EP3903384A1 - Dispositif a metasurface reconfigurable - Google Patents

Dispositif a metasurface reconfigurable

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EP3903384A1
EP3903384A1 EP19817351.0A EP19817351A EP3903384A1 EP 3903384 A1 EP3903384 A1 EP 3903384A1 EP 19817351 A EP19817351 A EP 19817351A EP 3903384 A1 EP3903384 A1 EP 3903384A1
Authority
EP
European Patent Office
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switches
electrodes
conductive
switch
metasurface
Prior art date
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EP19817351.0A
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German (de)
English (en)
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EP3903384B1 (fr
EP3903384C0 (fr
Inventor
Jean Chazelas
Charlotte Tripon-Canseliet
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.)
Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Thales SA
Ecole Superieure de Physique et Chimie Industrielles de Ville Paris
Sorbonne Universite
Original Assignee
Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Thales SA
Ecole Superieure de Physique et Chimie Industrielles de Ville Paris
Sorbonne Universite
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Filing date
Publication date
Application filed by Centre National de la Recherche Scientifique CNRS, Thales SA, Ecole Superieure de Physique et Chimie Industrielles de Ville Paris , Sorbonne Universite filed Critical Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Publication of EP3903384A1 publication Critical patent/EP3903384A1/fr
Application granted granted Critical
Publication of EP3903384B1 publication Critical patent/EP3903384B1/fr
Publication of EP3903384C0 publication Critical patent/EP3903384C0/fr
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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
    • H01Q15/0006—Devices acting selectively as reflecting surface, as diffracting or as refracting device, e.g. frequency filtering or angular spatial filtering devices
    • H01Q15/0013—Devices acting selectively as reflecting surface, as diffracting or as refracting device, e.g. frequency filtering or angular spatial filtering devices said selective devices working as frequency-selective reflecting surfaces, e.g. FSS, dichroic plates, surfaces being partly transmissive and reflective
    • H01Q15/002—Devices acting selectively as reflecting surface, as diffracting or as refracting device, e.g. frequency filtering or angular spatial filtering devices said selective devices working as frequency-selective reflecting surfaces, e.g. FSS, dichroic plates, surfaces being partly transmissive and reflective said selective devices being reconfigurable or tunable, e.g. using switches or diodes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
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    • H01Q15/0006—Devices acting selectively as reflecting surface, as diffracting or as refracting device, e.g. frequency filtering or angular spatial filtering devices
    • H01Q15/0013—Devices acting selectively as reflecting surface, as diffracting or as refracting device, e.g. frequency filtering or angular spatial filtering devices said selective devices working as frequency-selective reflecting surfaces, e.g. FSS, dichroic plates, surfaces being partly transmissive and reflective
    • H01Q15/0026—Devices acting selectively as reflecting surface, as diffracting or as refracting device, e.g. frequency filtering or angular spatial filtering devices said selective devices working as frequency-selective reflecting surfaces, e.g. FSS, dichroic plates, surfaces being partly transmissive and reflective said selective devices having a stacked geometry or having multiple layers
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q3/00—Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system
    • H01Q3/24—Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system varying the orientation by switching energy from one active radiating element to another, e.g. for beam switching
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q3/00—Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system
    • H01Q3/44—Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system varying the electric or magnetic characteristics of reflecting, refracting, or diffracting devices associated with the radiating element

Definitions

  • the field of the invention is that of metasurface devices, such as metasurface antennas.
  • the invention applies to devices
  • Such devices can be used in different applications such as radar applications in avionics and aerospace, high speed communication, space technologies.
  • a metasurface is formed by a two-dimensional network of pellets
  • An objective of the present invention is to allow the reconfiguration of the
  • the field of the invention is that of metasurface devices, such as metasurface antennas.
  • the invention is applicable to microwave devices.
  • Such devices can be used in different applications such as radar applications in avionics and aerospace, high speed communication, space technologies.
  • a metasurface is formed by a two-dimensional network of pellets
  • An objective of the present invention is to allow the reconfiguration of the
  • the invention relates to a metasurface device comprising a stack of layers comprising a metasurface comprising a two-dimensional network of conductive pads separated by openings, the conductive pads having dimensions less than the wavelength of operation of the metasurface device, the metasurface device comprising a set of switches based on a material capable of passing from the insulating state to the conductive state, and vice versa, under the effect of a variation of an electric field within the material so as to make it possible to selectively connect or isolate between them conductive pads, the switches being interposed between a first set of electrodes and a second set of electrodes making it possible to control the passage of the switches of the set of switches from the conductive state to the insulating state, and vice versa.
  • the conductive pads have dimensions less than or equal to l / 50, where l is the operating wavelength of the device.
  • the switches of the set of switches are aligned along a set of lines and according to a set of columns, each electrode of the first set of electrodes passing opposite the switches of the set of switches aligned along one of the lines of the set of lines, each electrode of the second set of electrodes passing opposite the switches of the set of switches aligned along one of the columns of the set of columns.
  • each switch is a block of material capable of passing from the insulating state to the conductive state, and vice versa, under the effect of a variation of an electric field within the material, the switch being in direct physical contact with an electrode of the first set of electrodes and with an electrode of the second set of electrodes.
  • each switch in the assembly is a first embodiment, each switch in the assembly
  • switches physically connects two adjacent conductive pads so as to electrically connect them together when the switch is in the state conductor and so as to electrically disconnect them from each other when the switch is in the insulating state.
  • the switch connects the two conductive pads
  • each switch of the set of switches is arranged opposite a single conductive pad and is connected to a floating mass so as to connect the conductive pad to the floating mass when the switch is in the conductive state and so as to disconnect the conductive pad from the floating mass when the switch is in the insulating state.
  • the switch is opposite an electrode of the
  • the electrode of the first set being arranged opposite the conductive pad and an electrode of the second set, the electrode of the second set being arranged opposite the conductive pad.
  • FIG.1 schematically represented a metasurface of a device according to the invention
  • FIG.2 schematically shows an exploded perspective view a
  • metasurface device according to a first embodiment of the invention in a planar configuration
  • FIG.3 schematically shows a section of the device of [Fig.2] along the plane M
  • FIG.4 schematically represents an orthogonal projection, on a plane perpendicular to the z axis, of the conductive pads, openings, switches and electrodes of the first set of the device of [Fig.2],
  • FIG.5 schematically represents an orthogonal projection, on a plane perpendicular to the axis z, of the conductive pads, openings, switches and electrodes of the second set of the device of [Fig.2],
  • FIG27 shows an example of a network of four connected assemblies capable of being obtained by means of a connection device according to the first embodiment of [Fig.2] to [Fig.5],
  • FIG.7 schematically shows an exploded perspective view a
  • metasurface device according to a second embodiment of the invention in a planar configuration
  • FIG.8 schematically shows a section of the metasurface device of [Fig.2] according to a plane M ’in non-exploded view
  • FIG. 10 schematically represents, from below, the electrodes of the second set and a layer of switches comprising the
  • FIG.1 illustrates an example of a metasurface of a microstrip type metasurface device according to the invention.
  • the device is, for example, an antenna, for example microwave.
  • the metasurface 4 includes a two-dimensional periodic network
  • the conductive pads 5 are, for example, metal pellets or indium tin oxide or ITO.
  • the conductive pads 5 and the openings 6 are substantially self
  • the conductive pads 5 are spaced from each other, they do not touch. In other words, the closest points of two adjacent conductive pads are separated by an interval 7. The openings 6 are therefore larger than the conductive pads 5.
  • the metasurface therefore includes intervals 7 separating the pellets
  • the openings 6 and the conductive pads 5 are substantially square in shape.
  • the conductive pads 5 may have a strictly square shape or a substantially square shape with clipped or flattened tops.
  • the conductive pads 5 have sides or sub-wavelength dimensions. It is the same for the step of the network.
  • the conductive pads 5 have dimensions or sides of lengths less than or equal to 1/50 and preferably between 1/50 and 1/100.
  • the size of the interval 7, that is to say the minimum distance between two adjacent pads which can be the distance between two vertices of two adjacent conductive pads, is between l / 1000 and l / 2000.
  • l is the operating wavelength of the device.
  • the wavelength is approximately 10 mm in air
  • the sides of the pellets have a length of between 100 and 200 ⁇ m and the distance between adjacent pellets by their vertices is between 5 and 10 pm.
  • the pads 5 and the openings 6 may, for example, have substantially the shape of equilateral triangles or crosses. So the conductive pads are arranged in rows and columns. The columns may or may not be perpendicular to the columns.
  • the metasurface antenna 1 comprises a stack of several layers.
  • the device is, in these figures, in a planar configuration in which the layers are substantially planar and perpendicular to a stacking axis z.
  • metasurface 1 comprises several layers stacked along the z axis, including a substrate 2 formed on a ground plane 3, conductive, and a metasurface 4 formed on the substrate 2.
  • the substrate 2 is a layer interposed between the ground plane 3 and the metasurface 4.
  • the substrate 2 is a dielectric or a semiconductor.
  • the antenna 1 comprises a connection device for selectively connecting conductive pads 5 of the metasurface 4 therebetween.
  • the connection device comprises switches 10 able to be
  • Each switch 10 is in direct physical contact with at least one conductive pad 5 so that the transition from the insulating state to the conductive state of the switch 10 has an influence on the potential of the conductive pad 5.
  • the switches 10 are pellets or blocks of a material with variable electrical conductivity capable of passing from a conductive state to an insulating state under the effect of a variation of an electric field within the material, c that is to say under the effect of a variation of a potential difference between two faces of the material.
  • Each switch 10 is, for example, a block of a material to
  • phase change The transition from the conductive state to the insulating state, and vice versa, is done by a phase change of the material under the effect of a predetermined electric field within the material, for example, under the effect of a electric pulse generating this electric field transiently within the material.
  • Certain phase change materials have the particularity of reversibly passing from an amorphous phase to a crystalline phase as a function of the temperature which can be operated by electric or thermal or even optical. This change in phase of the material results in a modification of the carrier density and consequently of the conduction properties of the material, for example modification of the surface resistance of the material.
  • phase change material can be a chalcogenide of the Gex SeyTez type.
  • the material with phase change is for example the binary chalcogenide GeTe. This material has the advantage of having a low electrical resistance in the crystalline state and a high ratio between the resistance in the amorphous state and the resistance in the crystalline state.
  • the phase change material By applying an electric field to the material by means of the electrodes, the phase change material can change phase and pass from the crystalline state (electrically conductive) to the amorphous state (electrically insulating) and vice versa.
  • the change of phase of the material induced by the application of the electric field, causes a strong modification of the conductivity of the material passing from an insulating state to a conducting state or vice versa.
  • the melting temperature At this temperature the material is no longer in a crystalline state and the atoms are randomly arranged.
  • the pulse duration is short, the material undergoes almost instantaneous cooling, the atoms remain frozen in a disordered state and the material passes to the amorphous state and the phase change material to the insulating state.
  • Vanadium oxide can also be used as a material for vanadium oxide
  • switches based on a material whose conductivity is adjustable by varying an electric field within the material without phase change such as, for example, graphene in a semi-configuration conductive A potential difference is then maintained, between the two electrodes attached to a switch, to maintain a switch in the conductive state or a second potential difference, between these two electrodes, is maintained to maintain the switch in the insulating state .
  • connection device also comprises a set of electrodes, comprising a first set E1 of electrodes 21 to 26 (shown in solid lines) and a second set E2 of electrodes 31 to 36 (shown in dotted lines), allowing to control the passage from the conductive state to the insulating state of the switches 10, and vice versa.
  • Each switch 10 is opposite two electrodes, an electrode 21, 22, 23, 24, 25 or 26 of the first set E1 and an electrode 31, 32, 33, 34, 35 or 36 of the second set E2, arranged so as to allow the switch 10 to pass from the insulating state to the conductive state, and vice versa, under the effect of a variation in the potential difference between the two electrodes inducing a variation of the electric field within the switch 10.
  • an element situated opposite another it is meant that these elements are situated on the same axis parallel to the stacking axis z in the planar configuration of the figures.
  • Each switch 10 is in direct physical contact with these two switches
  • each switch physically connects two vertices S1, S2 of two adjacent conductive pads 5.
  • the proposed solution makes it possible to obtain a metasurface device
  • reconfigurable It makes it possible to modify the emission diagram and the transfer function of the metasurface antenna, for example microwave, by selectively placing the various switches in the conductive or insulating state.
  • the switches 10 are used to connect the conductive pads 5 two by two electrically.
  • each switch 10 is disposed opposite an interval 7 and projects beyond two adjacent conductive pads 5.
  • the switch 10 physically connects two adjacent conductive pads 5 so as to electrically interconnect these two conductive pads 5 when the switch 10 is in the conductive state and so as to electrically disconnect them from each other when the switch is in the insulating state.
  • each switch 10 is disposed opposite an opening 6 between two adjacent conductive pads 5 and extends continuously from one of these two adjacent pads to the other of this adjacent pad.
  • Each switch 10 is interposed between an electrode of the first
  • the switches 10 belong to the same layer 30 of the stack, called the switch layer 10.
  • the switches 10 are separated by one or more blocks of material
  • the dielectric 52 so that the switch layer 50 is substantially continuous and planar.
  • This material is for example a hydrogen-silsesquioxane or HSQ resin or polymethyl methacrylate (PMMA) or benzocyclobutene (BCB).
  • the dielectric material 52 substantially fills the volumes between the switches 10.
  • the dielectric material 52 is not shown in [Fig.2] for reasons of clarity.
  • the layer 51 comprising the second set of electrodes E2 is a first layer 51 comprising the second set of electrodes E2
  • the electrodes of the second set E2 are separated in pairs by one or more blocks of dielectric material 53 so as to obtain a substantially continuous and planar layer.
  • This is the same material as in the switch layers 50, but a different material can be used.
  • One can for example use the HSQ, the PMMA or the BCB to ensure this separation.
  • the selective connection of the conductive pads 5 therebetween allows, for example, to obtain a second metasurface of scale greater than the scale of the metasurface formed by the conductive pads.
  • the proposed solution makes it possible to control the main direction of the emission diagram by controlling the law of wave propagation at the metasurface by selectively connecting the conductive pads to each other.
  • the switches 10 of the set of switches are aligned along a set of lines Li1,
  • conductive pads are also arranged in
  • Each row of conductive pads is disposed between two rows of switches and each column of conductive pads is disposed between two columns of switches.
  • the switches 10 are arranged in straight lines and in columns in straight lines and the electrodes have straight line shapes.
  • the electrodes of the first set are parallel to each other just like the electrodes of the second set.
  • the electrodes may have forms of curved lines.
  • the switches can also be arranged in lines in curved lines and / or in columns in curved lines so that each line crosses all the columns only once and vice versa, but this implementation is more difficult since the electrodes do not must not pass next to the conductive pads.
  • the proposed solution makes it possible to control the main direction of the emission diagram by controlling the law of wave propagation at the level of the metasurface.
  • the proposed solution makes it possible to obtain a metasurface device
  • reconfigurable such as an electronic scanning antenna which does not require a phase shifter for each conductive patch which makes it possible to propose a device of limited size, mass and cost.
  • a set e1 of so-called “active” electrodes e1 are the electrodes which are or have been activated to put, in the conductive state, the switches in contact with a pair of active electrodes.
  • the active electrodes are shown in thin lines and the electrodes of a set e2 of non-active electrodes (taken from the electrodes of the first set E1 and of the second set E2) are shown in thick lines.
  • switches are not shown in these figures, but are located, as in [Fig.2] to [Fig.5], opposite the openings separating the vertices facing the adjacent electrodes .
  • the conductive pads 5 interconnected by the switches in the conductive state are crossed out while the others are
  • the connected assemblies 60 to 63 are separated from each other by a set 65 of conductive pads neither connected to each other, nor to the connected assemblies 60 to 63, because they are separated two by two and in contact with switches, at the nonconductive state, themselves in contact with electrodes of the set e2 of non-active electrodes.
  • Each switch 100 is arranged so as to individually connect, in its conductive state, one of the conductive pads 5 to a floating ground so that the conductive pads 5 connected to the floating ground are connected to each other. In its insulating state, the switch 100 electrically isolates the conductive pad 5 from the floating mass.
  • the switches 100 are of the same type as the switches of the previous figures (variable conductivity by application of an electric field).
  • each switch 100 is arranged opposite a single conductive pad 5 so as to connect the conductive pad 5 to a floating mass when the switch is in the conductive state and so as to disconnect the conductive pad 5 from the ground floating when the switch 100 is in the insulating state.
  • the switches 100 are connected to the same floating ground.
  • a switch 100 when a switch 100 is in the conductive state, it connects, to the floating ground, the conductive pad 5 under which it is located.
  • This solution makes it possible to electrically connect the conductive pads together by connecting them to the same floating mass, making the respective switches conductive opposite which they are located.
  • These conductive pads 5 then see a greater thickness of conductive material than when the switches opposite which they are located are in the insulating state which results in a modification of the radiation pattern of the antenna and in particular of the radiation frequency of the conductive pads.
  • the antenna can be used as a pulse source in a certain frequency as in the radar field. In an intermediate state, only part of the conductive pads 5 is connected to the floating mass.
  • each switch 100 is superimposed exactly on the conductive pad 5 opposite which it is located.
  • the switch has smaller dimensions than the conductive pad 5 so that the switch 100 does not extend opposite the whole of the conductive pad 5 but only opposite a part of the conductive pad 5.
  • the switches 100 are spaced from each other. They do not touch.
  • each switch 100 is interposed between an electrode 121, 122, 123, 124 of the first set EE1 (shown in solid lines) and an electrode 131, 132, 133, 134 of the second set EE2 (shown in dotted lines) along the z axis.
  • the switch 100 is in direct physical contact with these two electrodes. More specifically, the switches 100 belong to the same layer of switches 150 interposed between the first set of electrodes EE1 and the second set of electrodes EE2.
  • the switches 100 are distant from each other. In other words, the switches 100 are not in direct physical contact with one another.
  • This material is for example a hydrogen-silsesquioxane or HSQ resin, PMMA or BCB.
  • the electrodes of the first set of electrodes EE1 are in contact
  • each electrode of the first set of electrodes EE1 is interposed between switches 100 and the respective conductive pads 5, arranged opposite these same switches 100.
  • the conductive pad 5 opposite a switch 100 is also in direct physical contact with the electrode of the first set eE1 in direct physical contact with switch 100.
  • the electrodes of the second set EE2 are interposed between the layer of switches 150 and the substrate 2.
  • the electrodes of the second set of electrodes EE2 are in contact
  • the semiconductor material is, for example, of the Si or AsGa type. This makes it possible to connect in order to connect the conductive pads 5 to a floating mass.
  • the electrodes of the first set of electrodes EE1 belong to the same layer 101 of the stack interposed between the layer of switches 150 and the metasurface 4.
  • the electrodes of the first set of electrodes EE1 belonging to the same layer 101 are advantageously, but not necessarily separated from each other by an insulating material, for example dielectric, so that the layer 101 is substantially planar.
  • an insulating material for example dielectric
  • the electrodes of the second set of electrodes EE2 belong to the same layer 151 interposed between the layer of switches 150 and the substrate 2. As in the first embodiment, the electrodes of the second set of electrodes EE2 belonging to a single layer 151 are
  • a dielectric material 152 for example of the HSQ, PMMA or BCB type, so that the layer 151 is substantially continuous and planar.
  • a dielectric material 152 for example of the HSQ, PMMA or BCB type
  • FIG.9 there is shown in top view, the conductive pads, the openings 6 and the electrodes 121 to 124 of the first set EE1 of the device of [Fig.7]
  • FIG.10 there is shown in bottom view, the electrodes 131 to 134 of the second set EE2 and the layer of switches 150 comprising the switches 10 and the dielectric material 153, of the device of [Fig.7]
  • the switches 100 of the set of switches are aligned along a set of lines L1, L2, L3, L4 and according to a set of columns C1, C2, C3, C4, just like the conductive pads 5.
  • Each electrode 121, 122, 123, 124 of the first set of electrodes EE1 passes opposite all the switches 100 aligned along one of the lines L1, L2, L3, L4 of the set of lines so as to allow d '' apply a first potential to the switches 100 aligned along this line L1, L2, L3, L4 of the set of lines, each electrode 131, 132, 133, 134 of the second
  • set of electrodes EE2 passes opposite all the switches aligned along one of the columns C1, C2, C3, C4 of the set of columns so that the electrode 31, 32, 33, 34 is able to apply a second potential to the switches 10 aligned according to column C1, C2, C3, C4 of the set of columns.
  • This arrangement makes it possible to address the various switches collectively, which makes it possible to limit the number of electrodes for ensuring the control of the switches and obtaining the metasurface of higher scale. It is not necessary to have as many pairs of electrodes as there are switches. This characteristic makes it possible to limit the number of connections necessary to ensure this command. The mass and volume of the antenna are thus limited.
  • the switches 100 are arranged in straight lines and in columns in straight lines and the electrodes have shapes of straight lines.
  • the electrodes of the first set are parallel to each other just as the electrodes of the second set are parallel to each other.
  • the electrodes may have forms of curved lines.
  • the switches can also be arranged in lines in curved lines and / or in columns in curved lines so that each line crosses all the columns once and vice versa.
  • the metasurface device is in a
  • the metasurface device can be conformable or have a non-planar configuration in which the layers are curved.
  • the two-dimensional structures of a layer are defined according to two curved lines defining this layer.
  • each pair of electrodes comprising an electrode of the first set and an electrode of the second set is able to control a single switch.
  • the proposed solution makes it possible to obtain a metasurface device

Landscapes

  • Variable-Direction Aerials And Aerial Arrays (AREA)
  • Prostheses (AREA)

Abstract

Dispositif à métasurface (1) comprenant un empilement de couches comprenant une métasurface (4) comprenant un réseau bidimensionnel de pastilles conductrices (5) séparées par des ouvertures (6), les pastilles conductrices présentant des dimensions inférieures à la longueur d'onde de fonctionnement du dispositif à métasurface, le dispositif à métasurface (1) comprenant un ensemble d'interrupteurs (10) à base d'un matériau susceptible de passer de l'état isolant à l'état conducteur, et inversement, sous l'effet d'une variation d'un champ électrique au sein du matériau de sorte à permettre de connecter ou isoler sélectivement entre elles des pastilles conductrices, les interrupteurs étant interposés entre un premier ensemble d'électrodes (E1) et un deuxième ensemble d'électrodes (E2) permettant de commander le passage des interrupteurs de l'ensemble d'interrupteurs de l'état conducteur à l'état isolant, et inversement.

Description

Description
Titre de l'invention : DISPOSITIF A METASURFACE RECONFIGURABLE
[0001 ] [Le domaine de l’invention est celui des dispositifs à métasurfaces, tels que les antennes à métasurfaces. L’invention s’applique aux dispositifs
hyperfréquences.
[0002] De tels dispositifs peuvent être utilisés dans différentes applications telles que les applications radar dans l’avionique et l’aérospatiale, la communication haut débit, les technologies spatiales.
[0003] Une métasurface est formée d’un réseau bidimensionnel de pastilles
conductrices séparées par des ouvertures.
[0004] Un objectif de la présente invention est de permettre de reconfigurer le
dispositif à métasurface de façon simple et à bas coût.
[0005] Le domaine de l’invention est celui des dispositifs à métasurfaces, tels que les antennes à métasurfaces. L’invention s’applique aux dispositifs hyperfréquences.
[0006] De tels dispositifs peuvent être utilisés dans différentes applications telles que les applications radar dans l’avionique et l’aérospatiale, la communication haut débit, les technologies spatiales.
[0007] Une métasurface est formée d’un réseau bidimensionnel de pastilles
conductrices séparées par des ouvertures.
[0008] Un objectif de la présente invention est de permettre de reconfigurer le
dispositif à métasurface de façon simple et à bas coût.
[0009] A cet effet, l’invention a pour objet un dispositif à métasurface comprenant un empilement de couches comprenant une métasurface comprenant un réseau bidimensionnel de pastilles conductrices séparées par des ouvertures, les pastilles conductrices présentant des dimensions inférieures à la longueur d’onde de fonctionnement du dispositif à métasurface, le dispositif à métasurface comprenant un ensemble d’interrupteurs à base d’un matériau susceptible de passer de l’état isolant à l’état conducteur, et inversement, sous l’effet d’une variation d’un champ électrique au sein du matériau de sorte à permettre de connecter ou isoler sélectivement entre elles des pastilles conductrices, les interrupteurs étant interposés entre un premier ensemble d’électrodes et un deuxième ensemble d’électrodes permettant de commander le passage des interrupteurs de l’ensemble d’interrupteurs de l’état conducteur à l’état isolant, et inversement.
[0010] Avantageusement, les pastilles conductrices présentent des dimensions inférieures ou égales à l/50, où l est la longueur d’onde de fonctionnement du dispositif.
[0011 ] Avantageusement, les interrupteurs de l’ensemble d’interrupteurs sont alignés selon un ensemble de lignes et selon un ensemble de colonnes, chaque électrode du premier ensemble d’électrodes passant en regard des interrupteurs de l’ensemble d’interrupteurs alignés selon une des lignes de l’ensemble de lignes, chaque électrode du deuxième ensemble d’électrodes passant en regard des interrupteurs de l’ensemble d’interrupteurs alignés selon une des colonnes de l’ensemble de colonnes.
[0012] Avantageusement, les lignes sont sensiblement droites, les colonnes sont sensiblement des lignes droites et les électrodes présentent sensiblement des formes de lignes droites.
[0013] Avantageusement, le matériau est un matériau à changement de phase de sorte que le matériau passe de l’état isolant à l’état conducteur par un
changement de phase du matériau.
[0014] Avantageusement, le matériau est apte à passer de l’état isolant à l’état
conducteur sans changement de phase.
[0015] Avantageusement, chaque interrupteur est un bloc du matériau susceptible de passer de l’état isolant à l’état conducteur, et inversement, sous l’effet d’une variation d’un champ électrique au sein du matériau, l’interrupteur étant en contact physique direct avec une électrode du premier ensemble d’électrodes et avec une électrode du deuxième ensemble d’électrodes.
[0016] Dans un premier mode de réalisation, chaque interrupteur de l’ensemble
d’interrupteurs relie physiquement deux pastilles conductrices adjacentes de sorte à les relier électriquement entre elles lorsque l’interrupteur est dans l’état conducteur et de sorte à les déconnecter électriquement l’une de l’autre lorsque l’interrupteur est dans l’état isolant.
[0017] Avantageusement, l’interrupteur est interposé entre une électrode du premier ensemble et une électrode du deuxième ensemble, l’électrode du premier ensemble étant disposée dans une ouverture séparant les deux pastilles conductrices adjacentes et étant située à distance des pastilles conductrices, l’électrode du deuxième ensemble passant en regard de l’ouverture, sans passer en regard des pastilles conductrices.
[0018] Avantageusement, l’interrupteur relie les deux pastilles conductrices
adjacentes par des sommets des deux pastilles adjacentes.
[0019] Dans un deuxième mode de réalisation, chaque interrupteur de l’ensemble d’interrupteurs est disposé en regard d’une unique pastille conductrice et est relié à une masse flottante de sorte à connecter la pastille conductrice à la masse flottante lorsque l’interrupteur est dans l’état conducteur et de sorte à déconnecter la pastille conductrice de la masse flottante lorsque l’interrupteur est dans l’état isolant.
[0020] Avantageusement, lequel l’interrupteur est en regard d’une électrode du
premier ensemble, l’électrode du premier ensemble étant disposée en regard de la pastille conductrice et d’une électrode du deuxième ensemble, l’électrode du deuxième ensemble étant disposée en regard de la pastille conductrice.
[0021 ] D’autres caractéristiques et avantages de l’invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui suit, faite à titre d’exemple non limitatif et en référence aux dessins annexés dans lesquels :
[0022] La [Fig.1 ] représenté schématiquement une métasurface d’un dispositif selon l’invention,
[0023] La [Fig.2] représente schématiquement en vue éclatée perspective un
dispositif à métasurface selon un premier mode de réalisation de l’invention dans une configuration plane,
[0024] La [Fig.3] représente schématiquement une coupe du dispositif de la [Fig.2] selon le plan M, [0025] La [Fig.4] représente schématiquement une projection orthogonale, sur un plan perpendiculaire à l’axe z, des pastilles conductrices, des ouvertures, des interrupteurs et des électrodes du premier ensemble du dispositif de la [Fig.2],
[0026] La [Fig.5] représente schématiquement une projection orthogonale, sur un plan perpendiculaire à l’axe z, des pastilles conductrices, des ouvertures, des interrupteurs et des électrodes du deuxième ensemble du dispositif de la [Fig.2],
[0027] La [Fig.6] représente un exemple de réseau de quatre ensembles connectés susceptible d’être obtenu au moyen d’un dispositif de connexion selon le premier mode de réalisation des [Fig.2] à [Fig.5],
[0028] La [Fig.7] représente schématiquement en vue éclatée perspective un
dispositif à métasurface selon un deuxième mode de réalisation de l’invention dans une configuration plane,
[0029] La [Fig.8] représente schématiquement une coupe du dispositif à métasurface de la [Fig.2] selon un plan M’ en vue non éclatée,
[0030] La [Fig.9] représente schématiquement, en vue du dessus, les pastilles
conductrices, les ouvertures et les électrodes du premier ensemble du dispositif de la [Fig.7]
[0031 ] La [Fig.10] représente schématiquement, en vue de dessous, les électrodes du deuxième ensemble et une couche d’interrupteurs comprenant les
interrupteurs et un matériau diélectrique, ces éléments appartenant au dispositif de la [Fig.7]
[0032] La [Fig.1 ] illustre un exemple de métasurface d’un dispositif à métasurface de type microruban selon l’invention. Le dispositif est, par exemple, une antenne, par exemple hyperfréquence.
[0033] La métasurface 4 comprend un réseau périodique bidimensionnel
comprenant une alternance de pastilles conductrices 5 (ou patchs conducteurs) séparées par des ouvertures 6.
[0034] Les pastilles conductrices 5 sont, par exemple, des pastilles métalliques ou d’oxyde d’indium-étain ou ITO.
[0035] Les pastilles conductrices 5 et les ouvertures 6 sont sensiblement auto
complémentaires. Contrairement aux pastilles une métasurface composée de pastilles conductrices 5 et d’ouvertures 6 strictement auto-complémentaires, les pastilles conductrices de la métasurface sont écartées les unes des autres.
[0036] Les pastilles conductrices 5 sont écartées les unes des autres, elles ne se touchent pas. Autrement dit, les points les plus proches de deux pastilles conductrices adjacentes sont séparés par un intervalle 7. Les ouvertures 6 sont donc plus grandes que les pastilles conductrices 5.
[0037] La métasurface comprend donc des intervalles 7 séparant les pastilles
adjacentes par leurs sommets adjacents (référencés en [Fig.2]).
[0038] Dans l’exemple non limitatif de la [Fig.1 ], la métasurface présente
sensiblement une structure de damier. Les ouvertures 6 et les pastilles conductrices 5 sont sensiblement de forme carrée.
[0039] Les pastilles conductrices 5 peuvent présenter une forme strictement carrée ou une forme sensiblement carrée aux sommets écrêtés ou aplatis.
[0040] Les pastilles conductrices 5 présentent des côtés ou des dimensions sub longueur d’ondes. Il en est de même pour le pas du réseau.
[0041 ] Avantageusement, les pastilles conductrices 5 présentent des dimensions ou des côtés de longueurs inférieures ou égales l/50 et de préférence comprises entre l/50 et l/100.
[0042] La taille de l’intervalle 7, c'est-à-dire la distance minimale entre deux pastilles adjacentes qui peut être la distance entre deux sommets de deux pastilles conductrices adjacentes, est comprise entre l/1000 et l/2000. l est la longueur d’onde de fonctionnement du dispositif.
[0043] Pour une antenne fonctionnant à la fréquence de 30 GHz, la longueur d’onde est d’environ 10 mm dans l’air, les côtés des pastilles présentent une longueur compris entre 100 et 200 pm et la distance entre pastilles adjacentes par leurs sommets est comprise entre 5 et 10 pm.
[0044] D’autres métasurfaces composées de pastilles conductrices 5 et d’ouvertures 6 strictement auto-complémentaires sont envisageables. Les pastilles 5 et les ouvertures 6 peuvent, par exemple, présenter sensiblement des formes de triangles équilatéraux ou de croix. Ainsi les pastilles conductrices sont disposées en lignes et en colonnes. Les colonnes pouvant être perpendiculaires ou non par rapport aux colonnes.
[0045] Comme visible en [Fig.2] à [Fig.5], l’antenne à métasurface 1 selon l’invention comprend un empilement de plusieurs couches. Le dispositif est, sur ces figures, dans une configuration plane dans laquelle les couches sont sensiblement planes et perpendiculaires à un axe d’empilement z.
[0046] Comme visible sur la vue perspective éclatée de la [Fig.2], l’antenne à
métasurface 1 comprend plusieurs couches empilées selon l’axe z, dont un substrat 2 formé sur un plan de masse 3, conducteur, et une métasurface 4 formée sur le substrat 2. Le substrat 2 est une couche interposée entre le plan de masse 3 et la métasurface 4. Le substrat 2 est diélectrique ou un semi- conducteur.
[0047] L’antenne 1 selon l’invention comprend un dispositif de connexion permettent de connecter sélectivement des pastilles conductrices 5 de la métasurface 4 entre elles.
[0048] Le dispositif de connexion comprend des interrupteurs 10 aptes à être
alternativement dans un état conducteur et dans un état isolant. Chaque interrupteur 10 est en contact physique direct avec au moins une pastille conductrice 5 de sorte que le passage de l’état isolant à l’état conducteur de l’interrupteur 10 a une influence sur le potentiel de la pastille conductrice 5.
[0049] Les interrupteurs 10 sont des pastilles ou pavés d’un matériau à conductivité électrique variable aptes à passer d’un état conducteur à un état isolant sous l’effet d’une variation d’un champ électrique au sein du matériau, c'est-à-dire sous l’effet d’une variation d’une différence de potentiel entre deux faces du matériau.
[0050] Chaque interrupteur 10 est, par exemple, un pavé d’un matériau à
changement de phase. Le passage de l’état conducteur à l’état isolant, et inversement, se fait par un changement de phase du matériau sous l’effet d’un champ électrique prédéterminé au sein du matériau, par exemple, sous l’effet d’une impulsion électrique générant ce champ électrique de façon transitoire au sein du matériau. [0051 ] Certains matériaux à changement de phase présentent la particularité de passer réversiblement d’une phase amorphe à une phase cristalline en fonction de la température pouvant être opérée par électrique ou thermique voire même optique. Ce changement de phase du matériau se traduit par une modification de la densité de porteurs et en conséquence des propriétés de conduction du matériau par exemple modification de la résistance de surface du matériau.
[0052] Parmi ces matériaux on trouve essentiellement les chalcogénures ou GST qui se présentent sous forme d’alliage regroupant au moins un élément du Vlème groupe du tableau périodique à savoir le germanium (Ge), le tellure (Te), l’antimoine (Sb). Autrement dit, le matériau à changement de phase peut être un chalcogénure du type Gex SeyTez. Le matériau à changement de phase est par exemple le chalcogénure binaire GeTe. Ce matériau présente l’avantage de présenter une faible résistance électrique à l’état cristallin et un rapport élevé entre la résistance à l’état amorphe et la résistance à l’état cristallin.
[0053] Des exemples de matériaux présentant un changement de phase amorphe- cristallin est donné dans le tableau 1.
[0054] [Tableau 1]
[0055] En appliquant un champ électrique au matériau au moyen des électrodes, le matériau à changement de phase peut changer de phase et passer de l’état cristallin (électriquement conducteur) à l’état amorphe (électriquement isolant) et inversement. Le changement de phase du matériau, induit par l’application du champ électrique, provoque une forte modification de la conductivité du matériau passant d’un état isolant à un état conducteur ou inversement.
[0056] Lorsque le matériau à changement de phase est initialement à l’état
conducteur, la commande électrique est avantageusement du type impulsion électrique, c'est-à-dire de courte durée (50 à 100 ns). Elle présente une amplitude élevée de l’ordre de quelques dizaines de volts de sorte que la température au sein du matériau à changement de phase dépasse sa
température de fusion. A cette température le matériau n’est plus à l’état cristallin et les atomes sont arrangés aléatoirement. La durée de l’impulsion est courte, le matériau subit un refroidissement quasi-instantané, les atomes restent figés dans un état désordonné et le matériau passe à l’état amorphe et le matériau à changement de phase à l’état isolant.
[0057] Le changement de phase de l’état amorphe (isolant) à l’état cristallin
(conducteur) est obtenu en chauffant le matériau jusqu’à sa température de cristallisation Te (Te « Tf), cette opération est contrôlée par une impulsion électrique (courant ou tension) ayant une amplitude moins élevée mais avec de durée plus longue. La durée de l’impulsion est suffisamment importante
(typiquement 200 à 500 ns), ce qui permet aux atomes de s’organiser et au matériau de reprendre son état cristallin.
[0058] L’oxyde de vanadium peut aussi être utilisé en tant que matériau à
changement de phase.
[0059] En variante, on peut envisager des interrupteurs à base d’un matériau dont la conductivité est réglable par la variation d’un champ électrique au sein du matériau sans changement de phase comme, par exemple, le graphène dans une configuration semi-conductrice. Une différence de potentiel est alors maintenue, entre les deux électrodes accolées à un interrupteur, pour maintenir un interrupteur dans l’état conducteur ou une deuxième différence de potentiel, entre ces deux électrodes, est maintenue pour maintenir l’interrupteur à l’état isolant.
[0060] Le dispositif de connexion comprend également un ensemble d’électrodes, comprenant un premier ensemble E1 d’électrodes 21 à 26 (représentées en traits pleins) et un deuxième ensemble E2 d’électrodes 31 à 36 (représentées en pointillés), permettant de commander le passage de l’état conducteur à l’état isolant des interrupteurs 10, et inversement.
[0061 ] Chaque interrupteur 10 est en regard de deux électrodes, une électrode 21 , 22, 23, 24, 25 ou 26 du premier ensemble E1 et une électrode 31 , 32, 33, 34, 35 ou 36 du deuxième ensemble E2, disposées de sorte à permettre de faire passer l’interrupteur 10 de l’état isolant à l’état conducteur, et inversement, sous l’effet d’une variation de la différence de potentiel entre les deux électrodes induisant une variation du champ électrique au sein de l’interrupteur 10. Par un élément situé en regard d’un autre, on entend que ces éléments sont situés sur un même axe parallèle à l’axe d’empilement z dans la configuration plane des figures.
[0062] Chaque interrupteur 10 est en contact physique direct avec ces deux
électrodes et interposé entre ces deux électrodes selon l’axe d’empilement z. En [Fig.2], chaque interrupteur relie physiquement deux sommets S1 , S2 de deux pastilles conductrices 5 adjacentes.
[0063] La solution proposée permet d’obtenir un dispositif à métasurface
reconfigurable. Elle permet de modifier le diagramme d’émission et la fonction de transfert de l’antenne à métasurface, par exemple hyperfréquence, en mettant sélectivement les différents interrupteurs dans l’état conducteur ou isolant.
[0064] La reconfiguration de la métasurface est simple à mettre en oeuvre puisqu’elle nécessite uniquement une variation d’un champ électrique au sein des
interrupteurs obtenue au moyen des électrodes.
[0065] La connexion sélective des pastilles conductrices entre elles permet d’obtenir des propriétés d’une métasurface qui serait formée à partir de pastilles
conductrices présentant une permittivité diélectrique différente de celle des pastilles conductrices.
[0066] Dans le premier mode de réalisation des [Fig.2] à [Fig.5], les interrupteurs 10 permettent de connecter électriquement deux à deux les pastilles conductrices 5.
[0067] La [Fig.3] représente schématiquement une coupe de la [Fig.2] selon un plan M contenant l’axe z. Cette figure est une vue éclatée du dispositif à métasurface. Dans le dispositif à métasurface 1 les couches consécutives de l’empilement sont accolées les unes aux autres. Il est à noter que les matériaux diélectriques visibles en [Fig.3] n’ont pas été représentés en [Fig.2] pour des raisons de clarté.
[0068] Comme visible en [Fig.3], chaque interrupteur 10 est disposé en regard d’un intervalle 7 et déborde en regard de deux pastilles conductrices 5 adjacentes. Ainsi, les différentes couches de l’empilement étant accolées les unes aux autres, l’interrupteur 10 relie physiquement deux pastilles conductrices 5 adjacentes de sorte à relier électriquement entre-elles ces deux pastilles conductrices 5 lorsque l’interrupteur 10 est dans l’état conducteur et de sorte à les déconnecter électriquement l’une de l’autre lorsque l’interrupteur est dans l’état isolant. De façon générale, chaque interrupteur 10 est disposé en regard d’une ouverture 6 entre deux pastilles conductrices 5 adjacentes et s’étend continûment depuis une de ces deux pastilles adjacentes jusqu’à l’autre de cette pastille adjacentes.
[0069] Dans l’exemple non limitatif des [Fig.2] à [Fig.5], chaque interrupteur 10 est disposé en regard d’un intervalle 7 séparant deux pastilles conductrices par des sommets adjacents des pastilles conductrices 5 de sorte à relier physiquement les deux pastilles conductrices 5 par leurs sommets adjacents S1 , S2. Cet agencement est avantageux pour limiter les pertes dans la mesure où le champ électrique est concentré dans l’intervalle 7 où la distance entre les pastilles conductrices adjacentes est la plus faible. En variante, l’interrupteur est disposé ailleurs dans une ouverture 6 séparant deux pastilles conductrices adjacentes.
[0070] Comme visible en [Fig.3], les électrodes 21 à 26 du premier ensemble E1 sont disposées dans les ouvertures 6 (ici les intervalles 7) en regard desquels sont disposés les interrupteurs 10, ici les intervalles séparant les sommets S1 et S2 des couples de deux pastilles conductrices 5 adjacentes. Les électrodes 21 à 26 du premier ensemble E1 sont distantes en tout point des pastilles
conductrices 5 de façon à éviter une connexion inopinée de deux pastilles conductrices adjacentes par contact physique avec une des électrodes. Il est à noter que la coupe de la figue 3 n’est pas représentée de façon exacte pour montrer que les électrodes sont écartées des pastilles conductrices 5 en tout point.
[0071 ] Chaque interrupteur 10 est interposé entre une électrode du premier
ensemble E1 et une électrode du deuxième ensemble E2 selon l’axe z. Chaque électrode 31 à 36 du deuxième ensemble E2 passe en regard de l’ouverture 6 sans passer en regard des pastilles conductrices 5.
[0072] Comme visible en [Fig.3], les interrupteurs 10 appartiennent à une même couche 30 de l’empilement, dite couche d’interrupteurs 10. La couche
d’interrupteurs 50 est interposée entre la métasurface 4 et les électrodes du deuxième ensemble E2 d’électrodes. La couche 50 comprend une première face en contact physique direct avec (accolée à) la métasurface 4 et une deuxième face en contact avec une face d’une couche 51 comprenant le deuxième ensemble E2 d’électrodes.
[0073] Les interrupteurs 10 sont séparés par un ou des blocs en matériau
diélectrique 52 de sorte que la couche d’interrupteurs 50 soit sensiblement continue et plane. Ce matériau est par exemple une résine d’hydrogène- silsesquioxane ou HSQ ou du polyméthacrylate de méthyle (PMMA) ou du benzocyclobutène (BCB). Le matériau diélectrique 52 comble sensiblement les volumes entre les interrupteurs 10. Le matériau diélectrique 52 n’est pas représenté en [Fig.2] pour des raisons de clarté.
[0074] Avantageusement, chaque pastille conductrice 5 s’étend essentiellement en regard du bloc de matériau diélectrique 52.
[0075] De façon plus avantageuse, chaque interrupteur s’étend sensiblement
uniquement en regard d’une ouverture 6 et de bordures (ici S1 , S2) des pastilles conductrices sans déborder entre ces bordures. Les bordures délimitent les pastilles conductrices dans un plan perpendiculaire à l’axe z dans la configuration plane. Cela permet de limiter de façon significative une perturbation la fréquence d’émission des pastilles conductrices 5 tout en assurant la connexion entre ces pastilles conductrices 5.
[0076] La couche 51 comprenant le deuxième ensemble d’électrodes E2 est
interposée entre la couche d’interrupteurs 50 et le substrat 2, selon l’axe z.
[0077] Les électrodes du deuxième ensemble E2 sont séparées deux à deux par un ou des blocs de matériau diélectrique 53 de sorte à obtenir une couche sensiblement continue et plane. Il s’agit ici du même matériau que dans la couches d’interrupteurs 50 mais on peut utiliser un matériau différent. On peut par exemple utiliser le HSQ, le PMMA ou le BCB pour assurer cette séparation.
[0078] La connexion sélective des pastilles conductrices 5 entre elles permet, par exemple, d’obtenir une deuxième métasurface d’échelle supérieure à l’échelle de la métasurface formée par les pastilles conductrices. [0079] La solution proposée permet de contrôler la direction principale du diagramme d’émission en contrôlant la loi de propagation des ondes au niveau de la métasurface en connectant sélectivement les pastilles conductrices entre elles.
[0080] En [Fig.4] et [Fig.5], on a représenté les projections orthogonales des pastilles conductrices 5, des ouvertures 6, des interrupteurs 10 et des électrodes du premier ensemble ([Fig.4]) et des électrodes du deuxième ensemble ([Fig.5]) du dispositif de la [Fig.2], sur un plan perpendiculaire à l’axe z.
[0081 ] Avantageusement, comme représenté en [Fig.4] et [Fig.5], les interrupteurs 10 de l’ensemble d’interrupteurs sont alignés selon un ensemble de lignes Li1 ,
U2, Li3, Li4, Li5, Li6 et selon ensemble de colonnes Ci1 , Ci2, Ci3, Ci4, Ci5, Ci6.
[0082] Chaque électrode 21 , 22, 23, 24, 25, 26 du premier ensemble d’électrodes E1 passe en regard de tous les interrupteurs 10 alignés selon une des lignes Li1 , Li2, Li3, Li4, Li5 ou Li6 de l’ensemble de lignes de sorte à permettre d’appliquer un premier potentiel à chacun des interrupteurs 10 alignés selon cette ligne Li1 , Li2, Li3, Li4, Li5 ou Li6 de l’ensemble de lignes, chaque électrode 31 , 32, 33, 34, 35, 36 du deuxième ensemble d’électrodes E2 passe en regard de tous les
interrupteurs alignés selon une des colonnes Ci1 , Ci2, Ci3, Ci4, Ci5 ou Ci6 de l’ensemble de colonnes de sorte que l’électrode 31 , 32, 33, 34, 35 ou 36 est apte à appliquer un deuxième potentiel à chacun des interrupteurs 10 alignés selon la colonne Ci1 , Ci2, Ci3, Ci4, Ci5 ou Ci6 de l’ensemble de colonnes.
[0083] Cet agencement permet d’adresser collectivement les différents interrupteurs ce qui permet de limiter le nombre d’électrodes pour assurer la commande des interrupteurs et obtenir la métasurface d’échelle supérieure. Il n’est pas
nécessaire de prévoir autant de paires d’électrodes que d’interrupteurs. Cette caractéristique permet de limiter le nombre de connexions nécessaires pour assurer cette commande. La masse et le volume de l’antenne sont ainsi limités.
[0084] Il est à noter que les pastilles conductrices sont également disposées en
lignes et en colonne. Chaque ligne de pastilles conductrices est disposée entre deux lignes d’interrupteurs et chaque colonne de pastilles conductrices est disposée entre deux colonnes d’interrupteurs.
[0085] Dans l’exemple non limitatif des [Fig.4] et [Fig.5], les interrupteurs 10 sont agencés selon des lignes droites et selon des colonnes en lignes droites et les électrodes présentent des formes de lignes droites. Les électrodes du premier ensemble sont parallèles entre elles tout comme les électrodes du deuxième ensemble. En variante les électrodes peuvent présenter des formes de lignes courbes. Les interrupteurs peuvent également être disposés selon des lignes en lignes courbes et/ou selon des colonnes en lignes courbes de sorte que chaque ligne croise une seule fois toutes les colonnes et inversement mais cette mise en œuvre est plus difficile dans la mesure où les électrodes ne doivent pas passer en regard des pastilles conductrices.
[0086] Dans l’exemple non limitatif des [Fig.4] et [Fig.5], les lignes sont
perpendiculaires aux colonnes mais elles peuvent former un angle différent de 90° entre elles. Cela est notamment le cas lorsque les pastilles conductrices présentent sensiblement une forme de triangle équilatéral.
[0087] Dans l’agencement proposé, chaque interrupteur appartient à une unique ligne du premier ensemble de lignes et une unique colonne du premier ensemble de colonnes.
[0088] La solution proposée permet de contrôler la direction principale du diagramme d’émission en contrôlant la loi de propagation des ondes au niveau de la métasurface. On peut obtenir une loi de phase différente de celle obtenue lorsque les pastilles conductrices sont déconnectées les unes des autres.
[0089] La solution proposée permet d’obtenir un dispositif à métasurface
reconfigurable telle qu’une antenne à balayage électronique qui ne nécessite pas un déphaseur pour chaque pastille conductrice ce qui permet de proposer un dispositif de taille, de masse et de coût limités.
[0090] La solution proposée permet d’obtenir un réseau bidimensionnel ou
monodimensionnel d’ensemble connectés monodimensionnels ou
bidimensionnels de pastilles conductrices connectées entre elles. Les ensembles connectés sont séparés par des pastilles conductrices non connectées entre- elles.
[0091 ] Un exemple de réseau de quatre ensembles connectés 61 , 61 , 62, 63
susceptible d’être obtenu au moyen d’une connexion selon le premier mode de réalisation des [Fig.2] à [Fig.5] est représenté en [Fig.6] Un ensemble e1 d’électrodes dites « actives » e1 (prises parmi les électrodes du premier ensemble E1 représentées en traits continus et les électrodes du deuxième ensemble E2 représentées en pointillés) sont les électrodes qui sont ou ont été activées pour mettre, à l’état conducteur, les interrupteurs en contact avec une paire d’électrodes actives. Les électrodes actives sont représentées en traits fins et les électrodes d’un ensemble e2 d’électrodes non actives (prises parmi les électrodes du premier ensemble E1 et du deuxième ensemble E2) sont représentées en traits épais. Pour des raisons de clarté, les interrupteurs ne sont pas représentés sur ces figures, mais sont situés, comme en [Fig.2] à [Fig.5], en regard des ouvertures séparant les sommets en vis-à-vis des électrodes adjacentes. Les pastilles conductrices 5 connectées entre-elles par les interrupteurs à l’état conducteur sont rayées alors que les autres sont
représentées en blanc tacheté de points. Les ensembles connectés 60 à 63 sont séparés les uns des autres par un ensemble 65 de pastilles conductrices ni connectées entre-elles, ni avec les ensembles connectés 60 à 63, car elles sont séparées deux à deux et en contact avec des interrupteurs, à l’état non conducteur, eux même en contact avec des électrodes de l’ensemble e2 d’électrodes non actives.
[0092] Un deuxième mode de réalisation est représenté en [Fig.7] à [Fig.10]
[0093] Ce mode de réalisation diffère du premier mode de réalisation par la
disposition des interrupteurs. Chaque interrupteur 100 est disposé de sorte à connecter individuellement, dans son état conducteur, une des pastilles conductrices 5 à une masse flottante de sorte que les pastilles conductrices 5 connectées à la masse flottantes sont connectées entre elles. Dans son état isolant, l’interrupteur 100 isole électriquement la pastille conductrice 5 de la masse flottante.
[0094] Les interrupteurs 100 sont du même type que les interrupteurs des figures précédentes (conductivité variable par application d’un champ électrique).
[0095] A cet effet, comme visible en [Fig.7] et [Fig.8], chaque interrupteur 100 est disposé en regard d’une unique pastille conductrice 5 de sorte à connecter la pastille conductrice 5 à une masse flottante lorsque l’interrupteur est dans l’état conducteur et de sorte à déconnecter la pastille conductrice 5 de la masse flottante lorsque l’interrupteur 100 est dans l’état isolant. Les interrupteurs 100 sont connectés à la même masse flottante.
[0096] Par conséquent, lorsqu’un interrupteur 100 est à l’état conducteur, il connecte, à la masse flottante, la pastille conductrice 5 sous laquelle il se trouve. Cette solution permet de relier électriquement entre elles les pastilles conductrices en les reliant à la même masse flottante, en rendant conducteurs les interrupteurs respectifs en regard desquelles elles se trouvent. Ces pastilles conductrices 5 voient alors une épaisseur de matériau conducteur plus importante que lorsque les interrupteurs en regard desquels elles se trouvent sont à l’état isolant ce qui entraîne une modification du diagramme de rayonnement de l’antenne et notamment de la fréquence de rayonnement des pastilles conductrices.
[0097] Ainsi, il est possible de modifier la fréquence de rayonnement de l’antenne en reliant toutes les pastilles conductrices 5 à la masse flottante. On peut utiliser l’antenne comme une source impulsionnelle dans une certaine fréquence comme dans le domaine des radars. Dans un état intermédiaire, seule une partie des pastilles conductrices 5 est reliée à la masse flottante.
[0098] Cette solution est simple, bon marché et peu volumineuse. Elle ne nécessite pas l’utilisation de translateurs de fréquence pour chaque pastille conductrice.
[0099] Dans l’exemple des [Fig.7] et [Fig.8], chaque interrupteur 100 se superpose exactement à la pastille conductrice 5 en regard de laquelle elle se trouve. En variante, l’interrupteur présente des dimensions plus petites que la pastille conductrice 5 de sorte que l’interrupteur 100 ne s’étend pas en regard de la totalité de la pastille conductrice 5 mais seulement en regard d’une partie de la pastille conductrice 5. Tous comme les pastilles conductrices 5, les interrupteurs 100 sont écartés les uns des autres. Ils ne se touchent pas.
[0100] Tout comme dans le premier mode de réalisation, chaque interrupteur 100 est interposé entre une électrode 121 , 122, 123, 124 du premier ensemble EE1 (représentées en traits pleins) et une électrode 131 , 132, 133, 134 du deuxième ensemble EE2 (représentées en pointillés) selon l’axe z. L’interrupteur 100 est en contact physique direct avec ces deux électrodes. [0101 ] Plus précisément, les interrupteurs 100 appartiennent à une même couche d’interrupteurs 150 interposée entre le premier ensemble d’électrodes EE1 et le deuxième ensemble d’électrodes EE2.
[0102] Tout comme dans le premier mode de réalisation, les interrupteurs 100 sont distants les uns des autres. Autrement dit, les interrupteurs 100 ne sont pas en contact physique direct entre eux.
[0103] Avantageusement, les interrupteurs 100 sont séparés entre eux par un ou des blocs de matériau diélectrique 152 de sorte que la couche d’interrupteurs 150 soit sensiblement continue et plane. Le matériau diélectrique 152 comble
sensiblement les volumes libres entre les interrupteurs 100. Ce matériau est par exemple une résine d’hydrogène-silsesquioxane ou HSQ, du PMMA ou du BCB.
[0104] Les électrodes du premier ensemble d’électrodes EE1 sont interposées entre la métasurface 4 et la couche d’interrupteurs 150.
[0105] Les électrodes du premier ensemble d’électrodes EE1 sont en contact
physique direct avec la métasurface 4. Plus précisément, chaque électrode du premier ensemble d’électrodes EE1 est interposée entre des interrupteurs 100 et les pastilles conductrices 5 respectives, disposées en regard de ces mêmes interrupteurs 100. La pastille conductrice 5 en regard d’un interrupteur 100 est aussi en contact physique direct avec l’électrode du premier ensemble eE1 en contact physique direct avec l’interrupteur 100.
[0106] Les électrodes du deuxième ensemble EE2 sont interposées entre la couche d’interrupteurs 150 et le substrat 2.
[0107] Les électrodes du deuxième ensemble d’électrodes EE2 sont en contact
physique direct avec la couche d’interrupteurs 150 et le substrat 2 ou le plan de masse 3.
[0108] Le substrat 2 est en matériau diélectrique ou semi-conducteur fortement
résistif de l’ordre d’au moins 106 Ohms. Le matériau semi-conducteur est, par exemple, du type Si ou AsGa. Cela permet de connecter afin de connecter les pastilles conductrices 5 à une masse flottante.
[0109] Les électrodes du premier ensemble d’électrodes EE1 appartiennent à une même couche 101 de l’empilement interposée entre la couche d’interrupteurs 150 et la métasurface 4. Tout comme dans le premier mode de réalisation, les électrodes du premier ensemble d’électrodes EE1 appartenant à une même couche 101 sont avantageusement, mais non nécessairement séparées les unes des autres par un matériau isolant, par exemple diélectrique, de sorte que la couche 101 soit sensiblement plane. On peut par exemple utiliser du HSQ, du PMMA ou du BCB.
[0110] Les électrodes du deuxième ensemble d’électrodes EE2 appartiennent à une même couche 151 interposée entre la couche d’interrupteurs 150 et le substrat 2. Tout comme dans le premier mode de réalisation, les électrodes du deuxième ensemble d’électrodes EE2 appartenant à une même couche 151 sont
avantageusement, mais non nécessairement, séparées les unes des autres par au moins un bloc d’un matériau diélectrique 152, par exemple du type HSQ, PMMA ou du BCB, de sorte que la couche 151 soit sensiblement continue et plane. Il s’agit ici du même matériau que celui de la couche 151 mais ce matériau pourrait être différent.
[0111 ] En [Fig.9], on a représenté en vue du dessus, les pastilles conductrices, les ouvertures 6 et les électrodes 121 à 124 du premier ensemble EE1 du dispositif de la [Fig.7] En [Fig.10], on a représenté en vue de dessous, les électrodes 131 à 134 du deuxième ensemble EE2 et la couche d’interrupteurs 150 comprenant les interrupteurs 10 et le matériau diélectrique 153, du dispositif de la [Fig.7]
[0112] Avantageusement, tout comme dans le premier mode de réalisation, comme visible en [Fig.9], les interrupteurs 100 de l’ensemble d’interrupteurs sont alignés selon un ensemble de lignes L1 , L2, L3, L4 et selon un ensemble de colonnes C1 , C2, C3, C4, tout comme les pastilles conductrices 5.
[0113] Chaque électrode 121 , 122, 123, 124 du premier ensemble d’électrodes EE1 passe en regard de tous les interrupteurs 100 alignés selon une des lignes L1 , L2, L3, L4 de l’ensemble de lignes de sorte à permettre d’appliquer un premier potentiel aux interrupteurs 100 alignés selon cette ligne L1 , L2, L3, L4 de l’ensemble de lignes, chaque électrode 131 , 132, 133, 134 du deuxième
ensemble d’électrodes EE2 passe en regard de tous les interrupteurs alignés selon une des colonnes C1 , C2, C3, C4 de l’ensemble de colonnes de sorte que l’électrode 31 , 32, 33, 34 est apte à appliquer un deuxième potentiel aux interrupteurs 10 alignés selon la colonne C1 , C2, C3, C4 de l’ensemble de colonnes.
[0114] Cet agencement permet d’adresser collectivement les différents interrupteurs ce qui permet de limiter le nombre d’électrodes pour assurer la commandes des interrupteurs et obtenir la métasurface d’échelle supérieure. Il n’est pas nécessaire de prévoir autant de paires d’électrodes que d’interrupteurs. Cette caractéristique permet de limiter le nombre de connexions nécessaires pour assurer cette commande. La masse et le volume de l’antenne sont ainsi limités.
[0115] Comme dans le mode de réalisation précédente, ce mode de réalisation
permet d’obtenir un réseau d’ensembles monodimensionnels ou bidimensionnels de pastilles conductrices 5 interconnectées.
[0116] Dans l’exemple non limitatif des [Fig.7] à [Fig.10], les interrupteurs 100 sont agencés selon des lignes droites et selon des colonnes en lignes droites et les électrodes présentent des formes de lignes droites. Les électrodes du premier ensemble sont parallèles entre elles tout comme les électrodes du deuxième ensemble sont parallèles entre elles. En variante les électrodes peuvent présenter des formes de lignes courbes. Les interrupteurs peuvent également être disposés selon des lignes en lignes courbes et/ou selon des colonnes en lignes courbes de sorte que chaque ligne croise une seule fois toutes les colonnes et inversement.
[0117] Dans l’exemple non limitatif des [Fig.8] à [Fig.11 ], les lignes sont
perpendiculaires aux colonnes mais elles peuvent former un angle différent de 90° entre elles.
[0118] Dans les exemples des figures, le dispositif à métasurface est dans une
configuration plane dans laquelle les couches sont sensiblement planes et perpendiculaires à la direction d’empilement. Le dispositif à métasurface peut être conformable ou présenter une configuration non plane dans laquelle les couches sont courbes. Les structures bidimensionnelles d’une couche sont définies selon deux lignes courbes définissant cette couche.
[0119] L’invention a été décrite dans le cas d’une antenne mais s’applique à tout dispositif à métasurface à base d’un empilement de couches. Elle s’applique tout particulièrement aux dispositifs hyperfréquences. [0120] Dans les modes de réalisation représentés, les électrodes sont agencées de façon à permettre une commande collective des interrupteurs. En variante, chaque couple d’électrode comprenant une électrode du premier ensemble et une électrode du deuxième ensemble est apte à commander un unique interrupteur.
[0121 ] La solution proposée permet d’obtenir un réseau d’ensembles connectés présentant des dimensions réglables plus importantes que les pastilles conductrices et/ou des formes et/ou des orientations réglables ce qui permet de contrôler le diagramme d’émission de l’antenne, par exemple sa forme, et d’ajuster la modulation d’impédance de la métasurface. La connexion sélective des pastilles conductrices entre elles permet, par exemple, d’obtenir une deuxième métasurface d’échelle supérieure à l’échelle de la métasurface formée par les pastilles conductrices.
[0122] La solution proposée permet d’obtenir un dispositif à métasurface
reconfigurable qui ne nécessite pas un déphaseur ni un translateur de fréquence pour chaque élément rayonnant ce qui permet de proposer un dispositif de taille, de masse et de coût limités. ]

Claims

Revendications
[Revendication 1 ] [Dispositif à métasurface (1 ; 1000) comprenant un
empilement de couches comprenant une métasurface (4) comprenant un réseau bidimensionnel de pastilles conductrices (5) séparées par des ouvertures (6), les pastilles conductrices présentant des dimensions
inférieures à la longueur d’onde de fonctionnement du dispositif à
métasurface, le dispositif à métasurface (1 ; 1000) comprenant un ensemble d’interrupteurs (10 ; 100) à base d’un matériau susceptible de passer de l’état isolant à l’état conducteur, et inversement, sous l’effet d’une variation d’un champ électrique au sein du matériau de sorte à permettre de connecter ou isoler sélectivement entre elles des pastilles conductrices, les interrupteurs étant interposés entre un premier ensemble d’électrodes (E1 ; EE1 ) et un deuxième ensemble d’électrodes (E2 ; EE2) permettant de commander le passage des interrupteurs de l’ensemble d’interrupteurs de l’état conducteur à l’état isolant, et inversement.
[Revendication 2] Dispositif à métasurface (1 ; 1000) selon la revendication précédente, dans lequel les interrupteurs (10 ; 100) de l’ensemble
d’interrupteurs sont alignés selon un ensemble de lignes (Li1 , Li2, Li3, Li4, Li5, Li6; L1 , L2, L3, L4) et selon un ensemble de colonnes (Ci1 , Ci2, Ci3, Ci4, Ci5, Ci6 ; C1 , C2, C3, C4), chaque électrode (21 , 22, 23, 24) du premier ensemble d’électrodes (E1 ; EE1 ) passant en regard des interrupteurs (10 ; 100) de l’ensemble d’interrupteurs alignés selon une des lignes de l’ensemble de lignes, chaque électrode du deuxième ensemble d’électrodes (E2 ; EE2) passant en regard des interrupteurs (10 ; 100) de l’ensemble d’interrupteurs alignés selon une des colonnes de l’ensemble de colonnes.
[Revendication 3] Dispositif à métasurface selon la revendication 2, dans lequel les lignes sont droites, les colonnes sont des lignes droites et les électrodes présentent sensiblement des formes de lignes droites.
[Revendication 4] Dispositif à métasurface selon l’une quelconque des
revendications précédentes, dans lequel le matériau est un matériau à changement de phase de sorte que le matériau passe de l’état isolant à l’état conducteur par un changement de phase du matériau.
[Revendication 5] Dispositif à métasurface selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le matériau est apte à passer de l’état isolant à l’état conducteur sans changement de phase.
[Revendication 6] Dispositif à métasurface selon l’une quelconque des
revendications précédentes, dans lequel chaque interrupteur est un bloc du matériau susceptible de passer de l’état isolant à l’état conducteur, et inversement, sous l’effet d’une variation d’un champ électrique au sein du matériau, l’interrupteur étant en contact physique direct avec une électrode du premier ensemble d’électrodes et avec une électrode du deuxième ensemble d’électrodes.
[Revendication 7] Dispositif à métasurface (1 ) selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel chaque interrupteur (10) de l’ensemble relie physiquement deux pastilles conductrices (5) adjacentes de sorte à les relier électriquement entre elles lorsque l’interrupteur est dans l’état conducteur et de sorte à les déconnecter électriquement l’une de l’autre lorsque l’interrupteur est dans l’état isolant.
[Revendication 8] Dispositif à métasurface (1 ) selon la revendication
précédente, dans lequel l’interrupteur (10) est interposé entre une électrode du premier ensemble (E1 ) et une électrode du deuxième ensemble (E2), l’électrode du premier ensemble (E1 ) étant disposée dans une ouverture(6) séparant les deux pastilles conductrices adjacentes (5) et étant située à distance des pastilles conductrices (5), l’électrode du deuxième ensemble passant en regard de l’ouverture (6), sans passer en regard des pastilles conductrices (5).
[Revendication 9] Dispositif à métasurface selon l’une quelconque des
revendications 7 à 8, dans lequel l’interrupteur (10) relie les deux pastilles conductrices adjacentes par des sommets des deux pastilles adjacentes.
[Revendication 10] Dispositif à métasurface (1000) selon l’une quelconque des revendications 1 à 6, dans lequel chaque interrupteur (100) de l’ensemble d’interrupteurs est disposé en regard d’une unique pastille conductrice (5) et relié à une masse flottante de sorte à connecter la pastille conductrice (5) à la masse flottante lorsque l’interrupteur (100) est dans l’état conducteur et de sorte à déconnecter la pastille conductrice de la masse flottante lorsque l’interrupteur est dans l’état isolant.
[Revendication 11] Dispositif à métasurface (1000) selon la revendication précédente, dans lequel l’interrupteur (100) est en regard d’une électrode du premier ensemble (E1 ), l’électrode du premier ensemble étant disposée en regard de la pastille conductrice (5) et d’une électrode du deuxième ensemble, l’électrode du deuxième ensemble (E2) étant disposée en regard de la pastille conductrice (5).
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