Brevet FR2648958A1 — publié le 19901228

Dispositif d'absorption de champ électromagnétique radiofréquence L'invention concerne un dispositif de réduction de la réflexion et de la diffraction, dans une large bande de fréquence, d'un champ électromagnétique radiofréquence incident sur une paroi, comportant un milieu absorbant synthétique recouvrant la paroi, dans lequel la dissipation d'une partie de la puissance du champ électromagnétique incident se fait par effet Joule, ce milieu contenant un liquide polaire et des substances ayant des propriétés ferromagnétiques ou ferrimagnétiques ou antiferromagnétiques. Les dispositifs permettant la réduction de la réflexion et de la diffraction d'un champ électromagnétique incident sur une paroi sont souvent appelés "absorbants de champs électromagnétiques", ou encore "absorbants hyperfréquences", ou encore "absorbants", dans la littérature les concernant, et par leurs fabricants. Les absorbants de champs électromagnétiques sont largement employés dans la réalisation de chambres anéchoïques ou semi-anéchoïques radiofréquence utilisées par exemple pour des mesures de diagramme d'antenne, ou pour des mesures de section efficace radar, ou encore pour des mesures d'émission ou d'immunité électromagnétique. Les absorbants de champs électromagnétiques sont aussi utilisés pour réaliser des dispositifs ou des bâtiments ou des véhicules ayant une section efficace radar très faible. D'une façon générale, la fonction d'un absorbant de champs électromagnétiques est de diminuer la réflexion et la diffraction d'un champ électromagnétique incident sur une paroi, ou ce qui revient au même, d'absorber l'énergie électromagnétique du champ incident sur la paroi. Ceci permet de réduire, voire de pratiquement supprimer la réflexion et la diffraction du dit champ incident par les objets se trouvant derrière l'absorbant, par rapport à la position des sources du champ incident. I1 est connu (premier procédé) de réaliser des absorbants de champs électromagnétiques en imprégnant un assemblage de pyramides formant un panneau, réalisé dans une matière poreuse, avec une substance rendue faiblement conductrice par une charge de carbone. Le choix de réaliser ces absorbants sous la forme d'un assemblage de pyramides provient de ce que cette forme permet de limiter les réflexions en provenance de l'absorbant, et qui sont dues à la différence entre l'impédance d'onde dans l'air et l'impédance d'onde dans le matériau de l'absorbant. Dans un tel dispositif, l'absorption des champs électromagnétiques se fait principalement par la dissipation par effet Joule de la puissance contenue dans le champ électromagnétique incident. Il est également connu (second procédé) de réaliser des absorbants de champs électromagnétiques à l'aide de ferrites présentant une absorption marquée dans une certaine bande de fréquence. Dans un tel dispositif, l'absorption des champs électromagnétiques se fait principalement par un processus dissipatif d'origine magnétique. Les absorbants de champs électromagnétiques réalisés selon le premier procédé se prêtent assez bien à l'absorption des champs électromagnétiques pour les microondes. Toutefois, de tels absorbants, pour être efficaces, doivent avoir une hauteur au moins égale au quart de la longueur d'onde du champ incident, dans le matériau de l'absorbant. Cette nécessité conduit à des dispositifs de dimensions considérables, et très onéreux, dès que l'on souhaite pouvoir les utiliser à des fréquences inférieures à 80 MHz. Les absorbants de champs électromagnétiques réalisés selon le second procédé peuvent avoir des dimensions beaucoup plus réduites que ceux réalisés selon le premier, pour des fréquences minimales de travail équivalentes. Toutefois, ils présentent le premier inconvénient de n'être efficace que sur une bande de fréquence relativement étroite, typiquement de un ou deux octaves, et le second inconvénient d'être également assez croûteux, du fait de l'emploi d'une grande quantité de ferrites dans leur composition. I1 existe encore des absorbants de champs électromagnétiques réalisés en empilant un dispositif selon le premier procédé, sur un dispositif selon le second procédé. Chacun des deux dispositifs apporte de l'absorption selon son mode de fonctionnement propre. 11 existe aussi d'autres types d'absorbants de champs électromagnétiques, dont le fonctionnement est à bande étroite, donc très peu comparables aux procédé et dispositif selon l'invention. Un dispositif selon l'invention permet la réduction de la réflexion et de la diffraction, dans une large bande de fréquence, d'un champ électromagnétique radiofréquence incident sur une paroi, et comporte un milieu absorbant synthétique recouvrant la paroi, dans lequel la dissipation d'une partie de la puissance du champ électromagnétique incident se fait par effet Joule, ce milieu absorbant étant caractérisé premièrement en ce qu'il contient des substances qui portent sa conductivité moyenne en courant continu à une valeur comprise entre 1 S/m et 1000 S/m, deuxièmement en ce qu'il contient un liquide polaire, troisièmement en ce qu'il contient des substances ayant des propriétés ferromagnétiques ou ferrimagnétiques ou antiferromagnétiques, quatrièmement en ce que le choix et les proportions des constituants du milieu absorbant sont telles que dans la bande de fréquence considérée l'impédance d'onde du milieu absorbant est suffisamment voisine de celle du vide pour que le coefficient de réflexion à l'interface air-milieu absorbant ne dépasse pas 0,4 pour une onde plane sous incidence normale sur un échantillon plat, et cinquièmement en ce que les proportions des constituants du milieu absorbant sont telles que dans la bande de fréquence considérée la vitesse de phase dans le milieu absorbant est plus faible que la moitié de la vitesse de la lumière dans le vide. La présente invention permet de réaliser des absorbants de champ électromagnétique de taille beaucoup plus réduite que ceux réalisés selon ie premier procédé. En effet, avoir dans le milieu ou se produit la dissipation une vitesse de phase des champs électromagnétiques beaucoup plus faible que dans le vide, fait que le dispositif absorbant est électriquement beaucoup plus grand que ses dimensions physiques. La nécessité, comme dans le cas du premier procédé, d'avoir un absorbant plus haut que le quart de la longueur d'onde du champ incident dans le matériau, peut être satisfaite, pour un dispositif selon l'invention, avec une hauteur bien plus faible que pour un dispositif selon le premier procédé. La présente invention permet de réaliser des absorbants de champ électromagnétique ayant des formes plus simples que geux réalisés selon le premier procédé. En effet, avoir une impédance d'onde dans le matériau du dispositif absorbant très voisine de celle du vide, fait que le dispositif absorbant provoque très peu de réflexion à l'interface entre l'air et ce matériau. La présente invention permet de réaliser des absorbants de champ électromagnétique fonctionnant sur une bande de fréquence beaucoup plus large que ceux réalisés selon le second procédé. En effet, bien que comme les absorbants réalisés selon le second procédé, les dispositifs selon l'invention utilisent des matériaux magnétiques, ceux-ci ne sont pas, selon l'invention, employés principalement pour les pertes magnétiques qu'ils pourraient provoquer. Les dispositifs selon l'invention peuvent donc être conçus pour fonctionner sur une bande de fréquence beaucoup plus large que la bande de fréquence relativement étroite où les pertes magnétiques sont significatives. Les caractéristiques d'un dispositif selon l'invention reposent en partie sur le choix et sur les proportions des différents constituants du milieu absorbant. Ce choix et ces proportions déterminent les propriétés macroscopiques de conductivité électrique, de permittivité et de perméabilité magnétique qui sont liées aux propriétés d'absorption électromagnétique du milieu absorbant. Un spécialiste en électromagnétisme peut sans difficulté déterminer des valeurs de conductivité, de permittivité et de perméabilité magnétique convenant pour les performances qu'il désire et la bande de fréquence pour laquelle il souhaite ces performances. A titre d'exemple, un dispositif selon l'invention dans lequel le milieu absorbant a une conductivité de 0,1 S/m, une permittivité relative et une perméabilité magnétique relative de 10, et une épaisseur de 100 mm, permet, lorsqu'il est plaqué sur une paroi métallique, d'abaisser le coefficient de réflexion total de la paroi à une valeur inférieure à 0,5 à partir d'environ 38 MHz et inférieure à 0,2 à partir d'environ 200 MHz. Il est également possible de déterminer de telles performances en tenant compte des variations de la permittivité et de la perméabilité magnétique avec la fréquence. Le contrôle des propriétés macroscopiques de conductivité du milieu absorbant peut se faire en imprégnant de poudre de carbone, une mousse poreuse isolante, par exemple une mousse de polyuréthane, tout comme dans certains absorbants de champs électromagnétiques réalisés selon le premier procédé. .I1 est également possible d'ajuster la conductivité du milieu absorbant en ionisant plus ou moins le liquide polaire qu'il contient. Ceci peut par exemple se faire en y dissolvant un sel. Le contrôle des propriétés macroscopiques de permittivité du milieu absorbant peut se faire en choisissant le liquide polaire incorporé dans le milieu absorbant pour sa forte permittivité, et en en dosant la proportion par rapport aux autres constituants. L'eau, qui a une permittivité de l'ordre de 80 à 1 MHz, et conserve une permittivité de l'ordre de 50 à 10 GHz, peut constituer un excellent choix de liquide polaire. I1 est également possible d'agir sur la permittivité du milieu absorbant en y incorporant de petites particules métalliques enrobées ou non d'une pellicule isolante, qui permettent d'en accroître la permittivité macroscopique, du fait de leur propriété de se polariser dans un champ électrique. Le contrôle des propriétés macroscopiques de perméabilité magnétique du milieu absorbant peut se faire en y insérant de petites particules ferromagnétiques ou ferrimagnétiques, enrobées ou non d'une pellicule isolante. I1 est possible de rendre ces particules suffisamment petites pour qu'elles aient un comportement magnétique monodomaine, ce qui permet d'obtenir une perméabilité magnétique très peu dépendante de la fréquence. Lorsque ces particules sont métalliques, elles sont également polarisables et peuvent de ce fait influencer la permittivité macroscopique du milieu absorbant. L'effet de peau dans le matériau qui constitue les particules ferromagnétique ou ferrimagnétique, risque de provoquer une diminution de la perméabilité magnétique macroscopique du milieu absorbant quand la fréquence croît. Les conséquences de ce phénomène pourront être limitées par le choix de particules de dimensions plus petites que l'épaisseur de peau dans le matériau qui les constitue, dans la bande de fréquence pertinente. Selon un mode de réalisation, un dispositif selon l'invention peut être réalisé à partir de panneaux étanches contenant le milieu absorbant, ces panneaux pouvant être fixés sur la paroi par un mécanisme spproprié ou par collage. A titre d'exemple non limitatif, un dispositif selon l'invention pourra être réalisé à partir de blocs de poly uréthane, chaque bloc étant premièrement imprégné d'un mélange de latex, de carbone et d'une très fine poudre de ferrite, que l'on laisse adhérer à la mousse de polyuréthane, le bloc ainsi chargé étant ensuite disposé et collé dans une enveloppe imperméable à l'eau, puis imbibé d'eau distillée, une dernière opération consistant à fermer de façon étanche l'enveloppe imperméable, et à la munir de dispositifs de fixation permettant de la fixer sur une paroi. Les proportions des constituants pourront par exemple ajustées pour obtenir une conductivité de 0,1 S/m et une permittivité relative ainsi qu'une perméabilité magnétique relative de 10. Un dispositif selon l'invention pourra par exemple être appliqué à la réalisation de chamores anéchoïques ou semi-anéchoiques radiofréquences, ou encore à la réalisation de dispositifs ou de bâtiments ou de véhicules ayant une section efficace radar très faible. REVENDICATIONS 1. Dispositif de réduction de la réflexion et de la diffraction, dans une large bande de fréquence, d'un champ électromagnétique radiofréquence incident sur une paroi, comportant un milieu absorbant synthétique recouvrant la paroi, dans lequel la dissipation d'une partie de la puissance du champ électromagnétique incident se fait par effet Joule, ce milieu absorbant étant caractérisé premièrement en ce qu'il contient des substances qui portent sa conductivité moyenne en courant continu à une valeur comprise entre 1 pS/m et 1000 S/m, deuxièmement en ce qu il contient un liquide polaire, troisièmement en ce qu'il contient des substances ayant des propriétés ferromagnétiques ou ferrimagnétiques ou antiferromagnétiques, quatrièmement en ce que le choix et les proportions des constituants du milieu absorbant sont telles que dans la bande de fréquence considérée l'impédance d'onde du milieu absorbant est suffisamment voisine de celle du vide pour que le coefficient de réflexion à l'interface air-milieu absorbant ne dépasse pas 0,4 pour une onde plane sous incidence normale sur un échantillon plat, et cinquièmement en ce que les proportions des constituants du milieu absorbant sont telles que dans la bande de fréquence considérée la vitesse de phase dans le milieu absorbant est plus faible que la moitié de la vitesse de la lumière dans le vide. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le milieu absorbant contient de petites particules métalliques enrobées ou non d'une pellicule isolante, qui permettent d'en accroître la permittivité macroscopique. 3. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que le milieu absorbant contient de petites particules ferromagnétiques ou ferrimagnétiques enrobées ou non d'une pellicule isolante, ces particules pouvant lorsqu'elles sont métalliques également influencer la permittivité macroscopique. 4. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que les particules sont suffisamment petites pour avoir un comportement magnétique monodomaine. 5. Dispositif selon la revendications 3, caractérisé en ce que les petites particules ferromagnétiques ou ferrimagnétiques ont des dimensions plus petites que l'épaisseur de peau dans le matériau qui les constitue, dans la bande de fréquence pertinente. 6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le liquide polaire est de l'eau. 7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que la résistivité du milieu absorbant est ajustée en ionisant le liquide polaire par l'adjonction de substances appropriées. 8. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce qu'il est réalisé à partir de panneaux étanches contenant le milieu absorbant, ces panneaux pouvant être fixés sur la paroi par un mécanisme approprié ou par collage.