EP4433838A1 - Dispositif et procédé de caractérisation électromagnétique d'un milieu par résonateur sans contact, objet et résonateur associés - Google Patents

Dispositif et procédé de caractérisation électromagnétique d'un milieu par résonateur sans contact, objet et résonateur associés

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Publication number
EP4433838A1
EP4433838A1 EP22818403.2A EP22818403A EP4433838A1 EP 4433838 A1 EP4433838 A1 EP 4433838A1 EP 22818403 A EP22818403 A EP 22818403A EP 4433838 A1 EP4433838 A1 EP 4433838A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
resonator
multifrequency
explored
region
probe
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP22818403.2A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Alexiane PASQUIER
Yohan Le Diraison
Stéphane SERFATY
Pierre-Yves Joubert
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
CY Cergy Paris Universite
Universite Paris Saclay
Original Assignee
Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
CY Cergy Paris Universite
Universite Paris Saclay
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Centre National de la Recherche Scientifique CNRS, CY Cergy Paris Universite, Universite Paris Saclay filed Critical Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Publication of EP4433838A1 publication Critical patent/EP4433838A1/fr
Pending legal-status Critical Current

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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/02—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance
    • G01N27/023—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance where the material is placed in the field of a coil
    • G—PHYSICS
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    • G01N27/02—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance
    • G01N27/04—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance by investigating resistance
    • G01N27/041—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance by investigating resistance of a solid body
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
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    • G01N33/00—Investigating or analysing materials by specific methods not covered by groups G01N1/00 - G01N31/00
    • G01N33/02—Food
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    • G—PHYSICS
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    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R27/00—Arrangements for measuring resistance, reactance, impedance, or electric characteristics derived therefrom
    • G01R27/02—Measuring real or complex resistance, reactance, impedance, or other two-pole characteristics derived therefrom, e.g. time constant
    • G01R27/26—Measuring inductance or capacitance; Measuring quality factor, e.g. by using the resonance method; Measuring loss factor; Measuring dielectric constants ; Measuring impedance or related variables
    • G01R27/2617—Measuring dielectric properties, e.g. constants
    • G01R27/2635—Sample holders, electrodes or excitation arrangements, e.g. sensors or measuring cells
    • G01R27/2658—Cavities, resonators, free space arrangements, reflexion or interference arrangements

Definitions

  • the invention relates to a method and a system for characterizing media, in particular dielectrics, using a multifrequency resonator placed at a distance from the region to be characterized and which is excited and interrogated remotely by inductive coupling with a probe.
  • a single-channel reader measures the complex impedance of this probe when it is coupled with said resonator and when the latter interacts magnetically with the region to be characterized.
  • the impedance analyzed spectrally to extract individual complex impedances, for each of the resonator resonance frequencies. These individual impedances are processed to calculate electrical properties of the medium, such as permittivity and/or conductivity, which provide information on the nature and/or the evolution of the medium.
  • the invention also relates to a multifrequency resonator provided for such a system or method.
  • This resonator typically comprises a plurality of interrupted transmission lines, each forming a pattern closed on itself and each determining a resonance frequency different from the others. These lines may or may not be interleaved with each other, for example concentric broken rings, single or multiturn.
  • passive antennas are developed for the non-invasive characterization of certain tissues, such as for the detection of breast cancer in microwaves (of the order of GHz) as in the publication Modiri et al. . : "Review of breast screening: Toward clinical realization of microwave imaging: Toward,” Medical Physics, vol. 44, no. 12, e446-e458, 2017; or for an imaging device such as MRI as radiofrequency antennas (of the order of MHz) as disclosed in the publication Gruber et al. : "RF coils: A practical guide for nonphysicists," Journal of Magnetic Resonance Imaging, vol. 48, no. 3, p. 590-604, 2018.
  • MTLR multiturn transmission line resonator
  • This resonator is formed by a single cut transmission line, circular in shape and multi-turn, which has a determined resonant frequency.
  • This type of resonator is described for example in the publication Serfaty, N. Haziza, L. Darrasse and S. Kan, “Multiturn split-conductor transmission-line resonators,” Magnetic Resonance in Medicine, vol. 38, no. 4, p. 687-689, 1997.
  • RF radio frequency
  • MTLR multi-turn transmission line resonator
  • a sensor of this type has a resonant frequency of its own, and provides good sensitivity when it operates and is excited at its resonant frequency.
  • One object of the invention is to overcome all or part of the drawbacks of the state of the art.
  • a more precise and/or more varied characterization of the nature for example its composition, hygrometry, physico-chemical and biological evolution
  • characterization of the nature for example its composition, hygrometry, physico-chemical and biological evolution
  • structure of the environment is sought, for example by exploring more precisely the electrical properties, at different scales in time and space; but also in a more flexible way in its implementation, for example in order to allow simpler, less invasive measurements, more adapted to the functional context, or significant of the state or the evolution of the medium explored.
  • the invention proposes a method for characterizing at least one region to be explored within a medium to be characterized, comprising at least the following steps.
  • a contactless inductive coupling step of a probe simultaneously, with a plurality of transmission lines arranged to have different resonant frequencies from each other.
  • These transmission lines together forming a multifrequency resonator, located close to said explored region but without requiring contact with said explored region, the transmission lines of which interact with the region to be explored. Typically these lines also interact with each other.
  • Each of these transmission lines, or "TLRs.” for “Transmission Line Resonator” can thus be considered as an “elementary transmission line” or an “elementary resonator” within such a multifrequency resonator.
  • a measurement step (104) of the impedance variation of said multifrequency resonator which can be done in the form of a single signal constituting a single measurement channel, by a reader which interacts with said probe.
  • the reader is for example an external device which is connected to it, such as a vector network analyzer of a conventional type. It can also be integrated in whole or in part into said probe.
  • a step of processing (103) said measurement of impedance variation comprising a spectral analysis (103) as a function of frequency, so as to determine a plurality of individual impedances (Zml-Zm8) measured for a plurality of frequencies meter (respectively fml-fm8).
  • This spectral analysis typically a vector analysis providing the modulus, the offset, the frequency, the phase, the real part and/or the imaginary part of said impedance. It is performed for example on a wide band in one or more pieces, so as to cover all of the expected resonance frequencies.
  • the measurement frequencies are defined around the resonance frequencies, in particular by an analytical model.
  • the measurement frequencies are determined with respect to the resonance frequencies, for example in a plurality of bands each corresponding to one of the resonance frequencies, in particular including such a resonance frequency.
  • each of these transmission lines is formed according to a "quasi-closed" trajectory, that is to say closed on itself while leaving a non-conductive interruption, called a "slit” in French or “gap”. in English.
  • This line can take different shapes and sizes, while maintaining a linear trajectory sufficiently closed in on itself to allow it to radiate a magnetic field. In this way, one obtains for example a quantity proportional to the conductivity and/or the permittivity of the medium in this zone and for this frequency.
  • these frequencies are determined by characteristics such as the dimensions and the material of the lines of the resonator, their relative arrangement between them and vis-à-vis a possible substrate, and the characteristics of dimension and nature of such a substrate. .
  • the inventors have identified a model that makes it possible to predict the resonance frequencies of the multifrequency resonator from this type of characteristics.
  • Another model is used to extract the values of complex electrical properties (in the mathematical sense of the term) from the impedance values measured by the reader.
  • the invention thus proposes a method implementing a contactless inductive device intended for the characterization of complex dielectric media. It is a simple and low financial cost passive multi resonator as ecological, radiating, interrogable and remotely excitable by inductive coupling. Such a device is here called “multifrequency resonator”, or WMFR for “Wireless Multi Frequencies Resonator”.
  • this device In the presence of a variable electromagnetic field, typically generated by a nearby excitation coil called here "probe", this device with a high quality coefficient resonates at several different frequencies, which are predetermined by the dimensioning of the conductive tracks (typically rings) seen as entangled radiating transmission lines.
  • the WMFR By reciprocity, the WMFR generates for each of these frequencies a magnetic field whose spectral response is modified by the dielectric properties of the surrounding medium, "explored medium”. Its equivalent impedance around each of the resonance frequencies can then be measured by inductive coupling by emission-reception using the probe.
  • the invention thus makes it possible to obtain more varied and/or more precise information, in particular at the mesoscopic scale, that is to say ranging approximately from the millimeter to the centimeter.
  • a WMFR is a passive resonator with N resonance frequencies, the N frequencies being adjustable by sizing the transmission lines.
  • the interrogation of this resonator to access its impedance spectrum is typically done using a single measurement channel: by simply measuring the impedance at the terminals of the inductive circuit of the probe, for example by a vector network analyzer.
  • the resonator Since the resonator is passive and can be interrogated remotely, and what is more low cost and dimensions, it is easily integrated into the investigation environment, possibly permanently, for example portable or even implantable, in particular for medical applications or degradation control of an object.
  • the multifrequency resonator itself is passive and can therefore be integrated into a structure or a container or a packaging, for example for quality control or degradation control of an object. It can also be affixed to a plant, for example to monitor growth or maturity. It can also be worn as an accessory or in clothing, or implanted in an organism in vivo, for example for a medical or well-being application. It can be disposable, for example if it is placed in a medical dressing or in the packaging of a food product. In use, the WMFR. can be associated with a Simple and remote single-channel reading electronics, while allowing spectral analysis of the dielectric properties sought.
  • a multifrequency WMFR is passive and can be interrogated remotely in the framework of a use such as exposed here.
  • the depth of penetration of the magnetic field generated in the medium is directly related to its diameter.
  • the different resonant elements (the different transmission lines) of the WMFR having different dimensions between them, for example by a pull-out structure, each of them will generate a different depth of examination, which gives a tomographic character to this investigation .
  • This can be particularly interesting in many cases, for example in the context of detection and/or localization dielectric anomalies in a medium, such as a tumor in a tissue, or a crack in concrete or steel.
  • Agri-food sector characterization of plants and monitoring of animal health; monitoring of food processes and for example culture, maturation, hydrometry, aging and control of the freshness and quality of food, in particular during storage, transport, packaging, natural or accelerated or artificial maturation
  • Health sector by characterization of biological tissues via their dielectric properties: detection of lesions such as tumors or other internal lesions, characterization of lesions, such as for tumors, wounds, burns, or skin diseases, monitoring of their evolution in the time.
  • Integrated Health Monitoring for different types of objects or works: civil engineering, aeronautics, more particularly for all low-conductive environments, for example carbon, concrete, wood, composite materials.
  • the individual impedances of several different resonant frequencies, or the respective electrical properties which are extracted therefrom are combined to provide a characterization of the region to be explored in parts located at different distances from the multifrequency resonator. This makes it possible, for example, to provide imaging and/or tomography of the region to be explored.
  • the size of the antenna has a direct influence on the depth of penetration, and therefore the position in depth of the region explored.
  • the individual impedances of several different resonance frequencies, or the respective electrical properties which are extracted therefrom are combined to provide a more precise characterization of the same part of the region to be explored. For example by using the values from the different frequencies to provide a more precise value of an electrical property. Or for example by using the different frequencies to extract different properties, which apply to the same region investigated and can therefore give more precise information on said region.
  • this method is used to carry out a plurality of characterizations at different times, so as to provide monitoring over time of a region to be explored including at least one material or evolving object.
  • this method implements one or more multifrequency resonators which are integrated or implanted in an object or system so as to characterize a region to be explored, which region to be explored includes a material belonging to said object, and/or a material in contact with or close to said object, and/or an interface between said materials.
  • this method is implemented so as to obtain a plurality of characterizations distributed over time for said region to be explored and thus provide monitoring over time of an evolution of the region to be explored.
  • a contactless characterization system of at least one so-called explored region within a medium to be characterized comprising:
  • At least one resonator with transmission lines (in the sense of linear but not necessarily rectilinear), designed to be arranged close to said explored region, but without requiring contact with said explored region,
  • a probe arranged to: o on the one hand be coupled by inductive coupling with said resonator by means of an inductive loop circuit, and o on the other hand to interact with at least one reader (typically by electrical connection, the reader which may or may not be integrated into the same housing as said probe);
  • this resonator comprises a plurality of transmission lines, arranged to have different resonance frequencies from each other and thus forming a multifrequency resonator whose transmission lines interact with the region to be explored, and typically also with each other. .
  • these interactions create modifications of the individual responses of said transmission lines, in particular in resonance frequency and in bandwidth around this resonance frequency.
  • this same probe is arranged to interact simultaneously with the assembly of said multifrequency resonator, that is to say with the assembly formed by the plurality of lines.
  • This reader is then arranged to interact with said probe so as to implement a method as described here.
  • the electrical properties provided by the process are then used to characterize the medium in the region to be explored.
  • this elementary transmission line is formed by conductive tracks deposited on the two opposite faces of a low-loss planar insulating substrate. These conductive tracks are preferably arranged relative to each other so that their interruption(s) on one side are not opposite the slot(s) on the other side. However, it is also possible to use only one track for each transmission line.
  • the multifrequency resonator comprises a plurality of separate transmission lines not connected to each other, each of which is produced by at least one conductive track formed on a dielectric substrate, typically with little or no two-dimensional conductivity, possibly plane or in non-planar form, and for example flexible.
  • This track is formed along a "quasi-closed" trajectory, that is to say closed on itself while leaving a non-conductive interruption.
  • This track can take different shapes and sizes, while retaining a linear trajectory sufficiently closed in on itself to allow it to radiate a magnetic field.
  • This type of transmission line is for example a track in the form of a broken circular ring, known as a “split ring” in Anglo-Saxon vocabulary.
  • Other patterns are provided, circular or not, rounded or not, possibly spiral or of variable radius.
  • each line comprises two tracks each formed on one of the two opposite faces of the same substrate, facing each other and in angular opposition to each other.
  • the different resonant frequencies are typically obtained by giving them different dimensions. Alternatively or in combination, these frequency differences are obtained by different combinations of one or more parameters chosen from the length of the track, the geometry of its trajectory (typically the radius), the width of the track, the thickness of the track, the nature of the track material, the thickness of the substrate, and the nature of the substrate material. It is also planned to produce an elementary transmission line with one or more openings, that is to say formed by several tracks not connected to each other but sufficiently close and/or overlapping to each other to radiate on the same frequency and in the same spatial region.
  • all or part of the transmission lines of the multifrequency resonator each form a quasi-closed trajectory with a single turn, typically a single-turn circular broken ring.
  • multi-turn trajectories for example in a continuous spiral or with discrete offsets, and in particular in a known manner.
  • the multifrequency resonator comprises a plurality of conductive tracks of quasi-closed shape which are enclosed one inside the other.
  • the multifrequency resonator comprises a plurality of separate transmission lines not connected to each other, which are each produced by a conductive track formed on a two-dimensional insulating substrate, in particular paired together on both sides of said substrate, screw opposite and angularly offset, according to a "quasi-closed" trajectory and in particular circular.
  • at least two transmission lines of different frequencies are arranged so as not overlapping one inside the other, said to be separate.
  • the probe then comprises an inductive loop circuit whose shape is arranged to be able to obtain a simultaneous inductive coupling with said two separate transmission lines, forming in particular a conductive loop having single-turn or multi-turn protrusions arranged so as to be able to superimpose a protrusion on each of said separate transmission lines.
  • an inductive loop circuit whose shape is arranged to be able to obtain a simultaneous inductive coupling with said two separate transmission lines, forming in particular a conductive loop having single-turn or multi-turn protrusions arranged so as to be able to superimpose a protrusion on each of said separate transmission lines.
  • It may for example be a daisy flower pattern, the different petals of which each come to cover one of the broken rings of a resonator with several separate broken rings.
  • the multifrequency resonator comprises a plurality of separate and unconnected transmission lines between them, which are produced by conductive tracks (cl4a, cl4b) each formed along a "quasi-closed" trajectory, and in particular circular, coplanarly or on the same two-dimensional insulating substrate.
  • All or part of said lines can also be arranged in a manner that is not coplanar with one another.
  • planes or two-dimensional surfaces
  • These planes or surfaces are for example strictly parallel to each other, or present between them an angle of less than 45°, in particular of less than 20° or even less than 5°.
  • Each line can also present a trajectory in three dimensions, that is to say not being part of a simple two-dimensional surface, since this trajectory makes it possible to radiate a directed magnetic field with lines of flux which cross in such a way common the different transmission lines. It can be for example a spiral arrangement on a cone, a circular ring around an axis but with axial position variations along its trajectory.
  • they are arranged on two-dimensional planes or surfaces that are not parallel to each other, for example to be coupled in different directions with different parts or inductive loops of the probe.
  • this multifrequency resonator comprises a plurality of separate transmission lines not connected to each other, which are each produced by a conductive track formed on the same two-dimensional insulating substrate, each along a "quasi-closed" trajectory, for example single-turn and in particular circular; wherein these transmission lines are arranged one inside the other, and in particular concentrically with each other.
  • this resonator comprises a plurality of transmission lines of quasi-closed shape which are enclosed one inside the other, in particular concentric circles, and which are arranged to form together a multifrequency resonator capable of being implemented within a system or process as set forth herein.
  • each transmission line forms a single turn.
  • an object or system comprising at least one transmission line resonator, which resonator comprises a plurality of transmission lines, arranged to have resonance frequencies different from each other and thus forming a multifrequency resonator whose transmission lines interact with the region to be explored, and typically also with each other.
  • this multifrequency resonator arranged to form an inductive coupling with an inductive loop probe, so as to interact with said probe:
  • a characterization system as set out here, which is arranged to characterize a region to be explored (possibly distant from said resonator) within a medium to be characterized, and/or
  • this region to be explored includes a material belonging to said object, and/or a material in contact with or close to said object, and/or an interface between said materials.
  • this object or system comprises at least one probe arranged so as to be able to communicate with the resonator multifrequency by inductive coupling, where said multifrequency resonator and said probe are arranged to form a characterization system as disclosed here or to be implemented within a characterization method as disclosed here.
  • Fig. la Figs. la and Fig.lb are plans in top view to scale which illustrate multifrequency resonators according to exemplary embodiments of the invention, with:
  • FIG. la resonator with four nested single-turn circular meshes
  • FIG.lb resonator with eight nested single-turn circular meshes
  • FIG.2 is a plan in top view to scale which illustrates a multifrequency resonator according to an example embodiment of the invention, with four interlocking circular meshes, one of which is single-turn and the others are multi-turn;
  • Fig.3a and Fig.3b represent an example of an elementary transmission line (or TLR.) of single-turn circular type, which can be used within the multifrequency resonator according to an example embodiment with :
  • FIG.3a partial schematic view, in top view in cross section and in exploded perspective
  • FIG.3b electrical model of the interactions between the TLR of Fig.3a taken alone, an inductive control loop, and a vector network analyzer;
  • Fig.4 is a partial schematic view, in top view and in cross section, of an elementary transmission line (or TLR) multi-apertures, with six circular transmission lines in portions and of decreasing radii, concentric with one another and offset by 60°, each formed by two tracks each arranged on one of the two faces of a thin insulating substrate, facing opposite and angularly offset from each other;
  • Fig.5 is a scaled perspective view of an experimental bench using the resonator of Fig.lb at eight resonant frequencies to characterize the liquid content of an insulating container, by interrogation through the bottom wall of the container;
  • Fig.6 is an equivalent electrical diagram of a resonator with three resonance frequencies, illustrating its interactions with a probe and with a medium to be characterized;
  • Fig.7 is a curve illustrating, for the 8-resonance resonator of Fig.lb, the modulus of the measured impedance Zmes as a function of frequency, as a whole and with a zoom on the peaks low intensity;
  • Fig.8 is a curve illustrating in a simulated manner, for the 4-resonance resonator of FIG. la off-load, the real part of the measured impedance Zmes as a function of the frequency;
  • Fig.9 is a curve similar to that of Fig.8, simulated for the 8-resonance resonator of Fig.lb;
  • Fig.10 is a graph which represents a comparison of the resonance frequencies as obtained: experimentally, modeled semi-analytically, and by simulation:
  • Fig.11 is a graph which illustrates individually, for each of the four meshes of the 4-frequency resonator of FIG. la, the resistance induced as a function of the conductivity of the medium to be characterized, formed by an aqueous solution of NaCl;
  • Fig.12 is a symbolic diagram which schematically illustrates the operation of the characterization method according to several examples of embodiments of the invention.
  • Fig.13 is a diagram in plan view which illustrates a multifrequency resonator with four frequencies, interrogable by the same probe, according to an exemplary embodiment of the invention in which the resonator comprises two meshes nested together and two other non-nested meshes;
  • Fig.14 is a diagram in top view which illustrates a multifrequency resonator, interrogable by the same probe, according to an exemplary embodiment of the invention in which the resonator comprises three separate groups each comprising four interleaved transmission lines;
  • Fig.15 is a cross-sectional diagram which illustrates an example of implementation of the invention to characterize without contact the contents of a container permeable to the magnetic field;
  • Fig.16 is a cross-sectional diagram which illustrates an example of implementation of the invention for characterizing without contact the contents of a container comprising a resonator implanted in the thickness of its wall;
  • Fig.17 is a cross-sectional diagram which illustrates an example of implementation of the invention for characterizing without contact the state of the internal surface of a tank comprising a plurality of resonators implanted in its wall;
  • Fig.18 is a diagram which illustrates, according to an exemplary embodiment of the invention, a use of a matrix device comprising a plurality of multifrequency resonators each with its individual probe, to perform a graphical and time-course characterization of an organism in vivo;
  • Fig.19 is a cross-sectional diagram which illustrates, according to an exemplary embodiment of the invention, a use of a device comprising a multifrequency resonator and its individual probe to perform monitoring of the evolution over time of a decomposing biological body, (here a veal steak)
  • Fig.20 is a graph which illustrates the inductance induced in the body of Fig.19, as a function of elapsed time;
  • Fig.21 is a graph that illustrates the resistance induced in the body of Fig.19, as a function of elapsed time.
  • the WMFR itself is a passive structure consisting of the association of passive resonant structures with cut transmission lines, which can be represented by as many coupled RLC circuits as there are transmission lines thus implemented. Each of these individual transmission lines is referred to herein as TLR. for "Transmission Line Resonator", or “mesh” since it is equivalent to a circuit mesh in an equivalent electrical representation such as that of FIG.
  • Fig. la and Fig.lb are illustrated examples of multifrequency resonators according to exemplary embodiments of the invention.
  • Fig. the present an example of multifrequency resonator MRI with four rows M11 to M14, which are circular single-turn nested and concentric.
  • Fig.lb presents an example of a multifrequency resonator MR2 with eight lines M21 to M28, which are nested and concentric single-turn circular.
  • Fig.2 is illustrated another example of multi-frequency resonator MR3, with four nested and concentric circular lines M31 to M34, one of which M32 is single-turn and the others M31, M33, M34 are multi-turn.
  • Fig.3a is illustrated the arrangement in three dimensions of one of the transmission lines of such a resonator, here the largest single-turn line M14 of the resonator of FIG. there.
  • this "transmission line” here considered as a single element, is here produced by two cut (or “open") circular tracks: at the rate of a circular track arranged on each both sides of a thin dielectric or even insulating substrate, here a flexible Kapton substrate.
  • Each open track within a line has an interruption or space, here called a "slit” (or “gap” in Anglo-Saxon vocabulary), for example referenced G14 for the line.
  • these are preferably planar and parallel to each other, and/or radially identical. This arrangement is ensured here by their positioning on the two faces of the substrate, but all the technical solutions making it possible to achieve this arrangement can also be used.
  • the different tracks forming the same transmission line are arranged opposite one another, and with their respective slots offset angularly from one another.
  • the slot G14 of the upper track (this upper track being here referenced M14 like the transmission line in which it participates) is located opposite a solid part of the opposite track M14'.
  • the slot G14' of the lower track M14' is arranged opposite a solid part of the upper track M14.
  • their respective slots are each in an angular position as far away as possible from the slot or slots of the opposite track, here in diametrically opposite positions.
  • Fig.4 is illustrated another example, called multi-apertures or "multi-slots", of a transmission line M1 operating with a single resonant frequency.
  • Each face of the substrate d1 carries a track M1 (and M1'), which consists of several portions not connected to one another.
  • there are six portions Mla to Mlf which are circular in portions and of decreasing radii, concentric with one another and offset by 60°. These portions are each formed by two tracks each arranged on one of the two faces of a thin insulating substrate, facing each other and angularly offset from each other.
  • Each track has a slot, for example Gla for the Mla track.
  • the associated multi-portion track M1' On the opposite face of the substrate, the associated multi-portion track M1' has the same arrangement of six portions, but their slots are angularly offset with respect to those of the multi-portion track M1.
  • the slot Gla' of the portion Mla' of the face presented on the right is shifted by 30° with respect to that Gla of the other face.
  • Each of these slots Gla and Gla' is therefore opposite a solid portion of the opposite track.
  • This pattern presents several unconnected portions of tracks, their interlocking arrangement allows them to work together as a single transmission line with a single resonant frequency.
  • This multiportion line, or multi-aperture can also be used as one of the lines of a multifrequency resonator, instead of a monoportion line, and in all their possible combinations.
  • Fig.6 represents an electrical interaction model which represents the implementation of this type of structure in an experimental setup associating a remote excitation/reading coil connected to a vector analyzer on the one hand, and placed near a an environment to be investigated on the other hand (cf. Fig.5 and Fig.15 to Fig.19).
  • This analytical model has been validated experimentally and by finite element numerical modeling from HFSS. Thanks to this complete model, it is possible to dimension the WMFR and thus to choose the desired spectral response. It is also possible to extract the impedance induced in the medium surrounding the WMFR resonator, which is representative of the complex dielectric properties. These models have been confirmed by a test bench with an accuracy of the order of a few %.
  • the step of extracting the induced impedance of the medium around each resonant frequency is done using a complex adjustment algorithm between the measurement data and the interaction model derived from the diagram in Fig. .3a.
  • a complex adjustment algorithm between the measurement data and the interaction model derived from the diagram in Fig. .3a.
  • TLR elementary transmission line
  • the resonance condition of this elementary transmission line, or TLR. can be determined from a semi-analytical model involving the constituent and geometric elements of the resonator.
  • TLR circular and single-turn transmission line
  • TLR single line resonator
  • VNA vector network analyzer
  • the VNA delivers a radio frequency signal which powers the exciter loop.
  • the magnetic flux leaving this loop induces by magnetic coupling a current in the tracks of the TLR placed nearby, all the more intense as one is close to the resonance of the TLR.
  • the TLR By reciprocity, the TLR generates a magnetic field which "modifies" the operation of the loop and induces a variation in its impedance. Since the loop is connected to the VNA, its impedance can be measured around the resonant frequency of the TLR. From this analysis, we can then extract, by inductive and contactless coupling, information on the magnetic interactions. between the LRT and its immediate surroundings.
  • This loop due to its simultaneous action of excitation and measurement, can be considered as a control probe making it possible to excite and "read" the TLR.
  • the idea is therefore to have a maximum of power transmitted by the probe without the coupling between the probe and the TLR disturbing the operation of the TLR as explained [26].
  • the probe is therefore sized to work below its own self-resonance frequency (and remain in a frequency range where it is purely inductive), it has a diameter smaller than the internal diameter of the TLR with which it interacts, and is placed at a close distance from the TLR in order to ensure sufficient coupling with the TLR. All of the interactions taking place between the TLR, the control probe and the VNA are summarized in the equivalent electrical model of Fig.4.
  • FIG.4 shows two magnetically coupled electrical meshes.
  • One of the meshes, Zi corresponds to the TLR which is modeled by the resonant circuit with distributed constants Li , Ci , and R .
  • This is coupled inductively with the probe represented by a circuit Ls and Rs, of total impedance Zs, whose elements can be determined experimentally and which is written:
  • the current in the branch associated with the resonator is denoted ii and the voltage at its terminals vi.
  • ii and v s are denoted for the branch corresponding to the probe.
  • the coupling coefficient between the two circuits is denoted ksi.
  • the probe is connected to the RF source of the VNA, which "sees" the impedance Zmes across its terminals. This can be explained easily from the different elements of the diagram Fig.4 according to the following equation, according to
  • This expression makes it possible to predict the behavior of the association of the TLR. with the probe depending on the frequency used.
  • the interactions between the excitatory probe and the TLR. can also be modeled using numerical calculations, which was carried out with the numerical modeling software by finite elements distributed under the name "HFSS" by the company Ansys. These simulations also make it possible to determine, via this calculation of the frequency response of the system, the resonance frequency of the TLR with a determined set of geometry and parameters.
  • the different LRTs of the two batches are differentiated by different track widths and outer radii.
  • the inventors determined the expected theoretical resonance frequency using the analytical model mentioned above (MSA). In addition, they carried out a measurement of the resonant frequency of the various TLRs manufactured. Two series of measurements were carried out.
  • the probe is a copper wire loop with a diameter of 11mm and a circular section of 1.5mm, placed at a distance of 5mm from the TLR.
  • the loop is of the same type but with a diameter of 14mm, keeping the same distance between the loop and the TLR.
  • the four TLRs of lot 1 have the following characteristics: [Table 1]
  • the eight TLRs. of lot 2 have the following characteristics: [Table 2]
  • WMFR Multifrequency Contactless Resonator
  • the multifrequency contactless resonator is formed of several elementary resonators or TLRs having a common substrate.
  • This WMFR consists of conductive open tracks, for example copper, deposited on either side of a substrate with low dielectric losses (for example Kapton, or FR4) on its two opposite faces.
  • the organization of these tracks (length, spacing, thickness, type of conductor, slot width) between them and the type of substrate used (losses, thickness) determine the different resonance frequencies associated with the different constituent elements of the WMFR, which can range from a few MHz to several hundred MHz depending on the geometries chosen, thus covering a very wide spectrum of frequencies in the RF range.
  • the position of the slots of the different coupled transmission lines constituting the WMFR does not influence the resonance frequencies observed.
  • the WMFR is based on the association of several elementary TLRs, all excited by the same probe.
  • N a number “N” of TLRs thus arranged are excited by the probe, all of the magnetic couplings involved can be represented using the equivalent electric diagram of FIG.
  • each of the N elementary TLRs is magnetically coupled with the exciting turn, via a coupling coefficient ksj (with je ⁇ l,2,...,N ⁇ ), and with each of the other TLRs via the coefficient of coupling k mn (with m ⁇ n and (m,n)e ⁇ l,2,...,N ⁇ ).
  • the circulating currents are denoted ij and the voltage at the terminals of each denoted Vj (with je ⁇ l,2,...,N ⁇ ).
  • the equivalent electrical parameters Lj and Q of the TLRj are calculated analytically as above via the semi-analytical model MSA, and the resistances Rj are estimated from the measurement of the quality coefficient Qj of each elementary TLR taken individually.
  • the determination of the mutuals, Mab with (a, b) e ⁇ 1,2,..., N ⁇ , between two resonators is done using the analytical formulas found in the publication [25]; and the mutuals, Msj, between the probe and the resonators are determined using publication [24].
  • the elements of the matrix system of equation (1.3.2.1) being all thus determined, it is possible to invert the system to obtain: in which the elements yu are the coefficients of the inverted matrix, which are homogeneous with admittances.
  • Fig.7 is presented the numerical result, as determined analytically using equation 1.3.2.3, of the determination of the impedance Zmes seen from the excitation turn, for a WMFR consisting of the combination of the eight TLRs of batch 2, which form the eight-line multifrequency resonator MR2 (or “WMFR-8”) of FIG.
  • Fig.7 thus shows the Zmes module in a frequency range from a few MHz to 400MHz.
  • Fig.8 shows the result for the real part of the measured impedance, as a function of frequency, for the MRI multifrequency resonator with four elementary transmission lines (i.e. of WMFR-4 type), of Fig. there.
  • the geometric characteristics are those of the four TLRs of lot 1 detailed above, namely Mil, M12, M13, M14.
  • Fig.9 shows the result for the real part of the impedance measured, as a function of the frequency, for the multifrequency resonator MR2 with eight elementary transmission lines (ie of the WMFR-8 type), of the Fig. lbs.
  • the geometric characteristics are those of the eight TLRs. of lot 2 detailed above, namely M21, M22, M23, M24, M25, M26, M27, M28.
  • the inductive loop parameters are the same as before.
  • the first, WMFR-4, consists of the four MTLRs from batch 1
  • the second, WMFR-8 consists of the eight MTLRs from batch 2.
  • the experimental implementation was carried out over a wide frequency band, from a few MHz to 400MHz.
  • these couplings do not degrade the resonance properties of the TLRs constituting the WMFRs (here single turns): they all have a resonance frequency that can be predetermined, and a quality coefficient close to those measured on the TLRs in isolation. It is therefore entirely possible to use WMFRs as resonators of multiple frequencies, in a manner comparable to that used for a single TLR for the characterization of dielectric media.
  • the implementation consists in arranging the assembly WMFR MR2 and the excitation coil SI close to the dielectric medium 91 to be characterized, and in measuring the impedance Zmes seen from the exciting coil using the VNA in a wide frequency band.
  • Fig.5 illustrates the presence of the WMFR. with a homogeneous dielectric medium 91, contained in a container such as a crystallizer 81.
  • the excitation coil SI is mounted as a probe.
  • the network analyzer (VNA) S0 is connected to this probe so as to supply it 102 with the excitation current and to measure 104 its impedance.
  • the evaluation of these dielectric properties as a function of frequency, in particular in the radio frequency range (a few MHz to a few hundred MHz) is particularly relevant for providing information on the state of organic matter, as described in the document [29 ].
  • the link between the dielectric properties of the medium and the field radiated by the WMFR is expressed through the expression of the impedance Z m of the investigated medium, according to document [30]: where Zm is the impedance of the dielectric medium, a is the electrical conductivity, €r is the relative permittivity, €o is the vacuum permittivity, A is the vector potential associated with the magnetic field generated by the WMFR., I is the current flowing in the WMFR, and ⁇ is the pulsation. By reciprocity, the magnetic field, and therefore the impedance of the WMFR, is modified by the surrounding dielectric medium.
  • Fig.5 can be schematized like the equivalent electric circuit represented in Fig.6.
  • This equivalent diagram groups together the magnetic and electrical interactions taking place between the various elements connected, namely the WMFR MR2 and its various constituent TLRs M21 to M28, the SI excitation turn connected to the VNA S0, and the dielectric medium 81, itself modeled by a complex impedance Rm, L m .
  • Rm complex impedance
  • each TLR of the WMFR is coupled with the medium through the coupling coefficients kmj , and, as previously, with the other TLRs and with the turn of excitation.
  • Zmj complex impedance Zmj "induced" by the medium, which is added to the impedance Rj , Lj , , in the branch relative to each TLRj , with je ⁇ l,2,...,N ⁇ .
  • the matrix expressing all the couplings is written according to: with
  • the parameters of the medium Rmj and Lmj induced in each branch can be estimated, in each frequency band using a complex adjustment algorithm between the experimental data of Zmes measured in Bj, and the model of Equation (1.3.5.3) in the same frequency band; the quantities Rj , Lj , and and Zs (impedance of the probe alone when empty) being determined beforehand.
  • the values of the elements Rmj and Lmj are linked to the dielectric properties of the medium, i.e. to the electrical conductivity (a) of the medium on the one hand, and to the dielectric permittivity ( €r) of the medium on the other hand , at the resonance frequency of the considered TLR, as described in document [12].
  • Equation (1.3.5.3) the extraction of the induced impedance at N resonance frequencies, using Equation (1.3.5.3) makes it possible to deduce information on the dielectric parameters of the medium, at as many analysis frequencies as there are resonators in the WMFR.
  • FIG. 11 illustrates individually, for each of the four transmission lines of the MRI 4-frequency resonator of FIG. 1a, the resistance induced as a function of the conductivity of the medium to be characterized, formed by an aqueous solution of sodium chloride.
  • the solutions used are conductive saline solutions (deionized water + NaCl) in various proportions, in order to obtain media having adjustable and tabulated electrical properties (electrical conductivity or dielectric permittivity).
  • WMFR-4 is sensitive, at each resonance, to very small variations in permittivity and conductivity in a homogeneous medium via the extraction of the two parameters of interest U and Ri. Similar results are observed for WMFR-8.
  • a WMFR with N elementary transmission lines forms a device which allows N simultaneous analyzes of the medium, which correspondingly enriches its dielectric characterization.
  • This invention is therefore particularly interesting for the analysis of organic media, in which it is known that the evolution with the frequency of dielectric parameters of the organic medium are a particularly relevant marker of its physico-chemical state, or physiopathology.
  • such a multi-frequency resonator and its individual SI probe can be used to explore the electrical properties of a body placed in a container, without contact or access to the interior of the container, for example when it passes over a resonator MR2 integrated in or fixed to a support 61, for example a food product 94 traveling on a conveyor in a food production line.
  • a resonator MR2 integrated in or fixed to a support 61
  • the capabilities of exploration without contact and in depth thus make it possible to explore the product 94 over a significant depth illustrated by the region R3.
  • the multifrequency resonator MR.2 (WMFR-8) of Fig.lb was used to study the decomposition of a veal steak (15cm long, 2cm thick, 7cm wide ). This steak was placed in the crystallizer as shown in Fig.5, then Zmes was measured on four separate dates: day 0, day 1, day 2 and day 5. On the fifth day the steak was in advanced decomposition with a change in temperature. appearance visible to the naked eye: presence of liquid, change in shape and color.
  • Fig.20 illustrates the induced inductance L in the steak, as a function of the elapsed time and for the different frequencies, which provide this information for different depths of the region to be explored R3.
  • Fig.21 is a similar curve representing the induced resistance Ri.
  • Fig.12 illustrates an example of the procedure for implementing such a multifrequency MRI resonator for different characterization applications, for example that illustrated in Fig.15.
  • the resonator is placed 101 at the appropriate distance from the region to be explored, for example removable or implanted within a nearby object.
  • the inductive part of the probe SI is placed at the appropriate distance from the resonator MR.1, at the time or permanently, for example in a way that is itself implanted.
  • the probe SI is excited by the reader S0 to produce an inductive coupling 102 between the probe and the resonator MRI.
  • the reader S0 performs a measurement 104 of the complex impedance of the assembly formed by the resonator MRI and the region to be explored RI.
  • This complex impedance is spectrally processed to obtain the measured individual impedance Zml-Zm4 for each of the measurement frequencies fml-fm4.
  • Fig.13 and Fig.14 present other examples of embodiments of the resonator and of the probe with which it enters into inductive coupling.
  • unitary transmission lines (TLR) that are spatially separated, and not overlapping, are coupled with the same probe S2.
  • the probe S2 comprises a single inductive circuit which is formed of several separate parts S21, S22, S23, which one could visually compare to the petals of a daisy.
  • the multifrequency resonator MR4 has two single-turn circular lines M42 and M41 separated from each other, and two other single-turn circular lines M43 and M44 which are concentric with each other and separated from the other two.
  • These four lines M41-M44, of different individual resonances, are thus spatially divided into three groups, typically coplanar, which can interact with the medium to be explored in three different sub-regions.
  • This arrangement makes it possible, for example, to use a large number of different lines without being limited by their size, as would be the case if it were sought to arrange them all concentrically with one another.
  • These different groups are each arranged in the axis of one of the petals of the S2 probe, which will therefore excite and measure them strictly simultaneously. For this reason, these four elementary transmission lines together form a single four-frequency MR.4 resonator, or WMFR-4.
  • the multifrequency resonator MR5 has three groups M511, M512, M513, each of four different single-turn circular lines concentric with each other. These different groups M511, M512, M513 are each arranged in the axis of one of the petals of the probe S2, which will therefore excite them and measure them strictly simultaneously. For this reason, these three groups together form a single four-frequency MR5 resonator, or WMFR-4, if these three groups are identical. This arrangement then makes it possible to explore a larger region with the same frequencies. If the three groups are different from one another, for example in thickness or material or spacing of the tracks, this arrangement also makes it possible to combine more numerous frequencies, up to twelve frequencies in the present case.
  • TLR can be combined in this type of arrangement to produce a single multifrequency resonator, provided they are coupled with a single and same probe, and therefore their overall impedance is measured by a single channel.
  • the MRI resonator is used to characterize without contact the contents 91 of a container 81 permeable to the magnetic field, for example non-magnetic or thin.
  • the resonator MR.1 is fixed on a fixed support 61, over which various containers pass, the contents of which it is sought to characterize, for example for quality control or for identification.
  • the resonator makes it possible to characterize without contact a region R1 of each of the containers 81 which successively pass above it.
  • Fig.16 illustrates an implementation in which the MRI resonator is integrated into the container 82, here implanted in its wall. It is thus possible to monitor the region R2 of the content 91, at any moment of its evolution, without having to open the container 82.
  • Fig.17 illustrates an implementation in which a plurality of multifrequency resonators MR7a to MR7h are installed in a large number of positions of the wall of a tank, for example a tank 83 of fuel 92, which is closed by a shutter 831.
  • These multifrequency resonators are respectively excited by a series of probes S7a to S7h, which are for example integrated into a contiguous plate or even implanted in or fixed to the external wall of the tank.
  • These resonators are dimensioned and positioned to characterize the medium present in a series of regions R7a to R7h, for example which encompass the interface surface between the wall of the tank and the fuel. By regularly or even permanently characterizing these interface regions, it is thus possible to follow the presence or the evolution of a possible film 928 of bacteria which develop at the possible points of corrosion or even promote it.
  • Fig.18 illustrates an implementation in which a matrix device comprising a plurality of multifrequency resonators MR8a to MR8h, each with its individual probe S8a to S8h, is set up onboard a living organism, here a mouse 93.
  • the Probes can also be placed in a separate device, and resonators can also be implanted directly inside the mouse's body.
  • Such a system can make it possible to perform a graphic characterization, due to the matrix arrangement of the resonators which each explore a different region R8a to R8h, of the evolution over time of all or part of the organism of the mouse.

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Abstract

L'invention se rapporte à un procédé et un système de caractérisation de milieux, notamment diélectriques, utilisant un résonateur multifréquences placé à distance de la région à caractériser et qui est excité et interrogé à distance par couplage inductif avec un sonde. Un lecteur mesure de façon monovoie l'impédance complexe de cette sonde lorsqu'elle est couplée avec ledit résonateur et que celui-ci interagit magnétiquement avec la région à caractériser. L'impédance analysée spectralement pour en extraire des impédances complexes individuelles, pour chacune des fréquences de résonance du résonateur. Ces impédances individuelles sont traitées pour calculer des propriétés électriques du milieu, telles que permittivité et/ou conductivité, qui fournissent des informations sur la nature et/ou l'évolution du milieu. L'invention porte aussi sur un résonateur multifréquence prévu pour un tel système ou procédé.

Description

Description
Titre de l'invention : "Dispositif et procédé de caractérisation électromagnétique d'un milieu par résonateur sans contact, objet et résonateur associés"
L'invention se rapporte à un procédé et un système de caractérisation de milieux, notamment diélectriques, utilisant un résonateur multifréquences placé à distance de la région à caractériser et qui est excité et interrogé à distance par couplage inductif avec un sonde. Un lecteur mesure de façon monovoie l'impédance complexe de cette sonde lorsqu'elle est couplée avec ledit résonateur et que celui-ci interagit magnétiquement avec la région à caractériser. L'impédance analysée spectralement pour en extraire des impédances complexes individuelles, pour chacune des fréquences de résonance du résonateur. Ces impédances individuelles sont traitées pour calculer des propriétés électriques du milieu, telles que permittivité et/ou conductivité, qui fournissent des informations sur la nature et/ou l'évolution du milieu.
L'invention porte aussi sur un résonateur multifréquence prévu pour un tel système ou procédé.
Ce résonateur comprend typiquement une pluralité de lignes de transmission interrompues, formant chacune un motif refermé sur lui-même et déterminant chacune une fréquence de résonance différentes des autres. Ces lignes sont imbriquées ou non entre elles, par exemple des anneaux brisés concentriques, mono ou multitours.
Etat de la technique
Dans de nombreux domaines effectuant du contrôle non destructif, par exemple pour la santé ou pour du contrôle de qualité, il est recherché de caractériser un milieu à travers ses caractéristiques électromagnétiques. Cela est recherché entre autres pour les milieux "diélectriques", souvent peu conducteurs, qui englobent en particulier des matières complexes, des milieux organiques et inorganiques, et des matériaux composites. Cette caractérisation électromagnétique utilise en particulier une quantification des interactions entre le milieu à caractériser et un champ électromagnétique le traverse.
Pour cela, il est connu d'utiliser des capteurs passifs, utilisant une ligne de transmission à laquelle est couplée à une antenne résonante. Certains capteurs de ce type sont des capteurs LC passifs à effet capacitif qui sont interrogeables à distance. Cette communication utilise la résonance électrique comme moyen d'interrogation à distance de la même façon qu'une étiquette RFID, comme divulgué dans la publication Huang et al. : "LC Passive Wireless Sensors Toward a Wireless Sensing Platform: Status, Prospects, and Challenges," Journal of Microelectromechanical Systems, vol. 25, no. 5, pp. 822-841, 2016.
Cependant, la plupart des capteurs de caractérisation existants, par exemple capteurs coaxiaux, antennes microondes, lignes de transmission circulaire (ou SRR pour "Split Ring Resonator"), fonctionnent au contact du milieu à tester. Ils fonctionnent en outre à des fréquences assez élevées qui sont de l'ordre de quelques 100MHz à quelques dizaines de GHz et ne permettent de remonter le plus souvent qu'à la seule permittivité relative.
Dans le domaine de l'imagerie médicale, des antennes passives sont développées pour la caractérisation non invasive de certains tissus, comme par exemple pour la détection du cancer du sein en microonde (de l'ordre du GHz) comme dans la publication Modiri et al. : "Review of breast screening: Toward clinical realization of microwave imaging: Toward," Medical Physics, vol. 44, no. 12, e446-e458, 2017 ; ou pour un dispositif d'imagerie comme l'IRM en tant qu'antennes radiofréquences (de l'ordre du MHz) comme divulgué dans la publication Gruber et al. : "RF coils: A practical guide for nonphysicists," Journal of Magnetic Resonance Imaging, vol. 48, no. 3, pp. 590-604, 2018.
Ces applications utilisent une antenne passive de type résonateur à ligne de transmission multitours, appelé "MTLR" pour "Multiturns Transmission Line Resonator", qui existe depuis une vingtaine d'années. Ce résonateur est formé par une unique ligne de transmission coupée, de forme circulaire et multi-tours, qui présente une fréquence de résonance déterminée. Ce type de résonateur est décrit par exemple dans la publication Serfaty, N. Haziza, L. Darrasse and S. Kan, "Multiturn split-conductor transmission-line resonators," Magnetic Resonance in Medecine, vol. 38, no. 4, pp. 687-689, 1997. Ces antennes radiofréquences ("RF") sont utilisées pour détecter le signal de résonance magnétique nucléaire (RMN) émis par les molécules du corps humain lorsqu'il est soumis à champ magnétique intense.
Ce type de résonateur à ligne de transmission multi-tours (MTLR) est maintenant utilisé depuis quelques années (au moins 2014) dans la mesure de propriétés diélectriques de milieux organiques et inorganiques, sans contact et par couplage inductif. Cela est décrit par exemple :
- pour de la caractérisation de tissus biologiques dans la publication Masilamany et al. (2014) : "Wireless implementation of high sensitivity radiofrequency probes for the dielectric characterization of biological tissues," in IEEE MeMeA 2014 - IEEE International Symposium on Medical Measurements and Applications, Proceedings, 2014, pp. 1-6.
- pour l'évaluation d'inclusions diélectriques dans un milieu, dans la publication de 2018 : A. Pasquier, Y. Le Diraison, S. Serfaty and P. . -Y. Joubert, "Multi-frequency detection of a dielectric object using flexible contactless RF sensors for tissue diagnosis," 2020 42nd Annual International Conference of the IEEE Engineering in Medicine & Biology Society (EMBC), 2020, pp. 4105-4108, doi: 10.1109/
EMBC44109.2020.9175769.
- pour l'évaluation de la profondeur des brûlures dans des tissus organiques, dans la publication de 2019 : Dinh, Serfaty, & Joubert - "Non- Contact Radiofrequency Inductive Sensor for the Dielectric Characterization of Burn Depth in Organic Tissues", in Sensors, 19(5), p. 1220 ;
- pour l'évaluation de la gélification du yaourt, dans la publication de 2017 : Dinh, Bore, Serfaty & Joubert - "Non invasive evaluation of yogurt formation using a contactless radiofrequency inductive technique", in Stud. Appl. Electromagn. Meeh. Electromagn. Nondestruct. Eval. Vol. 42 pp. 42 298-305 (2017). Un capteur de ce type présente une fréquence de résonance qui lui est propre, et fournit une bonne sensibilité lorsqu'il fonctionne et est excité à sa fréquence de résonance.
Ce type de caractérisation n'est cependant pas toujours précis pour obtenir certaines caractéristiques du milieu exploré, par exemple dans la nature et la composition du milieu, ou ses caractéristiques structurelles, en particulier pour des milieux complexes et/ou en évolution.
Un but de l'invention est de pallier en tout ou partie les inconvénients de l'état de la technique. Il est recherché en particulier une caractérisation plus précise et/ou plus variée de la nature (par exemple sa composition, hygrométrie, évolution physico-chimique et biologique) et/ou de la structure du milieu, par exemple en explorant de façon plus précise les propriétés électriques, à différentes échelles dans le temps et dans l'espace ; mais aussi de façon plus souple dans sa mise en œuvre, par exemple afin de permettre des mesures plus simples, moins invasives, plus adaptées au contexte fonctionnel, ou significatives de l'état ou de l'évolution du milieu exploré.
Présentation de l'invention
Pour cela, l'invention propose un procédé de caractérisation d'au moins une région à explorer au sein d'un milieu à caractériser, comprenant au moins les étapes suivantes.
Une étape de couplage inductif sans contact d'une sonde, de façon simultanée, avec une pluralité de lignes de transmission agencées pour présenter des fréquences de résonance différentes les unes des autres. Ces lignes de transmission formant ensemble un résonateur multifréquence, situé à proximité de ladite région explorée mais sans nécessiter de contact avec ladite région explorée, dont les lignes de transmission interagissent avec la région à explorer. Typiquement ces lignes interagissent aussi entre elles. Chacune de ces lignes de transmission, ou "TLR." pour "Transmission Line Resonator", peut ainsi être considérée comme une "ligne de transmission élémentaire" ou un "résonateur élémentaire" au sein d'un tel résonateur multifréquences. Une étape de mesure (104) de la variation d'impédance dudit résonateur multifréquence, qui peut se faire sous la forme d'un signal unique constituant une unique voie de mesure, par un lecteur qui interagit avec ladite sonde. Le lecteur est par exemple un appareil externe qui lui est connecté, tel qu'un analyseur réseau vectoriel d'un type classique. Il peut aussi être intégré en tout ou partie à ladite sonde.
Une étape de traitement (103) de ladite mesure de variation d'impédance, comprenant une analyse spectrale (103) en fonction de la fréquence, de façon à déterminer une pluralité d'impédances individuelles (Zml-Zm8) mesurées pour une pluralité de fréquences de mesure (respectivement fml-fm8). Cette analyse spectrale typiquement une analyse vectorielle fournissant le module, le décalage, la fréquence, la phase, la partie réelle et/ou la partie imaginaire de ladite impédance. Elle s'effectue par exemple sur une large bande en un ou plusieurs-morceaux, de façon à couvrir l'ensemble des fréquences de résonance attendues.
Les fréquences de mesures sont définies autour des fréquences de résonance, notamment par un modèle analytique. Typiquement, les fréquences de mesures sont déterminées par rapport aux fréquences de résonance, par exemple dans une pluralité de bandes correspondant chacune à une des fréquences de résonance, notamment incluant une telle fréquence de résonance.
Une étape de traitement (104) d'une ou plusieurs desdites impédances individuelles pour extraire une ou plusieurs propriétés électriques de ladite zone explorée.
Typiquement, chacune de ces lignes de transmission est formée selon une trajectoire "quasi-fermée", c'est-à-dire refermée sur elle-même tout en laissant subsister une interruption non conductrice, appelée "fente" en Français ou "gap" en Anglais. Cette ligne peut prendre différentes formes et dimensions, tout en conservant une trajectoire linéaire suffisamment refermée sur elle-même pour lui permettre de rayonner un champ magnétique. De cette façon, on obtient par exemple une grandeur proportionnelle à la conductivité et/ou la permittivité du milieu dans cette zone et pour cette fréquence.
Typiquement, ces fréquences sont déterminées par les caractéristiques telles que les dimensions et le matériau des lignes du résonateur, leur disposition relative entre elles et vis-à-vis d'un éventuel substrat, et les caractéristiques de dimension et nature d'un tel substrat.
Les inventeurs ont identifié un modèle permet de prédire les fréquences de résonance du résonateur multifréquence à partir de ce type de caractéristiques.
Un autre modèle est utilisé pour extraire les valeurs des propriétés électriques complexes (au sens mathématique du terme) à partir des valeurs d'impédance mesurées par le lecteur.
L'invention propose ainsi un procédé mettant en œuvre un dispositif inductif sans contact destiné à la caractérisation des milieux diélectriques complexes. Il s'agit d'un multi résonateur passif simple et à faible coût financier comme écologique, rayonnant, interrogeable et excitable à distance par couplage inductif. Un tel dispositif est ici appelé "résonateur multifréquence", ou WMFR pour "Wireless Multi Frequencies Resonator".
Il présente une forte sélectivité qui lui permet d'interagir avec le milieu environnant grâce aux ondes électromagnétiques rayonnées, et dont l'étalement spectral est contrôlé afin de suivre sans contact les caractéristiques diélectriques complexes. En présence d'un champ électromagnétique variable, typiquement généré par une bobine d'excitation à proximité appelée ici "sonde", ce dispositif à fort coefficient de qualité résonne à plusieurs fréquences différentes, lesquelles sont prédéterminées par le dimensionnement des pistes conductrices (typiquement des anneaux) vues comme des lignes de transmission rayonnantes enchevêtrées.
Par réciprocité, le WMFR génère pour chacune de ces fréquences un champ magnétique dont la réponse spectrale est modifiée par les propriétés diélectriques du milieu environnant, "milieu exploré". Son impédance équivalente autour de chacune des fréquences de résonance peut alors être mesurée par couplage inductif par émission-réception à l'aide de la sonde. L'invention permet ainsi d'obtenir des informations plus variées et/ou plus précises, en particulier à l'échelle mésoscopique c'est-à-dire allant approximativement du millimètre au centimètre.
De par sa construction, un tel WMFR est un résonateur passif à N fréquences de résonances, les N fréquences étant ajustables par dimensionnement des lignes de transmission. L'interrogation de ce résonateur pour accéder à son spectre d'impédance se fait typiquement à l'aide d'une seule voie de mesure : par la simple mesure de l'impédance aux bornes du circuit inductif de la sonde, par exemple par un analyseur de réseau vectoriel.
Le résonateur étant passif et interrogeable à distance, et qui plus est de faible coût et dimensions, il est facilement intégrable dans le milieu d'investigation, éventuellement à demeure, par exemple portable voire implantable, notamment pour des applications médicales ou de contrôle de dégradation d'un objet.
Il peut être réalisé sur support planaire et souple, ce qui le rend faiblement invasif. Sa réalisation est relativement simple et à bas coût, notamment par les technologies de cartes de circuits imprimés, qui sont souples et bien éprouvées. Il peut donc être intégré dans de nombreuses structures. Il peut également être réalisé en micro technologies sur polymères biocompatibles pour des applications biologiques ou médicales.
Une telle technique de mesure est sans contact avec le milieu à explorer, non invasive, et multifréquence. Le résonateur multifréquences lui- même est passif et peut donc être intégré à une structure ou un récipient ou un emballage par exemple pour un contrôle qualité ou un contrôle de dégradation d'un objet. Il peut aussi être apposé sur une plante par exemple pour un suivi de croissance ou de maturité. Il peut aussi être porté comme accessoire ou dans un vêtement, ou implanté dans un organisme in vivo, par exemple pour une application médicale ou de bien-être. Il peut être jetable, par exemple s'il est placé dans un pansement médical ou dans un emballage de produit alimentaire. En utilisation, le WMFR. peut être associé à une électronique de lecture monovoie simple et distante, tout en permettant une analyse spectrale des propriétés diélectriques recherchées.
Contrairement aux capteurs conventionnels ou aux systèmes de caractérisation diélectrique des milieux (comme par exemple à antennes micro-ondes qui nécessitent un couplage électrique avec une ligne de transmission ou une connexion électrique), un tel WMFR multifréquence est passif et peut être interrogé à distance dans le cadre d'une utilisation telle qu'exposée ici.
Le WMFR. étant sans contact avec le milieu, la mesure n'est pas perturbée par la qualité des contacts du capteur avec le milieu investigué, contrairement à ce qui arrive pour les capteurs capacitifs ou les électrodes de bio-impédance. En outre, du fait que le WMFR permet une mesure multi fréquence de façon simultanée, le système de caractérisation associé permet une estimation plus robuste des grandeurs diélectriques recherchées.
Outre le fait que l'accès aux paramètres diélectriques du milieu à plusieurs fréquences permet d'enrichir la qualité de la caractérisation, elle permet le cas échéant d'utiliser une ou plusieurs fréquences d'analyse pour calibrer le WMFR vis-à-vis de grandeurs d'influence potentiellement gênantes pour la mesure, par exemple des variations de températures importantes, variations de distance entre le WMFR et le milieu à investiguer, ou des variations de volume du mesurande.
La variation de géométrie associée aux différents éléments résonants du WMFR, permet d'envisager un dispositif dont les zones d'investigation, et notamment en profondeur, dépendent directement des caractéristiques de l'élément qui est mis en résonance.
En effet, pour des antennes résonantes, la profondeur de pénétration du champ magnétique généré dans le milieu est directement liée à son diamètre. Ici les différents éléments résonants (les différentes lignes de transmission) du WMFR ayant des dimensions différentes entre elles, par exemple par une structure gigogne, chacun d'eux va engendrer une profondeur d'examen différente, ce qui donne un caractère tomographique à cette investigation. Cela peut s'avérer particulièrement intéressant dans de nombreux cas, par exemple dans le cadre de la détection et/ou localisation d'anomalies diélectriques dans un milieu, telles qu'une tumeur dans un tissu, ou une fissure dans un béton ou un acier.
A titre de comparaison, des procédés tels que les capteurs coaxiaux et les capteurs capacitifs nécessitent un contact avec le milieu ; les antennes radiofréquences et microondes nécessitent en outre une connexion électrique pour leur utilisation. Il faut également noter que la plupart de ces capteurs, notamment coaxiaux et antennes microondes, fonctionnent à des fréquences de quelques 100 MHz à quelques dizaines de GHz, c'est à dire supérieures à celles du procédé exposé ici. Ils accèdent donc à des paramètres diélectriques du milieu qui sont essentiellement relatifs à la permittivité relative du milieu, mais ne permettent que difficilement de remonter à la conductivité électrique des milieux.
De nombreux secteurs peuvent avoir l'utilité de l'invention. Il s'agit par exemple et de façon no limitative des secteurs suivants :
Secteur agroalimentaire : caractérisation de végétaux et suivi de la santé des animaux ; suivi des procédés alimentaires et par exemple de la culture, maturation, hydrométrie, vieillissement et contrôle de la fraicheur et qualité des aliments, notamment durant le stockage, transport, conditionnement, maturation naturelle ou accélérée ou artificielle
Secteur de la santé, par caractérisation des tissus biologiques via leurs propriétés diélectriques : détection des lésions telles que des tumeurs ou d'autres lésions internes, caractérisation des lésions, comme pour des tumeurs, blessures, brûlures, ou maladies de peau, suivi de leur évolution dans le temps.
Caractérisation de différentes types de matières molles, ou de géophysique pour la caractérisation des sols, cosmétique, etc.
"Contrôle Santé Intégré (ou Structural Health Monitoring) pour différents types d'objets ou d'ouvrages : génie civil, aéronautique, plus particulièrement pour tous les milieux peu conducteurs, par exemple carbone, béton, bois, matériaux composites.
Nombre de ces applications ou d'autres sont alors déclinables sous la forme d'objets connectés, participant à ou assurant de tells fonctions.
Différentes particularités de l'invention vont être exposées, qui peuvent être ou non combinées entre elles. Selon une particularité de l'invention, les impédances individuelles de plusieurs fréquences de résonance différentes, ou les propriétés électriques respectives qui en sont extraites, sont combinées pour fournir une caractérisation de la région à explorer en des parties situées à différentes distances du résonateur multifréquence. Cela permet par exemple pour fournir une imagerie et/ou une tomographie de la région à explorer.
En particulier, la taille de l'antenne a une influence directe sur la profondeur de pénétration, et donc la position en profondeur de la région explorée.
Selon une autre particularité, les impédances individuelles de plusieurs fréquences de résonance différentes, ou les propriétés électriques respectives qui en sont extraites, sont combinées pour fournir une caractérisation plus précise d'une même partie de la région à explorer. Par exemple en utilisant les valeurs issues des différentes fréquences pour fournir une valeur plus précise d'une propriété électrique. Ou par exemple en utilisant les différentes fréquences pour extraire des propriétés différentes, lesquelles s'appliquent à la même région investiguées et peuvent donc donner des informations plus précises sur ladite région.
Encore selon une autre particularité, ce procédé est utilisé pour réaliser une pluralité de caractérisations à des instants différents, de façon à fournir un suivi dans le temps d'une région à explorer incluant au moins un matériau ou objet en évolution.
Selon encore une autre particularité, ce procédé met en œuvre un ou plusieurs résonateurs multifréquences qui sont intégrés ou implantés dans un objet ou système de façon à caractériser une région à explorer, laquelle région à explorer inclut un matériau appartenant audit objet, et/ou un matériau au contact ou à proximité dudit objet, et/ou une interface entre lesdits matériaux. Selon cette particularité, ce procédé est mis en œuvre de façon à obtenir une pluralité de caractérisations réparties dans le temps pour ladite région à explorer et ainsi fournir un suivi dans le temps d'une évolution de la région à explorer.
Cela permet par exemple de surveiller l'état d'un matériau, comme son étanchéité, ou l'apparition de matériaux ou phénomènes nouveaux, ou pour surveiller les propriétés statiques ou dynamiques d'un corps fluide ou solide situé ou passant à proximité ou au contact dudit objet.
Système et dispositif mettant en œuvre le procédé
Selon un, autre aspect de l'invention, il est proposé un système de caractérisation sans contact d'au moins une région dite explorée au sein d'un milieu à caractériser, du type comprenant :
- au moins un résonateur à lignes de transmission (au sens de linéaire mais pas nécessairement rectiligne), prévu pour être disposé à proximité de ladite région explorée, mais sans nécessiter de contact avec ladite région explorée,
- une sonde agencée pour : o d'une part être couplée par couplage inductif avec ledit résonateur au moyen d'un circuit à boucle inductive, et o d'autre part pour interagir avec au moins un lecteur (typiquement par connexion électrique, le lecteur pouvant être intégré ou non dans un même boîtier que ladite sonde) ;
Selon l'invention, ce résonateur comprend une pluralité de lignes de transmission, agencées pour présenter des fréquences de résonance différentes les unes des autres et formant ainsi un résonateur multifréquences dont les lignes de transmission interagissent avec la région à explorer, et typiquement aussi entre elles. Typiquement, ces interactions créent des modifications des réponses individuelles desdites lignes de transmission, notamment en fréquence de résonance et en largeur de bande autour de cette fréquence de résonance.
Cette même sonde est agencée pour interagir simultanément avec l'ensemble dudit résonateur multifréquence, c'est-à-dire avec l'ensemble formé par la pluralité de lignes. Ce lecteur est alors agencé pour interagir avec ladite sonde de façon à mettre en œuvre un procédé tel qu'exposé ici. Les propriétés électriques fournies par le procédé sont alors employées pour caractériser le milieu dans la région à explorer. Typiquement, cette ligne de transmission élémentaire est formée par des pistes conductrices déposées sur les deux faces opposées d'un substrat isolant planaire à faibles pertes. Ces pistes conductrices sont de préférence disposées l'une par rapport à l'autre de façon à ce que leur(s) interruption(s) sur une face ne soient pas en face de la ou les fentes de l'autre face. Il est cependant aussi possible de n'utiliser qu'une seule piste pour chaque ligne de transmission.
Système selon la revendication précédente, caractérisé en ce que le résonateur multifréquence comprend une pluralité de lignes de transmission distinctes et non connectées entre elles qui sont réalisées chacune par au moins une piste conductrice formée sur un substrat diélectrique, typiquement peu ou pas conducteur bidimensionnel, possiblement plan ou en forme non plane, et par exemple souple. Cette piste est formée selon une trajectoire "quasi-fermée", c'est-à-dire refermée sur elle-même tout en laissant subsister une interruption non conductrice. Cette piste peut prendre différentes formes et dimensions, tout en conservant une trajectoire linéaire suffisamment refermée sur elle-même pour lui permettre de rayonner un champ magnétique.
Ce type de ligne de transmission est par exemple une piste en forme d'anneau brisé circulaire, connue sous le nom de "split ring" en vocabulaire anglo-saxon. D'autres motifs sont prévus, circulaires ou non, arrondis ou non, possiblement en spirale ou de rayon variable.
De préférence, chaque ligne comprend deux pistes formées chacune sur l'une des deux faces opposées d'un même substrat, en vis-à-vis et en opposition angulaire l'une de l'autre.
Au sein de la pluralité de lignes de transmission, les fréquences de résonance différentes sont obtenues typiquement en leur donnant des dimensions différentes. Alternativement ou en combinaison, ces différences de fréquences sont obtenues par des combinaisons différentes d'un ou plusieurs paramètres choisis parmi la longueur de la piste, la géométrie de sa trajectoire (typiquement le rayon), la largeur de la piste, l'épaisseur de la piste, la nature du matériau de la piste, l'épaisseur du substrat, et la nature du matériau du substrat. Il est prévu aussi de réaliser une ligne de transmission élémentaire à une ou plusieurs ouvertures, c'est-à-dire formée par plusieurs pistes non connectées entre elles mais suffisamment proches et/ou imbriquées les unes des autres pour rayonner sur une même fréquence et dans une même région spatiale.
Il est aussi prévu de réaliser une ligne de transmission élémentaire avec plus de deux couches, ou avec une seule couche.
Selon une particularité, tout ou partie des lignes de transmission du résonateur multifréquence forment chacune une trajectoire quasi-fermée à un seul tour, typiquement un anneau brisé circulaire monotour.
Alternativement ou en combinaison, il est prévu aussi d'utiliser des trajectoires multi-tours, par exemple en spirale continue ou à décalages discrets, et notamment de façon connue.
Selon une autre particularité, le résonateur multifréquence comprend une pluralité de pistes conductrices de forme quasi fermée qui sont enfermées l'une à l'intérieur de l'autre.
Selon encore une autre particularité, le résonateur multifréquence comprend une pluralité de lignes de transmission distinctes et non connectées entre elles, qui sont réalisées chacune par une piste conductrice formée sur un substrat isolant bidimensionnel, notamment appariées entre elles des deux côtés dudit substrat, en vis-à-vis et angulairement décalées, selon une trajectoire "quasi-fermée" et notamment circulaire. Selon cette particularité, au moins deux lignes de transmission de fréquences différentes sont disposées de manière non imbriquées l'une dans l'autre, dites séparées. La sonde comprend alors un circuit à boucle inductive dont la forme est agencée pour pouvoir obtenir un couplage inductif simultané avec lesdites deux lignes de transmission séparées, formant notamment une boucle conductrice présentant des excroissances mono-tour ou multi-tours disposées de façon à pouvoir superposer une excroissance sur chacune desdites lignes de transmission séparées. Il peut s'agir par exemple d'un motif en fleur de marguerite, dont les différents pétales viennent chacun recouvrir l'un des anneaux brisés d'un résonateur à plusieurs anneaux brisés séparés.
Encore selon une autre particularité, le résonateur multifréquence comprend une pluralité de lignes de transmission distinctes et non connectées entre elles, qui sont réalisées par des pistes conductrices (cl4a, cl4b) formées chacune selon une trajectoire "quasi-fermée", et notamment circulaire, de façon coplanaire ou sur un même substrat isolant bidimensionnel.
Tout ou partie desdites lignes peuvent aussi être disposées de façon non coplanaires entre elles.
Elles sont par exemple disposées sur des plans (ou surfaces bidimensionnelles) distincts et sensiblement parallèles entre eux. Ces plans ou surfaces sont strictement par exemple parallèles entre eux, ou présentent entre eux un angle de moins de 45°, notamment de moins de 20° voire moins de 5°.
Chaque ligne peut aussi présenter une trajectoire en trois dimensions, c'est-à-dire ne s'inscrivant pas dans une surface bidimensionnelle simple, dès lors que cette trajectoire permet de rayonner un champ magnétique dirigé avec des lignes de flux qui traversent de façon commune les différentes lignes de transmission. Il peut s'agir par exemple d'une disposition en spirale sur un cône, d'un anneau circulaire autour d'un axe mais avec des variations de position axiale le long de sa trajectoire.
Selon un autre exemple, elles sont disposées sur des plans ou surfaces bidimensionnelles non parallèles entre eux, par exemple pour être couplées dans des directions différente avec des parties ou boucles inductives différentes de la sonde.
Selon un mode de réalisation préféré, ce résonateur multifréquence comprend une pluralité de lignes de transmission distinctes et non connectées entre elles, qui sont réalisées chacune par une piste conductrice formée sur un même substrat isolant bidimensionnel, chacune selon une trajectoire "quasi-fermée", par exemple mono-tour et notamment circulaire ; dans lequel ces lignes de transmission sont disposées l'une à l'intérieur de l'autre, et notamment de façon concentrique entre elles.
Selon encore un autre aspect de l'invention, il est proposé un résonateur à ligne de transmission, du type apte à communiquer par couplage inductif avec une sonde à boucle inductive pour être excité par ladite sonde, de façon à interagir avec ladite sonde. Selon cet aspect, ce résonateur comprend une pluralité de lignes de transmission de forme quasi fermée qui sont enfermées l'une à l'intérieur de l'autre, notamment des cercles concentriques, et qui sont agencées pour former ensemble un résonateur multifréquence apte à être mis en œuvre au sein d'un système ou d'un procédé tel qu'exposé ici.
Selon une particularité, chaque ligne de transmission forme un unique tour.
Résonateur(s) implanté(s)
Encore selon un autre aspect de l'invention, il est proposé un objet ou système comprenant au moins un résonateur à ligne de transmission, lequel résonateur comprend une pluralité de lignes de transmission, agencées pour présenter des fréquences de résonance différentes les unes des autres et formant ainsi un résonateur multifréquences dont les lignes de transmission interagissent avec la région à explorer, et typiquement aussi entre elles.
Selon cet aspect, ce résonateur multifréquence agencé pour former un couplage inductif avec une sonde à boucle inductive, de façon à interagir avec ladite sonde :
- pour former avec elle un système de caractérisation tel qu'exposé ici, lequel est agencé pour caractériser une région à explorer (possiblement distante dudit résonateur) au sein d'un milieu à caractériser, et/ou
- pour être mis en œuvre au sein d'un procédé tel qu'exposé ici ;
Typiquement, cette région à explorer inclut un matériau appartenant audit objet, et/ou un matériau au contact ou à proximité dudit objet, et/ou une interface entre lesdits matériaux.
On obtient ainsi un "objet implanté" ou un "système implanté" qui peut être suivi de façon régulière voire continue, par un lecteur séparé ou intégré, par exemple dans des emplacements nombreux ou difficiles d'accès, et de façon très régulière puisque le ou les résonateurs restent dans une position très stable par rapport à l'objet ou au système ainsi implanté.
Selon une particularité, cet objet ou système comprend au moins une sonde disposée de façon à pouvoir communiquer avec le résonateur multifréquence par couplage inductif, où ledit résonateur multifréquence et ladite sonde sont agencés pour former un système de caractérisation tel qu'exposé ici ou pour être mis en œuvre au sein d'un procédé de caractérisation tel qu'exposé ici.
Des modes de réalisation variés de l'invention sont prévus, intégrant selon l'ensemble de leurs combinaisons possibles les différentes caractéristiques optionnelles exposées ici.
Brève description des dessins
D'autres particularités et avantages de l'invention ressortiront de la description détaillée d'un mode de mise en œuvre nullement limitatif, et des dessins annexés sur lesquels :
[Fig. la] : les Fig. la et Fig.lb sont des plans en vue de dessus à l'échelle qui illustrent des résonateurs multifréquences selon des exemples de modes de réalisation de l'invention, avec :
[Fig. la] : résonateur à quatre mailles circulaires mono-tour imbriquées, et
[Fig.lb] : résonateur à huit mailles circulaires mono-tour imbriquées [Fig.2] : la Fig.2 est un plan en vue de dessus à l'échelle qui illustre un résonateur multifréquence selon un exemple de mode de réalisation de l'invention, avec quatre mailles circulaires imbriquées, dont une mono-tour et les autres multi-tours ;
[Fig.3a] : les Fig.3a et Fig.3b représentent un exemple d'une ligne de transmission élémentaire (ou TLR.) de type circulaire monotour, pouvant être utilisée au sein du résonateur multifréquence selon un exemple de mode de réalisation avec :
[Fig.3a] : vue schématique partielle, en vue de dessus en coupe transversale et en perspective éclatée,
[Fig.3b] : modèle électrique des interactions entre le TLR de la Fig.3a pris à lui seul, une boucle inductive de contrôle, et un analyseur de réseau vectoriel ;
[Fig.4] : la Fig.4 est une vue schématique partielle, en vue de dessus et en coupe transversale, d'une ligne de transmission élémentaire (ou TLR) multi-ouvertures, à six lignes de transmission circulaires par portions et de rayons décroissants, concentriques entre elles et décalées de 60°, formées chacune par deux pistes disposées chacune sur l'une des deux faces d'un substrat mince isolant, en vis-à-vis et décalées angulairement entre elles ; [Fig.5] : la Fig.5 est une vue en perspective à l'échelle d'un banc expérimental utilisant le résonateur de la Fig.lb à huit fréquences de résonance pour caractériser le contenu liquide d'un récipient isolant, par interrogation à travers la paroi de fond du récipient ;
[Fig.6] : la Fig.6 est un schéma électrique équivalent, d'un résonateur à trois fréquences de résonance, illustrant ses interactions une sonde et avec un milieu à caractériser ;
[Fig.7] : la Fig.7 est une courbe illustrant, pour le résonateur 8 résonances de la Fig.lb, le module de l'impédance mesurée Zmes en fonction de la fréquence, dans son ensemble et avec un zoom sur les pics de faibles intensité ;
[Fig.8] : la Fig.8 est une courbe illustrant de manière simulée, pour le résonateur 4 résonances de la Fig. la à vide, la partie réelle de l'impédance mesurée Zmes en fonction de la fréquence ;
[Fig.9] : la Fig.9 est une courbe similaire à celle de la Fig.8, simulée pour le résonateur 8 résonances de la Fig.lb ;
[Fig.10] : la Fig.10 est un graphique qui représente une comparaison des fréquences de résonances telles qu'obtenues : de façon expérimentale, modélisée semi-analytiquement, et par simulation :
(a) : pour le résonateur à 4 fréquences de la Fig. la, et
(b) : pour le résonateur à 8 fréquences de la Fig.lb ;
[Fig.11] : la Fig.11 est un graphique qui illustre individuellement, pour chacune des quatre mailles du résonateur à 4 fréquences de la Fig. la, la résistance induite en fonction de la conductivité du milieu à caractériser, formé par une solution aqueuse de NaCI ;
[Fig.12] : la Fig.12 est un diagramme symbolique qui illustre schématiquement le fonctionnement du procédé de caractérisation selon plusieurs exemples de modes de réalisation de l'invention ;
[Fig.13] : la Fig.13 est un schéma en vue de dessus qui illustre un résonateur multifréquence à quatre fréquences, interrogeable par une même sonde, selon un exemple de mode de réalisation de l'invention dans lequel le résonateur comprend deux mailles imbriquées entre elles et deux autres mailles non imbriquées ;
[Fig.14] : la Fig.14 est un schéma en vue de dessus qui illustre un résonateur multifréquence, interrogeable par une même sonde, selon un exemple de mode de réalisation de l'invention dans lequel le résonateur comprend trois groupes séparés comprenant chacun quatre lignes de transmission imbriquées entre elles ;
[Fig.15] : la Fig.15 est un schéma en coupe transversale qui illustre un exemple de mise en œuvre de l'invention pour caractériser sans contact le contenu d'un récipient perméable au champ magnétique ;
[Fig.16] : la Fig.16 est un schéma en coupe transversale qui illustre un exemple de mise en œuvre de l'invention pour caractériser sans contact le contenu d'un récipient comprenant un résonateur implanté dans l'épaisseur de sa paroi ;
[Fig.17] : la Fig.17 est un schéma en coupe transversale qui illustre un exemple de mise en œuvre de l'invention pour caractériser sans contact l'état de la surface interne d'un réservoir comprenant une pluralité de résonateur implantés dans sa paroi ;
[Fig.18] : la Fig.18 est un schéma qui illustre, selon un exemple de mode de réalisation de l'invention, une utilisation d'un dispositif matriciel comprenant une pluralité de résonateurs multifréquences avec chacun sa sonde individuelle, pour effectuer une caractérisation graphique et en évolution dans le temps d'un organisme in vivo ;
[Fig.19] : la Fig.19 est un schéma en coupe transversale qui illustre selon un exemple de mode de réalisation de l'invention, une utilisation d'un dispositif comprenant un résonateur multifréquence et sa sonde individuelle pour effectuer une surveillance de l'évolution dans le temps d'un corps biologique en décomposition, (ici un steak de veau)
[Fig.20] : la Fig.20 est un graphique qui illustre l'inductance induite dans le corps de la Fig.19, en fonction de la durée écoulée ;
[Fig.21] : la Fig.21 est un graphique qui illustre la résistance induite dans le corps de la Fig.19, en fonction de la durée écoulée. Description détaillée, et exemples de modes de réalisation en référence aux figures
Le WMFR en lui-même est une structure passive constituée de l'association de structures passives résonantes à ligne de transmission coupées, qui peut être représentée par autant de circuit RLC couplés que de lignes de transmissions ainsi mises en œuvre. Chacune de ces lignes de transmission individuelle est ici appelée TLR. pour "Transmission Line Resonator", ou "maille" car équivalent à une maille de circuit dans une représentation électrique équivalente telle que celle de la Fig.6.
En Fig. la et Fig.lb sont illustrés des exemples de résonateurs multifréquences selon des exemples de modes de réalisation de l'invention. La Fig. la présente un exemple de résonateur multifréquence MRI à quatre lignes Mil à M14, lesquelles sont circulaires mono-tour imbriquées et concentriques. La Fig.lb présente un exemple de résonateur multifréquence MR2 à huit lignes M21 à M28, qui sont circulaires mono-tour imbriquées et concentriques.
En Fig.2 est illustre un autre exemple de résonateur multifréquence MR3, avec quatre lignes circulaires M31 à M34 imbriquées et concentriques, dont l'une M32 est mono-tour et les autres M31, M33, M34 sont multi-tours.
En Fig.3a est illustrée la disposition en trois dimensions de l'une des lignes de transmission d'un tel résonateur, ici la ligne monotour la plus grande M14 du résonateur de la Fig. la. Comme on le voit dans la vue en coupe transversale, cette "ligne de transmission", ici considérée comme un unique élément, est ici réalisée par deux pistes circulaires coupées (ou "ouvertes") : à raison d'une piste circulaire disposée sur chacune des deux faces d'un substrat mince dl diélectrique voire isolant, ici un substrat souple de Kapton. Chaque piste ouverte au sein d'une ligne présente une interruption ou espace, ici appelée "fente" (ou "gap" en vocabulaire anglo-saxon), par exemple référencé G14 pour la ligne.
Il est possible de réaliser cette ligne de transmission en une seule piste, mais la disposition en un groupe de plusieurs pistes de mêmes dimensions et placées en vis-à-vis l'une de l'autre est préférée, entre autres pour une meilleure efficacité.
Dans les modes de réalisation à deux pistes (voire plus), celles-ci sont de préférence planes et parallèles entre elles, et/ou radialement identiques. Cette disposition est ici assurée par leur positionnement sur les deux faces du substrat, mais toutes les solutions techniques permettant de réaliser cette disposition sont utilisables aussi.
Typiquement les différentes pistes formant une même ligne de transmission sont disposées en vis-à-vis l'une de l'autre, et avec leurs fentes respectives décalées angulairement entre elles. Dans cet exemple, la fente G14 de la piste supérieure (cette piste supérieure étant ici référencée M14 comme la ligne de transmission à laquelle elle participe) est située en vis-à- vis d'une partie pleine de la piste opposée M14'. De même, la fente G14' de la piste inférieure M14' est disposée en vis-à-vis d'une partie pleine de la piste supérieure M14. De préférence leurs fentes respectives sont chacune dans une position angulaire la plus éloignée possible de la ou les fentes de la piste opposée, ici dans des positions diamétralement opposées.
A l'inverse des résonateurs habituels, qui recherchent plutôt à minimiser le courant de mode commun, on obtient ainsi dans l'invention une maximisation du courant de mode commun, car le décalage entre les deux faces permet une compensation des modes différentiels.
Ces deux pistes vont ensemble pour former une unique ligne de transmission M14, qui présente une unique fréquence de résonance, déterminée en particulier par la géométrie de ces pistes.
En Fig.4 est illustré un autre exemple, dit multi-ouvertures ou "multi- fentes", d'une ligne de transmission Ml fonctionnant avec une unique fréquence de résonance. Chaque face du substrat dl porte une piste Ml (et Ml'), qui est constituée de plusieurs portions non connectées entre elles. Dans cet exemple, il y a six portions Mla à Mlf, qui sont circulaires par portions et de rayons décroissants, concentriques entre elles et décalées de 60°. Ces portions sont formées chacune par deux pistes disposées chacune sur l'une des deux faces d'un substrat mince isolant, en vis-à-vis et décalées angulairement entre elles. Chaque piste présente une fente, par exemple Gla pour la piste Mla. Sur la face opposée du substrat, la piste multi-portion Ml' associée présente la même disposition de six portions, mais leurs fentes sont angulairement décalées par rapport à ceux de la piste multi-portion Ml. Ainsi, la fente Gla' de la portion Mla' de la face présentée à droite est décalé de 30° par rapport à celui Gla de l'autre face. Chacune de ces fentes Gla et Gla' se trouve donc en vis-à-vis d'une portion pleine de la piste opposée. Bien que ce motif présente plusieurs portions de pistes non connectées entre elle, leur disposition imbriquée leur permet de fonctionner ensemble comme une unique ligne de transmission avec une unique fréquence de résonance. Cette ligne multiportions, ou multi-ouvertures, peut aussi être utilisée comme l'une des lignes d'un résonateur multifréquence, en lieu et place d'une ligne monoportion, et dans toutes leurs combinaisons possibles.
La Fig.6 représente un modèle électrique d'interactions qui représente la mise en œuvre de ce type de structure dans un montage expérimental associant une bobine d'excitation/lecture distante connectée à un analyseur vectoriel d'une part, et placée à proximité d'un milieu à investiguer d'autre part (cf. Fig.5 et Fig.15 à Fig.19).
Ce modèle analytique a été validé expérimentalement et par modélisation numérique par éléments finis issue de HFSS. Grâce à ce modèle complet, il est possible de dimensionner le WMFR et de choisir ainsi la réponse spectrale souhaitée. Il est également possible d'extraire l'impédance induite dans le milieu environnant le résonateur WMFR., laquelle est représentative des propriétés diélectriques complexes. Ces modèles ont été confirmés par un banc d'essais avec une précision de l'ordre de quelques %.
L'étape d'extraction de l'impédance induite du milieu autour de chaque fréquence de résonance se fait à l'aide d'un algorithme d'ajustement complexe entre les données de mesure et du modèle d'interaction issu du schéma de la Fig.3a. A titre d'exemple, nous montrons le spectre de conductivité d'un milieu organique (steak de veau) que nous avons laissé évoluer durant 5 jours à température ambiante, et que nous avons mesuré à l'aide d'un WMFR 8 résonances entre 20 MHz et 350 MHz (Fig.5). Nous observons l'allure de la conductivité en fonction de la fréquence d'observation et du temps. Modélisation et résonance de la ligne de transmission élémentaire (TLR)
La condition de résonance de cette ligne de transmission élémentaire, ou TLR., peut se déterminer à partir d'un modèle semi-analytique impliquant les éléments constitutifs et géométriques du résonateur.
Par exemple dans le cas d'une ligne de transmission (TLR) circulaire et monotour comme en Fig.3a, on utilise les éléments constitutifs et géométriques suivants :
- rayon extérieur : Rext
- largeur de piste : Wd
- épaisseur de conducteur : thcond
- épaisseur de diélectrique: thdieiec
Dans le cas d'une ligne de transmission circulaire et multitours, comme les lignes M31, M33 et M34 du résonateur MR3 de la Fig.2, d'autres paramètres doivent également être pris en compte, tels que :
- nombre de tour: Nt
- écart entre les pistes
- le nombre d'ouvertures (fentes) : n
L'ensemble de ces paramètres contribue à la condition de résonance de la ligne de transmission élémentaire, qui s'écrit d'après l'équation suivante : où :
- "œ" est la fréquence angulaire
- "n" est le nombre d'ouverture
- "A" est l'inductance totale équivalente du résonateur
- "Z" est l'impédance caractéristique de la ligne de transmission
- "Ere" est permittivité relative effective de la ligne
- "xi" est la longueur de ligne moyenne
- "c" est la vitesse de la lumière dans le vide A partir de cette relation, et des travaux développés dans les documents [22], [23], [24], [25] (listés en annexe) qui permettent de déterminer les couplages entre des lignes de transmission et leur impédance caractéristique, il est possible de pré-déterminer la fréquence de résonance du TLR., son inductance totale Let sa capacité équivalente C. Un tel modèle semi-analytique, ou MSA, a été écrit sous environnement Matlab dans le cas présent.
A partir de cela, il est possible de compléter le schéma électrique RLC équivalent de ce résonateur élémentaire, en estimant la résistance équivalente de l'ensemble, R, à partir de considérations sur la géométrie des pistes, en particulier des conducteurs utilisés, de l'état de surface des pistes, comme les inventeurs l'ont montré dans le document [26] (document détaillé en annexe). Toutefois cette dernière détermination reste assez empirique.
Afin de caractériser complètement le résonateur élémentaire, pour obtenir une meilleure exactitude pour la détermination de R, il est proposé ici de déduire la résistance équivalente R à partir d'une mesure de son facteur de qualité Q à la résonance.
La mise en œuvre d'un tel TLR (résonateur monoligne) en tant que capteur inductif résonant a été décrite et publiée par les inventeurs dans les cadres d'applications [12], [26], [27] (documents détaillés en annexe). La mise en œuvre consiste à exciter par couplage inductif le résonateur à l'aide d'une boucle de contrôle distante, elle même connectée à un analyseur de réseau vectoriel (VNA, par exemple un analyseur HP4195A), comme illustré dans en Fig.5.
Le VNA délivre un signal radiofréquence qui alimente la boucle excitatrice. Le flux magnétique sortant de cette boucle induit par couplage magnétique un courant dans les pistes du TLR placé à proximité, d'autant plus intense que l'on est proche de la résonance du TLR. Par réciprocité, le TLR génère un champ magnétique qui vient "modifier" le fonctionnement de la boucle et induire une variation de son impédance. La boucle étant connectée au VNA, on peut mesurer son impédance autour de la fréquence de résonance du TLR. De cette analyse, on peut alors extraire, par couplage inductif et sans contact, des informations sur les interactions magnétiques entre le TLR et son environnement immédiat. Cette boucle, de par son action simultanée d'excitation et de mesure, peut être considérée comme une sonde de contrôle permettant d'exciter et de "lire" le TLR. L'idée est donc d'avoir un maximum de puissance transmise par la sonde sans que le couplage entre la sonde et le TLR ne perturbe le fonctionnement du TLR comme explicité [26]. La sonde est donc dimensionnée pour travailler en deçà de sa propre fréquence d'auto-résonance (et rester dans une plage de fréquences où elle est purement inductive), elle possède un diamètre plus petit que le diamètre interne du TLR avec lequel elle interagit, et est placée à une distance proche du TLR afin d'assurer un couplage suffisant avec le TLR. L'ensemble des interactions prenant place entre le TLR, la sonde de contrôle et le VNA, sont résumées dans le modèle électrique équivalent de la Fig.4.
Ce schéma en Fig.4 fait apparaître deux mailles électriques couplées magnétiquement. L'une des mailles, Zi , correspond au TLR qui est modélisé par le circuit résonant à constantes réparties Li , Ci , et R . Celui- ci est couplé de manière inductive avec la sonde représentée par un circuit Ls et Rs , d'impédance totale Zs , dont les éléments peuvent être déterminés expérimentalement et qui s'écrit :
Zs = Rs + j2nfL
Zs = Rs + j27ifLs
Le courant dans la branche associée au résonateur est noté ii et la tension à ses bornes vi . Pour la branche correspondante à la sonde, ils sont notés respectivement is et vs . Le coefficient de couplage entre les deux circuits est noté ksi . La sonde est connectée à la source RF du VNA, qui "voit" l'impédance Zmes à ses bornes. Celle-ci peut être explicitée facilement à partir des différents éléments du schéma Fig.4 selon l'équation suivante, d'après
[26] :
Cette expression permet de prédire le comportement de l'association du TLR. avec la sonde en fonction de la fréquence utilisée. Les interactions entre la sonde excitatrice et le TLR. peuvent être également modélisées à l'aide de calculs numériques, ce qui a été réalisé avec le logiciel de modélisation numérique par éléments finis distribué sous le nom "HFSS" par la société Ansys. Ces simulations permettent aussi de déterminer, via ce calcul de la réponse en fréquence du système, la fréquence de résonance du TLR avec un ensemble déterminé de géométrie et paramètres.
Des mesures expérimentales ont été menées avec deux lots de six TLR monotour et mono-ouverture, réalisés en circuit imprimé (PCB) double couche sur substrat souple en Kapton, et verni. Le substrat présente une permittivité relative €r=3.4, une épaisseur thdiei=50pm, et le conducteur utilisé pour la ligne de transmission est du cuivre d'épaisseur thCond = 35pm.
Les différents TLR des deux lots se différencient par des largeurs de pistes et des rayons extérieurs différents.
Pour chacun des douze TLR considérés, les inventeurs ont déterminé la fréquence de résonance théorique attendue à l'aide du modèle analytique évoqué plus haut (MSA). Par ailleurs, ils ont effectué une mesure de la fréquence de résonance des différents TLR fabriqués. Deux séries de mesures ont été effectuées. Pour le lot 1, la sonde est une boucle en fil de cuivre de diamètre 11mm et de section circulaire 1.5mm, placée à une distance de 5mm du TLR. Pour les résonateurs élémentaires du lot 2, la boucle est de même type mais de diamètre 14mm, en conservant la même distance entre la boucle et le TLR.
Les quatre TLR du lot 1 présentent les caractéristiques suivantes : [Table 1] Les huit TLR. du lot 2 présentent les caractéristiques suivantes : [Table 2]
Une simulation numérique sous HFSS des TLR a aussi été réalisée, qui a montré globalement un très bon accord entre la fréquence de résonance théorique attendue (issue de MSA) et la mesure. Pour les deux lots, l'écart moyen constaté est en effet inférieur à 6%.
Enfin, il a été effectué une simulation numérique sous HFSS des TLR excités par des sondes présentant les mêmes paramètres de dimensions et de distance que pour les essais expérimentaux. Les spectres d'impédance calculés ont permis d'extraire la fréquence de résonance des ensembles TLR & sonde considérés. Ici encore, il a été constaté une très bonne adéquation entre les résultats de la simulation HFSS et les mesures expérimentales, avec un écart moyen inférieur à 10%.
En conclusion concernant le résonateur élémentaire, des comparaisons on été effectuées entre les modèles de TLR et les mesures expérimentales. Elles ont permis de constater que les deux modèles utilisés (semi-analytique "MSA" et numérique "HFSS") sont pertinents pour étudier le comportement des TLR, et ce en particulier dans des gammes de fréquences allant de 20MHz à 300MHz. Par ailleurs, bien que le modèle semi-analytique utilisé ne prenne pas en compte la présence de la spire d'excitation pour calculer la fréquence de résonance du TLR, la détermination de cette dernière reste très proche de celle constatée expérimentalement. Cela indique que la spire d'excitation n'influe que peu sur les propriétés du TLR., ce qui du point de vue pratique constitue un avantage certain de simplification.
Résonateur sans contact multifréquence (WMFR)
Dans les exemples présentés ici, le résonateur sans contact multifréquence (WMFR) est formé de plusieurs résonateurs élémentaires ou TLR ayant un substrat commun. Ce WMFR est constitué de pistes ouvertes conductrices, par exemple du cuivre, déposées de part et d'autre d'un substrat à faibles pertes diélectriques (par exemple du Kapton, ou du FR4) sur ses deux faces opposées. L'organisation de ces pistes (longueur, espacement, épaisseur, type de conducteur, largeur de fente) entre elles et le type de substrat utilisé (pertes, épaisseur) déterminent les différentes fréquences de résonances associées aux différents éléments constitutifs du WMFR, qui peuvent aller de quelques MHz à plusieurs centaines de MHz selon les géométries choisies, couvrant ainsi un très large spectre de fréquences dans la gamme RF. De nombreux arrangements géométriques des pistes conductrices du WMFR sont donc envisageables, et offrent donc une grande variété de performances adaptées à différentes applications. La position des fentes des différentes lignes de transmission couplées constituant le WMFR n'influe pas sur les fréquences de résonance observées. Optionnellement, il est préféré de répartir de manière uniforme la distribution des fentes de sorte à uniformiser le flux magnétique généré par le WMFR.
Le WMFR repose sur l'association de plusieurs TLR élémentaires, tous excités par une même sonde. Lorsqu'un nombre "N" de TLR ainsi arrangés sont excités par la sonde, l'ensemble des couplages magnétiques mis en jeu peut être représenté à l'aide du schéma électrique équivalent de la Fig.5.
Dans ce schéma équivalent, chacun des N TLR élémentaires est couplé magnétiquement avec la spire excitatrice, via un coefficient de couplage ksj (avec j e{l,2,...,N}), et avec chacun des autres TLR via le coefficient de couplage kmn (avec m^n et (m,n)e{l,2,...,N}). Dans chacune des branches, les courants circulant sont notés ij et la tension aux bornes de chacune notées Vj (avec je{l,2,...,N}). Les interactions entre les N + l mailles de la Fig.5 peuvent être écrites sous la forme d'un système matriciel inspiré de la publication [15] :
Les paramètres électriques équivalents Lj et Q du TLRj sont calculés analytiquement comme précédemment via le modèle semi-analytique MSA, et les résistances Rj sont estimées à partir de la mesure du coefficient de qualité Qj de chaque TLR élémentaire pris individuellement. La détermination des mutuelles, Mab avec (a, b) e {1,2,..., N}, entre deux résonateurs se fait à l'aide des formules analytiques que l'on trouve dans la publication [25] ; et les mutuelles, Msj , entre la sonde et les résonateurs sont déterminées en utilisant la publication [24]. Les éléments du système matriciel de l'équation (1.3.2.1) étant tous ainsi déterminés, il est possible d'inverser le système pour obtenir : dans lequel les éléments yu sont les coefficients de la matrice inversée, qui sont homogènes à des admittances. On peut alors extraire l'impédance Z mes de l'équation (1.3.2.2), selon :
(1.3.2.3)
A titre d'exemple, en Fig.7 est présenté le résultat numérique, tel que déterminé analytiquement à l'aide de l'équation 1.3.2.3, de la détermination de l'impédance Zmes vue de la spire d'excitation, pour un WMFR constitué de l'association des huit TLR du lot 2, qui forment le résonateur multifréquence MR2 à huit lignes (ou "WMFR-8") de la Fig.lb.
La Fig.7 montre ainsi le module de Zmes dans une gamme de fréquences allant de quelques MHz à 400MHz. On observe la présence de huit pics de résonance, à huit fréquences de résonance fri à fr8, ce qui traduit la contribution des huit TLR. constituant le WMFR-8.
Cohabitation des TLR à l'intérieur du WMFR
La simulation HFSS a été utilisée pour étudier la manière dont les TLR élémentaires entrent en résonance au sein du WMFR. Pour ce faire, on a calculé la répartition surfacique des courants au voisinage des fréquences de résonance des différents TLR. Dans le cas du résonateur multifréquence MRI (ou WMFR-4) de la Fig. la, les densités de courants ont été calculés pour les quatre fréquences de travail de 20MHz, 45MHz, 90MHz et 206MHz. Pour chacune de ces fréquences de travail sélectionnées, on constate que ce sont les TLR dont la fréquence de résonance théorique est la plus proche de la fréquence de travail qui sont parcourus par le courant le plus intense. Cette simulation montre donc bien que chaque TLR constituant le WMFR est bien "actionné" sélectivement par la spire d'excitation, lorsque celle-ci travaille à la bonne fréquence d'accord (qui s'avère être une fréquence proche mais différente de sa propre fréquence de résonance).
Cela confirme qu'il est possible de faire coexister plusieurs différents TLR au sein du WMFR sans mettre en péril la résonance de chacun d'eux, malgré les couplages qui existent entre les TLR élémentaires.
Impédance complexe du WMFR
Deux simulations HFSS large bande ont été mises en œuvre pour déterminer les impédances complexes Zmes des deux WMFR considérés, calculées à vide, c'est-à-dire sans récipient ni milieu à investiguer dans le cas du banc de la Fig.5.
La Fig.8 montre le résultat pour la partie réelle de l'impédance mesurée, en fonction de la fréquence, pour le résonateur multifréquence MRI à quatre lignes de transmission élémentaires (i.e. de type WMFR-4), de la Fig. la. Les caractéristiques géométriques sont celles des quatre TLR du lot 1 détaillés plus haut, soient Mil, M12, M13, M14.
La Fig.9 montre le résultat pour la partie réelle de l'impédance mesurée, en fonction de la fréquence, pour le résonateur multifréquence MR2 à huit lignes de transmission élémentaires (i.e. de type WMFR-8), de la Fig. lb. Les caractéristiques géométriques sont celles des huit TLR. du lot 2 détaillés plus haut, soient M21, M22, M23, M24, M25, M26, M27, M28.
On observe à nouveau sur ces simulations que les résonances des différents TLR mis en jeu sont bien observables à raison d'un pic par TLR, et que leur mise en association sous forme de WMFR ne met pas en péril leur résonance individuelle.
Ces résultats permettent de montrer que l'on est capable de prédire le comportement du système multirésonant formé par le WMFR : les informations utiles étant alors extraites de la différence entre l'impédance à vide et l'impédance en présence du milieu à investiguer.
Banc expérimental
La Fig.5 illustre un banc expérimental utilisé pour mettre en œuvre les deux exemples MRI et MR2 de WMFR à quatre résonances et à huit résonances, illustrés respectivement en Fig. la et Fig.lb, avec les mêmes paramètres que pour les simulations c'est à dire un substrat d'une permittivité relative €r=3.4, une épaisseur thdiei = 50pm, et les lignes de transmission élémentaires (TLR) en cuivre d'épaisseur thCond = 35pm. Les paramètres de boucles inductives sont les mêmes que précédemment.
Le premier, WMFR-4, est constitué des quatre MTLR du lot 1, et le second, WMFR-8, est constitué des huit MTLR du lot 2. La mise en œuvre expérimentale a été réalisée sur une large bande de fréquences, de quelques MHz à 400 MHZ.
Comme pour la modélisation, on constate la présence de pics de résonance, qui peuvent être attribués à chacun des TLR constituant le WMFR. Si par ailleurs, on compare les valeurs des résonances observées pour les deux WMFR, avec celles prévues par les modélisations semi-analytique, MSA, (issue de la matrice Equation(1.3.2.1) qui donne l'Equation(1.3.2.3)) et numérique (HFSS) présentées précédemment, on remarque à nouveau une très bonne adéquation entre les valeurs expérimentales et modélisées. En effet pour le WMFR-4, un écart moyen de 8% est observé entre les données déterminées par HFSS et celles mesurées, et de l'ordre de 4,5% entre la modélisation analytique et la mesure en Table 1. Pour le WMFR-8, ces écarts moyens sont respectivement de l'ordre de 8% et 9% en Table 2. La Fig.10 illustre sous forme de courbes la comparaison des pics de fréquence observés pour les différents TLR. de chaque résonateur multifréquence MRI et MR2.
Ces résultats montrent qu'en pratique, il est tout à fait possible d'exploiter les résonances des différents MTLR constituant les WM FR. Les fréquences de résonances observées lors pour le résonateur multifréquence sont légèrement différentes des fréquences de résonance de ses TLR pris isolément, en raison des couplages qui interviennent entre ces TLR.
Toutefois, il est tout à fait possible de prévoir ces couplages, par modélisation analytique ou numérique, et donc aussi les fréquences de résonances résultantes observées pour le WMFR.
En outre, on remarque que ces couplages ne dégradent pas les propriétés de résonance des TLR constituant les WMFR (ici des monotours) : ils présentent tous une fréquence de résonance que l'on peut prédéterminer, et un coefficient de qualité proche de ceux mesurés sur les TLR isolément. Il est donc tout à fait envisageable d'utiliser les WMFR comme des résonateurs de fréquences multiples, d'une manière comparable à celle utilisée pour un TLR unique pour la caractérisation des milieux diélectriques.
Pour ces WMFR-4 et WMFR-8, mesurées à vide, les caractéristiques et fréquences de résonances observées sont les suivantes :
[Table 3]
[Table 4]
Méthode de caractérisation d'un milieu diélectrique
Pour la caractérisation multifréquence sans contact d'un milieu électrique, la mise en œuvre consiste à disposer l'ensemble WMFR MR2 et la spire d'excitation SI à proximité du milieu diélectrique 91 à caractériser, et à mesurer l'impédance Zmes vue de la spire excitatrice à l'aide du VNA dans une large bande de fréquence.
La Fig.5 illustre la mise en présence du WMFR. avec un milieu diélectrique homogène 91, contenu dans un récipient tel qu'un cristallisoir 81. La spire excitatrice SI est montée en tant que sonde. L'analyseur réseau (VNA) S0 est connectée à cette sonde de façon à lui fournir 102 le courant d'excitation et à mesurer 104 son impédance.
Cette caractérisation d'un milieu diélectrique est possible grâce au lien entre les propriétés diélectriques du milieu environnant le WMFR et le champ induit par le WMFR dans celui-ci. Il est établi que les propriétés diélectriques complexes des milieux organiques sont de très bons indicateurs de leur état physico-chimique ou physiopathologique, notamment dans le document [16]. Ces propriétés traduisent la manière dont le milieu dissipe l'énergie électromagnétique qui lui est transmise, à travers sa conductivité électrique a(en S/m), et la manière dont le milieu stocke l'énergie transmise, à travers sa permittivité diélectrique relative €r (sans unité), comme décrit dans le document [28]. L'évaluation de ces propriétés diélectriques en fonction de la fréquence, en particulier dans le domaine des radiofréquences (quelques MHz à quelques centaines de MHz) est particulièrement pertinente pour renseigner sur l'état de la matière organique, comme décrit dans le document [29]. Le lien entre les propriétés diélectriques du milieu et le champ rayonné par le WMFR s'exprime à travers l'expression de l'impédance Zm du milieu investigué, selon le document [30] : où Zm correspond à l'impédance du milieu diélectrique, a est la conductivité électrique, €r est la permittivité relative, €o est la permittivité du vide, A est le potentiel vecteur associé au champ magnétique généré par le WMFR., I est le courant circulant dans le WMFR, et œ est la pulsation. Par réciprocité, le champ magnétique, et donc l'impédance du WMFR, est modifiée par le milieu diélectrique environnant.
La configuration de la Fig.5 peut être schématisée comme le circuit électrique équivalent représenté en Fig.6.
Ce schéma équivalent regroupe les interactions magnétiques et électriques prenant place entre les différents éléments mis en relation, à savoir le WMFR MR2 et ses différents TLR constitutifs M21 à M28, la spire d'excitation SI connectée au VNA S0, et le milieu diélectrique 81, lui-même modélisé par une impédance complexe Rm, Lm. Comme dans le cas d'un TLR interagissant avec un milieu diélectrique, on peut faire l'hypothèse simplificatrice que la spire d'excitation n'est pas couplée directement avec le milieu, comme décrit dans le document [31].
En revanche, chaque TLR du WMFR est couplé avec le milieu à travers les coefficients de couplages kmj , et, comme précédemment, aux autres TLR et avec la spire d'excitation. Dans la suite, on fait également l'hypothèse simplificatrice selon laquelle le couplage entre les différents TLR et le milieu peut se modéliser par une impédance complexe Zmj "induite" par le milieu, qui vient s'ajouter à l'impédance Rj , Lj , , dans la branche relative à chaque TLRj , avec je{l,2,...,N}. Dans ce cadre d'hypothèse, la matrice exprimant l'ensemble des couplages s'écrit selon : avec
Par inversion de ce système matriciel, à toutes les fréquences de la gamme, il est possible comme précédemment d'extraire l'impédance Zmes . Par ailleurs, si l'on se focalise dans une bande de fréquence étroite Bj centrée autour de la fréquence de résonance de chacune des branches constitutives du WMFR, on peut exprimer facilement l'impédance "vue" de la spire d'excitation, en ne prenant en compte que la branche "active" dans cette bande de fréquence ; l'impédance Zmes dans la bande Bj s'exprime alors selon :
Sur le plan pratique, les paramètres du milieu Rmj et Lmj induits dans chaque branche peuvent être estimés, dans chaque bande de fréquences à l'aide d'un algorithme d'ajustement complexe entre les données expérimentales de Zmes mesurées dans Bj , et le modèle de l'Equation (1.3.5.3) dans la même bande de fréquence ; les grandeurs Rj , Lj , et et Zs (impédance de la sonde seule à vide) étant préalablement déterminées. Or les valeurs des éléments Rmj et Lmj sont liées aux propriétés diélectriques du milieu, c'est à dire à la conductivité électrique (a) du milieu d'une part, et à la permittivité diélectrique (€r) du milieu d'autre part, à la fréquence de résonance du TLR considéré, comme décrit dans le document [12]. Par extension, dans le cas du WMFR, l'extraction de l'impédance induite aux N fréquences de résonance, à l'aide de l'Equation (1.3.5.3) permet d'en déduire des informations sur les paramètres diélectriques du milieu, à autant de fréquences d'analyse qu'il y a de résonateurs dans le WMFR.
Caractérisation d'une solution aqueuse de NaCI
La Fig.11 illustre individuellement, pour chacune des quatre lignes de transmission du résonateur à 4 fréquences MRI de la Fig. la, la résistance induite en fonction de la conductivité du milieu à caractériser, formé par une solution aqueuse de chlorure de sodium. Les solutions utilisées sont des solutions salines conductrices (eau dé-ionisée + NaCI) en proportions variées, afin d'obtenir des milieux présentant des propriétés d'électriques (conductivité électrique ou permittivité diélectrique) ajustables et tabulées.
Chacune de ces solutions de volume constant 700mL, est placée tour à tour dans le cristall isoir 81. Pour chaque solution, plusieurs mesures de Zmes sont effectuées autour de chacune des résonances du WMFR.
Après mise en œuvre du WMFR. sur l'ensemble des solutions diélectriques calibrées, on estime, autour de chacune des fréquences de résonance, l'impédance complexe induite par le milieu (éléments Ri et L) comme explicitée plus en lien avec l'Equation (1.3.5.3).
Pour chacune des fréquences de résonance du résonateur multifréquence, on retrouve des résultats déjà observés pour des MTLR seuls : il existe, d'une part, une linéarité entre l'évolution de la résistance induite Ri dans le milieu et la conductivité électrique du milieu, et d'autre part une linéarité entre l'inductance induite L dans le milieu et sa permittivité diélectrique. Ces linéarités sont mises en évidence graphiquement sur les courbes de la Fig.11.
On constate ainsi que le WMFR-4 est sensible, à chaque résonance, à des variations très faibles de permittivité et de conductivité dans un milieu homogène via l'extraction des deux paramètres d'intérêt U et Ri . Des résultats similaires sont observés pour le WMFR-8.
Ainsi, un WMFR à N lignes de transmission élémentaires forme un dispositif qui permet N analyses simultanées du milieu, ce qui enrichit d'autant sa caractérisation diélectrique.
Cette invention est donc particulièrement intéressante pour l'analyse des milieux organiques, dans lesquels on sait que l'évolution avec la fréquence de paramètres diélectriques du milieu organique sont un marqueur particulièrement pertinent de son état physico-chimique, ou physiopathologie.
Étude de l’évolution d'un morceau de viande
Comme illustré en Fig.19, un tel résonateur multifréquence et sa sonde individuelle SI peuvent être utilisés pour explorer les propriétés électriques d'un corps placé dans un récipient, sans contact ni accès à l'intérieur du récipient, par exemple lorsqu'il passe au dessus d'un résonateur MR2 intégré dans ou fixé sur un support 61, par exemple un produit alimentaire 94 voyageant sur un convoyeur dans une chaîne de production agroalimentaire. Les capacités d'exploration sans contact et en profondeur permettent ainsi d'explorer le produit 94 sur une profondeur significative illustrée par la région R3.
A titre de validation, le résonateur multifréquence MR.2 (WMFR-8) de la Fig.lb a été utilisé pour l'étude de la décomposition d'un steak de veau (15cm de long, 2cm d'épaisseur, 7cm de large). Ce steak a été placé dans le cristallisoir comme présenté Fig.5, puis Zmes a été mesuré à quatre dates distinctes : jour 0, jour 1, jour 2 et jour 5. Lors du cinquième jour le steak était en décomposition avancée avec un changement d'aspect visible à l'œil nu : présence de liquide, changement de forme et de couleur.
La Fig.20 illustre l'inductance induite L dans le steak, en fonction de la durée écoulée et pour les différentes fréquences, lesquelles fournissent cette information pour des profondeurs différentes de la région à explorer R3. La Fig.21 est une courbe similaire qui représente la résistance induite Ri .
Grâce aux Fig.20 et Fig.21, on peut voir l'avantage d'une telle mesure multi-fréquentielle. En effet, ces deux figures nous permettent de visualiser l'évolution des deux paramètres d'intérêt Ri et L , que l'on sait proportionnels respectivement à o et G- . On constate que les propriétés diélectriques du steak de veau varient avec la durée de décomposition. En effet, la valeur d'inductance induite L pour chaque fréquence semble augmenter avec le temps et avec des différences plus ou moins marquées selon les fréquences. De même pour la résistance induite Ri , une différence très nette est visible entre la courbe à J + 5 et les autres, en particulier pour la fréquence la plus basse 22MHz et beaucoup moins pour la fréquence la plus haute. De plus, dès J+l une variation de U et R apparaît. Celle-ci s'accentue avec le temps, et on voit que la courbe à J + 5 est bien plus distincte des autres. Le phénomène de décomposition peut donc être suivi dès le début par le WMFR, et ce jusqu'à un stade avancé. Ces résultats confirment que ce capteur multifréquence WMFR est capable de suivre en temps réel les propriétés d'un milieu diélectrique organique, de manière non invasive et sans contact.
La Fig.12 illustre un exemple de déroulement du procédé de mise en œuvre d'un tel résonateur multifréquence MRI pour différentes applications de caractérisation, par exemple celle illustré en Fig.15.
Le résonateur est mis en place 101 à la distance adéquate de la région à explorer, par exemple de façon amovible ou implanté au sein d'un objet proche. Avant ou au moment de réaliser la mesure, la partie inductive de la sonde SI est disposée à la distance adéquate du résonateur MR.1, sur le moment ou de façon permanente par exemple de façon elle-même implantée.
La sonde SI est excitée par le lecteur S0 pour réaliser un couplage inductif 102 entre la sonde et le résonateur MRI. Le lecteur S0 effectue une mesure 104 de l'impédance complexe de l'ensemble formé par le résonateur MRI et la région à explorer RI.
Cette impédance complexe est traitée de façon spectrale, pour obtenir l'impédance individuelle mesurée Zml-Zm4 pour chacune des fréquences de mesure fml-fm4.
Par exemple par les méthodes décrites ici, associées à celles décrites dans les documents listés en annexe ou connues de l'homme du métier, on extrait 105 de ces impédances individuelles Zml-Zm4 les propriétés électriques individuelles P1-P4 du milieu dans la région à explorer pour les différentes fréquences mesurées fml-fm4.
Ces propriétés électriques individuelles sont ensuite utilisées pour caractériser le milieu 91 dans la région à explorer RI. Par exemple à partir de données ou relations connues, ou par exemple par comparaison ou étalonnage avec des données de référence, notamment connues ou répertoriées pour étalonnage ; par exemple par des méthodes statistiques connues pour par traitement par réseaux neuronaux.
Les Fig.13 et Fig.14 présentent d'autres exemples de modes de réalisation du résonateur et de la sonde avec laquelle il entre en couplage inductif. Dans ces exemples, des lignes de transmission unitaires (TLR) qui sont spatialement séparées, et non imbriquées, sont couplées avec une même sonde S2.
Dans cet exemple, la sonde S2 comprend un unique circuit inductif qui est formé de plusieurs parties séparées S21, S22, S23, que l'on pourrait comparer visuellement aux pétales d'une marguerite.
En Fig.13, le résonateur multifréquence MR4 présente deux lignes circulaires monotours M42 et M41 séparées l'une de l'autre, et deux autres lignes circulaires monotours M43 et M44 qui sont concentriques entre elles et séparées des deux autres. Ces quatre lignes M41-M44, de résonnances individuelles différentes, sont ainsi spatialement réparties en trois groupes, typiquement coplanaires, qui peuvent interagir avec le milieu à explorer dans trois sous-régions différentes. Cette disposition permet par exemple d'utiliser un nombre important de lignes différentes sans être limité par leur encombrement comme cela serait le cas si l'on cherchait de les disposer toutes de façon concentrique entre elle. Ces différents groupes sont disposés chacun dans l'axe de l'un des pétales de la sonde S2, qui va donc les exciter et les mesurer de façon strictement simultanée. Pour cette raison, ces quatre lignes de transmission élémentaires forment ensemble un unique résonateur MR.4 à quatre fréquences, ou WMFR-4.
En Fig.14, le résonateur multifréquence MR5 présente trois groupes M511, M512, M513, de chacun quatre lignes circulaires monotours différentes et concentriques entre elles. Ces différents groupes M511, M512, M513 sont disposés chacun dans l'axe de l'un des pétales de la sonde S2, qui va donc les exciter et les mesurer de façon strictement simultanée. Pour cette raison, ces trois groupes forment ensemble un unique résonateur MR5 à quatre fréquences, ou WMFR-4, si ces trois groupes sont identiques. Cette disposition permet alors d'explorer une région plus étendue avec les mêmes fréquences. Si les trois groupes sont différents l'un de l'autre, par exemple en épaisseur ou matériau ou écartement des pistes, cette disposition permet aussi de combiner des fréquences plus nombreuses, jusqu'à douze fréquences dans le cas présent.
Tous les types de TLR sont combinables dans ce type de disposition pour réaliser un unique résonateur multifréquence, dès lors qu'ils sont couplés avec une unique et même sonde, et donc que leur impédance globale est mesurée par une unique voie.
Exemples de mise en œuvre
Dans l'exemple de la Fig.15, le résonateur MRI est utilisé pour caractériser sans contact le contenu 91 d'un récipient 81 perméable au champ magnétique, par exemple amagnétique ou mince. Dans cet exemple, le résonateur MR.1 est fixé sur un support fixe 61, sur lequel passent différents récipients dont on cherche à caractériser le contenu, par exemple pour un contrôle qualité ou pour une identification. Le résonateur permet de caractériser sans contact une région RI de chacun des récipients 81 qui passent successivement au dessus de lui.
L'exemple de la Fig.16 illustre une mise en œuvre dans laquelle le résonateur MRI est intégré au récipient 82, ici implanté dans sa paroi. Il est ainsi possible de surveiller la région R2 du contenu 91, à n'importe quel moment de son évolution, sans nécessiter d'ouvrir le récipient 82.
La Fig.17 illustre une mise en œuvre dans laquelle une pluralité de résonateurs multifréquences MR7a à MR7h sont implantés dans un grand nombre de positions de la paroi d'un réservoir, par exemple un réservoir 83 de carburant 92, qui est fermé par un obturateur 831. Ces résonateurs multifréquences sont excités respectivement par une série de sondes S7a à S7h, qui sont par exemple intégrées dans une plaque contigüe voire implantées dans ou fixées sur la paroi externe du réservoir. Ces résonateurs sont dimensionnés et positionnés pour caractériser le milieu présent dans une série de régions R7a à R7h, par exemple qui englobent la surface d'interface entre la paroi du réservoir et le carburant. En caractérisant de façon régulière voire permanent ces régions d'interface, il est ainsi possible de suivre la présence ou l'évolution d'un éventuel film 928 de bactéries qui se développent aux éventuels points de corrosion voire la favorisent.
La Fig.18 illustre une mise en œuvre dans laquelle un dispositif matriciel comprenant une pluralité de résonateurs multifréquences MR8a à MR8h, avec chacun sa sonde individuelle S8a à S8h, est mis en place de façon embarquée sur un organisme vivant, ici une souris 93. Optionnellement, les sondes peuvent aussi être placées dans un dispositif séparé, et les résonateurs peuvent aussi être implantés directement à l'intérieur de l'organisme de la souris. Un tel système peut permet d'effectuer une caractérisation graphique, du fait de la disposition matricielle des résonateurs qui explorent chacune une région différente R8a à R8h, de l'évolution dans le temps de tout ou partie de l'organisme de la souris. Il peut s'agir par exemple de suivre et visualiser la dispersion dans l'organisme d'un composé injecté, ou l'évolution de l'état de certains organes au cours du temps. Dans une telle configuration embarquée, il permet de le maintenir sur la souris pendant toute la journée, et de surveiller ses paramètres pendant ses activités éveillées.
Bibliographie :
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Claims

Revendications
1. Procédé de caractérisation d'au moins une région à explorer au sein d'un milieu à caractériser, comprenant au moins les étapes suivantes :
- couplage inductif (102) sans contact d'une sonde, de façon simultanée, avec une pluralité de lignes de transmission (M11-M14, M21-M28) agencées pour présenter des fréquences de résonance (frl-fr8) différentes les unes des autres, lesdites lignes de transmission formant ensemble un résonateur multifréquence, situé à proximité de ladite région explorée mais sans nécessiter de contact avec ladite région explorée, dont les lignes de transmission interagissent avec la région à explorer ; (et typiquement aussi entre elles)
- mesure (104) de la variation d'impédance dudit résonateur multifréquence par un lecteur qui interagit avec ladite sonde ;
- traitement (103) de ladite mesure de variation d'impédance, comprenant une analyse spectrale (103) en fonction de la fréquence, de façon à déterminer une pluralité d'impédances individuelles (Zml-Zm8) mesurées pour une pluralité de fréquences de mesure (respectivement fml-fm8) ;
- traitement (104) d'une ou plusieurs desdites impédances individuelles pour extraire une ou plusieurs propriétés électriques de ladite zone explorée.
2. Procédé selon la revendication précédente, caractérisé en ce que les impédances individuelles de plusieurs fréquences de résonance différentes, ou les propriétés électriques respectives qui en sont extraites, sont combinées pour fournir une caractérisation de la région à explorer en des parties situées à différentes distances du résonateur multifréquence.
3. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 2, caractérisé en ce que les impédances individuelles de plusieurs fréquences de résonance différentes, ou les propriétés électriques respectives qui en sont extraites, sont combinées pour fournir une caractérisation plus précise d'une même partie de la région à explorer.
4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'il est utilisé pour réaliser une pluralité de caractérisations à des instants différents, de façon à fournir un suivi dans le temps d'une région à explorer (R3, R71 à R7h, R8a à R8h) incluant au moins un matériau ou objet en évolution (931).
5. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'il met en œuvre un ou plusieurs résonateurs multifréquences (MRI, MR7a à MR7h, MR8a à MR8h) qui sont intégrés ou implantés dans un objet (61, 82, 83) ou système de façon à caractériser une région à explorer, ladite région à explorer incluant un matériau appartenant audit objet (82), et/ou un matériau au contact (92, 93) ou à proximité (931) dudit objet (61, 83), et/ou une interface (928) entre lesdits matériaux (92 et 83). ledit procédé étant mis en œuvre de façon à obtenir une pluralité de caractérisations réparties dans le temps pour ladite région à explorer et ainsi fournir un suivi dans le temps d'une évolution de la région à explorer (R7a à R7h, R3).
6. Système de caractérisation sans contact d'au moins une région dite explorée (RI, R2, R3, R7, R8,) au sein d'un milieu à caractériser (91, 92, 93, 94), du type comprenant :
- au moins un résonateur (MRI à MR8) à lignes de transmission, prévu pour être disposé à proximité de ladite région explorée, mais sans nécessiter de contact avec ladite région explorée,
- une sonde agencée pour : o d'une part être couplée par couplage inductif avec ledit résonateur au moyen d'un circuit à boucle inductive (SI, S7, S8), et o d'autre part pour interagir avec au moins un lecteur (S0) ; caractérisé en ce que ledit résonateur comprend une pluralité de lignes de transmission (Mil à M14, M21 à M28, M31 à M34), agencées pour présenter des fréquences de résonance (fri à fr8) différentes les unes des autres et formant ainsi un résonateur multifréquences (MRI à MR8) dont les lignes de transmission interagissent avec la région à explorer en ce que ladite sonde est agencée pour interagir avec l'ensemble dudit résonateur multifréquence ledit lecteur étant agencé pour interagir avec ladite sonde de façon à mettre en œuvre un procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5.
7. Système selon la revendication précédente, caractérisé en ce que le résonateur multifréquence (MR.1, MR2, MR3) comprend une pluralité de lignes de transmission (Mil à M14, M21 à M28, M31 à M34) distinctes et non connectées entre elles qui sont réalisées chacune par au moins une piste conductrice formée sur un substrat diélectrique bidimensionnel selon une trajectoire quasi-fermée.
8. Système selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que tout ou partie des lignes de transmission du résonateur multifréquence (MRI, MR2) forment chacune une trajectoire quasi-fermée à un seul tour (Mil à M14, M21 à M28, M32), typiquement un anneau brisé circulaire monotour.
9. Système selon l'une quelconque des revendications 7 à 8, caractérisé en ce que le résonateur multifréquence comprend une pluralité de pistes conductrices de forme quasi fermée qui sont enfermées l'une à l'intérieur de l'autre (Mil à M14, M21 à M28, M31 à M34, M43 à M44).
10. Système selon l'une quelconque des revendications 6 à 9, caractérisé en ce que le résonateur multifréquence (MR4, MR5) comprend une pluralité de lignes de transmission distinctes et non connectées entre elles, qui sont réalisées chacune par une piste conductrice (cl4a, cl4b) formée sur un substrat (dl) isolant bidimensionnel, notamment appariées entre elles des deux côtés dudit substrat, en vis-à-vis et angulairement décalées, selon une trajectoire "quasi-fermée" et notamment circulaire ; en ce que qu'au moins deux lignes de transmission de fréquences différentes sont disposées de manière non imbriquées l'une dans l'autre, dites séparées ; et en ce que la sonde (S2) comprend un circuit à boucle inductive dont la forme est agencée pour pouvoir obtenir un couplage inductif simultané avec lesdites deux lignes de transmission séparées, formant notamment une boucle conductrice présentant des excroissances mono-tour (S21, S23) ou multi-tours (S22) disposées de façon à pouvoir superposer une excroissance sur chacune desdites lignes de transmission séparées (respectivement M41, M42, M43 et M44).
11. Système selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le résonateur multifréquence comprend une pluralité de lignes de transmission distinctes et non connectées entre elles, qui sont réalisées par des pistes conductrices (cl4a, cl4b) formées chacune selon une trajectoire "quasi-fermée", de façon coplanaire ou sur un même substrat isolant bidimensionnel.
12. Système selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le résonateur multifréquence comprend une pluralité de lignes de transmission distinctes et non connectées entre elles, qui sont réalisées chacune par une piste conductrice formée sur un même substrat isolant bidimensionnel, chacune selon une trajectoire "quasi-fermée" monotour ; et en ce que lesdites lignes de transmission sont disposées l'une à l'intérieur de l'autre, et notamment de façon concentrique entre elles.
13. Dispositif de résonateur à ligne de transmission, du type apte à communiquer par couplage inductif avec une sonde à boucle inductive pour être excité par ladite sonde, de façon à interagir avec ladite sonde, caractérisé en ce qu'il comprend une pluralité de lignes de transmission de forme quasi fermée qui sont enfermées l'une à l'intérieur de l'autre, notamment des cercles concentriques, et qui sont agencées pour former ensemble un résonateur multifréquence apte à être mis en œuvre au sein d'un système selon l'une quelconque des revendications 6 à 12, ou d'un procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5.
14. Dispositif selon la revendication précédente, caractérisé en ce que chaque ligne de transmission forme un unique tour.
15. Système (17, 18) comprenant un objet (61, 82, 83), ledit système ou objet comprenant au moins un résonateur à ligne de transmission, lequel résonateur comprend une pluralité de lignes de transmission, agencées pour présenter des fréquences de résonance (frl-fr8) différentes les unes des autres et formant ainsi un résonateur multifréquences (MRI, MR7a à MR7h, MR8a à MR8h) dont les lignes de transmission interagissent avec la région à explorer, ledit résonateur multifréquence étant agencé pour former un couplage inductif avec une sonde à boucle inductive (SI, S7a à S7h, S8a à S8h) de façon à interagir avec ladite sonde pour former avec elle un système selon l'une quelconque des revendications 6 à 12 agencé pour caractériser une région à explorer (R2, R7a à R7h, R8a à R8h) au sein d'un milieu à caractériser, ou être mis en œuvre au sein d'un procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, ladite région à explorer incluant un matériau appartenant audit objet (82), et/ou un matériau au contact (92, 93) ou à proximité (931) dudit objet (61, 83), et/ou une interface (928) entre lesdits matériaux (92 et 83).
16. Système selon la revendication précédente, caractérisé en ce qu'il comprend au moins une sonde (S8a à S8h) disposée de façon à pouvoir communiquer avec le résonateur multifréquence (respectivement MR8a à MR8h) par couplage inductif, en ce que ledit résonateur multifréquence et ladite sonde sont agencés pour former un système selon l'une quelconque des revendications 6 à 12 ou être mis en œuvre au sein d'un procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5.
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