FR3121795A1 - Systeme d'absorption d'onde electromagnetique et dispositif mettant en oeuvre ce systeme - Google Patents
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Abstract
S ystème d’absorption d’onde électromagnétique et dispositif mettant en œuvre ce système Ce système d’amortissement d’onde électromagnétique comprenant un support diélectrique (7) comprenant une première face et une deuxième face, au moins un élément d’amortissement en fréquence (6), est caractérisé en ce que ledit au moins un élément d’amortissement comprend un premier motif (8) disposé sur la première face du support un deuxième motif (9) disposé sur la deuxième face du support Figure pour l'abrégé : Figure 2
Description
DOMAINE DE L’INVENTION
La présente invention concerne un système d’absorption d’onde électromagnétique et un dispositif mettant en œuvre ce système.
L’absorption électromagnétique est mise en jeu dans des domaines variés comprenant la réduction du coefficient de qualité de cavités électromagnétiques, l’anéchoïsation d’enceintes faradisées, le découplage entre antennes, le découplage d’antenne vis-à-vis de la structure porteuse, la furtivité ou modification de la signature radar, et ce en bande étroite ou au contraire pour de larges bandes de fréquences.
ARRIERE-PLAN DE L’INVENTION
On connait des solutions mettant en œuvre des matériaux inhomogènes à motifs périodiques tels que des surfaces sélectives en fréquence. Cependant, ces solutions ne permettent pas de bénéficier à la fois d’une épaisseur, et donc un encombrement, réduite et d’une performance large bande. Cela est particulièrement vrai pour les longueurs d’ondes élevées, en deçà de quelques centaines de MHz.
Il existe un besoin pour des systèmes d’amortissement propre à interagir avec les ondes électromagnétiques permettant un fonctionnement sur une large bande de fréquences tout en conservant une faible épaisseur.
A cet effet, on décrit ci-dessous un système d’amortissement d’onde électromagnétique comprenant un support diélectrique comprenant une première face et une deuxième face, et au moins un élément d’amortissement en fréquence. Ledit au moins un élément d’amortissement comprend un premier motif disposé sur la première face du support et un deuxième motif disposé sur la deuxième face du support. Cela permet de gagner en compacité du fait de l’augmentation de l’effet capacitif. La première fréquence de résonance du système est abaissée.
Selon des modes de réalisation particuliers, le système d’amortissement présente une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prise(s) isolément ou selon toutes les combinaisons techniquement possibles :
- Le système d’amortissement comprend en outre des moyens de connexion configurés pour connecter électriquement le premier motif et le deuxième motif. Cela permet d’augmenter l’inductance du circuit ainsi formé, ce qui conduit à l’abaissement de la fréquence de fonctionnement.
- Le premier motif, le deuxième motif et les moyens de connexion forment un circuit électrique fermé. Cela permet également d’augmenter l’inductance du circuit et d’abaisser la fréquence de fonctionnement.
- Le premier et le deuxième motifs se chevauchent en au moins une zone. Cela permet de renforcer l’effet capacitif du circuit, étendant la bande de fonctionnement vers les basses fréquences.
- Le système d’amortissement comprend en outre des moyens en forme de bandeau, les moyens en forme de bandeau sont accolés au premier motif et s’étendent vers l’extérieur de l’élément d’amortissement en fréquence. Cela permet de renforcer l’effet capacitif du circuit, étendant la bande de fonctionnement vers les basses fréquences.
- Les moyens en forme de bandeau comprennent un matériau résistif. Cela permet d’amortir les pics de résonance, lissant la performance sur toute la largeur de bande de fonctionnement.
- Les moyens en forme de bandeau comprennent un matériau conducteur. Cela permet de réaliser des absorbants aux performances plus élevées en augmentant encore les performances d’absorption avec une sélectivité en fréquences.
- Les moyens en forme de bandeau chevauchent le deuxième motif de l’élément d’amortissement en fréquence adjacent. Cela permet d’augmenter l’effet capacitif du système et d’abaisser la fréquence de fonctionnement.
- Le support diélectrique a une épaisseur inférieure ou égale à 0,5 mm, de préférence inférieure ou égale à 0,2 mm. Cela permet d’obtenir un système compact.
La description concerne également un dispositif mettant en œuvre le système d’amortissement, comprenant un empilement ordonné d’un plan de masse, une couche diélectrique de séparation et une première plaque comprenant le système. Cela permet d’améliorer la performance d’absorption du dispositif, la couche diélectrique de séparation jouant un rôle d’abaissement de fréquence de fonctionnement.
Selon des modes de réalisation particuliers, le dispositif présente une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prise(s) isolément ou selon toutes les combinaisons techniquement possibles :
- Un empilement ordonné d’un plan de masse, une couche diélectrique de séparation, une première plaque comprenant le système et une couche diélectrique de fermeture. La couche diélectrique de fermeture permet la protection du système de l’invention des agressions extérieures sans impacter sa performance.
- Un empilement ordonné d’un plan de masse, une couche diélectrique de séparation, une première plaque comprenant le système et une deuxième plaque comprenant le système. Cela permet de renforcer l’effet capacitif entre les plaques portant le système de l’invention tout en étant particulièrement compact.
BREVE DESCRIPTION DES FIGURES
DESCRIPTION DE L’INVENTION
La présente un dispositif mettant en œuvre un système d’amortissement d’onde électromagnétique incidente selon l’art antérieur. Le dispositif 1 comprend un support diélectrique 2 et un plan réflecteur 3, également appelé plan de masse. Le plan réflecteur 3 est une surface ayant une très bonne conductivité électrique, par exemple une surface métallique telle que du cuivre ou une surface composite comprenant un nombre de plis de fibres de carbone suffisant pour présenter une impédance faible aux fréquences pour lesquelles une performance d’absorption doit être observée.
Une pluralité d’éléments d’amortissement en fréquence 4 (Frequency Selective Surface ou FSS en anglais) est disposée sur la surface du support diélectrique 2. Ledit support diélectrique 2 a une épaisseur d et chaque élément d’amortissement en fréquence 4 est par exemple un anneau carré offrant une résistivité intermédiaire entre celle d’un très bon conducteur et celle d’un isolant, ayant une longueur de côté égale à D.
Les Figures 2 et 3 illustrent respectivement un système 5 selon l’invention et un élément d’amortissement en fréquence 6 selon l’invention.
Dans le mode de réalisation de la , le système 5 se présente sous forme de plaque et comprend un support diélectrique 7 présentant une première face et une deuxième face et au moins un élément d’amortissement en fréquence 6 comprend un premier motif 8 disposé sur la première face du support diélectrique 7 et un deuxième motif 9 disposé sur la deuxième face du support diélectrique 7.
Le premier motif 8 et le deuxième motif 9 ont une même résistance par carré R. Dans le mode de réalisation des Figures 2 et 3, le support diélectrique 7 est représenté en transparence pour permettre de voir l’ensemble des parties formant les éléments d’amortissement en fréquence 6.
Le support diélectrique 7 est caractérisé par une épaisseur et une permittivité relative. Le support diélectrique 7 a par exemple une épaisseur de 150 µm et une permittivité relative égale à 2,7.
Le système 5 comprend donc une pluralité d’éléments d’amortissement en fréquence 6 qui se répètent avec une périodicité D+g, g étant l’espacement ou « gap » entre chaque élément d’amortissement en fréquence, c’est-à-dire une distance D+g entre une même arête de deux éléments d’amortissement en fréquence 7 répétés adjacents tel qu’illustré à la .
Cet agencement particulier permet d’augmenter la surface de l’élément d’amortissement en fréquence 6 tout en gardant un système 5 compact et ayant une performance au moins égale à celle du dispositif de l’état de la technique illustré à la .
On caractérise également un espacement ou « gap », désignant la distance entre les deux arêtes les plus proches des premier et deuxième motifs de deux éléments d’amortissement en fréquence 6 adjacents. Dans un mode de réalisation préféré, le premier motif 8 et le deuxième motif 9 se chevauchent en au moins une zone, c’est-à-dire qu’une partie du premier motif 8 vient recouvrir une partie du deuxième motif 9 dans une direction normale à la première surface du support diélectrique 7.
Dans un mode de réalisation encore plus préféré, le premier motif 8 et le deuxième motif 9 se chevauchent en deux zones.
Dans un autre mode de réalisation illustré à la , le premier motif 8 et le deuxième motif 9 sont connectés électriquement par des moyens de connexion 10. Ces moyens de connexion 10 sont par exemple des plots en matériau métallique et conducteur ou des vias résistifs. Les moyens de connexion 10 relient le premier motif 8 et le deuxième motif 9 de façon à former un circuit électrique fermé.
Dans un autre mode de réalisation, les moyens de connexion 10 sont mis en œuvre dans la au moins une zone de chevauchement. Les moyens de connexion 10 sont choisis en fonction de la performance d’absorption attendue et des contraintes d’épaisseur totale du dispositif d’absorption.
Les Figures 4 à 7 montrent un mode de réalisation respectivement de l’élément d’amortissement en fréquence 6 et du système 5 de l’invention.
Dans le mode de réalisation illustré, l’élément d’amortissement en fréquence 6 comprend des moyens en forme de bandeau 11 accolés au premier motif 8. C’est-à-dire que le bandeau 11 est en contact avec le premier motif 8.
Dans d’autres modes de réalisation non représentés, le bandeau peut être disposé accolé au deuxième motif 9 ou un bandeau peut être disposé accolé à chacun des premier et deuxième motifs 8 et 9.
De façon générale, le premier motif 8 et le deuxième motif 9 forment un anneau, délimitant un intérieur et un extérieur. Le bandeau 11 s’étend vers l’extérieur de l’anneau formé par le premier motif 8 et le deuxième motif 9 tel que défini précédemment. Ainsi, la combinaison du premier motif 8 et du bandeau 11 augmente la surface couverte sur la première face du support diélectrique 7 comme cela est particulièrement visible à la .
En conséquence, le premier motif 8 associé au bandeau 11 est plus proche de l’élément d’amortissement en fréquence 6 adjacent, c’est-à-dire que le premier motif 8 est plus proche du deuxième motif 9 et situé sur la face opposée comme illustré par la . Le bandeau 11 peut être conducteur ou résistif, il n’a pas nécessairement les mêmes caractéristiques électriques que le motif auquel il est accolé.
Le mode de réalisation du système 5 de la montre que l’espacement g ou « gap » entre chaque élément d’amortissement en fréquence 6 peut être optimisé, ainsi dans un mode de réalisation, l’espacement g entre les éléments d’amortissement en fréquence 6 est choisi de façon à ce que l’extrémité libre du bandeau 11 soit alignée avec l’arête libre du deuxième motif 9 de l’élément d’amortissement en fréquence 6 adjacent.
Dans le mode de réalisation de la , cela correspond à un espacement de 0,75 mm pour une périodicité D+g=12,00 mm. En rapprochant ainsi les éléments d’amortissement en fréquence 6, la capacité mutuelle entre éléments adjacents est augmentée, ce qui améliore la capacité d’absorption du système 5 en étendant sa performance à des fréquences plus basses sans avoir à augmenter l’épaisseur totale du dispositif absorbant.
Dans un autre mode de réalisation, la valeur d’espacement peut encore être réduite de façon à ce que le bandeau 11 recouvre le deuxième motif 9 de l’élément d’amortissement en fréquence 6 adjacent dans une direction normale à la première surface du support diélectrique 7, par exemple un espacement de g=0,375 mm pour une périodicité D+g=12,00 mm dans le mode de réalisation illustré à la .
Cela se traduit également par une amélioration de la largeur de bande de fonctionnement, particulièrement perceptible aux fréquences plus basses, pour le système 5 ainsi obtenu, tout en conservant la compacité de l’ensemble.
La est un graphe montrant la performance de la structure de référence illustrée à la . La performance tracée correspond à la réflexion d’une onde plane en incidence normale sur une structure de la ayant une résistance par carré de 120 Ohms/carré et imprimée sur un substrat diélectrique d’épaisseur 150 µm et de permittivité relative égale à 2,7. La bande passante d’absorption à -10 dB est située entre 4,2 GHz et 22 GHz.
La est un graphe montrant les performances du mode de réalisation de la . La courbe correspond au mode de réalisation de la pour lequel le bandeau 11 est un bandeau métallique donc conducteur de résistance par carré inférieure à 1x10-3Ohm/carré. La résistance par carré des motifs 8 et 9 est égale à 800 Ohm/carré. La performance du mode de réalisation de la montre une largeur de bande passante d’absorption à -10 dB située entre 2,9 GHz et 23 GHz. Cette performance est qualifiée de large bande et a la particularité de commencer à une fréquence plus basse, ce qui est remarquable par rapport à la compacité du dispositif d’absorption. On observe donc une amélioration à la fois de la largeur de bande et de la performance d’absorption en basses fréquences par rapport à la référence illustré à la .
La est un graphe montrant l’impact de la modification de l’espacement dans le mode de réalisation de la . Le trait mixte correspond à un espacement de 0,75 mm et le trait pointillé correspond à un espacement égal à 0,375 mm. Dans les deux cas d’espèce, la résistance par carré du système 5 est égale à 800 Ohm/carré. On observe alors une bande passante d’absorption à -10 dB située entre 3,0 GHz et 23 GHz pour le mode de réalisation ayant un espacement égal à 0,75 mm et entre 2,5 GHz et 23 GHz pour le mode de réalisation ayant un espacement égal à 0,375 mm. La performance d’absorption en basses fréquences est donc encore améliorée en optimisant la valeur d’espacement. Le mode de réalisation ayant un espacement égal à 0,75 mm présente un pic d’absorption de plus grande intensité (-22 dB) au voisinage de 5 GHZ.
La est un graphe montrant l’impact de la nature électrique du bandeau 11. Le trait plein correspond à un système 5 comprenant des éléments d’amortissement en fréquence 6 avec une résistance par carré de 350 Ohm/carré, un espacement de 0,375 mm et des bandeaux 11 résistifs de résistance par carré égale à 350 Ohm/carré. Le trait pointillé correspond à un système 5 comprenant des éléments d’amortissement en fréquence 6 avec une résistance par carré de 800 Ohm/carré, un espacement de 0,375 mm et des bandeaux 11 conducteurs de résistance par carré inférieure à 1x10-3Ohm/carré.
Le système 5 comprenant des bandeaux 11 conducteurs affiche une performance d’absorption, c’est-à-dire inférieure à un seuil de -10 dB, sur une bande de fréquence allant de 2,4 GHz à 22,8 GHz et de 33,7 GHz à au moins 50 GHz. On observe que le système 5 comprenant des bandeaux 11 résistifs a une performance ultralarge bande avec une bande passante s’étendant de 1,5 GHz à 50 GHz. Le système 5 mettant en œuvre des bandeaux 11 résistifs permet d’abaisser la fréquence de fonctionnement de l’absorbant. De plus, il évite les remontées du coefficient d’absorption.
Les Figures 14 et 15 montrent un dispositif 12 mettant en œuvre le système 5 de l’invention.
La est une vue du dispositif 12 en perspective et la est un vue de côté du même dispositif 12. Dans le mode de réalisation illustré, le dispositif comprend un empilement dans l’ordre suivant : un plan de masse (non représenté), une plaque de séparation 13 en matériau diélectrique (en transparence), une première plaque du système 5 de l’invention, une première plaque intercalaire 14 de matériau diélectrique, une deuxième plaque du système 5 de l’invention, une deuxième plaque intercalaire 15 de matériau diélectrique, une troisième plaque du système 5 de l’invention et une plaque de fermeture 16. La plaque de fermeture 16 peut être une plaque de matériau diélectrique, elle sert à protéger l’ensemble du dispositif des agressions extérieures.
Il est évident que l’alternance de plaques de matériau diélectrique et de plaques de système 5 de l’invention peut comprendre un nombre différent de plaques du système 5 et de plaques intercalaires en fonction des performances à atteindre. Dans ce mode de réalisation, les plaques du système 5 sont toutes orientées dans la même position, c’est-à-dire que tous les premiers motifs 8 sont superposés entre eux dans l’axe de l’empilement. Il en va de même pour tous les deuxièmes motifs 9.
La est un graphe illustrant la performance d’absorption du mode de réalisation des Figures 14 et 15 en incidence normale. Dans le dispositif mesuré, la couche de séparation 13, les couches intercalaires 14 et 15 et la couche de fermeture 16 ont une épaisseur de 3 mm et une permittivité sensiblement égale à 1. On observe que la performance d’absorption est excellente sur une très large bande et que la valeur la plus faible pour laquelle la réflexion en incidence normale est inférieur à -10 dB atteint 300 MHz, ce qui est remarquablement bas. Le dispositif 13 permet donc une performance ultra large bande, efficace en basse fréquence jusqu’à de très hautes fréquences, tout en restant compact.
Dans un autre mode de réalisation, les trois types de couches ont une permittivité sensiblement égale à 4,3 et une épaisseur de 1,6 mm. Pour une performance d'absorption donnée, il est possible de diminuer l'épaisseur des couches et donc de gagner en compacité en sélectionnant un autre matériau ayant une permittivité plus élevée tout en conservant les mêmes performances d’absorption.
Dans un mode de réalisation non représenté, l’empilement se fait dans l’ordre suivant : un plan de masse, une plaque de séparation diélectrique, une première plaque du système 5, une deuxième plaque du système 5 et une plaque de fermeture. Le nombre de plaques du système 5 peut être supérieur à deux et est un nombre pair. Dans l’empilement du mode de réalisation, les plaques impaires (première, troisième…) ont un premier sens. Les plaques paires (deuxième, quatrième…) ont un deuxième sens qui correspond à une symétrie orthogonale par rapport à un plan des plaques impaires, ledit plan étant la première face de plaque du système 5. Ainsi, le premier motif 8 d’une plaque impaire est superposé au deuxième motif 9 d’une plaque paire et au premier motif 8 d’une autre plaque paire.
Ce mode de réalisation est particulièrement compact car il s’affranchit de plaque de séparation diélectrique.
Claims (12)
- Système d’amortissement d’onde électromagnétique comprenant un support diélectrique (7) comprenant une première face et une deuxième face, au moins un élément d’amortissement en fréquence (6), caractérisé en ce que ledit au moins un élément d’amortissement comprend un premier motif (8) disposé sur la première face du support un deuxième motif (9) disposé sur la deuxième face du support.
- Système d’amortissement d’onde électromagnétique selon la revendication 1, caractérisé en ce qu’il comprend en outre des moyens de connexion (10) configurés pour connecter électriquement le premier motif et le deuxième motif.
- Système d’amortissement d’onde électromagnétique selon la revendication 2, caractérisé en ce que le premier motif (8), le deuxième motif (9) et les moyens de connexion (10) forment un circuit électrique fermé.
- Système d’amortissement d’onde électromagnétique selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le premier (8) et le deuxième (9) motifs se chevauchent en au moins une zone.
- Système d’amortissement d’onde électromagnétique selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu’il comprend en outre des moyens en forme de bandeau (11), les moyens en forme de bandeau étant accolés au premier motif et s’étendent vers l’extérieur de l’élément d’amortissement en fréquence.
- Système d’amortissement d’onde électromagnétique selon la revendication 5, caractérisé en ce que les moyens en forme de bandeau (11) comprennent un matériau résistif.
- Système d’amortissement d’onde électromagnétique selon la revendication 5, caractérisé en ce que les moyens en forme de bandeau (11) comprennent un matériau conducteur.
- Système d’amortissement d’onde électromagnétique selon l’une quelconque des revendications 5 à 7, caractérisé en ce que les moyens en forme de bandeau (11) chevauchent le deuxième motif de l’élément d’amortissement en fréquence adjacent.
- Système d’amortissement d’onde électromagnétique selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le support diélectrique (7) a une épaisseur inférieure à 0,5 mm, de préférence inférieure à 0,2 mm.
- Dispositif d’amortissement d’onde électromagnétique mettant en œuvre le système de l’une quelconque des revendications précédentes, comprenant un empilement ordonné d’un plan de masse, une couche diélectrique de séparation et une première plaque comprenant le système (5).
- Dispositif d’amortissement d’onde électromagnétique mettant en œuvre le système de l’une quelconque des revendications 1 à 9, comprenant un empilement ordonné d’un plan de masse, une couche diélectrique de séparation, une première plaque comprenant le système (5) et une couche diélectrique de fermeture.
- Dispositif d’amortissement d’onde électromagnétique mettant en œuvre le système de l’une quelconque des revendications 1 à 9, comprenant un empilement ordonné d’un plan de masse, une couche diélectrique de séparation, une première plaque comprenant le système et une deuxième plaque comprenant le système.
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