EP4434118A1 - Dispositif de résonateurs électromagnétiques multifréquences couplés inductivement entre eux formant un réseau de résonateurs ou un méta-matériau, et procédé de mise en oeuvre - Google Patents

Dispositif de résonateurs électromagnétiques multifréquences couplés inductivement entre eux formant un réseau de résonateurs ou un méta-matériau, et procédé de mise en oeuvre

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Publication number
EP4434118A1
EP4434118A1 EP22818405.7A EP22818405A EP4434118A1 EP 4434118 A1 EP4434118 A1 EP 4434118A1 EP 22818405 A EP22818405 A EP 22818405A EP 4434118 A1 EP4434118 A1 EP 4434118A1
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EP
European Patent Office
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resonators
network
interact
multifrequency
explored
Prior art date
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Pending
Application number
EP22818405.7A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Pierre-Yves Joubert
Yohan Le Diraison
Alexiane PASQUIER
Stéphane SERFATY
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
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Filing date
Publication date
Priority claimed from FR2112292A external-priority patent/FR3129483A1/fr
Priority claimed from FR2200687A external-priority patent/FR3132176B1/fr
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 EP4434118A1 publication Critical patent/EP4434118A1/fr
Pending legal-status Critical Current

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    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q15/00—Devices for reflection, refraction, diffraction or polarisation of waves radiated from an antenna, e.g. quasi-optical devices
    • H01Q15/0006—Devices acting selectively as reflecting surface, as diffracting or as refracting device, e.g. frequency filtering or angular spatial filtering devices
    • H01Q15/0013—Devices acting selectively as reflecting surface, as diffracting or as refracting device, e.g. frequency filtering or angular spatial filtering devices said selective devices working as frequency-selective reflecting surfaces, e.g. FSS, dichroic plates, surfaces being partly transmissive and reflective
    • H01Q15/0026—Devices acting selectively as reflecting surface, as diffracting or as refracting device, e.g. frequency filtering or angular spatial filtering devices said selective devices working as frequency-selective reflecting surfaces, e.g. FSS, dichroic plates, surfaces being partly transmissive and reflective said selective devices having a stacked geometry or having multiple layers
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    • H01Q15/0006—Devices acting selectively as reflecting surface, as diffracting or as refracting device, e.g. frequency filtering or angular spatial filtering devices
    • H01Q15/0086—Devices acting selectively as reflecting surface, as diffracting or as refracting device, e.g. frequency filtering or angular spatial filtering devices said selective devices having materials with a synthesized negative refractive index, e.g. metamaterials or left-handed materials
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    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B5/00—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
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    • G—PHYSICS
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    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
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    • 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 network device composed of individual multifrequency passive resonators not electrically connected to each other. These resonators are formed by interrupted transmission lines closed on themselves, nested together, each formed of a group of two or more parallel tracks, and paired together without contact around one or more dielectric layers of a substrate.
  • a network is used in particular to modify an incident magnetic or electromagnetic field, and/or to achieve impedance matching by being interposed between an incident field and a body or object to be treated or observed. It is also used to improve a method of characterization without contact of a medium to be explored, by inductive coupling of one or more of the resonators of said network with a probe connected with a reader
  • Such metamaterials are often made with regularly spaced resonators, which are interconnected by an electrical connection or by electrically coupled transmission lines, they mainly interact with the electric field.
  • Document US2019/0021626 relates to an antenna and a microwave tomography system, used for detection and diagnosis on the human body.
  • This document proposes to interpose between the antenna and the skin a metamaterial which is used to carry out an adaptation impedance with human tissue to facilitate penetration.
  • This meta material is formed by a matrix of monofrequency copper elements on a dielectric support.
  • the resonant frequency can be static, or can be tuned by means such as voltage-controlled MEMS, or microfluidic circulation modifying the dielectric properties of the metamaterial, or optically by using a photo-sensitive material whose dielectric properties are modified by enlightenment.
  • One objective of the invention is to overcome all or part of the drawbacks of the state of the art.
  • it seeks to provide devices and methods based on electromagnetic resonators which are more efficient, flexible, of varied applications, and simple and flexible to manufacture and use.
  • the invention proposes a device comprising a plurality of multi-frequency passive electromagnetic resonators, ie each having several determined resonance frequencies. In particular, but not necessarily, these resonators share between them at least one so-called common resonance frequency.
  • Each of said resonators comprises a plurality of galvanically isolated transmission lines (between themselves and with the exterior of the resonator), having different resonance frequencies between them, and each forming a trajectory both closed on itself and interrupted by a or more slots.
  • Said transmission lines are arranged spatially with respect to each other so as to, when said device is subjected to a so-called incident field, share between them a common interaction region in which the field lines of said incident field interact with said plurality of transmission lines.
  • This incident field can be understood as possibly being an electric or magnetic or electromagnetic field.
  • these resonators are themselves arranged, within said network, without electrical contact between them and sufficiently close to each other to form a network of resonators that can interact with each other by inductive coupling.
  • resonators are, for example, multifrequency resonators as described in application FR.2112292 by the same inventors.
  • the features described in this application are also applicable to the present invention.
  • the resonators of this network each comprise one or more transmission lines which are each formed by a group of at least two interrupted tracks.
  • these tracks are arranged parallel to each other but without electrical contact between them and describing the same common trajectory.
  • the interrupt(s) of each of the tracks of said group are each arranged in vis-à-vis a solid part of another track of said group, in particular all the other tracks of said group.
  • a resonator network is thus obtained which specifically favors inductive and magnetic interactions.
  • all or part of the multifrequency resonators each comprises a plurality of interleaved transmission lines, in particular within a two-dimensional surface (flat or not, for example cylindrical or conical, regulated or not).
  • a plurality of multifrequency resonators of the device according to the invention can each comprise a plurality of transmission lines each formed by at least two tracks arranged on two opposite faces of a two-dimensional dielectric substrate, in particular a same substrate common to all or part of the lines transmission of the same multifrequency resonator.
  • the different tracks of the same group of tracks are for example deposited on both sides of a layer of insulating substrate, or three or more tracks interposed between layers of insulating substrate.
  • this or these substrates are arranged so as to be able to modify its dielectric characteristics, and thus modify the resonance frequency of the tracks of each group, and therefore modify the resonance frequencies of each resonator.
  • This modification is carried out for example by using a layer of a piezoelectric material, which is electrically controlled to vary its thickness; or incorporating in this substrate microfluidic channels, in which the injection or the extraction of a fluid makes it possible to vary the overall dielectric properties of the substrate; or by any known means for varying and/or controlling (or “activating”) such a variation of its dielectric properties.
  • Such a network can be used in different ways. According to one family of embodiments, it can in particular be used within an incident field which surrounds or crosses said network.
  • the multifrequency resonators are arranged, without electrical contact between them, in a spatially periodic structure arranged to form an electromagnetic meta-material able to interact with an external electromagnetic field, called incident field.
  • a method of modifying the interaction of a living body or an object with an incident electromagnetic field comprises placing or maintaining or activating a device as described here around said body or object or between it and a source of said incident field.
  • the resonators are determined and arranged to interact with an incident electromagnetic field so as to filter or attenuate all or part of the frequencies different from the resonance frequencies of said resonators.
  • a filtering effect is thus obtained, for example, in particular by absorbing and re-emitting especially the resonant frequencies. This may involve, for example, making a screen between the incident field and a target object, for example to protect it from resonance frequencies. It may also be a question, for example, of carrying out screening, for example by allowing only the resonance frequencies to pass, over a very small band of frequencies, for example of the order of 100 kHz. This results in a very high quality factor.
  • the resonators are determined and arranged to interact with an electromagnetic field passing through the device so as to amplify its intensity in the resonance frequencies of the resonators, by magnetic induction at these frequencies.
  • the resonators are determined and arranged to interact with an incident electromagnetic field so as to deflect or reflect all or part of its intensity in one or more frequencies.
  • the resonators are determined and arranged to interact with an electromagnetic field crossing it so as to modify/adapt the impedance of an incident signal transported by said electromagnetic field or to a response signal caused by said field and passing through said device.
  • the invention thus makes it possible to produce an impedance matching device making it possible to modify, adjust or improve the performance of a method of detection or imaging or treatment based on electromagnetic waves, for example in microwave tomography or in MRI.
  • a modification can apply for example to the precision, or the penetration, depth of exploration, or the nature of the tissues or materials to be observed or treated, and over a wider or more flexible range of frequencies. It can also make it possible to minimize the secondary effects on the tissues of such a treatment or observation.
  • the device exposed here comprises a flexible or rigid film carrying all or part of the resonators of said device, which film is arranged to wrap a living or non-living body, said target object, in order to modify its interaction with the electromagnetic field, in particular with a view to protecting said target object or optimizing processing or exploration carried out on said target object by means of said electromagnetic field.
  • the invention proposes a contactless characterization method of at least one region to be explored within a medium to be characterized, this method comprises the following steps:
  • probed resonators constituting a subset of a network of resonators formed by a device as set forth here, said network being located close to said explored region but without requiring contact with said explored region, so that the resonators of said network interact with the region to be explored;
  • the resonator or resonators probed with the probe see their impedance vary according to the variations in impedance of the other resonators, called non-probed.
  • the interactions of the unprobed resonators with the medium to be characterized propagate to a certain extent towards the probed resonator(s). From a probe which is only directly coupled with certain resonators, the reader can thus extract electrical properties of regions which interact with other resonators further away from the probe.
  • the network comprises different types of multifrequency resonators having different frequency combinations, spatially distributed within said network so that different regions have different frequency combinations, in particular by different resonators or different combinations of different resonators.
  • the reader can thus analyze the impedance variations for the different frequencies or frequency combinations of a large part of the network, including several different regions even if they are not do not include sounded resonator(s).
  • a probe coupled with a resonator interacting with the medium in a first region it is thus possible to extract electrical properties of the medium in a second region interacting with unprobed resonators.
  • a contactless characterization system of at least one so-called explored region within a medium to be characterized comprising:
  • At least one device as described here forming a network of resonators interacting with each other by inductive coupling and whose transmission lines interact with the region to be explored, intended to be placed close to said region explored, but without requiring of contact with said explored region,
  • Fig. la Figs. la and Fig.lb are plans in top view to scale which illustrate examples of multifrequency resonators that can be used according to different embodiments of the invention, with:
  • FIG. la resonator with four nested single-turn circular meshes
  • Fig.2 is a plan in top view to scale which illustrates an example of a multifrequency resonator usable according to different embodiments of the invention, with four nested circular meshes, including a single-tower and the other multi-turns;
  • Fig.3 is a partial schematic view, in cross-sectional top view and in exploded perspective, which represents an example of an elementary transmission line (or TLR.) of the single-turn circular type, which can be used within a multifrequency resonator that can be used according to different example embodiments;
  • TLR elementary transmission line
  • Fig.4 is a partial schematic view, in top view and in cross section, of a multi-aperture elementary transmission line (or TLR) that can be used within a usable multifrequency resonator according to different exemplary embodiments, in an example with six circular transmission lines in portions and of decreasing radii, concentric with each other and offset by 60°, formed each 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;
  • TLR multi-aperture elementary transmission line
  • Fig.6 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.7 is a curve similar to that of Fig.6, simulated for the 8-resonance resonator of Fig.lb;
  • Fig.8 is a symbolic diagram which schematically illustrates the operation of the characterization method used according to several example embodiments of the invention.
  • Fig.10 is a diagram which illustrates a use of a network of multifrequency resonators of the same type as that of Fig.9 (or Fig.11) as a contactless sensor to characterize a medium using a single channel inductive probe;
  • Fig.11 is a schematic plan view, which illustrates an example of a network of multi-frequency resonators according to an exemplary embodiment of the invention with four-frequency resonators of several different types, distributed by zones spatially distinct;
  • Fig.12 is a cross-sectional diagram which illustrates an example of implementation of the invention, using a network such as for example that of Fig.9 or Fig.11 implanted in the wall of a tank to characterize without contact the state of its internal surface by means of a single probe;
  • FIG.13 is a diagram which illustrates a use of a network of multifrequency resonators arranged as a meta-material to interact with an incident electromagnetic field
  • FIG.14 is a diagram which illustrates a use of a flexible film carrying a network of multifrequency resonators arranged as a metamaterial to achieve impedance matching by being inserted between an incident electromagnetic field and a body explored using said field.
  • Figs. 1a to Fig.4 illustrate individual examples of multifrequency resonators, which can be used to produce a resonator network according to the invention.
  • Fig.3 and Fig.4 illustrate the constitution of a transmission line M14, M1, which can be used to produce such a resonator.
  • This transmission line is formed by a group of two interrupted tracks, arranged on both sides of a flat dielectric substrate d1 with an angular offset between the slots of the two tracks of each group.
  • Fig.5 illustrates the interactions of an MRI resonator with "N" resonance frequencies, comprising N transmission lines ZI to ZN, with an SI probe as part of a contactless characterization method of a medium to be explored .
  • Fig.6 and Fig.7 illustrate the impedance measurements showing peaks corresponding to the resonant frequencies of the individual multi-frequency resonators, respectively of Figs. la and Fig.lb.
  • Fig.8 illustrates the steps and applications of such a characterization method.
  • FIG. 9 is illustrated an example of a network RR1 of multifrequency resonators according to an example embodiment of the invention with four-frequency resonators MRI all identical to one another, similar to that of FIG. la, made on both sides of a planar dielectric substrate.
  • Fig.10 is illustrated a use of a network of multifrequency resonators of the same type as that of Fig.9 (or Fig.11) as a contactless sensor to characterize a medium using an inductive probe SI connected in a single channel 102 to a reader S0, for example a vector analyzer.
  • Fig.11 is illustrated an example of network RR2 of multifrequency resonators according to an example embodiment of the invention with four-frequency resonators of several different types MRla, MRlb, MRlc, MRld, here resonators similar to that of the Fig. the but of different dimensions and having different combinations of resonant frequencies.
  • the different types of resonators are divided into four spatially distinct zones RR2a, RR2b, RR2c, RR2d.
  • an inductive probe SI which will be coupled with one MRla of the resonators of one in a region RR2a measures impedances not only for each of the resonant frequencies of the resonator "probed", but also impedances for the resonance frequencies of the other types of resonators and coming from the other regions of the network RR2.
  • Fig.12 is illustrated an example of implementation of the characterization method, using a network such as that of Fig.9 or Fig.11 implanted in the wall of a tank 83 to characterize without contact the state of its internal surface 928 by means of a single probe SI.
  • the probe SI indirectly detects variations in impedance existing in the regions R7a to R7h which encompass the interface surface between the wall of the tank and the fuel 92 ., via the individual multifrequency resonator MR7e to which it is inductively coupled.
  • Fig.13 is illustrated a use of an array RR1 of multifrequency resonators arranged as a meta-material to interact with an incident electromagnetic field Ci, in particular a magnetic field or the magnetic component of an electromagnetic field.
  • this incident field Ci is modified, for example transmitted Cs1 or refracted Cs2 or reflected CS3, depending on the characteristics conferred on this metamaterial by the characteristics of its individual resonators.
  • Fig.14 is illustrated a use of a flexible film carrying an R.R.3 network of multifrequency resonators, arranged as a meta-material to achieve impedance matching by being inserted between the body of a patient 9 and an incident electromagnetic field Ci emitted by an S9 probe of a treatment device.
  • the invention is not limited to the examples which have just been described and many adjustments can be made to these examples without departing from the scope of the invention.

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Abstract

L'invention se rapporte à un dispositif de réseau (RR1,RR2,RR3) composé de résonateurs passifs multifréquences individuels (MR1) non connectés électriquement entre eux. Ces résonateurs sont formés par des lignes de transmission interrompues refermées sur elles-mêmes (M11-M14), imbriquées entre elles, formées chacune d'un groupe de deux ou plus pistes parallèles, et appairées entre elles sans contact autour d'une ou plusieurs couches diélectriques (d1) d'un substrat. Un tel réseau est utilisé notamment pour modifier un champ magnétique ou électromagnétique incident (Ci), et/ou pour réaliser une adaptation d'impédance en étant interposé entre un champ incident (Ci) et un corps (9) ou objet à traiter ou observer. Il est utilisé aussi pour améliorer un procédé de caractérisation sans contact d'un milieu à explorer (91,928), par couplage inductif d'un ou plusieurs des résonateurs dudit réseau avec une sonde (S1) connectée (102) avec un lecteur (S0).

Description

Description
Titre de l'invention : "Dispositif de résonateurs électromagnétiques multifréquences couplés inductivement entre eux formant un réseau de résonateurs ou un méta-matériau, et procédé de mise en œuvre"
L'invention se rapporte à un dispositif de réseau composé de résonateurs passifs multifréquences individuels non connectés électriquement entre eux. Ces résonateurs sont formés par des lignes de transmission interrompues refermées sur elles-mêmes, imbriquées entre elles, formées chacune d'un groupe de deux ou plus pistes parallèles, et appairées entre elles sans contact autour d'une ou plusieurs couches diélectriques d'un substrat. Un tel réseau est utilisé notamment pour modifier un champ magnétique ou électromagnétique incident, et/ou pour réaliser une adaptation d'impédance en étant interposé entre un champ incident et un corps ou objet à traiter ou observer. Il est utilisé aussi pour améliorer un procédé de caractérisation sans contact d'un milieu à explorer, par couplage inductif d'un ou plusieurs des résonateurs dudit réseau avec une sonde connectée avec un lecteur
Etat de la technique
Il est connu d'utiliser des résonateurs électromagnétiques regroupés en réseau, pour obtenir un effet de "méta-matériau" produisant sur un champ électromagnétique un effet global différent de l'effet qui serait obtenu le ou les matériaux qui constituent ce méta-matériau.
De tels métamatériaux sont souvent réalisés avec des résonateurs espacés régulièrement, qui sont reliés entre eux par une connexion électrique ou par lignes de transmission couplées électriquement, ils interagissent principalement avec le champ électrique.
Le document US2019/0021626 par exemple, porte sur une antenne et un système de tomographie micro-ondes, utilisés pour une détection et diagnostic sur le corps humain. Ce document propose d'interposer entre l'antenne et la peau un métamatériau qui sert à réaliser une adaptation d'impédance avec les tissus humains pour faciliter la pénétration. Ce méta matériau est formé par une matrice d'éléments en cuivre monofréquences sur un support diélectrique. La fréquence de résonance peut être statique, ou peut être ajustée par des moyens tels que des MEMS commandés par une tension, ou une circulation microfluidique modifiant les propriétés diélectriques du métamatériau, ou optiquement en utilisant un matériau photo-sensible dont les propriétés diélectriques sont modifiées par illumination.
Les publications suivantes proposent un métamatériau formé par une répétition régulière d'un résonateur monofréquence de type SRR (pour "Split Ring Resonator"), pour améliorer les performances d'un système de suivi ou d'imagerie par micro-ondes :
- Razzicchia, E., Koutsoupidou, M., Cano Garcia, H., Sotiriou, I., Kallos, E., Palikaras, G., & Kosmas, P. (2019) : "Metamaterial designs to enhance microwave imaging applications". In Proceedings of the 2019 21st International Conference on Electromagnetics in Advanced Applications, ICEAA 2019 (pp. 147-150).
- Vincenza Portosi , Antonella Maria Loconsole and Francesco Prudenzano : "A Split Ring Resonator-Based Metamaterial for Microwave Impedance Matching with Biological Tissue". In Applied Sciences 2020, 10, 6740.
La réalisation de tels métamatériaux reste cependant délicate à réaliser et à ajuster, et gagnerait à être développée dans de nombreuses directions, notamment en matière de robustesse et de polyvalence dans ses applications.
Un objectif de l'invention est de pallier en tout ou partie les inconvénients de l'état de la technique. En particulier, elle cherche à fournir des dispositifs et procédés à base de résonateurs électromagnétiques qui soient plus performants, souples, d'applications variées, et simples et souples à fabriquer et à utiliser.
Exposé de l'invention
L'invention propose un dispositif comprenant une pluralité de résonateurs électromagnétiques passifs multifréquences, c'est à dire présentant chacun plusieurs fréquences de résonnance déterminées. Notamment mais non obligatoirement, ces résonateurs partagent entre eux au moins une fréquence de résonance dite commune. Chacun desdits résonateur comprend une pluralité de lignes de transmission galvaniquement isolées (entre elles et avec l'extérieur du résonateur), présentant des fréquences de résonance différentes entre elles, et formant chacune une trajectoire à la fois refermée sur elle-même et interrompue par une ou plusieurs fentes. Lesdites lignes de transmission sont disposées spatialement l'une par rapport à l'autre de façon à, lorsque ledit dispositif est soumis à un champ dit incident, partager entre elles une région d'interaction commune dans laquelle les lignes de champ dudit champ incident interagissent avec ladite pluralité de lignes de transmission. Ce champ incident soit s'entendre comme pouvant être un champ électrique ou magnétique ou électromagnétique. Selon l'invention, ces résonateurs sont eux-mêmes disposés, au sein dudit réseau, sans contact électrique entre eux et de façon suffisamment proche les uns des autres pour former un réseau de résonateurs pouvant interagir entre eux par couplage inductif.
On obtient ainsi un réseau de résonateurs qui sont séparés (spatialement et électriquement) les uns des autres et répartis pour couvrir une certaine surface, voire un certain volume, tout en coopérant entre eux de façon inductive pour produire une réaction d'ensemble.
Ces résonateurs sont par exemple des résonateurs multifréquences tels que décrits dans la demande FR.2112292 des mêmes inventeurs. Les particularités décrites dans cette demande sont aussi applicables à la présente invention.
Selon une particularité de l'invention, les résonateurs de ce réseau (tous ou au moins plusieurs d'entre eux) comprennent chacun une ou plusieurs lignes de transmission qui sont chacune formée par un groupe d'au moins deux pistes interrompues. Dans chaque groupe, ces pistes sont disposées parallèles entre elles mais sans contact électrique entre elles et décrivant une même trajectoire commune. Dans un tel groupe, la ou les interruptions de chacune des pistes dudit groupe sont disposées chacune en vis-à-vis d'une partie pleine d'une autre piste dudit groupe, notamment de toutes les autres pistes dudit groupe.
On obtient ainsi un réseau de résonateur qui privilégie spécifiquement les interactions inductives et magnétiques.
Typiquement, tout ou partie des résonateurs multifréquences comprend chacun une pluralité de lignes de transmission imbriquées entre elles, notamment au sein d'une surface bidimensionnelle (plane ou non, par exemple cylindrique ou conique, réglée ou non).
Une pluralité des résonateurs multifréquences du dispositif selon l'invention peuvent comprendre chacun une pluralité de lignes de transmission formées chacune par au moins deux pistes disposées sur deux faces opposées d'un substrat diélectrique bidimensionnel, notamment un même substrat commun à tout ou partie des lignes de transmission d'un même résonateur multifréquence.
Les différentes pistes d'un même groupe de pistes sont par exemple déposées sur les deux faces d'une couche de substrat isolant, ou trois pistes ou plus intercalées entre des couches de substrat isolant.
Optionnellement, ce ou ces substrats sont agencés de façon à pouvoir modifier ses caractéristiques diélectriques, et ainsi modifier la fréquence de résonance des pistes de chaque groupe, et donc modifier les fréquences de résonance de chaque résonateur. Cette modification est réalisée par exemple en utilisant une couche d'un matériau piézoélectrique, qui est commandé électriquement pour faire varier son épaisseur ; ou incorporant dans ce substrat des canaux microfluidiques, dans lesquels l'injection ou l'extraction d'un fluide permet de faire varier les propriétés diélectriques globales du substrat ; ou par tout moyen connu pour faire varier et/ou commander (ou "activer") une telle variation de ses propriétés diélectriques.
Un tel réseau peut être utilisé de différentes façons. Selon une famille de modes de réalisation, il peut notamment être utilisé au sein d'un champ incident qui baigne ou traverse ledit réseau. Méta-matériau
Ainsi, selon une particularité, les résonateurs multifréquences sont arrangés, sans contact électriques entre eux, en une structure spatialement périodique agencée pour former un méta-matériau électromagnétique apte à interagir avec un champ électromagnétique extérieur, dit champ incident.
Selon un autre aspect de l'invention, il est proposé un procédé de modification de l'interaction d'un corps vivant ou d'un objet avec un champ électromagnétique incident. Ce procédé comprend alors une mise en place ou un maintien ou une activation d'un dispositif tel qu'exposé ici autour dudit corps ou objet ou entre lui et une source dudit champ incident.
Ce type d'utilisation en métamatériau permet différentes utilisations, selon des particularités différentes mais non exclusives l'une de l'autre.
Selon une particularité, les résonateurs sont déterminés et disposés pour interagir avec un champ électromagnétique incident de façon à en filtrer ou atténuer tout ou partie des fréquences différentes des fréquences de résonance desdits résonateurs.
On obtient ainsi par exemple un effet de filtrage, notamment en absorbant réémettant surtout les fréquences de résonance. Il peut s'agir par exemple de réaliser un écran entre le champ incident et un objet cible, par exemple pour le protéger des fréquences de résonances. Il peut aussi s'agir par exemple de réaliser un écrantage, par exemple en ne laissant passer que les fréquences de résonance, sur une toute petite bande de fréquences, par exemple de l'ordre de 100kHz. On obtient ainsi un très fort facteur de qualité.
Selon une autre particularité, les résonateurs sont déterminés et disposés pour interagir avec un champ électromagnétique traversant le dispositif de façon à amplifier son intensité dans les fréquences de résonance des résonateurs, par induction magnétique à ces fréquences.
Il devient ainsi possible d'amplifier les effets de certaines fréquences, et ainsi améliorer un procédé basé sur ces fréquences, par exemple de détection, imagerie ou traitement.
Selon encore une autre particularité, les résonateurs sont déterminés et disposés pour interagir avec un champ électromagnétique incident de façon à en dévier ou réfléchir tout ou partie de son intensité dans une ou plusieurs fréquences. En intercalant le réseau entre le champ incident et un corps ou un objet, on peut ainsi obtenir une protection de cet objet cible contre le champ incident, en intensité et/ou en modification d'une signature ou d'une image obtenue par ledit champ incident ou les réponses qu'il provoque dans ledit corps ou objet.
Adaptation d'impédance
Selon une famille de modes de réalisation, non exclusive de la précédente, les résonateurs sont déterminés et disposés pour interagir avec un champ électromagnétique le traversant de façon à modifier/adapter l'impédance d'un signal incident transporté par ledit champ électromagnétique ou d'un signal de réponse causé par ledit champ et traversant ledit dispositif.
L'invention permet ainsi de réaliser un dispositif d'adaptation d'impédance permettant de modifier, ajuster ou améliorer les performances d'un procédé de détection ou d'imagerie ou de traitement à base d'ondes électromagnétiques, par exemple en tomographie microondes ou en IRM. Une telle modification peut s'application par exemple à la précision, ou la pénétration, profondeur d'exploration, ou la nature des tissus ou matières à observer ou traiter, et sur une plage de fréquences plus large ou plus souple. Elle peut permettre aussi de minimiser les effets secondaires sur les tissus d'un tel traitement ou observation.
Selon une particularité, le dispositif exposé ici comprend un film souple ou rigide portant tout ou partie des résonateurs dudit dispositif, lequel film est agencé pour envelopper un corps vivant ou non, dit objet cible, en vue de modifier son interaction avec le champ électromagnétique, notamment en vue d'une protection dudit objet cible ou d'une optimisation d'un traitement ou d'une exploration réalisé sur ledit objet cible au moyen dudit champ électromagnétique.
On réalise ainsi un dispositif d'adaptation d'impédance facile et souple d'utilisation, de transport ou stockage, comparable par exemple à une couverture de survie ou permettant par exemple de réaliser une pièce souple à but de masquage local ou à porter comme un vêtement ("wearable" en Anglais) ou un pansement. Caractérisation sans contact
Selon encore une famille de modes de réalisation, non exclusive des précédentes, l'invention propose un procédé de caractérisation sans contact d'au moins une région à explorer au sein d'un milieu à caractériser, ce procédé comprend les étapes suivantes :
- couplage inductif sans contact d'une sonde, de façon simultanée, avec un ou plusieurs résonateurs multifréquences, dits résonateurs sondés, constituant un sous-ensemble d'un réseau de résonateurs formé par un dispositif tel qu'exposé ici, ledit réseau étant situé à proximité de ladite région explorée mais sans nécessiter de contact avec ladite région explorée, de façon à ce que les résonateur dudit réseau interagissent avec la région à explorer ;
- mesure de la variation d'impédance desdits résonateurs sondés par un lecteur qui interagit avec ladite sonde ;
- traitement de ladite mesure de variation d'impédance, comprenant une analyse spectrale en fonction de la fréquence, de façon à déterminer une pluralité d'impédances individuelles mesurées pour une pluralité de fréquences de mesure ;
- traitement d'une ou plusieurs desdites impédances individuelles pour extraire une ou plusieurs propriétés électriques de ladite zone explorée.
Du fait du couplage entre les différents résonateurs du réseau, le ou les résonateurs sondés avec la sonde voient leur impédance varier en fonction des variations d'impédance des autres résonateurs, dits non sondés. Les interactions des résonateurs non sondés avec le milieu à caractériser se propagent dans une certaine mesure vers le ou les résonateurs sondés. A partir d'une sonde qui n'est couplée directement qu'avec certains résonateurs, le lecteur peut ainsi extraire des propriétés électriques de régions qui interagissent avec d'autres résonateurs plus éloignés de la sonde.
On obtient ainsi une amélioration de nombres de problèmes connus en matière d'exploration sans contact. Il s'agit par exemple d'une meilleure robustesse des mesures, par exemple vis-à-vis du positionnement de la sonde par rapport au milieu, du fait que l'interrogation s'effectue sur des résonateurs plus nombreux pour une même sonde. Ce procédé de caractérisation est basé sur le même principe que le procédé utilisant un unique résonateur multifréquence décrit dans la demande FR.2112292 des mêmes inventeurs. Les différentes variantes énoncées dans cette demande sont aussi applicables au présent procédé, par exemple dans la nature ou structure des résonateurs, ou dans sa gestion de la profondeur de la région explorée, ou dans ses différentes utilisations.
Selon une particularité, le réseau comprend différents types de résonateurs multifréquences présentant des combinaisons de fréquences différentes, répartis spatialement au sein dudit réseau de façon à ce que des régions différentes présentent des combinaisons de fréquences différentes, notamment par des résonateurs différents ou des combinaisons différentes de résonateurs différents.
Par le couplage avec le ou les résonateurs sondés, quels qu'ils soient, le lecteur peut ainsi analysant les variations d'impédance pour les différentes fréquences ou combinaisons de fréquence d'une grande partie du réseau, incluant plusieurs régions différentes même si elles n'incluent pas de résonateur(s) sondé(s). En utilisant une sonde couplée avec un résonateur interagissant avec le milieu dans une première région, il est ainsi possible d'extraire des propriétés électriques du milieu dans une deuxième région interagissant avec des résonateurs non sondés.
Dès lors que l'on connaît la répartition spatiale des résonateurs de combinaisons de fréquence différentes, le procédé fournit ainsi une information de caractérisation spatialement attribuée entre plusieurs régions, tout en en sondant une seule.
Selon encore un autre aspect de l'invention, il est aussi proposé un système de caractérisation sans contact d'au moins une région dite explorée au sein d'un milieu à caractériser, comprenant :
- au moins un dispositif tel qu'exposé ici, formant un réseau de résonateurs interagissant entre eux par couplage inductif et qui dont les lignes de transmission interagissent avec la région à explorer, prévu pour être disposé à proximité de ladite région explorée, mais sans nécessiter de contact avec ladite région explorée,
- au moins une sonde agencée pour : o d'une part être couplée par couplage inductif avec un ou plusieurs résonateurs dudit réseau de résonateur (typiquement avec seulement certains résonateurs du réseau) au moyen d'un circuit à boucle inductive, et o d'autre part pour interagir avec au moins un lecteur ; ledit lecteur étant agencé pour interagir avec ladite sonde de façon à mettre en œuvre un procédé de caractérisation tel qu'exposé 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 exemples de résonateurs multifréquences utilisables selon différents 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 exemple de résonateur multifréquence utilisable selon différents modes de réalisation de l'invention, avec quatre mailles circulaires imbriquées, dont une mono-tour et les autres multi-tours ;
[Fig.3] : la Fig.3 est une vue schématique partielle, en vue de dessus en coupe transversale et en perspective éclatée, qui représente un exemple de ligne de transmission élémentaire (ou TLR.) de type circulaire monotour, pouvant être utilisée au sein d'un résonateur multifréquence utilisable selon différents exemple de mode de réalisation ;
[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 pouvant être utilisée au sein d'un résonateur multifréquence utilisable selon différents exemple de mode de réalisation, dans un exemple 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 un schéma électrique équivalent, d'un résonateur à "N" fréquences de résonance, illustrant ses interactions avec une sonde et avec un milieu à caractériser ;
[Fig.6] : la Fig.6 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.7] : la Fig.7 est une courbe similaire à celle de la Fig.6, simulée pour le résonateur 8 résonances de la Fig.lb ;
[Fig.8] : la Fig.8 est un diagramme symbolique qui illustre schématiquement le fonctionnement du procédé de caractérisation utilisé selon plusieurs exemples de modes de réalisation de l'invention ;
[Fig.9] : la Fig.9 est une vue schématique en plan, qui illustre un exemple de réseau de résonateurs multifréquences selon un exemple de mode de réalisation de l'invention à résonateurs quadri-fréquences tous identiques entre eux ;
[Fig.10] : la Fig.10 est un schéma qui illustre une utilisation d'un réseau de résonateurs multifréquences du même type que celui de la Fig.9 (ou Fig.11) en tant que capteur sans contact pour caractériser un milieu à l'aide d'une sonde inductive monovoie ;
[Fig.11] : la Fig.11 est une vue schématique en plan, qui illustre un exemple de réseau de résonateurs multifréquences selon un exemple de mode de réalisation de l'invention à résonateurs quadri-fréquences de plusieurs types différents, répartis par zones spatialement distinctes ;
[Fig.12] : la Fig.12 est un schéma en coupe transversale qui illustre un exemple de mise en œuvre de l'invention, utilisant un réseau comme par exemple celui de la Fig.9 ou Fig.11 implanté dans la paroi d'un réservoir pour caractériser sans contact l'état de sa surface interne au moyen d'une sonde unique ;
[Fig.13] : la Fig.13 est un schéma qui illustre une utilisation d'un réseau de résonateurs multifréquences agencé comme méta-matériau pour interagir avec un champ électromagnétique incident ; [Fig.14] : la Fig.14 est un schéma qui illustre une utilisation d'un film souple portant un réseau de résonateurs multifréquences agencé comme méta- matériau pour réaliser une adaptation d'impédance en étant intercalé entre un champ électromagnétique incident et un corps exploré à l'aide dudit champ.
Description en référence aux figures
Résonateurs multifréquences individuels
Les Fig. la à Fig.4 illustrent des exemples individuels de résonateurs multifréquences, utilisables pour réaliser un réseau de résonateur selon l'invention.
La Fig.3 et Fig.4 illustrent la constitution d'une ligne de transmission M14, Ml, utilisable pour réaliser un tel résonateur. Cette ligne de transmission est formée par un groupe de deux pistes interrompues, disposées des deux côtés d'un substrat diélectrique plan dl avec un décalage angulaire entre les fentes des deux pistes de chaque groupe.
Ces résonateurs individuels sont décrits en détail dans la demande FR2112292 des mêmes inventeurs.
Procédé de caractérisation par un résonateur multifréquence
La Fig.5 illustre les interactions d'un résonateur MRI à "N" fréquences de résonance, comportant N lignes de transmission ZI à ZN, avec une sonde SI dans le cadre d'un procédé de caractérisation sans contact d'un milieu à explorer. Les Fig.6 et Fig.7 illustrent les mesures d'impédance montrant des pics correspondants aux fréquences de résonance des résonateurs multifréquences individuels, respectivement des Fig. la et Fig.lb. La Fig.8 illustre les étapes et applications d'un tel procédé de caractérisation.
Ce procédé est décrit en détail dans la demande FR2112292 des mêmes inventeurs.
En Fig.9 est illustré un exemple de réseau RR1 de résonateurs multifréquences selon un exemple de mode de réalisation de l'invention à résonateurs quadri-fréquences MRI tous identiques entre eux, similaires à celui de la Fig. la, réalisés sur les deux faces d'un substrat diélectrique plan. En Fig.10 est illustrée une utilisation d'un réseau de résonateurs multifréquences du même type que celui de la Fig.9 (ou Fig.11) en tant que capteur sans contact pour caractériser un milieu à l'aide d'une sonde inductive SI raccordée de façon monovoie 102 à un lecteur S0, par exemple un analyseur vectoriel.
En Fig.11 est illustré un exemple de réseau RR2 de résonateurs multifréquences selon un exemple de mode de réalisation de l'invention à résonateurs quadri-fréquences de plusieurs types différents MRla, MRlb, MRlc, MRld, ici des résonateurs similaires à celui de la Fig. la mais de dimensions différentes et présentant des combinaisons différentes de fréquences de résonance. Dans ce réseau, les types différents de résonateurs sont répartis en quatre zones RR2a, RR2b, RR2c, RR2d spatialement distinctes.
Du fait de l'interaction inductive existant entre les résonateurs du même réseau RR2, une sonde inductive SI qui sera couplée avec l'un MRla des résonateurs d'une dans une région RR2a mesure des impédances non seulement pour chacune des fréquences de résonance du résonateur "sondé", mais aussi des impédances pour les fréquences de résonance des autres types de résonateurs et provenant des autres régions du réseau RR2.
En Fig.12 est illustré un exemple de mise en œuvre du procédé de caractérisation, utilisant un réseau comme par exemple celui de la Fig.9 ou Fig.11 implanté dans la paroi d'un réservoir 83 pour caractériser sans contact l'état de sa surface interne 928 au moyen d'une sonde unique SI.
Là aussi, du fait l'interaction inductive existant entre les résonateurs du réseau RR1, la sonde SI détecte indirectement des variations d'impédance existant dans les régions R7a à R7h qui englobent la surface d'interface entre la paroi du réservoir et le carburant 92., par l'intermédiaire du résonateur multifréquence individuel MR7e auquel elle est couplée inductivement. Méta-matériau
En Fig.13 est illustrée une utilisation d'un réseau RR1 de résonateurs multifréquences agencé comme méta-matériau pour interagir avec un champ électromagnétique incident Ci, en particulier un champs magnétique ou la composante magnétique d'un champ électromagnétique. Selon les modifications créées par ce métamatériau, ce champs incident Ci est modifié, par exemple transmis Csl ou réfracté Cs2 ou réfléchi CS3, selon les caractéristiques conféré à ce métamatériau par les caractéristiques de ses résonateurs individuels.
En Fig.14 est illustrée une utilisation d'un film souple portant un réseau R.R.3 de résonateurs multifréquences, agencé comme méta-matériau pour réaliser une adaptation d'impédance en étant intercalé entre le corps d'un patient 9 et un champ électromagnétique incident Ci émis par une sonde S9 d'un appareil de traitement. Bien sûr, l'invention n'est pas limitée aux exemples qui viennent d'être décrits et de nombreux aménagements peuvent être apportés à ces exemples sans sortir du cadre de l'invention.

Claims

Revendications
1. Dispositif (R.R.1, R.R.2, R.R.3) comprenant une pluralité de résonateurs électromagnétiques passifs multifréquences (MRI, MR2, MR3) présentant chacun plusieurs fréquences de résonnance déterminées, chacun desdits résonateur comprenant une pluralité de lignes de transmission (Mil à M14) galvaniquement isolées entre elles, présentant des fréquences de résonance différentes entre elles, et formant chacune une trajectoire refermée sur elle-même et interrompue par une ou plusieurs fentes (G14), lesdites lignes de transmission étant disposées spatialement l'une par rapport à l'autre de façon à, lorsque ledit dispositif est soumis à un champ dit incident (Ci), partager entre elles une région d'interaction commune dans laquelle les lignes de champ dudit champ incident interagissent avec ladite pluralité de lignes de transmission, lesdits résonateurs étant arrangés, sans contact électriques entre eux, de façon suffisamment proche les uns des autres pour former un réseau de résonateurs interagissant entre eux par couplage inductif.
2. Dispositif selon la revendication précédente, caractérisé en ce tout ou partie de ses résonateurs (MR.1, MR2, MR3) comprend chacun une ou lignes de transmission (M14)qui sont chacune formée par un groupe d'au moins deux pistes interrompues (C14a, C14b), disposées parallèles entre elles mais sans contact électrique entre elles et décrivant une même trajectoire commune, dans lequel la ou les interruptions (G14, G14') de chacune des pistes dudit groupe sont disposées chacune en vis-à-vis d'une partie pleine d'une autre piste dudit groupe, et notamment de toutes les autres pistes dudit groupe.
3. Dispositif selon la revendication précédente, caractérisé en ce qu'une pluralité de ses résonateurs multifréquences comprennent chacun une pluralité de lignes de transmission imbriquées entre elles, notamment au sein d'une surface bidimensionnelle.
4. Dispositif selon la revendication précédente, caractérisé en ce qu'une pluralité de ses résonateurs multifréquences comprennent chacun une pluralité de lignes de transmission formées chacune par au moins deux pistes disposées sur deux faces opposées d'un substrat diélectrique bidimensionnel, notamment un même substrat commun à tout ou partie des lignes de transmission d'un même résonateur multifréquence.
5. Dispositif selon la revendication précédente, caractérisé en ce que les résonateurs multifréquences sont arrangés, sans contact électriques entre eux, en une structure spatialement périodique agencée pour former un méta- matériau électromagnétique apte à interagir avec un champ électromagnétique extérieur, dit champ incident.
6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les résonateurs sont déterminés et disposés pour interagir avec un champ électromagnétique incident de façon à en filtrer ou atténuer tout ou partie des fréquences différentes des fréquences de résonance desdits résonateurs.
7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les résonateurs sont déterminés et disposés pour interagir avec un champ électromagnétique le traversant de façon à amplifier son intensité dans les fréquences de résonance des résonateurs.
8. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les résonateurs sont déterminés et disposés pour interagir avec un champ électromagnétique incident de façon à en dévier ou réfracter ou réfléchir tout ou partie de son intensité dans une ou plusieurs fréquences.
9. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les résonateurs sont déterminés et disposés pour interagir avec un champ électromagnétique le traversant de façon à modifier l'impédance d'un signal incident transporté par ledit champ électromagnétique ou d'un signal de réponse causé par ledit champ et traversant ledit dispositif.
10. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 4 à 9, caractérisé en ce qu'il comprend un film souple ou rigide portant tout ou partie des - 16 - résonateurs dudit dispositif, lequel film est agencé pour envelopper un corps vivant ou non, dit objet cible, en vue de modifier son interaction avec le champ électromagnétique, notamment en vue d'une protection dudit objet cible ou d'une optimisation d'un traitement ou d'une exploration réalisé sur ledit objet cible au moyen dudit champ électromagnétique.
11. Procédé de modification de l'interaction d'un corps vivant ou d'un objet avec un champ électromagnétique incident, comprenant une mise en place ou un maintien ou une activation d'un dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes autour dudit corps ou objet ou entre lui et une source dudit champ incident.
12. 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 un ou plusieurs résonateurs multifréquences, dits résonateurs sondés, constituant un sous-ensemble d'un réseau de résonateurs formé par un dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, ledit réseau étant situé à proximité de ladite région explorée mais sans nécessiter de contact avec ladite région explorée, de façon à ce que les résonateur dudit réseau interagissent avec la région à explorer ;
- mesure (104) de la variation d'impédance desdits résonateurs sondés 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.
13. Procédé selon la revendication précédente, caractérisé en ce que le réseau comprend différents types de résonateurs multifréquences présentant des combinaisons de fréquences différentes, répartis spatialement au sein dudit réseau de façon à ce que des régions différentes (RR2a, RR2b) présentent des combinaisons de fréquences différentes, notamment par des résonateurs différents ou des combinaisons différentes de résonateurs - 17 - différents.
14. 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), comprenant : - au moins un dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 4 formant un réseau de résonateurs (RR1, RR2) interagissant entre eux par couplage inductif et qui dont les lignes de transmission interagissent avec la région à explorer, prévu pour être disposé à proximité de ladite région explorée, mais sans nécessiter de contact avec ladite région explorée, - au moins une sonde agencée pour : o d'une part être couplée par couplage inductif avec un ou plusieurs résonateurs dudit réseau de résonateur (typiquement avec seulement certains résonateurs du réseau) au moyen d'un circuit à boucle inductive (SI, S7, S8), et o d'autre part pour interagir avec au moins un lecteur (S0) ; ledit lecteur étant agencé pour interagir avec ladite sonde de façon à mettre en œuvre un procédé de caractérisation selon l'une quelconque des revendications 12 à 13.
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