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(11) | EP 2 898 568 B1 |
| (12) | FASCICULE DE BREVET EUROPEEN |
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| (54) |
ABSORBANT ELECTROMAGNETIQUE ELEKTROMAGNETISCHER ABSORBER ELECTROMAGNETIC ABSORBER |
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| Il est rappelé que: Dans un délai de neuf mois à compter de la date de publication de la mention de la délivrance de brevet européen, toute personne peut faire opposition au brevet européen délivré, auprès de l'Office européen des brevets. L'opposition doit être formée par écrit et motivée. Elle n'est réputée formée qu'après paiement de la taxe d'opposition. (Art. 99(1) Convention sur le brevet européen). |
[0002] Le document US 7 826 504 B2 décrit un absorbant électromagnétique.Le document US-2011/0175672 décrit un absorbant électromagnétique comportant un ensemble d'éléments métalliques disposés sur un substrat à semi-conducteur. Une commande électrique est utilisée pour moduler la conductivité du substrat à semi-conducteur, ce qui permet de régler la bande d'absorption électromagnétique de l'absorbant.
[0003] Un inconvénient de l'absorbant électromagnétique décrit dans ce document est qu'il nécessite l'utilisation une commande électrique, ce qui complique sa fabrication et son utilisation.
[0004] Il existe donc un besoin d'un absorbant électromagnétique qui soit plus simple à fabriquer et à utiliser, et qui puisse être utilisé sur des surfaces conformées sans perdre ses propriétés. La présente invention vient améliorer la situation.
[0006] Ainsi, l'absorbant électromagnétique selon l'invention permet d'obtenir une bande d'absorption électromagnétique souhaitée de manière passive. En conséquence, l'absorbant électromagnétique est plus simple à mettre en oeuvre.
[0007] Selon des modes de réalisation de l'invention, un motif élémentaire comportant plusieurs éléments résonants de dimensions différentes est répété périodiquement sur le substrat diélectrique isolant.
[0008] Un élément résonant peut par exemple présenter une forme carrée, rectangulaire, polygonale ou circulaire.
[0009] L'épaisseur du substrat diélectrique isolant peut être déterminée en fonction d'une fréquence de résonance électromagnétique de la bande d'absorption électromagnétique prévue et/ou d'un niveau d'absorption désiré.
[0010] La fréquence de résonance électromagnétique d'un élément résonant de forme carrée peut être réglée en adaptant la longueur d'un côté de l'élément résonant de manière que :
où :
fr désigne la fréquence de résonance électromagnétique d'ordre zéro de l'élément résonant,
c0 désigne la vitesse de la lumière dans le vide,
µr désigne la perméabilité relative du substrat diélectrique,
εr désigne la permittivité relative du substrat diélectrique, et
L' désigne la longueur d'un côté de l'élément résonant.
[0011] La fréquence de résonance électromagnétique d'un élément résonant de forme circulaire peut être réglée en adaptant le rayon de l'élément résonant de manière que :
où :
f(0) désigne la fréquence de résonance électromagnétique d'ordre zéro de l'élément résonant,
a désigne le rayon de l'élément résonant,
c0 désigne la vitesse de la lumière dans le vide,
z0 = 1,841 désigne le premier maximum de la fonction de Bessel J1(z) d'ordre 1,
µr désigne la perméabilité relative du substrat diélectrique,
εr désigne la permittivité relative du substrat diélectrique,
µ = µrµ0
ε = εrε0
µ0 = 4π.10-7 H/m, et
ε0 = 8,854187.10-12 F/m.
[0012] L'absorbant électromagnétique peut en outre comporter plusieurs couches d'absorption empilées, chaque couche d'absorption comportant un ensemble d'éléments résonants métalliques.
[0014] D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront encore à la lecture de la description qui va suivre. Celle-ci est purement illustrative et doit être lue en regard des dessins annexés sur lesquels :
- La Figure 1 est une vue en perspective d'un absorbant électromagnétique selon un mode de réalisation de l'invention ;
- La Figure 2 est une vue en perspective d'une portion de l'absorbant électromagnétique de la Figure 1 ;
- La Figure 3 est une vue en coupe transversale de la portion d'absorbant électromagnétique de la Figure 2 ;
- La Figure 4 est un graphe représentant le coefficient de réflexion d'une onde électromagnétique incidente sur la portion d'absorbant électromagnétique des Figures 2 et 3 en fonction de la fréquence de l'onde électromagnétique incidente ;
- La figure 5 est une vue agrandie d'un motif élémentaire de l'absorbant électromagnétique de la Figure 1 ;
- La Figure 6 est un graphe représentant le coefficient de réflexion d'une onde électromagnétique incidente sur l'absorbant électromagnétique de la Figure 1 en fonction de la fréquence de l'onde électromagnétique incidente ;
- La Figure 7 est une vue en coupe transversale d'un absorbant électromagnétique selon un autre mode de réalisation dans lequel l'absorbant électromagnétique comporte plusieurs couches d'absorption empilées ; et
- la Figure 8 est un organigramme illustrant les étapes d'un procédé de fabrication d'un absorbant électromagnétique selon un mode de réalisation de l'invention.
[0015] La Figure 1 représente un absorbant électromagnétique 1 selon un mode de réalisation de l'invention. L'absorbant électromagnétique 1 présente ici une forme plane. En variante, l'absorbant électromagnétique 1 pourrait présenter une forme courbe, afin de permettre l'intégration de l'absorbant 1 dans un système de courbure quelconque.
[0016] On définit un repère orthogonal (0, X, Y, Z) dont les axes X et Y s'étendent dans le plan de l'absorbant électromagnétique 1, et dont l'axe Z est perpendiculaire au plan de l'absorbant 1.
[0017] Les Figures 2 et 3 représentent une portion de l'absorbant électromagnétique 1, respectivement en perspective et en coupe transversale.
[0019] L'absorbant électromagnétique 1 comporte également un substrat diélectrique isolant 3, disposé sur le plan de masse 2. Le substrat 3 est par exemple un composite de résine époxy renforcé de fibre de verre (époxy FR4).
[0020] L'absorbant électromagnétique 1 comporte également un ensemble d'éléments résonants 4 métalliques, disposés sur le substrat diélectrique 3. Les éléments résonants 4 sont par exemple réalisés en cuivre. Chaque élément résonant 4 peut présenter une forme quelconque, par exemple une forme polygonale ou circulaire.
[0021] L'absorbant électromagnétique 1 représenté sur la Figure 1 comporte des éléments résonants 4 de forme carrée et des éléments résonants 4 de forme rectangulaire. La portion d'absorbant électromagnétique 1 représentée sur les Figures 2 et 3 comporte un unique élément résonant 4 de forme carrée.
[0022] La fréquence de résonance d'un élément résonant 4 dépend notamment des dimensions de l'élément résonant 4 et de l'épaisseur du substrat diélectrique 3. Le niveau d'absorption dépend notamment de l'épaisseur du substrat diélectrique 3 et de la périodicité de l'ensemble d'éléments résonants 4.
[0023] Par exemple, dans le cas d'un élément résonant 4 de forme carrée, la fréquence de résonance électromagnétique de l'élément résonant 4 peut être réglée en adaptant la longueur L' d'un côté de l'élément résonant 4 de manière que :
Où :
fr désigne la fréquence de résonance électromagnétique d'ordre zéro de l'élément résonant 4,
c0 désigne la vitesse de la lumière dans le vide,
µr désigne la perméabilité relative du substrat diélectrique,
εr désigne la permittivité relative du substrat diélectrique 3, et
L' désigne la longueur d'un côté de l'élément résonant 4.
[0024] L'équation ci-dessus permet d'obtenir un réglage de la fréquence de résonance électromagnétique à quelques pourcents près.
[0025] Un réglage plus précis de la fréquence de résonance électromagnétique de l'élément résonant 4 peut être obtenu en considérant que la longueur L' est une approximation de la longueur d'un côté de l'élément résonant 4 et en adaptant la longueur L d'un côté de l'élément résonant 4 de manière que :
Ce qui donne :
Avec :
Où :
W désigne la largeur de l'élément résonant 4, c'est-à-dire que dans le cas d'un élément résonant de forme carrée W=L', et
h désigne l'épaisseur du substrat diélectrique 3,
Et où :[0026] La Figure 4 montre une courbe représentant le coefficient de réflexion calculé d'une onde électromagnétique incidente sur un réseau infini d'éléments résonants 4 carrés en fonction de la fréquence de l'onde électromagnétique incidente.
[0027] Chaque élément résonant 4 présente ici une forme carrée de 7mm de côté. Le réseau est donc périodique et formé d'un ensemble d'éléments résonants 4 identiques avec une période de 8 mm dans les directions du plan X et Y. Le substrat 3 est un substrat époxy FR4 de 0,3 mm d'épaisseur. On considère une onde électromagnétique incidente se propageant selon la direction Z.
[0028] On observe sur la figure 4 que la portion d'absorbant électromagnétique 1 présente une réflexion inférieure à 100%, et donc une absorption, autour de la fréquence 9,45 GHz, qui correspond à la fréquence de résonance de l'élément résonant 4. L'absorption est réalisée par un effet de résonance plasmonique de l'élément résonant 4 à sa fréquence de résonance.
[0029] Dans le cas d'un élément résonant 4 de forme circulaire, la fréquence de résonance électromagnétique peut être réglée en adaptant le rayon de l'élément résonant 4 de manière que :
Où :
f(0) désigne la fréquence de résonance électromagnétique d'ordre zéro de l'élément résonant 4,
a désigne le rayon de l'élément résonant 4,
c0 désigne la vitesse de la lumière dans le vide,
z0 = 1,841 désigne le premier maximum de la fonction de Bessel J1(z) d'ordre 1,
µr désigne la perméabilité relative du substrat diélectrique,
εr désigne la permittivité relative du substrat diélectrique 3,
µ = µrµ0
ε = εrε0
µ0 = 4π.10-7 H/m, et
ε0 = 8,854187.10-12 F/m.
[0030] Comme représenté sur la Figure 1, l'ensemble d'éléments résonants 4 de l'absorbant 1 comporte des éléments résonants 4 de dimensions et/ou de formes différentes. La juxtaposition des fréquences de résonance électromagnétiques des différents éléments résonants 4 permet ainsi d'obtenir une ou plusieurs bande(s) d'absorption électromagnétique.
[0031] Plusieurs éléments résonants 4 de dimensions et/ou de formes différentes peuvent être agencés sur le substrat 3 de manière à former un motif élémentaire ME permettant de couvrir la ou les bande(s) d'absorption électromagnétique prédéterminée(s).
[0032] La Figure 5 montre un agrandissement du motif élémentaire ME de la Figure 1. Ce motif élémentaire ME comporte quatre éléments résonants 4a de forme carrée présentant une longueur La de côté, quatre éléments résonants 4b de forme rectangulaire présentant une longueur Lb et une largeur lb, quatre éléments résonants 4c de forme carrée présentant une longueur Lc de côté, quatre éléments résonants 4d de forme rectangulaire présentant une longueur Ld et une largeur ld, quatre éléments résonants 4e de forme carrée présentant une longueur Le de côté, quatre éléments résonants 4f de forme rectangulaire présentant une longueur Lf et une largeur lf, et un élément résonant 4g central de forme carrée présentant une longueur Lg de côté.
[0033] Le motif élémentaire ME peut alors être répété périodiquement sur toute la surface du substrat diélectrique isolant 3, ou sur une partie de la surface du substrat diélectrique isolant 3. Le nombre de répétitions périodiques dépend de la surface sur laquelle on souhaite réaliser une absorption.
[0034] La figure 6 montre un graphe représentant le coefficient de réflexion d'une onde électromagnétique incidente sur l'absorbant électromagnétique 1 de la Figure 1 en fonction de la fréquence de l'onde électromagnétique incidente.
[0035] La courbe Cs est obtenue par une simulation, et la courbe Cm par une mesure. On considère un seuil d'absorption minimum fixé à -10 dB. On observe ainsi sur la Figure 6 une première bande d'absorption autour de la fréquence 7 GHz, et une deuxième bande d'absorption dans une plage de fréquences allant de 12,5 à 14,3 GHz.
[0036] L'absorbant électromagnétique 1 à métamatériau passif décrit ci-dessus présente l'avantage d'être léger, mince, et conformable. Il permet un fonctionnement identique indépendant de la polarisation sur une grande bande de fréquences et une large plage d'incidences.
[0037] L'absorbant électromagnétique 1 présente en plus une très faible épaisseur devant la longueur d'onde λ pour lequel il est calibré. Il est ainsi possible de réaliser une bande d'absorption avec une structure simple d'épaisseur approximative λ/45. Par exemple, l'épaisseur de l'absorbant 1 est d'environ 0,5 mm pour une longueur d'onde de 2,24 cm.
[0038] Comme cette épaisseur est très faible on peut augmenter l'absorption en utilisant des empilements de couches identiques d'épaisseur réduite devant la longueur d'onde. En d'autres termes, l'absorbant 1 comporte alors plusieurs couches d'absorption empilées, chaque couche d'absorption comportant un ensemble d'éléments résonants métalliques 4.
[0039] La Figure 7 montre un exemple de réalisation d'un absorbant 1 comportant quatre couches d'absorption empilées. L'absorbant électromagnétique 1 comporte ici un plan de masse 2, sur lequel est disposé un premier substrat diélectrique isolant 31. Un premier ensemble d'éléments résonants 41 métalliques est disposé sur le premier substrat diélectrique 31. Un deuxième substrat diélectrique 32 est disposé sur le premier ensemble d'éléments résonants 41. Un deuxième ensemble d'éléments résonants 42 métalliques est disposé sur le deuxième substrat diélectrique 32. Un troisième substrat diélectrique 33 est disposé sur le deuxième ensemble d'éléments résonants 42. Un troisième ensemble d'éléments résonants 43 métalliques est disposé sur le troisième substrat diélectrique 33. Un quatrième substrat diélectrique 34 est disposé sur le troisième ensemble d'éléments résonants 43. Un quatrième ensemble d'éléments résonants 44 métalliques est disposé sur le quatrième substrat diélectrique 34.
[0040] Le nombre de couches d'absorption empilées dépend de l'absorption souhaitée et n'est pas limitatif.
[0041] De plus, la faible épaisseur de l'absorbant 1 permet de réaliser un absorbant 1 conformable sur des surfaces de révolution à faible rayon de courbure.
[0042] L'absorbant électromagnétique 1 peut principalement être utilisé dans le domaine de la compatibilité électromagnétique.
[0043] En se référant à la Figure 8, on décrit les étapes d'un procédé de fabrication d'un absorbant électromagnétique 1 selon un mode de réalisation de l'invention.
[0044] A l'étape S1, un substrat diélectrique isolant 3 est disposé sur un plan de masse métallique 2. Le substrat 3 est par exemple un composite de résine époxy renforcé de fibre de verre (époxy FR4).
[0045] A l'étape S2, un ensemble d'éléments résonants 4 métalliques est disposé sur le substrat diélectrique isolant 3. Comme décrit ci-dessus, les dimensions des éléments résonants 4 sont adaptées en fonction d'une ou plusieurs bande(s) d'absorption électromagnétique souhaitée(s).
• un plan de masse métallique (2),
• un substrat diélectrique isolant (3), disposé sur ledit plan de masse métallique,
• un ensemble d'éléments résonants (4) métalliques, disposés sur ledit substrat diélectrique isolant, la fréquence de résonance électromagnétique d'un élément résonant étant réglée en adaptant les dimensions de l'élément résonant, caractérisé en ce que l'ensemble d'éléments résonants comportant des éléments résonants de dimensions différentes agencés sur le substrat de manière à former un motif permettant de couvrir une bande d'absorption électromagnétique prédéterminée par effet de résonance plasmonique des éléments résonants.
où :
fr désigne la fréquence de résonance électromagnétique d'ordre zéro de l'élément résonant,
c0 désigne la vitesse de la lumière dans le vide,
µr désigne la perméabilité relative du substrat diélectrique,
εr désigne la permittivité du substrat diélectrique, et
L' désigne la longueur d'un côté de l'élément résonant.
où :
f(0) désigne la fréquence de résonance électromagnétique d'ordre zéro de l'élément résonant,
a désigne le rayon de l'élément résonant,
c0 désigne la vitesse de la lumière dans le vide,
z0 = 1,841 désigne le premier maximum de la fonction de Bessel J1(z) d'ordre 1,
µr désigne la perméabilité relative du substrat diélectrique,
εr désigne la permittivité du substrat diélectrique,
µ = µrµ0
ε = εrε0
µ0 = 4π.10-7 H/m, et
ε0 = 8,854187.10-12 F/m.
• disposer un substrat diélectrique isolant sur un plan de masse métallique, et
• disposer un ensemble d'éléments résonants métalliques sur ledit substrat diélectrique isolant, la fréquence de résonance électromagnétique d'un élément résonant étant réglée en adaptant les dimensions de l'élément résonant, caractérisé en ce que l'ensemble d'éléments résonants comportant des éléments résonants de dimensions différentes agencés sur le substrat de manière à former un motif permettant de couvrir une bande d'absorption électromagnétique prédéterminée par effet de résonance plasmonique des éléments résonants.
- eine metallische Masseebene (2),
- ein isolierendes dielektrisches Substrat (3), das auf der metallischen Masseebene angeordnet ist,
- einen Satz metallischer Resonanzelemente (4), die auf dem isolierenden dielektrischen Substrat angeordnet sind, wobei die elektromagnetische Resonanzfrequenz eines Resonanzelements durch Anpassen der Abmessungen des Resonanzelements eingestellt wird, dadurch gekennzeichnet, dass wobei der Resonanzelementesatz Resonanzelemente unterschiedlicher Abmessungen umfasst, die so auf dem Substrat eingerichtet sind, dass sie ein Muster bilden, welches es ermöglicht, eine vorbestimmte elektromagnetische Absorptionsbande mit plasmonischem Resonanzeffekt der Resonanzelemente abzudecken.
wobei:
fr die elektromagnetische Resonanzfrequenz nullter Ordnung des Resonanzelements bezeichnet,
c0 die Geschwindigkeit des Lichts im Vakuum bezeichnet,
µr die relative Permeabilität des dielektrischen Substrats bezeichnet,
εr die Permittivität des dielektrischen Substrats bezeichnet, und
L' die Länge einer Seite des Resonanzelements bezeichnet.
wobei:
f(0) die elektromagnetische Resonanzfrequenz nullter Ordnung des Resonanzelements bezeichnet,
a den Radius des Resonanzelements bezeichnet,
c0 die Geschwindigkeit des Lichts im Vakuum bezeichnet,
z0 = 1,841 das erste Maximum der Besselfunktion J1(z) 1. Ordnung bezeichnet,
µr die relative Permeabilität des dielektrischen Substrats bezeichnet,
εr die Permittivität des dielektrischen Substrats bezeichnet,
µ = µrµ0
ε = εrε0
µ0 = 4π.10-7 H/m, und
ε0 = 8,854187.10-12 F/m.
- Anordnen eines isolierenden dielektrischen Substrats auf einer metallischen Masseebene, und
- Anordnen eines Satzes metallischer Resonanzelemente auf dem isolierenden dielektrischen Substrat, wobei die elektromagnetische Resonanzfrequenz eines Resonanzelements durch Anpassen der Abmessungen des Resonanzelements eingestellt wird, dadurch gekennzeichnet, dass wobei der Resonanzelementesatz Resonanzelemente unterschiedlicher Abmessungen umfasst, die so auf dem Substrat eingerichtet sind, dass sie ein Muster bilden, welches es ermöglicht, eine vorbestimmte elektromagnetische Absorptionsbande mit plasmonischem Resonanzeffekt der Resonanzelemente abzudecken.
- a metal ground plane (2),
- an insulating dielectric substrate (3), arranged on said metal ground plane,
- an array of resonating metal elements (4), arranged on said insulating dielectric substrate, the electromagnetic resonant frequency of a resonating element being adjusted by adapting the dimensions of the resonating element, characterised in that the array of resonating elements comprising resonating elements of various sizes arranged on the substrate in such a way as to form a pattern making it possible to cover a preset electromagnetic absorption band via the plasmon resonance effect of the resonating elements.
where:
fr designates the zero-order electromagnetic resonant frequency of the resonating element,
C0 designates the speed of light in a vacuum,
µr, designates the relative permeability of the dielectric substrate,
εr designates the permittivity of the dielectric substrate, and
L' designates the length of one side of the resonating element.
where:
f(0) designates the zero-order electromagnetic resonant frequency of the resonating element,
a designates the radius of the resonating element,
c0 designates the speed of light in a vacuum,
Z0 = 1,841 designates the first maximum of the order-1 Bessel function J1(z),
µr designates the relative permeability of the dielectric substrate,
εr designates the permittivity of the dielectric substrate,
µ = µrµ0
ε = εrε0
µ0 = 4π.10-7 H/m, and
ε0 = 8.854187.10-12 F/m.
- arranging an insulating dielectric substrate on a metal ground plane, and
- arranging an array of resonating metal elements on said insulating dielectric substrate, the electromagnetic resonant frequency of a resonating element being adjusted by adapting the dimensions of the resonating element, characterised in that the array of resonating elements comprising resonating elements of various sizes arranged on the substrate in such a way as to form a pattern making it possible to cover a preset electromagnetic absorption band via the plasmon resonance effect of the resonating elements.
RÉFÉRENCES CITÉES DANS LA DESCRIPTION
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