EP4285441A1 - Système de réduction de la réflectivité d'une onde électromagnétique incidente sur une surface et dispositif mettant en oeuvre ce système - Google Patents

Système de réduction de la réflectivité d'une onde électromagnétique incidente sur une surface et dispositif mettant en oeuvre ce système

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Publication number
EP4285441A1
EP4285441A1 EP22705027.5A EP22705027A EP4285441A1 EP 4285441 A1 EP4285441 A1 EP 4285441A1 EP 22705027 A EP22705027 A EP 22705027A EP 4285441 A1 EP4285441 A1 EP 4285441A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
facets
facet
layer
electromagnetic wave
reflection
Prior art date
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Pending
Application number
EP22705027.5A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Michel Soiron
André BARKA
Anne-Claire LEPAGE
Olivier RANCE
Xavier Begaud
Patrick Parneix
Sarah LAYBROS
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.)
D'applications Radar Et Telecommunication Ste
Office National dEtudes et de Recherches Aerospatiales ONERA
Institut Mines Telecom IMT
Naval Group SA
Original Assignee
D'applications Radar Et Telecommunication Ste
Office National dEtudes et de Recherches Aerospatiales ONERA
Institut Mines Telecom IMT
Naval Group SA
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Filing date
Publication date
Application filed by D'applications Radar Et Telecommunication Ste, Office National dEtudes et de Recherches Aerospatiales ONERA, Institut Mines Telecom IMT, Naval Group SA filed Critical D'applications Radar Et Telecommunication Ste
Publication of EP4285441A1 publication Critical patent/EP4285441A1/fr
Pending legal-status Critical Current

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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q15/00—Devices for reflection, refraction, diffraction or polarisation of waves radiated from an antenna, e.g. quasi-optical devices
    • H01Q15/0006—Devices acting selectively as reflecting surface, as diffracting or as refracting device, e.g. frequency filtering or angular spatial filtering devices
    • H01Q15/006—Selective devices having photonic band gap materials or materials of which the material properties are frequency dependent, e.g. perforated substrates, high-impedance surfaces
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q17/00—Devices for absorbing waves radiated from an antenna; Combinations of such devices with active antenna elements or systems
    • H01Q17/008—Devices for absorbing waves radiated from an antenna; Combinations of such devices with active antenna elements or systems with a particular shape
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05K—PRINTED CIRCUITS; CASINGS OR CONSTRUCTIONAL DETAILS OF ELECTRIC APPARATUS; MANUFACTURE OF ASSEMBLAGES OF ELECTRICAL COMPONENTS
    • H05K1/00—Printed circuits
    • H05K1/02—Details
    • H05K1/0213—Electrical arrangements not otherwise provided for
    • H05K1/0216—Reduction of cross-talk, noise or electromagnetic interference
    • H05K1/0236—Electromagnetic band-gap structures

Definitions

  • TITLE System for reducing the reflectivity of an electromagnetic wave incident on a surface and device implementing this system
  • the present invention relates to a system allowing the reduction of the reflectivity of an electromagnetic wave incident on a surface.
  • a system for controlling the reflection of an electromagnetic wave incident on a surface is described below.
  • the system is integrated into the surface and is equipped with a checkerboard composed of first facets and second facets, each first facet is composed by the repetition of a first pattern comprising a first dielectric zone and a first electrically conductive zone, said first zones being configured so that the first facet comprises a series equivalent resonant circuit having an impedance Zs.
  • the reflection system has one or more of the following characteristics, taken separately or according to all the technically possible combinations:
  • the first dielectric zone has a first shape and the first electrically conductive zone has a second shape, furthermore the second dielectric zone has the second shape and the second electrically conductive zone has the first shape.
  • the first patterns and the second patterns have the same geometry and the first electrically conductive zones are connected by electrical connection means so as to be short-circuited.
  • This has the advantage of having first facets and second self-complementary facets to obtain the cancellation of the backscattered field in the axis of reflection over a wide frequency band.
  • a rate of pairs T p of the checkerboard is defined by: min(number of first facets, number of second facets). . . . .
  • T p — y — ⁇ — — - — 7 — - - — — - — 7 - - - -, the rate of pairs being greater than max(number of first facets, number of second facets) 1 1 or equal to 0, 95, preferably greater than or equal to 0.98.
  • each first facet is not necessarily associated with a second complementary facet. To obtain a satisfactory result, the rate of pairs must be sufficiently high so as to ensure a negligible residue of the backscattered field.
  • the description also relates to a device implementing the system for controlling the reflection of an electromagnetic wave incident on a surface comprising a first dielectric layer, a checkerboard, a second dielectric layer and a conductive plane arranged so as to act as a mass and stacked in the following order: the first layer then the checkerboard then the second layer then the conductive plane.
  • This arrangement makes it possible in particular to protect the checkerboard from attacks from the external environment, improving for example the resistance to shocks and corrosion.
  • the device has one or more of the following characteristics, taken separately or according to all the technically possible combinations:
  • an additional grid can also advantageously be placed between the third layer and the first layer to improve the performance of the device at large angles of incidence.
  • Figure 1 shows a detail of the reflection system
  • Figures 2a and 2b show elementary and complementary patterns in the form of slits and rings.
  • Figure 3 shows a checkerboard composed of first and second constituent facets of the invention
  • FIG. 4 [Fig. 5][Fig. 5] Figures 4 and 5 show respectively multi-periodic and symmetric and non-periodic and non-symmetric checkerboard embodiments
  • Figure 6 shows a graph illustrating measured attenuation performance as a function of frequency.
  • FIG. 7a [Fig. 7b] Figures 7a and 7b show a particular embodiment of the so-called self-complementary system.
  • Figure 8 is a graph illustrating the variation of the phases obtained for each of the facets as well as their difference calculated on the embodiment of Figure 7 as a function of the frequency.
  • Figure 9 shows a longitudinal sectional view of an example of the device implementing the system of the invention.
  • Figure 1 shows a checkerboard 1 according to the invention.
  • the checkerboard 1 comprises first facets 2 and second facets 3.
  • Figure 2a shows a basic pattern of the first facet 2.
  • Figure 2b shows a basic pattern of the second facet 3.
  • the base pattern of the first facet 2 consists of a first non-conductive zone 4 and a first conductive zone 5 while according to Figure 2b, the base pattern of the second facet 3 consists of a second conductive zone having the shape of the non-conductive zone 4 of the first pattern and a second non-conductive zone having the shape of the conductive zone 5 of the first pattern.
  • first and second facets 2, 3 are complementary: the superposition of the conductive zones of the elementary patterns of the first and second facets gives an entirely conductive surface.
  • Each facet is formed by the repetition of an elementary pattern so as to form a high impedance surface (SHI).
  • the patterns are repeated for example periodically in a facet.
  • the elementary patterns are square in shape.
  • the conductive zones are made with, for example, a metal such as copper.
  • Any other electrically conductive material can be envisaged to produce these conductive areas and in particular conductive inks.
  • the non-conductive zones are made by spaces occupied by air, vacuum or a dielectric material, for example a polyurethane resin, filling this space during integration into a complete device.
  • a dielectric material for example a polyurethane resin
  • phase difference between the reflection coefficients of the two circuits is then equal to 180° whatever the possible losses and the frequency (including at resonance).
  • the amplitudes of the backscattered fields are equal to 1 while in the case with losses they are less than 1 but remain equal to each other.
  • a cancellation of the backscattered field in the axis is thus obtained, that is to say that the electromagnetic wave incident on the surface of the system is canceled during its reflection, thus making it possible to improve the integration of antennas or other radiating devices by reducing the interference between them by means of separators implementing the system of the invention or reducing the backscattering of the wave emitted by a radar and therefore improving the wearer's stealth.
  • the dimensioning therefore consists in using a normalization impedance which is compatible with the known inductances and capacitances of the realizable gates.
  • the first and second facets 2 and 3 are associated in pairs to obtain the effect of cancellation of the backscattered field in the axis.
  • the reflection system has a pair rate equal to 1 or as close as possible to 1.
  • Figure 3 shows an embodiment where the checkerboard 1 has a set of facets 2 and 3 arranged periodically.
  • the x and y directions are the transverse directions in the plane of the checkerboard 1 .
  • the first and second facets 2 and 3 alternate regularly without the surfaces of the facets varying in any direction.
  • Each first facet and each second facet have the same geometry. Their areas are equal.
  • Figures 4 and 5 present two embodiments of the invention for which the checkerboard 1 is non-periodic.
  • the x and y directions are the transverse directions in the plane of the checkerboard 1 .
  • the checkerboard 1 formed is multi-periodic and symmetrical, the first and second facets 2, 3 have different dimensions depending on their location in the network.
  • the first and the second facet have a larger dimension along the direction x than along the dimension along y.
  • the first and the second facet have a larger dimension along the y direction than along the dimension along x.
  • the checkerboard 1 is non-symmetrical, the alternation of the first and second facets is not regular.
  • the arrangement begins with three second facets 3 then two first facets 2, followed by a second facet 3, three first facets 2 and finally a second facet 3.
  • multi-periodic or non-periodic arrangements make it possible to process the grating lobes, so as to minimize them, or even to eliminate them.
  • the type of non-periodic arrangement can be optimized according to the frequencies, incidences and observation zones of the electromagnetic waves considered.
  • Figure 6 presents a graph illustrating the reduction of the effective radar surface SER (or RCS radar cross section) according to the frequency.
  • the RCS is the ability of the surface to backscatter the incident wave towards a given direction (bistatic) or in particular towards the point of emission (monostatic). The measurement is taken at normal incidence.
  • the curve is the result obtained for a device implementing the system of the invention having the following characteristics: non-periodic checkerboard, with dimensions of 244.8 mm ⁇ 244.8 mm.
  • the invention therefore allows excellent attenuation as well as attenuation beyond -20 dB over a very wide frequency band.
  • Figures 7a and 7b show a particular embodiment of the system of the invention.
  • Figure 7a illustrates a square elementary pattern composed of a conductive area 5 and a non-conductive area 4.
  • the conductive zone 5 is a square and the non-conductive zone 4 consists of triangles joined to each side of the square of the conductive zone 5.
  • Figure 7b shows the checkerboard 1 which comprises a set of first facets 2 and second facets 3 arranged periodically.
  • the first facet 2 comprises meshes made up of patterns composed of a conductive zone 5 and a non-conductive zone 4. Four elementary patterns are gathered together for each non-conductive zone 4.
  • the conductive zones 5 are electrically connected to each other by electrical connection means 6.
  • the conductive zones 5 are therefore short-circuited.
  • the second facet 3 has the same arrangement of patterns as the first facet 2.
  • the first facet 2 and the second facet 3 therefore have the same geometry.
  • the conductive zones 5 of the second facet 3 are not connected to each other. They are open circuit.
  • the first facet 2 is equivalent to a series resonant circuit and the second facet 3 is equivalent to a parallel resonant circuit.
  • first and second facets 2, 3 are self-complementary. This embodiment also makes it possible to obtain the cancellation of the backscattered field in the axis whatever the frequency and any losses.
  • the pattern of the second facet 3 is generally obtained by a rotation, a symmetry or a translation of the pattern of the first facet 2.
  • the conductive zones 5 are for example metallic, such as copper or conductive ink. Any other electrically conductive material can be envisaged to produce these conductive areas.
  • the non-conductive zones 4 are for example made by spaces occupied by air, vacuum or by a dielectric material, for example a polyurethane resin, filling this space during integration into a complete device.
  • a dielectric material for example a polyurethane resin
  • Figure 8 presents a graph illustrating the phase of the wave reflected by the surface of the system of the embodiment of Figure 7 with respect to the phase of the wave incident as a function of frequency.
  • the dashed line represents the phase shift of the wave reflected by the first facets 2, ie the facets in short circuit.
  • the dotted line represents the phase shift of the wave reflected by the second facets 3, i.e. the open circuit facets. In both cases, it can be seen that the phase shift applied to the reflected wave evolves continuously as a function of the frequency.
  • Figure 9 illustrates a device implementing the system of the invention.
  • the device is a stack consisting of the conductive plane 9, the dielectric layer 8, the checkerboard 1, the second layer 7.
  • the first and second facets 2, 3 of the checkerboard 1 are visible in the form of long dashes for the first facet 2 and short dashes for the second facet 3.
  • the conductive plane 9 is also called the reflector plane or ground plane and makes it possible to reflect the waves incident on the surface of the device.
  • the conductive plane 9 is a metal surface for example which comprises copper or a composite such as a ply of carbon fibers.
  • the first and second layers 7, 8 comprise dielectric materials, for example resins or composite materials. These resins may or may not include reinforcing fillers to improve the mechanical strength of the device.
  • the resins can for example be chosen from the family of polyesters or vinyl esters.
  • the first and second layers 7, 8 also make it possible to protect the checkerboard 1 from attacks from the environment in which the device implementing the system of the invention is used.
  • the first layer 7 comprises a vinylester resin and woven polyethylene fibers and the second layer 8 comprises a polyester resin and high modulus glass fibers S2.
  • first layer 7 having a low dielectric permittivity as well as low losses
  • second layer 8 having a stiffness allowing the use of the stack of the device as a structural panel.
  • the first layer 7 has a thickness of 4.1 mm and a dielectric permittivity of 2.6.
  • the second layer 8 has a thickness of 3.5 mm and a dielectric permittivity of 4.
  • the first layer 7 is configured so as to function as an impedance transformer and transform the impedance of the surface of the checkerboard ZT in order to bring its value closer to that of the vacuum impedance Zo by varying in particular the thickness of this layer as a function of the permittivity of said layer.
  • the thickness of the second layer 8 is configured so as to optimize the performance of the device over a wide operating band. This thickness is chosen according to the permittivity of the material. The thickness is generally substantially close to a quarter of the wavelength of the central frequency of the frequency band considered.
  • the impedance transformer can be supplemented by a third layer, not shown, there is then a stack comprising the third layer then the first layer 7, the checkerboard 1, the second layer 8 and the conductive plane 9.
  • the third layer completes the role of impedance transformer and its thickness and dielectric permittivity characteristics are chosen so as to raise the impedance of the surface of the checkerboard ZT towards the impedance of the vacuum Zo.
  • the device can be completed by a grid in addition to the third layer.
  • the grid can have a regular geometry in the form of a plate pierced with recesses at regular intervals. This grid makes it possible to extend the operation of the device to large angles of incidence by straightening the incident wave.
  • the different materials used can be lossless. This means that when the electromagnetic wave passes through them, its amplitude does not change.
  • the materials used for the non-conductive and/or conductive patterns are lossy. That is, when the electromagnetic wave passes through them, its amplitude is attenuated.
  • some areas of the device implementing the inventive reflection control system include lossless materials while other areas include lossy materials.
  • the edges of the device include lossy materials to deal with edge effects and grating lobes.

Abstract

Un système de contrôle de réflexion d'une onde électromagnétique incidente sur une surface caractérisé en ce que le système est intégré à la surface, le système est équipé d'un damier comprenant des premières facettes et des deuxièmes facettes, chaque première facette comprend une première zone non conductrice et une première zone électriquement conductrice, lesdites premières zones étant configurées de sorte que la première facette ait un circuit résonnant équivalent série Zs, chaque deuxième facette comprend une deuxième zone non conductrice et une deuxième zone électriquement conductrice, lesdites deuxièmes zones étant configurées de sorte que la deuxième facette ait un circuit résonnant équivalent parallèle Zp, la première impédance Zs et la deuxième impédances Zp étant telles que Zp*Zs=Z0², avec Z0 l'impédance du vide.

Description

DESCRIPTION
TITRE : Système de réduction de la réflectivité d’une onde électromagnétique incidente sur une surface et dispositif mettant en œuvre ce système
DOMAINE DE L’INVENTION
La présente invention concerne un système permettant la réduction de la réflectivité d’une onde électromagnétique incidente sur une surface.
ARRIERE-PLAN DE L’INVENTION
L’augmentation des besoins de communication et de connectivité entraine la multiplication de systèmes interagissant avec l’environnement électromagnétique comme des antennes, des dispositifs absorbants, des dispositifs de blindage électromagnétique, des réflecteurs. Ceci conduit à l’augmentation de la complexité de l’intégration de ces systèmes dans les porteurs tels que des véhicules ou des bâtiments. Les interactions entre ces systèmes eux-mêmes et entre ces systèmes et les infrastructures environnantes conduisent à des perturbations dans leurs fonctionnements. Par ailleurs, le besoin d’augmenter la furtivité des cibles engendre la nécessité de réduire leur réflectivité.
La satisfaction de ces besoins peut être obtenue par l’utilisation de matériaux possédant une réflectivité électromagnétique contrôlée et la plus faible possible.
En particulier, on connait des panneaux absorbant le rayonnement électromagnétique pour atténuer les interférences et des peintures absorbantes.
Cependant, ces systèmes ont des performances limitées.
En effet, ils ne fonctionnent que sur une plage de fréquences limitée et pour des incidences proches de la normale à leur surface extérieure. De plus, ces systèmes peuvent se dégrader lors de leur exposition à l’environnement dans lequel ils sont placés par exemple par la corrosion.
RESUME DE L’INVENTION
Il existe un besoin pour des dispositifs propres à interagir avec les ondes électromagnétiques permettant une meilleure intégration des moyens rayonnant sur un porteur comme un véhicule ou un bâtiment de surface ou d’améliorer la furtivité des cibles.
A cet effet, on décrit ci-dessous un système de contrôle de la réflexion d’une onde électromagnétique incidente sur une surface. Le système est intégré à la surface et est équipé d’un damier composé de premières facettes et de deuxièmes facettes, chaque première facette est composée par la répétition d’un premier motif comprenant une première zone diélectrique et une première zone électriquement conductrice, lesdites premières zones étant configurées de sorte que la première facette comprend un circuit résonnant équivalent série ayant une impédance Zs. Chaque deuxième facette est composée par la répétition d’un deuxième motif comprenant une deuxième zone diélectrique et une deuxième zone électriquement conductrice, lesdites deuxièmes zones étant configurées de sorte que la deuxième facette comprend un circuit résonnant équivalent parallèle ayant une impédance Zp, la première impédance Zs et la deuxième impédance Zp étant telles que Zp*Zs=Zo2, avec Zo l’impédance du vide.
Cela permet d’obtenir l’annulation du champ rétrodiffusé dans l’axe de réflexion sur une large bande de fréquence.
Selon des modes de réalisation particuliers, le système de réflexion présente une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prise(s) isolément ou selon toutes les combinaisons techniquement possibles :
- La première zone diélectrique a une première forme et la première zone électriquement conductrice a une deuxième forme, en outre la deuxième zone diélectrique a la deuxième forme et la deuxième zone électriquement conductrice a la première forme. Cela présente l’avantage d’avoir des premières facettes et des deuxièmes facettes complémentaires pour obtenir l’annulation du champ rétrodiffusé dans l’axe de réflexion sur une large bande de fréquence.
- les premiers motifs et les deuxièmes motifs ont la même géométrie et les premières zones électriquement conductrices sont reliées par des moyens de connexion électrique de façon à être en court-circuit. Cela présente l’avantage d’avoir des premières facettes et des deuxièmes facettes auto-complémentaires pour obtenir l’annulation du champ rétrodiffusé dans l’axe de réflexion sur une large bande de fréquence.
- un taux de paires Tp du damier est défini par : min(nombre de premières facettes, nombre de deuxièmes facettes) . . . . .
Tp = — y — ■ — — - — 7 — - - — — - — 7 - - - -, le taux de paires étant supérieur max(nombre de premieres facettes, nombre de deuxiemes facettes) 1 1 ou égal à 0,95, de préférence supérieur ou égal à 0,98. De façon à s’adapter à la géométrie de la surface à traiter, chaque première facette n’est pas nécessairement associée à une deuxième facette complémentaire. Pour obtenir un résultat satisfaisant, le taux de paires doit être suffisamment important de façon à assurer un résidu du champ rétrodiffusé négligeable.
- les aires des premières facettes et des deuxièmes facettes sont égales. Cela permet de recourir à des procédés de fabrication particulièrement économiques.
La description concerne également un dispositif mettant en œuvre le système de contrôle de la réflexion d’une onde électromagnétique incidente sur une surface comprenant une première couche diélectrique, un damier, une deuxième couche diélectrique et un plan conducteur disposé de façon à agir comme plan de masse et empilés dans l’ordre suivant: la première couche puis le damier puis la deuxième couche puis le plan conducteur. Cette disposition permet notamment de protéger le damier des agressions du milieu extérieur, améliorant par exemple la résistance aux chocs et à la corrosion.
Selon des modes de réalisation particuliers, le dispositif présente une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prise(s) isolément ou selon toutes les combinaisons techniquement possibles :
- une troisième couche diélectrique disposée de façon à ce que l’empilement commence par une troisième couche, puis la première couche puis le damier puis la deuxième couche puis le plan conducteur. Cette couche additionnelle permet de réduire la rétrodiffusion en améliorant l’adaptation du dispositif à l’impédance du vide sur une plus large bande.
- une grille supplémentaire peut également avantageusement être placée entre la troisième couche et la première couche pour améliorer les performances du dispositif aux grands angles d’incidence.
BREVE DESCRIPTION DES FIGURES
Des caractéristiques et avantages de l’invention apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d’exemple non limitatif, et faite en référence aux dessins annexés, sur lesquels :
[Fig. 1] La Figure 1 montre un détail du système de réflexion
[Fig. 2] Les Figure 2a et 2b montrent des motifs élémentaires et complémentaires sous forme de fentes et d’anneaux.
[Fig. 3] La Figure 3 montre un damier composé de premières et secondes facettes constitutives de l’invention
[Fig. 4][Fig. 5] Les Figures 4 et 5 montrent des modes de réalisation de damiers respectivement multi-périodique et symétriques et non périodique et non symétriques
[Fig. 6] La Figure 6 montre un graphique illustrant la performance d’atténuation mesurée en fonction de la fréquence.
[Fig. 7a][Fig. 7b] Les Figures 7a et 7b montrent un mode de réalisation particulier du système dit auto-complémentaire.
[Fig. 8] La Figure 8 est un graphique illustrant la variation des phases obtenue pour chacune des facettes ainsi que leur différence calculée sur le mode de réalisation de la Figure 7 en fonction de la fréquence.
[Fig. 9] La Figure 9 montre une vue en coupe longitudinale d’un exemple du dispositif mettant en œuvre le système de l’invention. La Figure 1 montre un damier 1 selon l’invention. Le damier 1 comprend des premières facettes 2 et des deuxièmes facettes 3.
La Figure 2a montre un motif de base de la première facette 2. La Figure 2b montre un motif de base de la deuxième facette 3.
Selon la Figure 2a, le motif de base de la première facette 2 est constitué d’une première zone non conductrice 4 et d’une première zone conductrice 5 tandis que selon la Figure 2b, le motif de base de la deuxième facette 3 est constitué d’une deuxième zone conductrice ayant la forme de la zone non conductrice 4 du premier motif et d’une deuxième zone non conductrice ayant la forme de la zone conductrice 5 du premier motif.
On dit que les première et deuxième facettes 2, 3 sont complémentaires : la superposition des zones conductrices des motifs élémentaires des première et deuxième facettes donne une surface entièrement conductrice.
Tout autre jeu de formes complémentaires peut être envisagé.
Chaque facette est formée par la répétition d’un motif élémentaire de façon à former une surface de haute impédance (SHI). Les motifs se répètent par exemple de façon périodique dans une facette. Dans le mode de réalisation des Figures 2a et 2b, les motifs élémentaires sont de forme carrée.
Dans un mode de réalisation, les zones conductrices sont réalisées avec par exemple un métal tel que du cuivre.
Tout autre matériau électriquement conducteur peut être envisagé pour réaliser ces zones conductrices et en particulier des encres conductrices.
Dans un autre mode de réalisation, les zones non conductrices sont réalisées par des espaces occupés par de l’air, du vide ou un matériau diélectrique, par exemple une résine polyuréthane, remplissant cet espace lors de l’intégration dans un dispositif complet. Ainsi dans le mode de réalisation de la Figure 2a, le premier motif forme une fente alors que dans le mode de réalisation de la Figure 2b, le second motif forme un anneau.
On appelle Zs l’impédance d’un circuit résonnant série équivalent à la première facette 2 et Zp l’impédance d’un circuit résonnant parallèle équivalent à la deuxième facette 3 complémentaire de la première facette.
Les éléments localisés de ces deux circuits sont reliés par la relation 1 suivante :
ZPZS = Q où Zo est l’impédance du vide.
La différence de phase entre les coefficients de réflexion des deux circuits est alors égale à 180° quelles que soient les pertes éventuelles et la fréquence (y compris à la résonance). Dans le cas sans pertes les amplitudes des champs rétrodiffusés sont égales à 1 tandis que dans le cas à pertes elles sont inférieures à 1 mais restent égales entre elles. On obtient ainsi une annulation du champ rétrodiffusé dans l’axe, c’est-à-dire que l’onde électromagnétique incidente sur la surface du système est annulée lors de sa réflexion permettant ainsi d’améliorer l’intégration d’antennes ou d’autres dispositifs rayonnant en réduisant les interférences entre eux au moyen de séparateurs mettant en œuvre le système de l’invention ou réduisant la rétrodiffusion de l’onde émise par un radar et donc améliorant la furtivité du porteur.
La relation 1 ci-dessus implique la relation 2 suivante entre les éléments localisés (Rs, Ls, Cs) et (Rp, Lp, Cp) des deux circuits:
Ces relations restent vraies quelle que soit l’impédance de normalisation Zn.
Le dimensionnement consiste donc à utiliser une impédance de normalisation qui soit compatible avec les inductances et capacités connues de grilles réalisables. L’annulation du coefficient de réflexion de la surface pr représentable par Zs l’impédance d’un circuit série équivalent à la facette 2 et par Yp, l’admittance d’un circuit parallèle équivalent à une deuxième facette 3 est écrite ci-dessous.
Si ZT est l’impédance équivalente de la surface totale du système, soit la surface combinée des première et deuxième facettes 2 et 3, alors l’annulation du champ total réfléchi revient à ce que ZT = Zo, c’est-à-dire que la surface est adaptée à l’impédance du vide. Ce qui se traduit par la relation 3 suivante :
Notons que la relation 1 est écrite en incidence normale et qu’elle devient en incidence oblique la relation 4 suivante :
ZsZp = ZQ COS2P0 avec p = +1 en mode Transverse Electrique et p = -1 en mode Transverse Magnétique, ainsi que 0 l’angle d’incidence.
Les premières et deuxièmes facettes 2 et 3 sont associées par paires pour obtenir l’effet d’annulation du champ rétrodiffusé dans l’axe.
On appelle taux de paires le résultat de la relation 5 suivante :
Un taux de paires TP de 0,95 de préférence supérieur ou égal à 0,98, permet d’obtenir de bons résultats d’absorption avec le système de réflexion de l’invention. De préférence, le système de réflexion a un taux de paires égal à 1 ou le plus proche possible de 1.
La Figure 3 montre un mode de réalisation où le damier 1 présente un jeu de facettes 2 et 3 disposées de façon périodique. Les directions x et y sont les directions transversales dans le plan du damier 1 . Les premières et deuxièmes facettes 2 et 3 alternent de façon régulière sans que les surfaces des facettes ne varient dans aucune direction. Chaque première facette et chaque deuxième facette ont la même géométrie. Leurs aires sont égales.
Les Figures 4 et 5 présentent deux modes de réalisation de l’invention pour lesquels le damier 1 est non périodique. Les directions x et y sont les directions transversales dans le plan du damier 1 . Dans le mode de réalisation de la Figure 4, le damier 1 formé est multi- périodique et symétrique, les premières et deuxièmes facettes 2, 3 sont de dimensions différentes suivant leur emplacement dans le réseau.
Ainsi sur la première ligne du damier 1 , après une première et une deuxième facette de forme carrée, la première et la deuxième facette ont une dimension plus grande selon la direction x que selon la dimension selon y. De même sur la première colonne du damier 1 , après une première et une deuxième facette de forme carrée, la première et la deuxième facette ont une dimension plus grande selon la direction y que selon la dimension selon x.
Dans le mode de réalisation de la Figure 5, le damier 1 est non symétrique, l’alternance des premières et deuxièmes facettes n’est pas régulière. Sur la première ligne, l’agencement commence par trois deuxièmes facettes 3 puis deux premières facettes 2, suivies d’une deuxième facette 3, de trois premières facettes 2 et enfin une deuxième facette 3.
Ces arrangements multi-périodiques ou non périodiques permettent de traiter les lobes de réseaux, de façon à les minimiser, voire à les éliminer. Le type d’arrangement non périodique peut être optimisé en fonction des fréquences, des incidences et des zones d’observation des ondes électromagnétiques considérées.
La Figure 6 présente un graphique illustrant la réduction de la surface équivalente radar SER (ou RCS radar cross section) en fonction de la fréquence.
La SER est la capacité de la surface à rétrodiffuser l’onde incidente vers une direction donnée (bistatique) ou en particulier vers le point d’émission (monostatique). La mesure est réalisée en incidence normale. La courbe est le résultat obtenu pour un dispositif mettant en œuvre le système de l’invention ayant les caractéristiques suivantes : damier non périodique, de dimensions 244,8 mm x 244,8 mm.
On constate une première bande de réduction à -17 dB de 6.8 GHz jusqu’à 9.8 GHz et supérieure à -23 dB sur une large bande de fréquences entre 9.8 GHz et 16.5. On note également que le dispositif mettant en œuvre le système de l’invention atteint pour plusieurs fréquences des atténuations supérieures à -25 dB.
L’invention permet donc une excellente atténuation ainsi qu’une atténuation au-delà de -20 dB sur une bande de fréquence très large.
Les Figures 7a et 7b montrent un mode de réalisation particulier du système de l’invention. La Figure 7a illustre un motif élémentaire carré composé d’une zone conductrice 5 et d’une zone non conductrice 4.
Dans le mode de réalisation, la zone conductrice 5 est un carré et la zone non conductrice 4 est constituée de triangles accolés à chaque côté du carré de la zone conductrice 5. La Figure 7b montre le damier 1 qui comprend un jeu de premières facettes 2 et de deuxièmes facettes 3 disposées de façon périodique. La première facette 2 comprend des mailles constituées de motifs composés d’une zone conductrice 5 et d’une zone non conductrice 4. On comprend quatre motifs élémentaires sont rassemblés pour chaque zone non conductrice 4. Les zones conductrices 5 sont reliées électriquement entre elles par des moyens de connexion électrique 6.
Les zones conductrices 5 sont donc en court-circuit. La deuxième facette 3 présente le même agencement de motifs que la première facette 2. La première facette 2 et la deuxième facette 3 ont donc la même géométrie. Par contre, les zones conductrices 5 de la deuxième facette 3 ne sont pas connectées entre elles. Elles sont en circuit ouvert. La première facette 2 est équivalente à un circuit résonant série et la deuxième facette 3 est équivalente à un circuit résonant parallèle.
On dit alors que les premières et deuxièmes facettes 2, 3 sont autocomplémentaires. Ce mode de réalisation permet également d’obtenir l’annulation du champ rétrodiffusé dans l’axe quelles que soient la fréquence et les pertes éventuelles.
Pour les facettes auto-complémentaires, le motif de la deuxième facette 3 est généralement obtenu par une rotation, une symétrie ou une translation du motif de la première facette 2. Les zones conductrices 5 sont par exemple métalliques, comme du cuivre ou de l’encre conductrice. Tout autre matériau électriquement conducteur peut être envisagé pour réaliser ces zones conductrices.
Dans un autre mode de réalisation, les zones non conductrices 4 sont par exemple réalisés par des espaces occupés par de l’air, du vide ou par un matériau diélectrique, par exemple une résine polyuréthane, remplissant cet espace lors de l’intégration dans un dispositif complet.
La Figure 8 présente un graphique illustrant la phase de l’onde réfléchie par la surface du système du mode de réalisation de la Figure 7 par rapport à la phase de l’onde incidente en fonction de la fréquence. Le trait en tirets représente le déphasage de l’onde réfléchie par les premières facettes 2, soit les facettes en court-circuit.
Le trait en pointillés représente le déphasage de l’onde réfléchie par les deuxièmes facettes 3, soit les facettes en circuit ouvert. Dans les deux cas, on constate que le déphasage appliqué à l’onde réfléchie évolue en continu en fonction de la fréquence.
Ces deux types d’ondes réfléchies présentent sur une bande de fréquence allant de 4 GHz à 18 GHz un déphasage sensiblement constant égal à 180°.
Ceci aboutit à une annulation entre elles des ondes réfléchies par les différentes facettes de la surface du système de l’invention. C’est-à-dire que le système de l’invention ne rétrodiffuse pas les ondes électromagnétiques dirigées vers lui dans la bande de fréquence de son fonctionnement.
La Figure 9 illustre un dispositif mettant en œuvre le système de l’invention. Le dispositif est un empilement constitué du plan conducteur 9, de la couche diélectrique 8, du damier 1 , de la deuxième couche 7. Les première et deuxième facettes 2, 3 du damier 1 sont visibles sous la forme de tirets longs pour la première facette 2 et de tirets courts pour la deuxième facette 3. Le plan conducteur 9 est également appelé plan réflecteur ou plan de masse et permet de réfléchir les ondes incidentes sur la surface du dispositif. Le plan conducteur 9 est une surface métallique par exemple qui comprend du cuivre ou un composite comme un pli de fibres de carbone.
Les première et deuxième couches 7, 8 comprennent des matériaux diélectriques par exemple des résines ou des matériaux composites. Ces résines peuvent comprendre ou non des charges de renforcement pour améliorer la résistance mécanique du dispositif. Les résines peuvent par exemple être choisies dans la famille des polyesters ou des vinylesters.
Les première et deuxième couches 7, 8 permettent également de protéger le damier 1 des agressions de l’environnement dans lequel est utilisé le dispositif mettant en œuvre le système de l’invention.
Dans un mode de réalisation spécifique, la première couche 7 comprend une résine vinylester et des fibres tissées en polyéthylène et la deuxième couche 8 comprend une résine polyester et des fibres de verre à haut module S2.
Ceci permet par exemple d’avoir une première couche 7 ayant une permittivité diélectrique faible ainsi que des pertes faibles et une deuxième couche 8 ayant une raideur permettant l’utilisation de l’empilement du dispositif comme panneau structurel.
Dans le mode de réalisation de la Figure 9, la première couche 7 a une épaisseur de 4,1 mm et une permittivité diélectrique de 2,6. La deuxième couche 8 a une épaisseur de 3,5 mm et une permittivité diélectrique de 4. La première couche 7 est configurée de façon à fonctionner comme un transformateur d’impédance et transformer l’impédance de la surface du damier ZT afin de rapprocher sa valeur de celle de l’impédance du vide Zo en faisant varier notamment l’épaisseur de cette couche en fonction de la permittivité de ladite couche.
L’épaisseur de la deuxième couche 8 est configurée de façon à optimiser la performance du dispositif sur une large bande de fonctionnement. Cette épaisseur est choisie en fonction de la permittivité du matériau. L’épaisseur est généralement sensiblement proche du quart de la longueur d’onde de la fréquence centrale de la bande de fréquence considérée.
Dans un mode de réalisation particulier, le transformateur d’impédance peut être complété par une troisième couche, non représentée, on a alors un empilement comprenant la troisième couche puis la première couche 7, le damier 1 , la deuxième couche 8 et le plan conducteur 9. La troisième couche complète le rôle de transformateur d’impédance et ses caractéristiques d’épaisseur et de permittivité diélectrique sont choisies de façon à remonter l’impédance de la surface du damier ZT vers l’impédance du vide Zo.
Dans un autre mode de réalisation particulier, le dispositif peut être complété par une grille en plus de la troisième couche. La grille, non représentée, peut avoir une géométrie régulière sous forme d’une plaque percée d’évidements à intervalle régulier. Cette grille permet d’étendre le fonctionnement du dispositif aux grands angles d’incidence en redressant l’onde incidente.
Selon un mode de réalisation non représenté, les différents matériaux utilisés peuvent être sans perte. Cela signifie que lorsque l’onde électromagnétique les traverse, son amplitude ne change pas.
Cela peut avoir l’avantage de simplifier la mise en œuvre des matériaux et d’en réduire le coût.
Selon un autre mode de réalisation, les matériaux utilisés pour les motifs non conducteurs et/ou conducteurs sont avec pertes. C’est-à-dire que lorsque l’onde électromagnétique les traverse, son amplitude est atténuée.
Cela présente par exemple l’avantage d’ajouter un phénomène d’absorption des ondes électromagnétiques par le matériau lui-même, conduisant à l’amélioration de certaines performances du matériau et obtenir une absorption plus homogène sur la surface permettant par exemple de traiter plus efficacement les lobes réseaux.
Dans un autre mode de réalisation, certaines zones du dispositif mettant en œuvre le système de contrôle de réflexion de l’invention comprennent des matériaux sans perte alors que d’autres zones comprennent des matériaux avec perte. Par exemple, les bords du dispositif comprennent des matériaux avec pertes pour traiter les effets de bord et les lobes réseaux.

Claims

REVENDICATIONS
1 . Système de contrôle de réflexion d’une onde électromagnétique incidente sur une surface, caractérisé en ce que le système est intégré à la surface, et le système est équipé d’un damier (1) comprenant des premières facettes (2) et des deuxièmes facettes (3), chaque première facette (2) comprend une première zone non conductrice et une première zone électriquement conductrice, lesdites premières zones étant configurées de sorte que la première facette (2) ait un circuit résonnant équivalent série Zs, chaque deuxième facette (3) comprend une deuxième zone non conductrice et une deuxième zone électriquement conductrice, lesdites deuxièmes zones étant configurées de sorte que la deuxième facette (3) ait un circuit résonnant équivalent parallèle Zp, la première impédance Zs et la deuxième impédance Zp étant telles que Zp*Zs=Zo2, avec Zo l’impédance du vide.
2. Système de contrôle de réflexion d’une onde électromagnétique incidente sur une surface selon la revendication 1 , caractérisé en ce que pour chaque première facette (2) la première zone non conductrice forme un premier motif (4) et la première zone électriquement conductrice forme un deuxième motif (5) et que pour chaque deuxième facette (3), la deuxième zone non conductrice a une forme correspondant au deuxième motif (5) et la deuxième zone électriquement conductrice a une forme correspondant au premier motif (4).
3. Système de contrôle de réflexion d’une onde électromagnétique incidente sur une surface selon la revendication 1 , caractérisé en ce que chaque première facette (2) et chaque deuxième facette (3) comprennent une zone non conductrice formant un premier motif (4) et une zone électriquement conductrice formant un deuxième motif (5), et en ce que les zones électriquement conductrices desdites premières facettes (2) sont reliées par des moyens de connexion électrique (6) de façon à être en court-circuit.
4. Système de contrôle de réflexion d’une onde électromagnétique incidente sur une surface selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu’un taux de paires min(nomi>re de premières facettes, nombre de deuxièmes facettes)
TP du damier (1 ) est défini par TP= maxinombre de premières facettes, nombre de deuxièmes facettes) le taux de paires étant supérieur ou égal à 0,95, de préférence supérieur ou égal à 0,98.
5. Système de contrôle de réflexion d’une onde électromagnétique incidente sur une surface selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les aires des premières facettes et des deuxièmes facettes sont égales.
6. Dispositif mettant en œuvre le système de contrôle de réflexion d’une onde électromagnétique incidente sur une surface selon la revendication 1 , caractérisé en ce qu’il comprend une première couche diélectrique (7), une deuxième couche diélectrique (8) et un plan conducteur (9) disposé de façon à agir comme plan de masse, empilés dans l’ordre suivant la première couche (7) puis le damier (1) puis la deuxième couche (8) puis la plan conducteur (9).
7. Dispositif mettant en œuvre le système de contrôle de réflexion d’une onde électromagnétique incidente sur une surface selon la revendication précédente, caractérisé en ce qu’il comprend en outre une troisième couche diélectrique disposée de façon à ce que l’empilement commence par la troisième couche, puis la première couche (7) puis le damier (1 ) puis la deuxième couche (8) puis la plan conducteur (9).
8. Dispositif mettant en œuvre le système de contrôle de réflexion d’une onde électromagnétique incidente sur une surface selon la revendication précédente, caractérisé en ce qu’il comprend en outre une grille capacitive placée entre la troisième couche et la première couche (7) de façon à améliorer l’adaptation du dispositif aux grands angles d’incidence.
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