EP2564468B1 - Surface adaptee a filtrer une pluralite de bandes de frequences - Google Patents

Surface adaptee a filtrer une pluralite de bandes de frequences Download PDF

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EP2564468B1
EP2564468B1 EP11731009.4A EP11731009A EP2564468B1 EP 2564468 B1 EP2564468 B1 EP 2564468B1 EP 11731009 A EP11731009 A EP 11731009A EP 2564468 B1 EP2564468 B1 EP 2564468B1
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EP
European Patent Office
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pattern
branches
segments
branch
fins
Prior art date
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EP11731009.4A
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German (de)
English (en)
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EP2564468A1 (fr
Inventor
Fabien De Barros
Guy Eymin-Petot-Tourtollet
Pierre Lemaitre-Auger
Tân-Phu VUONG
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.)
Institut Polytechnique de Grenoble
Centre Technique de lIndustrie des Papiers Cartons et Celluloses
Original Assignee
Institut Polytechnique de Grenoble
Centre Technique de lIndustrie des Papiers Cartons et Celluloses
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Publication date
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    • 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
    • H01Q15/14—Reflecting surfaces; Equivalent structures
    • 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
    • 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

Definitions

  • the present invention relates to a frequency selective surface, that is to say a surface adapted to screen the passage of electromagnetic waves belonging to certain frequency bands.
  • Frequency-selective surfaces are generally referred to in the art as FSS (Frequency Selective Surface). They comprise a set of identical elementary conductive patterns, reproduced in a periodic arrangement on one side of a dielectric support. The shape and dimensions of the elementary pattern, the arrangement of the periodic arrangement, and the characteristics of the conductive material of the pattern and the dielectric material of the support, are the main factors determining the filtering properties of the surface.
  • One of the applications concerned concerns the selective shielding of a building or part of a building against certain electromagnetic waves.
  • the frequencies that we generally want to filter we find in particular the carrier frequencies of GSM mobile phone systems (0.9, 1.8 and 2.1 GHz), as well as the carrier frequencies wireless computer network systems of the Wi-Fi type (2.4 and 5.4 GHz).
  • the dielectric support may be an epoxy-based or plastic-based substrate on which the conductive patterns are formed by conductive layer deposition, according to methods of making similar to the methods of making printed circuits. It has also been proposed to produce frequency-selective surfaces directly on paper or cardboard-type supports, for example by printing with a conductive ink. This latter embodiment has the particular advantage of significantly reducing the cost of these surfaces.
  • the figure 1 is a top view schematically showing an elementary conductive pattern 1 of a frequency selective surface.
  • the pattern 1, formed on one face of a dielectric support 10, is a tripole consisting of three identical segments 12a, 12b and 12c of length L s , extending in a star from a center 14.
  • the segments 12a to 12c form two by two angles of approximately 120 °.
  • the figure 2 is a top view schematically showing a portion of a frequency selective surface formed by reproducing, in a periodic arrangement on the dielectric support 10, the elementary pattern 1 of the figure 1 .
  • the pattern 1 is reproduced by translation in each of the directions of the segments 12a to 12c of the tripole, so that the same distance D m , non-zero, separates each outer end of a segment of a pattern from the center of a neighbor pattern.
  • the translation operation is repeated until covering the entire target area.
  • the surface thus formed has a resonance frequency essentially dependent on the length parameters L s of the tripole segments, and of distance D m between adjacent patterns.
  • Such a surface has the property of filtering the electromagnetic waves belonging to a frequency band centered on its resonance frequency. The effectiveness of filtering depends also the width W and the thickness (not visible in the figure) of the pattern plot, as well as the thickness (not visible in the figure) of the dielectric support 10.
  • a disadvantage of the frequency selective surface described in connection with the Figures 1 and 2 is that its frequency response depends on the angle of incidence of the electromagnetic waves with respect to the surface, as well as the polarization of the incident electromagnetic waves.
  • this surface can filter only a single frequency band centered on its resonant frequency.
  • frequency-selective surfaces adapted to each of the bands concerned should be superimposed.
  • an object of an embodiment of the present invention is to provide a frequency selective surface at least partially overcoming some of the disadvantages of existing solutions.
  • An object of an embodiment of the present invention is to provide such a surface whose filtering properties are independent of the incident angle and the polarization of the incident electromagnetic waves.
  • An object of an embodiment of the present invention is to provide such a surface adapted to filter several distinct frequency bands.
  • An object of an embodiment of the present invention is to provide such a surface whose coverage rate of the conductive patterns is relatively low.
  • an embodiment of the present invention provides a surface adapted to filter a plurality of frequency bands, this surface comprising a set of disjoint identical elementary conductive patterns, reproduced in a periodic arrangement on a dielectric support, the pattern elementary element comprising: a tripole consisting of three identical segments extending in a star from a center; and two branches extending symmetrically from an intermediate point of each segment, this intermediate point being located at the same distance from the center for each of the segments, the general directions of the two branches forming an angle of approximately 120 ° and defining an arrowhead directed outwards, the branches associated with two distinct segments being non-intersecting.
  • the tripole segments form two by two angles of approximately 120 °.
  • the elementary pattern further comprises two identical first fins extending symmetrically from the end of each segment, the first fins forming an angle of approximately 120 ° and defining a tip of arrow pointing outward from the pattern.
  • the elementary pattern further comprises two identical second fins extending from the free end of each branch, each second fin forming an angle of approximately 60 ° with the general direction of branch.
  • the second fins of each branch form an angle of approximately 120 ° to each other and define an arrow point directed towards the outside of the pattern.
  • the second fins of each branch are aligned in the same direction, this direction intersecting the direction of the segment from which the branch is derived.
  • the branches comprise at least one slot extension in a direction intersecting the general direction of the branch.
  • the elementary pattern is reproduced by translation along each of the directions of the segments of the tripole so that the same distance separates each end of a segment of a pattern from the center of a pattern. neighbour.
  • the surface is adapted to filter three frequency bands respectively centered on 0.9, 1.8 and 2.1 GHz.
  • the surface is adapted to filter two frequency bands respectively centered on 2.4 and 5.4 GHz.
  • the dielectric support is a support of the paper or cardboard type
  • the conductive patterns are produced by printing with a conductive ink.
  • Another embodiment of the present invention provides the use of the above-mentioned surface for filtering three frequency bands in the range of 0.9 to 5.4 GHz, wherein the overall dimensions of an elementary pattern are the order of 1 to 10 centimeters, the lengths of each of the segments, branches, and fins being adjusted to select the three frequency bands referred.
  • the figure 3 is a top view schematically showing an embodiment of an elementary conductive pattern 31 of a frequency selective surface.
  • the conductive material may be aluminum, gold, copper, silver, carbon, iron, platinum, graphite, or a conductive alloy of several of these materials .
  • the higher the electrical conductivity of the material the better the filtering performed by the surface.
  • the pattern 31, formed on one face of a dielectric support 10, comprises a base tripole, consisting of three approximately identical segments 12a, 12b and 12c of length L s , extending in a star form from a center 14.
  • the segments 12a to 12c form two by two angles of approximately 120 °, for example between 110 and 130 °.
  • the pattern 31 further comprises, for each segment 12a, 12b, 12c, two branches, respectively 32a1 and 32a2, 32b1 and 32b2, and 32c1 and 32c2, substantially identical, extending from an intermediate point of the segment, substantially symmetrically with respect to the direction of the segment.
  • the branches 32 are in the form of bars of length L b .
  • the intermediate point is situated approximately at the same distance D b from the center 14.
  • the general directions of the two branches 32 form an angle of approximately 120 °, for example between 110 and 130 °, and define a point arrow pointing outward from the pattern.
  • the branches 32 associated with two distinct segments 12 are not secant.
  • the figure 4 is a top view schematically showing a portion of an embodiment of a frequency-selective surface formed by reproducing, in a periodic arrangement on the dielectric support 10, the elementary pattern 31 of the figure 3 .
  • the pattern 31 is reproduced by translation along each of the directions of the segments 12a to 12c of the base tripole, so that the same distance D m , which is not zero, separates each outer end of a segment of a pattern 31, from the center 14 of a neighbor 31 pattern.
  • the translation operation is repeated until covering the entire target area.
  • the dimensions of the elementary pattern and the distance D m are chosen such that the elementary patterns are disjoint.
  • the frequency response of the surface thus formed depends essentially on the length L s of the segments 12, the length L b of the branches 32, the distance D b between the intermediate point of departure of the branches 32 of a segment 12 and the center 14 of the pattern, and the distance D m between neighboring patterns.
  • the inventors have observed that such a surface has three main resonant frequencies.
  • the first resonant frequency depends essentially on the length L s of the segments 12 and the distance D m between adjacent patterns.
  • the second resonant frequency depends essentially on the length L b of the branches 32 and the distance D b between the center 14 of the pattern and the intermediate point of the segment 12 from which the branches are derived.
  • the third resonant frequency depends on all of the aforementioned parameters.
  • Such a surface has the property of filtering the electromagnetic waves belonging to three distinct frequency bands centered on its three main resonant frequencies.
  • simulation software is used to test different combinations of parameters by making progressive adjustments until a set of parameters is obtained which is suitable for the target frequency bands.
  • the setting of the first and second resonance frequencies is relatively easy, but it is difficult to adjust the third resonant frequency without changing the first two frequencies.
  • the three resonance frequencies of the surface of the figure 4 remain slightly dependent on the angle of incidence and the polarization of the electromagnetic waves.
  • the figure 5 is a top view schematically showing another embodiment of an elementary conductive pattern 51 of a frequency-selective surface.
  • the reason 51 contains all the elements of the pattern 31 of the figure 3 .
  • It further comprises two substantially identical blades have length L, respectively 52a1 and 52a2, 52b1 and 52b2, and 52c1 and 52c2 extending from the outer end of each segment 12, substantially symmetrically with respect to the direction of segment.
  • the fins 52 of each segment 12 form between them an angle of approximately 120 °, for example between 110 and 130 °, and define an arrow point directed towards the outside of the pattern.
  • the pattern 51 further comprises two substantially identical fins of length L ab , respectively 54a11 and 54a12, 54a21 and 54a22, 54b11 and 54b12, 54b21 and 54b22, 54c11 and 54c12, and 54c21 and 54c22, extending at from the outer end of each branch 32 (on the side of the branch opposite the segment from which it is derived), substantially symmetrically with respect to the general direction of the branch.
  • the fins 54 of each branch 32 form between them an angle of approximately 120 °, for example between 110 and 130 °, and define an arrow point directed outwards.
  • the dimensions of the pattern are chosen so that fins associated with distinct segments or branches are not intersecting and intersecting the other segments and branches of the pattern.
  • a portion of a pattern 51 ' corresponding to a translation of the pattern 51 in the direction of the segment 12a of the pattern 51.
  • the fins 52 of the pattern segment 51' closest to the center 14 of the pattern 51 are included in the space delimited by the segments 12b and 12c and by the branches 32b2 and 32c1 of the pattern 51.
  • a non-zero distance D m separates the center 14 of the pattern 51, the end of the segment 12 most close.
  • other patterns (not shown) of a frequency-selective surface are similarly formed, by translation along the directions of the other segments 12, in a periodic arrangement of the type described in connection with the figure 4 .
  • the surface thus formed has three distinct main resonant frequencies. These three resonance frequencies are independent of the angle of incidence and the polarization of the electromagnetic waves. In addition, the introduction of additional parameters L as and L ab of the length of the fins 52 and 54, increases the possibilities of adjusting the resonance frequencies.
  • the figure 6 is a top view schematically showing an alternative embodiment of the elementary conductive pattern of the figure 5 .
  • the reason 61 of the figure 6 differs from the motive of the figure 5 by the orientation of the fins associated with the branches 32.
  • two identical fins 64 (respectively 64a11 and 64a12, 64a21 and 64a22, 64b11 and 64b12, 64b21 and 64b22, 64c11 and 64c12, and 64c21 and 64c22) associated with a branch 32 each form an angle of approximately 60 °, for example between 55 and 65 °, with the general direction of the branch, and are aligned substantially in the same direction, this direction intersecting the direction of the segment 12 which is derived from branch 32.
  • the pattern 61 makes it possible to obtain surfaces with three resonance frequencies. It notably makes it possible to obtain resonant frequencies that are different from those obtained from the pattern 51, and has the same adjustment possibilities and the same insensitivity to the orientation and polarization of the electromagnetic waves as the pattern 51.
  • the figure 7 is a top view schematically showing an alternative embodiment of the elementary conductive pattern of the figure 6 .
  • the reason 71 of the figure 7 differs from the motive of the figure 6 by the shape of the branches from the segments 12.
  • the pattern 71 comprises two branches 72 (respectively 72a1 and 72a2, 72b1 and 72b2, and 72c1 and 72c2) extending from an intermediate point of each segment 12 in the same direction general that the branches 32 of the motive of the figure 6 .
  • the branches 72 comprise a square-shaped extension H c , extending in a direction approximately orthogonal to the general direction of the branch, towards the outside of the pattern.
  • the pattern 71 makes it possible to obtain surfaces with three resonance frequencies.
  • the Prediction of a slot extension on the branches 72 makes it possible to vary the length of the branches further, which increases the possibilities of adjusting the resonant frequencies.
  • the resonance frequencies of the surfaces obtained from the pattern 71 are insensitive to the orientation and the polarization of the electromagnetic waves.
  • the inventors have also obtained a surface adapted to screen at frequencies of the order of 2.4 and 5.4 GHz using the following parameters: Parameter L s D b D m L b W Ace L ab H c Value (mm) 9.6 3.6 0.5 2.9 0.25 2 1.6 1 , 8
  • the figure 8 is a top view schematically showing an alternative embodiment of the elementary conductive pattern of the figure 7 .
  • each branch stemming from a segment of the base tripole comprises three crenellated extensions of height H c , extending in directions approximately orthogonal to the general direction of the branch, towards the outside of the pattern.
  • the figure 9 is a top view schematically showing an alternative embodiment of the elementary conductive pattern of the figure 8 .
  • each branch stemming from a segment of the base tripole comprises crest extensions of different heights, extending in directions approximately orthogonal to the general direction of the branch, alternately outwardly and inwardly of the pattern.
  • the fins associated with the branches are arranged in an arrow, as in the pattern 51 of the figure 5 .
  • the figure 10 is a diagram representing the evolution, as a function of frequency, of the transmission factor (in decibels) of a surface formed by reproduction of the elementary pattern 51 of the figure 5 , for electromagnetic waves of distinct angles of incidence.
  • the curves 101, 102 and 103 represent the frequency responses of the surface for electromagnetic waves oriented in directions forming respectively angles of 0, 30 and 60 ° with the normal to the plane of the surface.
  • the choice of parameters is such that the surface has three distinct resonance frequencies, of the order of 0.9, 1.8 and 2.1 GHz, respectively. It appears from the diagram of the figure 10 that the resonance frequencies of the surface, corresponding to negative peaks in the curves 101, 102, 103, are independent of the angle of incidence of the waves. Note also that the resonance frequencies are also independent of the polarization of the waves.
  • the frequency-selective surfaces described above are carried out on paper or cardboard type supports, for example on wallpapers, on paper or cardboard coated with plasterboard coated with cardboard, or on any other support adapted to coat the walls of a room of a building.
  • the conductive patterns are for example made by printing with conductive inks.
  • the coverage ratio of the conductive patterns is relatively low, for example less than 15%. This makes it possible to maintain a manufacturing cost of these relatively low surfaces.
  • the elementary conductive patterns described in relation to the Figures 7 to 9 may give rise to several variants.
  • one skilled in the art will implement the desired operation by varying the number, direction, and direction of crenellated extensions formed on the branches of the pattern.

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Description

    Domaine de l'invention
  • La présente invention concerne une surface sélective en fréquence, c'est-à-dire une surface adaptée à faire écran au passage des ondes électromagnétiques appartenant à certaines bandes de fréquences.
    • Exposé de l'art antérieur
  • Les surfaces sélectives en fréquence sont généralement désignées dans la technique par le sigle FSS, de l'anglais "Frequency Sélective Surface". Elles comprennent un ensemble de motifs conducteurs élémentaires identiques, reproduits selon un agencement périodique sur une face d'un support diélectrique. La forme et les dimensions du motif élémentaire, la disposition de l'agencement périodique, et les caractéristiques du matériau conducteur du motif et du matériau diélectrique du support, sont les principaux facteurs déterminant les propriétés de filtrage de la surface.
  • L'une des applications visées concerne le blindage sélectif d'un bâtiment ou d'une pièce d'un bâtiment contre certaines ondes électromagnétiques. Parmi les fréquences que l'on souhaite généralement filtrer, on trouve notamment les fréquences porteuses des systèmes de téléphonie mobile de type GSM (0,9, 1,8 et 2,1 GHz), ainsi que les fréquences porteuses des systèmes de réseaux informatiques sans fil de type Wi-Fi (2,4 et 5,4 GHz).
  • Le support diélectrique peut être un substrat à base d'époxy ou de matière plastique sur lequel les motifs conducteurs sont formés par dépôt de couches conductrices, selon des procédés de réalisation similaires aux procédés de réalisation de circuits imprimés. On a également proposé de réaliser des surfaces sélectives en fréquence directement sur des supports de type papier ou carton, par exemple par impression avec une encre conductrice. Ce dernier mode de réalisation présente notamment l'avantage de réduire de façon conséquente le prix de revient de ces surfaces.
  • La figure 1 est une vue de dessus représentant de façon schématique un motif conducteur élémentaire 1 d'une surface sélective en fréquence. Le motif 1, formé sur une face d'un support diélectrique 10, est un tripôle constitué de trois segments identiques 12a, 12b et 12c de longueur Ls, s'étendant en étoile à partir d'un centre 14. Les segments 12a à 12c forment deux à deux des angles d'approximativement 120°.
  • La figure 2 est une vue de dessus représentant de façon schématique une portion d'une surface sélective en fréquence formée par reproduction, selon un agencement périodique sur le support diélectrique 10, du motif élémentaire 1 de la figure 1. Le motif 1 est reproduit par translation selon chacune des directions des segments 12a à 12c du tripôle, de façon qu'une même distance Dm, non nulle, sépare chaque extrémité extérieure d'un segment d'un motif, du centre d'un motif voisin. L'opération de translation est réitérée jusqu'à couvrir l'ensemble de la surface visée.
  • La surface ainsi formée présente une fréquence de résonance dépendant essentiellement des paramètres de longueur Ls des segments du tripôle, et de distance Dm entre des motifs voisins. Une telle surface a la propriété de filtrer les ondes électromagnétiques appartenant à une bande de fréquences centrée sur sa fréquence de résonance. L'efficacité du filtrage dépend aussi de la largeur W et de l'épaisseur (non visible sur la figure) du tracé du motif, ainsi que de l'épaisseur (non visible sur la figure) du support diélectrique 10.
  • Un inconvénient de la surface sélective en fréquence décrite en relation avec les figures 1 et 2 est que sa réponse en fréquence dépend de l'angle d'incidence des ondes électromagnétiques par rapport à la surface, ainsi que de la polarisation des ondes électromagnétiques incidentes.
  • Par ailleurs, cette surface ne permet de filtrer qu'une seule bande de fréquences centrée sur sa fréquence de résonance. Ainsi, pour filtrer des bandes distinctes, par exemple les fréquences GSM (de l'ordre de 0,9, 1,8 et 2,1 GHz) et/ou les fréquences Wi-Fi (de l'ordre de 2,4 et 5,4 GHz), il faudrait superposer des surfaces sélectives en fréquence adaptées à chacune des bandes visées.
    • Résumé
  • Ainsi, un objet d'un mode de réalisation de la présente invention est de prévoir une surface sélective en fréquence palliant au moins en partie certains des inconvénients des solutions existantes.
  • Un objet d'un mode de réalisation de la présente invention est de prévoir une telle surface dont les propriétés de filtrage soient indépendantes de l'angle d'incidence et de la polarisation des ondes électromagnétiques incidentes.
  • Un objet d'un mode de réalisation de la présente invention est de prévoir une telle surface adaptée à filtrer plusieurs bandes de fréquences distinctes.
  • Un objet d'un mode de réalisation de la présente invention est de prévoir une telle surface dont le taux de couverture des motifs conducteurs soit relativement bas.
  • Ainsi, un mode de réalisation de la présente invention prévoit un surface adaptée à filtrer une pluralité de bandes de fréquences, cette surface comprenant un ensemble de motifs conducteurs élémentaires identiques disjoints, reproduits selon un agencement périodique sur un support diélectrique, le motif élémentaire comprenant : un tripôle constitué de trois segments identiques s'étendant en étoile à partir d'un centre ; et deux branches s'étendant symétriquement à partir d'un point intermédiaire de chaque segment, ce point intermédiaire étant situé à une même distance du centre pour chacun des segments, les directions générales des deux branches formant un angle d'approximativement 120° et définissant une pointe de flèche dirigée vers l'extérieur, les branches associées à deux segments distincts n'étant pas sécantes.
  • Selon un mode de réalisation de la présente invention, les segments du tripôle forment deux à deux des angles d'approximativement 120°.
  • Selon un mode de réalisation de la présente invention, le motif élémentaire comprend en outre deux premières ailettes identiques s'étendant symétriquement à partir de l'extrémité de chaque segment, les premières ailettes formant un angle d'approximativement 120° et définissant une pointe de flèche dirigée vers l'extérieur du motif.
  • Selon un mode de réalisation de la présente invention, le motif élémentaire comprend en outre deux deuxièmes ailettes identiques s'étendant à partir de l'extrémité libre de chaque branche, chaque deuxième ailette formant un angle d'approximativement 60° avec la direction générale de la branche.
  • Selon un mode de réalisation de la présente invention, les deuxièmes ailettes de chaque branche forment entre elles un angle d'approximativement 120° et définissent une pointe de flèche dirigée vers l'extérieur du motif.
  • Selon un mode de réalisation de la présente invention, les deuxièmes ailettes de chaque branche sont alignées selon une même direction, cette direction intersectant la direction du segment duquel est issue la branche.
  • Selon un mode de réalisation de la présente invention, les branches comportent au moins une extension en créneau selon une direction intersectant la direction générale de la branche.
  • Selon un mode de réalisation de la présente invention, le motif élémentaire est reproduit par translation selon chacune des directions des segments du tripôle de façon qu'une même distance sépare chaque extrémité d'un segment d'un motif, du centre d'un motif voisin.
  • Selon un mode de réalisation de la présente invention, la surface est adaptée à filtrer trois bandes de fréquences respectivement centrées sur 0,9, 1,8 et 2,1 GHz.
  • Selon un mode de réalisation de la présente invention, la surface est adaptée à filtrer deux bandes de fréquences respectivement centrées sur 2,4 et 5,4 GHz.
  • Selon un mode de réalisation de la présente invention, le support diélectrique est un support de type papier ou carton, et les motifs conducteurs sont réalisés par impression avec une encre conductrice.
  • Un autre mode de réalisation de la présente invention prévoit l'utilisation de la surface susmentionnée pour filtrer trois bandes de fréquences situées dans la gamme de 0,9 à 5,4 GHz, dans laquelle les dimensions hors tout d'un motif élémentaire sont de l'ordre de 1 à 10 centimètres, les longueurs de chacun des segments, branches, et ailettes étant ajustées pour sélectionner les trois bandes de fréquences visées.
    • Brève description des dessins
  • Ces objets, caractéristiques et avantages, ainsi que d'autres seront exposés en détail dans la description suivante de modes de réalisation particuliers faite à titre non-limitatif en relation avec les figures jointes parmi lesquelles :
    • la figure 1, précédemment décrite, est une vue de dessus représentant de façon schématique un motif conducteur élémentaire d'une surface sélective en fréquence ;
    • la figure 2, précédemment décrite, est une vue de dessus représentant de façon schématique une portion d'une surface sélective en fréquence formée par répétition du motif élémentaire de la figure 1 ;
    • la figure 3 est une vue de dessus représentant de façon schématique un mode de réalisation d'un motif conducteur élémentaire d'une surface sélective en fréquence ;
    • la figure 4 est une vue de dessus représentant de façon schématique une portion d'une surface sélective en fréquence formée par répétition du motif élémentaire de la figure 3 ;
    • les figures 5 à 9 sont des vues de dessus schématiques représentant diverses variantes de réalisation du motif conducteur élémentaire de la figure 3 ; et
    • la figure 10 est un diagramme représentant les réponses en fréquence d'une surface formée à partir du motif élémentaire de la figure 5, pour des ondes électromagnétiques d'angles d'incidence distincts.
    Description détaillée
  • Par souci de clarté, de mêmes éléments ont été désignés par de mêmes références aux différentes figures et, de plus, les diverses figures ne sont pas tracées à l'échelle.
  • La figure 3 est une vue de dessus représentant de façon schématique un mode de réalisation d'un motif conducteur élémentaire 31 d'une surface sélective en fréquence.
  • A titre d'exemple, le matériau conducteur peut être de l'aluminium, de l'or, du cuivre, de l'argent, du carbone, du fer, du platine, du graphite, ou un alliage conducteur de plusieurs de ces matériaux. De façon générale, plus la conductivité électrique du matériau sera élevée, plus le filtrage réalisé par la surface sera performant.
  • Le motif 31, formé sur une face d'un support diélectrique 10, comprend un tripôle de base, constitué de trois segments approximativement identiques 12a, 12b et 12c de longueur Ls, s'étendant en étoile à partir d'un centre 14. Les segments 12a à 12c forment deux à deux des angles d'approximativement 120°, par exemple compris entre 110 et 130°.
  • Le motif 31 comprend en outre, pour chaque segment 12a, 12b, 12c, deux branches, respectivement 32a1 et 32a2, 32b1 et 32b2, et 32c1 et 32c2, sensiblement identiques, s'étendant à partir d'un point intermédiaire du segment, sensiblement symétriquement par rapport à la direction du segment. Dans cet exemple, les branches 32 ont la forme de barreaux de longueur Lb. Sur chaque segment 12, le point intermédiaire est situé approximativement à une même distance Db du centre 14. Les directions générales des deux branches 32 forment un angle d'approximativement 120°, par exemple compris entre 110 et 130°, et définissent une pointe de flèche dirigée vers l'extérieur du motif. En outre, les branches 32 associées à deux segments 12 distincts ne sont pas sécantes.
  • La figure 4 est une vue de dessus représentant de façon schématique une portion d'un mode de réalisation d'une surface sélective en fréquence formée par reproduction, selon un agencement périodique sur le support diélectrique 10, du motif élémentaire 31 de la figure 3. Le motif 31 est reproduit par translation selon chacune des directions des segments 12a à 12c du tripôle de base, de façon qu'une même distance Dm, non nulle, sépare chaque extrémité extérieure d'un segment d'un motif 31, du centre 14 d'un motif 31 voisin. L'opération de translation est réitérée jusqu'à couvrir l'ensemble de la surface visée. On notera que les dimensions du motif élémentaire et la distance Dm sont choisies telles que les motifs élémentaires soient disjoints.
  • La réponse en fréquence de la surface ainsi formée dépend essentiellement de la longueur Ls des segments 12, de la longueur Lb des branches 32, de la distance Db entre le point intermédiaire de départ des branches 32 d'un segment 12 et le centre 14 du motif, et de la distance Dm entre des motifs voisins.
  • Les inventeurs ont observé qu'une telle surface présente trois fréquences de résonance principales. La première fréquence de résonance dépend essentiellement de la longueur Ls des segments 12 et de la distance Dm entre des motifs voisins. La deuxième fréquence de résonance dépend essentiellement de la longueur Lb des branches 32 et de la distance Db entre le centre 14 du motif et le point intermédiaire du segment 12 d'où sont issues les branches. La troisième fréquence de résonance dépend de l'ensemble des paramètres susmentionnés.
  • Une telle surface a la propriété de filtrer les ondes électromagnétiques appartenant à trois bandes de fréquences distinctes centrées sur ses trois fréquences de résonance principales. Dans la pratique, on utilise des logiciels de simulation pour tester différentes combinaisons de paramètres en effectuant des ajustements progressifs jusqu'à obtenir un jeu de paramètres adapté aux bandes de fréquences visées.
  • Dans le mode de réalisation de la figure 4, le réglage des première et deuxième fréquences de résonance est relativement aisé, mais il est difficile d'ajuster la troisième fréquence de résonance sans modifier les deux premières fréquences.
  • En outre, les trois fréquences de résonance de la surface de la figure 4 restent légèrement dépendantes de l'angle d'incidence et de la polarisation des ondes électromagnétiques.
  • La figure 5 est une vue de dessus représentant de façon schématique un autre mode de réalisation d'un motif conducteur élémentaire 51 d'une surface sélective en fréquence. Le motif 51 reprend tous les éléments du motif 31 de la figure 3. Il comprend en outre deux ailettes sensiblement identiques de longueur Las, respectivement 52a1 et 52a2, 52b1 et 52b2, et 52c1 et 52c2, s'étendant à partir de l'extrémité extérieure de chaque segment 12, sensiblement symétriquement par rapport à la direction du segment. Les ailettes 52 de chaque segment 12 forment entre elles un angle d'approximativement 120°, par exemple compris entre 110 et 130°, et définissent une pointe de flèche dirigée vers l'extérieur du motif.
  • Dans un mode de réalisation, le motif 51 comprend en outre deux ailettes sensiblement identiques de longueur Lab, respectivement 54a11 et 54a12, 54a21 et 54a22, 54b11 et 54b12, 54b21 et 54b22, 54c11 et 54c12, et 54c21 et 54c22, s'étendant à partir de l'extrémité extérieure de chaque branche 32 (du côté de la branche opposée au segment duquel elle est issue), sensiblement symétriquement par rapport à la direction générale de la branche. Les ailettes 54 de chaque branche 32 forment entre elles un angle d'approximativement 120°, par exemple compris entre 110 et 130°, et définissent une pointe de flèche dirigée vers l'extérieur. Les dimensions du motif sont choisies de façon que des ailettes associées à des segments ou à des branches distinctes ne soient pas sécantes et n'intersectent pas les autres segments et branches du motif.
  • On a représenté sur la figure 5, en traits pointillés, une partie d'un motif 51' correspondant à une translation du motif 51 selon la direction du segment 12a du motif 51. Dans cet exemple, les ailettes 52 du segment du motif 51' le plus proche du centre 14 du motif 51, sont comprises dans l'espace délimité par les segments 12b et 12c et par les branches 32b2 et 32c1 du motif 51. Une distance non nulle Dm sépare le centre 14 du motif 51, de l'extrémité du segment 12 le plus proche. On comprendra que d'autres motifs (non représentés) d'une surface sélective en fréquence sont formés de façon similaire, par translation selon les directions des autres segments 12, selon un agencement périodique du type décrit en relation avec la figure 4.
  • La surface ainsi formée présente trois fréquences de résonance principales distinctes. Ces trois fréquences de résonance sont indépendantes de l'angle d'incidence et de la polarisation des ondes électromagnétiques. De plus, l'introduction des paramètres supplémentaires Las et Lab de longueur des ailettes 52 et 54, augmente les possibilités de réglage des fréquences de résonance.
  • On considère que la forte imbrication des motifs élémentaires contribue à garantir un comportement de la surface indépendant de l'angle d'incidence et de la polarisation des ondes électromagnétiques. Ainsi, on veillera à maintenir le paramètre Dm de distance entre des motifs voisins relativement faible.
  • La figure 6 est une vue de dessus représentant de façon schématique une variante de réalisation du motif conducteur élémentaire de la figure 5. Le motif 61 de la figure 6 diffère du motif de la figure 5 par l'orientation des ailettes associées aux branches 32. Dans le motif 61, deux ailettes identiques 64 (respectivement 64a11 et 64a12, 64a21 et 64a22, 64b11 et 64b12, 64b21 et 64b22, 64c11 et 64c12, et 64c21 et 64c22) associées à une branche 32 forment chacune un angle d'approximativement 60°, par exemple compris entre 55 et 65°, avec la direction générale de la branche, et sont alignées sensiblement selon une même direction, cette direction intersectant la direction du segment 12 duquel est issue la branche 32.
  • Comme le motif 51 de la figure 5, le motif 61 permet d'obtenir des surfaces à trois fréquences de résonance. Il permet notamment d'obtenir des fréquences de résonance différentes de celles obtenues à partir du motif 51, et présente les mêmes possibilités de réglage et la même insensibilité à l'orientation et à la polarisation des ondes électromagnétiques que le motif 51.
  • La figure 7 est une vue de dessus représentant de façon schématique une variante de réalisation du motif conducteur élémentaire de la figure 6. Le motif 71 de la figure 7 diffère du motif de la figure 6 par la forme des branches issues des segments 12. Le motif 71 comporte deux branches 72 (respectivement 72a1 et 72a2, 72b1 et 72b2, et 72c1 et 72c2) s'étendant à partir d'un point intermédiaire de chaque segment 12 selon la même direction générale que les branches 32 du motif de la figure 6. Toutefois, à la différence des branches 32 du motif de la figure 6, les branches 72 comportent une extension en créneau de hauteur Hc, s'étendant selon une direction approximativement orthogonale à la direction générale de la branche, vers l'extérieur du motif.
  • Comme le motif 61 de la figure 6, le motif 71 permet d'obtenir des surfaces à trois fréquences de résonance. La prévision d'une extension en créneau sur les branches 72 permet de faire varier d'avantage la longueur des branches, ce qui augmente les possibilités de réglage des fréquences de résonance. En outre, comme pour les motifs 51 et 61 des figures 5 et 6, les fréquences de résonance des surfaces obtenues à partir du motif 71 sont insensibles à l'orientation et à la polarisation des ondes électromagnétiques.
  • A titre d'exemple, en reproduisant le motif 71 selon un agencement périodique du type décrit en relation avec la figure 4, les inventeurs ont obtenu une surface adaptée à faire écran aux fréquences de l'ordre de 0,9 et 1,8 GHz, en utilisant les paramètres suivants :
    Paramètre Ls Db Dm Lb W Las Lab Hc
    Valeur (mm) 25 9,1 0,75 7,5 0,5 4 5,75 5,9
  • Les inventeurs ont en outre obtenu une surface adaptée à faire écran aux fréquences de l'ordre de 2,4 et 5,4 GHz en utilisant les paramètres suivants :
    Paramètre Ls Db Dm Lb W Las Lab Hc
    Valeur (mm) 9,6 3,6 0,5 2,9 0,25 2 1,6 1,8
  • Dans le cadre des deux exemples ci-dessus, on ne s'intéresse pas à la troisième fréquence de résonance qui existe néanmoins.
  • La figure 8 est une vue de dessus représentant de façon schématique une variante de réalisation du motif conducteur élémentaire de la figure 7. Dans le motif 81 de la figure 8, chaque branche issue d'un segment du tripôle de base comprend trois extensions en créneaux de hauteur Hc, s'étendant selon des directions approximativement orthogonales à la direction générale de la branche, vers l'extérieur du motif.
  • A titre d'exemple, en reproduisant le motif 81 selon un agencement périodique du type décrit en relation avec la figure 4, les inventeurs ont obtenu une surface adaptée à faire écran aux fréquences de l'ordre de 0,9, 1,8 GHz, et 2,1 GHz en utilisant les paramètres suivants :
    Paramètre Ls Db Dm Lb W Las Lab Hc
    Valeur (mm) 28,8 9,8 0,5 8,8 0,5 6,3 0,05 5
  • La figure 9 est une vue de dessus représentant de façon schématique une variante de réalisation du motif conducteur élémentaire de la figure 8. Dans le motif 91 de la figure 9, chaque branche issue d'un segment du tripôle de base comprend des extensions en créneaux de hauteurs différentes, s'étendant selon des directions approximativement orthogonales à la direction générale de la branche, alternativement vers l'extérieur et vers l'intérieur du motif. En outre, dans le motif 91, les ailettes associées aux branches sont disposées en flèche, comme dans le motif 51 de la figure 5.
  • La figure 10 est un diagramme représentant l'évolution, en fonction de la fréquence, du facteur de transmission (en décibels) d'une surface formée par reproduction du motif élémentaire 51 de la figure 5, pour des ondes électromagnétiques d'angles d'incidence distincts. Les courbes 101, 102 et 103 représentent les réponses en fréquence de la surface pour des ondes électromagnétiques orientées selon des directions formant respectivement des angles de 0, 30 et 60° avec la normale au plan de la surface. Le choix des paramètres est tel que la surface présente trois fréquences de résonance distinctes, respectivement de l'ordre de 0,9, 1,8 et 2,1 GHz. Il ressort du diagramme de la figure 10 que les fréquences de résonance de la surface, correspondant à des pics négatifs dans les courbes 101, 102, 103, sont indépendantes de l'angle d'incidence des ondes. On notera en outre que les fréquences de résonance sont aussi indépendantes de la polarisation des ondes.
  • Selon un mode de réalisation préféré, les surfaces sélectives en fréquence décrites ci-dessus sont réalisées sur des supports de type papier ou carton, par exemple sur des papiers peints, sur du papier ou carton revêtant des plaques de plâtre revêtues de carton, ou sur tout autre support adapté à revêtir les murs d'une pièce d'un bâtiment. Les motifs conducteurs sont par exemple réalisés par impression avec des encres conductrices.
  • Selon un avantage des surfaces sélectives en fréquence décrites ci-dessus, le taux de couverture des motifs conducteurs est relativement bas, par exemple inférieur à 15%. Ceci permet de maintenir un coût de fabrication de ces surfaces relativement bas.
  • Des modes de réalisation particuliers de la présente invention ont été décrits. Diverses variantes et modifications apparaîtront à l'homme de l'art.
  • En particulier, les motifs élémentaires conducteurs décrits en relation avec les figures 7 à 9 pourront donner lieu à plusieurs variantes. Notamment, pour chacun de ces motifs, on pourra choisir de disposer les ailettes associées aux branches du motif soit en flèche, comme cela est décrit en relation avec la figure 5, soit alignées selon une même direction, tel que décrit en relation avec la figure 6. De plus, l'homme de l'art saura mettre en oeuvre le fonctionnement recherché en faisant varier le nombre, le sens, et la direction des extensions en créneaux formées sur les branches du motif.
  • Par ailleurs, dans les motifs élémentaires décrits en relation avec les figures 3 à 9, pour augmenter les possibilités de réglage des fréquences de résonance, on pourra prévoir une seconde génération de branches symétriques issues des branches principales (32, 72).

Claims (11)

  1. Surface adaptée à filtrer une pluralité de bandes de fréquences, cette surface comprenant un ensemble de motifs conducteurs élémentaires (31 ; 51 ; 61 ; 71 ; 81 ; 91) identiques disjoints, reproduits selon un agencement périodique sur un support diélectrique (10), le motif élémentaire comprenant :
    un tripôle constitué de trois segments (12) identiques s'étendant en étoile à partir d'un centre (14) ; et
    deux branches (32 ; 72) s'étendant symétriquement à partir d'un point intermédiaire de chaque segment, ce point intermédiaire étant situé à une même distance (Db) du centre (14) pour chacun des segments (12), les directions générales des deux branches formant un angle d'approximativement 120° et définissant une pointe de flèche dirigée vers l'extérieur, les branches (32 ; 72) associées à deux segments (12) distincts n'étant pas sécantes,
    le motif élémentaire étant reproduit par translation selon chacune des directions des segments (12) de façon qu'une même distance (Dm) sépare chaque extrémité d'un segment d'un motif, du centre d'un motif voisin.
  2. Surface selon la revendication 1, dans laquelle les segments (12) du tripôle forment deux à deux des angles d'approximativement 120°.
  3. Surface selon la revendication 1 ou 2, dans laquelle le motif élémentaire (51 ; 61 ; 71 ; 81 ; 91) comprend en outre deux premières ailettes (52) identiques s'étendant symétriquement à partir de l'extrémité de chaque segment (12), les premières ailettes (52) formant un angle d'approximativement 120° et définissant une pointe de flèche dirigée vers l'extérieur du motif.
  4. Surface selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans laquelle le motif élémentaire (51 ; 61 ; 71 ; 81 ; 91) comprend en outre deux deuxièmes ailettes (54 ; 64) identiques s'étendant à partir de l'extrémité libre de chaque branche (32 ; 72), chaque deuxième ailette formant un angle d'approximativement 60° avec la direction générale de la branche.
  5. Surface selon la revendication 4, dans laquelle les deuxièmes ailettes (54) de chaque branche forment entre elles un angle d'approximativement 120° et définissent une pointe de flèche dirigée vers l'extérieur du motif.
  6. Surface selon la revendication 4, dans laquelle les deuxièmes ailettes (64) de chaque branche (32 ; 72) sont alignées selon une même direction, cette direction intersectant la direction du segment (12) duquel est issue la branche.
  7. Surface selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, dans laquelle les branches (72) comportent au moins une extension en créneau selon une direction intersectant la direction générale de la branche.
  8. Surface selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, adaptée à filtrer trois bandes de fréquences respectivement centrées sur 0,9, 1,8 et 2,1 GHz.
  9. Surface selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, adaptée à filtrer deux bandes de fréquences respectivement centrées sur 2,4 et 5,4 GHz.
  10. Surface selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, dans laquelle le support diélectrique est un support de type papier ou carton, et dans lequel les motifs conducteurs sont réalisés par impression avec une encre conductrice.
  11. Utilisation d'une surface selon l'une quelconque des revendications 1 à 10 pour filtrer trois bandes de fréquences situées dans la gamme de 0,9 à 5,4 GHz, dans laquelle les dimensions hors tout d'un motif élémentaire sont de l'ordre de 1 à 10 centimètres, les longueurs de chacun des segments, branches, et ailettes étant ajustées pour sélectionner les trois bandes de fréquences visées.
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