EP2636096A1 - Conducteur magnetique artificiel et antenne - Google Patents

Conducteur magnetique artificiel et antenne

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EP2636096A1
EP2636096A1 EP11775953.0A EP11775953A EP2636096A1 EP 2636096 A1 EP2636096 A1 EP 2636096A1 EP 11775953 A EP11775953 A EP 11775953A EP 2636096 A1 EP2636096 A1 EP 2636096A1
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EP
European Patent Office
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frequency
artificial magnetic
conductor
magnetic conductor
resonant
Prior art date
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Application number
EP11775953.0A
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German (de)
English (en)
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EP2636096B1 (fr
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François GRANGE
Christophe Delaveaux
Bernard Viala
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Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Original Assignee
Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
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Publication date
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Application granted granted Critical
Publication of EP2636096B1 publication Critical patent/EP2636096B1/fr
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F10/00—Thin magnetic films, e.g. of one-domain structure
    • H01F10/32—Spin-exchange-coupled multilayers, e.g. nanostructured superlattices
    • H01F10/3218—Exchange coupling of magnetic films via an antiferromagnetic interface
    • 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
    • H01Q15/0006—Devices acting selectively as reflecting surface, as diffracting or as refracting device, e.g. frequency filtering or angular spatial filtering devices
    • H01Q15/006—Selective devices having photonic band gap materials or materials of which the material properties are frequency dependent, e.g. perforated substrates, high-impedance surfaces
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10T—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER US CLASSIFICATION
    • Y10T428/00—Stock material or miscellaneous articles
    • Y10T428/24—Structurally defined web or sheet [e.g., overall dimension, etc.]
    • Y10T428/24942—Structurally defined web or sheet [e.g., overall dimension, etc.] including components having same physical characteristic in differing degree
    • Y10T428/2495—Thickness [relative or absolute]

Definitions

  • the invention relates to an artificial magnetic conductor and an antenna incorporating this artificial magnetic conductor.
  • artificial magnetic conductors have two characteristic properties:
  • a resonance frequency f 0 included in the bandwidth, for which the phase shift is zero between an electromagnetic wave incident on the artificial magnetic conductor and the reflected electromagnetic wave.
  • Etan is the component of the electric field of the tangential electromagnetic wave tangential to the face of the artificial magnetic conductor
  • - Htan is the component of the magnetic field of the tangential electromagnetic wave tangential to the surface of the artificial magnetic conductor.
  • a surface impedance Z s is said to be "high” if its modulus is greater than the vacuum wave impedance (module of Zs> 377 Ohms) and, preferably, several times greater than the impedance of vacuum wave.
  • Known artificial magnetic conductors include:
  • this frequency selective surface comprising an array of conducting resonant elements arranged next to each other in at least two different directions parallel to the ground plane.
  • antennas are used to make antennas.
  • known antennas include:
  • a radiating conductor capable of radiating or receiving electromagnetic waves at a working frequency f T between 0.5f 0 and 2f 0 , this conductor extending in a plane parallel to the artificial magnetic conductor and being separated from the selective surface in frequency closest to this driver artificial magnet by a distance less than ⁇ 0/10 , where ⁇ 0 is the wavelength of an electromagnetic wave of frequency f 0 .
  • the lower the resonant frequency f 0 desired for the artificial magnetic conductor the greater the size of the resonant elements is important.
  • the invention aims to remedy these problems by proposing an artificial magnetic conductor which, at equal size for the resonant elements, has an enlarged bandwidth or which, at equal bandwidth, uses smaller resonant elements.
  • each resonant element is formed of at least one ferromagnetic material underlayer whose relative permeability is greater than 10 for a frequency of 2GHz and whose thickness is strictly lower than the skin thickness of this ferromagnetic material.
  • the use of a ferromagnetic material to achieve the resonant elements reduces the resonance frequency f 0 compared to the case of artificial magnetic conductors made only with resonant metal elements.
  • the use of a ferromagnetic material increases the bandwidth of the artificial magnetic conductor relative to an identical artificial magnetic conductor but in which the resonant elements are made only of metal.
  • the resonant elements provided with a ferromagnetic sub-layer allow to miniaturize the artificial magnetic conductor.
  • Embodiments of this artificial magnetic conductor may include one or more of the following features:
  • At least each resonant element of the first frequency selective surface is formed of a stack of several sub-layers, each sub-layer having a thickness of less than 10 ⁇ in a direction perpendicular to the ground plane;
  • At least one of the sub-layers of each resonant element is an underlayer of dielectric material having a relative permittivity greater than 10 for a frequency of 2 GHz;
  • At least one of the sub-layers of each resonant element is an antiferromagnetic sub-layer directly deposited on or under the ferromagnetic sublayer;
  • At least one of the underlays of each resonant element is a metal underlayer
  • the artificial magnetic conductor comprises n frequency selective surfaces stacked one above the other in a direction perpendicular to the ground plane, each of these frequency-selective surfaces comprising an array of conductive resonant elements arranged next to one another in at least two different directions parallel to the ground plane and separated from each other by a layer of dielectric material whose thickness is strictly greater than 10 ⁇ m, where n is an integer greater than or equal to two;
  • Each resonant element of each of the n frequency selective surfaces is formed of at least one sublayer of ferromagnetic material whose relative permeability is greater than 10 for a frequency of 2 GHz and whose thickness is strictly less than skin thickness of this ferromagnetic material;
  • Each resonant element is electrically isolated from the ground plane by a layer of dielectric material
  • Each resonant element extends mainly in a plane that forms an angle with the ground plane between 5 ° and 45 °.
  • an antiferromagnetic sub-layer also makes it possible to increase the bandwidth;
  • the use of a metal underlayer makes it possible to limit the ohmic losses in the artificial magnetic conductor;
  • the invention also relates to an antenna comprising the artificial magnetic conductor above.
  • FIG. 1 is a schematic and perspective illustration of an antenna comprising an artificial magnetic conductor
  • FIG. 2 is a diagrammatic and perspective illustration of the artificial magnetic conductor of the antenna of FIG. 1;
  • FIG. 3 is a diagrammatic illustration in vertical section of a portion of the artificial magnetic conductor of FIG. 2,
  • FIG. 4 is a schematic illustration in vertical section of a resonant element of the artificial magnetic conductor of FIG. 2;
  • FIG. 5 is a graph illustrating the increase in the bandwidth and the decrease in the resonance frequency of the artificial magnetic conductor when its resonant elements comprise a ferromagnetic sublayer
  • FIG. 6 is a graph illustrating the evolution of the modulus of the reflection coefficient of the artificial magnetic conductor of FIG. 2 as a function of frequency
  • FIG. 7 is a graph illustrating the phase of the reflection coefficient as a function of frequency in two different situations
  • FIG. 8 is a diagrammatic illustration in vertical section of a second embodiment of a resonant element
  • FIG. 9 and 10 are schematic illustrations, in vertical section, of two other embodiments of the resonant elements of an artificial magnetic conductor.
  • Figure 1 shows an antenna 2 equipped with a radiating conductor 4 disposed above an artificial magnetic conductor 6 extending horizontally.
  • the figures are oriented relative to a reference 8 having two orthogonal horizontal directions X and Y and a vertical direction Z.
  • the terms “up” / “down”, “above” / “below And “higher” / “lower” are defined relative to this direction Z.
  • the antenna 2 is able to emit and / or receive electromagnetic waves at a working frequency f T corresponding to a wavelength ⁇ ⁇ .
  • the frequency f T is between 100 MHz and 20 GHz and preferably between 1 GHz and 10 GHz.
  • the antenna 2 emits essentially electromagnetic waves in the half-space above the plane XY.
  • the main transmit / receive direction is perpendicular to the XY plane and coincides with the Z direction.
  • the artificial magnetic conductor 6 is in the form of a plate extending mainly horizontally.
  • This plate has a front face 10 facing upwards and a rear face 12 facing downwards.
  • these faces 10 and 12 are horizontal.
  • the face 12 is contained in the XY plane.
  • the artificial magnetic conductor 6 is in the form of a horizontal rectangular plate.
  • the artificial magnetic conductor 6 has a frequency band, called "bandwidth", in which the electromagnetic waves are reflected without phase inversion (phase ⁇ 180 °).
  • bandwidth in which the interferences between the incident and reflected waves on the conductor 6 are constructive while they are destructive outside this bandwidth.
  • the bandwidth of an artificial magnetic conductor is defined as being the frequency range for which the phase of the electromagnetic wave reflected on this artificial magnetic conductor is out of phase by an angle ⁇ between -90 ° and + 90 ° with respect to the electromagnetic wave incident on this same artificial magnetic conductor.
  • resonance frequency f 0 For a particular frequency of this bandwidth, called resonance frequency f 0 , the angle ⁇ is zero.
  • the reflection coefficient of the component of the tangential electric field to the face 10 is equal to +1.
  • this reflection coefficient is equal to -1.
  • the artificial magnetic conductor 6 limits or prevents the propagation of electromagnetic waves in the half-space below the XY plane for the transmission and reception frequencies located in the bandwidth of the artificial magnetic conductor 6.
  • the given examples of dimensions for the various constituent elements of the artificial magnetic conductor 6 are for a resonance frequency f 0 equal to or close to 6 GHz.
  • the artificial magnetic conductor 6 also has a Z s impedance of high surface preventing or limiting the appearance of surface current. This limits the losses of the antenna 2.
  • the impedance module Z s is greater than the vacuum wave impedance (Zs module> 377 Ohms) and, preferably, two or ten times greater than the vacuum wave impedance.
  • the impedance Z s of the artificial magnetic conductor 6 is raised mainly within its bandwidth.
  • the height h of the conductor 6, that is to say the shortest distance separating the faces 10 and 12 is strictly less than ⁇ 0/4 and preferably less than ⁇ 0/50 where ⁇ 0 is the wavelength corresponding to the resonance frequency f 0 .
  • the height h is equal to 4 mm.
  • the radiating conductor 4 here extends essentially in a horizontal plane. It is spaced from the front face 10 by a height h c less than ⁇ ⁇ / 4 and, preferably, less than ⁇ ⁇ / 10 or ⁇ ⁇ / 100.
  • the space between the radiating conductor 4 and the front face 10 is filled with a dielectric to maintain the radiating conductor 4 above this face 10.
  • the radiating conductor 4 is shown in the form of a rectangular conductive element better known by the English term "patch".
  • the radiating conductor 4 is sized to transmit and receive at the working frequency f T.
  • This working frequency f T is between 0.5 f 0 and 2 f 0 .
  • FIG. 2 represents in more detail the artificial magnetic conductor 6.
  • the rear face 12 is a ground plane or a substrate whose function is the mass.
  • This face 12 is formed of a sheet of metal uniformly and continuously distributed in the XY plane. Typically it is a metallization layer.
  • the ground plane is made of copper. For example, its thickness is 35 m.
  • the face 10 is separated from the face 12 by one or more dielectric layers collectively referenced by the reference numeral 16.
  • the front face 10 is a frequency selective surface more known by the acronym FSS ("Selective Frequency Surface").
  • FSS Selective Frequency Surface
  • This face 10 is transparent for the electromagnetic plane waves whose frequency is located outside the bandwidth of the artificial magnetic conductor 6 and reflective for the electromagnetic plane waves whose frequency is within this bandwidth.
  • the face 10 does not necessarily have a prohibited photonic band.
  • the face 10 is formed of a two-dimensional network of resonant elements 14.
  • the reference 14 is only indicated for some of these resonant elements.
  • This network of elements 14 is said to be two-dimensional because the elements 14 are aligned next to each other along two different horizontal directions. Here, the elements 14 are aligned along the X and Y directions.
  • the resonant elements 14 are arranged periodically along the X and Y directions.
  • the period along the X and Y directions is denoted D.
  • This period D is less than ⁇ 0/10 and, preferably, less than ⁇ 0/50.
  • the periodicities along the X and Y directions are equal.
  • the period D is equal to 4.1 mm.
  • Each resonant element 14 has a front face exposed to electromagnetic radiation.
  • the front faces of the different radiating elements 14 are located in the same horizontal plane.
  • each resonant element 14 functions as a resonant LC circuit.
  • each resonant element 14 is adjacent to another resonant element 14 and capacitively coupled to the other adjacent elements 14.
  • d the shortest distance between two consecutive resonant elements 14 along the direction X or Y. This distance d is for example equal to 100 pm.
  • Each resonant element 14 is also inductively coupled to the ground plane 12. Here, this inductive coupling is through the dielectric layers 16.
  • the resonant elements 14 are electrically isolated from the ground plane 12 by the dielectric layers 16. This means, in particular, that there are no vertical conductive pads, known by the term “vias ", directly electrically connecting all or only part of the resonant elements 14 to the ground plane 12.
  • Each resonant element is made of a conductive material whose conductivity is greater than 100 S / m and, preferably, greater than 1000 S / m or 1 MS / m.
  • the conductivity of the resonant elements 14 is greater than or equal to 5 MS / m.
  • the horizontal dimensions of the resonant elements 14 are less than ⁇ / 10 and, preferably, less than ⁇ 0/50 and ⁇ 0/100 to appear as a homogeneous material to the incident electromagnetic waves. In addition, this makes it possible to repeat a large number of times each resonant element in the X or Y direction.
  • the thickness of each resonant element is typically less than ten micrometers.
  • each resonant element 14 is in the form of a solid pellet.
  • each pellet has a vertical axis 18 of symmetry.
  • each resonant element 14 is a square pellet.
  • FIG. 3 represents a vertical section of the artificial magnetic conductor 6.
  • This vertical section shows that the artificial magnetic conductor 6 comprises n frequency selective surfaces stacked one above the other in the direction Z, where n is an integer greater than or equal to two.
  • n is equal to three so that the artificial magnetic conductor 6 comprises three frequency-selective surfaces, 10, 20 and 22, respectively.
  • the surfaces 10, 20 and 22 are separated from each other. others by layers of dielectric materials. More specifically, the surface 22 is separated from the ground plane 12 by a layer 24 of dielectric material of thickness ei.
  • the surface 20 is stacked above the surface 22 and separated from the surface 22 by a layer 26 of dielectric material of thickness e 2 .
  • the surface 10 is stacked above the surface 20 and separated from this surface 20 by a layer of dielectric material 28 of thickness e 3 .
  • the thickness of the layers 24, 26 and 28 is strictly greater than 10 ⁇ m and preferably greater than 50 ⁇ m. These thicknesses are less than ⁇ 0/10 and preferably less than ⁇ 0/100 to ⁇ 0/1000.
  • the thicknesses e 2 and e 3 are equal to and much smaller than the thickness ei.
  • the dielectric materials of the layers 26 and 28 are identical.
  • the dielectric material of the layer 24 is not necessarily the same as that used to form the layers 26 and 28.
  • the dielectric material of the layer 24 is glass.
  • the surfaces 20 and 22 are identical to the surface 10 with the exception that they are not arranged at the same height inside the artificial magnetic conductor 6.
  • the resonant elements 14 of each surface 10, 20 and 22 are vertically aligned one above the other.
  • the axes of symmetry 18 of the resonant elements of the different surfaces 10, 20 and 22 are merged.
  • the resonance frequency f 0 of the artificial magnetic conductor 6 is in particular fixed by the following parameters:
  • the resonance frequency f 0 is particularly sensitive to the number n of frequency-selective surfaces and to the period D.
  • these different parameters are adjusted experimentally so that the resonance frequency f 0 is between 100 MHz and 20 GHz and, preferably, between 1 GHz and 10 GHz.
  • these parameters are determined by electromagnetic simulation for different values of these parameters.
  • Each resonant element 14 is formed by a stack of fine sub-layers.
  • "Thin" sublayer means an underlayer whose thickness is less than 10 ⁇ m and preferably less than 1 ⁇ m in the vertical direction. This stack of underlays is here called composite material.
  • At least one of these sub-layers is made of a ferromagnetic material whose relative permeability is greater than 10 and, preferably, greater than at 100 to 2 or 3 GHz.
  • ⁇ is the relative effective permeability of the material of the resonant element
  • Eeffective is the relative effective permittivity of the material of the resonant element.
  • each resonant element is made of a composite material simultaneously having the following properties without recourse to an artificial external magnetic field, that is to say a magnetic field other than the terrestrial magnetic field:
  • its conductivity is greater than 100 S / m and, preferably, greater than 1000 S / m or 1 MS / m at 25 ° C,
  • its relative permeability is greater than 10 and, preferably, greater than 100 in at least one horizontal direction for a frequency of 2 or 3 GHz,
  • its relative permittivity is greater than 10 and, preferably, greater than 100 at 2 or 3 GHz in the same direction as that where the relative permeability is greater than Typically the relative permittivity is the same regardless of the horizontal direction considered.
  • this composite material comprises a first group 30 of ferromagnetic fine sublayers superimposed on a thin insulating sub-layer 32 itself superimposed on a second group 34 of ferromagnetic fine sub-layers.
  • the first group 30 of ferromagnetic fine sub-layers is composed of the stack from top to bottom:
  • an intermediate sublayer 36 providing the interface between a ferromagnetic sublayer and a dielectric underlayer
  • the sub-layer 36 is for example made of ruthenium (Ru), tantalum (Ta) or platinum (Pt). Its thickness is less than 10 nm.
  • the underlayer 38 has a thickness less than the skin thickness of the ferromagnetic material and, preferably, less than half or one third of this skin thickness. Here, its thickness is less than 100 nm and preferably less than 50 or 25 nm. Such a choice of the thickness of the ferromagnetic sublayer limits the magnetic losses of the material.
  • the underlayer 38 is made of an alloy of iron and / or cobalt and / or nickel. It may especially be a FeCo alloy or a FeCoB alloy. Here it is an alloy Fe 6 5Co 3 5.
  • the antiferromagnetic sublayer 40 is for example made of a manganese alloy and in particular an alloy of manganese and nickel. For example, here, it is a Ni 5 5 oMn 5 alloy.
  • the presence of the antiferromagnetic layer makes it possible to create an exchange coupling so that the material is self-polarized and does not therefore require the presence of an artificial external magnetic field.
  • this sublayer 40 is less than 100 nm and, for example, less than 50 nm.
  • the ferromagnetic sublayer 42 is for example identical to the underlayer 38.
  • intermediate sublayer 44 is for example identical to the underlayer 36.
  • the insulating sub-layer 32 is made of a dielectric material having a relative permittivity greater than 10 and, preferably, greater than 10. 100 to 2 or 3 GHz.
  • This sublayer is typically made using a strontium (Sr) oxide and titanium (Ti).
  • strontium (Sr) oxide and titanium (Ti) For example, it is titanium strontium (SrTi0 3 ).
  • the thickness of the underlayer 32 is less than 10 ⁇ m or 1 ⁇ m. It is generally thicker than ferromagnetic and antiferromagnetic sublayers.
  • the second group 34 is for example identical to the first group 30 and will therefore not be described in more detail.
  • the radiating elements 14 are for example produced by depositing on the dielectric layer 20, 22 or 24 thin sub-layers one after the other. These sub-layers extend over the entire surface of the dielectric layer. Then, the resonant elements 14 are individualized by etching of this stack of fine sub-layers.
  • FIG. 5 illustrates the evolution of the phase of the reflection coefficient of four different artificial magnetic conductors corresponding to the curves, respectively, 50, 52, 54 and 56, as a function of the frequency of the incident electromagnetic wave.
  • the curves 50 and 52 correspond to artificial magnetic conductors for which the number n of frequency-selective surfaces is equal to four.
  • the curves 54 and 56 correspond to artificial magnetic conductors for which the number n of frequency-selective surfaces is equal to three.
  • the curves 50 and 54 correspond to artificial magnetic conductors made with resonant elements comprising at least one ferromagnetic sublayer.
  • the curves 52 and 56 correspond to artificial magnetic conductors in which the resonant elements are only made using a metal layer such as copper.
  • the presence of a ferromagnetic sublayer makes it possible to reduce the resonance frequency f 0 with respect to the case where such an underlayer is absent.
  • the curves 50 and 54 are sloping less than the curves 52 and 56 so that the bandwidth of the corresponding artificial magnetic conductors is wider than those of the artificial magnetic conductors corresponding to the layers 52 and 56.
  • the presence of at least one ferromagnetic sub-layer makes it possible to widen the bandwidth and to reduce the resonance frequency f 0 .
  • the graph of FIG. 6 represents the evolution of the modulus, expressed in decibels, of the reflection coefficient of different artificial magnetic conductors as a function of the frequency of the incident electromagnetic wave.
  • the curves 60 and 62 each correspond to artificial magnetic conductors comprising only a stack of three frequency selective surfaces.
  • the curves 64 and 66 correspond to artificial magnetic conductors comprising only a stack of four frequency selective surfaces.
  • the curves 60 and 66 correspond to artificial magnetic conductors in which the resonant elements are formed solely of a metallic material such as copper.
  • the curves 62 and 64 correspond to artificial magnetic conductors in which the resonant elements comprise at least one ferromagnetic sublayer.
  • the presence of the ferromagnetic sublayer decreases the frequency for which the modulus of reflection coefficient is minimal.
  • FIG. 7 represents a graph illustrating the evolution of the phase of the reflection coefficient (expressed in degrees) as a function of frequency (expressed in GHz).
  • Curve 70 corresponds to an artificial magnetic conductor having only one frequency-selective surface while curve 72 corresponds to an artificial magnetic conductor comprising a stack of several frequency-selective surfaces.
  • the use of a stack of several frequency-selective surfaces significantly reduces the resonance frequency f 0 of the artificial magnetic conductor. This decrease in the frequency f 0 is particularly noticeable for a number n of frequency selective surfaces between two and ten.
  • FIG. 8 represents a resonant element 80 that can be used in place of the resonant element 14.
  • the resonant element 80 is formed of a stack of several fine sub-layers, at least one sub-layer of which layer made of ferromagnetic material.
  • the resonant element 80 comprises an underlayer 82 of ferromagnetic material superimposed on a sub-layer 84 of dielectric material itself superimposed on a metal underlayer 86.
  • the sub-layers 82 and 84 have, respectively, a relative permeability and a permittivity greater than 10 for a frequency of 2 or 3 GHz. These sub-layers are for example made as described opposite the resonant element 14.
  • the sub-layer 86 is for example made of copper so as to limit the ohmic losses of the antenna.
  • FIGS. 9 and 10 show two other embodiments of an artificial magnetic conductor. More precisely, FIGS. 9 and 10 show artificial magnetic conductors, respectively, 90 and 100. To simplify FIGS. 9 and 10, only the ground plane 12 has been shown and a single frequency-selective surface.
  • the artificial magnetic conductor 90 comprises a frequency-selective surface 92 provided with an array of resonant elements 94. These resonant elements 94 are aligned along a horizontal axis 96. Each resonant element 94 extends in a plane forming an angle ⁇ with the ground plane 12.
  • the angle ⁇ is typically between -45 ° and + 45 ° and preferably between -45 °; -5 °] and [+ 5 °, + 45 °].
  • the artificial magnetic conductor 100 comprises a frequency-selective surface 102 made using resonant elements 104 and 106 aligned along a horizontal direction 108.
  • the elements 104 and 106 extend in planes making angles, respectively a and ⁇ , with the ground plane 12.
  • the angles a and ⁇ are between -45 ° and + 45 ° and preferably between -45 °; -5 °] and [+ 5 °, + 45 °].
  • the angles a and ⁇ are different from each other. Preferably, they are chosen so that each resonant element 104 is symmetrical with a resonant element 106 with respect to a vertical plane.
  • the periodicity of the resonant elements is not necessarily the same in each frequency selective surface.
  • the periodicity of the resonant elements in one direction of the network is not necessarily the same as the periodicity in another direction.
  • the materials used to make the resonant elements of a frequency-selective surface are not necessarily the same as those used to make the resonant elements of another frequency-selective surface of the same artificial magnetic conductor.
  • the thicknesses of the dielectric layers separating the frequency-selective surfaces may all be different or, on the contrary, all the same.
  • the dielectric material forming these dielectric layers may be the same for all layers or different for one or more of these dielectric layers.
  • each resonant element may be a square pellet, orthogonal, diamond-shaped or a dipole.
  • this shape has an axis of symmetry with respect to an axis orthogonal to the plane in which the essence of this resonant element extends.
  • the resonant elements of a frequency-selective surface are not necessarily stacked rigorously one above the other.
  • the axes of symmetry of the resonant elements of a lower frequency selective surface can be shifted in a horizontal direction relative to the axes of symmetry of the resonant elements of a higher frequency selective surface.
  • All or only some of the resonant elements can be electrically connected to the ground plane by vertical metal studs known as "vias".
  • the resonant elements are not necessarily arranged periodically along one or two horizontal directions.
  • the second group and the dielectric sub-layer of the resonant element 14 are omitted.
  • the resonant element consists of a single thin sublayer of ferromagnetic material whose thickness is less than the skin thickness of this ferromagnetic material.
  • dielectric other materials may be used as dielectric.
  • it may be a barium (Ba) and titanium (Ti) oxide, in particular barium titanium BaTiO 3 , hafnium oxide (Hf), especially HfO 2 , or tantalum (Ta), especially Ta 2 0 5 (ferroelectric).
  • Perovskites are preferred, such as BaTiO 3 or SrTiO 3 for example, which have a higher relative permittivity (of the order of 100 versus 10 for barium or halfnium oxides at 2 or 3 GHz).
  • antiferromagnetic layer such as a PtMn or IrMn alloy and more generally any manganese-based alloy or iron oxides or cobalt or nickel.
  • CoFeB, FeN and CoFeN alloys will be preferred, but other materials are possible, especially all alloys combining two or three of the elements selected from iron, cobalt and nickel. These alloys may optionally be doped, for example boron or nitrogen. They may also be associated with other elements such as Al, Si, Ta, Hf, Zr.
  • the radiating conductor may be a single wire.
  • the driver can substitute for one of the radiating elements of the front face.
  • the ground plane may be a second artificial magnetic conductor identical to the first artificial magnetic conductor and arranged symmetrically with the first artificial magnetic conductor with respect to a plane of symmetry to form an electrical image of the first artificial magnetic conductor.
  • the first artificial magnetic conductor functions as if there existed a metal layer in place of the plane of symmetry.
  • the term "ground plane” means a metal layer uniformly distributed in a plane that a second artificial magnetic conductor symmetrical to the first artificial magnetic conductor relative to this plane. Note, however, that the second artificial magnetic conductor radiates in the lower half-space below the plane of symmetry. Therefore, such an antenna radiates throughout the space.

Abstract

L'invention concerne un conducteur magnétique artificiel présentant une impédance de surface supérieure à 100 Ω, ce conducteur comportant : un plan de masse, au moins une première surface sélective en fréquence, transparente pour certaines longueurs d'onde et réfléchissantes pour une plage de longueurs d'ondes, cette surface sélective en fréquence comprenant un réseau d'éléments résonnants conducteurs disposés les uns à côté des autres dans au moins deux directions différentes parallèles au plan de masse, dans lequel chaque élément résonant est formé d'au moins une sous-couche (38, 42) en matériau ferromagnétique dont la perméabilité relative est supérieure à 10 pour une fréquence de 2GHz et dont l'épaisseur est strictement inférieure à l'épaisseur de peau de ce matériau ferromagnétique.

Description

CONDUCTEUR MAGNETIQUE ARTIFICIEL ET ANTENNE
[ooi ] L'invention concerne un conducteur magnétique artificiel et une antenne incorporant ce conducteur magnétique artificiel.
[002] Les conducteurs magnétiques artificiels sont plus connus sous l'acronyme AMC (« Artificial Magnetic Conductor »). Pour plus d'informations sur les principes de fonctionnement de ces conducteurs magnétiques artificiels et leurs propriétés physiques, il est possible de se référer à la demande de brevet WO 99 509 29 déposée par Sievenpiper.
[003] Typiquement, les conducteurs magnétiques artificiels présentent deux propriétés caractéristiques :
- une impédance de surface Zs élevée dans une plage de fréquences dénommée « bande passante », et
- une fréquence de résonance f0, comprise dans la bande passante, pour laquelle le déphasage est nul entre une onde électromagnétique incidente sur le conducteur magnétique artificiel et l'onde électromagnétique réfléchie.
[004] L'impédance de surface Zs est définie par le rapport suivant : Zs = Etan/Htan, où :
- Etan est la composante du champ électrique de l'onde électromagnétique incidente tangentielle à la face du conducteur magnétique artificiel, et
- Htan est la composante du champ magnétique de l'onde électromagnétique incidente tangentielle à la surface du conducteur magnétique artificiel.
[005] Une impédance de surface Zs est dite « élevée » si son module est supérieur à l'impédance d'onde du vide (module de Zs>377 Ohms) et, de préférence, plusieurs fois supérieure à l'impédance d'onde du vide.
[006] Des conducteurs magnétiques artificiels connus comportent :
- un plan de masse,
- au moins une première surface sélective en fréquence, transparente pour certaines longueurs d'onde et réfléchissantes pour une plage de longueurs d'ondes, cette surface sélective en fréquence comprenant un réseau d'éléments résonnants conducteurs disposés les uns à côté des autres dans au moins deux directions différentes parallèles au plan de masse.
[007] Ces conducteurs magnétiques artificiels sont utilisés pour réaliser des antennes. Par exemple, des antennes connues comportent :
- un conducteur magnétique artificiel présentant une fréquence de résonance f0,
- un conducteur rayonnant apte à rayonner ou à recevoir des ondes électromagnétiques à une fréquence de travail fT comprise entre 0,5f0 et 2f0, ce conducteur s'étendant dans un plan parallèle au conducteur magnétique artificiel et étant séparé de la surface sélective en fréquence la plus proche de ce conducteur magnétique artificiel par une distance inférieure à λ0/10, où λ0 est la longueur d'onde d'une onde électromagnétique de fréquence f0.
[008] Il existe une forte demande pour miniaturiser les antennes. Aujourd'hui, il est possible d'utiliser des conducteurs rayonnants dont la longueur est inférieure à λτ/4 ou λτ/10, où λτ est la longueur d'onde à la fréquence de travail fT de l'antenne. Il est donc également souhaitable de réduire la taille et l'encombrement des conducteurs magnétiques artificiels. Pour cela, il faut réduire les dimensions des éléments résonnants. Or, lorsque l'on réduit les dimensions des éléments résonnants, la bande passante du conducteur magnétique artificielle diminue également. Ce qui n'est pas souhaitable.
[009] Par ailleurs, plus la fréquence de résonance f0 souhaitée pour le conducteur magnétique artificiel est faible, plus la taille des éléments résonnants est importante. Ainsi, pour miniaturiser un conducteur magnétique artificiel, il est également souhaitable de disposer d'éléments résonnants qui, à taille égale avec les éléments résonnants des conducteurs magnétiques artificiels connus, permettent d'obtenir une fréquence de résonance f0 plus faible.
[ooi o] L'invention vise à remédier à ces problèmes en proposant un conducteur magnétique artificiel qui, à taille égale pour les éléments résonnants, présente une bande passante élargie ou qui, à bande passante égale, utilise des éléments résonnants plus petits.
[001 1 ] Elle a donc pour objet un conducteur magnétique artificiel dans lequel chaque élément résonant est formé d'au moins une sous-couche en matériau ferromagnétique dont la perméabilité relative est supérieure à 10 pour une fréquence de 2GHz et dont l'épaisseur est strictement inférieure à l'épaisseur de peau de ce matériau ferromagnétique.
[0012] L'utilisation d'un matériau ferromagnétique pour réaliser les éléments résonnants permet de diminuer la fréquence de résonance f0 par rapport au cas des conducteurs magnétiques artificiels réalisés uniquement avec des éléments résonnants métalliques.
[0013] De plus, l'utilisation d'un matériau ferromagnétique permet d'accroître la bande passante du conducteur magnétique artificiel par rapport à un conducteur magnétique artificiel identique mais dans lequel les éléments résonnants sont réalisés uniquement en métal.
[0014] Ainsi, les éléments résonnants pourvus d'une sous-couche ferromagnétique permettent de miniaturiser le conducteur magnétique artificiel.
[0015] Le fait que la sous-couche en matériau ferromagnétique ait une épaisseur inférieure à l'épaisseur de peau permet d'éviter les mécanismes de relaxation de l'aimantation, susceptibles de conduire à une chute de la perméabilité et à de fortes pertes magnétiques, dans le conducteur magnétique artificiel et rend possible l'utilisation de cette sous-couche en matériau ferromagnétique. [0016] Les modes de réalisation de ce conducteur magnétique artificiel peuvent comporter une ou plusieurs des caractéristiques suivantes :
• au moins chaque élément résonant de la première surface sélective en fréquence est formé d'un empilement de plusieurs sous-couches, chaque sous-couche ayant une épaisseur inférieure à 10 μι dans une direction perpendiculaire au plan de masse;
• au moins l'une des sous-couches de chaque élément résonnant est une sous- couche en matériau diélectrique présentant une permittivité relative supérieure à 10 pour une fréquence de 2 GHz;
• au moins l'une des sous-couches de chaque élément résonnant est une sous- couche antiferromagnétique directement déposée sur ou sous la sous-couche ferromagnétique;
• au moins l'une des sous-couches de chaque élément résonnant est une sous- couche métallique;
• le conducteur magnétique artificiel comporte n surfaces sélectives en fréquence empilées les unes au-dessus des autres dans une direction perpendiculaire au plan de masse, chacune de ces surfaces sélectives en fréquence comportant un réseau d'éléments résonnants conducteurs disposés les uns à coté des autres dans au moins deux directions différentes parallèles au plan de masse et séparées les unes des autres par une couche en matériau diélectrique dont l'épaisseur est strictement supérieure à 10 pm, où n est un entier supérieur ou égal à deux;
• chaque élément résonant de chacune des n surfaces sélectives en fréquence est formé d'au moins une sous-couche en matériau ferromagnétique dont la perméabilité relative est supérieure à 10 pour une fréquence de 2 GHz et dont l'épaisseur est strictement inférieure à l'épaisseur de peau de ce matériau ferromagnétique;
• chaque élément résonant est électriquement isolé du plan de masse par une couche en matériau diélectrique;
• chaque élément résonant s'étend principalement dans un plan qui forme un angle avec le plan de masse compris entre 5° et 45°.
[0017] Ces modes de réalisation du conducteur magnétique artificiel présentent en outre les avantages suivants :
- l'utilisation d'une sous-couche en matériau diélectrique présentant une permittivité relative supérieure à 10 permet d'accroître la miniaturisation du conducteur magnétique artificiel ;
- l'utilisation d'une sous-couche antiferromagnétique permet également d'accroître la bande passante ; - l'utilisation d'une sous-couche métallique permet de limiter les pertes ohmiques dans le conducteur magnétique artificiel ;
- l'utilisation de plusieurs surfaces sélectives en fréquence permet de diminuer la fréquence de résonance f0 du conducteur magnétique artificiel sans augmenter la taille des éléments résonnants ;
- l'utilisation de sous-couches en matériau ferromagnétique pour former chacun des éléments résonnants de chacune des surfaces sélectives en fréquence empilées augmente la bande passante et diminue encore plus la fréquence de résonance f0;
- isoler électriquement les éléments résonnants du plan de masse permet d'éviter d'avoir à réaliser des plots verticaux conducteurs reliant les éléments résonnants au plan de masse ce qui simplifie la fabrication du conducteur magnétique artificiel.
[0018] L'invention a également pour objet une antenne comportant le conducteur magnétique artificiel ci-dessus.
[0019] L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple non limitatif et faite en se référant aux dessins sur lesquels:
- la figure 1 est une illustration schématique et en perspective d'une antenne comportant un conducteur magnétique artificiel,
- la figure 2 est une illustration schématique et en perspective du conducteur magnétique artificiel de l'antenne de la figure 1 ;
- la figure 3 est une illustration schématique et en coupe verticale d'une portion du conducteur magnétique artificiel de la figure 2,
- la figure 4 est une illustration schématique et en coupe verticale d'un élément résonant du conducteur magnétique artificiel de la figure 2 ;
- la figure 5 est un graphe illustrant l'augmentation de la bande passante et la diminution de la fréquence de résonance du conducteur magnétique artificiel lorsque ses éléments résonnants comportent une sous-couche ferromagnétique ;
- la figure 6 est un graphe illustrant l'évolution du module du coefficient de réflexion du conducteur magnétique artificiel de la figure 2 en fonction de la fréquence ;
- la figure 7 est un graphe illustrant la phase du coefficient de réflexion en fonction de la fréquence dans deux situations différentes ;
- la figure 8 est une illustration schématique en coupe verticale d'un deuxième mode de réalisation d'un élément résonant;
- les figures 9 et 10 sont des illustrations schématiques, en coupe verticale, de deux autres modes de réalisation des éléments résonnants d'un conducteur magnétique artificiel.
[0020] Dans ces figures, les mêmes références sont utilisées pour désigner les mêmes éléments.
[0021] Dans la suite de cette description, les caractéristiques et fonctions bien connues de l'homme du métier ne sont pas décrites en détails. [0022] La partie réelle de la perméabilité relative et de la permittivité relative sont des grandeurs physiques qui varient en fonction de la fréquence. Ici, à défaut d'indication contraire, lorsque l'on parle de la « perméabilité relative »/ « permittivité relative », on désigne la valeur de la partie réelle de cette grandeur physique pour une fréquence de 2 GHz. Toutefois, ce qui est décrit ici s'applique aussi au cas où ces valeurs de perméabilité relative et permittivité relative sont données pour une fréquence de 1 GHz.
[0023] La figure 1 représente une antenne 2 équipée d'un conducteur rayonnant 4 disposé au-dessus d'un conducteur magnétique artificiel 6 s'étendant horizontalement.
[0024] Dans cette description, les figures sont orientées par rapport à un repère 8 comportant deux directions horizontales orthogonales X et Y et une direction verticale Z. Les termes « haut » / « bas », « au-dessus » / « en dessous » et « supérieur » / « inférieur » sont définis par rapport à cette direction Z.
[0025] L'antenne 2 est apte à émettre et/ou à recevoir des ondes électromagnétiques à une fréquence de travail fT correspondant à une longueur d'onde λτ. Typiquement, la fréquence fT est comprise entre 100 MHz et 20 GHz et, de préférence, entre 1 GHz et 10 GHz.
[0026] L'antenne 2 émet essentiellement des ondes électromagnétiques dans le demi-espace supérieur au plan XY. Ici, la direction principale d'émission/réception est perpendiculaire au plan XY et confondue avec la direction Z.
[0027] Ici, le conducteur magnétique artificiel 6 se présente sous la forme d'une plaque s'étendant principalement horizontalement. Cette plaque présente une face avant 10 tournée vers le haut et une face arrière 12 tournée vers le bas. Ici ces faces 10 et 12 sont horizontales. La face 12 est contenue dans le plan XY. Dans le cas particulier décrit ici, le conducteur magnétique artificiel 6 se présente sous la forme d'une plaque rectangulaire horizontale.
[0028] Le conducteur magnétique artificiel 6 présente une bande de fréquence, appelée « bande passante », dans laquelle les ondes électromagnétiques sont réfléchies sans inversion de phase (phase≠180°). Ainsi, dans la bande passante, les interférences entres les ondes incidentes et réfléchies sur le conducteur 6 sont constructives alors qu'elles sont destructives en dehors de cette bande passante. Plus précisément, ici, la bande passante d'un conducteur magnétique artificiel est définie comme étant la plage de fréquence pour laquelle la phase de l'onde électromagnétique réfléchie sur ce conducteur magnétique artificiel est déphasée d'un angle β compris entre -90° et +90° par rapport à l'onde électromagnétique incidente sur ce même conducteur magnétique artificiel.
[0029] Pour une fréquence particulière de cette bande passante, appelée fréquence de résonance f0, l'angle β est nul. Pour cette fréquence f0, le coefficient de réflexion de la composante du champ électrique tangentielle à la face 10 est égal à +1 . Par comparaison, sur un plan métallique, ce coefficient de réflexion est égal à -1 .
[0030] Le conducteur magnétique artificiel 6 limite ou empêche la propagation des ondes électromagnétiques dans le demi-espace situé en dessous du plan XY pour les fréquences d'émission et de réception situées dans la bande passante du conducteur magnétique artificiel 6.
[0031] Dans la suite de cette description, les exemples donnés de dimensions pour les différents éléments constitutifs du conducteur magnétique artificiel 6 le sont pour une fréquence de résonance f0 égale ou voisine de 6 GHz.
[0032] Le conducteur magnétique artificiel 6 présente aussi une impédance Zs de surface élevée empêchant ou limitant l'apparition de courant de surface. Ceci limite les pertes de l'antenne 2. Ici, le module de l'impédance Zs est supérieur à l'impédance d'onde du vide (module de Zs>377 Ohms) et, de préférence, deux ou dix fois supérieure à l'impédance d'onde du vide. L'impédance Zs du conducteur magnétique artificiel 6 est élevée principalement à l'intérieur de sa bande passante.
[0033] La hauteur h du conducteur 6, c'est-à-dire la plus courte distance séparant les faces 10 et 12, est strictement inférieure à λ0/4 et de préférence inférieure à λ0/50, où λ0 est la longueur d'onde correspondant à la fréquence de résonance f0. Par exemple, la hauteur h est égale à 4 mm.
[0034] Le conducteur rayonnant 4 s'étend ici essentiellement dans un plan horizontal. Il est espacé de la face avant 10 par une hauteur hc inférieure à λτ/4 et, de préférence, inférieure à λτ/10 ou λτ/100.
[0035] Par exemple, l'espace entre le conducteur rayonnant 4 et la face avant 10 est rempli d'un diélectrique pour maintenir le conducteur rayonnant 4 au-dessus de cette face 10.
[0036] Ici, le conducteur rayonnant 4 est représenté sous la forme d'un élément rectangulaire conducteur plus connu sous le terme anglais de « patch ». Le conducteur rayonnant 4 est dimensionné pour émettre et recevoir à la fréquence de travail fT. Cette fréquence de travail fT est comprise entre 0,5 f0 et 2f0.
[0037] La figure 2 représente plus en détail le conducteur magnétique artificiel 6.
[0038] La face arrière 12 est un plan de masse ou un substrat ayant pour fonction la masse. Cette face 12 est donc formée d'une feuille de métal uniformément et continûment répartie dans le plan XY. Typiquement il s'agit d'une couche de métallisation. Par exemple, le plan de masse est réalisé en cuivre. Par exemple, son épaisseur est de 35 m.
[0039] La face 10 est séparée de la face 12 par une ou plusieurs couches diélectriques référencées collectivement par la référence numérique 16.
[0040] La face avant 10 est une surface sélective en fréquence plus connue sous l'acronyme anglais FSS (« Frequency Sélective Surface »). Cette face 10 est transparente pour les ondes planes électromagnétiques dont la fréquence est située en dehors de la bande passante du conducteur magnétique artificiel 6 et réfléchissante pour les ondes planes électromagnétiques dont la fréquence est comprise dans cette bande passante. Toutefois, la face 10 ne présente pas nécessairement une bande photonique interdite.
[0041] La face 10 est formée d'un réseau à deux dimensions d'éléments résonnants 14. Pour simplifier la figure 2, la référence 14 est uniquement indiquée pour quelques- uns de ces éléments résonnants. Ce réseau d'éléments 14 est dit à deux dimensions car les éléments 14 sont alignés les uns à côté des autres le long de deux directions différentes horizontales. Ici, les éléments 14 sont alignés le long des directions X et Y.
[0042] Ici, les éléments résonnants 14 sont disposés de façon périodique le long des directions X et Y. La période le long des directions X et Y est notée D. Cette période D est inférieure à λ0/10 et, de préférence, inférieure à λ0/50. Dans le cas particulier décrit ici, les périodicités le long des directions X et Y sont égales. Par exemple, la période D est égale à 4, 1 mm.
[0043] Chaque élément résonant 14 présente une face avant exposée aux rayonnements électromagnétiques. Ici, les faces avant des différents éléments rayonnants 14 sont situées dans un même plan horizontal.
[0044] Pour expliquer le fonctionnement de chaque élément résonant 14, on peut considérer qu'il fonctionne comme un circuit LC résonant. Pour cela, chaque élément résonant 14 est adjacent d'un autre élément résonant 14 et couplé capacitivement aux autres éléments 14 adjacents. On note « d » la distance la plus courte entre deux éléments résonnants 14 consécutifs le long de la direction X ou Y. Cette distance d est par exemple égale à 100 pm.
[0045] Chaque élément résonant 14 est également couplé inductivement au plan de masse 12. Ici, ce couplage inductif se fait à travers les couches diélectriques 16.
[0046] Dans ce mode de réalisation, les éléments résonnants 14 sont électriquement isolé du plan de masse 12 par les couches diélectriques 16. Cela signifie, en particulier, qu'il n'existe pas de plots conducteurs verticaux, connus sous le terme « vias », raccordant électriquement directement tous ou seulement une partie des éléments résonnants 14 au plan de masse 12.
[0047] Chaque élément résonant est réalisé dans un matériau conducteur dont la conductivité est supérieure à 100 S/m et, de préférence, supérieure à 1000 S/m ou 1 MS/m. Ici, la conductivité des éléments résonnants 14 est supérieure ou égale à 5 MS/m.
[0048] Les dimensions horizontales des éléments résonnants 14 sont inférieures à λο/10 et, de préférence, inférieure à λ0/50 ou λ0/100 pour apparaître comme un matériau homogène devant les ondes électromagnétiques incidentes. De plus, cela permet de répéter un grand nombre de fois chaque élément résonant dans la direction X ou Y. [0049] L'épaisseur de chaque élément résonant est typiquement inférieure à une dizaine de micromètres.
[0050] Ici, chaque élément résonant 14 se présente sous la forme d'une pastille pleine. Ici, chaque pastille présente un axe vertical 18 de symétrie. Par exemple, dans le cas particulier représenté ici, chaque élément résonant 14 est une pastille carrée.
[0051] La figure 3 représente une section verticale du conducteur magnétique artificiel 6. Cette section verticale montre que le conducteur magnétique artificiel 6 comporte n surfaces sélectives en fréquence empilées les unes au-dessus des autres dans la direction Z, où n est un entier supérieur ou égal à deux. Dans le cas particulier représenté sur la figure 3, n est égal à trois de sorte que le conducteur magnétique artificiel 6 comporte trois surfaces sélectives en fréquence, respectivement, 10, 20 et 22. Les surfaces 10, 20 et 22 sont séparées les unes des autres par des couches en matériaux diélectriques. Plus précisément, la surface 22 est séparée du plan de masse 12 par une couche 24 en matériau diélectrique d'épaisseur ei .
[0052] La surface 20 est empilée au-dessus de la surface 22 et séparée de la surface 22 par une couche 26 en matériau diélectrique d'épaisseur e2.
[0053] Enfin, la surface 10 est empilée au-dessus de la surface 20 et séparée de cette surface 20 par une couche en matériau diélectrique 28 d'épaisseur e3.
[0054] L'épaisseur des couches 24, 26 et 28 est strictement supérieure à 10 pm et, de préférence, supérieure à 50 pm. Ces épaisseurs sont également inférieures à λ0/10 et de préférence inférieure à λ0/100 ou λ0/1000.
[0055] Sur la figure 3, les épaisseurs e2 et e3 sont égales et très inférieures à l'épaisseur ei .
[0056] Les matériaux diélectriques des couches 26 et 28 sont identiques.
[0057] Le matériau diélectrique de la couche 24 n'est pas nécessairement le même que celui utilisé pour former les couches 26 et 28. Par exemple, ici, le matériau diélectrique de la couche 24 est du verre.
[0058] Dans le cas particulier décrit ici, les surfaces 20 et 22 sont identiques à la surface 10 à l'exception qu'elles ne sont pas disposées à la même hauteur à l'intérieur du conducteur magnétique artificiel 6. De plus, les éléments résonnants 14 de chaque surface 10, 20 et 22 sont alignés verticalement les uns au-dessus des autres. Ainsi, les axes de symétrie 18 des éléments résonnants des différentes surfaces 10, 20 et 22 sont confondus.
[0059] La fréquence de résonance f0 du conducteur magnétique artificiel 6 est notamment fixée par les paramètres suivants :
- le nombre n de surfaces sélectives en fréquence empilées les unes au-dessus des autres,
- la période D des réseaux d'éléments résonnants, - la hauteur h du conducteur magnétique artificiel 6,
- les dimensions des éléments résonnants 14, et
- la permittivité relative des couches diélectriques 20, 22 et 24.
[0060] Parmi ces différents paramètres, la fréquence de résonance f0 est particulièrement sensible au nombre n de surfaces sélectives en fréquence et à la période D.
[0061 ] Ici, ces différents paramètres sont ajustés de façon expérimentale de manière à ce que la fréquence de résonance f0 soit comprise entre 100MHz et 20GHz et, de préférence, entre 1 GHz et 10GHz. Par exemple, ces paramètres sont déterminés par simulation électromagnétique pour différentes valeurs de ces paramètres.
[0062] Chaque élément résonant 14 est réalisé par un empilement de sous-couches fines. Par sous-couche « fine », on désigne une sous-couche dont l'épaisseur est inférieure à 10 pm et, de préférence, inférieure à 1 pm dans la direction verticale. Cet empilement de sous-couches est appelé ici matériau composite.
[0063] Pour accroître la bande passante du conducteur magnétique artificiel 6 et diminuer sa fréquence de résonance f0, au moins une de ces sous-couches est réalisée dans un matériau ferromagnétique dont la perméabilité relative est supérieure à 10 et, de préférence, supérieure à 100 à 2 ou 3 GHz.
[0064] L'intérêt d'une forte perméabilité pour la réduction de la taille d'un élément résonnant est expliqué à partir de l'équation suivante :
^physique
électrique j
■ ^effectif ^effectif
où :
" (électrique est la longueur électrique de l'élément résonnant,
- lphysique est la longueur physique ou réelle de l'élément résonnant,
- μβίίβοϋί est la perméabilité effective relative du matériau de l'élément résonnant, et
- Eeffectif est la permittivité effective relative du matériau de l'élément résonnant.
[0065] Ainsi, pour une même longueur électrique iectrique, plus la perméabilité est grande plus la longueur physique de l'élément résonnant est réduite.
[0066] Plus précisément, chaque élément résonant est réalisé dans un matériau composite présentant simultanément les propriétés suivantes sans recours à un champ magnétique extérieur artificiel, c'est-à-dire un champ magnétique autre que le champ magnétique terrestre, :
- sa conductivité est supérieure à 100 S/m et, de préférence, supérieure à 1000 S/m ou 1 MS/m à 25°C,
- sa perméabilité relative est supérieure à 10 et, de préférence, supérieure à 100 dans au moins une direction horizontale pour une fréquence de 2 ou 3 GHz,
- sa permittivité relative est supérieure à 10 et, de préférence, supérieure à 100 à 2 ou 3 GHz dans la même direction que celle où la perméabilité relative est supérieure [0067] Typiquement la permittivité relative est la-même quelle que soit la direction horizontale considérée.
[0068] De tels matériaux composites présentant ces propriétés ainsi que leur fabrication sont décrits plus en détail dans la demande de brevet FR 2 939 990.
[0069] Dans le cas particulier décrit ici, ce matériau composite comprend un premier groupement 30 de sous-couches fines ferromagnétiques superposé sur une sous- couche fine isolante 32 elle-même superposée sur un second groupement 34 de sous-couches fines ferromagnétiques.
[0070] Le premier groupement 30 de sous-couches fines ferromagnétiques est composé de l'empilement du haut vers le bas :
- d'une sous-couche intermédiaire 36 assurant l'interface entre une sous-couche ferromagnétique et une sous-couche diélectrique,
- une sous-couche ferromagnétique 38,
- une sous-couche antiferromagnétique 40,
- une sous-couche ferromagnétique 42, et
- une sous-couche intermédiaire 44.
[0071] La sous-couche 36 est par exemple réalisée en ruthénium (Ru), en tantale (Ta) ou en platine (Pt). Son épaisseur est inférieure à 10 nm.
[0072] La sous-couche 38 présente une épaisseur inférieure à l'épaisseur de peau du matériau ferromagnétique et, de préférence, inférieure à la moitié ou au tiers de cette épaisseur de peau. Ici, son épaisseur est inférieure à 100 nm et, de préférence, inférieure à 50 ou 25 nm. Un tel choix de l'épaisseur de la sous-couche ferromagnétique limite les pertes magnétiques du matériau .
[0073] Typiquement, la sous-couche 38 est réalisée dans un alliage de fer et/ou de cobalt et/ou de nickel. Il peut notamment s'agir d'un alliage FeCo ou d'un alliage FeCoB. Ici, il s'agit d'un alliage Fe65Co35.
[0074] La sous-couche antiferromagnétique 40 est par exemple réalisée dans un alliage de manganèse et notamment dans un alliage de manganèse et de nickel. Par exemple, ici, il s'agit d'un alliage Ni5oMn5o. La présence de la couche antiferromagnétique permet de créer un couplage d'échange afin que le matériau soit autopolarisé et ne nécessite donc pas pour cela la présence d'un champ magnétique extérieur artificiel.
[0075] Typiquement, l'épaisseur de cette sous-couche 40 est inférieure à 100 nm et, par exemple, inférieure à 50 nm.
[0076] La sous-couche ferromagnétique 42 est par exemple identique à la sous- couche 38.
[0077] De même, la sous-couche intermédiaire 44 est par exemple identique à la sous-couche 36.
[0078] La sous-couche isolante 32 est réalisée dans un matériau diélectrique présentant une permittivité relative supérieure à 10 et, de préférence, supérieure à 100 à 2 ou 3 GHz. Cette sous-couche est typiquement réalisée à l'aide d'un oxyde de strontium (Sr) et de titane (Ti). Par exemple, il s'agit de titane de strontium (SrTi03). L'épaisseur de la sous-couche 32 est inférieure à 10 pm ou 1 pm. Elle est généralement plus épaisse que les sous-couches ferromagnétiques et antiferromagnétique.
[0079] Le deuxième groupement 34 est par exemple identique au premier groupement 30 et ne sera donc pas décrit plus en détail.
[0080] Les éléments rayonnants 14 sont par exemple fabriqués par dépôt sur la couche diélectrique 20, 22 ou 24 des sous-couches fines les unes après les autres. Ces sous-couches s'étendent sur l'ensemble de la surface de la couche diélectrique. Ensuite, les éléments résonnants 14 sont individualisés par gravure de cet empilement de sous-couches fines.
[0081] La figure 5 illustre l'évolution de la phase du coefficient de réflexion de quatre conducteurs magnétiques artificiels différents correspondant aux courbes, respectivement, 50, 52, 54 et 56, en fonction de la fréquence de l'onde électromagnétique incidente. Les courbes 50 et 52 correspondent à des conducteurs magnétiques artificiels pour lesquels le nombre n de surfaces sélectives en fréquences est égal à quatre. Les courbes 54 et 56 correspondent à des conducteurs magnétiques artificiels pour lesquels le nombre n de surfaces sélectives en fréquences est égal à trois.
[0082] Les courbes 50 et 54 correspondent à des conducteurs magnétiques artificiels réalisés avec des éléments résonnants comportant au moins une sous- couche ferromagnétique. Les courbes 52 et 56 correspondent à des conducteurs magnétiques artificiels dans lesquels les éléments résonnants sont uniquement réalisés à l'aide d'une couche métallique telle que du cuivre.
[0083] Comme mis en évidence par les résultats de simulations illustrés sur le graphe de la figure 5, la présence d'une sous-couche ferromagnétique permet de diminuer la fréquence de résonance f0 par rapport au cas où une telle sous-couche est absente. De plus, les courbes 50 et 54 sont moins pentues que les courbes 52 et 56 de sorte que la bande passante des conducteurs magnétiques artificiels correspondant est plus large que celles des conducteurs magnétiques artificiels correspondant aux couches 52 et 56. Ainsi, la présence d'au moins une sous-couche ferromagnétique permet d'élargir la bande passante et de diminuer la fréquence de résonance f0.
[0084] Le graphe de la figure 6 représente l'évolution du module, exprimé en décibel, du coefficient de réflexion de différents conducteurs magnétiques artificiels en fonction de la fréquence de l'onde électromagnétique incident.
[0085] Les courbes 60 et 62 correspondent chacune à des conducteurs magnétiques artificiels comportant uniquement un empilement de trois surfaces sélectives en fréquence. [0086] Les courbes 64 et 66 correspondent à des conducteurs magnétiques artificiels comportant uniquement un empilement de quatre surfaces sélectives en fréquence.
[0087] Les courbes 60 et 66 correspondent à des conducteurs magnétiques artificiels dans lesquels les éléments résonnants sont uniquement formés d'un matériau métallique tel que du cuivre.
[0088] Les courbes 62 et 64 correspondent à des conducteurs magnétiques artificiels dans lesquels les éléments résonnants comportent au moins une sous- couche ferromagnétique.
[0089] Comme illustré sur ce graphe, la présence de la sous-couche ferromagnétique diminue la fréquence pour laquelle le module du coefficient de réflexion est minimal
[0090] La figure 7 représente un graphe illustrant l'évolution de la phase du coefficient de réflexion (exprimée en degrés) en fonction de la fréquence (exprimées en GHz). La courbe 70 correspond à un conducteur magnétique artificiel n'ayant qu'une seule surface sélective en fréquence tandis que la courbe 72 correspond à un conducteur magnétique artificiel comportant un empilement de plusieurs surfaces sélectives en fréquence. Comme illustré sur ce graphe, l'utilisation d'un empilement de plusieurs surfaces sélectives en fréquence diminue de façon importante la fréquence de résonance f0 du conducteur magnétique artificiel. Cette diminution de la fréquence f0 est particulièrement perceptible pour un nombre n de surfaces sélectives en fréquence compris entre deux et dix.
[0091] La figure 8 représente un élément résonant 80 susceptible d'être utilisé en lieu et place de l'élément résonant 14. L'élément résonant 80 est formé d'un empilement de plusieurs sous-couches fines dont au moins une sous-couche réalisée en matériau ferromagnétique. Par exemple, ici, l'élément résonant 80 comporte une sous-couche 82 en matériau ferromagnétique superposée sur une sous-couche 84 en matériau diélectrique elle-même superposée sur une sous-couche 86 en métal.
[0092] Les sous-couches 82 et 84 présentent, respectivement, une perméabilité et une permittivité relatives supérieures à 10 pour une fréquence de 2 ou 3 GHz. Ces sous-couches sont par exemple réalisées comme décrit en regard de l'élément résonant 14.
[0093] La sous-couche 86 est par exemple réalisée en cuivre de manière à limiter les pertes ohmiques de l'antenne.
[0094] Les figures 9 et 10 représentent deux autres modes de réalisation d'un conducteur magnétique artificiel. Plus précisément, les figures 9 et 10 représentent des conducteurs magnétiques artificiels, respectivement, 90 et 100. Pour simplifier les figures 9 et 10, seul le plan de masse 12 a été représenté et une seule surface sélective en fréquence. [0095] Le conducteur magnétique artificiel 90 comprend une surface sélective en fréquence 92 pourvue d'un réseau d'éléments résonnants 94. Ces éléments résonnants 94 sont alignés le long d'un axe horizontal 96. Chaque élément résonant 94 s'étend dans un plan faisant un angle Θ avec le plan de masse 12. L'angle Θ est typiquement compris entre -45° et +45° et, de préférence, compris entre [-45°; -5°] et [+5°;+45°].
[0096] Le conducteur magnétique artificiel 100 comporte une surface sélective en fréquence 102 réalisée à l'aide d'éléments résonnants 104 et 106 alignés le long d'une direction horizontale 108. Comme dans le mode de réalisation de la figure 9, les éléments 104 et 106 s'étendent dans des plans faisant des angles, respectivement a et β, avec le plan de masse 12. Ici, les angles a et β sont compris entre -45° et +45°et, de préférence, compris entre [-45°; -5°] et [+5°;+45°]. Toutefois, dans ce mode de réalisation, les angles a et β sont différents l'un de l'autre. De préférence, ils sont choisis de manière à ce que chaque élément résonant 104 soit le symétrique d'un élément résonant 106 par rapport à un plan vertical.
[0097] De nombreux autres modes de réalisation sont possibles.
[0098] Par exemple, la périodicité des éléments résonnants n'est pas nécessairement la même dans chaque surface sélective en fréquence. De même, la périodicité des éléments résonnants dans une direction du réseau n'est pas nécessairement la même que la périodicité dans une autre direction.
[0099] Les matériaux utilisés pour réaliser les éléments résonnants d'une surface sélective en fréquence ne sont pas nécessairement les mêmes que ceux utilisés pour réaliser les éléments résonnants d'une autre surface sélective en fréquence du même conducteur magnétique artificiel.
[00100] Les épaisseurs des couches diélectriques séparant les surfaces sélectives en fréquence peuvent être toutes différentes ou au contraire toutes identiques. De façon similaires, le matériau diélectrique formant ces couches diélectriques peut être le même pour toutes les couches ou différent pour une ou plusieurs de ces couches diélectriques.
[00101 ] De nombreuses formes sont possibles pour chaque élément résonant. Par exemple, il peut s'agir d'une pastille carrée, orthogonale, en forme de diamant ou d'un dipôle. Généralement, cette forme présente un axe de symétrie par rapport à un axe orthogonal au plan dans lequel s'étend l'essentiel de cet élément résonant.
[00102] Les éléments résonnants d'une surface sélective en fréquence ne sont pas nécessairement empilés rigoureusement les uns au-dessus des autres. Par exemple, les axes de symétrie des éléments résonnants d'une surface sélective en fréquence inférieure peuvent être décalés dans une direction horizontale par rapport aux axes de symétrie des éléments résonnants d'une surface sélective en fréquence supérieure. [00103] Tous les éléments résonnants ou seulement certains peuvent être raccordés électriquement au plan de masse par des plots métalliques verticaux connus sous le terme de « vias ».
[00104] Les éléments résonnants ne sont pas disposés nécessairement de façon périodique le long d'une ou deux directions horizontales.
[00105] Dans un mode de réalisation simplifié, le deuxième groupement et la sous- couche diélectrique de l'élément résonant 14 sont omis. Dans un mode de réalisation encore plus simplifié, l'élément résonant est constitué d'une seule sous-couche fine en matériau ferromagnétique dont l'épaisseur est inférieure à l'épaisseur de peau de ce matériau ferromagnétique.
[00106] En variante, d'autres matériaux peuvent être utilisés comme diélectrique. Par exemple, il peut s'agir d'un oxyde de baryum (Ba) et de titane (Ti), notamment du titane de baryum BaTi03, d'un oxyde de hafnium (Hf), notamment du Hf02, ou de tantale (Ta), notamment du Ta205 (ferroélectrique). On préférera néanmoins les pérovskites comme BaTiO3 ou SrTiO3 par exemple qui présentent une permittivité relative plus élevée (de l'ordre de 100 contre 10 pour les oxydes de baryum ou d'halfnium à 2 ou 3 GHz).
[00107] D'autres matériaux sont également possibles pour la couche antiferromagnétique comme un alliage PtMn ou IrMn et plus généralement tout alliage à base de manganèse ou encore les oxydes de fer ou de cobalt ou de nickel.
[00108] Pour la couche ferromagnétique, on privilégiera les alliages CoFeB, FeN et CoFeN, mais d'autres matériaux sont possibles, notamment tous les alliages associant deux ou trois des éléments choisis parmi le fer, le cobalt et le nickel. Ces alliages pourront éventuellement être dopés, par exemple en bore ou en azote. Ils pourront également être associés à d'autres éléments comme Al, Si, Ta, Hf, Zr.
[00109] Le conducteur rayonnant peut être un simple fil. Le conducteur peut se substituer à l'un des éléments rayonnants de la face avant.
[001 10] Le plan de masse peut être un second conducteur magnétique artificiel identique au premier conducteur magnétique artificiel et disposé de façon symétrique du premier conducteur magnétique artificiel par rapport à un plan de symétrie pour former une image électrique du premier conducteur magnétique artificiel. Dans ces conditions, le premier conducteur magnétique artificiel fonctionne comme s'il existait une couche métallique à la place du plan de symétrie. Ainsi, ici, on désigne par « plan de masse » aussi bien une couche métallique uniformément répartie dans un plan qu'un second conducteur magnétique artificiel symétrique du premier conducteur magnétique artificiel par rapport à ce plan. On notera cependant que le second conducteur magnétique artificiel rayonne dans le demi-espace inférieur situé au- dessous du plan de symétrie. Par conséquent, une telle antenne rayonne dans l'ensemble de l'espace.

Claims

REVENDICATIONS
1. Conducteur magnétique artificiel présentant une impédance de surface supérieure à 100 Ω, ce conducteur comportant :
- un plan de masse (12),
- au moins une première surface sélective en fréquence (10, 20, 22), transparente pour certaines longueurs d'onde et réfléchissantes pour une plage de longueurs d'ondes, cette surface sélective en fréquence comprenant un réseau d'éléments résonnants (14; 94; 104, 106) conducteurs disposés les uns à côté des autres dans au moins deux directions différentes parallèles au plan de masse,
caractérisé en ce que chaque élément résonant (14; 94; 104, 106) est formé d'au moins une sous-couche (38, 42; 82) en matériau ferromagnétique dont la perméabilité relative est supérieure à 10 pour une fréquence de 2 GHz et dont l'épaisseur est strictement inférieure à l'épaisseur de peau de ce matériau ferromagnétique.
2. Conducteur selon la revendication 1 , dans lequel au moins chaque élément résonant (14) de la première surface sélective en fréquence est formé d'un empilement de plusieurs sous-couches, chaque sous-couche ayant une épaisseur inférieure à 10 pm dans une direction perpendiculaire au plan de masse.
3. Conducteur selon la revendication 2, dans lequel au moins l'une des sous- couches de chaque élément résonnant est une sous-couche (32; 84) en matériau diélectrique présentant une permittivité relative supérieure à 10 pour une fréquence de 2 GHz.
4. Conducteur selon l'une quelconque des revendications 2 à 3, dans lequel au moins l'une des sous-couches de chaque élément résonnant est une sous-couche (40) antiferromagnétique directement déposée sur ou sous la sous-couche ferromagnétique (38, 42).
5. Conducteur selon l'une quelconque des revendications 2 à 4, dans lequel au moins l'une des sous-couches de chaque élément résonnant est une sous-couche métallique (86).
6. Conducteur selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le conducteur magnétique artificiel comporte n surfaces sélectives en fréquence (10, 20, 22) empilées les unes au-dessus des autres dans une direction perpendiculaire au plan de masse, chacune de ces surfaces sélectives en fréquence comportant un réseau d'éléments résonnants conducteurs disposés les uns à coté des autres dans au moins deux directions différentes parallèles au plan de masse (12) et séparées les unes des autres par une couche (24, 26, 28) en matériau diélectrique dont l'épaisseur est strictement supérieure à 10 pm, où n est un entier supérieur ou égal à deux.
7. Conducteur selon la revendication 6, dans lequel chaque élément résonant de chacune des n surfaces sélectives en fréquence est formé d'au moins une sous- couche en matériau ferromagnétique (38, 42; 82) dont la perméabilité relative est supérieure à 10 pour une fréquence de 2 GHz et dont l'épaisseur est strictement inférieure à l'épaisseur de peau de ce matériau ferromagnétique.
8. Conducteur selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel chaque élément résonant (14) est électriquement isolé du plan de masse (12) par une couche en matériau diélectrique (24, 26, 28).
9. Conducteur selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel chaque élément résonant (94; 104, 106) s'étend principalement dans un plan qui forme un angle avec le plan de masse compris entre 5° et 45°.
10. Antenne comportant :
- un conducteur magnétique artificiel (6; 90; 100) présentant une fréquence de résonance f0,
- un conducteur rayonnant (4) apte à rayonner ou à recevoir des ondes électromagnétiques à une fréquence de travail fT comprise entre 0,5f0 et 2f0, ce conducteur s'étendant dans un plan parallèle au conducteur magnétique artificiel et étant séparé de la surface sélective en fréquence (10) la plus proche de ce conducteur magnétique artificiel par une distance inférieure à λ0/10, où λ0 est la longueur d'onde d'une onde électromagnétique de fréquence f0,
caractérisée en ce que le conducteur magnétique artificiel (6; 90; 100) est conforme à l'une quelconque des revendications précédentes.
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