WO2022084465A1 - Structure alvéolaire fonctionnalisée, structure composite sandwich, procédé de fabrication, procédé d'optimisation et dispositifs associés - Google Patents

Structure alvéolaire fonctionnalisée, structure composite sandwich, procédé de fabrication, procédé d'optimisation et dispositifs associés Download PDF

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WO2022084465A1
WO2022084465A1 PCT/EP2021/079256 EP2021079256W WO2022084465A1 WO 2022084465 A1 WO2022084465 A1 WO 2022084465A1 EP 2021079256 W EP2021079256 W EP 2021079256W WO 2022084465 A1 WO2022084465 A1 WO 2022084465A1
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WO
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parameters
cell
face
honeycomb
absorbent structure
Prior art date
Application number
PCT/EP2021/079256
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Inventor
Mohamed Himdi
Raimi BEN DEWAN
Xavier Castel
Patrick CALDAMONE
Thierry LEVAVASSEUR
Frédéric GOURMELEN
Patrick Parneix
Original Assignee
Naval Group
Universite De Rennes 1
Seribase Industrie
Centre National De La Recherche Scientifique
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    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q17/00—Devices for absorbing waves radiated from an antenna; Combinations of such devices with active antenna elements or systems
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q17/00—Devices for absorbing waves radiated from an antenna; Combinations of such devices with active antenna elements or systems
    • H01Q17/007—Devices for absorbing waves radiated from an antenna; Combinations of such devices with active antenna elements or systems with means for controlling the absorption
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    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q17/00—Devices for absorbing waves radiated from an antenna; Combinations of such devices with active antenna elements or systems
    • H01Q17/008—Devices for absorbing waves radiated from an antenna; Combinations of such devices with active antenna elements or systems with a particular shape

Definitions

  • the present invention relates to the radiofrequency functionalization of composite structural elements integrating core elements in the form of a honeycomb, in order to confer on them various functionalities, for example absorbing, communicating, reflecting and/or focusing functions for electromagnetic waves.
  • the present invention also relates to associated methods and devices, namely a manufacturing method, an optimization method, a composite structure, a computer program product and a readable information medium.
  • Such performance is generally accompanied by an increase in the weight of these devices and by a more complex integration of these devices in the vehicle or carrier.
  • the description describes an absorbent structure, the absorbent structure being a honeycomb type honeycomb structure extending between a first end face and a second end face, the honeycomb structure comprising a plurality of tubular cells, each cell comprising a plurality of walls delimiting said cell, the walls extending from the first end face to the second end face, the walls being formed of a dielectric material, at least one cell comprising at least one strip of electrically conductive coating arranged in at least one wall or on a surface of at least one wall, the cell structure being characterized by parameters, the parameters of the cell structure being chosen so that the absorbent structure provides an attenuation of at least 10 dB for each incident wave of a range of frequencies having a frequency range greater than or equal to 15 GHz.
  • the absorbent structure has one or more of the following characteristics, taken separately or according to all the technically possible combinations:
  • the parameters are the dielectric and geometric parameters of each cell and the electrical and geometric parameters of each strip.
  • the at least one cell has two separate coating strips with a separate resistance per square.
  • the resistance per square of two contiguous strips differs by an interval of resistance per square comprised between 10 Ohms/sq and 500 Ohms/sq, preferably between 50 Ohms/sq and 150 Ohms/sq.
  • At least one strip has a height, said height varying in a direction perpendicular to the plane.
  • the width of the strip varies according to a stepwise variation or according to a strictly monotonous variation in a direction perpendicular to the plane.
  • the space between two contiguous bands is between 100 micrometers and 1000 micrometers, preferably between 400 micrometers and 600 micrometers.
  • the height of the wall in a direction perpendicular to the plane is between 5 millimeters and 50 millimeters, preferably between 7 millimeters and 25 millimeters.
  • the description also relates to a sandwich composite structure comprising a core interposed between a first skin and a second skin, said core comprising at least one absorbent structure as previously described.
  • the description also describes a method of manufacturing an absorbent structure, the absorbent structure being a honeycomb structure, the honeycomb structure being characterized by parameters, the parameters being chosen so that the absorbent structure provides an attenuation of at least 10 dB for each incident wave of a frequency range having a frequency range greater than or equal to 15 GHz, the method comprising the steps of printing strips of electrically conductive coating, depositing a layer of adhesive on a surface of at least one blade made of dielectric material, for bonding the blades to the layers of adhesive, for assembling the blades to form a plurality of tubular cells, each cell comprising a plurality of walls delimiting said cell, the walls extending from a first end face to a second end face of the honeycomb-like honeycomb structure extending between a first end face and a second end face, for expanding the assembled blades
  • the description also relates to a method for optimizing an absorbent structure, the absorbent structure being a honeycomb-type alveolar structure extending between a first end face and a second end face, the alveolar structure comprising a plurality of tubular cells, each cell comprising a plurality of walls delimiting said cell, the walls extending from the first end face to the second end face, the walls being formed of a dielectric material, at least a cell comprising at least one strip of electrically conductive coating placed in at least one wall or on a surface of at least one wall, the cellular structure being characterized by parameters, the method comprising a step of choosing initial parameters for the structure alveolar, and a step of optimizing the parameters of the alveolar structure according to an optimization technique implemented by successive iterations on r current sets of parameters, the first set of parameters being the set of initial parameters and the set of parameters of an iteration being the set of parameters obtained at the previous iteration, the optimization technique being implemented under the constraint that the absorbing structure provides an attenuation
  • the description also relates to a radio frequency lens comprising a plurality of conductive studs, each stud being a honeycomb assembly comprising at least one tubular honeycomb, each honeycomb comprising a plurality of walls delimiting said honeycomb, the walls extending from a first face of end to a second face end, the walls being formed of a dielectric material, at least one cell comprising at least one strip of electrically conductive coating placed in at least one wall or on a surface of at least one wall, each cell assembly having parameters , the parameters of each honeycomb assembly being chosen so that the radiofrequency lens has a spatial variation of predefined effective refractive index.
  • the radiofrequency lens has one or more of the following characteristics, taken separately or according to all the technically possible combinations:
  • the lens has a center and the spatial variation of the effective refractive index corresponds to a gradient from the center of the lens.
  • the studs are divided into several zones, the parameters of the cell assemblies in the same zone being identical.
  • each honeycomb assembly the parameters of each honeycomb assembly are chosen so that the lens has a gain greater than 5 dBi over a range extending from 8 GigaHertz to 12 GigaHertz.
  • the parameters of each cell assembly are the dielectric and geometric parameters of each cell and the electrical and geometric parameters of each strip.
  • the description also describes a method for manufacturing a radiofrequency lens comprising a plurality of conductive pads, each pad being a honeycomb assembly, each honeycomb assembly having parameters, the parameters being chosen so that the radiofrequency lens has a spatial variation of index of predefined effective refraction, the method comprising, for each stud, the steps of printing strips of electrically conductive coating, of depositing a layer of adhesive on a surface of at least one strip of dielectric material, of bonding the blades on the layers of adhesive, assembling the blades to form a plurality of tubular cells, each cell comprising a plurality of walls delimiting said cell, the walls extending from a first end face to a second face end of the honeycomb-like alveolar structure extending between a first end face and a second end face, of ex panning of the assembled blades, to obtain a structure to freeze, and firing of the structure to freeze to obtain the final radiofrequency lens.
  • the description also relates to a method for optimizing a radiofrequency lens comprising a plurality of conductive pads, each pad being a honeycomb assembly comprising at least one tubular honeycomb, each honeycomb comprising a plurality of walls delimiting said honeycomb, the walls extending from a first end face to a second end face, the walls being formed of a dielectric material , at least one cell comprising at least one strip of electrically conductive coating arranged in at least one wall or on a surface of at least one wall, each cell assembly having parameters, the method comprising a step of choosing initial parameters for the radiofrequency lens, and a step of optimizing the parameters of each honeycomb assembly according to an optimization technique implemented by successive iterations on sets of current parameters, the first set of parameters being the set of initial parameters and the set of parameters of an iteration being the set of parameters obtained at the previous iteration, the optimization technique being implemented under the constraint that the radiofrequency lens has a spatial variation of predefined effective index of refraction.
  • the description also relates to an antenna system comprising at least one part which is a honeycomb type honeycomb structure extending between a first end face and a second end face, the honeycomb structure comprising a plurality of tubular cells, each cell comprising a plurality of walls delimiting said cell, the walls extending from the first end face to the second end face, the walls being formed of a dielectric material, at least one cell comprising at at least one strip of electrically conductive coating disposed in at least one wall or on a surface of at least one wall, the plurality of walls being transparent, the part of the antenna system having parameters, the parameters being chosen so that the antenna system has an optical transmittance of at least 80% for an electromagnetic wave belonging to the visible range and having an incidence substantially normal to a plane parallel to at least one of the two end faces.
  • the antenna system has one or more of the following characteristics, taken in isolation or according to all technically possible combinations:
  • the parameters are the dielectric and geometric parameters of each cell and the electrical and geometric parameters of each strip.
  • the part of the antenna system is chosen from an antenna and a reflector plane.
  • the antenna system is chosen from a wire antenna, a patch antenna and a reflective plane antenna.
  • the antenna system further comprises a complementary strip of electrically conductive coating placed in at least one wall or on a surface of at least one wall, the complementary strip being placed between the at least one strip of coating and a face end so as to form a ground plane and/or a reflective plane for the antenna system.
  • At least one strip has a height defined for each cell, said height of the strip varying between 10 micrometers to the height of the cell comprising the wall in or on which the strip is arranged, said height of the strip preferably varying between 10 micrometers and 500 micrometers.
  • the part presents parameters, the parameters being chosen so that the antenna system presents a desired radiation pattern.
  • the radiation pattern is such that each cell in combination with the other cells of the plurality presents sector-type radiation thanks to the supply of the antenna elements according to a cardinal sine law.
  • the description also describes a method of manufacturing an antenna system comprising at least one part which is a honeycomb-type alveolar structure extending between a first end face and a second end face, the antenna system having parameters, the parameters being chosen so that the antenna system has an optical transmittance of at least 80% for an electromagnetic wave belonging to the visible range and having an incidence substantially normal to the foreground, the method comprising, for each plot, the steps of printing strips of electrically conductive coating, of depositing a layer of adhesive on a surface of at least one strip of dielectric material, of bonding the strips to the layers of adhesive, of assembling blades to form a plurality of tubular cells, each cell having a plurality of walls delimiting said cell, the walls extending from a first outer face attached to a second end face of the honeycomb-type alveolar structure extending between a first end face and a second end face, for expansion of the assembled blades, to obtain a structure to be fixed, and firing the structure to be fixed to obtain the final antenna system.
  • the description also relates to a method for optimizing an antenna system comprising at least one part which is a honeycomb-type honeycomb structure extending between a first end face and a second end face, the part of the antenna system having parameters, the parameters being chosen so that the antenna system has an optical transmittance of at least 80% for an electromagnetic wave belonging to the visible range and having an incidence substantially normal to a plane parallel to at least one of the two end faces, the method comprising a step of choosing initial parameters for the part of the antenna system, and of optimizing the parameters of part of the antenna system according to a technique optimization implemented by successive iterations on current sets of parameters, the first set of parameters being the set of initial parameters and the set of parameters of an iteration being the set of parameters obtained at the previous iteration, the optimization technique being implemented under the constraint that a part of the antenna system has an optical transmittance of at least 80% for an electromagnetic wave belonging to the visible range and having an incidence substantially normal to a plane parallel to at least one of the two end faces.
  • the description also relates to a computer program product comprising a readable information medium, on which is stored a computer program comprising program instructions, the computer program being loadable on a data processing unit and implementing an optimization method according to claim when the computer program is implemented on the data processing unit.
  • the description also relates to a readable information medium comprising program instructions forming a computer program, the computer program being loadable on a data processing unit and implementing an optimization method as previously described when the computer program is implemented on the data processing unit.
  • FIG. 1 is a schematic three-dimensional representation of a honeycomb structure
  • FIG. 2 is a schematic top view of a cell of a honeycomb structure
  • FIG. 3 is a schematic representation in enlarged three-dimensional view of a wall element of a cell of a honeycomb structure
  • FIG. 4 to 11 are figures obtained in the context of experiments relating to absorbent structures comprising a honeycomb structure of the type of those of Figures 1 to 3,
  • Figures 12 to 17 are figures obtained in the context of experiments relating to radiofrequency lenses comprising a honeycomb structure of the type of those of Figures 1 to 3, and
  • Figures 18 to 26 are figures obtained in the context of experiments relating to antenna systems comprising a honeycomb structure of the type of those of Figures 1 to 3.
  • This basic structure is an alveolar structure which is presented first.
  • the interest of the alveolar structure is shown for three distinct devices: an absorbent structure, part of the antenna system and a radiofrequency lens.
  • FIG. 1 is a three-dimensional representation
  • Figure 2 a top view of part of the honeycomb structure 10
  • Figure 3 an enlarged three-dimensional view of another part of the honeycomb structure 10.
  • the honeycomb structure 10 is of the honeycomb or nida type, the two terms being equivalent.
  • the honeycomb structure 10 extends between a first end face and a second end face not shown in Figure 1 to make the interior of the honeycomb structure 10 visible.
  • the assembly of the honeycomb structure 10 and the skins forms a composite sandwich structure.
  • the first and second end faces are intended to be arranged to extend in planes parallel to the skins.
  • the first and second end faces are for example contiguous to the first and to the second skin respectively.
  • a longitudinal plane is a plane parallel to the first and second end surfaces and a transverse plane is a plane orthogonal to the first and second end surfaces.
  • a first longitudinal direction denoted X in a longitudinal plane is defined, a second longitudinal direction denoted Y and perpendicular to the first longitudinal direction X in the same longitudinal plane and a transverse direction denoted Z which is orthogonal to the two longitudinal directions X and Y.
  • the honeycomb structure 10 comprises a plurality of cells 12.
  • the cells 12 are contiguous to each other, forming a preferably regular paving.
  • Each cell 12 extends between the first end face and the second end face.
  • Each cell 12 comprises a plurality of walls 14 delimiting this cell 12, each wall 14 extending transversely from the first end face to the second end face.
  • Each cell 12 is tubular and may have a polygonal section along a longitudinal plane.
  • each cell 12 is tubular with a polygonal section.
  • the polygonal section is constant when the cell 12 is traversed along the transverse direction.
  • each cell 12 is a regular hexagon, but for the device examples, the longitudinal section is a non-regular hexagon.
  • each cell 12 is delimited by six walls 14, some walls 14 being common with other cells 12.
  • the section of a cell 12 is, for example, of square, rectangular, circular or elliptical geometry.
  • the walls 14 are formed from a dielectric material.
  • the dielectric material is, for example, an aramid sheet, or a cellulose paper or else a thermoplastic material such as polyethylene, polypropylene, polyimide, polycarbonate or polyethylene terephthalate.
  • At least one cell 12 comprises at least one strip 16 of electrically conductive coating disposed in at least one wall 14 or on a surface of at least one wall 14.
  • the strip 16 of electrically conductive coating is, for example, made of a metallic material or a conductive organic material.
  • An organic material is a material comprising at least one bond forming part of the group consisting of the covalent bonds between a carbon atom and a hydrogen atom, the covalent bonds between a carbon atom and a nitrogen atom, or even bonds between a carbon atom and an oxygen atom.
  • Polyaniline or poly(3,4-ethylenedioxythiophene): polystyrene sulfonate) also denoted PEDOT/PSS
  • PEDOT/PSS polystyrene sulfonate
  • conductive inks with low resistivity loaded with particles can be envisaged.
  • Particles of micrometric (each dimension less than 1 mm) and nanometric (each dimension less than 1 ⁇ m) size are examples of such particles.
  • Said particles are, for example, silver, copper, gold, aluminum, carbon black, graphene, carbon nanotubes or a mixture of the preceding elements.
  • the internal and/or external faces of the cells 12 are made radioelectrically functional, in particular conductive by depositing an electrically conductive coating.
  • the band 16 can extend over all or part of the wall 14.
  • Such strips 16 can be obtained by subtractive (especially chemical etching) or additive manufacturing processes. Screen printing is preferred without being exclusive.
  • the production of the strip 16 remains easy as evidenced by the following description of an example of a process for manufacturing a honeycomb structure 10 using a screen printing technique.
  • the manufacturing process first includes a step of printing strips 16 of electrically conductive coating.
  • the deposition by serigraphy is done via a precise mask whose image is engraved using a photosensitive capillary exposed on a canvas.
  • the insulated canvas and frame set forms the silkscreen screen.
  • the nature of the capillary and of the fabric will make it possible to control the thickness of the deposits and their geometries.
  • the deposition also includes a pulling operation during which a doctor blade put under pressure on the fabric is moved in a horizontal translation.
  • the ink is then transferred from the top of the screen onto the support through the open pores of the screen.
  • a layer of adhesive is then deposited on a surface of at least one blade of dielectric material.
  • the adhesive is, depending on the case, reported in the form of double-sided, a transfer adhesive or a printed adhesive.
  • the nature of the adhesive is chosen according to the honeycomb structure 10 to be produced.
  • the method includes a step of gluing the strips of dielectric material comprising the strips 16 printed.
  • the blades are then assembled to form the plurality of tubular cells 12 with polygonal section.
  • the process also includes a step of expanding the assembled blades, to obtain a structure to freeze. This expansion step can take place in a controlled atmosphere.
  • temperature, humidity, stretching force or stretching speed can be controlled.
  • the structure to be set is then baked during a baking step to obtain the final honeycomb structure.
  • honeycomb structure 10 mechanical or thermal
  • dipping in particular in a resin bath
  • chemical deposition under vacuum or physical deposition under vacuum are implemented.
  • a first example of a parameter for the honeycomb structure 10 is a geometry parameter for each cell 12.
  • angles such as the angle formed by a wall 14 and one of the longitudinal directions, for example the angle 0 corresponding to the angle between the wall 14 and the longitudinal direction Y.
  • the thickness of a wall t or t' is another example of a parameter used to characterize the geometry of a cell 12.
  • the dimension along the transverse direction Z is another parameter independent of the other preceding parameters. This dimension will be called “height” in what follows.
  • a second example of a parameter is an electrical parameter of a band 16.
  • a conductivity value, an electrical resistivity value or else a resistance value per square of strip 16 is a particular example of an electrical parameter.
  • the relative arrangement of the strips 16 with respect to the walls 14 is another parameter likely to influence the behavior of the honeycomb structure 10.
  • the strip 16 is not necessarily printed over the entire height of the cell 12.
  • a fourth example of a parameter relates to the materials used, in particular to produce the walls 14.
  • the optimization method then comprises an optimization step during which the parameters of the honeycomb structure 10 are optimized according to an optimization technique implemented by successive iterations on sets of current parameters, the first set of parameters being the set of initial parameters and the set of parameters of an iteration being the set of parameters obtained at the previous iteration, the optimization technique being implemented under the constraint that the honeycomb structure 10 or the device comprising the honeycomb structure 10 exhibits the desired electromagnetic emission, electromagnetic transmission or electromagnetic absorption properties.
  • One such method is a computer-implemented method.
  • the computer is an electronic computer suitable for manipulating and/or transforming data represented as electronic or physical quantities in registers of the computer and/or memories into other similar data corresponding to physical data in memories. , registers or other types of display, transmission or storage devices.
  • the computer has a processor comprising a data processing unit, memories and an information carrier reader.
  • the calculator also includes a keyboard and a display unit.
  • the computer program product comprises a readable carrier of information.
  • a readable information medium is a medium readable by the computer, usually by the reader.
  • the readable information carrier is a medium suitable for storing electronic instructions and capable of being coupled to a bus of a computer system.
  • the readable information medium is a diskette or floppy disk (from the English name "floppy disk"), an optical disk, a CD-ROM, a magneto-optical disk, a ROM memory, a RAM memory, an EPROM memory, an EEPROM memory, a magnetic card or an optical card.
  • a computer program comprising program instructions.
  • the computer program is loadable on the data processing unit and is adapted to cause the implementation of the optimization method.
  • honeycomb structure 10 which has just been presented is its use to produce an absorbing structure 20 for electromagnetic waves and more specifically radiofrequency waves.
  • the absorbent structure 20 is then formed by the honeycomb structure 10 then used for its absorption properties.
  • a single strip 16 of electrically conductive coating covers all of the walls 14.
  • the coating strip 16 has a resistance per square of 900 Ohms per square (Q/sq).
  • each cell 12 is 11 millimeters (mm).
  • the intercell space (distance between two contiguous cells 12 of the same line) is 10 mm, the angle a of a cell 12 of 70°, the angle p of a cell 12 of 145°, the length of an end face on which the honeycomb structure 10 rests is 72.54 mm and the width of said end face is 23.44 mm.
  • FIG. 4 is a graph presenting the evolution of the attenuation in reflectivity provided by the absorbent structure 20 as a function of the frequency.
  • the absorbent structure 20 has an attenuation of 10 dB over a wide frequency band (of the order of 16 GHz, dashed lines) with attenuation levels markedly higher than those known in the state of the art (solid line).
  • the second example corresponds to the structure shown in Figure 5.
  • each cell 12 comprises three distinct coating strips 16 having a distinct resistance per square but of the same thickness.
  • the variation of the resistance per square of the strips 16 is strictly monotonous when the wall 14 of the cell 12 is traversed in the transverse direction.
  • such an example corresponds to the deposition of gradient electrically conductive coatings.
  • the interval of resistance per square between two contiguous bands 16 is the same and equal to 100 Q/sq.
  • the first strip 16 has a resistance per square of 300 Q/sq
  • the second strip 16 has a resistance per square of 400 Q/sq. sq
  • the third strip 16 has a resistance per square of 500 ⁇ /sq.
  • Each strip 16 also has the same height of 3.3 mm.
  • space 18 between two contiguous bands 16 is identical and is equal to 500 micrometers (pm).
  • each cell 12 is 10.9 mm
  • the intercell space is 10 mm
  • the angle a of a cell 12 is 70°
  • the angle p of a cell 12 is 145°
  • the length of the end face is 72.54 mm
  • the width of the end face is 23.44 mm.
  • the two graphs in figure 6 show the evolution of the absorption of the structure according to example 2 in normal incidence (top graph) and in oblique incidence (bottom graph).
  • three curves are represented: a first curve in solid lines corresponding to normal incidence (0°), a second curve in dotted lines corresponding to an incidence of ⁇ 20° and a third curve in dashed lines corresponding to an angle of attack of ⁇ 40°.
  • the absorbent structure 20 has an attenuation of 10 dB over a very wide frequency band (of the order of 25 GHz) compared to that of Example 1.
  • This frequency band width is obtained by the increase in the attenuation of the absorbent structure 20 at low frequencies linked to the presence of the resistance gradient per square.
  • the performance of the absorbing structure 20 improves with the incidence and the decrease in frequency.
  • EXAMPLE 3 The absorbent structure 20 according to the third example has the same characteristics as that of the second example which are not repeated, so that only the differences with the absorbent structure 20 of the second example are now described.
  • a fourth additional strip 16 is added in addition to the three strips 16.
  • This fourth strip 16 has a resistance per square of 200 Q/sq and is placed above the first strip 16.
  • the heights of the bands 16 and the height of the cell 12 are different compared to the second example.
  • the height of the first, second and fourth bands 16 is 4.9 mm and the height of the third band 16 is 3.9 mm.
  • the height of the cell 12 is 20.1 mm.
  • the length of the end face is 72.54 mm and the width of the end face is 23.34 mm.
  • the two graphs in figure 7 show the evolution of the absorption of the structure according to example 3 in normal incidence (top graph) and in oblique incidence (bottom graph).
  • the absorbent structure 20 according to the fourth example has the same characteristics as that of the third example which are not repeated, so that only the differences with the absorbent structure 20 of the third example are now described.
  • the heights of the strips 16 and the height of the cell 12 are different from the third example. More precisely, the height of the bands 16 is the same for all and is equal to 2.4 mm.
  • the height of the cell 12 is 11.1 mm.
  • the two graphs in figure 8 show the evolution of the absorption of the structure according to example 4 in normal incidence (top graph) and in oblique incidence (bottom graph).
  • the absorbent structure 20 according to the fifth example has the same characteristics as that of the first example which are not repeated, so that only the differences with the absorbent structure 20 of the first example are now described.
  • strip 16 is continuous over the entire height of wall 14 of cell 12.
  • the strip 16 has a width which varies along the longitudinal directions.
  • FIG. 9 presents a set of patterns corresponding to a variation of possible widths for the band 16 at constant height.
  • the variation is a variation in stair steps according to 7 levels and in a constant manner.
  • the variation corresponds to a variation in the shape of a pyramid, by noting "a” the width at the top of the pyramid and “b" the width at the foot of the pyramid, each of the cases A, B and C is characterized by different values of width at the top "a", the width at the foot "b” being fixed at 8 mm.
  • the width at the top is 7.86 mm (which corresponds to an a/b ratio of 0.98); for case B, the width at the top is 6.81 mm (which corresponds to an a/b ratio of 0.85) and for case C, the width at the top is 2.33 mm (which corresponds to a a/b ratio of 0.29).
  • Cases D and E correspond to the inverse of cases B and C.
  • the width of the strip 16 varies according to the pattern of case B with a resistance per sheet of the conductive coating equal to 400 ⁇ /sq.
  • the height of a cell 12 is 8.0 mm and the intercell space 12 is 8.0 mm.
  • the length of the end face is 174.15mm and the width of the end face is 55.38mm.
  • the two graphs in figure 10 show the evolution of the absorption of the structure according to example 5 in normal incidence (top graph) and in oblique incidence (bottom graph).
  • the absorbent structure 20 according to the sixth example has the same characteristics as that of the third example which are not repeated, so that only the differences with the absorbent structure 20 of the third example are now described.
  • the heights of the bands 16 and the height of the cell 12 are different from the third example.
  • the height of the bands 16 is the same for all and is equal to
  • the height of the cell 12 is 17.6 mm.
  • the width of the strip 16 varies according to the strip 16 considered, the fourth strip 16 has a width of 10 mm, the first strip 16 a width of
  • the fourth strip 16 has a resistance per square of 500 Q/sq
  • the first strip 16 has a resistance per square of 260 Q/sq
  • the second strip 16 has a square resistance of 340 ⁇ /sq
  • the third strip 16 has a square resistance of 420 ⁇ /sq.
  • the intercell space is 10 mm
  • the angle a of a cell 12 is 70°
  • the angle p of a cell 12 is 145°
  • the length of the end face is 72.5mm
  • the width of the end face is 23.3mm.
  • the two graphs in FIG. 11 show the evolution of the absorption of the structure according to Example 6 at normal incidence (top graph) and at oblique incidence (bottom graph).
  • This good absorption performance is also maintained over a wide frequency band of at least 20 GHz.
  • the use of the basic structure offers the freedom to allow the desired absorption to be obtained for the absorbent structure 20 by adapting the parameters of each honeycomb assembly. More precisely, the parameters of the honeycomb structure 10 are chosen so that the absorbent structure 20 provides an attenuation of at least 10 dB for each incident wave of a range of frequencies having a frequency range greater than or equal to 15 GHz.
  • the frequency range is greater than or equal to 20 GHz, and even better if possible greater than or equal to 25 GHz.
  • the attenuation is at least 15 dB, or even 20 dB.
  • the frequency range over which the attenuation takes place starts from the frequency of 10 MHz.
  • alveolar structures participate in the mechanical robustness of composite sandwich structures.
  • the mass associated with these alveolar structures is also low.
  • the proposed absorbing structure 20 makes it possible to obtain very high and durable attenuation performance in terms of attenuation level, frequency bandwidth and stability in oblique incidences.
  • honeycomb structure 10 is hollowed out at its core, a gain in mass is obtained compared to other absorbent structures of the state of the art.
  • the method for manufacturing a honeycomb structure 10 presented above is indeed applicable here to obtain the absorbent structure 20.
  • the absorbent structure 20 can easily be integrated into a wall 14.
  • Such an absorbent structure 20 is advantageous for many applications involving electromagnetic discretion and/or problems of electromagnetic compatibility between radio frequency systems.
  • a radiofrequency lens 30 using the same basic honeycomb structure 10 is now described with reference to Figures 12 to 14.
  • a radiofrequency lens 30 is a device capable of converging or diverging beams of incident electromagnetic waves. In the case of convergence, the term “focusing lens” or “focusing device” may be used.
  • the radio frequency lens 30 comprises a plurality of pads 32 conductors.
  • a pad 32 can be seen as an obstacle generally cylindrical in the broad sense (including any basic shape for the cylinder).
  • the dimensions of the pads 32 and their mutual distances are usually small compared to the band at which the radiofrequency lens 30 operates.
  • the distance between these studs 32 and their height constitute an equivalent medium with a variable index.
  • the studs 32 make it possible to reproduce the same propagation effect as in a conventional dielectric medium in which the refractive index varies from 2 to the limit lower than unity, starting from the peripheral to the center of the radio frequency lens 30.
  • a pad 32 is therefore a part of the radiofrequency lens 30 which comprises several of them to obtain such an effect.
  • the material of the pads 32 is different from that forming the medium surrounding the pads 32.
  • Each pad 32 is a honeycomb assembly having said honeycomb structure 10.
  • each cell assembly comprises at least one tubular cell 12 with polygonal section along a plane parallel to at least one of the end faces, said first plane, each cell 12 comprising a plurality of walls 14 delimiting said cell 12, the walls 14 extending from a first end face to a second end face, the walls 14 being formed of a dielectric material, at least one cell 12 comprising at least one strip 16 of electrically conductive coating arranged on at least least one wall 14.
  • each honeycomb assembly has parameters.
  • the parameters of each cell assembly are the geometric and dielectric parameters of each cell 12 and the electrical, dielectric and geometric parameters of each strip 16.
  • a center O is defined for the radiofrequency lens 30.
  • the pads 32 are distributed in several zones Z1, Z2, Z3, Z4, Z5, Z6, the parameters of the honeycomb assemblies of the same zone Z1, Z2, Z3, Z4, Z5, Z6 being identical.
  • each pad 32 of the same zone Z1, Z2, Z3, Z4, Z5, Z6 has the same height.
  • the zones Z1, Z2, Z3, Z4, Z5, Z6 are concentric, the center of the zones Z1, Z2, Z3, Z4, Z5, Z6 being the center O of the radio frequency lens 30.
  • the first zone Z1 is a disc and the other zones Z2, Z3, Z4, Z5, Z6 are rings surrounding the previous zone.
  • the lens comprises five annular zones Z2, Z3, Z4, Z5, Z6 so that the total number of zones Z1, Z2, Z3, Z4, Z5, Z6 is 6.
  • the surface of the radiofrequency lens 30 is a disc having a radius R.
  • the radius is equal to 250 mm.
  • Each zone Z1, Z2, Z3, Z4, Z5, Z6 can be identified by its geographical position relative to the center of the radio frequency lens 30.
  • a pad 32 of the first zone Z1 is located at a distance x between 0 and 0.4 ⁇ R from the center of the radiofrequency lens 30; a pad 32 of the second zone Z2 is located at a distance x between 0.4 ⁇ R and 0.54 ⁇ R from the center of the radiofrequency lens 30; a pad 32 of the third zone Z3 is located at a distance x of between 0.54 ⁇ R and 0.68 ⁇ R from the center of the radiofrequency lens 30; a pad 32 of the fourth zone Z4 is located at a distance x comprised between 0.68 ⁇ R and 0.78 ⁇ R from the center of the radiofrequency lens 30; a pad 32 of the fifth zone Z5 is located at a distance x of between 0.78xR and 0.88xR from the center of the radiofrequency lens 30 and a pad 32 of the sixth zone Z6 is located at a distance x of between 0.88xR and 1.0xR from the center of the radio frequency lens 30.
  • the height of studs 32 varies from one zone Z1, Z2, Z3, Z4, Z5, Z6 to another. More specifically, in the first zone Z1, the studs 32 have a height of 4.86 mm; a height of 4.57 mm in the second zone Z2; a height of 4.24 mm in the third zone Z3; a height of 3.85 mm in the fourth zone Z4; a height of 3.25 mm in the fifth zone Z5 and a height of 1 mm in the sixth zone Z6.
  • the studs 32 are arranged in an evenly distributed manner on the surface of the radiofrequency lens 30.
  • Such a configuration of the pads 32 makes it possible to obtain an equivalent medium with a variable refractive index, that is to say to obtain a spatial variation of effective refractive index.
  • the medium surrounding the pads 32 is preferably not made using a honeycomb assembly.
  • the effective refractive index is 1.4; in the second zone Z2, the effective refractive index is 1.33; in the third zone Z3, the effective refractive index is 1.27; in the fourth zone Z4, the effective refractive index is 1.2; in the fifth zone Z5, the effective refractive index is 1.14 and in the sixth zone Z6, the effective refractive index is 1.02.
  • radio frequency lens 30 to achieve an effective index gradient corresponding to a spatial variation of the refractive index from 1.4 to 1, the variation following the mathematical law 2 - % 2 where x is representative of the position of the zone Z1, Z2, Z3, Z4, Z5, Z6 considered.
  • At least one source is integrated into the honeycomb at the focal point of the lens (see figure 12).
  • Figure 15 shows the evolution of the adaptation of the lens as a function of the frequency when the source is at the focal point of the lens (curve in solid line) and for a displacement of the source of a few millimeters with respect to the focal point of the lens (curve in dotted lines).
  • This figure shows that the radio frequency lens 30 has good operation between 8 GHz and 12 GHz even if the source is slightly offset.
  • figure 16 was obtained with a prototype for which the radius of the radiofrequency lens 30 was 50 mm instead of 250 mm for the simulation of figure 15.
  • Figure 16 has three graphs.
  • the graph at the top left is a radiation diagram representing the revolution of the amplitude of the electromagnetic field in the H plane as a function of the azimuth angle.
  • the frequency is fixed at 9.4 GHz.
  • the graph at the top right is a radiation diagram representing the evolution of the amplitude of the electromagnetic field in the E plane as a function of the elevation angle.
  • the frequency is fixed at 9.4 GHz.
  • the bottom graph represents the evolution of the gain as a function of the frequency (solid line curve) as well as the evolution of the efficiency as a function of the frequency (dotted curve).
  • the gain G is the ratio between the power density radiated in one direction and the power density which would be radiated by an antenna with isotropic radiation in this same direction.
  • An isotropic antenna is an antenna ideal consisting of a point source which radiates the same power in all directions in space (gain equal to 1).
  • the directivity D represents the ratio between the power radiated in a given direction and the average power radiated by the antenna.
  • the difference between the directivity and the gain takes into account the losses of the antenna. In the case of a lossless antenna, the directivity will therefore be equal to the gain.
  • Figure 17 presents other results obtained by simulation for a lens with a radius of 250 mm.
  • Figure 17 includes a graph at the top showing the variation of the gain in the H plane at 9.4 GHz after crossing the lens as a function of the azimuth angle.
  • the shift of the source by a few millimeters (curve in dashed lines) in relation to the focal point of the lens (curve in solid line) has no influence on the focusing of the gain.
  • the bottom graph shows the variation of the gain in the far field after crossing the lens, but this time as a function of the frequency.
  • FIGS. 16 and 17 show that the performance of the radiofrequency lens 30 is satisfactory.
  • Such a lens therefore performs the desired function.
  • the parameters of each honeycomb assembly are chosen so that the lens has a spatial variation of predefined effective refractive index, in particular a gradient from the center of the lens.
  • each honeycomb assembly is chosen so that the lens has a gain greater than 5 dBi over a range extending from 8 GHz to 12 GHz.
  • the conductive pad 32 formed of a honeycomb assembly is hollowed out at its heart, which implies a gain in mass.
  • the method of manufacturing a honeycomb structure 10 presented above is indeed applicable for each of the pads 32. Furthermore, the radiofrequency lens 30 can easily be integrated into a wall element made of composite materials.
  • This integration can also be improved by printing the excitation sources of the radiofrequency lens 30. This notably makes it possible to simplify the mechanics associated with its radiofrequency power supply.
  • Such a radiofrequency lens 30 is particularly advantageous in the field of telecommunications and detection.
  • each antenna system 40 comprising at least one part which is a honeycomb structure 10 as previously proposed.
  • the plurality of walls 14 are optically transparent.
  • each wall 14 has an optical transmittance greater than 80% at at least one wavelength belonging to the visible range.
  • the optical transmittance is defined by the ratio of the light intensities before and after crossing the wall 14 and the visible range is defined as bringing together all the wavelengths between 400 nanometers (nm) and 800 nm.
  • the walls 14 are made of a polymer made from polyethylene terephthalate (PET) having such properties of optical transparency.
  • PET polyethylene terephthalate
  • a first example of antenna system 40 is presented with reference to Figures 18 and 19.
  • Each cell 12 is then a radiating structure thanks to the addition of at least one strip 16 of electrically conductive coating.
  • Figure 18 illustrates a pattern particularly suitable for this case.
  • This is a wall 14 having a central recess 42, a conductive strip 16 surrounding the wall 14 so that in the central recess 42 two portions 44 of conductive strip 16 face one another.
  • honeycomb structure 10 having only three rows 46 of honeycomb cells 12 as shown in Figure 19 is particularly suitable.
  • control law applied to the antenna system 40 is a phase supply of each radiating structure.
  • Figure 20 has three graphs.
  • the graph at the top left of Figure 20 is a radiation diagram representing the evolution of the amplitude of the electromagnetic field in the plane E (plane orthogonal to the surface of the antenna and including its main length) as a function of its elevation angle.
  • the working frequency is fixed at 9.3 GHz.
  • the graph at the top right of Figure 20 is a radiation diagram representing the evolution of the amplitude of the electromagnetic field in the H plane (plane orthogonal to the surface of the antenna and including its main width) as a function of the angle of elevation.
  • the frequency is fixed at 9.3 GHz.
  • the bottom graph of FIG. 20 represents the adaptation of the antenna system 40 as a function of the frequency. Its adaptation is optimal at 9.3 GHz.
  • the second example corresponds to a grid antenna array with sectoral radiation.
  • Such a network is physically identical to the network shown in Figures 18 and 19.
  • FIGS. 21 to 23 The performances of this second example of antenna system 40 are presented in FIGS. 21 to 23 on the one hand and FIG. 24 on the other hand.
  • Figure 21 has three graphs.
  • the graph at the top of figure 21 is a diagram giving schematically the position of the antenna elements within the honeycomb along the longitudinal direction, the graph in the middle gives the current distribution applied to these antenna elements and the graph below gives the (normalized) directivity resulting from such a feed.
  • the directivity is satisfactory because, as shown in FIGS. 22 and 23, a cardinal sine control law both in phase and in amplitude supplies the various antenna elements.
  • FIG. 23 presents the current distribution along the cells 12 of the central line marked in FIG. 22 from the notation A' to the notation R' (top graph in this figure 23) and for a line located in end identified in figure 22 by the notation A to the notation R (bottom graph in this figure 23).
  • Figure 24 represents the evolution of the gain as a function of the elevation angle.
  • the evolution of the gain is presented for two planes: plane E (curve in thick lines in figure 24) and plane H (curve in thin lines in figure 24).
  • the working frequency is fixed at 9.3 GHz.
  • This figure 24 shows the advantage of using the honeycomb structure 10 in this case. Indeed, it is thus obtained from a sector antenna without the need for additional equipment such as phase shifters or attenuators to apply the command, which simplifies assembly.
  • the third example corresponds to a grid antenna of the patch or slot type.
  • the antenna system 40 seen from the side is shown schematically in Figure 25.
  • the antenna system 40 comprises the honeycomb structure 10 positioned on a reflector plane 50, itself in contact with a coaxial probe 52 which feeds the patch-type grid antenna.
  • the reflective plane 50 is the carbon skin of the composite sandwich structure associated with the antenna system 40.
  • the reflective plane 50 is produced similarly to the radiating element positioned in the upper part of the honeycomb structure 10 except that the strips of conductive coating are arranged at the base of each of the cells constituting the honeycomb structure 10 and form a network of conductive crowns then providing a reflection function.
  • Figure 26 has three graphs.
  • the graph at the top left of figure 26 is a radiation diagram representing the evolution of the amplitude of the electromagnetic field in the E plane as a function of the elevation angle.
  • the frequency is fixed at 2.4 GHz.
  • the graph at the top right of Figure 26 is a radiation diagram representing the evolution of the amplitude of the electromagnetic field in the H plane as a function of the elevation angle.
  • the frequency is fixed at 2.6 GHz.
  • the bottom graph of FIG. 26 represents the evolution of the adaptation of the antenna system 40 as a function of the frequency.
  • FIG. 26 shows that the antenna system 40 is perfectly suited (reflection coefficient Su less than -15 dB) at two operating frequencies (2.4 GHz and 2.62 GHz) allowing higher gains to be obtained. to 5 dBi at these two frequencies (6.1 dBi and 8.4 dBi, respectively).
  • each cell 12 is chosen so that the antenna system 40 has an optical transmittance of at least 80% for an electromagnetic wave belonging to the visible range and having a substantially normal incidence in the foreground.
  • the parameters are chosen so that the antenna system 40 has a desired radiation pattern.
  • the radiation pattern is such that each cell 12 in combination with the other cells 12 of the plurality presents radiation of the sector type (see FIG. 24) thanks to the supply of the antennal elements according to a cardinal sine law.
  • the antenna system 40 advantageously comprises a complementary strip 16 of electrically conductive coating disposed in at least one wall 14, the complementary strip 16 being disposed between the at least one strip 16 of coating and an end face so to form a ground plane and/or a reflective plane for the antenna system 40.
  • the height of the strip 16 varies between 10 micrometers at the height of the cell 12 comprising the wall 14 in or on which is arranged the strip 16, said height of the strip 16 preferably varying between 10 micrometers and 500 micrometers.
  • Such technology is compatible with any type of antenna, and in particular a wire antenna, a patch antenna or an antenna requiring a reflector plane.
  • the antenna system 40 formed of a honeycomb assembly is hollowed out at its heart, which implies a gain in mass.
  • This mass saving can be obtained without significant complexity in the manufacture of the antenna system 40.
  • the manufacturing method of a honeycomb structure 10 can effectively be used directly.
  • the antenna system 40 can easily be integrated into a wall element made of composite materials.
  • such antenna systems can be used in the field of transport, in particular air, rail or naval transport.
  • the best integration of the antenna systems makes it possible to obtain a significant gain in aerodynamics.
  • the devices obtained allow better integration into a wearer while remaining easy to manufacture and exhibiting for some of them performances unequaled by the other known solutions. This is particularly the case for the absorbent structure 20.

Landscapes

  • Shielding Devices Or Components To Electric Or Magnetic Fields (AREA)
  • Laminated Bodies (AREA)
  • Aerials With Secondary Devices (AREA)

Abstract

La présente invention concerne une structure absorbante qui est une structure alvéolaire (10) de type nid d'abeille s'étendant entre deux faces d'extrémité et qui comprend des alvéoles (12) tubulaires, chaque alvéole (12) comportant des parois (14) délimitant ladite alvéole (12), les parois (14) s'étendant entre les deux faces d'extrémité, les parois (14) étant formées d'un matériau diélectrique, au moins une alvéole (12) comportant au moins une bande (16) de revêtement électriquement conducteur disposée dans au moins une paroi (14) ou sur une surface d'au moins une paroi (14), la structure alvéolaire (10) étant caractérisée par des paramètres choisis pour que la structure absorbante procure une atténuation d'au moins 10 dB pour chaque onde incidente d'une gamme de fréquences présentant une étendue en fréquence supérieure ou égale à 15 GHz.

Description

Structure alvéolaire fonctionnalisée, structure composite sandwich, procédé de fabrication, procédé d’optimisation et dispositifs associés
DOMAINE DE L’INVENTION
La présente invention concerne la fonctionnalisation radiofréquence d’éléments structuraux composites intégrant des éléments d’âme sous forme de nid d’abeille, afin de leur conférer différentes fonctionnalités, par exemple des fonctions absorbantes, communicantes, réflectrices et/ou focalisantes aux ondes électromagnétiques. La présente invention se rapporte aussi à des procédés et des dispositifs associés, à savoir un procédé de fabrication, un procédé d’optimisation, une structure composite, un produit programme d’ordinateur et un support lisible d’information.
ARRIERE-PLAN DE L’INVENTION
Que ce soit dans le transport maritime, ferroviaire ou aérien, les besoins en connectivité des véhicules et porteurs utilisés (mobiles ou statiques) sont de plus en plus importants. Ceci implique l’emploi de dispositifs interagissant avec l’environnement électromagnétique comme des antennes, des dispositifs absorbants, des dispositifs de blindage électromagnétique, des réflecteurs ou des lentilles de plus en plus performants.
Une telle performance s’accompagne généralement d’une augmentation de la masse de ces dispositifs et d’une complexification de l’intégration de ces dispositifs dans le véhicule ou le porteur.
En particulier, il est connu d’ajouter des appendices supplémentaires au véhicule ou au porteur pour positionner les dispositifs.
Toutefois, lorsque le caractère aérodynamique est concerné, l’augmentation en masse et l’ajout d’appendices supplémentaires impactent très négativement l’aérodynamique et les capacités de ces porteurs.
RESUME DE L’INVENTION
Il existe donc un besoin pour des dispositifs propres à interagir avec les ondes électromagnétiques permettant une meilleure intégration dans un porteur.
A cet effet, la description décrit une structure absorbante, la structure absorbante étant une structure alvéolaire de type nid d’abeille s’étendant entre une première face d’extrémité et une deuxième face d’extrémité, la structure alvéolaire comprenant une pluralité d’alvéoles tubulaires, chaque alvéole comportant une pluralité de parois délimitant ladite alvéole, les parois s’étendant de la première face d’extrémité à la deuxième face d’extrémité, les parois étant formées d’un matériau diélectrique, au moins une alvéole comportant au moins une bande de revêtement électriquement conducteur disposée dans au moins une paroi ou sur une surface d’au moins une paroi, la structure alvéolaire étant caractérisée par des paramètres, les paramètres de la structure alvéolaire étant choisis pour que la structure absorbante procure une atténuation d’au moins 10 dB pour chaque onde incidente d’une gamme de fréquences présentant une étendue en fréquence supérieure ou égale à 15 GHz.
Selon des modes de réalisation particuliers, la structure absorbante présente une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prise(s) isolément ou selon toutes les combinaisons techniquement possibles :
- les paramètres sont les paramètres diélectriques et géométriques de chaque alvéole et les paramètres électriques et géométriques de chaque bande.
- l’au moins une alvéole comporte deux bandes de revêtement distinctes présentant une résistance par carré distincte.
- lorsque la paroi de l’alvéole est parcourue dans une direction perpendiculaire au plan parallèle à au moins l’une des deux faces d’extrémité, la variation de la résistance par carré des bandes est strictement monotone.
- lorsque la paroi de l’alvéole est parcourue dans une direction perpendiculaire au plan, la résistance par carré de deux bandes contigües diffère d’un intervalle de résistance par carré compris entre 10 Ohms/sq et 500 Ohms/sq, de préférence entre 50 Ohms/sq et 150 Ohms/sq.
- au moins une bande présente une hauteur, ladite hauteur variant selon une direction perpendiculaire au plan.
- la largeur de la bande varie selon une variation en marches d’escalier ou selon une variation strictement monotone dans une direction perpendiculaire au plan.
- l’espace entre deux bandes contigües est compris entre 100 micromètres et 1000 micromètres, de préférence entre 400 micromètres et 600 micromètres.
- la hauteur de la paroi selon une direction perpendiculaire au plan est comprise entre 5 millimètres et 50 millimètres, de préférence entre 7 millimètres et 25 millimètres.
La description concerne aussi une structure composite sandwich comprenant une âme interposée entre une première peau et une deuxième peau, ladite âme comportant au moins une structure absorbante telle que précédemment décrite. La description décrit également un procédé de fabrication d’une structure absorbante, la structure absorbante étant une structure alvéolaire, la structure alvéolaire étant caractérisée par des paramètres, les paramètres étant choisis pour que la structure absorbante procure une atténuation d’au moins 10 dB pour chaque onde incidente d’une gamme de fréquences présentant une étendue en fréquence supérieure ou égale à 15 GHz, le procédé comprenant les étapes d’impression de bandes de revêtement électriquement conducteur, de dépose d’une couche d’adhésif sur une surface d’au moins une lame en matériau diélectrique, de collage des lames sur les couches d’adhésif, d’assemblage des lames pour former une pluralité d’alvéoles tubulaires, chaque alvéole comportant une pluralité de parois délimitant ladite alvéole, les parois s’étendant d’une première face d’extrémité à une deuxième face d’extrémité de la structure alvéolaire de type nid d’abeille s’étendant entre une première face d’extrémité et une deuxième face d’extrémité, d’expansion des lames assemblées, pour obtenir une structure à figer, et de cuisson de la structure à figer pour obtenir la structure absorbante finale.
La description concerne aussi un procédé d’optimisation d’une structure absorbante, la structure absorbante étant une structure alvéolaire de type nid d’abeille s’étendant entre une première face d’extrémité et une deuxième face d’extrémité, la structure alvéolaire comprenant une pluralité d’alvéoles tubulaires, chaque alvéole comportant une pluralité de parois délimitant ladite alvéole, les parois s’étendant de la première face d’extrémité à la deuxième face d’extrémité, les parois étant formées d’un matériau diélectrique, au moins une alvéole comportant au moins une bande de revêtement électriquement conducteur disposée dans au moins une paroi ou sur une surface d’au moins une paroi, la structure alvéolaire étant caractérisée par des paramètres, le procédé comportant une étape de choix de paramètres initiaux pour la structure alvéolaire, et une étape d’optimisation des paramètres de la structure alvéolaire selon une technique d’optimisation mise en œuvre par itérations successives sur des jeux de paramètres courants, le premier jeu de paramètres étant l’ensemble des paramètres initiaux et le jeu de paramètres d’une itération étant le jeu de paramètres obtenu à l’itération précédente, la technique d’optimisation étant mise en œuvre sous la contrainte que la structure absorbante procure une atténuation d’au moins 10 dB pour chaque onde incidente d’une gamme de fréquences présentant une étendue en fréquence supérieure ou égale à 15 GHz.
La description porte également sur une lentille radiofréquence comprenant une pluralité de plots conducteurs, chaque plot étant un ensemble alvéolaire comportant au moins une alvéole tubulaire, chaque alvéole comportant une pluralité de parois délimitant ladite alvéole, les parois s’étendant d’une première face d’extrémité à une deuxième face d’extrémité, les parois étant formées d’un matériau diélectrique, au moins une alvéole comportant au moins une bande de revêtement électriquement conducteur disposée dans au moins une paroi ou sur une surface d’au moins une paroi, chaque ensemble alvéolaire présentant des paramètres, les paramètres de chaque ensemble alvéolaire étant choisis pour que la lentille radiofréquence présente une variation spatiale d’indice de réfraction effectif prédéfinie.
Selon des modes de réalisation particuliers, la lentille radiofréquence présente une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prise(s) isolément ou selon toutes les combinaisons techniquement possibles :
- la lentille présente un centre et la variation spatiale de l’indice de réfraction effectif correspond à un gradient depuis le centre de la lentille.
- les plots sont répartis en plusieurs zones, les paramètres des ensembles alvéolaires d’une même zone étant identiques.
- les zones sont concentriques.
- les paramètres de chaque ensemble alvéolaire sont choisis pour que la lentille présente un gain supérieur à 5 dBi sur une plage allant de 8 GigaHertz à 12 GigaHertz.
- les paramètres de chaque ensemble alvéolaire sont les paramètres diélectriques et géométriques de chaque alvéole et les paramètres électriques et géométriques de chaque bande.
La description décrit également un procédé de fabrication d’une lentille radiofréquence comprenant une pluralité de plots conducteurs, chaque plot étant un ensemble alvéolaire, chaque ensemble alvéolaire présentant des paramètres, les paramètres étant choisis pour que la lentille radiofréquence présente une variation spatiale d’indice de réfraction effectif prédéfinie, le procédé comprenant, pour chaque plot, les étapes d’impression de bandes de revêtement électriquement conducteur, de dépose d’une couche d’adhésif sur une surface d’au moins une lame en matériau diélectrique, de collage des lames sur les couches d’adhésif, d’assemblage des lames pour former une pluralité d’alvéoles tubulaires, chaque alvéole comportant une pluralité de parois délimitant ladite alvéole, les parois s’étendant d’une première face d’extrémité à une deuxième face d’extrémité de la structure alvéolaire de type nid d’abeille s’étendant entre une première face d’extrémité et une deuxième face d’extrémité, d’expansion des lames assemblées, pour obtenir une structure à figer, et de cuisson de la structure à figer pour obtenir la lentille radiofréquence finale.
La description concerne aussi un procédé d’optimisation d’une lentille radiofréquence comprenant une pluralité de plots conducteurs, chaque plot étant un ensemble alvéolaire comportant au moins une alvéole tubulaire, chaque alvéole comportant une pluralité de parois délimitant ladite alvéole, les parois s’étendant d’une première face d’extrémité à une deuxième face d’extrémité, les parois étant formées d’un matériau diélectrique, au moins une alvéole comportant au moins une bande de revêtement électriquement conducteur disposée dans au moins une paroi ou sur une surface d’au moins une paroi, chaque ensemble alvéolaire présentant des paramètres, le procédé comportant une étape de choix de paramètres initiaux pour la lentille radiofréquence, et une étape d’optimisation des paramètres de chaque ensemble alvéolaire selon une technique d’optimisation mise en œuvre par itérations successives sur des jeux de paramètres courants, le premier jeu de paramètres étant l’ensemble des paramètres initiaux et le jeu de paramètres d’une itération étant le jeu de paramètres obtenu à l’itération précédente, la technique d’optimisation étant mise en œuvre sous la contrainte que la lentille radiofréquence présente une variation spatiale d’indice effectif de réfraction prédéfinie.
La description porte aussi sur un système antennaire comportant au moins une partie qui est une structure alvéolaire de type nid d’abeille s’étendant entre une première face d’extrémité et une deuxième face d’extrémité, la structure alvéolaire comprenant une pluralité d’alvéoles tubulaires, chaque alvéole comportant une pluralité de parois délimitant ladite alvéole, les parois s’étendant de la première face d’extrémité à la deuxième face d’extrémité, les parois étant formées d’un matériau diélectrique, au moins une alvéole comportant au moins une bande de revêtement électriquement conducteur disposée dans au moins une paroi ou sur une surface d’au moins une paroi, la pluralité de parois étant transparente, la partie de système antennaire présentant des paramètres, les paramètres étant choisis pour que le système antennaire présente une transmittance optique d’au moins 80% pour une onde électromagnétique appartenant au domaine du visible et ayant une incidence sensiblement normale à un plan parallèle à au moins l’une des deux faces d’extrémité.
Selon des modes de réalisation particuliers, le système antennaire présente une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prise(s) isolément ou selon toutes les combinaisons techniquement possibles :
- les paramètres sont les paramètres diélectriques et géométriques de chaque alvéole et les paramètres électriques et géométriques de chaque bande.
- la partie du système antennaire est choisie parmi une antenne et un plan réflecteur.
- le système antennaire est choisi parmi une antenne filaire, une antenne patch et une antenne à plan réflecteur. - le système antennaire comprend, en outre, une bande complémentaire de revêtement électriquement conducteur disposée dans au moins une paroi ou sur une surface d’au moins une paroi, la bande complémentaire étant disposée entre l’au moins une bande de revêtement et une face d’extrémité de façon à former un plan de masse et/ou un plan réflecteur pour le système antennaire.
- au moins une bande présente une hauteur définie pour chaque alvéole, ladite hauteur de la bande variant entre 10 micromètres à la hauteur de l’alvéole comportant la paroi dans ou sur laquelle est disposée la bande, ladite hauteur de la bande variant de préférence entre 10 micromètres et 500 micromètres.
- la partie présente des paramètres, les paramètres étant choisis pour que le système antennaire présente un diagramme de rayonnement souhaité.
- le diagramme de rayonnement est tel que chaque alvéole en combinaison avec les autres alvéoles de la pluralité présente un rayonnement de type sectoriel grâce à l’alimentation des éléments antennaires selon une loi en sinus cardinal.
La description décrit également un procédé de fabrication d’un système antennaire comportant au moins une partie qui est une structure alvéolaire de type nid d’abeille s’étendant entre une première face d’extrémité et une deuxième face d’extrémité, la partie de système antennaire présentant des paramètres, les paramètres étant choisis pour que le système antennaire présente une transmittance optique d’au moins 80% pour une onde électromagnétique appartenant au domaine du visible et ayant une incidence sensiblement normale au premier plan, le procédé comprenant, pour chaque plot, les étapes d’impression de bandes de revêtement électriquement conducteur, de dépose d’une couche d’adhésif sur une surface d’au moins une lame en matériau diélectrique, de collage des lames sur les couches d’adhésif, d’assemblage des lames pour former une pluralité d’alvéoles tubulaires, chaque alvéole comportant une pluralité de parois délimitant ladite alvéole, les parois s’étendant d’une première face d’extrémité à une deuxième face d’extrémité de la structure alvéolaire de type nid d’abeille s’étendant entre une première face d’extrémité et une deuxième face d’extrémité, d’expansion des lames assemblées, pour obtenir une structure à figer, et de cuisson de la structure à figer pour obtenir le système antennaire final.
La description se rapporte également à un procédé d’optimisation d’un système antennaire comportant au moins une partie qui est une structure alvéolaire de type nid d’abeille s’étendant entre une première face d’extrémité et une deuxième face d’extrémité, la partie de système antennaire présentant des paramètres, les paramètres étant choisis pour que le système antennaire présente une transmittance optique d’au moins 80% pour une onde électromagnétique appartenant au domaine du visible et ayant une incidence sensiblement normale à un plan parallèle à au moins l’une des deux faces d’extrémité, le procédé comportant une étape de choix de paramètres initiaux pour la partie de système antennaire, et d’optimisation des paramètres de partie de système antennaire selon une technique d’optimisation mise en œuvre par itérations successives sur des jeux de paramètres courants, le premier jeu de paramètres étant l’ensemble des paramètres initiaux et le jeu de paramètres d’une itération étant le jeu de paramètres obtenu à l’itération précédente, la technique d’optimisation étant mise en œuvre sous la contrainte qu’une partie de système antennaire présente une transmittance optique d’au moins 80% pour une onde électromagnétique appartenant au domaine du visible et ayant une incidence sensiblement normale à un plan parallèle à au moins l’une des deux faces d’extrémité.
La description se rapporte également à un produit programme d’ordinateur comportant un support lisible d’informations, sur lequel est mémorisé un programme d’ordinateur comprenant des instructions de programme, le programme d’ordinateur étant chargeable sur une unité de traitement de données et mettant en œuvre un procédé d’optimisation selon la revendication lorsque le programme d’ordinateur est mis en œuvre sur l’unité de traitement des données.
La description concerne aussi un support lisible d’informations comportant des instructions de programme formant un programme d’ordinateur, le programme d’ordinateur étant chargeable sur une unité de traitement de données et mettant en œuvre un procédé d’optimisation tel que précédemment décrit lorsque le programme d’ordinateur est mis en œuvre sur l’unité de traitement de données.
Dans la présente description, l’expression « propre à » signifie indifféremment « adapté pour », « adapté à » ou « configuré pour ».
BREVE DESCRIPTION DES FIGURES
Des caractéristiques et avantages de l’invention apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d’exemple non limitatif, et faite en référence aux dessins annexés, sur lesquels :
- la figure 1 est une représentation schématique tridimensionnelle d’une structure alvéolaire,
- la figure 2 est une représentation schématique en vue de dessus d’une alvéole d’une structure alvéolaire,
- la figure 3 est une représentation schématique en vue tridimensionnelle agrandie d’un élément de paroi d’une alvéole d’une structure alvéolaire, - les figures 4 à 11 sont des figures obtenues dans le cadre d’expériences portant sur des structures absorbantes comportant une structure alvéolaire du type de celles des figures 1 à 3,
- les figures 12 à 17 sont des figures obtenues dans le cadre d’expériences portant sur des lentilles radiofréquences comportant une structure alvéolaire du type de celles des figures 1 à 3, et
- les figures 18 à 26 sont des figures obtenues dans le cadre d’expériences portant sur des systèmes antennaires comportant une structure alvéolaire du type de celles des figures 1 à 3.
DESCRIPTION DETAILLEE DE MODES DE REALISATION PREFERES
L’ensemble des dispositifs interagissant avec des ondes électromagnétiques qui vont être décrits dans ce qui suit ont un point commun : ils sont tous réalisés au moins en partie sur la base de la même structure, dite structure de base.
En effet, le demandeur a constaté qu’une structure de base spécifique est très avantageuse pour des dispositifs interagissant avec des ondes électromagnétiques. Cette structure de base est une structure alvéolaire qui est présentée dans un premier temps.
Dans un second temps, l’intérêt de la structure alvéolaire est montré pour trois dispositifs distincts : une structure absorbante, une partie de système antennaire et une lentille radiofréquence.
STRUCTURE ALVEOLAIRE
Une structure alvéolaire 10 est représentée partiellement sur les figures 1 à 3. La figure 1 est une représentation en trois dimensions, la figure 2 une vue de dessus d’une partie de la structure alvéolaire 10 et la figure 3 une vue tridimensionnelle agrandie d’une autre partie de la structure alvéolaire 10.
La structure alvéolaire 10 est de type nid d’abeille ou nida, les deux termes étant équivalents.
La structure alvéolaire 10 s’étend entre une première face d’extrémité et une deuxième face d’extrémité non représentées sur la figure 1 pour rendre l’intérieur de la structure alvéolaire 10 visible.
Selon l’exemple proposé, les faces d’extrémité sont supposées parallèles mais ce n’est pas obligatoire.
Lorsque la structure alvéolaire 10 est montée comme une âme interposée entre deux peaux, l’ensemble de la structure alvéolaire 10 et des peaux forme une structure composite sandwich. Dans l’exemple proposé, les première et deuxième faces d'extrémité sont destinées à être agencées pour s'étendre dans des plans parallèles aux peaux. Les première et deuxième faces d'extrémité sont par exemple contiguës à la première et à la deuxième peau respectivement.
Par la suite, un plan longitudinal est un plan parallèle aux première et deuxième surfaces d'extrémité et un plan transversal est un plan orthogonal aux première et deuxième surfaces d'extrémité.
Similairement, il est défini une première direction longitudinale notée X dans un plan longitudinal, une deuxième direction longitudinale notée Y et perpendiculaire à la première direction longitudinale X dans le même plan longitudinal et une direction transversale notée Z qui est orthogonale aux deux directions longitudinales X et Y.
Comme visible sur la figure 1 , la structure alvéolaire 10 comprend une pluralité d’alvéoles 12.
Les alvéoles 12 sont contiguës les unes aux autres, en formant un pavage de préférence régulier.
Chaque alvéole 12 s’étend entre la première face d’extrémité et la deuxième face d’extrémité.
Chaque alvéole 12 comprend une pluralité de parois 14 délimitant cette alvéole 12, chaque paroi 14 s'étendant transversalement de la première face d'extrémité à la deuxième face d'extrémité.
Chaque alvéole 12 est tubulaire et peut présenter une section polygonale selon un plan longitudinal.
Ainsi, dans l’exemple proposé, chaque alvéole 12 est tubulaire à section polygonale.
Dans le cas de la figure 1, la section polygonale est constante lorsque l’alvéole 12 est parcourue le long de la direction transversale.
Dans l'exemple illustré, pour simplifier, la section longitudinale de chaque alvéole 12 est un hexagone régulier mais pour les exemples de dispositif, la section longitudinale est un hexagone non régulier.
Cela implique que chaque alvéole 12 est délimitée par six parois 14, certaines parois 14 étant communes avec d’autres alvéoles 12.
En variante, la section d’une alvéole 12 est, par exemple, de géométrie carrée, rectangulaire, circulaire ou elliptique.
Les parois 14 sont formées d’un matériau diélectrique. Le matériau diélectrique est, par exemple, une feuille aramide, ou un papier cellulose ou encore un matériau thermoplastique tel que du polyéthylène, du polypropylène, du polyimide, du polycarbonate ou du polytéréphtalate d’éthylène.
Comme visible dans la vue agrandie de la figure 3, au moins une alvéole 12 comporte au moins une bande 16 de revêtement électriquement conducteur disposée dans au moins une paroi 14 ou sur une surface d’au moins une paroi 14.
La bande 16 de revêtement électriquement conducteur est, par exemple, en un matériau métallique ou un matériau organique conducteur.
Un matériau organique est un matériau comprenant au moins une liaison faisant partie du groupe constitué par les liaisons covalentes entre un atome de carbone et un atome d’hydrogène, les liaisons covalentes entre un atome de carbone et un atome d’azote, ou encore des liaisons entre un atome de carbone et un atome d’oxygène. La polyaniline ou le poly(3,4-éthylènedioxythiophène) : polystyrène sulfonate) (aussi noté PEDOT/PSS) sont deux exemples particuliers de matériaux organiques conducteurs.
En particulier, des encres conductrices à faible résistivité chargées par des particules sont envisageables.
Des particules de taille micrométrique (chaque dimension inférieure à 1 mm) et nanométriques (chaque dimension inférieure à 1 pm) sont des exemples de telles particules.
Lesdites particules sont, par exemple, de l’argent, du cuivre, de l’or, de l’aluminium, du noir de carbone, du graphène, des nanotubes de carbone ou bien un mélange des éléments précédents.
Autrement formulé, les faces internes et/ou externes des alvéoles 12 sont rendues radioélectriquement fonctionnelles, en particulier conductrices par dépôt d’un revêtement électriquement conducteur.
Selon les cas, la bande 16 peut s’étendre sur tout ou partie de la paroi 14.
De telles bandes 16 peuvent être obtenues par des procédés de fabrication soustractive (gravure chimique notamment) ou additive. La sérigraphie est privilégiée sans pour autant être exclusive.
Dans chacun des cas, la réalisation de la bande 16 reste aisée comme le prouve la description qui suit d’un exemple de procédé de fabrication d’une structure alvéolaire 10 utilisant une technique de sérigraphie.
Le procédé de fabrication comporte d’abord une étape d’impression de bandes 16 de revêtement électriquement conducteur.
Le dépôt par sérigraphie se fait via un masque précis dont l’image est gravée à l’aide d’un capillaire photosensible insolé sur une toile. L’ensemble toile insolée et cadre forme l’écran de sérigraphie. La nature du capillaire et de la toile vont permettre de maîtriser l’épaisseur des dépôts et leurs géométries.
Il est à noter que, pour des motifs complexes, plusieurs masques peuvent être utilisés.
Le dépôt comporte aussi une opération de tirage durant laquelle une racle mise en pression sur la toile est déplacée selon une translation horizontale. L’encre est alors transférée du dessus de l’écran sur le support au travers des pores débouchés de l’écran.
Une couche d’adhésif est ensuite déposée sur une surface d’au moins une lame en matériau diélectrique.
Il est à noter que l’adhésif est selon les cas, rapporté sous forme de double face, un adhésif transfert ou un adhésif imprimé.
La nature de l’adhésif est choisie en fonction de la structure alvéolaire 10 à réaliser.
Puis, le procédé comporte une étape de collage des lames en matériau diélectrique comportant les bandes 16 imprimées.
Alternativement, d’autres méthodes telles que la soudure par ultrasons sont envisageables à la place de l’emploi d’une couche adhésive.
Les lames sont ensuite assemblées pour former la pluralité d’alvéoles 12 tubulaires à section polygonale.
Plus précisément, il est obtenu un empilement de feuilles.
Le procédé comporte également une étape d’expansion des lames assemblées, pour obtenir une structure à figer. Cette étape d’expansion peut avoir lieu à atmosphère contrôlée.
En particulier, la température, l’humidité, la force d’étirement ou la vitesse d’étirement peuvent être contrôlées.
La structure à figer est ensuite cuite lors d’une étape de cuisson pour obtenir la structure alvéolaire 10 finale.
Eventuellement, pour améliorer certaines propriétés de la structure alvéolaire 10 (mécanique ou thermique), un trempage (notamment dans un bain de résine), un dépôt chimique sous vide ou un dépôt physique sous vide sont mis en œuvre.
Cela permet d’obtenir une structure alvéolaire 10 adaptée pour être intégrée entre deux peaux pour former une structure composite sandwich.
Le comportement du point de vue électromagnétique d’une telle structure est contrôlable par un choix adapté des paramètres de la structure alvéolaire 10, paramètres qui sont multiples comme le montrent les exemples qui suivent. Un premier exemple de paramètre pour la structure alvéolaire 10 est un paramètre de géométrie de chaque alvéole 12.
Selon la figure 2, plusieurs paramètres peuvent être envisagés pour la géométrie d’une alvéole 12.
Par exemple, on peut caractériser la géométrie par le diamètre
Figure imgf000014_0001
du cercle inscriptible le plus grand dans la surface interne de l’alvéole 12.
Une autre manière de caractériser la géométrie est de fournir la dimension d’une paroi 14 dans une direction longitudinale. Cette dimension sera appelée « largeur » dans ce qui suit.
Encore une autre manière est de fournir des angles comme l’angle formé par une paroi 14 et une des directions longitudinales, par exemple l’angle 0 correspondant à l’angle entre la paroi 14 et la direction longitudinale Y.
Dans le cas d’un hexagone non régulier, il pourra être fourni deux angles successifs entre deux côtés, le premier angle est appelé a et le deuxième angle est appelé p. Ces angles sont indiqués sur la figure 2 à titre indicatif.
Alternativement ou en complément, l’épaisseur d’une paroi t ou t’ (dimension dans la direction perpendiculaire à celle de la largeur) est un autre exemple de paramètre permettant de caractériser la géométrie d’une alvéole 12.
Similairement, la dimension le long de la direction transversale Z est un autre paramètre indépendant des autres paramètres précédents. Cette dimension sera appelée « hauteur » dans ce qui suit.
Un deuxième exemple de paramètre est un paramètre électrique d’une bande 16.
Typiquement, une valeur de conductivité, une valeur de résistivité électrique ou encore une valeur de résistance par carré de la bande 16 est un exemple particulier de paramètre électrique.
Des paramètres similaires à ceux qui viennent d’être évoqués pour une paroi 14 peuvent être envisagés comme paramètre géométrique d’une bande 16.
La disposition relative des bandes 16 par rapport aux parois 14 est un autre paramètre susceptible d’influencer le comportement de la structure alvéolaire 10.
En effet, comme indiqué précédemment, la bande 16 n’est pas nécessairement imprimée sur toute la hauteur de l’alvéole 12.
Un quatrième exemple de paramètre est relatif aux matériaux employés, notamment pour réaliser les parois 14.
Autrement formulé, il est possible par le biais de la détermination de ces paramètres d’obtenir des propriétés d’émission, de transmission ou d’absorption électromagnétique souhaitées pour la structure alvéolaire 10. Pour cela, il suffira de mettre en œuvre un procédé d’optimisation comportant d’abord une étape de choix de paramètres initiaux pour la structure alvéolaire 10. Cette étape de choix peut être réalisée par un choix aléatoire mais préférentiellement, il sera choisi des paramètres moyens par rapport à l’excursion possible des différents paramètres.
Le procédé d’optimisation comporte ensuite une étape d’optimisation durant laquelle les paramètres de la structure alvéolaire 10 sont optimisés selon une technique d’optimisation mise en œuvre par itérations successives sur des jeux de paramètres courants, le premier jeu de paramètres étant l’ensemble des paramètres initiaux et le jeu de paramètres d’une itération étant le jeu de paramètres obtenu à l’itération précédente, la technique d’optimisation étant mise en œuvre sous la contrainte que la structure alvéolaire 10 ou le dispositif comportant la structure alvéolaire 10 présente les propriétés d’émission électromagnétique, de transmission électromagnétique ou d’absorption électromagnétique souhaitées.
Un tel procédé est un procédé mis en œuvre par ordinateur.
A titre d’exemple particulier, cela signifie que l’interaction d’un produit programme d’ordinateur avec un ordinateur permet de mettre en œuvre le procédé d’optimisation.
Plus généralement, l’ordinateur est un calculateur électronique propre à manipuler et/ou transformer des données représentées comme des quantités électroniques ou physiques dans des registres du calculateur et/ou des mémoires en d’autres données similaires correspondant à des données physiques dans des mémoires, des registres ou d’autres types de dispositifs d’affichage, de transmission ou de mémorisation.
L’ordinateur comporte un processeur comprenant une unité de traitement de données, des mémoires et un lecteur de support d’informations. Le calculateur comprend également un clavier et une unité d’affichage.
Le produit programme d’ordinateur comporte un support lisible d’informations.
Un support lisible d’informations est un support lisible par le calculateur, usuellement par le lecteur. Le support lisible d’informations est un médium adapté à mémoriser des instructions électroniques et capable d’être couplé à un bus d’un système informatique.
A titre d’exemple, le support lisible d’informations est une disquette ou disque souple (de la dénomination anglaise de « floppy disk »), un disque optique, un CD-ROM, un disque magnéto-optique, une mémoire ROM, une mémoire RAM, une mémoire EPROM, une mémoire EEPROM, une carte magnétique ou une carte optique.
Sur le support lisible d’informations est mémorisé un programme d’ordinateur comprenant des instructions de programme. Le programme d’ordinateur est chargeable sur l’unité de traitement de données et est adapté pour entraîner la mise en œuvre du procédé d’optimisation.
Ainsi, via l’utilisation du procédé d’optimisation, il est possible de contrôler les propriétés électromagnétiques d’une structure alvéolaire 10.
Cela rend possible son utilisation pour plusieurs applications qui sont maintenant présentées de manière successive.
UTILISATION DE LA STRUCTURE ALVEOLAIRE POUR REALISER UNE STRUCTURE ABSORBANTE
Une première utilisation astucieuse de la structure alvéolaire 10 qui vient d’être présentée est son emploi pour réaliser une structure absorbante 20 pour les ondes électromagnétiques et plus spécifiquement les ondes radiofréquences.
La structure absorbante 20 est alors formée par la structure alvéolaire 10 utilisée alors pour ses propriétés d’absorption.
Pour montrer qu’il est possible d’obtenir une structure absorbante 20 efficace, plusieurs exemples spécifiques sont maintenant décrits en référence aux figures 5 à 11 .
EXEMPLE 1
Dans le cas de l’exemple 1, une seule bande 16 de revêtement électriquement conducteur recouvre l’intégralité des parois 14.
La bande 16 de revêtement présente une résistance par carré de 900 Ohm par carré (Q/sq).
En outre, la hauteur de chaque alvéole 12 est de 11 millimètres (mm).
Concernant les autres paramètres, l’espace interalvéole (distance entre deux alvéoles 12 contigües d’une même ligne) est de 10 mm, l’angle a d’une alvéole 12 de 70°, l’angle p d’une alvéole 12 de 145°, la longueur d’une face d’extrémité sur laquelle repose la structure alvéolaire 10 est de 72,54 mm et la largeur de ladite face d’extrémité est de 23,44 mm.
Les performances de la structure absorbante 20 apparaissent sur la figure 4 qui est un graphe présentant l’évolution de l’atténuation en réflectivité apportée par la structure absorbante 20 en fonction de la fréquence.
La structure absorbante 20 présente une atténuation de 10 dB sur une large bande fréquentielle (de l’ordre de 16 GHz, traits mixtes) avec des niveaux d’atténuation nettement supérieurs à ceux connus dans l’état de la technique (trait plein). EXEMPLE 2
Le deuxième exemple correspond à la structure représentée sur la figure 5.
Dans un tel exemple, chaque alvéole 12 comporte trois bandes 16 de revêtement distinctes présentant une résistance par carré distincte mais de même épaisseur.
De plus, la variation de la résistance par carré des bandes 16 est strictement monotone lorsque la paroi 14 de l’alvéole 12 est parcourue dans la direction transversale.
En ce sens, un tel exemple correspond au dépôt de revêtements électriquement conducteurs à gradient.
Selon l’exemple proposé, l’intervalle de résistance par carré entre deux bandes 16 contigües est le même et égal à 100 Q/sq.
Plus précisément, depuis la bande 16 la plus éloignée de la face extérieure sur laquelle repose la structure alvéolaire 10, la première bande 16 présente une résistance par carré de 300 Q/sq, la deuxième bande 16 présente une résistance par carré de 400 Q/sq et la troisième bande 16 présente une résistance par carré de 500 Q/sq.
Chaque bande 16 présente aussi une même hauteur de 3,3 mm.
Il est également à noter que l’espace 18 entre deux bandes 16 contigües est identique et est égal à 500 micromètres (pm).
Concernant les autres paramètres, la hauteur de chaque alvéole 12 est de 10,9 mm, l’espace interalvéole est de 10 mm, l’angle a d’une alvéole 12 est de 70°, l’angle p d’une alvéole 12 est de 145°, la longueur de la face d’extrémité est de 72,54 mm et la largeur de la face d’extrémité est de 23,44 mm.
Les deux graphes de la figure 6 présentent l’évolution de l’absorption de la structure selon l’exemple 2 en incidence normale (graphe du haut) et en incidence oblique (graphe du bas). Dans le cas de l’incidence oblique, trois courbes sont représentées : une première courbe en traits pleins correspondant à l’incidence normale (0°), une deuxième courbe en traits pointillés correspondant à une incidence de ±20° et une troisième courbe en traits mixtes correspondant à une incidence de ±40°.
Il est à noter que, dans tous les cas, la structure absorbante 20 présente une atténuation de 10 dB sur une très large bande fréquentielle (de l’ordre de 25 GHz) comparativement à celle de l’exemple 1. Cette largeur de bande fréquentielle est obtenue par l’augmentation de l’atténuation de la structure absorbante 20 aux basses fréquences liée à la présence du gradient de résistance par carré.
Par ailleurs, les performances de la structure absorbante 20 s’améliorent avec l’incidence et la diminution de la fréquence.
EXEMPLE 3 La structure absorbante 20 selon le troisième exemple présente les mêmes caractéristiques que celle du deuxième exemple qui ne sont pas répétées, de sorte que seules les différences avec la structure absorbante 20 du deuxième exemple sont maintenant décrites.
Une quatrième bande 16 additionnelle est ajoutée en plus des trois bandes 16. Cette quatrième bande 16 présente une résistance par carré de 200 Q/sq et est placée au-dessus de la première bande 16.
Par ailleurs, les hauteurs des bandes 16 et la hauteur de l’alvéole 12 sont différentes par rapport au deuxième exemple.
Plus précisément, la hauteur des première, deuxième et quatrième bandes 16 est de 4,9 mm et la hauteur de la troisième bande 16 est de 3,9 mm.
Il en résulte que la hauteur de l’alvéole 12 est de 20,1 mm. La longueur de la face d’extrémité est de 72,54 mm et la largeur de la face d’extrémité est de 23,34 mm.
Les deux graphes de la figure 7 présentent l’évolution de l’absorption de la structure selon l’exemple 3 en incidence normale (graphe du haut) et en incidence oblique (graphe du bas).
L’analyse des graphes de cette figure 7 montre que le niveau de performances de la structure absorbante 20 est très sensiblement accru par rapport à celui des structures alvéolaires du premier exemple et du deuxième exemple puisque, en incidence normale, un niveau d’atténuation de 20 dB sur une plage de fréquences allant de 3,9 GHz à 22,24 GHz est obtenu. Plus précisément, un gain de 10 dB du niveau optimal est obtenu par rapport à la structure absorbante 20 du premier exemple et du deuxième exemple.
Il est observé un élargissement important de la bande fréquentielle d’atténuation de 10 dB jusqu’à des fréquences très élevées (jusqu’à 38 GHz) et ce, sous incidences normale (traits pointillés) et obliques (±20° (trait plein); ±40° (traits mixtes)). Le niveau d’atténuation de 20 dB reste également très satisfaisant à une incidence de ±20° par rapport à la normale.
EXEMPLE 4
La structure absorbante 20 selon le quatrième exemple présente les mêmes caractéristiques que celle du troisième exemple qui ne sont pas répétées, de sorte que seules les différences avec la structure absorbante 20 du troisième exemple sont maintenant décrites.
Les hauteurs des bandes 16 et la hauteur de l’alvéole 12 sont différentes par rapport au troisième exemple. Plus précisément, la hauteur des bandes 16 est la même pour toute et est égale à 2,4 mm.
Il en résulte que la hauteur de l’alvéole 12 est de 11 ,1 mm.
Les deux graphes de la figure 8 présentent l’évolution de l’absorption de la structure selon l’exemple 4 en incidence normale (graphe du haut) et en incidence oblique (graphe du bas).
L’analyse des graphes de cette figure montre qu’en incidence oblique à ±20° (traits pointillés), le niveau de performance de la structure absorbante 20 du quatrième exemple est amélioré par rapport à celui de la structure absorbante 20 du deuxième exemple, principalement aux basses fréquences (fréquences inférieures à 15 GHz notamment).
EXEMPLE 5
La structure absorbante 20 selon le cinquième exemple présente les mêmes caractéristiques que celle du premier exemple qui ne sont pas répétées, de sorte que seules les différences avec la structure absorbante 20 du premier exemple sont maintenant décrites.
Dans les quatre premiers exemples, la bande 16 est continue sur toute la hauteur de la paroi 14 de l’alvéole 12.
Au contraire, dans les deux exemples qui suivent, la bande 16 présente une largeur qui varie suivant les directions longitudinales.
La figure 9 présente un ensemble de motifs correspondant à une variation de largeurs possibles pour la bande 16 à hauteur constante.
Ces motifs sont au nombre de cinq et sont respectivement dénommés cas A, cas B, cas C, cas D et cas E.
Dans chacun des cas, la variation est une variation en marches d’escalier selon 7 niveaux et de manière constante.
Il peut donc être considéré que la variation correspond à une variation en forme de pyramide, en notant « a » la largeur au sommet de la pyramide et « b » la largeur au pied de la pyramide, chacun des cas A, B et C est caractérisé par des valeurs différentes de largeur au sommet « a », la largeur au pied « b » étant fixé à 8 mm.
Plus précisément, pour le cas A, la largeur au sommet vaut 7,86 mm (ce qui correspond à un rapport a/b de 0,98) ; pour le cas B, la largeur au sommet vaut 6,81 mm (ce qui correspond à un rapport a/b de 0,85) et pour le cas C, la largeur au sommet vaut 2,33 mm (ce qui correspond à un rapport a/b de 0,29).
Les cas D et E correspondent à l’inverse des cas B et C. Pour le cinquième exemple, la largeur de la bande 16 varie selon le motif du cas B avec une résistance par carré du revêtement conducteur égale à 400 Q/sq.
En outre, la hauteur d’une alvéole 12 est de 8,0 mm et l’espace interalvéole 12 est de 8,0 mm. La longueur de la face d’extrémité est de 174,15 mm et la largeur de la face d’extrémité est de 55,38 mm.
Les deux graphes de la figure 10 présentent l’évolution de l’absorption de la structure selon l’exemple 5 en incidence normale (graphe du haut) et en incidence oblique (graphe du bas).
L’étude des graphes de la figure 10 montre que le cinquième exemple est particulièrement adapté pour des incidences de ±40° (traits pointillés) où des performances d’absorption intéressantes sont obtenues, ceci au prix de dégradation du niveau d’absorption pour les incidences plus faibles (0° (trait plein) et ±20° (traits mixtes).
EXEMPLE 6
La structure absorbante 20 selon le sixième exemple présente les mêmes caractéristiques que celle du troisième exemple qui ne sont pas répétées, de sorte que seules les différences avec la structure absorbante 20 du troisième exemple sont maintenant décrites.
Les hauteurs des bandes 16 et la hauteur de l’alvéole 12 sont différentes par rapport au troisième exemple.
Plus précisément, la hauteur des bandes 16 est la même pour toute et est égale à
4.4 mm.
Il en résulte que la hauteur de l’alvéole 12 est de 17,6 mm.
De plus, la largeur de la bande 16 varie selon la bande 16 considérée, la quatrième bande 16 présente une largeur de 10 mm, la première bande 16 une largeur de
7.4 mm, la deuxième bande 16 une largeur de 8,4 mm et la troisième bande 16 une largeur de 9,4 mm.
Depuis la bande 16 la plus éloignée de la face extérieure sur laquelle repose la structure alvéolaire 10, la quatrième bande 16 présente une résistance par carré de 500 Q/sq, la première bande 16 présente une résistance par carré de 260 Q/sq, la deuxième bande 16 présente une résistance par carré de 340 Q/sq et la troisième bande 16 présente une résistance par carré de 420 Q/sq.
Concernant les autres paramètres, l’espace interalvéole est de 10 mm, l’angle a d’une alvéole 12 est de 70°, l’angle p d’une alvéole 12 est de 145°, la longueur de la face d’extrémité est de 72,5 mm et la largeur de la face d’extrémité est de 23,3 mm. Les deux graphes de la figure 11 présentent l’évolution de l’absorption de la structure selon l’exemple 6 en incidence normale (graphe du haut) et en incidence oblique (graphe du bas).
L’analyse des graphes de cette figure montre qu’aussi bien en incidence normale (trait plain, graphe du bas) qu’en incidence oblique (±20° (traits pointillés) et ±40° (traits mixtes)), une atténuation de 20 dB est obtenue pour une bande de fréquence d’une étendue de 23 GHz (de 2 GHz à 25 GHz).
Cela signifie que le sixième exemple correspond à un exemple de structure absorbante 20 optimisée, l’optimisation prenant en compte le fait que les observations suivantes ont été faites par la comparaison avec les exemples précédents :
• le gradient contrôlé de résistance par carré participe à améliorer sensiblement les performances d’absorption aux basses fréquences,
• l’augmentation de la hauteur des bandes 16 permet d’augmenter sensiblement le niveau d’absorption de 5 à 10 dB en relatif aux faibles incidences,
• l’augmentation de la hauteur des bandes 16 permet d’étendre la bande de fréquence au sein de laquelle une atténuation d’un niveau de 10 dB est obtenue pour une incidence normale jusqu’à des fréquences de l’ordre de 40 GHz, et
• l’introduction d’un motif pour la variation de la largeur des bandes 16 permet d’améliorer les performances à incidence élevée (±20°; ±40°) jusqu’à des fréquences de l’ordre de 40 GHz.
De telles structures alvéolaires permettent d’obtenir une bonne performance d’absorption (plus de 20 dB) suivant différentes incidences (jusqu’à ±40°).
Cette bonne performance d’absorption est, en outre, maintenue sur une bande de fréquence large d’au moins 20 GHz.
Pour être complet, il peut être noté que ces performances seront conservées dans la structure sandwich composite complète en sélectionnant des matériaux absorbants ou transparents aux ondes électromagnétiques pour chacune des peaux.
Il apparaît ainsi qu’il est possible d’obtenir l’absorption désirée pour la structure alvéolaire 10.
Cela signifie que l’emploi de la structure de base offre la liberté de permettre l’obtention de l’absorption souhaitée pour la structure absorbante 20 par une adaptation des paramètres de chaque ensemble alvéolaire. Plus précisément, les paramètres de la structure alvéolaire 10 sont choisis pour que la structure absorbante 20 procure une atténuation d’au moins 10 dB pour chaque onde incidente d’une gamme de fréquences présentant une étendue en fréquence supérieure ou égale à 15 GHz.
De préférence, selon les cas, l’étendue en fréquence est supérieure ou égale à 20 GHz, et encore mieux si possible supérieure ou égale à 25 GHz.
En complément ou alternativement, l’atténuation est d’au moins 15 dB, voire 20 dB.
De plus, dans certains exemples, la gamme de fréquences sur laquelle l’atténuation a lieu commence à partir de la fréquence de 10 MHz.
En outre, ces structures alvéolaires participent à la robustesse mécanique de structures composites sandwichs.
La masse associée à ces structures alvéolaires est également faible.
Cela permet de garantir une bonne durabilité de la performance d’absorption de ces structures alvéolaires.
Ainsi, la structure absorbante 20 proposée permet d’obtenir des performances d’atténuation très élevées et durables en termes de niveau d’atténuation, de largeur de bande de fréquences et de stabilité en incidences obliques.
De plus, comme la structure alvéolaire 10 est évidée en son cœur, un gain en masse est obtenu par rapport à d’autres structures absorbantes de l’état de la technique.
Ce gain en masse peut être obtenu sans complexification importante de la fabrication de la structure absorbante 20.
Le procédé de fabrication d’une structure alvéolaire 10 présenté précédemment est en effet applicable ici pour obtenir la structure absorbante 20.
En outre, la structure absorbante 20 est aisément intégrable dans une paroi 14.
Une telle structure absorbante 20 est avantageuse pour de nombreuses applications impliquant de la discrétion électromagnétique et/ou des problèmes de compatibilité électromagnétique entre systèmes radiofréquences.
UTILISATION DE LA STRUCTURE ALVEOLAIRE POUR REALISER UNE LENTILLE RADIOFREQUENCE
Une lentille radiofréquence 30 utilisant la même structure alvéolaire 10 de base est maintenant décrite en référence aux figures 12 à 14.
Une lentille radiofréquence 30 est un dispositif propre à faire converger ou diverger des faisceaux d’ondes électromagnétiques incidentes. Dans le cas de la convergence, le terme de « lentille de focalisation » ou de « dispositif de focalisation » peut être employé.
La lentille radiofréquence 30 comprend une pluralité de plots 32 conducteurs.
Un plot 32 peut être vu comme un obstacle généralement de forme cylindrique au sens large (incluant toute forme de base pour le cylindre).
Les dimensions des plots 32 et leurs distances mutuelles sont usuellement faibles devant la bande à laquelle la lentille radiofréquence 30 fonctionne.
La distance entre ces plots 32 et leur hauteur constituent un milieu équivalent à indice variable. De ce fait, les plots 32 permettent de reproduire le même effet de propagation que dans un milieu à diélectrique classique dans lequel l’indice de réfraction varie de 2 jusqu’à la limite inférieure à l’unité, en partant du périphérique jusqu’au centre de la lentille radiofréquence 30.
Un plot 32 est donc une partie de la lentille radiofréquence 30 qui en comporte plusieurs pour obtenir un tel effet.
En outre, le matériau des plots 32 est différent de celui formant le milieu entourant les plots 32.
Chaque plot 32 est un ensemble alvéolaire ayant ladite structure alvéolaire 10.
Ainsi, chaque ensemble alvéolaire comporte au moins une alvéole 12 tubulaire à section polygonale selon un plan parallèle à au moins l’une des faces d’extrémité, dit premier plan, chaque alvéole 12 comportant une pluralité de parois 14 délimitant ladite alvéole 12, les parois 14 s’étendant d’une première face d’extrémité à une deuxième face d’extrémité, les parois 14 étant formées d’un matériau diélectrique, au moins une alvéole 12 comportant au moins une bande 16 de revêtement électriquement conducteur disposée sur au moins une paroi 14.
Comme expliqué précédemment, chaque ensemble alvéolaire présente des paramètres. A titre d’exemple, les paramètres de chaque ensemble alvéolaire sont les paramètres géométriques et diélectriques de chaque alvéole 12 et les paramètres électriques, diélectriques et géométriques de chaque bande 16.
Il est défini un centre O pour la lentille radiofréquence 30.
Selon l’exemple proposé, les plots 32 sont répartis en plusieurs zones Z1, Z2, Z3, Z4, Z5, Z6, les paramètres des ensembles alvéolaires d’une même zone Z1, Z2, Z3, Z4, Z5, Z6 étant identiques.
En l’espèce, chaque plot 32 d’une même zone Z1, Z2, Z3, Z4, Z5, Z6 présente une même hauteur. Comme visible sur la figure 14, les zones Z1 , Z2, Z3, Z4, Z5, Z6 sont concentriques, le centre des zones Z1 , Z2, Z3, Z4, Z5, Z6 étant le centre O de la lentille radiofréquence 30.
La première zone Z1 est un disque et les autres zones Z2, Z3, Z4, Z5, Z6 sont des anneaux entourant la zone précédente.
Dans l’exemple décrit, la lentille comporte cinq zones Z2, Z3, Z4, Z5, Z6 annulaires de sorte que le nombre total de zone Z1 , Z2, Z3, Z4, Z5, Z6 est de 6.
Il en résulte également que la surface de la lentille radiofréquence 30 est un disque présentant un rayon R.
Dans l’exemple décrit, le rayon est égal à 250 mm.
Chaque zone Z1 , Z2, Z3, Z4, Z5, Z6 peut être repérée par sa position géographique par rapport au centre de la lentille radiofréquence 30.
Plus précisément, un plot 32 de la première zone Z1 est situé à une distance x comprise entre 0 et 0,4xR du centre de la lentille radiofréquence 30 ; un plot 32 de la deuxième zone Z2 est situé à une distance x comprise entre 0,4xR et 0,54xR du centre de la lentille radiofréquence 30 ; un plot 32 de la troisième zone Z3 est situé à une distance x comprise entre 0,54xR et 0,68xR du centre de la lentille radiofréquence 30 ; un plot 32 de la quatrième zone Z4 est situé à une distance x comprise entre 0,68xR et 0,78xR du centre de la lentille radiofréquence 30 ; un plot 32 de la cinquième zone Z5 est situé à une distance x comprise entre 0,78xR et 0,88xR du centre de la lentille radiofréquence 30 et un plot 32 de la sixième zone Z6 est situé à une distance x comprise entre 0,88xR et 1 ,0xR du centre de la lentille radiofréquence 30.
Comme indiqué précédemment, la hauteur des plots 32 varie d’une zone Z1, Z2, Z3, Z4, Z5, Z6 à l’autre. Plus spécifiquement, dans la première zone Z1 , les plots 32 présentent une hauteur de 4,86 mm ; une hauteur de 4,57 mm dans la deuxième zone Z2 ; une hauteur de 4,24 mm dans la troisième zone Z3 ; une hauteur de 3,85 mm dans la quatrième zone Z4 ; une hauteur de 3,25 mm dans la cinquième zone Z5 et une hauteur de 1 mm dans la sixième zone Z6.
En outre, comme visible sur la figure 12, les plots 32 sont agencés de manière équirépartie sur la surface de la lentille radiofréquence 30.
Une telle configuration des plots 32 permet d’obtenir un milieu équivalent à indice de réfraction variable, c’est-à-dire d’obtenir une variation spatiale d’indice de réfraction effectif.
Dans un tel cas, de préférence, le milieu entourant les plots 32 n’est pas réalisé en utilisant un ensemble alvéolaire. Ainsi, dans la première zone Z1 , l’indice de réfraction effectif est de 1,4 ; dans la deuxième zone Z2, l’indice de réfraction effectif est de 1,33 ; dans la troisième zone Z3, l’indice de réfraction effectif est de 1 ,27 ; dans la quatrième zone Z4, l’indice de réfraction effectif est de 1 ,2 ; dans la cinquième zone Z5, l’indice de réfraction effectif est de 1 ,14 et dans la sixième zone Z6, l’indice de réfraction effectif est de 1,02.
Cela permet que la lentille radiofréquence 30 réalise un gradient d’indice effectif correspondant à une variation spatiale de l’indice de réfraction de 1,4 jusqu’à 1, la variation suivant la loi mathématique 2 - %2 où x est représentatif de la position de la zone Z1 , Z2, Z3, Z4, Z5, Z6 considérée.
Au moins une source est intégrée au nid d’abeille au point focal de la lentille (voir figure 12).
Les performances obtenues par une telle lentille radiofréquence 30 sont présentées sur les figures 15 et 16.
La figure 15 présente l’évolution de l’adaptation de la lentille en fonction de la fréquence lorsque la source est au point focal de la lentille (courbe en trait plein) et pour un déplacement de la source de quelques millimètres par rapport au point focal de la lentille (courbe en traits pointillés).
Cette figure montre que la lentille radiofréquence 30 présente un bon fonctionnement entre 8 GHz et 12 GHz même si la source est un peu décalée.
Au contraire de la figure 15 obtenue par simulation électromagnétique, la figure 16 a été obtenue avec un prototype pour lequel le rayon de la lentille radiofréquence 30 était de 50 mm au lieu de 250 mm pour la simulation de la figure 15.
La figure 16 comporte trois graphes.
Le graphe en haut à gauche est un diagramme de rayonnement représentant révolution de l’amplitude du champ électromagnétique dans le plan H en fonction de l’angle azimutal. La fréquence est fixée à 9,4 GHz.
Le graphe en haut à droite est un diagramme de rayonnement représentant l’évolution de l’amplitude du champ électromagnétique dans le plan E en fonction de l’angle d’élévation. La fréquence est fixée à 9,4 GHz.
Le graphe du bas représente l’évolution du gain en fonction de la fréquence (courbe en trait plein) ainsi que l’évolution de l’efficacité en fonction de la fréquence (courbe en pointillés).
Par définition, le gain G est le rapport entre la densité de puissance rayonnée dans une direction et la densité de puissance qui serait rayonnée par une antenne à rayonnement isotrope dans cette même direction. Une antenne isotrope est une antenne idéale constituée d’une source ponctuelle qui rayonne la même puissance dans toutes les directions de l’espace (gain égal à 1).
La directivité D représente le rapport entre la puissance rayonnée dans une direction donnée et la puissance moyenne rayonnée par l’antenne. La différence entre la directivité et le gain prend en compte les pertes de l’antenne. Dans le cas d’une antenne sans perte, la directivité sera donc égale au gain. La relation entre le gain G et la directivité D, s’écrit alors en fonction du rendement (ou efficacité) i de l’antenne, selon G = 7D.
La figure 17 présente d’autres résultats obtenus par simulation pour une lentille d’un rayon de 250 mm.
La figure 17 comporte un graphe en haut présentant la variation du gain dans le plan H à 9,4 GHz après traversée de la lentille en fonction de l’angle azimutal. Le décalage de la source de quelques millimètres (courbe en traits tirés) par rapport au point focal de la lentille (courbe en trait plein) n’a pas d’influence sur la focalisation du gain. Le graphe du bas présente la variation du gain en champ lointain après traversée de la lentille mais cette fois-ci en fonction de la fréquence.
L’étude des figures 16 et 17 montre que les performances de la lentille radiofréquence 30 sont satisfaisantes.
Une telle lentille réalise donc la fonction souhaitée.
Cela signifie que l’emploi de la structure de base offre la liberté de permettre l’obtention d’une fonction souhaitée par une adaptation des paramètres de chaque ensemble alvéolaire.
De préférence, comme c’est le cas dans l’exemple décrit, les paramètres de chaque ensemble alvéolaire sont choisis pour que la lentille présente une variation spatiale d’indice de réfraction effectif prédéfinie, notamment un gradient depuis le centre de la lentille.
En variante ou en complément, les paramètres de chaque ensemble alvéolaire sont choisis pour que la lentille présente un gain supérieur à 5 dBi sur une plage allant de 8 GHz à 12 GHz.
Par rapport à un plot métallique, le plot 32 conducteur formé d’un ensemble alvéolaire est évidé en son cœur, ce qui implique un gain en masse.
Ce gain en masse peut être obtenu sans complexification importante de la fabrication de la lentille radiofréquence 30.
Le procédé de fabrication d’une structure alvéolaire 10 présenté précédemment est en effet applicable pour chacun des plots 32. En outre, la lentille radiofréquence 30 est aisément intégrable dans un élément de paroi en matériaux composites.
Cette intégration peut être, en outre, améliorée en imprimant les sources d'excitation de la lentille radiofréquence 30. Cela permet notamment de simplifier la mécanique associée à son alimentation radiofréquence.
Une telle lentille radiofréquence 30 est notamment avantageuse dans le domaine des télécommunications et de la détection.
UTILISATION DE LA STRUCTURE ALVEOLAIRE POUR REALISER UNE PARTIE DE SYSTEME ANTENNAIRE
Dans la partie précédente, il a été présenté comment adapter les paramètres de la structure de base pour réaliser une fonction de focalisation.
La réalisation d’autres fonctions radiofréquences est maintenant présentée.
Pour cela, il est décrit une pluralité de systèmes antennaires, chaque système antennaire 40 comportant au moins une partie qui est une structure alvéolaire 10 comme précédemment proposé.
Dans chaque cas, la pluralité de parois 14 est optiquement transparente.
Cela signifie que chaque paroi 14 présente une transmittance optique supérieure à 80% à au moins une longueur d’onde appartenant au domaine du visible.
La transmittance optique est définie par le rapport des intensités lumineuses avant et après la traversée de la paroi 14 et le domaine du visible est défini comme rassemblant l’ensemble des longueurs d’onde comprise entre 400 nanomètres (nm) et 800 nm.
A titre d’exemple, les parois 14 sont réalisées en un polymère réalisé à base de polytéréphtalate d'éthylène (PET) présentant de telles propriétés de transparence optique.
EXEMPLE 1
Un premier exemple de système antennaire 40 est présenté en référence aux figures 18 et 19.
Il s’agit d’un réseau d'antenne grille optiquement transparente à rayonnement directif.
Chaque alvéole 12 est alors une structure rayonnante grâce à l’adjonction d’au moins une bande 16 de revêtement électriquement conducteur.
La figure 18 illustre un motif particulièrement adaptée pour ce cas de figure. Il s’agit d’une paroi 14 présentant un évidement central 42, une bande 16 conductrice entourant la paroi 14 de manière à ce que dans l’évidement central 42 deux portions 44 de bande 16 conductrice soient en face l’une de l’autre.
En outre, une structure alvéolaire 10 présentant uniquement trois lignes 46 d’alvéoles 12 comme visible sur la figure 19 est particulièrement adaptée.
Dans un tel cas, la loi de commande appliquée au système antennaire 40 est une alimentation en phase de chaque structure rayonnante.
Les performances de ce premier exemple de système antennaire 40 sont présentées sur la figure 20.
La figure 20 comporte trois graphes.
Le graphe en haut à gauche de la figure 20 est un diagramme de rayonnement représentant l’évolution de l’amplitude du champ électromagnétique dans le plan E (plan orthogonal à la surface de l’antenne et comprenant sa longueur principale) en fonction de son angle d’élévation. La fréquence de travail est fixée à 9,3 GHz.
Le graphe en haut à droite de la figure 20 est un diagramme de rayonnement représentant l’évolution de l’amplitude du champ électromagnétique dans le plan H (plan orthogonal à la surface de l’antenne et comprenant sa largeur principale) en fonction de l’angle d’élévation. La fréquence est fixée à 9,3 GHz.
Le graphe du bas de la figure 20 représente l’adaptation du système antennaire 40 en fonction de la fréquence. Son adaptation est optimale à 9,3 GHz.
Ces différentes figures montrent que l’antenne est directive dans le plan E.
EXEMPLE 2
Le deuxième exemple correspond à un réseau d'antenne grille à rayonnement sectoriel.
Un tel réseau est physiquement identique au réseau présenté sur les figures 18 et 19.
Seule la manière de le contrôler diffère, une loi en amplitude et en phase en sinus cardinal étant imposée.
Les performances de ce deuxième exemple de système antennaire 40 sont présentées sur les figures 21 à 23 d’une part et la figure 24 d’autre part.
La figure 21 comporte trois graphes.
Le graphe en haut de la figure 21 est un diagramme donnant schématiquement la position des éléments antennaires au sein du nid d’abeille suivant la direction longitudinale, le graphe du milieu donne la distribution de courant appliquée sur ces éléments antennaires et le graphe en bas donne la directivité (normalisée) résultant d’une telle alimentation.
La directivité est satisfaisante parce que, comme le montrent les figures 22 et 23, une loi de commande en sinus cardinal à la fois en phase et en amplitude alimente les différents éléments antennaires.
Plus précisément, la figure 23 présente la distribution de courant le long des alvéoles 12 de la ligne centrale repérée sur la figure 22 de la notation A’ à la notation R’ (graphe du haut dans cette figure 23) et pour une ligne située en extrémité repérée sur la figure 22 par de la notation A à la notation R (graphe du bas dans cette figure 23).
La figure 24 représente l’évolution du gain en fonction de l’angle d’élévation. L’évolution du gain est présentée pour deux plans : le plan E (courbe en traits épais sur la figure 24) et le plan H (courbe en traits fins sur la figure 24). Dans cet exemple, la fréquence de travail est fixée à 9,3 GHz.
Cette figure 24 montre l’avantage d’utiliser la structure alvéolaire 10 dans ce cas. En effet, il est ainsi obtenu d’une antenne sectorielle sans recours à des équipements supplémentaires comme des déphaseurs ou des atténuateurs pour appliquer la commande, ce qui simplifie le montage.
EXEMPLE 3
Le troisième exemple correspond à une antenne grille de type patch ou fente.
Le système antennaire 40 vu de côté est représenté schématiquement sur la figure 25.
Sur cette figure 25, le système antennaire 40 comprend la structure alvéolaire 10 positionnée sur un plan réflecteur 50, lui-même en contact avec une sonde coaxiale 52 qui alimente l’antenne grille de type patch.
Selon l’exemple décrit, le plan réflecteur 50 est la peau en carbone de la structure sandwich composite associée au système antennaire 40.
En variante, le plan réflecteur 50 est réalisé similairement à l’élément rayonnant positionné dans la partie supérieure de la structure alvéolaire 10 sauf que les rubans de revêtement conducteur sont disposés à la base de chacune des alvéoles constitutives de la structure alvéolaire 10 et forment un réseau de couronnes conductrices assurant alors une fonction de réflexion.
Bien entendu, il est possible d’envisager un tel plan réflecteur 50 pour d’autres applications, notamment pour une antenne à plan réflecteur de type antenne parabolique ou bien comme élément de blindage électromagnétique entre systèmes radiofréquences. Les performances de ce premier exemple de système antennaire 40 sont présentées sur la figure 26.
La figure 26 comporte trois graphes.
Le graphe en haut à gauche de la figure 26 est un diagramme de rayonnement représentant l’évolution de l’amplitude du champ électromagnétique dans le plan E en fonction de l’angle d’élévation. La fréquence est fixée à 2,4 GHz.
Le graphe en haut à droite de la figure 26 est un diagramme de rayonnement représentant l’évolution de l’amplitude du champ électromagnétique dans le plan H en fonction de l’angle d’élévation. La fréquence est fixée à 2,6 GHz.
Le graphe du bas de la figure 26 représente l’évolution de l’adaptation du système antennaire 40 en fonction de la fréquence.
L’analyse de la figure 26 montre que le système antennaire 40 est parfaitement adapté (coefficient de réflexion Su inférieur à -15 dB) à deux fréquences de fonctionnement (2,4 GHz et 2,62 GHz) permettant l’obtention de gains supérieurs à 5 dBi à ces deux fréquences (6,1 dBi et 8,4 dBi, respectivement).
L’analyse des trois exemples présentés montre que l’emploi de la structure de base offre la liberté de permettre l’obtention d’une fonction souhaitée pour le système antennaire 40 par une adaptation des paramètres de chaque ensemble alvéolaire.
Plus précisément, les paramètres de chaque alvéole 12 sont choisis pour que le système antennaire 40 présente une transmittance optique d’au moins 80% pour une onde électromagnétique appartenant au domaine du visible et ayant une incidence sensiblement normale au premier plan.
De préférence, comme c’est le cas dans certains des exemples décrits, les paramètres sont choisis pour que le système antennaire 40 présente un diagramme de rayonnement souhaité.
A titre d’exemple, dans le cas du deuxième exemple, le diagramme de rayonnement est tel que chaque alvéole 12 en combinaison avec les autres alvéoles 12 de la pluralité présente un rayonnement de type sectoriel (voir figure 24) grâce à l’alimentation des éléments antennaires selon une loi en sinus cardinal.
Dans certains cas, le système antennaire 40 comprend avantageusement une bande 16 complémentaire de revêtement électriquement conducteur disposée dans au moins une paroi 14, la bande 16 complémentaire étant disposée entre l’au moins une bande 16 de revêtement et une face d’extrémité de façon à former un plan de masse et/ou un plan réflecteur pour le système antennaire 40.
Selon les cas, il est à noter que la hauteur de la bande 16 varie entre 10 micromètres à la hauteur de l’alvéole 12 comportant la paroi 14 dans ou sur laquelle est disposée la bande 16, ladite hauteur de la bande 16 variant de préférence entre 10 micromètres et 500 micromètres.
Enfin, une telle technologie est compatible avec tout type d’antenne, et en particulier une antenne filaire, une antenne patch ou une antenne nécessitant un plan réflecteur.
Par rapport à d’autres systèmes antennaire, le système antennaire 40 formé d’un ensemble alvéolaire est évidé en son cœur, ce qui implique un gain en masse.
Ce gain en masse peut être obtenu sans complexification importante de la fabrication du système antennaire 40.
Le procédé de fabrication d’une structure alvéolaire 10 peut effectivement directement être utilisé.
En outre, le système antennaire 40 est aisément intégrable dans un élément de paroi en matériaux composites.
Les différentes propriétés qui viennent d’être décrites rendent les différents systèmes antennaires adaptés pour différentes applications.
A titre d’exemple, de tels systèmes antennaires sont utilisables dans le domaine des transports, notamment le transport aérien, ferroviaire ou naval. Dans ces applications, la meilleure intégration des systèmes antennaires permet d’obtenir un gain non négligeable en aérodynamique.
Il pourrait aussi être envisagé des usages dans le domaine spatial, du mobilier urbain, dans le domaine des télécommunications, du bâtiment, du tertiaire ou de l’internet des objets.
Il est à noter que, comme précédemment, pour garantir de bonnes performances, il conviendra de choisir des peaux adaptées pour former la structure composite sandwich associée.
Il a été montré à travers trois exemples particuliers de dispositifs l’intérêt d’une structure alvéolaire 10 telle que décrite dans les figures 1 à 3.
Dans chacun des cas, les dispositifs obtenus permettent une meilleure intégration dans un porteur tout en restant de fabrication aisée et en présentant pour certains des performances inégalées par les autres solutions connues. C’est en particulier le cas pour la structure absorbante 20.

Claims

REVENDICATIONS
1. Structure absorbante (20), la structure absorbante (20) étant une structure alvéolaire (10) de type nid d’abeille s’étendant entre une première face d’extrémité et une deuxième face d’extrémité, la structure alvéolaire (10) comprenant une pluralité d’alvéoles (12) tubulaires, chaque alvéole (12) comportant une pluralité de parois (14) délimitant ladite alvéole (12), les parois (14) s’étendant de la première face d’extrémité à la deuxième face d’extrémité, les parois (14) étant formées d’un matériau diélectrique, au moins une alvéole (12) comportant au moins une bande (16) de revêtement électriquement conducteur disposée dans au moins une paroi (14) ou sur une surface d’au moins une paroi (14), la structure alvéolaire (10) étant caractérisée par des paramètres, les paramètres de la structure alvéolaire (10) étant choisis pour que la structure absorbante (20) procure une atténuation d’au moins 10 dB pour chaque onde incidente d’une gamme de fréquences présentant une étendue en fréquence supérieure ou égale à 15 GHz.
2. Structure absorbante selon la revendication 1 , dans laquelle les paramètres sont les paramètres diélectriques et géométriques de chaque alvéole (12) et les paramètres électriques et géométriques de chaque bande (16).
3. Structure absorbante selon la revendication 1 ou 2, dans laquelle l’au moins une alvéole (12) comporte deux bandes (16) de revêtement distinctes présentant une résistance par carré distincte.
4. Structure absorbante selon la revendication 3, dans laquelle lorsque la paroi (14) de l’alvéole (12) est parcourue dans une direction perpendiculaire au plan parallèle à au moins l’une des deux faces d’extrémité, la variation de la résistance par carré des bandes (16) est strictement monotone.
5. Structure absorbante selon la revendication 3 ou 4, dans laquelle lorsque la paroi (14) de l’alvéole (12) est parcourue dans une direction perpendiculaire au plan parallèle à au moins l’une des deux faces d’extrémité, la résistance par carré de deux bandes (16) contigües diffère d’un intervalle de résistance par carré compris entre 10 Ohms/sq et 500 Ohms/sq, de préférence entre 50 Ohms/sq et 150 Ohms/sq.
6. Structure absorbante selon l’une quelconque des revendications 1 à 5, dans laquelle au moins une bande (16) présente une hauteur, ladite hauteur variant selon une direction perpendiculaire à un plan parallèle à au moins l’une des deux faces d’extrémité.
7. Structure absorbante selon la revendication 6, dans laquelle la largeur de la bande (16) varie selon une variation en marches d’escalier ou selon une variation strictement monotone dans une direction perpendiculaire au plan.
8. Structure absorbante selon l’une quelconque des revendications 1 à 7 dans leur dépendance à la revendication 3, dans laquelle l’espace entre deux bandes (16) contigües est compris entre 100 micromètres et 1000 micromètres, de préférence entre 400 micromètres et 600 micromètres.
9. Structure absorbante selon l’une quelconque des revendications 1 à 8, dans laquelle la hauteur de la paroi (14) selon une direction perpendiculaire au plan est comprise entre 5 millimètres et 50 millimètres, de préférence entre 7 millimètres et 25 millimètres.
10. Structure composite sandwich comprenant une âme interposée entre une première peau et une deuxième peau, ladite âme comportant au moins une structure absorbante (20) selon l’une quelconque des revendications 1 à 9.
11. Procédé de fabrication d’une structure absorbante (20), la structure absorbante (20) étant une structure alvéolaire (10), la structure alvéolaire (10) étant caractérisée par des paramètres, les paramètres étant choisis pour que la structure absorbante (20) procure une atténuation d’au moins 10 dB pour chaque onde incidente d’une gamme de fréquences présentant une étendue en fréquence supérieure ou égale à 15 GHz, le procédé comprenant les étapes de :
- impression de bandes (16) de revêtement électriquement conducteur,
- dépose d’une couche d’adhésif sur une surface d’au moins une lame en matériau diélectrique,
- collage des lames sur les couches d’adhésif,
- assemblage des lames pour former une pluralité d’alvéoles (12) tubulaires, chaque alvéole (12) comportant une pluralité de parois (14) délimitant ladite alvéole (12), les parois (14) s’étendant d’une première face d’extrémité à une deuxième face d’extrémité de la structure alvéolaire (10) de type nid d’abeille s’étendant entre une première face d’extrémité et une deuxième face d’extrémité,
- expansion des lames assemblées, pour obtenir une structure à figer, et
- cuisson de la structure à figer pour obtenir la structure alvéolaire (10) finale.
12. Procédé d’optimisation d’une structure absorbante (20), la structure absorbante (20) étant une structure alvéolaire (10) de type nid d’abeille s’étendant entre une première face d’extrémité et une deuxième face d’extrémité, la structure alvéolaire (10) comprenant une pluralité d’alvéoles (12) tubulaires, chaque alvéole (12) comportant une pluralité de parois (14) délimitant ladite alvéole (12), les parois (14) s’étendant de la première face d’extrémité à la deuxième face d’extrémité, les parois (14) étant formées d’un matériau diélectrique, au moins une alvéole (12) comportant au moins une bande (16) de revêtement électriquement conducteur disposée dans au moins une paroi (14) ou sur une surface d’au moins une paroi (14), la structure alvéolaire (10) étant caractérisée par des paramètres, le procédé comportant une étape de :
- choix de paramètres initiaux pour la structure alvéolaire (10), et
- optimisation des paramètres de la structure alvéolaire (10) selon une technique d’optimisation mise en œuvre par itérations successives sur des jeux de paramètres courants, le premier jeu de paramètres étant l’ensemble des paramètres initiaux et le jeu de paramètres d’une itération étant le jeu de paramètres obtenu à l’itération précédente, la technique d’optimisation étant mise en œuvre sous la contrainte que la structure absorbante (20) procure une atténuation d’au moins 10 dB pour chaque onde incidente d’une gamme de fréquences présentant une étendue en fréquence supérieure ou égale à 15 GHz.
13. Produit programme d’ordinateur comportant un support lisible d’informations, sur lequel est mémorisé un programme d’ordinateur comprenant des instructions de programme, le programme d’ordinateur étant chargeable sur une unité de traitement de données et mettant en œuvre un procédé d’optimisation selon la revendication 12 lorsque le programme d’ordinateur est mis en œuvre sur l’unité de traitement des données.
14. Support lisible d’informations comportant des instructions de programme formant un programme d’ordinateur, le programme d’ordinateur étant chargeable sur une unité de traitement de données et mettant en œuvre un procédé d’optimisation selon la revendication 12 lorsque le programme d’ordinateur est mis en œuvre sur l’unité de traitement de données.
PCT/EP2021/079256 2020-10-21 2021-10-21 Structure alvéolaire fonctionnalisée, structure composite sandwich, procédé de fabrication, procédé d'optimisation et dispositifs associés WO2022084465A1 (fr)

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