FR2697948A1 - Dispositif formant une admittance de surface capacitive artificielle, application à la réalisation de cavités bidimensionnelles, de résonateurs et d'antennes. - Google Patents
Dispositif formant une admittance de surface capacitive artificielle, application à la réalisation de cavités bidimensionnelles, de résonateurs et d'antennes. Download PDFInfo
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Abstract
Ce dispositif comprend deux ensembles plans qui sont placés l'un en face de l'autre et qui sont séparés l'un de l'autre par une couche diélectrique plane (21). Chaque ensemble plan comprend des motifs (22) électriquement conducteurs, plans et électriquement isolés les uns des autres, ces ensembles étant décalés l'un par rapport à l'autre de telle façon que le dispositif se comporte comme une couche diélectrique de constante diélectrique élevée.
Description
DISPOSITIF FORMANT UNE ADMITTANCE DE SURFACE
CAPACITIVE ARTIFICIELLE, APPLICATION A LA REALISATION
DE CAVITES BIDIMENSIONNELLES, DE RESONATEURS
ET D'ANTENNES
DESCRIPTION
La présente invention concerne un dispositif formant une admittance de surface capacitive artificielle que l'on appelle aussi impédance de surface capacitive artificielle (une admittance Y étant
l'inverse d'une impédance Z).
Cette admittance est fixe dans certains modes de réalisation particuliers et réglable dans d'autres
modes de réalisation particuliers.
Le domaine des ondes électromagnétiques plus particulièrement concerné par l'invention est celui des
ondes radio-fréquences et des ondes hyper-fréquences.
L'invention s'applique notamment à la réalisation de divers dispositifs mettant en oeuvre les propriétés électromagnétiques qui sont associées à une admittance de surface capacitive, et s'applique en particulier à la réalisation de guide d'ondes, d'antennes et de résonateurs hyper-fréquences accordables. On examine ci-après deux exemples connus
d'admittance de surface naturelle.
Le premier exemple est celui d'un plan
résistif.
Un tel plan est obtenu en déposant, sur un support électriquement isolant, mince et plan, une couche très mince d'un métal ou d'un semi-conducteur ou encore d'un polymère conducteur, de manière à obtenir une valeur bien définie et homogène de la résistance de
surface Rs pour la couche ainsi formée.
Cette couche constitue, pour une onde électromagnétique arrivant sous incidence normale, une impédance résistive, égale à Rs, à condition de rendre négligeable l'influence du support, condition qui est facile à remplir. Le plan résistif obtenu est schématiquement représenté sur la figure 1 A o l'on voit la couche
conductrice 2 formée sur le support isolant 4.
L'impédance de surface résistive formée sert en particulier à réaliser un écran anti-réfléchissant,
connu sous le nom "d'écran de Salisbury".
Un écran de Salisbury est un dispositif qui vise à annuler le coefficient de réflexion d'une
surface métallique.
La figure l B représente schématiquement un
tel dispositif.
La surface métallique est figurée par le plan métallique 6 C'est un réflecteur parfait pour une onde hyperfréquence. L'écran de Salisbury est constitué en plaçant le plan résistif 2 formé sur le substrat 4 en amont du plan métallique 6, à la distance Lo/4 de celui- ci, de façon à se trouver sur le trajet de l'onde
électromagnétique incidente de longueur d'onde Lo.
De plus, la résistance de surface du plan résistif 2 est choisie égale à l'impédance du vide, qui vaut 377 ohms (racine carrée du rapport de la perméabilité magnétique du vide Mo à la permittivité du
vide Eo).
On observe alors que l'onde électromagnétique incidente est totalement absorbée par la couche résistive 2 et que, par conséquent, le module du coefficient de réflexion, qui valait 1 pour le plan métallique 6 seul, vaut O pour la structure représentée sur a figure 1 B. sur la figure l B. Le deuxième exemple d'impédance de surface naturelle est constitué par ce qu'on appelle un
feuillet diéLectrique.
Il s'agit, dans ce cas, d'une impédance réactive et, plus précisément, d'une impédance capacitive. Ce feuillet diélectrique est constitué par une simple plaque mince et plane de matériau diélectrique 8 (figure 2 A) dont l'épaisseur est notée h et dont la constante diélectrique est notée E. Cette plaque 8 peut en effet être considérée comme une impédance localisée sur un plan et donc comme une impédance de surface (ou admittance de surface), dans la mesure o son épaisseur h vérifie la condition suivante: h< <L avec L=Lo/E O '5 ( 1) o Lo est la longueur d'onde dans le vide, ou dans l'air, d'une onde électromagnétique incidente et L est la longueur d'onde, dans le matériau diélectrique de la plaque 8, de cette onde incidente, à la fréquence f considérée. La valeur de l'admittance de surface Y correspondante est alors: Y = j w E Eo h o w= 2 pi f
2
j =-1
pi étant le nombre bien connu qui vaut environ 3,14.
On voit que la condition ( 1) mentionnée plus haut implique que le module de l'admittance Y est
faible, à moins que E ne soit très grand.
Un cas-limite intéressant est celui o E tend vers l'infini tandis que h tend vers O de manière que
le produit E h reste constant et fini.
On a alors affaire à une admittance de surface capacitive idéale puisque, à la limite, h est nnu L. Une application connue d'une plaque mince diélectrique telle que la plaque 8 est le guide
p lanaire.
On montre en effet, et on le vérifie expérimentalement, qu'une plaque diélectrique plane, de constante diélectrique E, d'épaisseur h, électriquement iso Lée dans le vide ou dans L'air, ou même placée au sein d'un autre matériau diélectrique de constante diélectrique E 1 inférieure à E, est capable de guider
une onde électromagnétique.
Une telle onde électromagnétique, qui est guidée par la plaque, se propage dans le plan de cette
plaque sous la forme de modes.
Un mode est une distribution particulière des champs électrique et magnétique dans le plan qui est perpendiculaire à la direction de propagation de l'onde, cette distribution étant conservée lors de cette propagation: la forme, ou profil, du mode se
conserve lors de la propagation.
IL existe une double infinité de modes, à savoir les modes dit transverses électriques parce que leur champ électrique est à la fois parallèle au plan de la plaque et perpendiculaire à la direction de propagation de l'onde, et les modes dit transverses magnétiques parce que leur champ magnétique est parallèle au plan de la plaque et perpendiculaire à la
la direction de propagation de l'onde.
Parmi tous ces modes, seul le mode fondamental transverse électrique, que l'on note T Eo,
est directement concerné par a présente invention.
est directement concerné par la présente invention.
En effet, lorsque la constante diélectrique E de La plaque 8 tend vers l'infini et que l'épaisseur h de cette plaque tend simultanément vers O de telle manière que le produit E h reste fini, c'est-à-dire lorsque la plaque diélectrique se réduit effectivement à L'admittance de surface idéale décrite plus haut, ce
mode fondamental T Eo existe encore.
On peut alors parler de mode guidé par une
admittance de surface.
Ce mode se caractérise par un profil de champ électrique Ex dont la forme est représentée sur la figure 2 B. On définit un trièdre trirectangle Oxyz (figure 2 A) o O est le centre de la plaque plane 8, l'axe y est perpendiculaire à cette plaque et les axes
x et z sont parallèles au plan de la plaque.
On voit ainsi sur la figure 2 B les variations
de Ex en fonction de y.
On a également représenté sur la figure 2 B les variations des composantes Hy et Hz du champ
magnétique correspondant au mode T Eo, en fonction de y.
Sur la figure 2 B, le guidage de ce mode T Eo se traduit par le fait que le champ électrique Ex est maximum sur le plan de la plaque et décroit de façon
exponentielle lorsqu'on s'éloigne de cette plaque.
On peut définir une largeur de confinement du mode T Eo, ou plutôt une épaisseur de confinement de ce mode, plus simplement appelée par la suite "épaisseur du mode", comme l'épaisseur de la région dans laquelle le champ électrique Ex conserve une valeur importante par rapport à son maximum Emax (obtenu pour y= 0), à savoir une valeur supérieure ou sensiblement égale -1 à e x Emax, o e est le nombre bien connu qui vaut
environ 2,718.
Ces propriétés de guidage du mode T Eo, par une plaque mince, faite d'un matériau diélectrique de constante diélectrique éLevée, peuvent être mises à profit pour réaliser des résonateurs radiofréquences ou hyperfréquences. Un résonateur de ce genre peut être appelé
"cavité bidimensionnelle à admittance de surface".
La figure 3 est une vue schématique d'une
telle cavité.
Dans l'exemple représenté sur la figure 3, on utilise une plaque diélectrique, mince et plane 10, dont l'épaisseur est notée h et qui a par exemple la forme d'un rectangle de longueur Lg et de largeur W. La cavité de la figure 3 est délimitée par quatre parois métalliques 12 qui sont perpendiculaires à la plaque 10, s'appuient sur les bords de cette plaque et s'étendent de part et d'autre du plan de la plaque 10 de façon que cette dernière soit équidistante
des extrémités 14 et 16 des parois.
Le mode T Eo qui est guidé par la plaque 10 et dont le profil s'étend, comme on l'a vu plus haut, de part et d'autre du plan de la plaque 10, se réfléchit sur les parois métalliques 12 exactement comme le ferait une onde plane, à condition toutefois que la hauteur Ht de ces parois 12 soit très supérieure à la moitié de l'épaisseur du mode (dont la définition a été
donnée plus haut) et vaille au moins dix fois la demi-
épaisseur du mode c'est-à-dire au moins dix fois la
moitié de l'épaisseur du mode.
Par "haute Ht de paroi" on entend la distance entre la plaque mince 10 et l'une des extrémités 14 et 16 des parois, cette distance étant comptée perpendiculairement à la plaque 10, de sorte que la distance entre les deux extrémités 14 et 16, comptée
perpendiculairement à cette plaque, vaut 2 x Ht.
Le phénomène du guidage d'une onde électromagnétique par une plaque diélectrique très mince de forte constante diélectrique, de même que les résonances associées à ce phénomène dans des cavités bidimensionnelles sont connus ou dérivent de façon évidente de phénomènes connus, et sont même utilisés en pratique, notamment pour la mesure de constantes diélectriques. A ce sujet, on se reportera au document suivant, en particulier à la figure 2 de ce document: ( 1) Article de G Kent, "A dielectrometer for the measurement of substrate permittivity", Microwave
Journal, vol 34, N 012, décembre 1991, p 72 à 82.
La réalisation d'une admittance de surface capacitive par des moyens naturels, c'est-à-dire, comme on l'a décrit plus haut, en utilisant une plaque de
matériau diélectrique, présente deux inconvénients.
Premièrement, pour se rapprocher au mieux des conditions selon lesquelles h est nul, E (constante diélectrique du matériau) est infini et hx E est fini, il faut utiliser un matériau de constante diélectrique éLevée, de l'ordre de 100, un tel matériau étant très peu courant dans le domaine des hyperfréquences ou des
r adiofréquences.
Deuxièmement, la valeur de l'admittance complexe, pour une pulsation W donnée, est fixée par
l'épaisseur et la nature du matériau diélectrique.
Il est donc impossible de réaliser de cette
manière une admittance réglable.
La présente invention vise un dispositif qui
forme une admittance de surface capacitive, c'est-à-
dire qui est équivalent, du point de vue radioélectrique, à une plaque mince faite d'un matériau diélectrique de constante diélectrique élevée, ce dispositif évitant le premier des deux inconvénients mentionnés plus haut et, dans un mode de réalisation
particulier, le deuxième de ces inconvénients.
La présente invention a pour objet un dispositif formant une admittance de surface capacitive, ce dispositif étant caractérisé en ce qu'il comprend deux ensembles plans qui sont placés l'un en face de l'autre et qui sont séparés l'un de l'autre par une couche diélectrique plane, et en ce que chaque ensemble plan comprend des motifs électriquement conducteurs, plans et électriquement isolés les uns des autres, ces ensembles étant décalés l'un par rapport à l'autre de telle façon que le dispositif se comporte comme une couche diélectrique de constante diélectrique
élevée, de l'ordre de 50 ou plus.
Dans une réalisation particulière de l'invention, les ensembles de motifs forment respectivement des réseaux identiques qui sont périodiques suivant chacune des deux directions de leurs plans et qui sont décalés l'un par rapport à l'autre, par une translation d'une demi-période suivant
chaque direction.
Les motifs peuvent être métalliques ou
supra conducteurs.
Selon un premier mode de réalisation particulier du dispositif objet de l'invention, la couche diélectrique qui sépare les deux ensembles est une plaque diélectrique sur les deux faces de laquelle
sont respectivement formés les deux ensembles.
Selon un deuxième mode de réalisation particulier, les deux ensembles sont respectivement formés sur deux supports électriquement isolants, de faible constante diélectrique, inférieure à 50, et la couche diélectrique qui sépare ces deux ensembles est
ne couche d'air ou de vide.
une couche d'air ou de vide.
La présente invention concerne également une cavité bidimensionnelle accordable, comprenant un dispositif formant une admittance de surface capacitive et une paroi électriquement conductrice qui entoure ce dispositif, cette cavité étant caractérisée en ce que le dispositif est conforme au deuxième mode de réalisation particulier ci-dessus, en ce que les deux supports que comporte ce dispositif sont des plaques qui sont disposées perpendiculairement à la paroi de la cavité, et en ce que cette cavité est munie de moyens de variation de l'écart entre ces deux plaques pour
accorder la cavité.
Selon un mode de réalisation particulier de cette cavité, les motifs sont supraconducteurs et n'occupent que le centre des plaques, de manière à être éloignés de la paroi, cette cavité ayant ainsi une
forte surtension.
La présente invention concerne aussi un résonateur, caractérisé en ce qu'il comprend le dispositif conforme au deuxième mode de réalisation particulier ci-dessus et en ce que les deux supports que comporte ce dispositif sont des barreaux diélectriques, cylindriques et coaxiaux, chaque barreau comportant une face plane qui est perpendiculaire à l'axe de ce barreau et qui porte l'ensemble de motifs conducteurs correspondant, la fréquence d'accord du résonateur étant modifiée par variation de l'écart
entre les deux barreaux.
La présente invention concerne en outre une antenne, caractérisée en ce qu'elle comprend le disposiif objet de l'invention et des moyens
d'excitation électromagnétique de ce dispositif.
Selon un premier mode de réalisation particulier, l'antenne comprend en outre une paroi électriquement conductrice qui entoure le dispositif, les deux ensembles plans que comporte ce dispositif sont perpendiculaires à cette paroi, et la hauteur de ladite paroi est inférieure ou sensiblement égale à la demi-épaisseur du mode guidé par l'admittance de surface formée par Le dispositif. Selon un deuxième mode de réalisation particulier, l'antenne comprend en outre une paroi électriquement conductrice qui entoure le dispositif, les deux ensembles plans que comporte ce dispositif sont perpendiculaires à la paroi, et ladite paroi comporte une ouverture qui s'étend d'une extrémité à l'autre de cette paroi, parallèlement à une direction
qui est perpendiculaire aux ensembles plans.
Selon un troisième mode de réalisation particulier, l'antenne comprend le dispositif à deux supports conforme à l'invention, ces deux supports sont des barreaux cylindriques coaxiaux, chaque barreau comportant une face plane qui est perpendiculaire à L'axe de ce barreau et qui porte l'ensemble de motifs conducteurs correspondant et la hauteur de l'un au moins des barreaux est de l'ordre de la demi-épaisseur du mode guidé par l'admittance de surface formée par le dispositif. La présente invention sera mieux comprise à
la lecture de la description d'exemples de réalisation
donnés ci-après à titre purement indicatif et nullement limitatif, en faisant référence aux dessins annexés sur lesquels: la figure 1 A, déjà décrite, est une vue en coupe schématique d'un plan résistif, la figure l B, déjà décrite, est une vue schématique d'un écran de Salisbury, la figure 2 A, déjà décrite, est une vue en coupe schématique d'une plaque diélectrique, la figure 2 B, déjà décrite, montre les variations, en fonction de la distance à la plaque de la figure 2 A, de composantes électrique et magnétique du mode fondamental transverse électrique qui est guidé par la plaque de la figure 2 A, la figure 3, déjà décrite, est une vue schématique d'une cavité bidimensionnelle à admittance de surface capacitive naturelle, la figure 4 montre schématiquement deux ensembles de motifs conducteurs faisant partie d'un dispositif conforme à l'invention, la figure 5 est une vue en coupe de ce dispositif, la figure 6 est une vue en coupe schématique d'un autre dispositif conforme à l'invention, la figure 7 est une vue schématique d'une cavité bidimensionnelle à admittance de surface naturelle accordable, la figure 8 montre les variations de la fréquence du mode fondamental d'une cavité accordable conforme à l'invention en fonction de l'écartement entre les plaques faisant partie de la cavité, pour diverses valeurs de la longueur de cette cavité, la figure 9 A est une vue schématique en perspective d'une cavité accordable conforme à l'invention, la figure 9 B est une vue en coupe longitudinale schématique de la cavité représentée sur la figure 9 A, la figure 10 est une vue schématique d'un autre dispositif conforme à l'invention, comportant des motifs supraconducteurs, la figure 11 est une vue en coupe longitudinale schématique d'un résonateur diélectrique accordable conforme à l'invention, et la figure 12 est une vue schématique en perspective d'une antenne à admittance de surface
artificielle conforme à l'invention.
Les figures 4 et 5 représentent, de façon schématique, un dispositif conforme à l'invention, formant un admittance de surface capacitive artificielle. Ce dispositif comprend deux ensembles plans 18 et 20 qui sont placés l'un en face de l'autre, parallèlement l'un à l'autre, comme on le voit sur la
figure 5.
Ces deux ensembles sont séparés par une
couche d'air ou de vide 21.
Chacun des deux ensembles 18 et 20 comprend des motifs électriquement conducteurs 22 (par exemple métalliques), plans et électriquement isolés les uns
des autres.
De plus, les deux ensembles 18 et 20 de motifs conducteurs 22 sont respectivement formés sur deux plaques planes, électriquement isolantes 24 et 26, dont la constante diélectrique est faible, inférieure à 50. A titre purement indicatif et nullement limitatif, les motifs conducteurs 22 sont des motifs en cuivre et les plaques 24 et 26 sont des plaques de verre. On note h la distance entre les motifs conducteurs formés sur la plaque 24 et les motifs
conducteurs formés sur la plaque 26.
La figure 4 montre les motifs conducteurs formés sur la plaque 24 (partie A de la figure 4) et ceux qui sont formés sur la plaque 26 (partie B de la figure 4), comme si le dispositif conforme à
l'invention était "ouvert".
Pour chacune des plaques 24 et 26, les motifs correspondant sont obtenus en formant une couche métallique mince sur cette plaque et en formant, à travers cette couche métallique mince, des tranchées 28 qui mettent à nu le matériau diélectrique de la plaque et qui séparent les motifs conducteurs les uns des autres. De plus, les ensembles 18 et 20 de motifs conducteurs 22 forment respectivement des réseaux identiques qui sont périodiques suivant chacune des deux directions de leurs plans et qui sont décalés l'un
par rapport à l'autre, par une translation d'une demi-
période suivant chaque direction.
Dans l'exemple représenté sur les figures 4 et 5, chacun des réseaux est un réseau périodique à mailles carrées de motifs 22 qui sont eux mêmes carrés, le côté de chaque carré ayant une valeur p très
supérieure à h (p étant de l'ordre de 10 h ou plus).
La largeur t des tranchées isolantes 28 est très inférieure à p (cette largeur ne dépasse pas
p/10).
Compte tenu du décalage des réseaux en translation, les motifs carrés en regard les uns des autres ont leurs bords parallèles mais chacun des noeuds de la grille formée par les tranchées isolantes 28 sur l'une des plaques fait face au centre d'un motif
carré de l'autre plaque.
Pour comprendre le fonctionnement du dispositif représenté sur les figures 4 et 5, supposons qu'on applique un champ électrique alternatif parallèlement aux plans des plaques, par exemple à l'aide de deux électrodes allongées 30 et 32 que l'on
voit sur la partie A de la figure 4.
Les électrodes 30 et 32 sont parallèles aux rangées de motifs conducteurs 22 et la longueur ainsi que 'espacement de ces électrodes sont choisis grands que l'espacement de ces électrodes sont choisis grands
devant le pas p des réseaux.
On applique, grâce à un générateur approprié 34, une tension électrique alternative entre les électrodes 30 et 32 de façon à obtenir le champ ëélectrique alternatif. Dans ces conditions, on constate que le courant électrique qui circule entre les électrodes de mesure 30 et 32 sous l'influence de la tension qui leur est appliquée, passe alternativement d'un ensemble de motifs conducteurs à l'autre, chaque rangée de motifs conducteurs constituant les électrodes de condensateurs
qui sont mis en série et dont la distance inter-
électrodes vaut h. Le courant électrique observé, dont la distribution est en réalité périodique et bidimensionnelle, peut cependant être traité comme un courant de surface homogène si on se place à une échelle qui est grande devant le pas p des réseaux (et
qui l'est donc encore plus devant l'intervalle h).
On a ainsi l'équivalent d'une admittance de surface. Cette admittance est capacitive et se calcule
comme on l'explique ci-après.
Si les électrodes de mesure linéiques 30 et 32 ont une longueur unité et si leur distance est égale à cette longueur, on a en série N condensateurs de capacité C 1 avec: n = 1/(p/2) = 2/p Cl = Eo x (p/2)/h = Eo x p/( 2 h) L'admittance cherchée (inverse d'une impédance) est donc celle d'une capacité Cs qui est telle que: Cs = C 1/n = Eo x p /( 4 h) Le dispositif des figures 4 et 5 est donc équivalent à une couche diélectrique homogène d'épaisseur h et de constante diélectrique Eeq telle que: j.w Eo Eeq h = j w Eo p /( 4 h) c'est-à-dire: Eeq = (p/2 h) Il est ainsi possible de réaliser facilement
des constantes diélectriques équivalentes importantes.
Par exemple, avec p= 10 mm et h= 0,5 mm, Eeq est
égal à 100.
Bien plus, la valeur de Eeq et la valeur de h.Eeq, et donc la valeur de l'admittance de surface Pour une pulsation W donnée, sont facilement ajustables en changeant l'épaisseur h. Un autre dispositif conforme à l'invention est schématiquement représenté, en coupe, sur la figure 6. Le dispositif représenté sur la figure 6 comprend une plaque plane 34 faite d'un matériau diélectrique de constante diélectrique notée E. Les ensembles 18 et 20 de motifs conducteurs 22 considérés plus haut sont, dans le cas de la figure 6, formés respectivement sur les deux faces opposées de
la plaque 34.
Dans ce cas, le dispositif est équivalent à une couche diélectrique homogène d'épaisseur h (épaisseur de la plaque 34) et de constante diélectrique Eeq tel que: Eeq = E (p/2 h) A titre purement indicatif et nullement limitatif, pour p= 10 mm, h= 0,5 mm et E= 10 (qui est une valeur courante), on obtient Eeq= 1000, qui est une
valeur très élevée.
Cependant, dans le mode de réalisation particulier représenté sur la figure 6, les quantités E, p et h ont des valeurs déterminées et Eeq, qui a
donc aussi une valeur déterminée, n'est pas ajustable.
Bien d'autres dispositifs conformes à l'invention sont envisageables: les motifs conducteurs peuvent avoir des formes différentes de celle d'un carré, en particulier des formes anisotropes; au lieu d'être métalliques, ces motifs peuvent être supraconducteurs (ils peuvent être faits en particulier d'un matériau supraconducteur à haute température critique); les translations relatives entre les réseaux de motifs conducteurs peuvent être différentes
de celle qui a été indiquée plus haut.
Un point essentiel de l'invention est en fait de réaliser l'équivalent d'une couche diélectrique dont la constante diélectrique est grande, et de préférence réglable par des paramètres géomètriques tels que l'épaisseur du dispositif ou la translation relative
des réseaux de motifs conducteurs du dispositif.
Les considérations qu'on vient de développer repose en définitive sur l'assimilation de l'ensemble des deux réseaux de motifs conducteurs à un milieu
bidimensionnel continu.
Ceci est correct à condition de n'avoir à considérer, du point de vue électromagnétique, que des échelles qui sont grandes devant le pas p des réseaux et donc grandes devant l'épaisseur h. Dans la pratique, l'échelle est donnée par la longueur d'onde à la fréquence de travail ou, dans le cas des résonateurs exploitant un mode fondamental, par les dimensions (longueur et largeur) de ces résonateurs. On va maintenant décrire diverses
applications du dispositif objet de L'invention.
Une première application de ce dispositif est la cavité bidimensionnelle à admittance de surface accordable. On a déjà décrit plus haut une cavité bidimensionnelle à admittance de surface naturelle, c'est-à-dire une cavité qui utilise une véritable
plaque diélectrique.
Les inconvénients d'une telle cavité apparaissent dès qu'on veut rendre la cavité accordable. A première vue, il semble même impossible de rendre cette cavité accordable puisque tous les paramètres géométriques sont fixes par les dimensions
de la plaque diélectrique utilisée.
En fait, si la contante diélectrique de la plaque est très élevée et si l'épaisseur de cette plaque est très faible, en d'autres termes si on se rapproche d'une admittance de surface idéale, alors il n'est plus nécessaire que les parois métalliques réflectrices (voir figure 3) soient parfaitement continues à l'endroit ou elles rencontrent le plan de
la plaque diélectrique.
Il est tout à fait possible d'ajouter une paroi supplémentaire 12 a en deux parties (figure 7) de façon à ménager un passage pour la plaque diélectrique et permettre ainsi de faire varier, de façon réversible, par exemple la longueur Lg de la cavité (longueur de la plaque présente dans la cavité) et donc rendre cette cavité accordable (dans l'exemple de la figure 7 la paroi 12 a, utilisée comme réflecteur, est raccordée aux autres parois 12 par des contacts glissants 36 et cette paroi 12 a est rendue mobile par l'intermédiaire d'une pièce en U référencée 37 qui maintient les deux parties du réflecteur et guide celui-ci en translation, ce qui permet la variation de Lg). Cependant, le système représenté sur la
figure 7 présente un inconvénient.
En effet, dans la cavité, la fréquence fo du mode fondamental est la solution d'une équation de la forme: fo x Lg = F(fo)
o F est une fonction lentement variable de fo.
Ainsi, la fréquence fo est approximativement
inversement proportionnelle à Lg.
Il faut donc une variation importante de la longueur Lg pour faire varier notablement la fréquence
d'accord de la cavité.
Par exemple, pour une cavité réalisée avec une plaque diélectrique de 1 mm d'épaisseur et de constante diélectrique égale à 100, la fréquence du modefondamental vaut 490 M Hz lorsque la longueur Lg
est ajustée à une valeur égale à 240 mm.
Pour doubler cette fréquence, il faut faire passer cette longueur Lg à 80 mm, ce qui implique un
déplacement de 160 mm de la paroi mobile 12 a.
De façon générale, tous les résonateurs accordés par variation de longueur, quel que soit leur type, présentent cet inconvénient de nécessiter de grands déplacements de l'organe mobile qu'ils comportent, pour obtenir de grandes variations de fréquence. A ce sujet, on pourra se reporter au document suivant: ( 2) Technique des mesures en micro-ondes (hyperfréquences), réalisé sous la direction de Carol G Montgomery, Premier Tome, p 340 à 350, Editions Chi ron qui décrit des cavités à fréquence de résonance
1 ajustable par le déplacement mécanique d'un piston.
Une cavité bidimensionnelle à admittance de surface articielle conforme à l'invention permet de
remédier à l'inconvénient mentionné plus haut.
Cette cavité bidimensionnelle conforme à l'invention utilise non pas une plaque diélectrique comme dans le cas de la figure 7 mais un dispositif conforme à L'invention formant une admittance de surface, artificielle, par exemple du genre du dispositif décrit en faisant référence aux figures 4 et
5.
Dans ce cas, les deux dimensions de la cavité, Lg et W, restent fixes et c'est la distance h entre les deux ensembles de motifs conducteurs que l'on modifie pour faire varier la fréquence de résonance de
la cavité.
Il en résulte que de faibles déplacements de la partie mobile, c'està-dire de l'un des deux ensembles de motifs conducteurs par rapport à l'autre dans le cas présent, suffisent pour produire de grandes
variations de la fréquence d'accord.
Cela est illustré par les courbes de la figure 8 qui représentent les variations de la fréquence d'accord réduite Fr en fonction de l'épaisseur réduite hr, pour différentes longueurs
réduites Lgr.
La fréquence réduite Fr est telle que: Fr = f 10/Fo o f 10 est la fréquence du mode fondamental de La cavité (mode que l'on note 10), f 10 étant indépendant de la largeur W de la cavité, et Fo est une fréquence de référence telle que: 1 O Fo = c/( 2 Lg) o Lg est la longueur de la cavité et c la vitesse de
la lumière dans le vide.
Fo est aussi la première fréquence de résonance d'un résonateur de Fabry Pérot de longueur Lg. Les deux autres paramètres hr et Lgr sont -tels que: hr = h/p et Lgr = Lg/p o p représente le pas des réseaux de motifs conducteurs et h représente la distance entre ces
r éseaux.
Ce rapport Lg/p doit être considéré comme fixé a priori par la condition de validité du calcul de
l'admittance de surface.
En effet, la longueur Lg du résonateur doit
contenir un grand nombre de motifs conducteurs.
Des valeurs Lgr > 5 conviennent.
On voit sur la figure 8 que la fréquence d'accord devient très sensible à l'épaisseur lorsque hr et dont h tendent vers O et corrélativement Lorsque Fr
devient nettement inférieur à 1.
A titre purement indicatif et nullement limitatif on considère une cavité qui résonne à 490
M Hz, valeur déjà considérée plus haut.
Pour se trouver dans le domaine des fortes variations de fréquence d'accord, on prend par exemple Fr = 0,4 ce qui conduit à Fo= 1225 M Hz. La longueur Lg du résonateur est donc égale à
122 mm.
En choisissant Lgr égal à 5 on obtient un pas p égal à 24,4 mm et, grâce à la courbe correspondant à
1 Fr égal à 0,4 on obtient hr= 0,0068 et h= 0,166 mm.
Pour doubler la fréquence d'accord il faut doubler Fr d'o Fr= 0,8 et la courbe correspondante de
la figure 8 conduit à hr= 0,0412 c'est-à-dire h= 1,005 mm.
Dans ce cas, le déplacement nécessaire de l'organe mobile vaut donc seulement 0,839 mm, ce qui est très inférieur aux 160 mm obtenus plus haut pour
une cavité accordée par variation de sa longueur Lg.
Une cavité accordable par variation d'admittance de surface conforme à l'invention est schématiquement représentée en perspective sur la figure 9 A et partiellement, en coupe longitudinale, sur la figure 9 B. Cette cavité bidimensionnelle est délimitée par des parois conductrices 38 constituant les murs
réflecteurs de cette cavité.
Dans l'exemple représenté, cette cavité vue en coupe transversale a la forme d'un rectangle de longueur Lg et de largeur W mais d'autres formes sont envisageables, le point important étant que la cavité
vue en coupe transversale ait des dimensions fixes.
Le dispositif 40, du genre de celui qui est représenté sur les figures 4 et 5, est disposé entre les parois 38, perpendiculairement à ces parois et à équidistance des extrémités inférieure et supérieure de celles-ci. Pour ce faire, les parois 38 sont coupées transversalement à mi-hauteur, ce qui conduit à deux
demi-ensembles de parois.
La plaque isolante 24 du dispositif 40 est fixée à l'extrémité i nférieure du demi-ensemble supérieu r tandis que la plaque isolante 26 du dispositif 40 est fixée à l'extrémité supérieure du demi-ensemble inférieur comme on le voit sur la figure 9 B. Un contact électrique est établi entre les motifs conducteurs 22 qui se trouvent au bord de la plaque isolante 24, et les parois 38 délimitant la cavit é tandis que les motifs conducteurs 22 de la plaque isolante 26 sont électriquement isolés de ces
1 5 parois 38.
De plus, un soufflet métallique 42 est prévu pour rétablir la continuité électrique des parois 38 délimitant la cavité comme on le voit sur les figures 9 A et 9 B. Des antennes de couplage 44 (figure 9 A) et 46 (figure 9 B) sont placées en face l'une de l'autre sur deux parois opposées 38 et au voisinage du dispositif et servent à l'excitation et à la détection du mode
de résonance.
De plus, les extrémités inférieure et supérieure des parois comportent des rebords externes 48 et 50 entre lesquelles sont fixés des tubes piézoélectriques 52 dont on fait varier la longueur grace à des moyens appropriés non représentés, ce qui permet de faire varier l'écartement h entre les réseaux de motifs conducteurs 22 respectivement associés aux plaques 24 et 26 pour faire varier la fréquence
d'accord de la cavité.
On obtient donc bien une cavité accordable utilisant la résonance d'un mode guidé par une admittance de surface entre les murs réflecteurs qui
limitent cette cavité.
On peut également réaliser une cavité bidimensionnelle à admittance de surface artificielle conforme à l'invention qui n'est pas accordable, en plaçant un dispositif du genre de celui de la figure 6 dans un tube à parois conductrices de section transversale rectangulaire, ouvert en ses deux extrémités, la plaque isolante du dispositif étant perpendiculaire à l'axe du tube et fixée à mi-hauteur
de celui-ci.
Les motifs conducteurs qui sont disposés d'un côté de la plaque isolante sont encore électriquement reliés aux parois conductrices tandis que les motifs conducteurs qui sont disposés de l'autre côté de cette plaque isolante sont électriquement isolés de ces
parois conductrices.
On prévoit encore deux antennes de couplage placées en face l'une de l'autre sur deux parois opposées du tube, au voisinage de la plaque isolante du dispositif. On peut également réaliser une cavité accordable conforme à l'invention ayant une forte surtension. Pour ce faire, on utilise la structure représentée sur les figures 9 A et 9 B à ceci près que dans le dispositif 40, les motifs 22 sont alors supraconducteurs et n'occupent que le centre des plaques isolantes 24 et 26 de façon à être éloignés des parois conductrices de la cavité, comme on le voit sur
la figure 10 (o les parois ne sont pas représentées).
Sur la figure 11, on a représenté schématiquement en perspective un résonateur
diélectrique accordable conforme à l'invention.
IL s'agit d'un résonateur à admittance de surface comportant deux barreaux 54 et 56 fait d'un
matériau diélectrique.
Dans l'exemple représenté sur la figure 11, i l s'agit de deux barreaux cylindriques identiques coaxiaux dont l'axe commun est noté X et qui ont tous deux une section transversale circulaire de diamètre D
et une hauteur a.
Les deux barreaux 54 et 56 ont respectivement des faces d'extrémité planes, perpendiculaires à l'axe
X et situées en regard l'une de l'autre.
De plus, ces deux faces d'extrémité portent respectivement des réseaux 58 et 60 de motifs conducteurs électriquement isolés les uns des autres, ces réseaux étant décalés l'un par rapport à l'autre
* comme on l'a expliqué dans la description des figures 4
et 5. La distance h entre les deux réseaux, qui est sensiblement égale à la distance entre les deux barreaux, détermine la fréquence d'accord du résonateur
de la figure 11.
Grâce aux réseaux 58 et 60 on réalise encore
une admittance de surface artificielle.
Pour réaliser les barreaux choisit un matériau diélectrique diélectrique élevée, de l'ordre de 15 à Des moyens M, symbolisés par la figure 11, sont prévus pour l'écartement entre les barreaux 54 et faire varier la fréquence d'accord obtenu, qui est d'ailleurs comparable bidimensionnelle décrite en faisant 54 et 56 on de constante
par exemple.
une flèche sur faire varier 56 de façon à du résonateur à la cavité référence aux figures 9 A et 9 B excepté que, dans le cas de la figure
11, il n'y a pas de paroi métallique réflectrice.
Cependant, dans le résonateur de la figure 11, les modes de résonance sont encore liés à l'établissement, grace aux réflexions sur les faces latérales des cylindres, d'un système d'ondes
stationnaires confinées par l'admittance de surface.
Ces surfaces latérales sont quasiment aussi efficaces que des miroirs métalliques compte tenu de la valeur élevée de la constante diélectrique du matériau
constituant les barreaux 54 et 56.
Le bon fonctionnement du résonateur de la figure 11 nécessite que la hauteur a de chaque barreau 1 soit supérieure à la demi-épaisseur du mode guidé par l'admittance de surface, par exemple dix fois plus
grande que cette demi-épaisseur du mode guidé.
On précise que l'énergie électromagnétique est fournie au résonateur de la figure 11 par des moyens classiques tels que boucle ou antenne de couplage. On décrit ci-après divers modes de réalisation particuliers d'une antenne à admittance de surface artificielle, fixe ou ajustable, conforme à
l'invention.
IL s'agit d'une antenne hyperfréquence ou radiofréquence, qui s'apparente à la cavité bidimensionnelle à admittance de surface artificielle décrite plus haut en faisant référence aux figures 9 A et 9 B. Cependant, les parois métalliques formant des murs réflecteurs sont, dans le cas de cette antenne, dimensionnées d'une toute autre manière, le but recherché étant ici, contrairement au cas de la cavité, d'obtenir un bon rayonnement électromagnétique de cette antenne. Différents modes de réalisation particuliers
de l'antenne sont envisageables.
Dans un premier mode de réalisation particulier (non représenté), on utilise une admittance de surface artificielle qui est du genre de celle des figures 4 et 5 ou de la figure 6 et dont la ou les plaques électriquement isolantes sont circulaires et cette admittance de surface est partiellement fermée par des parois métalliques qui s'étendent sur une même hauteur de part et d'autre de l'admittance de surface, cette hauteur étant inférieure ou approximativement égale à la demi-épaisseur du mode guidé par
l'admittance de surface.
Pour rayonner de l'énergie électromagnétique, l'antenne est munie de moyens convenables et connus
d'excitation (boucle, antenne de couplage).
Dans un deuxième mode de réalisation particulier, une certaine longueur du bord de la plaque isolante ou des plaques isolantes servant à réaliser l'admittance de surface artificielle est dépourvue de
mur réflecteur.
Un exemple d'antenne correspondant à ce deuxième mode de réalisation particulier est
schématiquement représenté sur la figure 12.
L'antenne de la figure 12 comprend une admittance de surface articielle 62 du genre de celle de la figure 6, comportant une plaque diélectrique 64 de forme semi-circulaire, sur les deux faces de laquelle sont respectivement formés des réseaux de motifs conducteurs 65 et 66 qui sont décalés L'un par rapport à l'autre comme on l'a expliqué dans la
description des figures 4 et 5.
Une paroi métallique 68 en forme de demi-
cylindre s'appuie contre le bord circulaire de la plaque 64 et les motifs conducteurs 66 qui sont sur l'une des faces de la plaque 64 et au voisinage de ce bord circulaire de la plaque sont électriquement reliés à cette paroi métallique 68 tandis que les motifs 3 conducteurs 65 qui sont sur lautre face de a paque conducteurs 65 qui sont sur l'autre face de la plaque 64 sont électriquement isolés de cette paroi métallique 68. De plus, la plaque 64 est à la même distance
d des extrémités 69 et 70 de la paroi métallique 68.
Une boucle ou une antenne de couplage 72 est également prévue au voisinage de l'une des faces de la
plaque isolante 64 et sert à alimenter l'antenne.
L'antenne de la figure 12 comporte en fait
une admittance de surface artificielle fixe.
1 O On peut réaliser une antenne du même genre mais comportant une admittance de surface artificielle variable en utilisant non pas un dispositif du genre de celui de la figure 6 mais un dispositif du genre de
celui des figures 4 et 5.
Dans ce cas, la paroi métallique 68 est coupée transversalement à équidistance de ses deux extrémités. Les deux plaques du dispositif qui est alors utilisé sont fixées respectivement contre les bords libres des deux demi-parois résultant de cette coupure et la continuité électrique entre les demi-parois est
rétablie au moyen d'un soufflet métallique.
Les motifs conducteurs situés au voisinage du bord courbe de l'une des plaques sont électriquement raccordés à la demi-paroi correspondante tandis que les motifs situés sur l'autre plaque sont électriquement
isolés de la demi-paroi correspondante.
Des moyens sont aussi prévus pour faire varier l'écartement entre les deux plaques isolantes de manière à faire varier l'admittance de surface artificielle ainsi formée, ce qui permet d'accorder l'antenne. Un autre mode de réalisation particulier d'une antenne selon l'invention (non représenté) est conforme au résonateur diélectrique schématiquement représenté sur la figure 11 à ceci près que la hauteur a de chacun des barreaux cylindriques ou d'un seul de ces barreaux est alors choisie pour être de l'ordre de grandeur de la demi-épaisseur du mode guidé par
l'admittance de surface que comporte ce résonateur.
Pour rayonner de l'énergie électromagnétique, l'antenne est alors munie de moyens d'alimentation
appropriés et connus (boucle ou antenne de couplage).
Claims (9)
1 Dispositif formant une admittance de surface capacitive, ce dispositif étant caractérisé en ce qu'il comprend deux ensembles plans ( 18, 20; 58, 60; , 66) qui sont placés l'un en face de l'autre et qui sont séparé S l'un de l'autre par une couche diélectrique plane ( 21, 34, 64), et en ce que chaque ensemble plan comprend des motifs électriquement 1 conducteurs ( 22), plans et électriquement isolés les uns des autres, ces ensembles étant décalé S l'un par rapport à l'autre de telle façon que le dispositif se comporte comme une couche diélectrique de constante
diélectrique élevée.
1 5 2 Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les ensembles de motifs ( 22) forment respectivement des réseaux identiques qui sont périodiques suivant chacune des deux directions de leurs plans et qui sont décalés l'un par rapport à l'autre, par une translation d'une demi- période suivant
chaque direction.
3 Dispositif selon l'une quelconque des
revendications 1 et 2, caractérisé en ce que les motifs
( 22) sont métalliques ou supraconducteurs.
4 Dispositif selon l'une quelconque des
revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la couche
diélectrique qui sépare les deux ensembles est une plaque diélectrique ( 34; 64) sur les deux faces de laquelle sont respectivement formés ces deux ensembles
( 18, 20; 65, 66).
Dispositif selon l'une quelconque des
revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les deux
ensembles ( 18, 20) sont respectivement formés sur deux supports électriquement isolants ( 24, 26; 54, 56), de faible constante diélectrique, et en ce que la couche diélectrique qui sépare ces deux ensembles est une
couche d'air ou de vide ( 21).
6 Cavité bidimensionnelle accordable, comprenant un dispositif ( 40) formant une admittance de surface capacitive et une paroi ( 38) électriquement conductrice qui entoure ce dispositif, cette cavité étant caractérisée en ce que le dispositif est conforme à la revendication 5, en ce que les deux supports que comporte ce dispositif sont des plaques ( 24, 26) qui sont disposées perpendiculairement à la paroi de la cavité, et en ce que cette cavité est munie de moyens ( 42, 52) de variation de l'écart entre ces deux plaques
pour accorder la cavité.
7 Cavité bidimensionnelle accordable selon la revendication 6, caractérisé en ce que les motifs sont supraconducteurs et n'occupent que le centre des plaques, de manière à être éloignés de la paroi, cette
cavité ayant ainsi une forte surtension.
8 Résonateur, caractérisé en ce qu'il comprend le dispositif conforme à la revendication 5 et en ce que les deux supports que comporte ce dispositif sont des barreaux diélectriques cylindriques et coaxiaux ( 54, 56), chaque barreau comportant une face plane qui est perpendiculaire à l'axe (X) de ce barreau et qui porte l'ensemble de motifs conducteurs correspondant ( 58, 60), la fréquence d'accord du résonateur étant modifiée par variation de l'écart
entre les deux barreaux.
9 Antenne, caractérisée en ce qu'elle comprend le dispositif ( 62) conforme à l'une quelconque
des revendications 1 à 5 et des moyens ( 72)
d'excitation électromagnétique de ce dispositif.
Antenne selon la revendication 10, caractérisée en ce qu'elle comprend en outre une paroi électriquement conductrice qui entoure ce dispositif, en ce que les deux ensembles plans de ce dispositif sont perpendiculaires à cette paroi et en ce que la hauteur de Ladite paroi est inférieure ou sensiblement égale à la demi-épaisseur du mode guidé par t 1 'admittance de surface formée par le dispositif. 11 Antenne selon la revendication 9, caractérisée en ce qu'elle comprend en outre une paroi électriquement conductrice ( 69) qui entoure le dispositif ( 62) en ce que les deux ensembles plans ( 64, 68) que comporte ce dispositif sont perpendiculaires à la paroi ( 68), et en ce que ladite paroi comporte une ouverture qui s'étend d'une extrémité à l'autre de cette paroi parallèlement à une direction qui est
perpendiculaire aux ensembles plans ( 65, 66).
12 Antenne selon la revendication 9, caractérisée en ce que le dispositif est conforme à la revendication 5, en ce que les deux supports que comporte ce dispositif sont des barreaux cylindriques coaxiaux, chaque barreau comportant une face plane qui est perpendiculaire à l'axe de ce barreau et qui porte l'ensemble de motifs conducteurs correspondant et en ce que la hauteur de l'un au moins des barreaux est de l'ordre de la demi-épaisseur du mode guidé par
l'admittance de surface formée par le dispositif.
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