1/fr
Application granted granted Critical
Publication of EP1052724B1 publication Critical patent/EP1052724B1/fr
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Expired - Lifetime legal-status Critical Current

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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q15/00—Devices for reflection, refraction, diffraction or polarisation of waves radiated from an antenna, e.g. quasi-optical devices
    • H01Q15/0006—Devices acting selectively as reflecting surface, as diffracting or as refracting device, e.g. frequency filtering or angular spatial filtering devices
    • H01Q15/0013—Devices acting selectively as reflecting surface, as diffracting or as refracting device, e.g. frequency filtering or angular spatial filtering devices said selective devices working as frequency-selective reflecting surfaces, e.g. FSS, dichroic plates, surfaces being partly transmissive and reflective
    • H01Q15/0026—Devices acting selectively as reflecting surface, as diffracting or as refracting device, e.g. frequency filtering or angular spatial filtering devices said selective devices working as frequency-selective reflecting surfaces, e.g. FSS, dichroic plates, surfaces being partly transmissive and reflective said selective devices having a stacked geometry or having multiple layers

Definitions

  • the invention relates to the field of inductive structures screened.
  • Inductive mesh structures can be used as microwave short-circuit for the protection of optical equipment or optronics against electromagnetic aggression so that the equipment behaves roughly like a Faraday cage.
  • the electromagnetic aggression can be of the type radio, radar, weapon microwave, strong field, electromagnetic pulse, lightning ... optronic equipment can encompass all types of equipment having an optical opening closed by a window guaranteeing the mechanical closure of the material.
  • the porthole must then also realize to a certain extent the electrical closure of the material by presenting a low impedance on a given microwave spectral domain.
  • the door must have the following properties, on the one hand the microwave shielding property of screening substantially in a given microwave spectral range, by example from 2 to 18 GHz, and secondly the optical transmission property to be substantially transparent in a spectral range given optical, for example from the ultraviolet to the infrared, and present a good modulation transfer function in the field optical spectral.
  • a problem to solve by the portholes is that of a good compromise between microwave properties and optical properties, that is to say between the microwave shielding and the optical transmission which will be called in the following the "microwave / optical compromise". Indeed, these properties are difficult to reconcile and often, a good screening microwave can only be obtained at the expense of the transmission optically, whether at the level of optical transparency, that is to say amount of energy transmitted or at the level of the transfer function of modulation, ie the quality of the energy transmitted, and vice versa. In Depending on the type of application envisaged, different solutions are possible.
  • a porthole comprising a thick layer of semiconductor.
  • Selective doping in the form of Grid of the semiconductor layer allows to obtain the property of screening. Due to the low electrical conductivity of semiconductors, good microwave shielding can only be achieved with a thick semiconductor layer, which has the effect of to degrade the optical transparency and therefore the optical transmission. In the case of severe constraints, the microwave / optical compromise achieved will be insufficient. Moreover, it is difficult to find a semiconductor material having good optical transparency in the field optical spectral of the visible.
  • a porthole comprising a thin layer of material with high electrical conductivity.
  • the material of the thin layer must have a high electrical conductivity and therefore a high extinction coefficient even at optical wavelengths, thus degrading the optical transparency and therefore the optical transmission.
  • the microwave / optical compromise realized will be insufficient.
  • a structure is provided Inductive grid bicriodic grille type square pattern for example.
  • the square character ensures the symmetry of the polarity as well as a relative simplicity of the grid.
  • the grid material is electrically conductive, it is for example a metal or a semiconductor. Either at the time or the not network and 2d the wire width of the grid.
  • the 2d / a ratio influences important way microwave shielding. A high 2d / a ratio is translated by good microwave shielding and vice versa. But a report 2d / a high implies a recovery rate, ie a ratio between conductive surface and total area for the grid, which is also high.
  • This high recovery rate is a source of diffraction phenomenon which degrades the quality of the optical transmission by deteriorating the function modulation transfer.
  • the Microwave / optical compromise achieved will be insufficient. It remains possible at constant ratio 2d / a, to decrease the step a of the grid and consequently the 2d wire width of the grid. Wavelengths in the spectral domain microwave being greater than the wavelengths in the field spectral range, the decrease of the step at constant 2d / a ratio affects more microwave wavelengths as optical wavelengths. While the cutoff frequency in the spectral range microwave frequency increases and that the microwave shielding improves, the diffraction phenomenon is little changed and the optical transmission is therefore degrades little. Nevertheless, in the case of severe constraints, the compromise microwave / optical realized will still be insufficient.
  • the invention is based on a very clear improvement of the compromise microwave / optical.
  • the invention uses an inductive structure mesh having in particular a good microwave shielding as well a more uniform spatial distribution of optical diffraction energy, that is, diffraction energy in the optical spectral range.
  • the quality of the optical transmission of the inductive mesh structure and the entire optical window in which the grid may be included, in is then significantly improved, since a more uniform spatial distribution optical diffraction energy improves the transfer function of modulation.
  • the invention also has the advantage of proposing a solution bandwidth for the optical spectral range, because the grid-like character of the inductive structure allows the optical transmission in the field optical spectral to be somewhat dependent on the optical wavelength.
  • an inductive mesh structure having elementary meshes whose sides are in wire electrically conductive, the average recovery rate of the meshes elementary being on the one hand sufficiently high for the structure substantially scoring in a given microwave spectral domain and on the other hand weak enough for the structure to be substantially transparent in a given optical spectral range, characterized in that the sides of the stitches are oriented sufficiently irregular to spatially distribute more evenly in the case of a single periodic grid, the diffraction energy in the optical spectral domain.
  • Figure 1 makes it possible to specify some general definitions concerning the elementary meshes of any grid.
  • the example shown relates to a grid with square patterns composed of several elementary meshes m as the grids according to the third prior art.
  • the elemental meshes m are represented in dashed lines.
  • Each elemental mesh has a surface sv of vacuum or electrically non-conductive material surrounded by electrically conductive wire sides constituting the surface sf of wire.
  • 2d represents the wire width and has the pitch of the mesh.
  • the rate of vacuum or electrically non-conductive material is sv / a 2 and the recovery rate is (a 2 -sv) / a 2 , where sv is here (a-2d) 2 .
  • the elementary mesh surface is 2 .
  • the sides of the elementary meshes of the inductive mesh structure are oriented more irregular way than are the sides of the elemental meshes a periodic single grid, such as a grid with square patterns or circulars.
  • a periodic single grid such as a grid with square patterns or circulars.
  • the microwave spectral domain it is This is for the inductive mesh structure to keep as much as possible the periodic character of a periodic single grid.
  • the optical spectral domain this is for the inductive mesh structure, all maintaining the good optical transparency of a single periodic grid low recovery rate, to minimize the character periodical of a single periodic grid.
  • Inductive mesh structure according to the invention takes advantage of the fact that the wavelengths of the domain spectral spectra are lower and often significantly lower than wavelengths of the microwave spectral domain.
  • This spatial distribution more uniform optical diffraction energy allows, for an energy globally diffracted equivalent, relocating this energy by spatial distribution, thereby decreasing the intensity of the diffraction peaks of the diffraction pattern of the inductive mesh structure, to improve considerably the modulation transfer function and therefore the quality of the optical transmission.
  • the first type uses several mesh inductive structures, for example grids, each of which may have a significant periodic the layout and layout diminish the periodic nature of the set constituted by the different structures. This solution is relatively simple to achieve but its effectiveness is not totally optimized.
  • the first type corresponds to the first two modes of production.
  • the second type uses a single grid structure whose aperiodic character is important. This solution is more complex to achieve but is likely to give even better results.
  • the second type corresponds to the third embodiment.
  • the solutions of the two types of devices can of course be combined for one even greater efficiency at the cost of a complexity of realization which increases.
  • the first type of device uses an inductive structure mesh having several elementary grids diffracting each according to a pattern of diffraction peaks, the figures of diffraction peaks being substantially spatially shifted between them.
  • the optimum is reached when the diffraction peaks from one figure to another are spatially distinct, that is to say do not overlap at all; however, a slight recovery can result in a satisfactory solution, in particular depending on the type and severity of the constraints imposed by the application considered.
  • the more the diffraction patterns are spatially shifted the more the diffraction energy in the optical spectral domain is spatially evenly distributed, and better is the quality of the transmission optical.
  • the intensity of the corresponding diffraction peaks remains preferably substantially constant from one figure to another. So the energy of diffraction in the optical spectral range is distributed substantially identical between the different diffraction figures corresponding to the different elementary grids. More peak intensity of diffraction from one figure to another is constant, plus diffraction energy in the optical spectral domain is uniformly spatially distributed.
  • the structure functionally comprises several grids elementals virtually each having a diffraction pattern, but these elementary grids all preferentially occupy the same surface and structurally preferably form a single grid. In the case of planar elementary grids, all the elementary grids will then be in the same plane and assembled to each other so as to no longer structurally form a single resulting grid. If the different grids Each elementary element has a very marked periodic character, for example square patterns regularly spaced, the layout of these elementary grids will be such that the periodic character of the grid resultant will be much less marked, its reasons being then for example polygons more or less regular.
  • the advantage of such a structure mesh is to have an optical transmission comparable to that of one elementary grids while having microwave shielding significantly improved.
  • the elementary grids are substantially parallel to each other but where they do not belong to the same surface, the elementary grids must be sufficiently close from each other, that is to say that the distance between the grids elementary needs to remain low enough for the irregular character of the orientation of the sides of the elementary meshes translates into a more uniform spatial distribution of energy optical diffraction.
  • a structure consisting of two elementary orientation grids different, square patterns, and separated by enough space important in relation to optical wavelengths will diffract mainly in two directions as a periodic single grid.
  • the grids Elementals have substantially the same recovery rate.
  • the optimum being reached when the recovery rate is identical.
  • Grates elementary elements advantageously have elementary meshes of substantially square.
  • the substantially square character of the stitches elementary offers a good compromise between simplicity, screening microwave, optical transmission and polarization symmetry, even if the intensity of the diffraction peaks remains higher than with grids Elementals whose patterns have a more "irregular" shape.
  • FIG. 2 schematically shows a first mode particular embodiment of a mesh inductive structure according to the invention.
  • the structure has several elementary grids, here two grids elementary G1 and G2.
  • the G2 grid is represented in phantom while the grid G1 is represented in dashed lines.
  • elementary grids belong to substantially parallel surfaces between them, advantageously flat.
  • grids elementals are in the same plane and their elementary mesh sides get cross so as to form a single mesh structure.
  • Each of the elementary grids has an elementary mesh surface substantially constant and the elementary mesh surfaces are substantially different between elementary grids.
  • the two elementary grids G1 and G2 have elemental meshes of substantially square shape.
  • Grates elementary elements all advantageously have the same orientation, that is to say that the sides of the elemental meshes of one of the grids are respectively parallel to the elementary meshes of the others elementary grids. This will be the case for all numerical examples in the first embodiment.
  • the two grids elementary G1 and G2 have elementary mesh sides that are respectively parallel to the two axes X and Y perpendicular to each other.
  • the pitch a1 is equal to 10 ⁇ m and the pitch a2 is equal to 13 ⁇ m.
  • the wire width 2d is chosen equal to 2 .mu.m.
  • the ratio between wire width and pitch, namely 2d / a1 is 0.2.
  • the ratio between wire width and not worth 0.154 Let us assign the index n to the diffraction orders corresponding to the first elementary grid G1.
  • the different peaks of diffraction of order n are angularly located, from the center of the spot diffraction center at angles of n ⁇ / a1.
  • the orders of diffraction of order m corresponding to the second elementary grid G2 are angularly, from the center of the central diffraction spot, to angles worth m ⁇ / a2. If, as is the case, the respective steps a1 and a2 elementary grids G1 and G2 are different, the diffraction peaks, although located in the same directions X and Y, however, are for the most of them, distinct from each other.
  • these overlaps should not be produce that for high diffraction orders so that the resulting energy of the sum of the two corresponding diffraction peaks is less than the optical diffraction energy of the first peaks of diffraction of at least one of the elementary grids.
  • the steps of different elementary grids are chosen so that any diffraction peak resulting from the total or partial superposition of several peaks of diffraction from different elementary grids has an intensity that is less than or substantially equal to the highest of all intensities of first order diffraction peaks of all grids elementary. So the diffraction peaks resulting from the coupling between diffraction orders of several elementary grids, then correspond to high diffraction orders and therefore low energy. So, these diffraction peaks resulting from the coupling between elementary grids are not not limiting, since lower in intensity at the first diffraction peaks at least one of the elementary grids.
  • the steps of the different elementary grids are also preferentially chosen so that any diffraction peak resulting from the total or partial superposition of several peaks of diffraction from different elementary grids and whose intensity is greater than or substantially equal to the highest of all intensities first order diffraction peaks of all elementary grids, is located outside the field of the optical window in which the grid structure is integrated.
  • the diffraction peaks resulting from the coupling between orders of diffraction of several elementary grids, corresponding then to diffraction orders located outside the field of the optronic window are not not limiting, since excluded from the image of the scene observed through the optronic window.
  • Example 1 the energies of the different diffraction peaks on the one hand for each of the elementary grids G1 and G2 and on the other hand for the inductive mesh structure SIG consisting of set of two elementary roasts G1 and G2.
  • the diffraction order is indicated in parentheses with the corresponding grid or structure: for example 2 (G2) means "second diffraction order for the elementary gate G2. Since the void ratio of a grid is the ratio between the void surface and the total area, the grids G1 and G2 respectively have a void ratio of 64% and 71%, whereas the inductive mesh structure, denoted SIG, has a vacuum rate of 47%.
  • the energies are denoted in arbitrary relative units, with the value 1 corresponding to the energy of the central diffraction spot.
  • the sixth order of diffraction for the inductive structure GIS mesh corresponds respectively to the third and fourth orders diffraction pattern for the first G1 and second G2 elementary grids.
  • the energy of this sixth order of diffraction for the inductive structure SIG mesh is approximately the sum of the energy of the third and fourth order of diffraction for the first G1 and second G2 elemental grids respectively. But this remaining amount less than the energy of the second order of diffraction for the structure inductive mesh corresponding to the first order of diffraction of the first grid G1, the diffraction peak of the sixth diffraction order for the Inductive mesh structure is not limiting.
  • a total decoupling between the diffraction orders of the different component elementary grids structure and thus excluding any recovery of peaks from Even partial diffraction remains difficult to achieve.
  • an inductive mesh structure makes it possible, while having an optical transmission quality comparable to that of the optically most limiting elementary grid, to the inductive structure.
  • grid to have a significantly improved microwave overfrequency shielding compared to the microwave shielding of the best elemental grid in the microwave spectral range.
  • An optical transmission of good quality corresponds to a ratio between the energy of the first diffraction peak and the energy of the central diffraction spot which is low in the optical spectral range, here the optical domain ranging for example from the ultraviolet infrared. This report will be noted E1.0 / E0.0.
  • a good microwave shielding corresponds to an attenuation on a given microwave band, here the band ranging for example from 2 to 18 GHz.
  • the elementary grid G1 has a pitch a1 equal to 200 ⁇ m, a width of wire 2d equal to 1 ⁇ m and a total surface area to wire ratio of 0.005.
  • the elementary grid G2 has a pitch a2 equal to 220 ⁇ m, a width of wire 2d equal to 1 ⁇ m and a surface area of wire to total surface of 0.0045.
  • the ratio E1.0 / E0.0 and the attenuation T2-18GHz are respectively given in relative value and in decibel (dB), for each of the elementary grids G1 and G2 and for the inductive structure SIG constituted by these two grids elementary.
  • G1 G2 GIS E1.0 / E0,0 2.5x10 -5 2.1x10 -5 2.5x10 -5 T2-18GHz -25.4 -24.5 -31.4
  • the microwave gain is 6dB, which is important. The compromise thus achieved between the microwave shielding and the quality of the optical transmission is thus significantly improved.
  • the position of the elementary grids relative to each other in the same plane does not have a significant influence on the quality of the optical transmission. Indeed, when the two elementary grids G1 and G2 are shifted relative to each other, the variation of the ratio between the total energy diffracted in the higher orders and the energy of the spot diffraction center is negligible, of the order of a fraction of a percent.
  • Microwave shielding corresponds to an attenuation on a given microwave band, here the band ranging for example from 2 to 18 GHz. This attenuation is noted T2-18GHz, it is given in dB.
  • the elementary grid G1 has a pitch a1 equal to 2 mm, a wire width 2 d equal to 2 ⁇ m and a total surface area to wire ratio of 0.001.
  • the elementary grid G2 has a pitch a2 equal to 2.1mm, a wire width 2d equal to 2 ⁇ m, and a total surface area to wire ratio of 0.00095.
  • An additional grid with a pitch of 1 mm and a total surface-to-surface ratio of 0.002, denoted Geqhyp for "grid equivalent to the inductive grid structure in the microwave spectral domain", is contained in the table to show the impossibility with a periodic single grid to perform a microwave / optical compromise as good as with the inductive gate mesh according to the invention.
  • the corresponding numerical results are collated in the third table.
  • the third table shows that for a diffraction quality similar to that of each of the elementary grids G1 and G2, the microwave shielding is improved by about 5 dB.
  • the Geqhyp "equivalent grid" has a ratio between the maximum energy of a higher order diffraction peak and the energy of the diffraction center spot. the optical spectral range, which is four times higher, which represents a much lower optical transmission quality.
  • a fourth table groups above the numerical results of a fourth numerical example.
  • the notations of the third numerical example described above are preserved.
  • Several elementary grids G1, G2, G3, G4, G5, G6 are considered, they have respective not1 values equal to 2mm, a2 being equal to 2.1mm, a3 being equal to 2.2mm, a4 being equal to 2.3mm, a5 being equal to 2.4mm, a6 worth 2.5mm.
  • Several meshed inductive structures containing from two to six elementary grids are analyzed.
  • the grid structures SIG (G1 to G2), GIS (G1 to G3), GIS (G1 to G4), GIS (G1 to G5), GIS (G1 to G6) respectively consist of elementary gates G1 to G2, G1 to G1. G3, G1 to G4, G1 to G5, G1 to G6.
  • the fourth table contains two additional grids with respective pitch values of 0.46 mm and 2 mm, as well as surface area to wire ratios of 0.0043 and 0.001 respectively, respectively denoted Geqhyp for "grid equivalent to the inductive grid structure in the microwave spectral domain "and Geqopt for" grid equivalent to the inductive lattice structure in the optical spectral domain ".
  • Eoptique E0,0 Ei, 0 / E0,0 T2-18GHz GIS G1 to G2 0.996 0,992 10 -6 -13 GIS (G1 to G3) 0,994 0.988 10 -6 -15.4 GIS (G1 to G4) 0,992 0,985 10 -6 -17.5 GIS (G1 to G5) 0.99 0.982 10 -6 -19.1 GIS (G1 to G6) 0.988 0.979 10 -6 -20.5 Geqhyp 0.991 0.983 1,9x10 -5 -20.5 Geqopt 0,998 0.996 10 -6 -8.2
  • the microwave gain is worth approximately 2.4 dB, the same gain from five to six grids is only 1.4dB.
  • the inductive mesh structure comprising six elementary grids achieves a very good microwave / optical compromise.
  • the gain at the maximum relative intensity level of the diffraction peaks represented by the ratio Ei, 0 / E0,0 which is a key parameter reflecting the quality of the optical transmission, reaches a factor of 19.
  • the gain at the level of Microwave shielding reaches 12dB, which corresponds to a factor of 16.
  • optical transparency represented by the value of the overall optical transmission E0,0 very drop slightly, about 1% between the inductive mesh structure comprising six elementary grids and the "optical equivalent grid" Geqopt.
  • the number of grids is not a realizing parameter really limiting, since only the wire width is technologically limiting.
  • FIG. 3 schematically shows a second mode particular embodiment of a mesh inductive structure according to the invention.
  • the structure has several elementary grids, here two grids elementary G1 and G2.
  • the two elementary grids G1 and G2 are represented in solid lines.
  • the elementary grids belong to surfaces substantially parallel to each other, advantageously flat.
  • the elementary grids are in the same plane and their elementary mesh sides intersect so to form only a single grid structure.
  • Each of the grids elementary has a substantially constant elementary mesh surface and elementary mesh surfaces are substantially shifted angularly between them.
  • the elementary grids G1 and G2 are angularly offset by an angle ⁇ .
  • the two elementary grids G1 and G2 have elementary meshes of substantially square shape.
  • the elementary grids G1 and G2 have steps respective a1 and a2.
  • Elementary grids all advantageously have the not even, that is to say that the sides of the elementary meshes of one of the grids are respectively of length equal to that of the sides of the meshes elements of the other elementary grids. This will be the case for fifth preferred numerical example relating to the second mode of production.
  • the elementary grid G1 has elementary mesh sides which are respectively parallel to the two perpendicular x and y axes between them, while the elementary grid G2 has elementary mesh sides that are respectively parallel to the two perpendicular X and Y axes between them.
  • the inductive mesh structure may have more than two grids elementary.
  • the structure comprising N elementary grids, the grids elementary elements are preferably offset from each other by an angle substantially ⁇ / 2N, especially when there are three or more elementary grids.
  • ⁇ / 2N substantially ⁇ / 2N
  • the pics diffraction patterns correspond to the energy diffracted in the parallel directions to the sides of the grid, while secondary peaks of diffraction correspond to the energy diffracted in non-direction parallel to the sides of the grid, this energy being much lower than the often to that of the main diffraction peaks.
  • Each of the elementary grids diffracts, at least mainly, according to different axes.
  • the elementary grid G1 diffracts mainly in the x and y directions, while the elementary grid G2 diffracts mainly in the X and Y directions.
  • the optical diffraction energy is spatially distributed more evenly than in the case of a single grid, and even more evenly than in the case of grids same orientation as in the case of Figure 2, since here not only the diffraction figures of the elementary grids the respective directions do not overlap or which they extend are distinct.
  • Optical diffraction energy is spatially distributed in many directions and no longer only mainly according to two privileged directions as in the case of Figure 2.
  • screening microwave appears to be best of about 6dB, which represents a very clear improvement of the microwave / optical compromise.
  • the superposition of two elementary grids each screening -16dB microwave does not result in screening resulting from -32dB which would be the sum of the previous ones, because the distance between the elementary grids is weak enough (here it is even nil since the grids are in the same plane) so that the two grids Elementals interact on the waves that pass through them.
  • FIG. 4 schematically shows a third mode particular embodiment of a mesh inductive structure according to the invention having at least one grid like that shown in FIG.
  • FIG. 4 represents a Gap gate whose aperiodic character is important.
  • the elementary meshes have substantially the same surface and the same form.
  • the size elemental meshes is small enough in front of the lengths of microwave wave so that the elementary meshes appear all similar when "seen" by wavelengths microwave.
  • the Gap grid has microwave properties comparable to those of a single periodic grid such as for example a grid patterned squares, and it can in the same way screen substantially in the microwave domain.
  • a grid single periodic usually has peaks of intensity diffraction relative high.
  • the mesh sides are oriented so that the diffraction zones of the structure are spatially distributed so substantially homogeneous.
  • the diffraction energy optical is for example spatially distributed according to more than two directions and / or in non-rectilinear forms and / or in larger areas that the very localized diffraction peaks of a periodic single grid, resulting in a substantially homogeneous spatial distribution.
  • the gate G does not have an acute angle between adjacent sides of elementary mesh because sharp angles between meshes elementals are at the source of local diffraction phenomena but intense. All angles between adjacent sides of elemental mesh are advantageously substantially equal to ⁇ / 2.
  • Two adjacent sides of the elementary mesh mj are for example c1 and c2.
  • the preferred form of the grid G shown in FIG. 4 is a grid whose elementary meshes are angular sectors of concentric rings.
  • the gate G comprises a central circular zone O comprising one or more elementary meshes, here two.
  • Around this central circular zone O are a set of concentric rings, here three.
  • the concentric rings P, Q and R which are here the first, second and third peripheral crowns, each comprise several elementary meshes of the type of the mesh mi or the mesh mj.
  • the rings have substantially constant widths and substantially equal to each other.
  • the central circular zone O can be considered as the central crown in the formula below.
  • the M th peripheral ring from the central ring advantageously comprises K (2M + 1) elemental meshes.
  • the elementary meshes all have substantially the same surface and the same shape as the meshes mi and mj.
  • the third peripheral crown will then comprise fourteen.
  • the grid G preferably has roughly axial symmetry, as for example in Figure 4, for reasons of polarization symmetry.
  • the grid G can have, at the scale optical wavelengths, elementary mesh sides whose irregularity of the orientation is more marked than in the case of right segments joining the inner and outer perimeters of the same crowned.
  • the sides of the elementary meshes connecting the inner perimeters and outer of the same crown can then advantageously be inclined relative to the norm at the perimeters of the crowns.
  • Elemental stitches may also not be straight. for example arcs between the perimeters of the crowns would allow even better to spatially distribute the optical diffraction energy in space.
  • Another solution could use at least one grid constituted by a set of elliptical shapes whose major axes all have different lengths and / or different directions. So, almost none sides of the elementary meshes would be parallel to each other and the optical diffraction energy would be spatially distributed all the more uniform.

Landscapes

  • Diffracting Gratings Or Hologram Optical Elements (AREA)
  • Optical Modulation, Optical Deflection, Nonlinear Optics, Optical Demodulation, Optical Logic Elements (AREA)
  • Optical Filters (AREA)

Description

L'invention concerne le domaine des structures inductives grillagées. Les structures inductives grillagées peuvent être utilisées comme court-circuit hyperfréquence pour la protection d'équipements optiques ou optroniques contre l'agression électromagnétique de manière à ce que l'équipement se comporte approximativement comme une cage de Faraday. L'agression électromagnétique peut être du type radio, radar, arme hyperfréquence, champ fort, impulsion électromagnétique, foudre... Les équipements optroniques peuvent englober tous types de matériels présentant une ouverture optique fermée par un hublot garantissant la fermeture mécanique du matériel. Le hublot doit alors également réaliser dans une certaine mesure la fermeture électrique du matériel en présentant une faible impédance sur un domaine spectral hyperfréquence donné.
Le hublot doit alors présenter les propriétés suivantes, d'une part la propriété d'écrantage hyperfréquence consistant à écranter substantiellement dans un domaine spectral hyperfréquence donné, par exemple de 2 à 18 GHz, et d'autre part la propriété de transmission optique consistant à être substantiellement transparent dans un domaine spectral optique donné, par exemple allant de l'ultraviolet à l'infrarouge, et de présenter une bonne fonction de transfert de modulation dans le domaine spectral optique.
Un problème à résoudre par les hublots est celui d'un bon compromis entre les propriétés hyperfréquence et les propriétés optiques, c'est-à-dire entre l'écrantage hyperfréquence et la transmission optique qui sera appelé dans la suite le « compromis hyperfréquence/optique ». En effet, ces propriétés sont difficilement conciliables et souvent, un bon écrantage hyperfréquence ne peut être obtenu qu'au détriment de la transmission optique, que ce soit au niveau de la transparence optique c'est-à-dire de la quantité d'énergie transmise ou bien au niveau de la fonction de transfert de modulation c'est-à-dire de la qualité de l'énergie transmise, et vice-versa. En fonction du type d'application envisagé, différentes solutions sont possibles.
Selon un premier art antérieur, il est prévu un hublot comportant une couche épaisse de semi-conducteur. Un dopage sélectif en forme de grille de la couche de semi-conducteur permet d'obtenir la propriété d'écrantage. En raison de la faible conductivité électrique des semiconducteurs, un bon écrantage hyperfréquence ne peut être réalisé qu'avec une couche de semi-conducteur d'épaisseur importante, ce qui a pour effet de dégrader la transparence optique et donc la transmission optique. Dans le cas de contraintes sévères, le compromis hyperfréquence/optique réalisé sera insuffisant. Par ailleurs, il est difficile de trouver un matériau semi-conducteur présentant une bonne transparence optique dans le domaine spectral optique du visible.
Selon un deuxième art antérieur, il est prévu un hublot comportant une couche mince de matériau à forte conductivité électrique. Pour présenter un bon écrantage hyperfréquence, le matériau de la couche mince doit présenter une conductivité électrique forte et par conséquent un coefficient d'extinction élevé même aux longueurs d'onde optiques, dégradant ainsi la transparence optique et donc la transmission optique. Dans le cas de contraintes sévères, le compromis hyperfréquence/optique réalisé sera insuffisant.
Selon un troisième art antérieur, il est prévu une structure inductive grillagée bipériodique du type grille à motifs carrés par exemple. Le caractère carré assure la symétrie de la polarité ainsi qu'une relative simplicité de la grille. Le matériau de la grille est électriquement conducteur, c'est par exemple un métal ou un semi-conducteur. Soit a la période ou le pas du réseau et 2d la largeur de fil de la grille. Le rapport 2d/a influence de manière importante l'écrantage hyperfréquence. Un rapport 2d/a élevé se traduit par un bon écrantage hyperfréquence et vice-versa. Or un rapport 2d/a élevé implique un taux de recouvrement, c'est-à-dire un rapport entre surface conductrice et surface totale pour la grille, qui est élevé également. Ce taux de recouvrement important est source de phénomène de diffraction qui dégrade la qualité de la transmission optique en détériorant la fonction de transfert de modulation. Dans le cas de contraintes sévères, le compromis hyperfréquence/optique réalisé sera insuffisant. Il reste possible à rapport 2d/a constant, de diminuer le pas a de la grille et par conséquent la largeur 2d de fil de la grille. Les longueurs d'onde dans le domaine spectral hyperfréquence étant supérieures aux longueurs d'onde dans le domaine spectral optique, la diminution du pas a à rapport 2d/a constant affecte plus les longueurs d'onde hyperfréquence que les longueurs d'onde optiques. Tandis que la fréquence de coupure dans le domaine spectral hyperfréquence augmente et que l'écrantage hyperfréquence s'améliore, le phénomène de diffraction est peu modifié et la transmission optique se dégrade donc peu. Néanmoins, dans le cas de contraintes sévères, le compromis hyperfréquence/optique réalisé sera tout de même insuffisant.
L'invention repose sur une amélioration très nette du compromis hyperfréquence/optique. Pour cela l'invention utilise une structure inductive grillagée présentant notamment un bon écrantage hyperfréquence ainsi qu'une répartition spatiale plus uniforme de l'énergie de diffraction optique, c'est-à-dire de l'énergie de diffraction dans le domaine spectral optique. La qualité de la transmission optique de la structure inductive grillagée et de l'ensemble de la fenêtre optique dans laquelle la grille peut être incluse, en est alors nettement améliorée, puisque une répartition spatiale plus uniforme de l'énergie de diffraction optique améliore la fonction de transfert de modulation. L'invention a également l'avantage de proposer une solution large bande pour le domaine spectral optique, car le caractère grillagé de la structure inductive permet à la transmission optique dans le domaine spectral optique d'être peu dépendante de la longueur d'onde optique.
Selon l'invention, il est prévu une structure inductive grillagée comportant des mailles élémentaires dont les côtés sont en fil électriquement conducteur, le taux de recouvrement moyen des mailles élémentaires étant d'une part suffisamment élevé pour que la structure écrante substantiellement dans un domaine spectral hyperfréquence donné et d'autre part suffisamment faible pour que la structure soit substantiellement transparente dans un domaine spectral optique donné, caractérisé en ce que les côtés des mailles sont orientés de manière suffisamment irrégulière pour répartir spatialement de manière plus uniforme que dans le cas d'une grille unique périodique, l'énergie de diffraction dans le domaine spectral optique.
L'invention sera mieux comprise et d'autres particularités et avantages apparaítront à l'aide de la description ci-après et des dessins joints, donnés à titre d'exemples, où :
  • la figure 1 représente schématiquement une maille élémentaire d'une grille à motifs carrés selon le troisième art antérieur ;
  • la figure 2 représente schématiquement un premier mode particulier de réalisation d'une structure inductive grillagée selon l'invention ;
  • la figure 3 représente schématiquement un deuxième mode particulier de réalisation d'une structure inductive grillagée selon l'invention ;
  • la figure 4 représente schématiquement un troisième mode particulier de réalisation d'une structure inductive grillagée selon l'invention.
La figure 1 permet de préciser quelques définitions générales concernant les mailles élémentaires d'une grille quelconque. L'exemple représenté concerne une grille à motifs carrés composée de plusieurs mailles élémentaires m comme les grilles selon le troisième art antérieur. Les mailles élémentaires m sont représentées en traits pointillés. Chaque maille élémentaire m a une surface sv de vide ou de matériau électriquement non conducteur entourée de côtés c en fil électriquement conducteur constituant la surface sf de fil. 2d représente la largeur de fil et a le pas de la maille. Le taux de vide ou de matériau électriquement non conducteur vaut sv/a2 et le taux de recouvrement vaut (a2-sv)/a2, sv valant ici (a-2d)2. La surface de maille élémentaire vaut a2.
Afin de répartir spatialement l'énergie de diffraction, les côtés des mailles élémentaires de la structure inductive grillagée sont orientés de manière plus irrégulière que ne le sont les côtés des mailles élémentaires d'une grille unique périodique comme par exemple une grille à motifs carrés ou circulaires. En ce qui concerne le domaine spectral hyperfréquence, il s'agit pour la structure inductive grillagée de conserver le plus possible le caractère périodique d'une grille unique périodique. En ce qui concerne le domaine spectral optique, il s'agit pour la structure inductive grillagée, tout en conservant la bonne transparence optique d'une grille unique périodique à faible taux de recouvrement, de diminuer le plus possible le caractère périodique d'une grille unique périodique. La structure inductive grillagée selon l'invention tire parti du fait que les longueurs d'onde du domaine spectral optique sont inférieures et souvent nettement inférieures aux longueurs d'onde du domaine spectral hyperfréquence. Ainsi une modification dans la régularité de l'orientation des côtés des mailles élémentaires d'une structure inductive grillagée, qui conserve dans une certaine mesure une forme et une surface de maille élémentaire grossièrement semblable à celle d'une grille unique périodique comme par exemple la grille à motifs carrés, peut avoir un effet négligeable sur les «grandes» longueurs d'onde du domaine spectral hyperfréquence et dégrader faiblement l'écrantage hyperfréquence, tandis qu'elle aura un effet important sur les « petites » longueurs d'onde du domaine spectral optique en ayant pour effet une répartition de l'énergie de diffraction dans le domaine spectral optique, qui spatialement soit nettement plus uniforme que dans le cas d'une grille unique périodique. Cette répartition spatiale plus uniforme de l'énergie de diffraction optique permet, pour une énergie globalement diffractée équivalente, en délocalisant cette énergie par répartition spatiale, diminuant ainsi l'intensité des pics de diffraction de la figure de diffraction de la structure inductive grillagée, d'améliorer considérablement la fonction de transfert de modulation et par conséquent la qualité de la transmission optique.
Pour cela, deux types de dispositif sont proposés. Le premier type utilise plusieurs structures inductives grillagées, par exemple des grilles, chacune pouvant avoir un caractère périodique important, mais dont l'agencement et la disposition diminuent le caractère périodique de l'ensemble constitué par les différentes structures. Cette solution est relativement simple à réaliser mais son efficacité n'est pas totalement optimisée. Le premier type correspond aux deux premiers modes de réalisation. Le deuxième type utilise une seule structure grillagée dont le caractère apériodique est important. Cette solution est plus complexe à réaliser mais est susceptible de donner des résultats encore meilleurs. Le deuxième type correspond au troisième mode de réalisation. Les solutions des deux types de dispositifs peuvent bien sûr être combinées pour une efficacité encore accrûe au prix toutefois d'une complexité de réalisation qui augmente.
Le premier type de dispositif utilise une structure inductive grillagée comportant plusieurs grilles élémentaires diffractant chacune selon une figure de pics de diffraction, les figures de pics de diffraction étant substantiellement décalées spatialement entre elles. L'optimum est atteint lorsque les pics de diffraction d'une figure à l'autre sont spatialement distincts, c'est-à-dire ne se recouvrent pas du tout ; cependant, un léger recouvrement peut aboutir à une solution tout de même satisfaisante, en fonction du type et de la sévérité des contraintes imposées par l'application envisagée. Plus les figures de diffraction sont spatialement décalées, plus l'énergie de diffraction dans le domaine spectral optique est spatialement répartie de manière uniforme, et meilleure est la qualité de la transmission optique.
L'intensité des pics de diffraction correspondants reste de préférence sensiblement constante d'une figure à l'autre. Ainsi, l'énergie de diffraction dans le domaine spectral optique est répartie de manière sensiblement identique entre les différentes figures de diffraction correspondant aux différentes grilles élémentaires. Plus l'intensité des pics de diffraction d'une figure à l'autre est constante, plus l'énergie de diffraction dans le domaine spectral optique est uniformément spatialement répartie.
La structure comporte fonctionnellement plusieurs grilles élémentaires ayant virtuellement chacune une figure de diffraction, mais ces grilles élémentaires occupent préférentiellement toutes la même surface et forment de préférence structurellement une grille unique. Dans le cas de grilles élémentaires planes, toutes les grilles élémentaires seront alors dans le même plan et assemblées les unes aux autres de manière à ne plus former structurellement qu'une seule grille résultante. Si les différentes grilles élémentaires ont chacune un caractère périodique très marqué, par exemple présentent des motifs carrés régulièrement espacés, la disposition de ces grilles élémentaires sera telle que le caractère périodique de la grille résultante sera beaucoup moins marqué, ses motifs étant alors par exemple des polygones plus ou moins réguliers. L'avantage d'une telle structure grillagée est d'avoir une transmission optique comparable à celle de l'une des grilles élémentaires tout en présentant un écrantage hyperfréquence nettement amélioré.
Dans le cas préférentiel où les grilles élémentaires sont sensiblement parallèles entre elles mais où elles n'appartiennent pas à la même surface, les grilles élémentaires doivent être suffisamment proches les unes des autres, c'est-à-dire que la distance entre les grilles élémentaires doit rester suffisamment faible pour que le caractère irrégulier de l'orientation des côtés des mailles élémentaires se traduise par une répartition spatiale plus uniforme de l'énergie diffraction optique. Par exemple, une structure constituée de deux grilles élémentaires d'orientation différente, à motifs carrés, et séparées par un espace suffisamment important par rapport aux longueurs d'onde optiques, diffractera principalement selon deux directions comme une grille unique périodique.
Au fur et à mesure que l'on rajoute des grilles élémentaires à la structure grillagée, la transmission optique reste comparable tandis que l'écrantage hyperfréquence s'améliore, mais le taux d'amélioration apporté par chaque nouvelle grille élémentaire décroít lorsque le nombre de grilles augmente. C'est pourquoi une structure inductive grillagée comportant deux grilles élémentaires seulement représente déjà un compromis avantageux.
Pour que le nombre de grilles élémentaires optimise l'amélioration de l'écrantage hyperfréquence de la structure grillagée à laquelle appartiennent les grilles élémentaires, il est préférable que les grilles élémentaires aient sensiblement le même taux de recouvrement. L'optimum étant atteint lorsque le taux de recouvrement est identique. Les grilles élémentaires ont avantageusement des mailles élémentaires de forme substantiellement carrée. Le caractère sensiblement carré des mailles élémentaires offre un bon compromis entre simplicité, écrantage hyperfréquence, transmission optique et symétrie de polarisation, même si l'intensité des pics de diffraction reste plus élevée qu'avec des grilles élémentaires dont les motifs ont une forme plus « irrégulière ».
La figure 2 représente schématiquement un premier mode particulier de réalisation d'une structure inductive grillagée selon l'invention. La structure comporte plusieurs grilles élémentaires, ici deux grilles élémentaires notées G1 et G2. La grille G2 est représentée en traits mixtes tandis que la grille G1 est représentée en traits pointillés. De préférence, les grilles élémentaires appartiennent à des surfaces sensiblement parallèles entre elles, avantageusement planes. De manière optimale, les grilles élémentaires sont dans le même plan et leurs côtés de maille élémentaire se croisent de façon à ne plus former qu'une structure grillagée unique. Chacune des grilles élémentaires a une surface de maille élémentaire sensiblement constante et les surfaces de maille élémentaire sont substantiellement différentes entre grilles élémentaires. Dans l'exemple représenté sur la figure 2, les deux grilles élémentaires G1 et G2 ont des mailles élémentaires de forme sensiblement carrée. La grille élémentaire G 1 a un pas a1 différent du pas a2 de la grille élémentaire G2. Les grilles élémentaires ont avantageusement toutes la même orientation, c'est-à-dire que les côtés des mailles élémentaires de l'une des grilles sont respectivement parallèles aux côtés des mailles élémentaires des autres grilles élémentaires. Ce sera le cas pour tous les exemples numériques préférentiels relatifs au premier mode de réalisation. Ici les deux grilles élémentaires G1 et G2 ont des côtés de maille élémentaire qui sont respectivement parallèles aux deux axes X et Y perpendiculaires entre eux.
Soit un premier exemple numérique concernant deux grilles élémentaires G1 et G2 de pas différents a1 et a2, du type de celles représentées sur la figure 2. Le pas a1 vaut 10µm et le pas a2 vaut 13µm. Pour les deux grilles élémentaires, la largeur de fil 2d est choisie égale à 2µm. Pour la première grille G1, le rapport entre largeur de fil et pas, à savoir 2d/a1 vaut 0,2. Pour la deuxième grille G2, le rapport entre largeur de fil et pas vaut 0,154. Affectons l'indice n aux ordres de diffraction correspondant à la première grille élémentaire G1. Pour une longueur d'onde optique λ appartenant à un domaine spectral optique donné, les différents pics de diffraction d'ordre n, sont angulairement situés, à partir du centre de la tache centrale de diffraction, à des angles valant nλ/a1. De même, les ordres de diffraction d'ordre m correspondant à la deuxième grille élémentaire G2, sont situés angulairement, à partir du centre de la tache centrale de diffraction, à des angles valant mλ/a2. Si, comme c'est le cas, les pas a1 et a2 respectifs des grilles élémentaires G1 et G2 sont différents, les pics de diffraction, quoique situés selon les mêmes directions X et Y, sont cependant pour la plupart d'entre eux, distincts les uns des autres. Les énergies des pics de diffraction optique sont alors spatialement réparties de manière plus uniforme que dans le cas d'une grille unique périodique, puisque les pics de diffraction des différentes grilles élémentaires ne se recouvrent pas le plus souvent. Certains sont toutefois confondus. En effet, pour les couples d'entiers (n, m) pour lesquels n/a1=m/a2, les pics de diffraction de la première grille G1 sont superposés avec des pics de diffraction de la deuxième grille G2. Le premier recouvrement de ce type se produit pour n=3 et m=4. Ce n'est qu'un recouvrement partiel puisque nλ/a1 vaut 0,3λ et mλ/a2 vaut 0,307λ.
Pour cela, de préférence, ces recouvrements ne doivent se produire que pour des ordres élevés de diffraction de manière à ce que l'énergie résultante de la somme des deux pics de diffraction correspondants soit inférieure à l'énergie de diffraction optique des premiers pics de diffraction d'au moins l'une des grilles élémentaires. Les pas des différentes grilles élémentaires sont choisis de manière à ce que tout pic de diffraction résultant de la superposition totale ou partielle de plusieurs pics de diffraction provenant de grilles élémentaires différentes a une intensité qui est inférieure ou sensiblement égale au majorant de l'ensemble des intensités des pics de diffraction au premier ordre de toutes les grilles élémentaires. Donc les pics de diffraction résultant du couplage entre des ordres de diffraction de plusieurs grilles élémentaires, correspondent alors à des ordres de diffraction élevés et par conséquent peu énergétiques. Ainsi, ces pics de diffraction issus du couplage entre grilles élémentaires ne sont pas limitatifs, puisque inférieurs en intensité aux premiers pics de diffraction de l'une au moins des grilles élémentaires.
Les pas des différentes grilles élémentaires sont également préférentiellement choisis de manière à ce que tout pic de diffraction résultant de la superposition totale ou partielle de plusieurs pics de diffraction provenant de grilles élémentaires différentes et dont l'intensité est supérieure ou sensiblement égale au majorant de l'ensemble des intensités des pics de diffraction au premier ordre de toutes les grilles élémentaires, est situé hors du champ de la fenêtre optique dans laquelle la structure grillagée est intégrée. Les pics de diffraction résultant du couplage entre des ordres de diffraction de plusieurs grilles élémentaires, correspondant alors à des ordres de diffraction situés hors du champ de la fenêtre optronique, ne sont pas limitatifs, puisque exclus de l'image de la scène observée à travers la fenêtre optronique.
Dans le tableau 1 décrit ci-dessous, sont présentés pour l'exemple 1, les énergies des différents pics de diffraction d'une part pour chacune des grilles élémentaires G1 et G2 et d'autre part pour la structure inductive grillagée SIG constituée par l'ensemble des deux grillées élémentaires G1 et G2. Pour chaque pic de diffraction, l'ordre de diffraction est indiqué avec entre parenthèses la grille ou structure correspondante : par exemple 2(G2) signifie « deuxième ordre de diffraction pour la grille élémentaire G2. Le taux de vide d'une grille étant le rapport entre la surface de vide et la surface totale, les grilles G1 et G2 ont respectivement un taux de vide de 64% et de 71%, tandis que la structure inductive grillagée, notée SIG, a un taux de vide de 47%. Les énergies sont notées en unités relatives arbitraires, avec la valeur 1 correspondant à l'énergie de la tache centrale de diffraction.
Ordre de diffraction G1 G2 SIG
0(G1) ; 0(G2) ; 0(SIG) 1 1 1
1(G2) ; 1(SIG) ≈0 0,029 0,03
1(G1) ; 2(SIG) 0,064 ≈0 0,067
2(G2) ; 3(SIG) ≈0 0,025 0,024
2(G1) ; 4SIG) 0,037 ≈0 0,032
3(G2) ; 5(SIG) ≈0 0,024 0,02
3(G1) ; 4(G2) ; 6(SIG) 0,023 0,011 0,039
On constate que l'énergie de diffraction optique est spatialement répartie de manière plus uniforme que dans le cas d'une grille unique périodique. Le sixième ordre de diffraction pour la structure inductive grillagée SIG, correspond respectivement aux troisième et quatrième ordres de diffraction pour les première G1 et deuxième G2 grilles élémentaires. L'énergie de ce sixième ordre de diffraction pour la structure inductive grillagée SIG correspond approximativement à la somme des énergie des troisième et quatrième ordres de diffraction pour les première G1 et deuxième G2 grilles élémentaires respectivement. Mais cette somme restant inférieure à l'énergie du deuxième ordre de diffraction pour la structure inductive grillagée correspondant au premier ordre de diffraction de la première grille G1, le pic de diffraction du sixième ordre de diffraction pour la structure inductive grillagée n'est pas limitatif. Avec une structure inductive grillagée conformément au premier mode de réalisation, un découplage total entre les ordres de diffraction des différentes grilles élémentaires composant la structure et excluant par conséquent tout recouvrement de pics de diffraction même partiel, reste difficile à réaliser.
Soit un deuxième exemple numérique permettant de constater que l'utilisation d'une structure inductive grillagée conformément au premier mode de réalisation permet, tout en ayant une qualité de transmission optique comparable à celle de la grille élémentaire optiquement la plus limitative, à la structure inductive grillagée de présenter un écrantage hyperfréquence nettement amélioré par rapport à l'écrantage hyperfréquence de la meilleure grille élémentaire dans le domaine spectral hyperfréquence. Une transmission optique de bonne qualité correspond à un rapport entre l'énergie du premier pic de diffraction et l'énergie de la tache centrale de diffraction qui est peu élevé sur le domaine spectral optique, ici le domaine optique allant par exemple de l'ultraviolet à l'infrarouge. Ce rapport sera noté E1,0/E0,0. Un bon écrantage hyperfréquence correspond à une atténuation sur une bande hyperfréquence donnée, ici la bande allant par exemple de 2 à 18 GHz. Cette atténuation est notée T2-18GHz. La grille élémentaire G1 a un pas a1 valant 200µm une largeur de fil 2d valant 1µm et un rapport surface de fil sur surface totale valant 0,005. La grille élémentaire G2 a un pas a2 valant 220µm une largeur de fil 2d valant 1µm et un rapport surface de fil sur surface totale valant 0,0045. Le rapport E1,0/E0,0 et l'atténuation T2-18GHz sont respectivement donnés en valeur relative et en décibel (dB), pour chacune des grilles élémentaires G1 et G2 ainsi que pour la structure inductive grillagée SIG constituée par ces deux grilles élémentaires.
G1 G2 SIG
E1,0/E0,0 2,5x10-5 2,1x10-5 2,5x10-5
T2-18GHz -25,4 -24,5 -31,4
Le tableau 2 permet de constater que pour une qualité de transmission optique équivalente, correspondant à E1,0/E0,0 = 2,5 x 10-5, l'écrantage hyperfréquence est plus efficace et vaut approximativement -31dB au lieu de -25dB. Le gain en écrantage hyperfréquence est de 6dB, ce qui est important. Le compromis ainsi réalisé entre l'écrantage hyperfréquence et la qualité de la transmission optique est ainsi nettement amélioré.
La position des grilles élémentaires l'une par rapport à l'autre dans un même plan n'a pas d'influence significative sur la qualité de la transmission optique. En effet, lorsque les deux grilles élémentaires G1 et G2 sont décalées l'une par rapport à l'autre, la variation du rapport entre l'énergie totale diffractée dans les ordres supérieurs et l'énergie de la tache centrale de diffraction est négligeable, de l'ordre d'une fraction de pour cent.
Soit un troisième exemple numérique concernant une structure inductive grillagée constituée de deux grilles élémentaires G1 et G2 de pas respectifs a1 et a2, permettant de mettre en évidence l'amélioration réalisée au niveau du compromis entre l'écrantage hyperfréquence et la qualité de la transmission optique laquelle se traduit par le rapport maximal entre l'énergie d'un pic de diffraction d'ordre supérieur, en général le premier pic de diffraction, et l'énergie de la tache centrale de diffraction sur le domaine spectral optique, ici le domaine optique allant par exemple de l'ultraviolet à l'infrarouge. Ce rapport sera noté Ei,0/E0,0 : E0,0 représentant l'énergie contenue dans la tache centrale de diffraction. Eoptique représente l'énergie optique globale transmise et représente la transparence optique. Les énergies sont notées en valeur relatives arbitraires, la valeur 1 de référence correspondant à l'énergie incidente. L'écrantage hyperfréquence correspond à une atténuation sur une bande hyperfréquence donnée, ici la bande allant par exemple de 2 à 18 GHz. Cette atténuation est notée T2-18GHz, elle est donné en dB. La grille élémentaire G1 a un pas a1 valant 2mm une largeur de fil 2d valant 2µm et un rapport surface de fil sur surface totale valant 0,001. La grille élémentaire G2 a un pas a2 valant 2,1mm une largeur de fil 2d valant 2µm et un rapport surface de fil sur surface totale valant 0,00095. Une grille supplémentaire, de pas valant 1mm et de rapport surface de fil sur surface totale valant 0,002, notée Geqhyp pour « grille équivalente à la structure inductive grillagée dans le domaine spectral hyperfréquence », est contenue dans le tableau pour montrer l'impossibilité avec une grille unique périodique de réaliser un compromis hyperfréquence/optique aussi bon qu'avec la grille inductive grillagée selon l'invention. Les résultats numériques correspondants sont rassemblés dans le troisième tableau.
G1 G2 SIG Geqhyp
Eoptique 0,998 0,998 0.996 0,996
E0,0 0,996 0,996 0,992 0,992
Ei,0/E0,0 10-6 9,1x10-7 10-6 4x10-6
T2-18GHz -8,2 -7,8 -13 -13
Le troisième tableau montre que pour une qualité de diffraction semblable à celle de chacune des grilles élémentaires G1 et G2, l'écrantage hyperfréquence est amélioré d'environ 5dB. Pour obtenir un écrantage hyperfréquence semblable à celui de la structure inductive grille SIG, la « grille équivalente » Geqhyp présente un rapport entre l'énergie maximale d'un pic de diffraction d'ordre supérieur et l'énergie de la tache centrale de diffraction sur le domaine spectral optique, qui est quatre fois plus élevé, ce qui représente une qualité de transmission optique beaucoup moins bonne.
Il est également possible d'utiliser plus de deux grilles élémentaires dans les conditions précédentes. L'ajout d'une grille élémentaire dans la structure inductive grillagée ne dégrade pas sensiblement la qualité de la transmission optique, tandis que l'écrantage hyperfréquence est amélioré. Un quatrième tableau regroupe ci-dessus les résultats numériques d'un quatrième exemple numérique. Les notations du troisième exemple numérique décrit ci-dessus sont conservées. Plusieurs grilles élémentaires G1, G2, G3, G4, G5, G6 sont considérées, elles ont pour pas respectifs a1 valant 2mm, a2 valant 2,1mm, a3 valant 2,2mm, a4 valant 2,3mm, a5 valant 2,4mm, a6 valant 2,5mm. Plusieurs structures inductives grillagées contenant de deux à six grilles élémentaires sont analysées. Les structures grillagées SIG(G1 à G2), SIG(G1 à G3), SIG(G1 à G4), SIG(G1 à G5), SIG(G1 à G6), sont respectivement constituées des grilles élémentaires G1 à G2, G1 à G3, G1 à G4, G1 à G5, G1 à G6. Par ailleurs le quatrième tableau contient deux grilles supplémentaires de pas respectifs valant 0,46mm et 2mm ainsi que de rapports surface de fil sur surface totale valant respectivement 0,0043 et 0,001, respectivement notées Geqhyp pour « grille équivalente à la structure inductive grillagée dans le domaine spectral hyperfréquence » et Geqopt pour « grille équivalente à la structure inductive grillagée dans le domaine spectral optique ».
Eoptique E0,0 Ei,0/E0,0 T2-18GHz
SIG(G1 à G2) 0,996 0,992 10-6 -13
SIG(G1 à G3) 0,994 0,988 10-6 -15,4
SIG(G1 à G4) 0,992 0,985 10-6 -17,5
SIG(G1 à G5) 0,99 0,982 10-6 -19,1
SIG(G1 à G6) 0,988 0,979 10-6 -20,5
Geqhyp 0,991 0,983 1,9x10-5 -20,5
Geqopt 0,998 0,996 10-6 -8,2
Il ressort clairement de ce quatrième tableau plusieurs aspects. Tout d'abord, plus la structure inductive grillagée SIG comporte de grilles élémentaires, plus l'écrantage hyperfréquence s'améliore tandis que la qualité de la transmission optique reste semblable : elle est représentée par le rapport Ei,0/E0,0. De deux à six grilles élémentaires, l'écrantage hyperfréquence gagne 12 dB tandis que le rapport entre l'énergie maximale d'un pic de diffraction d'ordre supérieur et l'énergie de la tache centrale de diffraction sur le domaine spectral optique reste au niveau de 10-6.
D'autre part, plus le nombre de grilles élémentaires que comprend la structure inductive grillagée est important, plus le gain obtenu en écrantage hyperfréquence diminue. En effet, si en passant de deux à trois grilles élémentaires, le gain en écrantage hyperfréquence vaut approximativement 2,4 dB, le même gain en passant de cinq à six grilles n'est plus que 1,4dB.
Par ailleurs, en analysant plus particulièrement les trois dernières lignes du quatrième tableau, la structure inductive grillagée comprenant six grilles élémentaires réalise un très bon compromis hyperfréquence/optique. En effet, d'une part par rapport à la « grille équivalente en hyperfréquence » Geqhyp, le gain au niveau intensité maximale relative des pics de diffraction, représentée par le rapport Ei,0/E0,0 qui est un paramètre clé traduisant la qualité de la transmission optique, atteint un facteur 19. D'autre part, par rapport à la « grille équivalente en optique » Geqopt, le gain au niveau de l'écrantage hyperfréquence atteint 12dB ce qui correspond à un facteur 16.
Il convient toutefois de remarquer que si la qualité de la transmission optique reste semblable, puisque l'intensité maximale relative des pics de diffraction reste sensiblement constante, la transparence optique représentée par la valeur de la transmission optique globale E0,0 chute très légèrement, d'environ 1% entre la structure inductive grillagée comprenant six grilles élémentaires et la « grille équivalente optique » Geqopt. Par ailleurs, le nombre de grilles n'est pas un paramètre de réalisation vraiment limitatif, puisque seule la largeur de fil est technologiquement limitative.
La figure 3 représente schématiquement un deuxième mode particulier de réalisation d'une structure inductive grillagée selon l'invention. La structure comporte plusieurs grilles élémentaires, ici deux grilles élémentaires notées G1 et G2. Les deux grilles élémentaires G1 et G2 sont représentées en traits pleins. De préférence, les grilles élémentaires appartiennent à des surfaces sensiblement parallèles entre elles, avantageusement planes. De manière optimale, les grilles élémentaires sont dans le même plan et leurs côtés de maille élémentaire se croisent de façon à ne plus former qu'une structure grillagée unique. Chacune des grilles élémentaires a une surface de maille élémentaire sensiblement constante et les surfaces de maille élémentaire sont substantiellement décalées angulairement entre elles. Sur la figure 3, les grilles élémentaires G1 et G2 sont décalées angulairement d'un angle α. Dans l'exemple représenté sur la figure 3, les deux grilles élémentaires G1 et G2 ont des mailles élémentaires de forme sensiblement carrée. Les grilles élémentaires G1 et G2 ont des pas respectifs a1 et a2. Les grilles élémentaires ont avantageusement toutes le même pas, c'est-à-dire que les côtés des mailles élémentaires de l'une des grilles sont respectivement de longueur égale à celle des côtés des mailles élémentaires des autres grilles élémentaires. Ce sera le cas pour le cinquième exemple numérique préférentiel relatif au deuxième mode de réalisation. Ici la grille élémentaire G1 a des côtés de maille élémentaire qui sont respectivement parallèles aux deux axes x et y perpendiculaires entre eux, tandis que la grille élémentaire G2 a des côtés de maille élémentaire qui sont respectivement parallèles aux deux axes X et Y perpendiculaires entre eux. La structure inductive grillagée peut comporter plus de deux grilles élémentaires. La structure comportant N grilles élémentaires, les grilles élémentaires sont préférentiellement décalées entre elles d'un angle valant sensiblement π/2N, surtout lorsqu'il y a trois grilles élémentaires ou plus. Dans le cas de deux grilles élémentaires seulement, lorsque les grilles sont décalées de π/4 et il peut apparaítre le même problème de recouvrement de pics de diffraction que dans le cas de la figure 2, mais sous une forme très atténuée car les recouvrements ne peuvent alors se produire qu'entre les pics secondaires d'une grille et les pics principaux de l'autre. Les pics principaux de diffraction correspondent à l'énergie diffractée dans les directions parallèles aux côtés de la grille, tandis que pics secondaires de diffraction correspondent à l'énergie diffractée dans les directions non parallèles aux côtés de la grille, cette énergie étant bien inférieure le plus souvent à celle des pics principaux de diffraction.
Chacune des grilles élémentaires diffracte, au moins principalement, selon des axes différents. La grille élémentaire G1 diffracte principalement suivant les directions x et y, tandis que la grille élémentaire G2 diffracte principalement suivant les directions X et Y. De cette manière, similairement au premier mode de réalisation, l'énergie de diffraction optique est spatialement répartie de manière plus uniforme que dans le cas d'une grille unique, et même plus uniformément que dans le cas de grilles élémentaires de même orientation comme dans le cas de la figure 2, puisque ici non seulement les figures de diffraction des grilles élémentaires respectives ne se recouvrent pas ou peu, mais les directions mêmes dans lesquelles elles s'étendent sont distinctes. L'énergie de diffraction optique est spatialement répartie dans de nombreuses directions et non plus seulement principalement selon deux directions privilégiées comme dans le cas de la figure 2.
Soit un cinquième exemple numérique préférentiel illustrant cet autre type de structure inductive grillagée. Deux grilles élémentaires G1 et G2 décalées de π/4 sont considérées. Chacune des grilles élémentaires G1 et G2 a un taux de vide de 0,63 : le taux de vide de la structure inductive grillagée SIG constituée par les deux grilles élémentaires G1 et G2 est donc de 0,4. Le cinquième tableau permet la comparaison des performances relatives. Les notations sont les mêmes que pour les exemples numériques relatifs au premier mode de réalisation.
G1 G2 SIG
E1,0/E0,0 ≈10-5 ≈10-5 ≈10-5
T2-18GHz -16 -16 -22,1
Pour une qualité de transmission optique équivalente, l'écrantage hyperfréquence apparaít comme meilleur d'environ 6dB, ce qui représente une amélioration très nette du compromis hyperfréquence/optique. La superposition de deux grilles élémentaires présentant chacune un écrantage hyperfréquence de -16dB ne se traduit pas par un écrantage résultant de -32dB qui serait la somme des écrantages précédents, car la distance entre les grilles élémentaires est suffisamment faible (ici elle est même nulle puisque les grilles sont dans le même plan) pour que les deux grilles élémentaires interagissent sur les ondes qui les traversent.
La figure 4 représente schématiquement un troisième mode particulier de réalisation d'une structure inductive grillagée selon l'invention comportant au moins une grille comme celle représentée à la figure 4. La figure 4 représente une grille Gap dont le caractère apériodique est important. Les mailles élémentaires ont sensiblement la même surface et la même forme. Pour le domaine spectral hyperfréquence considéré, la taille des mailles élémentaires est suffisamment petite devant les longueurs d'onde hyperfréquence pour que les mailles élémentaires apparaissent toutes semblables lorsqu'elles sont « vues » par les longueurs d'onde hyperfréquence. Ainsi la grille Gap a des propriétés hyperfréquences comparables à celles d'une grille unique périodique comme par exemple une grille à motifs carrés, et elle peut de la même manière écranter substantiellement dans le domaine hyperfréquence. Par contre, une grille unique périodique présente généralement des pics de diffractions d'intensité relative élevée. Les côtés des mailles sont orientés de manière à ce que les zones de diffraction de la structure soient spatialement réparties de façon sensiblement homogène. Pour le domaine spectral optique considéré dont les longueurs d'onde sont généralement nettement plus faibles que les longueurs d'onde hyperfréquence, le caractère irrégulier de l'orientation des mailles élémentaires détruit, « à l'échelle des longueurs d'onde optiques », au moins dans une certaine mesure la périodicité de la grille G. Ainsi, au lieu d'être spatialement répartie suivant deux axes ou directions privilégiées comme dans le cas d'une grille à motifs carrés, l'énergie de diffraction optique est par exemple spatialement répartie selon plus de deux directions et/ou selon des formes non rectilignes et/ou selon des zones plus étendues que les pics de diffraction très localisés d'une grille unique périodique, aboutissant ainsi à une répartition spatiale sensiblement homogène.
De préférence, la grille G ne comporte pas d'angle aigu entre côtés adjacents de maille élémentaire, car les angles aigus entre mailles élémentaires sont à la source de phénomènes de diffraction locaux mais intenses. Tous les angles entre côtés adjacents de maille élémentaire sont avantageusement sensiblement égaux à π/2. Deux côtés adjacents de la maille élémentaire mj sont par exemple c1 et c2.
La forme préférentielle de la grille G représentée sur la figure 4 est une grille dont les mailles élémentaires sont des secteurs angulaires de couronnes concentriques. La grille G comporte une zone circulaire centrale O comportant une ou plusieurs mailles élémentaires, ici deux. Autour de cette zone circulaire centrale O se trouvent un ensemble de couronnes concentriques, ici trois. Les couronnes concentriques P, Q et R, qui sont ici les première, deuxième et troisième couronnes périphériques, comportent chacune plusieurs mailles élémentaires du type de la maille mi ou de la maille mj. Soit l la largeur de la couronne R par exemple, et p1 et p2 les périmètres respectivement extérieurs et intérieurs de la couronne R. Préférentiellement, les couronnes ont des largeurs sensiblement constantes et sensiblement égales entre elles. Des couronnes de largeur très différentes et/ou variables brisent mieux la périodicité de la grille G, mais il est alors plus difficile de conserver des surfaces et des formes sensiblement identiques pour toutes les mailles élémentaires. La zone circulaire centrale O peut être considérée comme la couronne centrale dans la formule ci-dessous. Lorsque la couronne centrale comportant K mailles élémentaires, la Mième couronne périphérique à partir de la couronne centrale comporte avantageusement K(2M+1) mailles élémentaires. Ainsi, comme sur la figure 4, les mailles élémentaires ont toutes sensiblement la même surface et la même forme comme les mailles mi et mj. Par exemple si la couronne centrale comporte deux mailles élémentaires, la troisième couronne périphérique en comportera alors quatorze. La grille G présente de préférence grossièrement une symétrie axiale, comme par exemple sur la figure 4, pour des raisons de symétrie de polarisation.
Tout en conservant une forme et une surface de maillé élémentaire sensiblement constante, la grille G peut présenter, à l'échelle des longueurs d'onde optiques, des côtés de maille élémentaire dont le caractère irrégulier de l'orientation est plus marqué que dans le cas de segments de droite joignant les périmètres intérieur et extérieur d'une même couronne. Les côtés des mailles élémentaires reliant les périmètres intérieur et extérieur d'une même couronne peuvent alors avantageusement être inclinés par rapport à la normale aux périmètres des couronnes. Ces côtés de mailles élémentaires peuvent aussi ne pas être rectilignes. Par exemple des arcs de cercle entre les périmètres des couronnes permettraient de mieux encore répartir spatialement l'énergie de diffraction optique dans l'espace.
Une autre solution pourrait utiliser au moins une grille constituée par un ensemble de formes elliptiques dont les grands axes ont tous des longueurs différentes et/ou des directions différentes. Ainsi, presque aucun des côtés des mailles élémentaires ne seraient parallèles entre eux et l'énergie de diffraction optique en serait spatialement répartie de manière d'autant plus uniforme.

Claims (22)

  1. Structure inductive grillagée (SIG) comportant des mailles (mi, mj) élémentaires dont les côtés (c1, c2) sont en fil électriquement conducteur, le taux de recouvrement moyen des mailles élémentaires étant d'une part suffisamment élevé pour que la structure écrante substantiellement dans un domaine spectral hyperfréquence donné et d'autre part suffisamment faible pour que la structure soit substantiellement transparente dans un domaine spectral optique donné, caractérisé en ce que les côtés des mailles (mi, mj) sont orientés de manière suffisamment irrégulière pour répartir spatialement de manière plus uniforme que dans le cas d'une grille unique périodique, l'énergie de diffraction dans le domaine spectral optique.
  2. Structure selon la revendication 1, caractérisé en ce que la structure (SIG) comporte plusieurs grilles élémentaires (G1, G2) diffractant chacune selon une figure de pics de diffraction et en ce que les figures de pics de diffraction sont substantiellement décalées spatialement entre elles.
  3. Structure selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'intensité des pics de diffraction correspondants reste sensiblement constante d'une figure à l'autre.
  4. Structure selon l'une quelconque des revendications 2 à 3, caractérisé en ce que les grilles élémentaires (G1, G2) sont au nombre de deux.
  5. Structure selon l'une quelconque des revendications 2 à 4, caractérisé en ce que les grilles élémentaires (G1, G2) ont sensiblement le même taux de recouvrement et ont des mailles élémentaires de forme substantiellement carrée.
  6. Structure selon l'une quelconque des revendications 2 à 5, caractérisé en ce que les grilles élémentaires (G1, G2) appartiennent à des surfaces sensiblement parallèles et sont substantiellement décalées angulairement entre elles.
  7. Structure selon les revendications 5 et 6, caractérisé en ce que les grilles élémentaires (G1, G2) ont toutes le même pas (a1, a2).
  8. Structure selon l'une quelconque des revendications 6 à 7, caractérisé en ce que la structure (SIG) comportant N grilles élémentaires (G1, G2), les grilles élémentaires sont décalées entre elles d'un angle (α) valant sensiblement π/2N.
  9. Structure selon l'une quelconque des revendications 2 à 5, caractérisé en ce que les grilles élémentaires (G1, G2) appartiennent à des surfaces sensiblement parallèles et ont chacune une surface de maille élémentaire sensiblement constante, et en ce que les surfaces de maille élémentaire sont substantiellement différentes entre grilles élémentaires (G1, G2).
  10. Structure selon la revendication 9, caractérisé en ce que les grilles élémentaires (G1, G2) ont toutes la même orientation.
  11. Structure selon les revendications 5 et 10, caractérisé en ce que les pas des différentes grilles élémentaires (G1, G2) sont choisis de manière à ce que tout pic de diffraction résultant de la superposition totale ou partielle de plusieurs pics de diffraction provenant de grilles élémentaires (G1, G2) différentes a une intensité qui est inférieure ou sensiblement égale au majorant de l'ensemble des intensités des pics de diffraction au premier ordre de toutes les grilles élémentaires (G1, G2).
  12. Fenêtre optique comportant une structure selon les revendications 5 et 10 ou selon la revendication 11, caractérisé en ce que les pas (a1, a2) des différentes grilles élémentaires (G1, G2) sont choisis de manière à ce que tout pic de diffraction résultant de la superposition totale ou partielle de plusieurs pics de diffraction provenant de grilles élémentaires (G1, G2) différentes et dont l'intensité est supérieure ou sensiblement égale au majorant de l'ensemble des intensités des pics de diffraction au premier ordre de toutes les grilles élémentaires (G1, G2), est situé hors du champ de la fenêtre optique.
  13. Structure selon la revendication 1, caractérisé en ce que les mailles élémentaires (mi, mj) ont sensiblement la même surface et la même forme et en ce que les côtés des mailles sont orientés de manière à ce que les zones de diffraction de la structure soient spatialement réparties de façon sensiblement homogène.
  14. Structure selon la revendication 13, caractérisé en ce que la structure (SIG) ne comporte pas d'angle aigu entre côtés adjacents (c1, c2) de maille élémentaire (mj).
  15. Structure selon la revendication 14, caractérisé en ce que tous les angles entre côtés adjacents (c1, c2) de maille élémentaire (mj) sont sensiblement égaux à π/2.
  16. Structure selon l'une quelconque des revendications 13 à 15, caractérisé en ce que la structure (SIG) comporte au moins une grille (Gap) dont les mailles élémentaires (mi, mj) sont des secteurs angulaires de couronnes concentriques (O, P, Q, R).
  17. Structure selon la revendication 16, caractérisé en ce que les couronnes (O, P, Q, R) ont des largeurs (I) sensiblement constantes et sensiblement égales entre elles.
  18. Structure selon la revendication 17, caractérisé en ce que la couronne centrale (O) comportant K mailles élémentaires, la Mième couronne périphérique (P, Q, R) à partir de la couronne centrale (O) comporte K(2M+1) mailles élémentaires.
  19. Structure selon l'une quelconque des revendications 16 à 18, caractérisé en ce que les côtés (c2) des mailles élémentaires (mj) reliant les périmètres (p1, p2) d'une même couronne (R) sont inclinés par rapport à la normale aux périmètres (p1, p2) de la couronne (R).
  20. Structure selon l'une quelconque des revendications 16 à 19, caractérisé en ce que les côtés (c2) des mailles élémentaires (mj) reliant les périmètres (p1, p2) d'une même couronne (R) ne sont pas rectilignes.
  21. Structure selon l'une quelconque des revendications 13 à 15, caractérisé en ce que la structure (SIG) comporte au moins une grille constituée par un ensemble de formes elliptiques dont les grands axes ont tous des longueurs différentes et/ou des directions différentes.
  22. Structure selon l'une quelconque des revendications 13 à 21,
    caractérisé en ce que la structure (SIG) présente une symétrie axiale dans le plan de la structure (SIG).
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