L'invention se situe dans le domaine des substrats haute impédance. De tels substrats trouvent en particulier à s'appliquer dans les dispositifs hyperfréquences. L'invention trouve une application notamment mais pas uniquement en télécommunications, par exemple dans la bande de fréquence allant d'environ 50 MHz à environ 4 GHz pour la réalisation d'antennes.
La demande de brevet US 2003/0048234 A1 publiée en mars 2003 décrit un substrat haute impédance selon le préambule de la revendication 1.
La demande de brevet EP 1 195 847 A2 publiée en avril 2002 rappelle en relation avec l'art antérieur cité dans cette demande différents mode connus de réalisation de substrats haute impédance. Cette demande décrit par exemple en relation avec les figures 9 et 10 de cette demande un conducteur 900 magnétique artificiel constituant une surface haute impédance incluant :
La surface est sélective en fréquence car elle comporte un réseau 102 de boucles résonnantes appelées aussi molécules magnétiques artificielles 804. Ces boucles résonnantes ou molécules magnétiques artificielles 804 sont fortement couplées entre elles de façon capacitive, formant ainsi une surface capacitive sélective en fréquence.
Différents modes de réalisation incluant notamment des surfaces multi bandes constituées par des couches comportant respectivement des boucles résonnantes à différentes fréquences, et des usages d'une telle surface sont décrits, en particulier pour la réalisation d'antennes.
Il est connu que de tels substrats haute impédance sont très utiles dans le domaine des antennes. De telles surfaces sont prévues pour interagir avec une onde électromagnétique incidente arrivant sur cette surface haute impédance. Ils permettent de diminuer la taille des dispositifs utilisés tout en améliorant les caractéristiques de sélectivité et de directivité des antennes réalisées.
L'invention vise une surface à haute impédance ayant une épaisseur faible devant la longueur d'onde dans le vide d'une onde à une fréquence centrale d'une bande de fréquence pour laquelle la surface a une haute impédance. Elle vise aussi une surface à haute impédance ayant une largeur de bande élevée. Elle vise une surface à haute impédance utilisant des matériaux magnétiques qui ne soit pas limitée par les propriétés du matériau aux fréquences de travail de la surface. Elle vise une surface à haute impédance accordable, c'est à dire dont on peut faire varier sur commande la fréquence centrale et la largeur de bande.
A toutes ces fins l'invention est relative à un substrat haute impédance comportant une première couche ou feuille en matériau isolant, ayant une face inférieure et une face supérieure, le substrat comportant des motifs conducteurs mécaniquement liés au substrat,
caractérisé en ce que,
certains des motifs conducteurs mécaniquement liés au substrat sont associés à un pavé magnétique, et en ce que au moins une interconnexion électrique met en contact électrique deux points distincts l'un de l'autre d'un motif conducteur mécaniquement lié au substrat, ce motif conducteur ayant un pavé magnétique associé, en passant au dessus du pavé magnétique associé audit motif conducteur mécaniquement liés au substrat.
Le terme « pavé » indique l'ensemble des points d'un espace métrique dont chacune des coordonnées est prise dans un intervalle borné et dont le parallélépipède rectangle est l'image la plus simple. Il s'agit donc d'un morceau de matière.
Dans un mode de réalisation, des motifs conducteurs sont constitués par des pistes conductrices déposées sur l'une et/ou l'autre des faces supérieure ou inférieure de la première couche ou feuille en matériau isolant.
Dans un autre mode de réalisation, le substrat haute impédance comporte outre une première couche ou feuille en matériau isolant une seconde couche ou feuille ayant une face supérieure en vis à vis de la face inférieure de la première feuille ou couche et une face inférieure, les motifs conducteurs étant déposés au moins pour partie d'entre eux, sur l'une et/ou l'autre des faces supérieure ou inférieure de cette seconde couche ou feuille.
Dans un mode de réalisation les motifs conducteurs forment des circuits électriques éventuellement ensemble avec des composants actifs ou passifs. De préférence lorsque le substrat haute impédance comporte une seconde couche ou feuille ces composants actifs ou passifs sont montés en surface sur l'une et/ou l'autre des faces supérieure ou inférieure de ladite seconde couche ou feuille.
Dans un mode de réalisation les composants électroniques sont des éléments ayant une valeur de résistance et une valeur de capacité.
Dans un mode de réalisation le substrat haute impédance comporte en outre un plan de masse, constitué par une troisième couche ou feuille ayant une face supérieure et une face inférieure l'une au moins de ces faces étant constituée par une matière conductrice.
Ce plan de masse peut être situé au dessus de la face supérieure de la première couche ou feuille et dans ce cas les pavés magnétiques seront mécaniquement liés à la face supérieure de ce plan de masse.
Le plan de masse peut aussi se trouver sous la première feuille ou couche, ou si le mode de réalisation comporte une seconde feuille ou couche entre la première feuille ou couche et la seconde feuille ou couche, ou encore sous la seconde feuille ou couche. Dans ces derniers cas les pavés magnétiques seront mécaniquement liés à la face supérieure de la première feuille ou couche.
Des exemples de réalisation de l'invention et d'autres avantages de l'invention seront maintenant décrits en référence aux dessins annexés dans lesquels :
Dans tous les dessins les mêmes numéros de référence désignent des éléments similaires ayant même fonction, en sorte que la description d'un élément déjà commenté dans une figure ne sera pas nécessairement reprise dans des figures décrites par la suite.
La figure 1 représente une vue en perspective d'un premier mode de réalisation de l'invention.
Sur une face supérieure 6 d'une plaque en matériau isolant 1, par exemple en Kapton sont disposées une pluralité de motifs électriquement conducteurs 3. Un pavé 5 en matériau magnétique est associé à chacun des motifs conducteurs 3. Dans le mode de réalisation représenté sur les figures 1, 5 et 6, chaque pavé 5 a la forme d'un parallélépipède par exemple rectangle. Chaque motif électriquement conducteur 3 forme ensemble avec des composants actifs et/ou passifs représentés globalement par un rectangle 7 sur la figure 1 un circuit électrique. Conformément à l'invention, ce circuit est complété par une interconnexion électrique, par exemple sous forme d'un fil ou d'un ruban 13, reliant un premier 9 et un second 11 point distinct du premier, du motif 3. Une partie du motif 3, et le fil ou ruban de connexion 13, forment ainsi ensemble une spire entourant le pavé magnétique 5. Dans le cas général, il y aura plusieurs spires entourant le pavé magnétique 5.
Un exemple de motif 3, permettant une configuration à plusieurs spires formant ensemble un solénoïde entourant le pavé magnétique 5 a été représenté en perspective figure 2. Le motif 5 comprend plusieurs pistes conductrices 10, parallèles entre elles, et par exemple perpendiculaires à la direction de plus grande longueur du pavé parallélépipèdique 5. Les pistes 10 ont chacune deux extrémités 9 et 11. Il y a n pistes ayant chacune une première extrémité 90 à 9n-1 et une seconde extrémité 111 à 11n. Il y a n fils ou ruban 131 à 13n chaque fil ou ruban de connexion de rang p liant une première extrémité 9p-1 à une seconde extrémité 11p. n et p sont des nombres entiers, et p est inférieur ou égal à n. Afin de simplifier la figure 2, les références 90, 9n-1 n'apparaissent pas.
La ou les spires formées par une partie du motif conducteur 3 et les connexions 13 s'insèrent en série ou en parallèle avec d'autres parties du motif conducteur 3.
Un substrat haute impédance incorporant l'invention a été réalisé selon le mode de réalisation décrit en relation avec les figures 1 et 2. Une plaque de Kapton (marque déposée) 1 ayant une surface de 500 x 500 mm2, initialement cuivré sur sa face supérieure 6 a été utilisée. Les motifs conducteurs 3 ont été réalisés par des techniques de gravures de la couche conductrice en cuivre, en elles mêmes connues dans le domaine des circuits imprimés. Ces motifs sous forme de pistes ont une largeur d'environ 1 mm. Une capacité et une résistance ont été reportées aux emplacements marqués 7 sur la figure 1. Dans un exemple de réalisation la capacité était de 21 picofarads et la résistance de 0,1 ohms. Il est également possible d'adjoindre à une capacité ou une résistance de valeur fixe, ou de remplacer une telle capacité ou une telle résistance par un ou plusieurs composants actifs ayant une valeur de capacité et/ou de résistance variable, par exemple commandée de façon électronique. En règle générale la valeur de capacité du composant est une fonction d'une grandeur électrique, une tension ou un courant, appliquée audit composant actif. On pourra utiliser par exemple le varactor ZC830B du fabricant Zétex qui permet de faire varier de façon simple la capacité du circuit RC 7. Dans ce cas on interpose de préférence comme cela sera expliqué plus loin en liaison avec la figure 5 un plan de masse entre les pavés 5 et les motifs conducteurs 3, ceux-ci étant dans ce cas partiellement ou totalement reportés sur une seconde feuille ou couche 2 placée sous la couche 1.
Une couche magnétique constituée par exemple d'un élastomère chargé à 50% en poudre de fer est placée au dessus des motifs conducteurs 5, par exemple collée au moyen d'une colle isolante. Ce matériau présente une perméabilité magnétique µ' de 11 et des pertes magnétiques µ" faibles, inférieures à l'unité. On note que les pertes magnétiques correspondent à la valeur imaginaire de la perméabilité magnétique.
Comme matériau il aurait été également possible de prendre, sans que les exemples cités ci-après constituent une liste exhaustive, un caoutchouc ou une matière plastique chargée par une poudre magnétique. De préférence, la fraction volumique de poudre magnétique excède 30%. Il est également possible d'utiliser des empilements de couches magnétiques et isolantes, comportant au moins 5% en volume de matière magnétique. La direction conductrice des empilements sera de préférence parallèle à l'axe du solénoïde formé par les connexions 13 et leur complément du motif 3.
La couche en matériau magnétique est gravée dans deux directions du plan de la couche, par exemple, perpendiculaires entre elles, sur une profondeur par exemple de 5 mm, de façon à obtenir les pavés magnétiques 5. Dans les exemples ayant servi aux mesures dont il sera parlé plus loin les pavés 5 avaient des dimensions de 5×3×30 mm. Compte tenu de l'espacement entre les pavés, la fraction surfacique occupée par les pavés est de 10% environ. On reporte ensuite n fils conducteurs 13, par exemple n = 5 passant au dessus de chaque pavé 5, de façon à former avec chaque motif 3 un solénoïde à 5 spires entourant le pavé 5 associé à ce motif. En règle générale le solénoïde comportera entre une et 50 spires. Le solénoïde est dans cet exemple en série avec le circuit RC, formé par la résistance et la capacité représentés symboliquement par le carré 7 sur la figure 1.
L'avantage d'introduire un matériau magnétique formant un noyau dans le solénoïde ainsi formé est d'augmenter significativement les niveaux de perméabilité magnétique par rapport au cas "sans noyau".
La demanderesse a effectué des mesures de perméabilité magnétique et de pertes magnétiques obtenues avec des pavés magnétiques 5 en matériau élastomère chargé à 50% en poudre de fer réalisés comme indiqué ci dessus pour trois valeurs 0,1, 2, et 10 ohms de la résistance R du circuit RC. La capacité C est pendant ces mesures restée à une valeur de 50 picofarads. Le solénoïde entourant chaque pavé 5 comportait 5 spires.
Les caractéristiques de perméabilité magnétiques obtenues en fonction de la fréquence de travail sont représentées par des courbes représentées figure 3 partie A et B.
Les valeurs de perméabilité magnétique µ' sont représentées en partie A de la figure 3. La partie B représente les valeurs des pertes magnétiques µ" en fonction de la fréquence exprimée en gigahertz. Les valeurs crête de µ" vont en décroissant lorsque la valeur de la résistance croit. Le pic le plus élevé a un niveau de 5 et le plus étroit est obtenu pour la valeur de résistance 0,1. La courbe correspondant à cette valeur de résistance est référencée a. Les deux autres courbes, référencées c et b ont respectivement des pics dont la hauteur va en décroissant et la largeur en augmentant avec l'accroissement de la valeur de la résistance respectivement pour des valeurs de résistance passant de 2 à 10 ohms. Ainsi dans l'exemple considéré, la largeur du pic de pertes magnétiques passe de 10 MHz pour la valeur de résistance 0,1 ohms à 35 MHz pour la valeur de résistance 10 ohms. Les niveaux de µ' et µ" sont les valeurs essentielles qui conditionnent l'impédance vue par une onde électromagnétique arrivant sur le substrat haute impédance ainsi obtenu. La source de ladite onde se trouve du côté de la face 6 de la plaque 1 sur laquelle se trouvent les pavés magnétiques 5. Des niveaux élevés de perméabilité magnétique favorisent l'obtention d'impédances élevées sur une large gamme de fréquence. Enfin les valeurs respectives de µ' et µ" conditionnent le niveau de perte associé à la fréquence, ces pertes étant désirées ou non selon les applications que l'on donne au substrat haute impédance. Avec le dispositif selon l'invention, la hauteur du pic de pertes magnétiques peut être réglé ou modifié très facilement par une simple variation d'une valeur de résistance. Selon l'invention il est également possible de régler les niveaux de perméabilité et de pertes magnétiques en augmentant la densité de couverture de la face 6, par les pavés magnétiques 5. Ainsi par exemple, les niveaux représentés sur la figure 3 correspondent à un taux de couverture de 10% comme expliqué plus haut. Le passage à un taux de couverture de 50% augmenterait la valeur de µ" d'un facteur 5. Ainsi pour obtenir des niveaux élevés de pertes magnétiques µ" les taux de couverture de la face 6, par les pavés magnétiques 5 seront supérieurs à 10%, par exemple 50% ou de préférence supérieurs à 50%. Par comparaison, la réalisation d'un substrat haute impédance présentant les mêmes impédances que celles résultant des valeurs de µ' et µ" représentées sur la figure 3, au moyen de matériaux nécessiterait la mise au point de trois matériaux présentant chacun des caractéristiques hyperfréquences, ce qui peut être un processus long coûteux au résultat incertain. Selon l'invention il suffit d'ajuster correctement la valeur de la résistance du circuit RC 7. On parvient ainsi à passer d'un état de forte perméabilité magnétique µ', à par exemple 200 MHz, favorable à une haute impédance, à un état à faible perméabilité, ce qui diminue l'impédance. Il est également possible de commander, à l'aide d'un circuit électronique présentant une résistance fonction d'une valeur de grandeur électrique de commande du circuit la hauteur du pic de pertes magnétique µ".
La demanderesse a également effectué des mesures de perméabilité magnétique et de pertes magnétiques obtenues avec les pavés magnétiques en matériau élastomère chargé à 50% en poudre de fer réalisés comme indiqué ci dessus pour sept valeurs, 38, 32, 21, 9, 5, 2, et 1 picofarad de la capacité du circuit RC. La résistance R est pendant ces mesures restée à une valeur de 0,1 ohms.
Les sept courbes représentées en partie A de la figure 4, représentent chacune, la valeur de la perméabilité magnétique µ' pour les différentes valeurs de la capacité C.
La valeur des pertes µ" en fonction de la fréquence en gigahertz portée en abscisse est représentée en partie B de la figure 4. La fréquence correspondant au pic de perte va en décroissant lorsque la valeur de la capacité C croît. Ainsi un pic de perte est présent pour une valeur d'environ 0,13 gigahertz sur la courbe correspondant à une valeur de capacité de 38 picofarads. Pour la valeur de capacité 1 picofarad, le pic de perte est présent pour une valeur correspondant à environ 0,37 gigahertz. Les pics de perte des 5 autres courbes s'échelonnent à des valeurs intermédiaires entre ces deux valeurs de fréquence. Ces pics se situent à des valeurs de fréquence qui vont en croissant lorsque la valeur de la capacité C va en décroissant de la valeur 32 pF à la valeur 2 pF.
Ces courbes illustrent que selon l'invention, par l'ajout ou le choix de quelques composants électroniques simples, on parvient à réaliser une surface haute impédance dont la réponse en fréquence présente un pic de pertes magnétiques qui atteint des valeurs de plusieurs unités, et ceci à partir d'une quantité très faible de pavés magnétiques munis chacun de leur solénoïde associé. La fréquence du pic de perte peut être ajustée de façon simple en réglant la valeur d'une capacité. Avec une capacité qui peut être commandée de façon électronique, par variation d'une grandeur électrique de commande, on peut obtenir une agilité en fréquence et faire varier de façon éventuellement rapide, la fréquence pour laquelle le pic de perte µ" est le plus élevé, et donc pour laquelle l'impédance vu par l'onde électromagnétique incidente est la plus élevée. De tels circuits sont connus dans l'art et ne seront pas plus avant commentés.
Un autre mode de réalisation sera maintenant commenté en liaison avec la figure 5. Dans ce mode de réalisation, une partie au moins ou la totalité du motif conducteur 3, est disposée sur une seconde feuille ou couche 2. Cette seconde feuille ou couche 2 a deux faces, une face supérieure 12 en regard de la face inférieure 8 de la première feuille ou couche 1 et une face inférieure 14. La face supérieure 12 de la feuille ou couche 2 accueille une partie 32 du motif conducteur 3. De préférence la partie 32 du motif conducteur 3 comporte tous les composants actifs ou passifs 7 formant un circuit avec le motif conducteur 3. Eventuellement une partie 31 du motif conducteur 3 reste présente sur la face supérieure 6 de la première feuille ou couche 1, comme représenté figure 5. Il en va de même pour les pavés magnétiques 5 qui sont liés mécaniquement, par exemple collés, sur la face supérieure 6 de la première couche ou feuille 1. De façon en elle-même connue les liaisons électriques entre la partie de motif conducteur 31 et la partie de motif conducteur 32 sont assurées par des trous métallisés 18 joignant les faces supérieure et inférieure de la couche ou feuille 1. En particulier les liaisons entre les connexions 13 passant au dessus d'un pavé magnétique 5 et la partie de motif conducteur 32 se trouvant sur la feuille ou couche 2 sont assurés par de tels trous métallisés 18, lorsque la partie de motif conducteur 32 comporte un complément aux dites connexions 13 pour former un solénoïde. Dans le mode de réalisation représenté sur la figure 5, la face inférieure de la feuille ou couche 2 est métallisée en sorte que cette feuille ou couche 2 forme plan de masse. Ainsi dans ce mode de réalisation le substrat selon l'invention comporte un plan de masse se situant sous la première couche ou feuille 1 en vis à vis de la face inférieure de ladite première couche ou feuille.
Dans des modes de réalisation alternatifs de ce mode de réalisation, destinés à réduire, vers le haut, les fuites électromagnétiques produites par les courants circulant dans la partie de motif 32, un plan conducteur 4 formant plan de masse, est interposé entre les feuilles ou couches 1 et 2. Le plan conducteur peut se présenter, sous forme par exemple d'une troisième couche ou feuille 4. Sur la figure 5, afin de ne pas gêner la vue de la couche 2 ce plan n'a été représenté que de façon partielle. Cette troisième feuille ou couche 4, comporte alors des trous métallisés 18 formant chacun un passage de connexion. Le débouché de ces trous est de façon en elle même connue, isolé électriquement pour éviter une mise à la masse des connexions.
Une variante du mode de réalisation représenté sur la figure 5, permettant aussi de réduire les fuites électromagnétiques vers le haut est représenté figure 6. Dans cette variante de réalisation la face supérieure de la feuille ou couche 1 est entièrement métallisée, à l'exception des emplacements entourant des trous métallisés 18 joignant électriquement des points de la feuille ou couche 1 et des points de la feuille ou couche 2. Les pavés métalliques 5 sont alors collés au dessus du dépôt métallique au moyen d'une colle électriquement isolante. A l'exception des trous métallisés 18 et de leurs débouchés la totalité du motif conducteur 3 est reporté sur la seconde feuille ou couche 2.