FR3072832A1 - Systeme antennaire agile optiquement transparent - Google Patents
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Abstract
Un système antennaire (100), optiquement transparent, présente une agilité, aussi appelée reconfigurabilité, en fréquence et/ou en diagramme de rayonnement et/ou en polarisation. Pour ce faire, le système antennaire (100) comporte une plaque de substrat transparent (101) sur laquelle est créé un motif d'antenne optiquement transparent comportant un élément rayonnant (113). Le système antennaire est tel qu'un matériau ferroélectrique, optiquement transparent, est intercalé entre ladite plaque de substrat transparent (101) et le motif d'antenne au moins au niveau d'une partie (114) de l'élément rayonnant (113) où l'amplitude du champ électromagnétique de l'antenne est supérieure à un seuil prédéfini, pour amener l'agilité recherchée par création d'un condensateur à capacité variable. L'utilisation du matériau ferroélectrique amène robustesse au système antennaire (100).
Description
La présente invention concerne un système antennaire agile optiquement transparent, ainsi qu’un procédé de fabrication d’un tel système antennaire agile.
Les systèmes antennaires à faible impact visuel, voire optiquement transparents dans le domaine du visible (longueurs d’ondes allant de 400 nm à 800 nm), apportent discrétion dans l’environnement dans lequel leur implantation est requise. Ces systèmes antennaires sont ainsi par exemple discrètement implantés sur le vitrage de véhicules ou bien sur des baies vitrées d’immeubles ou de magasins, afin de permettre des communications par ondes électromagnétiques.
De par la multiplication des standards de télécommunication, des systèmes antennaires, dits agiles, ont été développés pour permettre de n’utiliser qu’un seul et même système antennaire pour supporter différents standards de télécommunication, limitant ainsi l’encombrement du système développé. On parle aussi d’antennes reconfigurables. L’agilité (ou donc la reconfigurabilité) apportée par ces systèmes antennaires permet de plus de réduire des phénomènes d’interférences, de faire face à des phénomènes d’évanouissement de signal, de sécuriser les communications... De tels systèmes antennaires peuvent ainsi être agiles (ou reconfigurables) en fréquence et/ou en diagramme de rayonnement et/ou en polarisation.
Des systèmes antennaires agiles et transparents à l’œil nu sont alors apparus. Il est ainsi notamment connu le document « Optically Transparent Frequency-Agile Antenna for X-Band Applications », A. Martin et al, publié dans la revue Electronics Letters du 6 Août 2015, vol. 51, n.°16, pp. 1231-1233, qui divulgue un système antennaire coplanaire à boucle carrée qui est agile en fréquence entre 8,8 GHz et
9,8 GHz. L’agilité en fréquence est ici assurée par une diode varicap (contraction de la terminologie anglo-saxonne variable capacity), aussi nommée varactor (contraction de la terminologie anglo-saxonne variable reactor), c’est-à-dire une diode montée en inverse se comportant comme un condensateur dont la capacité varie en fonction de la tension qui lui est appliquée. Une diode varicap de type MA46580-1209 de la société M/A-COM a par exemple été utilisée dans l’agencement divulgué dans ce document d’état de la technique. Cette diode varicap est difficilement détectable à l’œil nu, du fait de ses dimensions de surface de 210 pm x 630 pm. Un tel agencement est alors adapté pour une implantation discrète, comme précédemment évoquée, sur le vitrage de véhicules ou bien sur des baies vitrées d’immeubles ou de magasins. Il convient toutefois de noter que cette diode varicap a une épaisseur de l’ordre de 100 pm, qui est amplifiée de quelques dizaines à quelques centaines de micromètres par ajout d’un capot qui est, en pratique, nécessaire pour protéger cette diode varicap lors de l’installation du système antennaire et/ou de l’utilisation du système antennaire.
L’utilisation d’une telle diode varicap, et de son capot de protection, crée ainsi une protubérance sur le système antennaire. La diode varicap est alors sujette à l’arrachage, ce qui rend le système antennaire inopérant et pose des difficultés de maintenance. De plus, cette protubérance est inadaptée à un assemblage multi-feuillet, (e.g. au sein même d’un pare-brise de véhicule ou d’une surface vitrée) puisqu’elle crée un point de pression fragilisant, voire rendant impossible, un tel assemblage. Or, un assemblage multi-feuillet présente un intérêt de meilleure protection du système antennaire et de meilleure intégration dans l’environnement.
D’autres composants électroniques, appelés composants localisés, peuvent être utilisés pour réaliser un système antennaire agile, comme par exemple des diodes PIN (« Positive Intrinsic Négative » en terminologie anglo-saxonne), des microsystèmes électromécaniques MEMS (« MicroElectroMechanical Systems » en terminologie anglo-saxonne), ou des transistors. Cependant, les agencements correspondants présentent toujours la protubérance susmentionnée et donc les inconvénients liés à cette protubérance.
Il est ainsi souhaitable de fournir un système antennaire agile optiquement transparent à l’œil nu, qui ne présente pas une telle protubérance sujette à l’arrachage, et qui soit adapté à un assemblage multi-feuillet. Il est aussi souhaitable de fournir une solution qui soit simple à implémenter et à faible coût.
A cet effet, l’invention concerne un système antennaire, optiquement transparent, présentant une agilité en fréquence et/ou en diagramme de rayonnement et/ou en polarisation, le système antennaire comportant une plaque de substrat transparent sur laquelle est créé un motif d’antenne optiquement transparent comportant un élément rayonnant. Le système antennaire est tel qu’un matériau ferroélectrique, optiquement transparent, est intercalé entre ladite plaque de substrat transparent et le motif d’antenne au moins au niveau d’une partie de l’élément rayonnant où l’amplitude du champ électromagnétique de l’antenne est supérieure à un seuil prédéfini.
Ainsi, l’utilisation du matériau ferroélectrique pour créer un condensateur à capacité variable amène à un système antennaire qui ne présente pas de protubérance, et est donc plus robuste qu’un système antennaire utilisant une diode varicap ou un autre composant électronique pour rendre le système antennaire agile. De plus, l’utilisation du matériau ferroélectrique simplifie l’installation du système antennaire, puisque d’une part, le système antennaire est moins fragile, et d’autre part, le matériau ferroélectrique n’impose pas de sens de tension de polarisation (bias), contrairement au recours à une diode varicap ou un autre composant électronique pour rendre le système antennaire agile. L’utilisation du matériau ferroélectrique pour amener l’agilité souhaitée permet aussi d’améliorer la transparence du système antennaire.
Selon un mode de réalisation particulier, le matériau ferroélectrique est localisé au niveau de ladite une partie de l’élément rayonnant où l’amplitude du champ électromagnétique de l’antenne est supérieure à un seuil prédéfini. Ainsi, les pertes liées au matériau ferroélectrique sont limitées.
Selon un mode de réalisation particulier, le matériau ferroélectrique est du KTN KTai-xNbxCh, où x est un coefficient dont la valeur est comprise dans l’intervalle ]0 ; 1[. Ainsi, un compromis pertes - agilité est aisément trouvé.
Selon un mode de réalisation particulier, le matériau ferroélectrique est du KTN KTao.sNbo.sCh ou du KTN KTaoyNbo^Ch. Ainsi, Tutilisation du KTN KTao.sNbo.sCh permet d’atteindre de bonnes performances d’agilité et l’utilisation du KTN KTao,7Nbo,303 permet de conserver une bonne performance d’agilité mais avec de moindres pertes.
Selon un mode de réalisation particulier, le matériau ferroélectrique est du KTN KTai-xNbxCh, où x est un coefficient dont la valeur est comprise dans l’intervalle ]0 ; 1[, dopé à l’oxyde de magnésium MgO. Ainsi, les pertes liées au matériau ferroélectrique sont limitées en comparaison au KTN KTai-xNbxCh non dopé.
Selon un mode de réalisation particulier, un matériau diélectrique tampon est intercalé entre la plaque de substrat et le matériau ferroélectrique, de sorte à faciliter la croissance du matériau ferroélectrique. Ainsi, les performances du système antennaire sont améliorées.
Selon un mode de réalisation particulier, un matériau diélectrique tampon est du niobate de potassium KNbCh. Ainsi, une bonne croissance du matériau ferroélectrique peut être obtenue.
Selon un mode de réalisation particulier, l’antenne est une antenne coplanaire à fente, réalisée par un maillage métallique à pas micrométrique ou nanométrique. Ainsi, la transparence du motif d’antenne est aisément obtenue.
Selon un mode de réalisation particulier, le maillage métallique est à base d’argent Ag. Ainsi, de par la couleur naturelle de l’argent Ag, une meilleure dissimulation optique du maillage est obtenue.
Selon un mode de réalisation particulier, le maillage métallique est muni d’un matériau d’accrochage afin d’assurer l’adhérence du métal sur la plaque de substrat et sur le matériau ferroélectrique. Ainsi, la robustesse du système antennaire est accrue.
Selon un mode de réalisation particulier, le matériau d’accrochage est du titane Ti ou du chrome Cr, ou un alliage nickel-chrome Ni-Cr. Ainsi, la robustesse de l’antenne est aisément obtenue.
Selon un mode de réalisation particulier, la plaque de substrat est en saphir AI2O3. Ainsi, l’intégration du système antennaire dans des écrans de téléphones, ou de tablettes, ou bien dans des carreaux de montres communicantes, dites montres connectées, est facilitée.
L’invention concerne également un procédé de fabrication d’un système antennaire, optiquement transparent, présentant une agilité en fréquence et/ou en diagramme de rayonnement et/ou en polarisation, le procédé comportant les étapes suivantes : obtention d’une plaque de substrat transparent ; et création d’un motif d’antenne optiquement transparent comportant un élément rayonnant. Le procédé est tel qu’il comporte en outre l’étape suivante, avant la création du motif d’antenne : dépôt d’un matériau ferroélectrique, optiquement transparent, de sorte que le matériau ferroélectrique est ensuite intercalé entre ladite plaque de substrat transparent et le motif d’antenne au moins au niveau d’une partie de l’élément rayonnant où l’amplitude du champ électromagnétique de l’antenne est supérieure à un seuil prédéfini.
Les caractéristiques de l’invention mentionnées ci-dessus, ainsi que d’autres, apparaîtront plus clairement à la lecture de la description détaillée suivante, en relation avec les dessins joints, parmi lesquels :
- la Fig. 1 illustre schématiquement un système antennaire coplanaire à fente, selon un mode de réalisation de l’invention ;
- la Fig. 2 illustre schématiquement un agrandissement d’une première portion du système antennaire de la Fig. 1 ;
- la Fig. 3 illustre schématiquement un agrandissement d’une seconde portion du système antennaire de la Fig. 1 ; et
- la Fig. 4 illustre schématiquement un organigramme de procédé de fabrication de système antennaire selon l’invention.
La description détaillée suivante s’appuie sur un agencement de système antennaire coplanaire à fente. Le système antennaire comporte alors un élément rayonnant et un plan de masse qui sont localisés sur une même face de substrat. Cet agencement est avantageux grâce à un procédé de fabrication simplifié, puisqu’une unique face du substrat est utilisée pour constituer le système antennaire. Néanmoins, une topologie microruban peut aussi être utilisée. Dans ce cas, l’élément rayonnant est imprimé sur une face du substrat et le plan de masse sur la face opposée. Une topologie multicouche avec au moins deux substrats peut aussi être utilisée pour séparer l’élément rayonnant, le plan de masse et une ligne d’alimentation.
De plus, la description détaillée suivante s’appuie sur une réalisation d’antenne grâce à un maillage métallique à pas P micrométrique ou nanométrique, pour ses performances élevées en hyperfréquences / transparence optique / résistance par carré. Néanmoins, l’antenne peut aussi être réalisée grâce à une couche mince de matériau transparent et électriquement conducteur (e.g. OTC, « Oxydes Transparents et Conducteurs »), ou à un polymère conducteur (e.g. à base de polypyrrole et polyaniline, ou de polythiophène), ou à des feuillets de graphène, ou à des nanotubes de carbone, ou à un film métallique ultramince, ou à une structure multicouche OTC / film métallique, ou à des nano-fils métalliques, ou à des combinaisons de ces techniques.
La Fig· 1 illustre donc schématiquement un système antennaire coplanaire à fente 100, selon un mode de réalisation de l’invention.
Le système antennaire coplanaire à fente 100 comporte une plaque de substrat 101, polie, sur une face de laquelle est imprimé un plan de masse 110 sous forme de maillage métallique 210 à pas P micrométrique ou nanométrique.
La plaque de substrat 101 est préférentiellement constituée de saphir (AI2O3) monocristallin orienté en plan R (« 1Ï02 »). En variante de réalisation, la plaque de substrat 101 est constituée d’oxyde de magnésium (MgO).
La plaque de substrat 101 fait par exemple 500 pm d’épaisseur et est de dimensions surfaciques 15 mm x 15 mm.
La plaque de substrat 101 peut toutefois, dans d’autres variantes de réalisation, être constituée d’un autre substrat diélectrique, en particulier monocristallin, comme par exemple le quartz (SiCL), l’aluminate de lanthane (LaAlCh), l’aluminate d’yttrium (YAIO3), le titanate de strontium (SrTiCh), le gallate de néodyme (NdGaCh), le gallate de lanthane (LaGaCh), ou l’aluminate de magnésium (MgAhCU).
Le plan de masse 110 laisse apparaître un motif d’antenne boucle carrée à fente. L’antenne comporte une ligne d’alimentation 111 connectée à une ligne d’adaptation quart-d’onde (« quarter-wavelength-matching line » en terminologie anglo-saxonne) 112, qui excite une boucle carrée 113 formant un élément rayonnant (fente rayonnante) créant ainsi une zone émettrice de l’antenne. L’amplitude du champ électromagnétique de l’antenne est plus importante sur une partie 114 de l’élément rayonnant (fente rayonnante) 113. Autrement dit, l’amplitude du champ électromagnétique de l’antenne qui est supérieure à un seuil prédéfini est localisée sur cette partie 114 de l’antenne. Sur cette partie 114 est formé un condensateur de capacité variable, grâce à un matériau ferroélectrique (voir détails ci-dessous), en série avec un condensateur équivalent 115. Les surfaces en noir sur la Fig. 1 (comme sur la Fig. 2 décrite ci-après) représentent les endroits, sur la surface de la plaque de substrat 101 où est imprimé le plan de masse 110, où le maillage métallique est absent.
Un matériau ferroélectrique, optiquement transparent, est intercalé entre l’antenne et la plaque de substrat 101, au moins au niveau de la partie 114. Ce matériau ferroélectrique apporte l’agilité souhaitée au système antennaire. Les matériaux ferroélectriques présentent des valeurs de permittivité relative sr élevées, une forte capacité de reconfiguration de leurs caractéristiques diélectriques (permittivité relative sr, et tangente de l’angle de pertes tg (δ)) sous champ de polarisation (« bias field » en terminologie anglo-saxonne) externe, un temps de réponse très court (inférieur à 1 ns), une faible consommation énergétique lors de leur utilisation, une forte tenue en puissance électrique et supportent des valeurs de tension de polarisation élevées (de quelques centaines de volts générant le champ de polarisation), contrairement aux composants localisés du type diodes varicaps qui sont détruits pour des valeurs supérieures à quelques volts ou quelques dizaines de volts. Les matériaux ferroélectriques sont aussi optiquement transparents dans le domaine du visible de par leur nature purement diélectrique. De plus, la forte permittivité relative Sr du matériau ferroélectrique contribue à une miniaturisation du système antennaire optiquement transparent, optimisant ainsi son intégration dans des écrans, tels que ceux utilisés dans des téléphones intelligents (« smartphones » en terminologie anglosaxonne) ou autres tablettes. D’autres supports sont possibles, tels que des lunettes, des visières de casque, des écrans d’autres appareils électroniques (TV, etc.), des panneaux solaires...
Ce matériau ferroélectrique est préférentiellement du KTN KTai-xNbxCh, où « x » est un coefficient choisi entre 0 et 1 (valeurs exclues) en fonction notamment de la température de Curie souhaitée. Dans un mode de réalisation particulier, une composition avec x = 0,5 est utilisée, soit KTao.sNbo.sCh. Dans un autre mode de réalisation particulier, une composition avec x = 0,3 est utilisée, soit KTaoyNbo^Ch, ce qui diminue l’agilité mais diminue aussi les pertes par rapport au KTao.sNbo.sCh. Dans encore un autre mode de réalisation particulier, du KTN KTai-xNbxCh dopé à l’oxyde de magnésium (MgO) est utilisé. En effet, le KTN bénéficie d’une forte agilité en permittivité relative sr sous champ de polarisation Ebias modéré (sr = 700 à Ebias = 0 kV/cm et sr= 200 sous Ebias = 80 kV/cm, à 10 GHz pour le KTao.sNbo.sCh).
L’épaisseur de matériau ferroélectrique est comprise entre 100 nm et quelques micromètres, par exemple 420 nm.
D’autres matériaux ferroélectriques peuvent être utilisés en variante de réalisation, comme par exemple les pérovskites (e.g. BaTiCh, CaTiCh, KNbCh, YMnCh ou PbTiCh), les ilménites (e.g. LiNbCh,), les pyrochlores, (e.g. Cd2Nb2O7,), les bronzes quadratiques (e.g. PbbfeOô,), les phases d’Aurivillius (e.g. BîTFOit ou SrBÎ2Ta2O9), ou les dioxydes (e.g. HfCF). Le matériau ferroélectrique peut aussi être une phase substituée de l’un des matériaux cités supra, par exemple Bai-xSrTiCh, KTai-xNbxTiCh, AgTai-xNbxCh, Sri-xBixTiCh, Pbi-xZrxTiO3, ou BaZri-xTixCh, où « x » est ici aussi un coefficient choisi entre 0 et 1 (valeurs exclues) en fonction notamment de la température de Curie souhaitée. Les matériaux multiferroïques (e.g. BiFeCh) présentant plusieurs propriétés ferroïques, dont la ferroélectricité, peuvent aussi être utilisés. Le matériau ferroélectrique peut aussi être une hétérostructure, telle qu’une multicouche constituée de différentes natures de matériaux ferroélectriques, ce qui permet notamment d’en ajuster la valeur de la température de Curie.
A noter qu’une multicouche ferroélectrique/diélectrique peut être utilisée en substitution à une monocouche de matériau ferroélectrique, afin de limiter les pertes diélectriques tout en maintenant acceptable l’amplitude de variation de la permittivité diélectrique sous champ de polarisation (bias).
Dans un mode de réalisation particulier, un matériau diélectrique tampon (aussi dit «de germination») est intercalé entre la plaque de substrat 101 et le matériau ferroélectrique, pour faciliter la croissance du matériau ferroélectrique, notamment lorsque le substrat est amorphe tel que le verre. Dans un mode de réalisation particulier, ce matériau diélectrique tampon peut être du niobate de potassium KNbCf. Ce matériau diélectrique tampon est par exemple du titanate de strontium SrTiCf, ou de l’oxyde de magnésium MgO, ou du dioxyde de cérium CeCh, ou du dioxyde de zirconium ZrCh. L’épaisseur du matériau diélectrique tampon est comprise entre 5 nm et 100 nm, par exemple 20 nm ou 50 nm selon un compromis à trouver entre croissance du matériau ferroélectrique et impact du matériau diélectrique tampon sur les performances ferroélectriques.
Dans un mode de réalisation particulier, un plan réflecteur est placé sur la face de la plaque de substrat 101 opposée à celle où sont placés l’antenne et le plan de masse 110, ou bien sur une deuxième plaque de substrat 101 à une distance contrôlée de la première plaque de substrat 101 où sont placés l’antenne et le plan de masse 110 de sorte à plus facilement contrôler la distance entre l’antenne et le plan de masse 110 d’une part et le plan réflecteur d’autre part. Le plan réflecteur peut être obtenu, comme le plan de masse 110, grâce à un maillage métallique à pas micrométrique ou nanométrique, à une couche mince de matériau transparent et électriquement conducteur, ou à un polymère conducteur, ou à un feuillet de graphène, ou à des nanotubes de carbone, ou à un film métallique ultramince, ou à une structure multicouche OTC / film métallique, ou à des nano-fils métalliques, ou à des combinaisons de ces techniques.
Dans un mode de réalisation particulier, des couches antireflet peuvent être présentes en face avant et en face arrière du système antennaire, afin d’augmenter la transparence optique sans altérer les performances hyperfréquences. De plus, ces couches antireflet peuvent servir de couches protectrices.
La Fig· 2 illustre schématiquement un agrandissement d’une première portion 200 du système antennaire 100 représenté sur la Fig. 1. Cet agrandissement vise à montrer l’agencement du maillage métallique 210 à pas P micrométrique ou nanométrique.
Dans un mode de réalisation particulier, le pas P est de 300 pm et la largeur S des lignes (rubans) du maillage est de 15 pm, ce qui permet d’obtenir une transparence optique T de l’ordre de 80% dans le domaine du visible (en sachant que le substrat nu permet d’atteindre une transparence optique de 86%) et une résistance par carré Rs de l’ordre de 0,15 Ω/carré. La transparence optique T, exprimée en pourcentage, est en effet définie par la formule suivante :
T(%) = [(P-S)/P]2 Tsub où Tsub représente la transparence du substrat nu (exprimée en pourcentage).
Quant à la résistance par carré Rs, elle est définie par la formule suivante :
RS = (P/S).RScont où Rscont est la résistance par carré d’un film métallique continu à partir duquel est réalisé le maillage.
Le maillage métallique à pas P micrométrique ou nanométrique est préférentiellement réalisé à partir d’argent (Ag), ou de cuivre (Cu), ou d’or (Au), ou d’aluminium (Al), qui sont les quatre métaux dotés de la conductivité électrique la plus élevée du tableau périodique. Parmi ces quatre métaux, l’argent (Ag) est privilégié, car l’argent (Ag) présente la conductivité la plus élevée du tableau périodique et est d’une couleur gris neutre pour un plus faible impact visuel du maillage.
Dans un mode de réalisation particulier, une épaisseur d’argent (Ag) de 2 pm est utilisée, afin de s’affranchir des pertes par effet de peau dans le maillage métallique à la fréquence de travail. En effet, l’épaisseur de métal est choisie supérieure ou égale à trois fois la profondeur de peau D, définie comme suit :
où μ0 représente la perméabilité du vide, σ représente la conductivité du métal utilisé et f représente la fréquence de travail du système antennaire.
Comme décrit ci-après, un matériau d’accrochage peut être utilisé afin d’assurer l’adhérence du métal sur le substrat et sur le matériau ferroélectrique. L’épaisseur du matériau d’accrochage est comprise entre 5 nm et 100 nm, par exemple une épaisseur de 5 nm est utilisée. Le matériau d’accrochage est préférentiellement du titane (Ti), mais du chrome (Cr), ou un alliage nickel-chrome (Ni-Cr) peut aussi être utilisé.
La Fig· 3 illustre schématiquement un agrandissement d’une seconde portion 300 du système antennaire 100 représenté sur la Fig. 1. Cet agrandissement vise à montrer un agencement particulier du matériau ferroélectrique par rapport à l’antenne. Tel que représenté sur la Fig. 3, le matériau ferroélectrique est localisé au niveau de la partie 114, c’est-à-dire là où l’amplitude du champ électromagnétique de l’antenne est la plus importante. Le matériau ferroélectrique est ainsi uniquement présent sur une zone 310. A noter que les surfaces en noir de la Fig. 1 ont été remplacées ici par des surfaces en gris, pour permettre de mettre en évidence la zone 310.
La zone 310 englobe la partie 114 de l’élément rayonnant (fente rayonnante) 113 avec une marge M négligeable par rapport aux dimensions surfaciques d’électrodes (le condensateur équivalent 115 relié au plan de masse 110 d’un côté, et la ligne d’alimentation et le cœur de la boucle carrée d’un autre côté) polarisant le matériau ferroélectrique, de sorte à recouvrir une partie de la fente rayonnante de l’antenne. Préférentiellement, la marge M est inférieure au pas P du maillage métallique 210. Par exemple, les dimensions de la zone 310 sont de 360 pm x 100 pm.
Lorsque le matériau ferroélectrique est le KTN KTai-xNbxCh susmentionné, l’agencement illustré par la Fig. 3 permet d’obtenir l’agilité en fréquence sous champ de polarisation (bias), tout en limitant les pertes globales du dispositif pour optimiser son gain en hyperfréquences. En effet, le KTN KTai-xNbxCh présente d’importantes pertes intrinsèques (tg δ * 0,30 à Ebias= 0 kV/cm et tgô» 0,15 sous Ebias= 80 kV/cm, à 10 GHz pour le KTao.sNbo.sCh), qu’il est avantageux de limiter en contenant le KTN KTai-xNbxCh à la zone 310 où est localisée la partie 114 de l’antenne où l’amplitude du champ électromagnétique est la plus élevée. Une transparence optique T de l’ordre de 63% après dépôt de 420 nm de KTN KTai-xNbxCh sur une plaque de saphir (AI2O3) polie peut être obtenue à une longueur d’onde de 600 nm. Contenir le KTN KTai-xNbxCh au niveau de la partie 114 permet donc en outre d’améliorer la transparence globale du système antennaire (en considérant que la transparence optique T est supérieure à 80% pour le maillage métallique).
L’utilisation d’un matériau ferroélectrique dopé (KTN dopé à l’oxyde de magnésium (MgO) par exemple), ou bien d’un matériau ferroélectrique à plus faibles pertes obtenu par une couche tampon favorisant une croissance de meilleure qualité (par exemple, du KTN KTai-xNbxCh sur une couche de niobate de potassium KNbCf sur saphir AI2O3), ou bien d’un matériau ferroélectrique doté de pertes intrinsèques plus faibles (tg (δ) < 10'2 à la fréquence de travail du système antennaire), permet d’appliquer le matériau ferroélectrique sur de plus grandes surfaces, sans perte significative de performances en hyperfréquences, ce qui simplifie la fabrication du système antennaire.
La Fig. 4 illustre schématiquement un organigramme de procédé de fabrication de système antennaire selon l’invention.
Dans une étape 40, une plaque de substrat, polie, est obtenue. Le substrat est tel que précédemment décrit en relation avec la Fig. 1.
Dans une étape optionnelle 41, une couche mince de matériau tampon diélectrique est déposée sur une des faces de la plaque de substrat.
Dans une étape 42, une couche mince de matériau ferroélectrique, optiquement transparent, est déposée sur une des faces de la plaque de substrat, ou, si la couche mince de matériau tampon diélectrique a été précédemment déposée, la couche mince de matériau ferroélectrique est déposée sur ladite couche mince de matériau tampon diélectrique. Le matériau ferroélectrique est déposé au moins au niveau où l’amplitude du champ électromagnétique de l’élément rayonnant de l’antenne est supérieure à un seuil prédéfini.
Un dépôt par ablation laser pulsé PLD (« Pulsed Laser Déposition » en terminologie anglo-saxonne) peut être utilisé, avec un laser à excimères, tel qu’un laser à fluorure de krypton KrF ayant une longueur d’onde d’émission égale à 248 nm. D’autres techniques sont possibles pour déposer le matériau ferroélectrique en couche mince : par pulvérisation cathodique (« sputtering » en terminologie anglo-saxonne), ou par épitaxie par jets moléculaires MBE (« Molecular Beam Epitaxy » en terminologie anglo-saxonne), ou par enduction centrifuge (« spin-coating » en terminologie anglo-saxonne), ou par enduction par trempage (« dip-coating » en terminologie anglo-saxonne), ou par dépôt chimique en phase vapeur CVD (« Chemical Vapor Déposition » en terminologie anglo-saxonne) éventuellement activé par plasma PECVD (« Plasma-Enhanced Chemical Vapor Déposition » en terminologie anglo-saxonne), ou par dépôt chimique par flux alternés par exemple de type ALD (« Atomic Layer Déposition » en terminologie anglo-saxonne).
Dans une étape optionnelle 43, une réduction surfacique de la couche mince de matériau ferroélectrique, et de la couche mince de matériau tampon diélectrique si présente, est réalisée. La réduction surfacique permet d’obtenir l’agencement décrit en relation avec la Fig. 3. La réduction surfacique peut aussi être réalisée par gravure au laser. La réduction surfacique peut aussi être réalisée par gravure chimique après photolithographie, ou par érosion ionique.
En variante de l’étape 43, il est possible de déposer le matériau ferroélectrique uniquement sur la surface du substrat destinée à émettre l’amplitude du champ électromagnétique de l’élément rayonnant de l’antenne supérieure à un seuil prédéfini, par exemple en utilisant un masque, ou par un procédé de photolithographie de type « lift-off ».
Dans une étape 44, un motif d’antenne optiquement transparent est créé sur la face de la plaque de substrat sur laquelle a été déposé le matériau ferroélectrique et la couche mince de matériau tampon si présente, de sorte qu’au moins la partie 114 de l’antenne où l’amplitude du champ électromagnétique de l’antenne est supérieure à un seuil prédéfini soit placée sur le matériau ferroélectrique précédemment déposé.
Préférentiellement, une bicouche argent/titane (Ag/Ti) est déposée par pulvérisation cathodique. La métallisation peut être réalisée par évaporation, ou par ablation laser, ou par croissance électrochimique, ou par sérigraphie. La bicouche argent/titane (Ag/Ti) est ensuite maillée (selon le schéma de maillage précédemment décrit en relation avec les Figs. 1 et 2) par photolithographie en transférant la géométrie d’un masque à la surface d’une résine photosensible, puis par gravure chimique de la couche d’argent (Ag), puis de la couche de titane (Ti) dans des bains chimiques spécifiques. Après dissolution de la résine dans l’acétone, l’antenne transparente à maillage métallique à pas micrométriques ou nanométriques est fonctionnelle.
D’autres techniques permettent d’imprimer directement un motif géométrique pour réaliser l’antenne : par photolithographie de type « lift-off » au travers d’une résine ou d’un masque, ou par sérigraphie à partir d’une encre conductrice, ou par impression par jet d’une encre conductrice, ou par écriture directe via une décomposition sous faisceau laser d’un composé organométallique. De même, une gravure par érosion ionique ou une micro-gravure laser peut être utilisée.
Dans une étape optionnelle 45, un plan réflecteur est créé sur la face du substrat opposée à celle où a été créée l’antenne à l’étape 44, ou bien sur une deuxième plaque de substrat ensuite assemblée avec la première plaque de substrat 101 où sont placés l’antenne et le plan de masse 110. L’assemblage des deux plaques de substrat est tel que la distance entre l’antenne et le plan de masse 110 d’une part et le plan réflecteur d’autre part est contrôlée. Les techniques précédemment mentionnées en relation avec l’étape 44 peuvent être utilisées pour créer le plan réflecteur sur une plaque de substrat.
Dans une étape optionnelle 46, des couches antireflet sont déposées sur le système antennaire obtenu par exécution des étapes précédentes.
Les exemples numériques fournis dans la description détaillée ci-dessus conviennent à un système antennaire ayant une fréquence de travail de l’ordre de 10 GHz. Les principes de l’invention sont toutefois transposables à des fréquences de travail s’étendant de ~100 MHz à ~100 GHz, et notamment dans le cadre d’une application radar anticollision à 77 GHz avec balayage électronique de faisceau.
A noter que tout matériau ferroélectrique ayant des propriétés pyroélectriques, il est possible d’en commander les caractéristiques diélectriques (sr ; tg δ) grâce à une commande thermique au lieu d’un champ de polarisation (bias). Cette commande thermique peut être assurée par apport thermique externe (e.g. chaufferette), notamment par circulation d’un courant électrique dans des électrodes métalliques positionnées à proximité du matériau ferroélectrique afin de provoquer un échauffement (par effet Joule), ou par focalisation d’un rayonnement optique (e.g. grâce à un laser infra-rouge) sur le matériau ferroélectrique.
A noter aussi que le matériau ferroélectrique peut être utilisé aussi bien dans sa phase ferroélectrique (température d’utilisation inférieure à sa température de Curie) que dans sa phase paraélectrique (température d’utilisation supérieure à sa température de Curie), en fonction de l’application visée et notamment de la fréquence de travail du système antennaire.
D’autres types de dispositifs agiles optiquement transparents que des systèmes antennaires peuvent être réalisés à partir d’un emploi de matériau ferroélectrique tel que détaillé ci-dessus : condensateurs variables, lignes à retard, dispositifs résonants, filtres, surfaces sélectives en fréquence FSS (« Frequency Sélective Surface » en terminologie anglo-saxonne) actives... Tout dispositif hyperfréquence imprimé agile (ou reconfigurable) peut ainsi être élaboré.
Claims (13)
- REVENDICATIONS1) Système antennaire (100), optiquement transparent, présentant une agilité en fréquence et/ou en diagramme de rayonnement et/ou en polarisation, le système antennaire (100) comportant une plaque de substrat transparent (101) sur laquelle est créé un motif d’antenne optiquement transparent comportant un élément rayonnant (H3), caractérisé en ce qu’un matériau ferroélectrique, optiquement transparent, est intercalé entre ladite plaque de substrat transparent (101) et le motif d’antenne au moins au niveau d’une partie (114) de l’élément rayonnant (113) où l’amplitude du champ électromagnétique de l’antenne est supérieure à un seuil prédéfini.
- 2) Système antennaire selon la revendication 1, dans lequel le matériau ferroélectrique est localisé (310) au niveau de ladite partie de l’élément rayonnant (113) où l’amplitude du champ électromagnétique de l’antenne est supérieure audit seuil prédéfini.
- 3) Système antennaire selon la revendication 2, dans lequel le matériau ferroélectrique est du KTN KTai-xNbxCh, où x est un coefficient dont la valeur est comprise dans l’intervalle ]0 ; 1[.
- 4) Système antennaire selon la revendication 3, dans lequel le matériau ferroélectrique est du KTN KTao.sNbo.sCh ou du KTN KTaoyNbo^Ch.
- 5) Système antennaire selon l’une quelconque des revendications 1 et 2, dans lequel le matériau ferroélectrique est du KTN KTai-xNbxCh, où x est un coefficient dont la valeur est comprise dans l’intervalle ]0 ; 1[, dopé à l’oxyde de magnésium MgO.
- 6) Système antennaire selon l’une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel un matériau diélectrique tampon est intercalé entre la plaque de substrat (101) et le matériau ferroélectrique, de sorte à faciliter la croissance du matériau ferroélectrique.
- 7) Système antennaire selon la revendication 6, dans lequel le matériau diélectrique tampon est du niobate de potassium KNbCh.
- 8) Système antennaire selon l’une quelconque des revendications 1 à 7, dans lequel l’antenne est une antenne coplanaire à fente, réalisée par un maillage métallique (210) à pas (P) micrométrique ou nanométrique.
- 9) Système antennaire selon la revendication 8, dans lequel le maillage métallique (210) est à base d’argent Ag.
- 10) Système antennaire selon la revendication 9, dans lequel le maillage métallique (210) est muni d’un matériau d’accrochage afin d’assurer l’adhérence du métal sur la plaque de substrat (101) et sur le matériau ferroélectrique.
- 11) Système antennaire selon la revendication 10, dans lequel le matériau d’accrochage est du titane Ti ou du chrome Cr ou un alliage nickel-chrome (Ni-Cr).
- 12) Système antennaire selon l’une quelconque des revendications 1 à 11, dans lequel la plaque de substrat (101) est en saphir AI2O3.
- 13) Procédé de fabrication d’un système antennaire (100), optiquement transparent, présentant une agilité en fréquence et/ou en diagramme de rayonnement et/ou en polarisation, le procédé comportant les étapes suivantes :- obtention (40) d’une plaque de substrat transparent ;- création (44) d’un motif d’antenne optiquement transparent comportant un élément rayonnant (113) ;caractérisé en ce que le procédé comporte en outre l’étape suivante, avant la création (44) du motif d’antenne :- dépôt (42) d’un matériau ferroélectrique, optiquement transparent, de sorte que le matériau ferroélectrique est ensuite intercalé entre ladite plaque de substrat transparent (101) et le motif d’antenne au moins au niveau d’une partie (114) de l’élément rayonnant (113) où l’amplitude du champ électromagnétique de l’antenne est supérieure à un seuil prédéfini.
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| Publication number | Publication date |
|---|---|
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