CONDUCTEUR MAGNETIQUE ARTIFICIEL ET ANTENNE

Description

[0001] L'invention concerne un conducteur magnétique artificiel et une antenne incorporant ce conducteur magnétique artificiel.

[0002] Les conducteurs magnétiques artificiels sont plus connus sous l'acronyme AMC (« Artificial Magnetic Conductor »). Pour plus d'informations sur les principes de fonctionnement de ces conducteurs magnétiques artificiels et leurs propriétés physiques, il est possible de se référer à la demande de brevet WO 99 509 29 déposée par Sievenpiper.

[0003] Typiquement, les conducteurs magnétiques artificiels présentent deux propriétés caractéristiques :

• une impédance de surface Z_s élevée dans une plage de fréquences dénommée « bande passante », et
• une fréquence de résonance f₀, comprise dans la bande passante, pour laquelle le déphasage est nul entre une onde électromagnétique incidente sur le conducteur magnétique artificiel et l'onde électromagnétique réfléchie.

[0004] L'impédance de surface Z_s est définie par le rapport suivant : Z_s = E_tan/H_tan, où :

• E_tan est la composante du champ électrique de l'onde électromagnétique incidente tangentielle à la face du conducteur magnétique artificiel, et
• H_tan est la composante du champ magnétique de l'onde électromagnétique incidente tangentielle à la surface du conducteur magnétique artificiel.

[0005] Une impédance de surface Z_s est dite « élevée » si son module est supérieur à l'impédance d'onde du vide (module de Zs>377 Ohms) et, de préférence, plusieurs fois supérieure à l'impédance d'onde du vide.

[0006] Des conducteurs magnétiques artificiels connus comportent :

• un plan de masse,
• au moins une première surface sélective en fréquence, transparente pour certaines longueurs d'onde et réfléchissantes pour une plage de longueurs d'ondes, cette surface sélective en fréquence comprenant un réseau d'éléments résonnants conducteurs disposés les uns à côté des autres dans au moins deux directions différentes parallèles au plan de masse.

[0007] Ces conducteurs magnétiques artificiels sont utilisés pour réaliser des antennes. Par exemple, des antennes connues comportent :

• un conducteur magnétique artificiel présentant une fréquence de résonance f₀,
• un conducteur rayonnant apte à rayonner ou à recevoir des ondes électromagnétiques à une fréquence de travail f_T comprise entre 0,5f₀ et 2f₀, ce conducteur s'étendant dans un plan parallèle au conducteur magnétique artificiel et étant séparé de la surface sélective en fréquence la plus proche de ce conducteur magnétique artificiel par une distance inférieure à λ₀/10, où λ₀ est la longueur d'onde d'une onde électromagnétique de fréquence f₀.

[0008] Il existe une forte demande pour miniaturiser les antennes. Aujourd'hui, il est. possible d'utiliser des conducteurs rayonnants dont la longueur est inférieure à λ_T/4 ou λ_T/10, où λ_T est la longueur d'onde à la fréquence de travail f_T de l'antenne. Il est donc également souhaitable de réduire la taille et l'encombrement des conducteurs magnétiques artificiels. Pour cela, il faut réduire les dimensions des éléments résonnants. Or, lorsque l'on réduit les dimensions des éléments résonnants, la bande passante du conducteur magnétique artificielle diminue également. Ce qui n'est pas souhaitable.

[0009] Par ailleurs, plus la fréquence de résonance f₀ souhaitée pour le conducteur magnétique artificiel est faible, plus la taille des éléments résonnants est importante. Ainsi, pour miniaturiser un conducteur magnétique artificiel, il est également souhaitable de disposer d'éléments résonnants qui, à taille égale avec les éléments résonnants des conducteurs magnétiques artificiels connus, permettent d'obtenir une fréquence de résonance f₀ plus faible.

[0010] L'invention vise à remédier à ces problèmes en proposant un conducteur magnétique artificiel qui, à taille égale pour les éléments résonnants, présente une bande passante élargie ou qui, à bande passante égale, utilise des éléments résonnants plus petits.

[0011] Elle a donc pour objet un conducteur magnétique artificiel dans lequel chaque élément résonant est formé d'au moins une sous-couche en matériau ferromagnétique dont la perméabilité relative est supérieure à 10 pour une fréquence de 2GHz et dont l'épaisseur est strictement inférieure à l'épaisseur de peau de ce matériau ferromagnétique.

[0012] L'utilisation d'un matériau ferromagnétique pour réaliser les éléments résonnants permet de diminuer la fréquence de résonance f₀ par rapport au cas des conducteurs magnétiques artificiels réalisés uniquement avec des éléments résonnants métalliques.

[0013] De plus, l'utilisation d'un matériau ferromagnétique permet d'accroître la bande passante du conducteur magnétique artificiel par rapport à un conducteur magnétique artificiel identique mais dans lequel les éléments résonnants sont réalisés uniquement en métal.

[0014] Ainsi, les éléments résonnants pourvus d'une sous-couche ferromagnétique permettent de miniaturiser le conducteur magnétique artificiel.

[0015] Le fait que la sous-couche en matériau ferromagnétique ait une épaisseur inférieure à l'épaisseur de peau permet d'éviter les mécanismes de relaxation de l'aimantation, susceptibles de conduire à une chute de la perméabilité et à de fortes pertes magnétiques, dans le conducteur magnétique artificiel et rend possible l'utilisation de cette sous-couche en matériau ferromagnétique.

[0016] Les modes de réalisation de ce conducteur magnétique artificiel peuvent comporter une ou plusieurs des caractéristiques suivantes :

• au moins chaque élément résonant de la première surface sélective en fréquence est formé d'un empilement de plusieurs sous-couches, chaque sous-couche ayant une épaisseur inférieure à 10 µm dans une direction perpendiculaire au plan de masse;
• au moins l'une des sous-couches de chaque élément résonnant est une sous-couche en matériau diélectrique présentant une permittivité relative supérieure à 10 pour une fréquence de 2 GHz;
• au moins l'une des sous-couches de chaque élément résonnant est une sous-couche antiferromagnétique directement déposée sur ou sous la sous-couche ferromagnétique;
• au moins l'une des sous-couches de chaque élément résonnant est une sous-couche métallique;
• le conducteur magnétique artificiel comporte n surfaces sélectives en fréquence empilées les unes au-dessus des autres dans une direction perpendiculaire au plan de masse, chacune de ces surfaces sélectives en fréquence comportant un réseau d'éléments résonnants conducteurs disposés les uns à coté des autres dans au moins deux directions différentes parallèles au plan de masse et séparées les unes des autres par une couche en matériau diélectrique dont l'épaisseur est strictement supérieure à 10 µm, où n est un entier supérieur ou égal à deux;
• chaque élément résonant de chacune des n surfaces sélectives en fréquence est formé d'au moins une sous-couche en matériau ferromagnétique dont la perméabilité relative est supérieure à 10 pour une fréquence de 2 GHz et dont l'épaisseur est strictement inférieure à l'épaisseur de peau de ce matériau ferromagnétique;
• chaque élément résonant est électriquement isolé du plan de masse par une couche en matériau diélectrique;
• chaque élément résonant s'étend principalement dans un plan qui forme un angle avec le plan de masse compris entre 5° et 45°.

[0017] Ces modes de réalisation du conducteur magnétique artificiel présentent en outre les avantages suivants :

• l'utilisation d'une sous-couche en matériau diélectrique présentant une permittivité relative supérieure à 10 permet d'accroître la miniaturisation du conducteur magnétique artificiel ;
• l'utilisation d'une sous-couche antiferromagnétique permet également d'accroître la bande passante ;
• l'utilisation d'une sous-couche métallique permet de limiter les pertes ohmiques dans le conducteur magnétique artificiel ;
• l'utilisation de plusieurs surfaces sélectives en fréquence permet de diminuer la fréquence de résonance f₀ du conducteur magnétique artificiel sans augmenter la taille des éléments résonnants ;
• l'utilisation de sous-couches en matériau ferromagnétique pour former chacun des éléments résonnants de chacune des surfaces sélectives en fréquence empilées augmente la bande passante et diminue encore plus la fréquence de résonance f₀;
• isoler électriquement les éléments résonnants du plan de masse permet d'éviter d'avoir à réaliser des plots verticaux conducteurs reliant les éléments résonnants au plan de masse ce qui simplifie la fabrication du conducteur magnétique artificiel.

[0018] L'invention a également pour objet une antenne comportant le conducteur magnétique artificiel ci-dessus.

[0019] L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple non limitatif et faite en se référant aux dessins sur lesquels:

• la figure 1 est une illustration schématique et en perspective d'une antenne comportant un conducteur magnétique artificiel,
• la figure 2 est une illustration schématique et en perspective du conducteur magnétique artificiel de l'antenne de la figure 1 ;
• la figure 3 est une illustration schématique et en coupe verticale d'une portion du conducteur magnétique artificiel de la figure 2,
• la figure 4 est une illustration schématique et en coupe verticale d'un élément résonant du conducteur magnétique artificiel de la figure 2 ;
• la figure 5 est un graphe illustrant l'augmentation de la bande passante et la diminution de la fréquence de résonance du conducteur magnétique artificiel lorsque ses éléments résonnants comportent une sous-couche ferromagnétique ;
• la figure 6 est un graphe illustrant l'évolution du module du coefficient de réflexion du conducteur magnétique artificiel de la figure 2 en fonction de la fréquence ;
• la figure 7 est un graphe illustrant la phase du coefficient de réflexion en fonction de la fréquence dans deux situations différentes ;
• la figure 8 est une illustration schématique en coupe verticale d'un deuxième mode de réalisation d'un élément résonant;
• les figures 9 et 10 sont des illustrations schématiques, en coupe verticale, de deux autres modes de réalisation des éléments résonnants d'un conducteur magnétique artificiel.

[0020] Dans ces figures, les mêmes références sont utilisées pour désigner les mêmes éléments.

[0021] Dans la suite de cette description, les caractéristiques et fonctions bien connues de l'homme du métier ne sont pas décrites en détails.

[0022] La partie réelle de la perméabilité relative et de la permittivité relative sont des grandeurs physiques qui varient en fonction de la fréquence. Ici, à défaut d'indication contraire, lorsque l'on parle de la « perméabilité relative »/ « permittivité relative », on désigne la valeur de la partie réelle de cette grandeur physique pour une fréquence de 2 GHz. Toutefois, ce qui est décrit ici s'applique aussi au cas où ces valeurs de perméabilité relative et permittivité relative sont données pour une fréquence de 1 GHz.

[0023] La figure 1 représente une antenne 2 équipée d'un conducteur rayonnant 4 disposé au-dessus d'un conducteur magnétique artificiel 6 s'étendant horizontalement.

[0024] Dans cette description, les figures sont orientées par rapport à un repère 8 comportant deux directions horizontales orthogonales X et Y et une direction verticale Z. Les termes « haut » / « bas », « au-dessus » / « en dessous » et « supérieur » / « inférieur » sont définis par rapport à cette direction Z.

[0025] L'antenne 2 est apte à émettre et/ou à recevoir des ondes électromagnétiques à une fréquence de travail f_T correspondant à une longueur d'onde λ_T. Typiquement, la fréquence f_T est comprise entre 100 MHz et 20 GHz et, de préférence, entre 1 GHz et 10 GHz.

[0026] L'antenne 2 émet essentiellement des ondes électromagnétiques dans le demi-espace supérieur au plan XY. Ici, la direction principale d'émission/réception est perpendiculaire au plan XY et confondue avec la direction Z.

[0027] Ici, le conducteur magnétique artificiel 6 se présente sous la forme d'une plaque s'étendant principalement horizontalement. Cette plaque présente une face avant 10 tournée vers le haut et une face arrière 12 tournée vers le bas. Ici ces faces 10 et 12 sont horizontales. La face 12 est contenue dans le plan XY. Dans le cas particulier décrit ici, le conducteur magnétique artificiel 6 se présente sous la forme d'une plaque rectangulaire horizontale.

[0028] Le conducteur magnétique artificiel 6 présente une bande de fréquence, appelée « bande passante », dans laquelle les ondes électromagnétiques sont réfléchies sans inversion de phase (phase≠180°). Ainsi, dans la bande passante, les interférences entres les ondes incidentes et réfléchies sur le conducteur 6 sont constructives alors qu'elles sont destructives en dehors de cette bande passante. Plus précisément, ici, la bande passante d'un conducteur magnétique artificiel est définie comme étant la plage de fréquence pour laquelle la phase de l'onde électromagnétique réfléchie sur ce conducteur magnétique artificiel est déphasée d'un angle β compris entre -90° et +90° par rapport à l'onde électromagnétique incidente sur ce même conducteur magnétique artificiel.

[0029] Pour une fréquence particulière de cette bande passante, appelée fréquence de résonance f₀, l'angle β est nul. Pour cette fréquence f₀, le coefficient de réflexion de la composante du champ électrique tangentielle à la face 10 est égal à +1. Par comparaison, sur un plan métallique, ce coefficient de réflexion est égal à -1.

[0030] Le conducteur magnétique artificiel 6 limite ou empêche la propagation des ondes électromagnétiques dans le demi-espace situé en dessous du plan XY pour les fréquences d'émission et de réception situées dans la bande passante du conducteur magnétique artificiel 6.

[0031] Dans la suite de cette description, les exemples donnés de dimensions pour les différents éléments constitutifs du conducteur magnétique artificiel 6 le sont pour une fréquence de résonance f₀ égale ou voisine de 6 GHz.

[0032] Le conducteur magnétique artificiel 6 présente aussi une impédance Z_s de surface élevée empêchant ou limitant l'apparition de courant de surface. Ceci limite les pertes de l'antenne 2. Ici, le module de l'impédance Z_sest supérieur à l'impédance d'onde du vide (module de Zs>377 Ohms) et, de préférence, deux ou dix fois supérieure à l'impédance d'onde du vide. L'impédance Z_s du conducteur magnétique artificiel 6 est élevée principalement à l'intérieur de sa bande passante.

[0033] La hauteur h du conducteur 6, c'est-à-dire la plus courte distance séparant les faces 10 et 12, est strictement inférieure à λ₀/4 et de préférence inférieure à λ₀/50, où λ₀ est la longueur d'onde correspondant à la fréquence de résonance f₀. Par exemple, la hauteur h est égale à 4 mm.

[0034] Le conducteur rayonnant 4 s'étend ici essentiellement dans un plan horizontal. Il est espacé de la face avant 10 par une hauteur h_c inférieure à λ_T/4 et, de préférence, inférieure à λ_T/10 ou λ_T/100.

[0035] Par exemple, l'espace entre le conducteur rayonnant 4 et la face avant 10 est rempli d'un diélectrique pour maintenir le conducteur rayonnant 4 au-dessus de cette face 10.

[0036] Ici, le conducteur rayonnant 4 est représenté sous la forme d'un élément rectangulaire conducteur plus connu sous le terme anglais de « patch ». Le conducteur rayonnant 4 est dimensionné pour émettre et recevoir à la fréquence de travail f_T. Cette fréquence de travail f_T est comprise entre 0,5 f₀ et 2f₀.

[0037] La figure 2 représente plus en détail le conducteur magnétique artificiel 6.

[0038] La face arrière 12 est un plan de masse ou un substrat ayant pour fonction la masse. Cette face 12 est donc formée d'une feuille de métal uniformément et continument répartie dans le plan XY. Typiquement il s'agit d'une couche de métallisation. Par exemple, le plan de masse est réalisé en cuivre. Par exemple, son épaisseur est de 35 µm.

[0039] La face 10 est séparée de la face 12 par une ou plusieurs couches diélectriques référencées collectivement par la référence numérique 16.

[0040] La face avant 10 est une surface sélective en fréquence plus connue sous l'acronyme anglais FSS (« Frequency Selective Surface »). Cette face 10 est transparente pour les ondes planes électromagnétiques dont la fréquence est située en dehors de la bande passante du conducteur magnétique artificiel 6 et réfléchissante pour les ondes planes électromagnétiques dont la fréquence est comprise dans cette bande passante. Toutefois, la face 10 ne présente pas nécessairement une bande photonique interdite.

[0041] La face 10 est formée d'un réseau à deux dimensions d'éléments résonnants 14. Pour simplifier la figure 2, la référence 14 est uniquement indiquée pour quelques-uns de ces éléments résonnants. Ce réseau d'éléments 14 est dit à deux dimensions car les éléments 14 sont alignés les uns à côté des autres le long de deux directions différentes horizontales. Ici, les éléments 14 sont alignés le long des directions X et Y.

[0042] Ici, les éléments résonnants 14 sont disposés de façon périodique le long des directions X et Y. La période le long des directions X et Y est notée D. Cette période D est inférieure à λ₀/10 et, de préférence, inférieure à λ₀/50. Dans le cas particulier décrit ici, les périodicités le long des directions X et Y sont égales. Par exemple, la période D est égale à 4,1 mm.

[0043] Chaque élément résonant 14 présente une face avant exposée aux rayonnements électromagnétiques. Ici, les faces avant des différents éléments rayonnants 14 sont situées dans un même plan horizontal.

[0044] Pour expliquer le fonctionnement de chaque élément résonant 14, on peut considérer qu'il fonctionne comme un circuit LC résonant. Pour cela, chaque élément résonant 14 est adjacent d'un autre élément résonant 14 et couplé capacitivement aux autres éléments 14 adjacents. On note « d » la distance la plus courte entre deux éléments résonnants 14 consécutifs le long de la direction X ou Y. Cette distance d est par exemple égale à 100 µm.

[0045] Chaque élément résonant 14 est également couplé inductivement au plan de masse 12. Ici, ce couplage inductif se fait à travers les couches diélectriques 16.

[0046] Dans ce mode de réalisation, les éléments résonnants 14 sont électriquement isolé du plan de masse 12 par les couches diélectriques 16. Cela signifie, en particulier, qu'il n'existe pas de plots conducteurs verticaux, connus sous le terme « vias », raccordant électriquement directement tous ou seulement une partie des éléments résonnants 14 au plan de masse 12.

[0047] Chaque élément résonant est réalisé dans un matériau conducteur dont la conductivité est supérieure à 100 S/m et, de préférence, supérieure à 1000 S/m ou 1 MS/m. Ici, la conductivité des éléments résonnants 14 est supérieure ou égale à 5 MS/m.

[0048] Les dimensions horizontales des éléments résonnants 14 sont inférieures à λ₀/10 et, de préférence, inférieure à λ₀/50 ou λ₀/100 pour apparaître comme un matériau homogène devant les ondes électromagnétiques incidentes. De plus, cela permet de répéter un grand nombre de fois chaque élément résonant dans la direction X ou Y.

[0049] L'épaisseur de chaque élément résonant est typiquement inférieure à une dizaine de micromètres.

[0050] Ici, chaque élément résonant 14 se présente sous la forme d'une pastille pleine. Ici, chaque pastille présente un axe vertical 18 de symétrie. Par exemple, dans le cas particulier représenté ici, chaque élément résonant 14 est une pastille carrée.

[0051] La figure 3 représente une section verticale du conducteur magnétique artificiel 6. Cette section verticale montre que le conducteur magnétique artificiel 6 comporte n surfaces sélectives en fréquence empilées les unes au-dessus des autres dans la direction Z, où n est un entier supérieur ou égal à deux. Dans le cas particulier représenté sur la figure 3, n est égal à trois de sorte que le conducteur magnétique artificiel 6 comporte trois surfaces sélectives en fréquence, respectivement, 10, 20 et 22. Les surfaces 10, 20 et 22 sont séparées les unes des autres par des couches en matériaux diélectriques. Plus précisément, la surface 22 est séparée du plan de masse 12 par une couche 24 en matériau diélectrique d'épaisseur e₁.

[0052] La surface 20 est empilée au-dessus de la surface 22 et séparée de la surface 22 par une couche 26 en matériau diélectrique d'épaisseur e₂.

[0053] Enfin, la surface 10 est empilée au-dessus de la surface 20 et séparée de cette surface 20 par une couche en matériau diélectrique 28 d'épaisseur e₃.

[0054] L'épaisseur des couches 24, 26 et 28 est strictement supérieure à 10 µm et, de préférence, supérieure à 50 µm. Ces épaisseurs sont également inférieures à λ₀/10 et de préférence inférieure à λ₀/100 ou λ₀/1000.

[0055] Sur la figure 3, les épaisseurs e2 et e3 sont égales et très inférieures à l'épaisseur e₁.

[0056] Les matériaux diélectriques des couches 26 et 28 sont identiques.

[0057] Le matériau diélectrique de la couche 24 n'est pas nécessairement le même que celui utilisé pour former les couches 26 et 28. Par exemple, ici, le matériau diélectrique de la couche 24 est du verre.

[0058] Dans le cas particulier décrit ici, les surfaces 20 et 22 sont identiques à la surface 10 à l'exception qu'elles ne sont pas disposées à la même hauteur à l'intérieur du conducteur magnétique artificiel 6. De plus, les éléments résonnants 14 de chaque surface 10, 20 et 22 sont alignés verticalement les uns au-dessus des autres. Ainsi, les axes de symétrie 18 des éléments résonnants des différentes surfaces 10, 20 et 22 sont confondus.

[0059] La fréquence de résonance f₀ du conducteur magnétique artificiel 6 est notamment fixée par les paramètres suivants :

• le nombre n de surfaces sélectives en fréquence empilées les unes au-dessus des autres,
• la période D des réseaux d'éléments résonnants,
• la hauteur h du conducteur magnétique artificiel 6,
• les dimensions des éléments résonnants 14, et
• la permittivité relative des couches diélectriques 20, 22 et 24.

[0060] Parmi ces différents paramètres, la fréquence de résonance f₀ est particulièrement sensible au nombre n de surfaces sélectives en fréquence et à la période D.

[0061] Ici, ces différents paramètres sont ajustés de façon expérimentale de manière à ce que la fréquence de résonance f₀ soit comprise entre 100MHz et 20GHz et, de préférence, entre 1 GHz et 10GHz. Par exemple, ces paramètres sont déterminés par simulation électromagnétique pour différentes valeurs de ces paramètres.

[0062] Chaque élément résonant 14 est réalisé par un empilement de sous-couches fines. Par sous-couche « fine », on désigne une sous-couche dont l'épaisseur est inférieure à 10 µm et, de préférence, inférieure à 1 µm dans la direction verticale. Cet empilement de sous-couches est appelé ici matériau composite.

[0063] Pour accroître la bande passante du conducteur magnétique artificiel 6 et diminuer sa fréquence de résonance f₀, au moins une de ces sous-couches est réalisée dans un matériau ferromagnétique dont la perméabilité relative est supérieure à 10 et, de préférence, supérieure à 100 à 2 ou 3 GHz.

[0064] L'intérêt d'une forte perméabilité pour la réduction de la taille d'un élément résonnant est expliqué à partir de l'équation suivante :


où :

• I_électrique est la longueur électrique de l'élément résonnant,
• l_physique est la longueur physique ou réelle de l'élément résonnant,
• µ_effectif est la perméabilité effective relative du matériau de l'élément résonnant, et
• ε_effectif est la permittivité effective relative du matériau de l'élément résonnant.

[0065] Ainsi, pour une même longueur électrique I_électrique, plus la perméabilité est grande plus la longueur physique de l'élément résonnant est réduite.

[0066] Plus précisément, chaque élément résonant est réalisé dans un matériau composite présentant simultanément les propriétés suivantes sans recours à un champ magnétique extérieur artificiel, c'est-à-dire un champ magnétique autre que le champ magnétique terrestre, :

• sa conductivité est supérieure à 100 S/m et, de préférence, supérieure à 1000 S/m ou 1 MS/m à 25°C,
• sa perméabilité relative est supérieure à 10 et, de préférence, supérieure à 100 dans au moins une direction horizontale pour une fréquence de 2 ou 3 GHz,
• sa permittivité relative est supérieure à 10 et, de préférence, supérieure à 100 à 2 ou 3 GHz dans la même direction que celle où la perméabilité relative est supérieure à 10.

[0067] Typiquement la permittivité relative est la-même quelle que soit la direction horizontale considérée.

[0068] De tels matériaux composites présentant ces propriétés ainsi que leur fabrication sont décrits plus en détail dans la demande de brevet FR 2 939 990.

[0069] Dans le cas particulier décrit ici, ce matériau composite comprend un premier groupement 30 de sous-couches fines ferromagnétiques superposé sur une sous-couche fine isolante 32 elle-même superposée sur un second groupement 34 de sous-couches fines ferromagnétiques.

[0070] Le premier groupement 30 de sous-couches fines ferromagnétiques est composé de l'empilement du haut vers le bas :

• d'une sous-couche intermédiaire 36 assurant l'interface entre une sous-couche ferromagnétique et une sous-couche diélectrique,
• une sous-couche ferromagnétique 38,
• une sous-couche antiferromagnétique 40,
• une sous-couche ferromagnétique 42, et
• une sous-couche intermédiaire 44.

[0071] La sous-couche 36 est par exemple réalisée en ruthénium (Ru), en tantale (Ta) ou en platine (Pt). Son épaisseur est inférieure à 10 nm.

[0072] La sous-couche 38 présente une épaisseur inférieure à l'épaisseur de peau du matériau ferromagnétique et, de préférence, inférieure à la moitié ou au tiers de cette épaisseur de peau. Ici, son épaisseur est inférieure à 100 nm et, de préférence, inférieure à 50 ou 25 nm. Un tel choix de l'épaisseur de la sous-couche ferromagnétique limite les pertes magnétiques du matériau.

[0073] Typiquement, la sous-couche 38 est réalisée dans un alliage de fer et/ou de cobalt et/ou de nickel. Il peut notamment s'agir d'un alliage FeCo ou d'un alliage FeCoB. Ici, il s'agit d'un alliage Fe₆₅Co₃₅.

[0074] La sous-couche antiferromagnétique 40 est par exemple réalisée dans un alliage de manganèse et notamment dans un alliage de manganèse et de nickel. Par exemple, ici, il s'agit d'un alliage Ni₅₀Mn₅₀. La présence de la couche antiferromagnétique permet de créer un couplage d'échange afin que le matériau soit autopolarisé et ne nécessite donc pas pour cela la présence d'un champ magnétique extérieur artificiel.

[0075] Typiquement, l'épaisseur de cette sous-couche 40 est inférieure à 100 nm et, par exemple, inférieure à 50 nm.

[0076] La sous-couche ferromagnétique 42 est par exemple identique à la sous-couche 38.

[0077] De même, la sous-couche intermédiaire 44 est par exemple identique à la sous-couche 36.

[0078] La sous-couche isolante 32 est réalisée dans un matériau diélectrique présentant une permittivité relative supérieure à 10 et, de préférence, supérieure à 100 à 2 ou 3 GHz. Cette sous-couche est typiquement réalisée à l'aide d'un oxyde de strontium (Sr) et de titane (Ti). Par exemple, il s'agit de titane de strontium (SrTiO₃). L'épaisseur de la sous-couche 32 est inférieure à 10 µm ou 1 µm. Elle est généralement plus épaisse que les sous-couches ferromagnétiques et antiferromagnétique.

[0079] Le deuxième groupement 34 est par exemple identique au premier groupement 30 et ne sera donc pas décrit plus en détail.

[0080] Les éléments rayonnants 14 sont par exemple fabriqués par dépôt sur la couche diélectrique 20, 22 ou 24 des sous-couches fines les unes après les autres. Ces sous-couches s'étendent sur l'ensemble de la surface de la couche diélectrique. Ensuite, les éléments résonnants 14 sont individualisés par gravure de cet empilement de sous-couches fines.

[0081] La figure 5 illustre l'évolution de la phase du coefficient de réflexion de quatre conducteurs magnétiques artificiels différents correspondant aux courbes, respectivement, 50, 52, 54 et 56, en fonction de la fréquence de l'onde électromagnétique incidente. Les courbes 50 et 52 correspondent à des conducteurs magnétiques artificiels pour lesquels le nombre n de surfaces sélectives en fréquences est égal à quatre. Les courbes 54 et 56 correspondent à des conducteurs magnétiques artificiels pour lesquels le nombre n de surfaces sélectives en fréquences est égal à trois.

[0082] Les courbes 50 et 54 correspondent à des conducteurs magnétiques artificiels réalisés avec des éléments résonnants comportant au moins une sous-couche ferromagnétique. Les courbes 52 et 56 correspondent à des conducteurs magnétiques artificiels dans lesquels les éléments résonnants sont uniquement réalisés à l'aide d'une couche métallique telle que du cuivre.

[0083] Comme mis en évidence par les résultats de simulations illustrés sur le graphe de la figure 5, la présence d'une sous-couche ferromagnétique permet de diminuer la fréquence de résonance f₀ par rapport au cas où une telle sous-couche est absente. De plus, les courbes 50 et 54 sont moins pentues que les courbes 52 et 56 de sorte que la bande passante des conducteurs magnétiques artificiels correspondant est plus large que celles des conducteurs magnétiques artificiels correspondant aux couches 52 et 56. Ainsi, la présence d'au moins une sous-couche ferromagnétique permet d'élargir la bande passante et de diminuer la fréquence de résonance f₀.

[0084] Le graphe de la figure 6 représente l'évolution du module, exprimé en décibel, du coefficient de réflexion de différents conducteurs magnétiques artificiels en fonction de la fréquence de l'onde électromagnétique incident.

[0085] Les courbes 60 et 62 correspondent chacune à des conducteurs magnétiques artificiels comportant uniquement un empilement de trois surfaces sélectives en fréquence.

[0086] Les courbes 64 et 66 correspondent à des conducteurs magnétiques artificiels comportant uniquement un empilement de quatre surfaces sélectives en fréquence.

[0087] Les courbes 60 et 66 correspondent à des conducteurs magnétiques artificiels dans lesquels les éléments résonnants sont uniquement formés d'un matériau métallique tel que du cuivre.

[0088] Les courbes 62 et 64 correspondent à des conducteurs magnétiques artificiels dans lesquels les éléments résonnants comportent au moins une sous-couche ferromagnétique.

[0089] Comme illustré sur ce graphe, la présence de la sous-couche ferromagnétique diminue la fréquence pour laquelle le module du coefficient de réflexion est minimal

[0090] La figure 7 représente un graphe illustrant l'évolution de la phase du coefficient de réflexion (exprimée en degrés) en fonction de la fréquence (exprimées en GHz). La courbe 70 correspond à un conducteur magnétique artificiel n'ayant qu'une seule surface sélective en fréquence tandis que la courbe 72 correspond à un conducteur magnétique artificiel comportant un empilement de plusieurs surfaces sélectives en fréquence. Comme illustré sur ce graphe, l'utilisation d'un empilement de plusieurs surfaces sélectives en fréquence diminue de façon importante la fréquence de résonance f₀ du conducteur magnétique artificiel. Cette diminution de la fréquence f₀ est particulièrement perceptible pour un nombre n de surfaces sélectives en fréquence compris entre deux et dix.

[0091] La figure 8 représente un élément résonant 80 susceptible d'être utilisé en lieu et place de l'élément résonant 14. L'élément résonant 80 est formé d'un empilement de plusieurs sous-couches fines dont au moins une sous-couche réalisée en matériau ferromagnétique. Par exemple, ici, l'élément résonant 80 comporte une sous-couche 82 en matériau ferromagnétique superposée sur une sous-couche 84 en matériau diélectrique elle-même superposée sur une sous-couche 86 en métal.

[0092] Les sous-couches 82 et 84 présentent, respectivement, une perméabilité et une permittivité relatives supérieures à 10 pour une fréquence de 2 ou 3 GHz. Ces sous-couches sont par exemple réalisées comme décrit en regard de l'élément résonant 14.

[0093] La sous-couche 86 est par exemple réalisée en cuivre de manière à limiter les pertes ohmiques de l'antenne.

[0094] Les figures 9 et 10 représentent deux autres modes de réalisation d'un conducteur magnétique artificiel. Plus précisément, les figures 9 et 10 représentent des conducteurs magnétiques artificiels, respectivement, 90 et 100. Pour simplifier les figures 9 et 10, seul le plan de masse 12 a été représenté et une seule surface sélective en fréquence.

[0095] Le conducteur magnétique artificiel 90 comprend une surface sélective en fréquence 92 pourvue d'un réseau d'éléments résonnants 94. Ces éléments résonnants 94 sont alignés le long d'un axe horizontal 96. Chaque élément résonant 94 s'étend dans un plan faisant un angle θ avec le plan de masse 12. L'angle θ est typiquement compris entre -45° et +45° et, de préférence, compris entre [-45°; -5°] et [+5°;+45°].

[0096] Le conducteur magnétique artificiel 100 comporte une surface sélective en fréquence 102 réalisée à l'aide d'éléments résonnants 104 et 106 alignés le long d'une direction horizontale 108. Comme dans le mode de réalisation de la figure 9, les éléments 104 et 106 s'étendent dans des plans faisant des angles, respectivement α et β, avec le plan de masse 12. Ici, les angles α et β sont compris entre -45° et +45°et, de préférence, compris entre [-45°; -5°] et [+5°;+45°]. Toutefois, dans ce mode de réalisation, les angles α et β sont différents l'un de l'autre. De préférence, ils sont choisis de manière à ce que chaque élément résonant 104 soit le symétrique d'un élément résonant 106 par rapport à un plan vertical.

[0097] De nombreux autres modes de réalisation sont possibles.

[0098] Par exemple, la périodicité des éléments résonnants n'est pas nécessairement la même dans chaque surface sélective en fréquence. De même, la périodicité des éléments résonnants dans une direction du réseau n'est pas nécessairement la même que la périodicité dans une autre direction.

[0099] Les matériaux utilisés pour réaliser les éléments résonnants d'une surface sélective en fréquence ne sont pas nécessairement les mêmes que ceux utilisés pour réaliser les éléments résonnants d'une autre surface sélective en fréquence du même conducteur magnétique artificiel.

[0100] Les épaisseurs des couches diélectriques séparant les surfaces sélectives en fréquence peuvent être toutes différentes ou au contraire toutes identiques. De façon similaires, le matériau diélectrique formant ces couches diélectriques peut être le même pour toutes les couches ou différent pour une ou plusieurs de ces couches diélectriques.

[0101] De nombreuses formes sont possibles pour chaque élément résonant. Par exemple, il peut s'agir d'une pastille carrée, orthogonale, en forme de diamant ou d'un dipôle. Généralement, cette forme présente un axe de symétrie par rapport à un axe orthogonal au plan dans lequel s'étend l'essentiel de cet élément résonant.

[0102] Les éléments résonnants d'une surface sélective en fréquence ne sont pas nécessairement empilés rigoureusement les uns au-dessus des autres. Par exemple, les axes de symétrie des éléments résonnants d'une surface sélective en fréquence inférieure peuvent être décalés dans une direction horizontale par rapport aux axes de symétrie des éléments résonnants d'une surface sélective en fréquence supérieure.

[0103] Tous les éléments résonnants ou seulement certains peuvent être raccordés électriquement au plan de masse par des plots métalliques verticaux connus sous le terme de « vias ».

[0104] Les éléments résonnants ne sont pas disposés nécessairement de façon périodique le long d'une ou deux directions horizontales.

[0105] Dans un mode de réalisation simplifié, le deuxième groupement et la sous-couche diélectrique de l'élément résonant 14 sont omis. Dans un mode de réalisation encore plus simplifié, l'élément résonant est constitué d'une seule sous-couche fine en matériau ferromagnétique dont l'épaisseur est inférieure à l'épaisseur de peau de ce matériau ferromagnétique.

[0106] En variante, d'autres matériaux peuvent être utilisés comme diélectrique. Par exemple, il peut s'agir d'un oxyde de baryum (Ba) et de titane (Ti), notamment du titane de baryum BaTiO₃, d'un oxyde de hafnium (Hf), notamment du HfO₂, ou de tantale (Ta), notamment du Ta₂O₅ (ferroélectrique). On préférera néanmoins les pérovskites comme BaTiO₃ ou SrTiO₃ par exemple qui présentent une permittivité relative plus élevée (de l'ordre de 100 contre 10 pour les oxydes de baryum ou d'halfnium à 2 ou 3 GHz).

[0107] D'autres matériaux sont également possibles pour la couche antiferromagnétique comme un alliage PtMn ou IrMn et plus généralement tout alliage à base de manganèse ou encore les oxydes de fer ou de cobalt ou de nickel.

[0108] Pour la couche ferromagnétique, on privilégiera les alliages CoFeB, FeN et CoFeN, mais d'autres matériaux sont possibles, notamment tous les alliages associant deux ou trois des éléments choisis parmi le fer, le cobalt et le nickel. Ces alliages pourront éventuellement être dopés, par exemple en bore ou en azote. Ils pourront également être associés à d'autres éléments comme Al, Si, Ta, Hf, Zr.

[0109] Le conducteur rayonnant peut être un simple fil. Le conducteur peut se substituer à l'un des éléments rayonnants de la face avant.

[0110] Le plan de masse peut être un second conducteur magnétique artificiel identique au premier conducteur magnétique artificiel et disposé de façon symétrique du premier conducteur magnétique artificiel par rapport à un plan de symétrie pour former une image électrique du premier conducteur magnétique artificiel. Dans ces conditions, le premier conducteur magnétique artificiel fonctionne comme s'il existait une couche métallique à la place du plan de symétrie. Ainsi, ici, on désigne par « plan de masse » aussi bien une couche métallique uniformément répartie dans un plan qu'un second conducteur magnétique artificiel symétrique du premier conducteur magnétique artificiel par rapport à ce plan. On notera cependant que le second conducteur magnétique artificiel rayonne dans le demi-espace inférieur situé au-dessous du plan de symétrie. Par conséquent, une telle antenne rayonne dans l'ensemble de l'espace.

Revendications

1. Conducteur magnétique artificiel présentant une impédance de surface supérieure à 100 Ω, ce conducteur comportant :

- un plan de masse (12),

- au moins une première surface sélective en fréquence (10, 20, 22), transparente pour certaines longueurs d'onde et réfléchissantes pour une plage de longueurs d'ondes, cette surface sélective en fréquence comprenant un réseau d'éléments résonnants (14; 94; 104, 106) conducteurs disposés les uns à côté des autres dans au moins deux directions différentes parallèles au plan de masse,

caractérisé en ce que chaque élément résonant (14; 94; 104, 106) est formé d'au moins une sous-couche (38, 42; 82) en matériau ferromagnétique dont la perméabilité relative est supérieure à 10 pour une fréquence de 2 GHz et dont l'épaisseur est strictement inférieure à l'épaisseur de peau de ce matériau ferromagnétique.

2. Conducteur selon la revendication 1, dans lequel au moins chaque élément résonant (14) de la première surface sélective en fréquence est formé d'un empilement de plusieurs sous-couches, chaque sous-couche ayant une épaisseur inférieure à 10 µm dans une direction perpendiculaire au plan de masse.

3. Conducteur selon la revendication 2, dans lequel au moins l'une des sous-couches de chaque élément résonnant est une sous-couche (32; 84) en matériau diélectrique présentant une permittivité relative supérieure à 10 pour une fréquence de 2 GHz.

4. Conducteur selon l'une quelconque des revendications 2 à 3, dans lequel au moins l'une des sous-couches de chaque élément résonnant est une sous-couche (40) antiferromagnétique directement déposée sur ou sous la sous-couche ferromagnétique (38, 42).

5. Conducteur selon l'une quelconque des revendications 2 à 4, dans lequel au moins l'une des sous-couches de chaque élément résonnant est une sous-couche métallique (86).

6. Conducteur selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le conducteur magnétique artificiel comporte n surfaces sélectives en fréquence (10, 20, 22) empilées les unes au-dessus des autres dans une direction perpendiculaire au plan de masse, chacune de ces surfaces sélectives en fréquence comportant un réseau d'éléments résonnants conducteurs disposés les uns à coté des autres dans au moins deux directions différentes parallèles au plan de masse (12) et séparées les unes des autres par une couche (24, 26, 28) en matériau diélectrique dont l'épaisseur est strictement supérieure à 10 µm, où n est un entier supérieur ou égal à deux.

7. Conducteur selon la revendication 6, dans lequel chaque élément résonant de chacune des n surfaces sélectives en fréquence est formé d'au moins une sous-couche en matériau ferromagnétique (38, 42; 82) dont la perméabilité relative est supérieure à 10 pour une fréquence de 2 GHz et dont l'épaisseur est strictement inférieure à l'épaisseur de peau de ce matériau ferromagnétique.

8. Conducteur selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel chaque élément résonant (14) est électriquement isolé du plan de masse (12) par une couche en matériau diélectrique (24, 26, 28).

9. Conducteur selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel chaque élément résonant (94; 104, 106) s'étend principalement dans un plan qui forme un angle avec le plan de masse compris entre 5° et 45°.

10. Antenne comportant :

- un conducteur magnétique artificiel (6; 90; 100) présentant une fréquence de résonance f₀,

- un conducteur rayonnant (4) apte à rayonner ou à recevoir des ondes électromagnétiques à une fréquence de travail f_T comprise entre 0,5f₀ et 2f₀, ce conducteur s'étendant dans un plan parallèle au conducteur magnétique artificiel et étant séparé de la surface sélective en fréquence (10) la plus proche de ce conducteur magnétique artificiel par une distance inférieure à λ₀/10, où λ₀ est la longueur d'onde d'une onde électromagnétique de fréquence f₀,

caractérisée en ce que le conducteur magnétique artificiel (6; 90; 100) est conforme à l'une quelconque des revendications précédentes.

Ansprüche

1. Künstlicher magnetischer Leiter, der eine Oberflächenimpedanz von mehr als 100 Ω aufweist, wobei dieser Leiter aufweist:

- eine Masseebene (12),

- wenigstens eine erste frequenzselektive Fläche (10, 20, 22), die für gewisse Wellenlängen durchlässig ist und für einen Wellenlängenbereich reflektierend ist, wobei diese frequenzselektive Fläche ein Netz von leitenden Resonanzelementen (14; 94; 104, 106) aufweist, die nebeneinander in mindestens zwei verschiedenen, zur Masseebene parallelen Richtungen angeordnet sind,

dadurch gekennzeichnet, dass jedes Resonanzelement (14; 94; 104, 106) von mindestens einer Unterschicht (38, 42; 82) aus ferromagnetischem Material gebildet wird, deren relative Permeabilität für eine Frequenz von 2 GHz größer als 10 ist und deren Dicke streng kleiner als die Hautdicke dieses ferromagnetischen Materials ist.

2. Leiter nach Anspruch 1, wobei wenigstens jedes Resonanzelement (14) der ersten frequenzselektiven Fläche von einem Stapel von mehreren Unterschichten gebildet wird, wobei jede Unterschicht eine Dicke von weniger als 10 µm in einer zur Masseebene senkrechten Richtung aufweist.

3. Leiter nach Anspruch 2, wobei wenigstens eine der Unterschichten jedes Resonanzelements eine Unterschicht (32; 84) aus dielektrischem Material ist, die eine relative Permittivität, welche größer als 10 ist, für eine Frequenz von 2 GHz aufweist.

4. Leiter nach einem der Ansprüche 2 bis 3, wobei wenigstens eine der Unterschichten jedes Resonanzelements eine antiferromagnetische Unterschicht (40) ist, die direkt auf oder unter die ferromagnetische Unterschicht (38, 42) aufgebracht ist.

5. Leiter nach einem der Ansprüche 2 bis 4, wobei wenigstens eine der Unterschichten jedes Resonanzelements eine metallische Unterschicht (86) ist.

6. Leiter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der künstliche magnetische Leiter n frequenzselektive Flächen (10, 20, 22) aufweist, die in einer zur Masseebene senkrechten Richtung übereinander gestapelt sind, wobei jede dieser frequenzselektiven Flächen ein Netz von leitenden Resonanzelementen aufweist, die nebeneinander in mindestens zwei verschiedenen, zur Masseebene (12) parallelen Richtungen angeordnet sind und voneinander durch eine Schicht (24, 26, 28) aus dielektrischem Material getrennt sind, deren Dicke streng größer als 10 µm ist, wobei n eine ganze Zahl ist, die größer oder gleich zwei ist.

7. Leiter nach Anspruch 6, wobei jedes Resonanzelement jeder der n frequenzselektiven Flächen von mindestens einer Unterschicht (38, 42; 82) aus ferromagnetischem Material gebildet wird, deren relative Permeabilität für eine Frequenz von 2 GHz größer als 10 ist und deren Dicke streng kleiner als die Hautdicke dieses ferromagnetischen Materials ist.

8. Leiter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei jedes Resonanzelement (14) von der Masseebene (12) durch eine Schicht aus dielektrischem Material (24, 26, 28) isoliert ist.

9. Leiter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei sich jedes Resonanzelement (94; 104, 106) hauptsächlich in einer Ebene erstreckt, welche mit der Masseebene einen Winkel bildet, der zwischen 5° und 45° liegt.

10. Antenne, welche aufweist:

- einen künstlichen magnetischen Leiter (6; 90; 100), der eine Resonanzfrequenz f₀ aufweist,

- einen strahlenden Leiter (4), der geeignet ist elektromagnetische Wellen mit einer Arbeitsfrequenz f_T, die zwischen 0,5f₀ und 2f₀ liegt, auszustrahlen oder zu empfangen, wobei sich dieser Leiter in einer zu dem künstlichen magnetischen Leiter parallelen Ebene erstreckt und von der nächstliegenden frequenzselektiven Fläche (10) dieses künstlichen magnetischen Leiters durch einen Abstand getrennt ist, der kleiner als λ₀/10 ist, wobei λ₀ die Wellenlänge einer elektromagnetischen Welle mit der Frequenz f₀ ist,

dadurch gekennzeichnet, dass der künstliche magnetische Leiter (6; 90; 100) ein Leiter nach einem der vorhergehenden Ansprüche ist.

Claims

1. Artificial magnetic conductor exhibiting a surface impedance greater than 100 Ω, this conductor comprising:

- a ground plane (12),

- at least one first frequency-selective surface (10, 20, 22), transparent for certain wavelengths and reflecting for a range of wavelengths, this frequency-selective surface comprising an array of conductive resonant elements (14; 94; 104, 106) arranged alongside one another in at least two different directions parallel to the ground plane,

characterized in that each resonant element (14; 94; 104, 106) is formed by at least one sublayer (38, 42; 82) of ferromagnetic material with a relative permeability greater than 10 for a frequency of 2 GHz and with a thickness strictly less than the skin thickness of this ferromagnetic material.

2. Conductor according to Claim 1, in which at least each resonant element (14) of the first frequency-selective surface is formed by a stack of several sublayers, each sublayer having a thickness less than 10 µm in a direction at right angles to the ground plane.

3. Conductor according to Claim 2, in which at least one of the sublayers of each resonant element is a sublayer (32; 84) of dielectric material exhibiting a relative permittivity greater than 10 for a frequency of 2 GHz.

4. Conductor according to either of Claims 2 and 3, in which at least one of the sublayers of each resonant element is an antiferromagnetic sublayer (40) directly deposited on or under the ferromagnetic sublayer (38, 42).

5. Conductor according to any one of Claims 2 to 4, in which at least one of the sublayers of each resonant element is a metal sublayer (86).

6. Conductor according to any one of the preceding claims, in which the artificial magnetic conductor comprises n frequency-selective surfaces (10, 20, 22) stacked one on top of the other in a direction at right angles to the ground plane, each of these frequency-selective surfaces comprising an array of conductive resonant elements arranged alongside one another in at least two different directions parallel to the ground plane (12) and separated from one another by a layer (24, 26, 28) of dielectric material with a thickness strictly greater than 10 µm, where n is an integer greater than or equal to two.

7. Conductor according to Claim 6, in which each resonant element of each of the n frequency-selective surfaces is formed by at least one sublayer of ferromagnetic material (38, 42; 82) with a relative permeability greater than 10 for a frequency of 2 GHz and with a thickness strictly less than the skin thickness of this ferromagnetic material.

8. Conductor according to any one of the preceding claims, in which each resonant element (14) is electrically insulated from the ground plane (12) by a layer of dielectric material (24, 26, 28).

9. Conductor according to any one of the preceding claims, in which each resonant element (94; 104, 106) extends mainly in a plane which forms an angle with the ground plane of between 5° and 45°.

10. Antenna comprising:

- an artificial magnetic conductor (6; 90; 100) exhibiting a resonance frequency f₀,

- a radiant conductor (4) suitable for radiating or for receiving electromagnetic waves at a working frequency f_T of between 0.5f₀ and 2f₀, this conductor extending in a plane parallel to the artificial magnetic conductor and being separated from the closest frequency-selective surface (10) of this artificial magnetic conductor by a distance less than λ₀/10, where λ₀ the wavelength of an electromagnetic wave of frequency f₀,

characterized in that the artificial magnetic conductor (6; 90; 100) conforms to any one of the preceding claims.

Dessins