Brevet FR2036683A1 — publié le 19701231

I1 est bien connu que les caractéristiques électriques des circuits utilisés à la propagation des ondes électromagnétiques dépendent essentiellement de la perméabilité et de la permittivité du milieu dans lequel se produit la propagation.L'étude systématique des corps simples du point de vue de la permittivité montre que l'un des corps ayant la plus forte permittivité relative (80) est l'oxyde de titane. Ses pertes sont suffisamment peu élevées pour permettre son utilisation dans des dispositifs fonctionnant jusqu'à des fréquences de l'ordre du GHz.L'étude de matériaux composites, du type ferrite notamment, a révélé des structures présentant des permittivités supérieures à 100 000 aux fréquences vocales. Les pertes de ces matériaux les rendent inutilisables aux fréquences élevées. I1 en est de même des matériaux à base de titanate dont la permittivité ne dépasse pas plusieurs milliers. La présente invention a essentiellement pour objet une structure de matériau hétérogène présentant, suivant une direction privilégiée au moins, une permittivité supérieure à dix mille, tout en conservant des pertes suffisamment faibles ;usqu'à des fréquences de plusieurs GHz pour pouvoir être utilisée à la réalisation de lignes de transmission.L'invention concerne également l'application préférentielle desdits matériaux à la réalisation de lignes de transmission àsymétrie cylindrique. Les matériaux diélectriques selon la présente invention sont essentiellementcaractérisés par les points suivants a) une imbrication d'éléments métalliques isolés les uns des autres et de couches minces continues en diélectrique,imbrication de préférence périodique pour en faciliter la réalisation pratique,la dimension desdits éléments métalliques dans le sens de la projagation restant inférieure à 0,125 fois la longueur de l'onde propagée, et de préférence de l'ordre de quelques centièmes de cette longueur b) les éléments métallisés sont constitués par des bandes parallèles disposées dans des plans parallèles à celui des feuilles diélectriques, lesdits plans contenant la direction de propagation et la direction des bandes étant normale à ladite direction de propagation, un décalage suivant l'axe ae propagation , égal à la moitié de la largeur d'une bande étant prévu entre les éléments disposés dans deux plans adjacents c) le dlJlecriue est cortitué a'un ruban de matériau diélectrique dont l'une des faces torte des larroelles métalliques disposées trarsversa- lemfznt, ledit redan étant enroulé en hélice à coucres miiltirles de façon constituer no structure cylindrique dont l'axe coïncide avec la direc ion de propagation;; d) le 'ilectriue est constitué d'un ruban de matériau diélectrique dont l'une des faces porte une métallisation continue sur toute sa surface à l'exclusion d'une réserve d'épaisseur faible le long d'au moins l'un des bords, enroulé en hélice à spires jointives!multicouche, les spires de deux couches successives étant décalées de la moitié de la largeur du ruban, une fente longitudinale suivant l'axe de l'hélice étant réalisée suivant un rayon de la directrice de ladite hélice et remplie de matériau diélectrique. Ilest bien entendu que d'autres procédés que le simple empilement ou l'enroulement peuvent être utilisés à la réalisation de l'alternance périodique des feuilles diélectriques et des éléments métalliques constituant le matériau diélectrique selon l'invention, ces deux procédés étant mentionnés uniquement parcequ'ils sont technologiquement plus favorables. L'invention sera bien comprise en se reportant à la description suivante et aux figures qui l'accompagnent données à titre d'illustration non limitative de l'invention et dans lesquelles - les figures 1, 2 et 3 correspondent àune première variante de réalisation de l'invention, - les figures 4 et 5 représentent des variantes de réalisation, - la figure 6 représente une utilisation préférée de la variante du matériau selon l'invention représentée sur la figure 4, - la figure 7 représente une réalisation particulière du dié- lectrique selon l'invention dont les caractéristiques sont représentées par les courbes de la figure 8, - les figures 9 et 10 représentent les caractéristiques d'atténuation et de déphasage de lignes coaxiales mixtes réalisées à partir d' un diélectrique selon l'invention. La figure 1 représente d'une façon schématique un bloc de matériau diélectrique selon la présente invention constitué par un empilement de bandes métalliques indépendantes 1 disposées parallèlement les unesaux autres dans des plans parallèles et séparées par des feuilles de matériau isolant, non représentées sur la figure dans un but de clarification. On a en effet limité la figure au tracé des bandes métalliques sous peine de la rendre incompréhensible. Ainsi qu'il apparait les bandes métalliques appartenant à deux plans consécutifs sont disposées en quinconce partrçEw lation d'un demi pas (le pas étant égal à la largeur de la bande augmentée de l'intervalle entre deux bandes consécutives).On a repéré lescoordonnées de cet empilement d'éléments métalliques dans l'espace i l'aide du trièdre de référence : Ox, Oy, Oz. Un tel matériau présente des pro riotés électriques très intéressantes pour des ondes qui se propageraient suivant Oz, c'est-à-dire dans une direction parallèle aux plans des feuilles dS Plus particulièrement, la constante diélectrique du matériau dans la direction Oz dépasse 100 000 pour des valeurs de l'angle de pertes infé- rieures à 10-2. Ces caractéristiques peuvent dtre calculées en fonction des paramètres géométriques et électriques du matériau composite. On rapportera ici un résumé succint des résultats de cette étude faisant appel à un raisonnement mathématique relativement long et particulièrement des résultats intéressant la propagation d'une onde électromagnétique suivant l'axe Oz selon un mode dans lequel seules les trois composantes suivantes ne sont pas nulles - champ électrique suivant Oz - champ électrique suivant Oy - champ magnétique admettant une symétrie de révolution par rapport à Oz, dans le plan xOy. La permittivité selon Oz se détermine par l'étude du comportement du matériau composite représenté sur la figure 1 vis-à-vis d'un mp électrique parallèle à Oz. Celui-ci produit dans les bandes métalliques I des courants de circulation qui sont représentés par les traits en pointillé sur la figure 2, celle-ci représentant à plus grande échelle que la figure 1, une coupe du matériau diélectrique composite par un plan parallèle au plan yOz. Ainsi qu'il apparat sur la figure, on a appelé e l'é- paisseur des bandes métalliques 1, h leur largeur et d l'épaisseur des feuilles diélectriques 2 séparant les éléments métalliques.On peut écrire J z (1) E X Y j w ò Ez (1 - j tg gz) z où ut 2nf, f étant la fréquence #0 X permittivité du vide Ez = permittivité relative du matériau composite suivant Oz gz n angle de perte du matériau suivant Oz est la densité moyenne de courant dans le sens Oz à l'intérieur du diélectrique composite Y est l'admittance d'un cube d'arête unité de ce diélectrique compo site. Ez est la composante du champ électrique selon Oz. Le calcul de la permittivité apparente Q et de la tangente de pertes apparente tg sz, fait en tenant compte du mode de propagation dans le matériau, conduit aux formules : où EX est la permittivité du diélectrique des feuilles isolantes 2 la la conductivité des bandes métalliques 1 le ledéphasage linéique de l'onde plane dans l'air n X 60 = impédance intrinsèque de l'air. La permittivité et l'angle de perte du matériau selon Oy se déterminent d'une façon analogue. Le champ électrique suivant Oy étant perpendiculaire au plan des bandes conductrices, on peut négliger l'influence du champ dans la partie métallique devant le champ qui s'établit dans le diélectrique. Dans cette hypothèse, on obtient pour la permittivitéap- parente du diélectrique composite #y et la tangente de l'angle de pertes les expressions suivantes : (4) Ey " ED d d e et : ED d (5) tg gy X tg gD L'influence d'un champ magnétique de révolution perpendiculaire à Oz est représenté sur la figure 3 correspondant à une coupe analogue à celle de la figure 2. Le champ magnétique tangentiel est lié aux courants circulant dans les éléments métalliques (voir figure 2) par la loi d'Âm- père.Ce champ magnétique engendre à son tour un courant qui lui est perpendiculaire. On a représenté en traits interrompus sur la figure 3 les courants induits dans les éléments métalliques par le champ magnétique tangentiel. La circulation de ces courants crée des pertes qui correspondent aux pertes par courants de Foucault souvent étudiés dans la littérature. Le calcul permet de montrer que les pertes sont de la forme : où U - g/#0 #g étant la longueur d'onde dans le diélectrique com posite et > 0 la mOme grandeur dans l'air où W2 est la puissance transmise et wF la puissance perdue en suppo sant un diélectrique mixte selon la variante de la fi gure 4. L'équation (2) et l'équation (6) permettent de caractériser, en première approximation, le matériau diélectrique composite de l'invention vis-à-vis d'une onde dont les caractéristiques ont été données plus haut. On verra dans la suite de cet exposé que ce mode de propagation correspond au mode habituellement utilisé à la propagation des ondes dans des structures diélectriques cylindriques(mode TM). La figure 4 représente d'une façon schématique une variante du matériau diélectrique mixte selon l'invention. Ainsi qu'il est représenté, les bandes métalliques 1 de la variante précédente sont constituées par des bandes métallisées 1' transversales portées par un ruban diélectrique 2 jouant le rôle des feuilles diélectriques séparant les éléments 1 dans la réalisation de la figure 1. Le diélectrique composite est alors obtenu en enroulant le ruban 2 en hélice sur un support cylindrique isolant 3 en couches successives, le pas étant choisi de façon que, dans chaque couche successive, la bande métallisée 1' recouvre symétriquement l'intervalle 2' non métallisé de la couche précédente. On retrouve ainsi la disposition en quinconce des éléments métalliques 1' de deux couches adjacentes analogue à la disposition des éléments métalliques de la figure 1. Ce procédé de réalisation est particulièrement adapté à la réalisation de structures cylindriques. La figure 5 représente une variante de réalisation du diélectrique selon l'invention lorsque l'on désire obtenir une structure cylindrique. Ainsi qu'il apparait, un ruban diélectrique 2 métallisé d'une fa çon continue sur l'une de ses faces en 1 est enroulé en hélice multicouche à spires jointives sur un support cylindrique 3. Une réserve 4 est prévue dans la métallisation le long de l'un des bords du ruban. Afin de reproduire la structure discontinue des bandes métalliques, on découpe(5) une ou plusieurs fentes longitudinales dans l'hélice ainsi constituée,et parallèlement à l'axe de celle-ci.Pour des raisons de cohésion mécanique on emplit ensuite la ou les fentes à l'aide d'un matériau diélectrique susceptible de maintenir en place les couches successives de lthélice.Ce mode opératoire a pour effet de supprimer la distribution en quinconce dans un plan de section droite de l'hélice mais la préserve -dans tout plain contenant l'axe par suite du décalage d'un demi-pas des couches successivement de l'hélice. La figure 6 représente, vue en section droite 6 et en coupe a longitudinale 6by un cible coaxial mixte constitué d'une structure cylin dry que du type représenté sur la figure 4 entourée d'non tube métallique extérieur . L'espace compris entre le diélectrique mixte et le tube extérieur peut être de l'air ou un diélectrique isotrope à faibles pertes. Les caractéristiques des matériaux isolants composites suivant l'invention ont été mesurées sur un parallélépipède d'un tel matériau représenté sur la figure 7.Ce matériau est obtenu par empilement de feuilles diélectriques 2 en polystyrol de 22 nicrons d'épaisseur (d de la figure 2) de 40 mm de longueur suivant Ox et de 90 mm de hauteur suivant Oz.(On remarquera que le plan de la figure 7 correspond au plan yOz de la figure 1 après inversion du sens de Oz). Les éléments métalliques 1 sont constitués par des bandes d'aluminium ayant 6 microns d'épaisseur(e figure 2) et 35 mm de longueur suivant Ox (perpendiculaire au plan de la figure 7) et 15 mm de hauteur suivant Oz (h figure 2). Ces bandes sont collées sur des feuilles de polystyrol.Les intervalles 2' de diélectrique nu entre deux bandes métalliques adjacentes ont une hauteur négligeable Trente bandes identiques sont superposées et forment ainsi un bloc dont la section dans le plan xOy est de 35 x 1,2 mm (en tenant conpte de llépaisseur e des bandes métalliques et en négligeant celle de la colle).Pour obtenir la valeur de la permittivité apparente suivant Oz, on a fait une mesure de capacité après avoir établi des contacts de bonne qualité auxdeux extrémités en réalisant des bandes métallisées 8 de largeur supérieure (40 mm) aux deux bords des bandes diélectriques réunies électriquement à des plaques de court-circuit 9 et 9' Le court-circuit terminal 9 est en contact électrique avec un blindage 6-6' constitué de deux feuilles de clinquant de dimensions légèrement supérieures à celles des feuilles de plastique métallisé 2. Deux cales isolantes 7-7' permettent de serrer les feuilles 2 et de maintenir rigidement l'ensemble dans le blindage. La mesure de capacité est assurée entre les bornes C-C'. Des mesures faites à une fréquence égale à 800 Hz ont montré que la capacité varie entre 340 et 360 pF.L'écran métallique 6-6' et les plaques terminales 99' disposés autour du bloc n'influent que peu sur les résultats de mesures de capacité en basse fréquence, la capacité parasite du blindage étant de 1' ordre de 20 pF. La permittivité apparente est donnée en appliquant la for mule C 6 x X 0.35 soit # ~ 290 C. 102 d'où # = 105 approx. Si l'on reporte la valeur numérique correspondant à la réalisation cidessus dans la formule (2), on obtient # # 1,0 105 en utilisant comme épaisseur du diélectrique l'épaisseur totale 1,2 mm divisée par le nombre de couches (et non l'épaisseur de la feuille de polystyrol). L'effet de bord influe sur les pertes et non sur g . On peut donc admettre que les résultats des mesures faites sur cet échantillon donnent une image fidèle du comportement du matériau composite en grand volume en ce qui concerne la permittivité. La figure 8 représente l'angle de perte de la structure qui vient d'être décrite en fonction de la fréquence. Ainsi qu'il apparat sur la courbe, les pertes dans In tel matériau entre quelques i{Hz et une cinquantaine de MHz restent tout à fait acceptables malgré les pertes ad ditiornelles résultant de l'exigtité de l'échantillon. Les pertes n1 ont pas été mesurée à des fréquences supérieures à 5G tris, l'influence des éléments parasites devenant trop portante. I1 est bien entendu que 12 gamme de fréquences d'uzilisation du matériau préside au choix des dimensions géométriques des constituants du matériau, principalement la dimension h des éléments métalliques suivant la direction de propagation. Le paramètre e (épaisseur de la couche métallique) a une grande influence sur les pertes par courant de Foucault (cf. équation 6). I1 convient, toutefois, que l'épaisseur du métal soit suffisante pour permettre la propagation du courant à haute fréquence une diminution de e entrain en effet une augmentation des pertes ohmiques, ainsi qu'il est représenté par l'équation (3). Le meilleur compromis consiste à choisir e pour que l'affaiblissement dû aux courants de Foucault soit de l'ordre de 0,3 fois de celui dû aux pertes ohmiques.Enfin, il est facile de voir qutil importe d'utiliser une feuille diélectrique aussi mince que possible (d faible). Cette dernière condition est limitée par des considérations technologiques. Les figures 9 et 10 représentent les caractéristiques calculées de lignes coaxiales mixtes dru type représenté sur la figure 6. La figure 9 donne les caractéristiques de déphasage (9b) et d'affaiblissement (9c)d' une ligne coaxiale mixte dont l'écran métallique 6 a 25 mm de diamètre extérieur, et la structure diélectrique, réalisée en un matériau du type représenté sur la figure 4, un diamètre extérieur de 6,25 mm et un diamètre intérieur de 5 mm, ainsi qu'il apparait sur la figure 9a. Le diélectrique composite est formé de feuilles de polystyrol de permittivité - = 2,5, épaisseur d = 10 microns ; les éléments métalliques sont constitués par une métallisation d'aluminium dont l'épaisseur est de e = 1,3 microns et dont la hauteur h = 15 mm. On a représenté sur la figure 9c en pointillé, la courbe d'af faiblissement d'un circuit coaxial métallique dont le conducteur extérieur a les mêmes dimensions que l'écran 6 de la structure mixte selon l'invention. La courbe de déphasage (9b) montre que, dans la gamme de 100 à 200 MHz, le déphasage est très sensiblement linéaire, la courbe d'affaiblissement (9c) -montre entre 50 et 150 MHz une très faible variation, ce qui est particulièrement intéressant lorsque l'on considère le problème de l'égalisation de l'atténuation d'une ligne de transmission ; de plus, 1' atténuation de la ligne selon l'invention est toujours nettement inf6- rieure à la valeur de celle de la ligne coaxiale métallique de mme encombrement dans le domaine de fréquence considéré;à 250 14Hz, la distorsion est encore inférieure à 5 %.Les courbes de la figure 10, analogues à celles de la figure 9, concernent une structure coaxiale mixte dont 1' écran 6 a un diamètre extérieur de 10 mm et la structure diélectrique est constituée par un cylindre creux de diamètre extérieur de 2,8 mm et de diamètre intérieur 2,24 mm réalisé en un matériau diélectrique composite suivant la figure 4 formé de feuilles de polystyrol d'une épaisseur d=8 microns et dont les éléments métalliques sont constitués par une métal lisation d'aluminium d'épaisseur e = 1,3 micron disposée en bandes de hauteur 15 mm. On retrouve, en examinant les courbes 10c les mêmes avantages que précédemment de la ligne selon l'invention sur le coaxial métallique dans la gamme de fréquences 100-200 14Hz au lieu de la bande 50120 MHz.En comparant les courbes 10c on constate que pour un affaiblissement linéique maximal de 1,8 Np/km la bande utile du coaxial métallique de 10 mm (figure 9) est de 75 MHz tandis que celle du coaxial mixte va de 100 à 252 MHz. Le rapport des largeurs des bandes utiles est donc d'environ 2. Pour le coaxial de 25 mm (figure 9), pour un affaiblissement linéique de 0,55 Np/km, la largeur de bande est de 37 MHz, pour le coaxial métallique et, pour le coaxial mixte, une bande s'étendant de 50 à 145 MHz, soit un rapport 145 - 50 , 2,5 37 Une étude de l'influence des paramètres géométriques (a, b, c des des figures 9a et 10a) montre que la diminution du rapport b/c (épaisseur du diélectrique) augmente à la fois la largeur de bande utile et l'af faiblissement. De m8me, I'influence O l'infl b sur l'affaiblissement mme, uence du rapport a suit une loi analogue à celle rencontrée dans l'étude du coaxial métallique. La valeur optimale de ce rapport semble voisine de 0,25. Par ailleurs, une augmentation de h abaisse les fréquences d'utilisation mais augmente légèrement l'affaiblissement. Les lignes de transmissions selon l'invention peuvent être excitées par toute source à sortie coaxiale comme une ligne coaxiale normalisée. L'interconnexion est assurée en faisant pénétrer le conducteur central de la sortie coaxiale dans le cylindre creux de diélectrique composite selon l'invention. Le centrage de la structure diélectrique 1-2 par rapport à l'écran 6 est assuré par tout moyen connu en soi. Ce problème a fait l'objet de nombreuses solutions technologiques dans le cas d'une ligne coaxiale métallique. REVENDICATIONS 1. Diélectrique composite présentant,dans une direction privilégiée au moins, une permittivité au moins égale à 10 4 et une tangente de l'an gle de perte inférieure à 10'2 2 des basses fréquences à plusieurs GHz, constitué par un empilement de feuilles diélectriques portant sur l'une de leurs faces des tracés conducteurs discontinus, lesdites feuilles étant disposées de façon que la face portant les conducteurs de l'une des feuilles soit en contact avec la face vierge de la feuille adjacente,les tracés portés par deux feuilles adjacentes étant décalés les uns par rapport aux autres et la dimension desdits tracés suivant ladite direction privilégiée étant inférieure à 0,125 fois la longueur d'onde d'utilisation de ladite structure. 2. Diélectrique composite présentant,dans une direction privilégiée au moins,une permittivité au moins égale à 10 4et une tangente de l'angle de perte inférieure à 10 2 depuis les basses fréquences jusqu'à plusieurs GHz, constitué par superposition de bandes de matériau diélectrique dont l'une des faces porte une métallisation interrompue périodiquement, la superposition étant réalisée de façon que la face métallisée d' une bande soit en contact avec la face non métallisée de la bande adjacente et que les interruptions de la métallisation portée par deux bandes successives soient décalées les unes par rapport aux autres, la dimension maximale de ladite métallisation suivant ladite direction privilégiée étant inférieure à 0,125 fois la longueur d'onde à la fréquence d'utilisation. 3. Structure de diélectrique composite présentant,dans une direction privilégiée au moins, une permittivité au moins égale à 10 4 et une tangente de l'angle de perte inférieure à 10 2 depuis les basses fréquen- ces jusqu'à plusieurs GHz, constitué en enroulant en hélices concentriques et adjacentes, à spires jointives, un ruban diélectrique portant sur l'une de ses faces des tracés conducteurs indépendants de façon que le revêtement conducteur d'une bande soit en contact avec la face non revêtue de la bande adjacente et que les tracés de deux bandes successives soient décalés suivant la direction de l'axe de lthelice, la dimension maximale desdits tracés conducteurs suivant l'axe de l'hélice restant au plus égale -i 0,125 fois la longueur d'onde à la fréquence d' utilisation et ladite direction privilégiée étant celle de l'axe de 1' hélice. 4. Structure de diélectrique composite préser.tant,lans une direction privilégîâe au moins une rermittivité supérieure à 10 4 et une tangente de l'angle de perte inférieure à 10 2 depuis les basses fréquences jusqu'à plusieurs GEz, constituée en enroulant en hélices concentriques et adjacentes, à spires jointives, un ruban diélectrique dont l'une des faces porte un dépôt conducteur à l'exclusion d'une réserve non revêtue le long de l'un des bords, les hélices successives étant décalées d'un demi pas et fendues suivant au moins une directrice, la ou les fentes étant emplies d'un matériau diélectrique, ladite direction privilégiée coïncidant avec l'axe de l'hélice. 5. Structure de ligne de transmission coaxiale utilisant un matériau diélectrique mixte selon revendication 1, 2, 3 ou 4 dans lequel la dimension des tracés conducteurs parallèlement à la direction de propagation reste inférieure à 0,125 fois la longueur de l'onde qui s'y propage et une enveloppe conductrice continue extérieure à la structure diélectrique. 6. Structure de ligne de transmission coaxiale mixte comportant un cylindre conducteur extérieur continu et un cylindre creux coaxial audit cylindre conducteur réalisé en un matériau diélectrique selon revendication 1, 2, 3 ou 4.