Brevet FR2696547A1 — publié le 19940408

INSTALLATION DE MESURE DES FRACTIONS DE PUISSANCE TRANSMISE, REFLECHIE ET DIFFRACTEE PAR UN MATERIAU SUR LEQUEL EST FOCALISEE UNE ONDE RADIOELECTRIQUE, EN VUE DE DETERMINER LES CARACTERISTIQUES RADIOELECTRIQUES DE CE MATERIAU. DESCRIPTION L'invention concerne une installation permettant d'effectuer la mesure en espace libre des fractions de puissance renvoyées dans différentes directions, sous forme d'ondes transmise, réfléchie et/ou diffractée, par un échantillon d'un matériau à tester, sur lequel une onde radioélectrique est focalisée par un miroir ellipsoidal. Une installation de mesure de ce type permet, grâce à un calculateur associé, de déterminer une ou plusieurs caractéristiques radioélectriques du matériau testé, telles que la permitivité Et la perméabilité , etc. Bien qu'elle puisse aussi être utilisée pour tester des matériaux homogènes, l'installation selon l'invention trouve une application préférentielle dans l'observation du comportement radioélectrique des matériaux hétérogènes. De plus, elle concerne préférentiellement l'étude du comportement de ces matériaux lorsqu'ils sont soumis à une onde radioélectrique de fréquence élevée (par exemple supérieure à environ 10 GHz) telle que la bande Ku (12 à 18 GHz). Comme l'illustre notamment le document US-A4 507 602, une technique couramment utilisée pour tester le comportement radioélectrique des matériaux consiste à placer un échantillon parallélépipédique du matériau à tester dans un évidement de forme complémentaire réalisé dans un guide d'onde. Cependant, la qualité des mesures fournies par cette technique dépend de la qualité des contacts entre l'échantillon et le guide d'onde, c'est-à-dire de la précision d'usinage de l'échantillon. De plus, les dimen sions de l'échantillon diminuent au fur et à mesure que la fréquence des ondes radioélectriques augmente. Lorsqu'on atteint des fréquences élevées, la taille des échantillons devient très petite, ce qui en rend l'usinage particulièrement délicat, compte tenu des contraintes énoncées précédemment. Par ailleurs, la très petite taille des échantillons imposée par cette technique, lorsqu'on travaille à des fréquences élevées, conduit à la rendre pratiquement inutilisable lorsque les matériaux à tester sont hétérogènes et comportent des charges ou des lacunes dont la taille est alors du même ordre de grandeur que celle de l'échantillon proprement dit. En effet, des mesures effectuées avec un échantillon de cette taille seraient pratiquement sans signification. Dans une autre technique de mesure connue, dite en espace libre, ces inconvénients sont éliminés en focalisant sur un échantillon de dimensions quelconques une onde radioélectrique. La suppression du guide d'onde permet en effet de rendre les dimensions de l'échantillon totalement indépendantes de la fréquence. Pour assurer la focalisation de l'onde radioélectrique sur l'échantillon, on peut utiliser une lentille diélectrique dont le fonctionnement est analogue à celui d'une lentille optique. Cependant, cette technique a pour inconvénient de nécessiter pratiquement une lentille différente pour chaque longueur d'onde testée, car les caractéristiques des lentilles changent avec cette dernière. Par ailleurs, comme l'illustre la publication de M. MAURENS, A. PRIOU, S. AUSSUDRE et M. LOPEZ "Caractérisation des matériaux composites en espace libre", Journées d'études sur la caractérisation microonde des matériaux absorbants, Texte de commununications, février 91, la technique de mesure en espace libre peut aussi être mise en oeuvre en focalisant l'onde radioélectrique sur l'échantillon au moyen d'un miroir ellipsodal. Plus précisément, cette publication décrit une installation dans laquelle l'échantillon est placé au premier foyer d'un premier réflecteur ellipsoldal, alors que la source émettant l'onde radioélectrique est orientée vers ce premier réflecteur et placée au deuxième foyer de ce lui ci.L'installation comprend également un deuxième réflecteur ellipsoidal dont le premier foyer est confondu avec le premier foyer du premier réflecteur, ainsi qu'un récepteur placé au deuxième foyer du deuxième réflecteur et orienté vers ce dernier. L'échantillon est monté sur une platine apte à tourner autour d'un axe de rotation passant par le foyer commun et perpendiculaire aux axes focaux des premier et deuxième réflecteurs, de façon à permettre un réglage de l'incidence de l'onde radioélectrique sur l'échantillon. En outre, l'ensemble formé par le premier réflecteur et par la source qui lui est associée peut tourner autour de l'axe de rotation de l'échantillon, afin de permettre la mesure successive d'une fraction de puissance transmise par l'échantillon et d'une fraction de puissance réfléchie par l'échantillon.Pour réaliser la première mesure, les axes focaux des deux réflecteurs sont confondus. La deuxième mesure est effectuée en amenant l'ensemble formé par le premier réflecteur et la source dans une position pour laquelle l'énergie réfléchie par l'échantillon est captée par le deuxième réflecteur et focalisée sur le détecteur. Si l'installation décrite dans la publication précitée permet de résoudre les inconvénients présentés par les autres techniques connues, notamment dans le cas où l'on désire effectuer des mesures sur des matériaux hétérogènes à des fréquences élevées, elle n'est pas adaptée lorsque l'échantillon testé renvoie une fraction de la puissance de l'onde radioélectrique incidente sous la forme d'une onde diffractée émise dans une ou plusieurs directions aléatoires. Cette situation se présente notamment dans le cas où des matériaux hétérogènes tels que des matériaux composites formés d'un empilement de couches de natures différentes, incluant par exemple une structure en nid d'abeilles. Par ailleurs, dans l'installation décrite dans l'article précité, les axes de la source de l'onde radioélectrique et du détecteur sont confondus avec les axes focaux du premier et du deuxième réflecteurs, respectivement. Cela a pour conséquence que l'onde radioélectrique focalisée sur l'échantillon inclut l'ombre portée de la source. L'invention a principalement pour objet une installation permettant de mesurer, en espace libre, le comportement radioélectrique d'un matériau à tester, selon une technique voisine de celle qui est décrite dans la publication de MAURENS et al., mais permettant en outre d'effectuer de façon simple la mesure de la fraction de puissance éventuellement renvoyée sous forme diffractée par le matériau. De façon secondaire, l'invention a aussi pour objet une installation comparable à celle qui est décrite dans la publication de MAURENS et al., mais dans laquelle la source ne forme pas d'ombre portée sur l'échantillon. Conformément à l'invention, le premier de ces objectifs est atteint au moyen d'une installation pour la mesure en espace libre de fractions de puissance renvoyées dans différentes directions par un matériau à tester, sur lequel est focalisée une onde radioélectrique, cette installation comprenant un premier et un deuxième réflecteurs ellipsoidaux, ayant un premier foyer et un axe focal communs, une source apte à émettre l'onde radioélectrique, placée au deuxième foyer du premier réflec teur et orientée vers ce dernier, un premier récepteur placé au deuxième foyer du deuxième réflecteur et orienté vers ce dernier, un porte échantillon placé au premier foyer commun et apte à recevoir un échantillon dudit matériau, et des moyens de réglage d'incidence, aptes à faire tourner le porte échantillon autour d'un axe de rotation perpendiculaire audit axe focal, caractérisé par le fait que l'installation comprend de plus un troisième réflecteur ellipsoidal, ayant un premier foyer confondu avec le premier foyer commun, un deuxième récepteur placé au deuxième foyer du troisième réflecteur et orienté vers ce dernier, et des moyens de réglage de position, aptes à faire pivoter un ensemble comprenant le troisième réflecteur et le deuxième récepteur autour dudit axe de rotation. Dans cette installation, le premier récepteur reçoit la fraction de puissance renvoyée par l'échantillon sous forme transmise, alors que le deuxième récepteur reçoit la fraction de puissance renvoyée par l'échantillon sous forme réfléchie ou sous forme réfractée, selon l'orientation angulaire qui lui est donnée par les moyens de réglage de position. Avantageusement, le deuxième objectif est également atteint en réalisant l'installation de telle sorte que la source de l'onde radioélectrique soit orientée vers le premier réflecteur selon un premier axe formant avec ledit axe focal commun un angle non nul, choisi de telle sorte que le premier réflecteur soit situé en dehors d'un faisceau d'ondes radioélectriques réfléchi par le premier réflecteur, le premier récepteur étant orienté selon un deuxième axe parallèle au premier axe et disposé symétriquement à ce dernier par rapport audit axe de rotation. Dans un mode de réalisation préféré de l'inven- tion, le deuxième récepteur est orienté vers le troisième réflecteur selon un troisième axe formant avec l'axe focal de ce troisième réflecteur un angle égal et opposé à l'angle formé entre le premier axe et l'axe focal commun. Cette disposition n'est toutefois pas essentielle, le troisième axe pouvant aussi être confondu avec l'axe focal du troisième réflecteur. Selon ce même mode de réalisation de l'invention, les moyens de réglage d'incidence peuvent être couplés aux moyens de réglage de position, de telle sorte qu'à une rotation du porte échantillon corresponde une rotation double dudit ensemble. Cette disposition permet d'amener automatiquement le troisième réflecteur dans une position apte à recevoir la fraction de puissance réfléchie par l'échantillon. Une déconnexion des moyens de réglage de position permet d'aller mesurer, pour d'autres positions angulaires de l'ensemble, d'éventuelles fractions de puissance, diffractées par l'échantillon. I1 est à noter que la source ainsi que les récepteurs peuvent être conçus pour permettre des mesures soit pour une polarisation unique de l'onde radioélectrique, soit pour deux polarisations perpendiculaires. Dans ce dernier cas, le changement de polarisation peut être obtenu soit en modifiant l'orientation de la source et des récepteurs, soit en utilisant des systèmes bipolaires, adaptés pour émettre des ondes de polarité différente, d'une manière décalée dans le temps. On décrira à présent, à titre d'exemple non limitatif, un mode de réalisation préféré de l'invention, en se référant aux dessins annexés, dans lesquels - la figure 1 est une vue en plan illustrant schématiquement une installation de mesure conforme à l'invention ; et - la figure 2 est une vue en perspective représentant plus en détail l'installation de la figure 1. En se référant tout d'abord à l'illustration schématique de la figure 1, on voit que l'installation de mesure conforme à l'invention comporte trois réflecteurs 10, 12 et 14, présentant tous les trois la forme d'une portion d'ellipsoïde de révolution. Ces trois réflecteurs 10, 12 et 14 sont agencés de telle sorte que les trois ellipsoïdes correspondants présentent un foyer commun désigné par le point Fo sur la figure 1. En outre, les portions d' ellipsoïdes formées par les réflecteurs 10 et 12 présentent un axe focal commun A et l'ellipsoïde formé par le troisième réflecteur 14 présente un axe focal B qui forme avantageusement avec l'axe focal A un plan horizontal. Dans le mode de réalisation préféré de l'invention illustré sur la figure 1, les trois portions d'ellipsoldes formées par les réflecteurs 10, 12 et 14 sont identiques. Cependant, cette caractéristique n'est pas impérative. Les portions d'ellipsoïdes formées par les réflecteurs 10 et 12 sont situées en des emplacements symétriques par rapport au foyer commun Fo, ces emplace ments étant décalés latéralement par rapport à l'axe focal commun A, de façon à constituer un dispositif hors d'axe permettant aux ondes radioélectriques focalisées sur l'échantillon d'être dépourvues de toute ombre portée due à la présence de la source dans le faisceau. Dans le mode de réalisation représenté, la portion d'ellipsoïde formée par le troisième réflecteur 14 est également décalée latéralement par rapport à l'axe focal B de cet ellipsoïde, et située en un emplacement symétrique du réflecteur 10 par rapport à la bissectrice C de l'angle formé par les axes focaux Aet B. En outre, les portions d'ellipsoïdes formées par les réflecteurs 10, 12 et 14 sont situées à proximité du deuxième foyer Fl, F2 et F3, respectivement, de l'eî- lipsoide correspondant. Comme l'illustre plus précisément la figure 2, à l'emplacement correspondant au deuxième foyer F1 de l'ellipsoïde formé par le premier réflecteur 10 est placée une source 16 apte à émettre une onde électromagnétique polarisée selon une direction déterminée et dont la fréquence peut avantageusement être réglée dans une gamme de fréquence supérieure à 10 GHz et comprise, par exemple, dans la bande Ku (12 à 18 GHz). L'axe de la source 16 est orienté en direction du premier réflecteur 10, de façon à former un angle non nul, par exemple d'environ 600, avec l'axe focal A. Au deuxième foyer F2 de l'ellipsoïde formé par le deuxième réflecteur 12 est placé un premier récepteur 18 apparaissant également sur la figure 2. L'axe de ce premier récepteur 18 est dirigé vers le réflecteur 12 et orienté selon une direction parallèle à l'axe de la source 16. En outre, un deuxième récepteur 20, également illustré sur la figure 2, est placé au deuxième foyer F3 de l'ellipsoïde formé par le troisième réflecteur 14. L'axe de ce deuxième réflecteur 20 est orienté en direction du réflecteur 14 et forme avec l'axe focal B de l'ellipsoïde correspondant un angle égal et opposé à l'angle formé par l'axe de la source 16 avec l'axe focal A. En d'autres termes, le deuxième récepteur 20 est orienté selon une direction symétrique de celle de la source 16 par rapport à la bissectrice C. En outre, un échantillon 22, sensiblement plan, du matériau à tester est placé dans un cadre porte échantillon 24 de telle sorte que le foyer Fo commun aux trois ellipsoïdes se trouve situé dans le plan de l'échantiî- lon, ce plan étant orienté verticalement, c'est-à-dire perpendiculairement au plan de la figure 1. Comme l'illustre plus précisément la figure 2, chacun des ensembles formes par le premier réflecteur 10 et la source F1 d'une part et par le deuxième réflecteur 12 et le premier récepteur F2 d'autre part, est disposé en un emplacement fixe grâce au montage de chacun de ces ensembles sur un châssis 26. En revanche, l'ensemble constitué par le troisième réflecteur 14 et le deuxième récepteur 20 est monté à l'extrémité d'un bras 28 apte à pivoter sur le châssis 26 autour d'un axe vertical passant par le foyer commun Fo au trois ellipsoïdes. Cet axe géométrique est illustré en D sur la figure 2. Le cadre porte échantillon 24 est également supporté par le châssis 26 de façon à pouvoir pivoter autour de l'axe D. Le pivotement du cadre porte échantillon 24 autour de l'axe D est commandé par un moteur 30 permettant de faire varier l'incidence de l'onde radioélectrique focalisée sur l'échantillon 22 par le premier réflecteur 10. Un moteur 31 commande par ailleurs la rotation du bras 28 autour de l'axe D. Un asservissement (non représenté), apte à être mis hors circuit à volonté, est avantageusement prévu entre les moteurs 30 et 31 afin qu'à une rotation du porte échantillon 24 d'un angle donné corresponde une rotation dans le même sens du bras 28, d'un angle double du précédent. Cet agencement permet de maintenir en permanence, lorsque l'asservissement est en fonction, l'ensemble formé par le réflecteur 14 et le récepteur 20 dans la position illustrée sur les figures 1 et 2, dans laquelle l'onde radioélectrique focalisée sur l'échantillon 22 par le réflecteur 10 est réfléchie sur le réflecteur 14 par l'échantillon et focalisée par ce réflecteur 14 sur le détecteur 20. Au contraire, lorsque l'asservissement est hors fonction, un actionnement du moteur 31 permet de donner au bras 28 une orientation différente de celle qui est illustrée sur les figures 1 et 2, ce qui autorise la recherche de fractions de puissance diffractées par l'échantillon selon des directions aléatoires. L'ensemble formé par le réflecteur 12 et le récepteur 18 permet quant à lui de capter la fraction de puissance transmise par l'échantillon 22 et de la focaliser sur le récepteur 18. Dans le cas particulier où l'échantillon 22 est orienté perpendiculairement à l'axe du faisceau focalisé sur cet échantillon par le réflecteur 10, la fraction de puissance réfléchie par l'échantillon est récupérée par ce même réflecteur et focalisée sur la source 16, qui agit alors en lieu et place du détecteur 20. L'installation illustrée sur les figures 1 et 2 autorise donc bien une mesure complète des différentes fractions de puissance renvoyées par l'échantillon 22 sous forme transmise, réfléchie et/ou diffractée, lorsqu'une onde électromagnétique émise par la source 16 est focalisée sur cet échantillon par le réflecteur 10. Dans une variante de réalisation, non représentée, l'asservissement entre les moteurs 30 et 31 est remplacé par un mécanisme de transmission équipé d'un embrayage, permettant à un seul moteur de commander la rotation simultanée de l'échantillon 22 et du bras 28. Dans la pratique, les réflecteurs 10, 12 et 14 peuvent être réalisés en un matériau composite du type carbone-nid d'abeilles, par moulage. Chaque portion d'ellipsoïde correspond à un secteur angulaire d'environ 1100. La source 16 ainsi que les récepteurs 18 et 20 sont constitués par des cornets hyperfréquences qui sont avantageusement montés sur le châssis 26 par l'intermédiaire de moyens de réglage permettant de positionner et d'orienter avec précision chacun des cornets par rapport au réflecteur qui lui correspond. Chacun des cornets hyperfréquences 16, 18 et 20 est relié à un analyseur de réseau 32 par un guide d'ondes ou un câble coaxial, désigné respectivement par les références 34, 36 et 38 sur la figure 2. L'analyseur de réseau 32 permet de transmettre au cornet constituant la source 16 l'onde radioélectrique que l'on désire focaliser sur l'échantillon 22 au travers du guide d'ondes coaxial 34. I1 dispose à cet effet de moyens de réglage de fréquence dans la gamme considérée. Par ailleurs, les guides d'ondes ou câbles coaxiaux 36 et 38 transmettent à l'analyseur de réseau 32 les ondes captées par les cornets matérialisant les récepteurs 18 et 20, au travers d'un bloc de commutation 40 qui permet d'assurer à tour de rôle la transmission de l'un et l'autre des signaux. I1 est à noter que le guide d'ondes ou câble coaxial 34 peut aussi comporter une dérivation ou coupleur permettant à un signal éventuellement capté par le cornet matérialisant la source 16 d'être acheminé lui aussi jusqu'au bloc de commutation 40, afin d'être pris en compte dans l'analyseur de réseau 32. Cet analyseur de réseau 32 transforme de façon classique les ondes radioélectriques qu'il reçoit en signaux de tension représentant les fractions de puissance correspondantes renvoyées sous différentes formes par l'échantillon 22. Ces signaux de tension sont ensuite transmis à un calculateur 42 qui détermine, selon les objectifs recherchés, une ou plusieurs caractéristiques radioélectriques de l'échantillon telles que sa permitivité, sa perméabilité ou sa réflectivité. I1 est à noter que, lorsqu'on désire effectuer des mesures selon deux polarités différentes de l'onde radioélectrique, il est possible soit de monter les cornets hyperfréquences constituant la source 16 et les récepteurs 18 et 20 de façon rotative autour d'un axe horizontal, soit d'utiliser des cornets de type bipolaire, fonctionnant successivement selon deux polarités différentes pendant des périodes de temps prédéterminées. On remarquera également qu'au lieu d'être décalé par rapport à l'axe focal B de l'ellipsoïde correspondant, le réflecteur 14 pourrait être centré sur cet axe sans sortir du cadre de l'invention. L'installation conforme à l'invention permet de recueillir toutes les fractions de puissance renvoyées par un échantillon sur lequel est focalisée une onde radioélectrique, quelles que soient les directions selon lesquelles ces fractions de puissance sont émises, c'està-dire aussi bien pour les fractions de puissance transmise et réfléchie selon des directions bien définies que pour les fractions de puissance diffractées selon des directions aléatoires. Ces mesures peuvent être effectuées pour différentes incidences et la structure de l'installation permet d'envisager des mesures pour différentes températures de l'échantillon ou lorsque ce dernier est soumis à des contraintes mécaniques particulières. En effet, il suffit alors d'adjoindre au cadre porte échantillon des moyens de chauffage ou de refroidissement, ainsi que des éléments permettant d'appliquer à l'échantillon les contraintes désirées. Toutes ces propriétés rendent l'installation conforme à l'invention particulièrement adaptée à l'exécution de mesures sur des matériaux hétérogènes tels que des structures en nid d'abeilles chargées ou non, des mousses chargées ou non, des élastomères chargées ou non, des tissus ou des films minces présentant des motifs ou des fibres de nature différentes. Même si l'intérêt en est évidemment plus limité, l'installation peut toutefois être également utilisée pour effectuer des mesures sur des matériaux homogènes. Comme on l'a déjà mentionné, elle est adaptée aux mesures des performances radioélectriques des matériaux testés dans le domaine des hautes fréquences, par exemple supérieures à 10 GHz. Une application privilégiée concerne le domaine des fréquences dans la bande Ku (12 à 18 GHz). Des fréquences supérieures, par exemple jusqu'à 40 GHz au moins, peuvent aussi être envisagées. REVENDICATIONS 1. Installation pour la mesure en espace libre de fractions de puissance renvoyées dans différentes directions par un matériau à tester, sur lequel est focalisée une onde radioélectrique, cette installation comprenant un premier et un deuxième réflecteurs ellipsoidaux (10,12), ayant un premier foyer (Fo) et un axe focal (A) communs, une source (16) apte à émettre l'onde radioélectrique, placée au deuxième foyer (F1) du premier réflecteur et orientée vers ce dernier, un premier récepteur (18) placé au deuxième foyer (F2) du deuxième réflecteur et orienté vers ce dernier, un porte échantillon (24) placé au premier foyer commun (Fo) et apte à recevoir un échantillon (22) dudit matériau, et des moyens de réglage d'incidence (30), aptes à faire tourner le porte échantillon autour d'un axe de rotation (D) perpendiculaire audit axe focal (A), caractérisé par le fait que l'installation comprend de plus un troisième réflecteur ellipsoldal (14), ayant un premier foyer confondu avec le premier foyer commun (Fo), un deuxième récepteur (20) placé au deuxième foyer (F3) du troisième réflecteur et orienté vers ce dernier, et des moyens de réglage de position (31), aptes à faire pivoter un ensemble comprenant le troisième réflecteur (14) et le deuxième récepteur (20) autour dudit axe de rotation (D). 2. Installation selon la revendication 1, caractérisée par le fait que la source d'ondes radioélectriques (16) est orientée vers le premier réflecteur (10) selon un premier axe formant avec ledit axe focal commun (A) un angle non nul, choisi de telle sorte que le premier réflecteur soit situé en dehors d'un faisceau d'ondes radioélectriques réfléchi par le premier réflecteur, le premier récepteur (18) étant orienté selon un deuxième axe parallèle au premier axe et disposé symétriquement à ce dernier par rapport audit axe de rotation (D). 3. Installation selon la revendication 2, caractérisée par le fait que le deuxième récepteur (20) est orienté vers le troisième réflecteur (14) selon un troisième axe formant avec l'axe focal (B) de ce troisième réflecteur un angle égal et opposé à l'angle formé entre le premier axe et l'axe focal commun (A). 4. Installation selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée par le fait que les moyens de réglage d'incidence (30) peuvent être couplés aux moyens de réglage de position (31) de telle sorte qu'à une rotation du porte échantillon (24) corresponde une rotation double dudit ensemble.