Brevet FR2737347A1 — publié le 19970131

Structure pour l'absorption d'ondes électromagnétiques La présente invention concerne une structure pour l'absorption d'ondes électromagnétiques, notamment dans la bande des ondes radar comprise entre 8 et 12 GHz. On sait que certains polymères peuvent être utilisés comme des absorbants d'ondes électromagnétiques; de telles indications sont données par exemple par A. FELDBLUM (1981 - J.POL.SCI.19,173). Ainsi ont été étudiées les propriétés d'absorption du polyacétylène, du polyparaphénylène et du polythiophène vis-à-vis des ondes dont les fréquences sont comprises entre 100 Mhz et 10 GHz. En général le problème est schématisé de la manière suivante. Il s'agit de disposer d'un matériau stable à l'air ambiant, et dans un domaine de températures compris entre - 100 C et + 100 C, dont la conductivité effective l-doit, si l'on s'en tient à la littérature, tendre vers 10-2 (ohm.cm)-1; sa sensibilité aux variations de température doit être faible et sa permittivité relative par rapport à l'air E doit être la plus proche possible de la valeur 1 pour rendre maximale l'absorption de l'onde incidente et quasiment nulle sa réflexion sur la face d'entrée. Or les polymères précités, en particulier lorsqu'ils sont dopés pour répondre aux conditions de conductivité, ne répondent pas intrin- sèquement à ces conditions, notamment en ce qui concerne d'une part la stabilité à l'air et aux variations de température, et d'autre part les facultés d'absorption, en particulier lorsqu'ils sont mélangés afin de former des monocouches composites avec des polymères à caractères diélectriques. Par ailleurs il existe des polymères composites métalliques, en particulier chargés en fer, déjà dans le domaine commercial et vendus par la Société Emerson et Cumming. Ces polymères présentent l'inconvé- nient d'être très denses et de faire intervenir un moment magnétique important, ce qui a pour conséquence de faire apparaître un pic dans le spectre d'absorption. La présente invention a pour but de réaliser une structure absorbante permettant d'éviter ces inconvénients et particulièrement performante dans le domaine de fréquences compris entre 8 et 12 GHz, - 2 - avec un coefficient d'absorption plat dans la gamme de fréquences considérée. La présente invention a pour objet une structure pour l'absorption d'ondes électromagnétiques, en particulier dans la bande 8 à 12 GHz, caractérisée par le fait qu'elle comporte un empilement de couches minces A obtenu à partir d'une couche A en un matériau choisi parmi les n polymères semiconducteurs et les polymères chargés, et d'une couche B en un matériau choisi parmi les polymères isolants, le polyéthylène, le polystyrène, le polychlorure de vinyle, les composés fluorés tels que le PVDF, l'empilement A présentant en outre une séquence f telle que: n A1 = f(A, B) B1 = g(A, B) A2 = f(A1 B1) B2 =g(A1, B1) ^- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -, A n = f(A n-1' Bn-1) Bn =g(An-1' Bn-1) Les fonctions f et g restant constantes tout au long de l'itération, ledit empilement présente une organisation fractale. On peut, à titre d'exemples, obtenir les empilements A suivants: n An= An1 Bn1 An1 avec n n-i n-i n-i B =B Bn n-1 n-1 n-1, A = ABA et B1 =BBB i ou A = A B A n n-1 n-1 n-1 avecB BA A n n-1 n-1 n-1, A = ABA et B1 = AAA ou An =An_1 Bn_1 An_1 Bn_1 An_1 ou A = A B A B A n n-i n-1 n-1 n-i n-1 n Bn-1 Bn-i Bn-1 Bn-i Bn-1, A, = ABABA, Bi = BBBBB ou A = An1 Bn1 An1 Bn1 An1 avec Bn = An_1 An_1 An_1 An_1 Anl, A1 = ABABA, Bi = AAAAA n n-1 n-1 n-1 n-1 avec Bn = Bn-1 Bn-1 Bn-1 Bn-1, A1 = ABAB, B1 = BBBB ou An= An-1 Bn-1 An-1 Bn-1 avec B =A n n-1 n-1 An-1 n-1, A 1 =ABAB, B1 =AAAA ou An = An-1 An-1 Bn-1 Bn-1 avec B = AABB et B = BBBB nBn-i Bn-i n-i Bn-i, A1 = ABABBe B1 = BBBB -3 ou A = A B n n-1 n-1 n-1 n-1 avec B =A n n-1 n-l n-1 n-1, A = ABAB, B = AAAA ou A = A B B n n-1 n-1 n-1 n-1, avec B =B n n-l n-1 n-1 n-1, A = AABB et B = BBBB ou A =A A B B n n-1 n-i n-1 n-1 avec B =A A A A n n-l n-l n-l n-1, A = AABB et B = AAAA i i La finalité d'une telle structure est en particulier de conduire à une incommensurabilité entre l'onde qui doit être dirigée et les caractéristiques géométriques de la structure. I1 peut être montré que celle-ci doit conduire à une localisation de l'énergie à l'intérieur même de la structure donc à une absorption totale. Selon un mode de réalisation préférentiel, le matériau de la couche A (ou B) présente une structure composite comprenant - un polymère à base de polyéthylène et d'un polymère isolant, la proportion en poids de polyéthylène étant comprise entre 55 % et 75 % - une charge de poudre de nickel dont la granulométrie est comprise entre 1 #m et 20 Um, avec un taux de charges en volume compris entre 5 % et 35 %. Le matériau de la couche B (ou A) est formé par ledit polymère à base de polyéthylène et de polymère isolant, mais exempt de charges. Les caractéristiques suivantes constituent des modes de réalisation préférentiels: Ladite granulométrie est comprise entre 3 gm et 20 Sm, et particulière- ment de l'ordre de 5 Mm. Ledit taux de charge est compris entre 15 % et 25 %, et particulièrement de l'ordre de 19 %. La proportion de polyéthylène dans le polymère est de l'ordre de 65 %. Selon une autre réalisation, le matériau de la couche A (ou B) présente une structure composite comprenant - un polymère isolant comportant du polyéthylène, la proportion en poids de polyéthylène étant comprise entre 55 et 75 %, - une charge de polymères conducteurs dont la granulométrie est comprise entre 0,5 #m et 100 Mm et le taux entre 5 et 90 % dans ce polymère isolant, - et par le fait que la couche complémentaire B (ou A) est formée par 4 - ledit polymère isolant. Ledit polymère isolant est choisi parmi l'EPDM, l'acrylonitrile butadiène styrène, le monomère copolymère éthylène propylène, le polyéthylène haute pression, le polyéthylène basse pression, le polyéthylène basse pression linéaire, le polyamide (nylon), le polyacry- lonitrile, le téréphthalate de polybutylène, le polycarbonate, le polyéthylène, le polyéther ether ketone, l'oxyde de polyéthylène, le téréphthalate de polyéthylène, le polypropylène, l'oxyde de polyphénylène, le sulfure de polyphénylène, le polystyrène, le polyuréthane. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront au cours de la description suivante d'exemples de réalisation donnés à titre illustratif mais nullement limitatif. Dans le dessin annexé: - La figure 1 montre des variations du facteur de réflexion R de diverses structures selon l'invention en fonction de la fréquence f en GHz. - La figure 2 est analogue à la figure 1, pour le domaine compris entre 8 et 12 GHz. - La figure 3 est analogue à la figure 2, pour d'autres structures selon l'invention. On part d'un matériau permettant de réaliser une couche A et dont la structure composite comporte: - un polymère à base de polyéthylène et d'EPDM, la proportion (en poids) de polyéthylène étant 65 %, - une charge de poudre de nickel dont la granulométrie est de l'ordre de am, avec un taux de charge en volume de l'ordre de 24 %. On réalise également une couche B comportant uniquement le polymère précité. On réalise un empilement d'ordre 1: A1 = ABA, c'est-à-dire comportant deux couches A avec une couche B intercalaire. Cet empilement est déposé sur une surface métallique. Le tableau 1 mentionne les caractéristiques électriques et mécaniques de ces couches: S est la permittivité relative par rapport à l'air, # la perméabilité relative et 9 la résistivité. - 5- TABLEAU -A B A II - I I - ff 11 3 3 3 I I I - I I I ' I I I I.) Q.cm I 0,05 I I 0,05 I I 1 I I I I Epaisseur #m I 750 | 750 | 750 I On réalise également des empilements d'ordre 2 A =A1B1A1 avec B1 = BBB - d'ordre 3 A = A2B2A2 avec B2 = B1B1B1 _ d' ordre 4 A= A3B3A3 avec B3 = B2B2 2 4 3 33 3 22 2 - d'ordre 5 A A4B4A4 avec B4 = B3B3B3B3. L'épaisseur totale de ces empilements est toujours de 2250 #m. La figure 1 montre les variations du facteur de réflexion R sur ces différents empilements A1, A2, A3, A4, A5 en fonction de la fréquence f en GHz. La figure 2 comporte les mêmes courbes que la figure 1 mais à l'échelle agrandie, dans la gamme 8 à 12 GHz. On voit l'intérêt de l'empilement A3 dans cette gamme de fréquences en particulier pour l'ordre 3. Cet empilement présentant une épaisseur de 2,25 mm autorise30 une absorption comprise entre 90 et 99 %, qui est bien meilleure que celle de A1. Le choix de l'ordre d'itération est donc extrêmement important. On réalise le même type d'empilements que précédemment avec A'1, A'2, A3 A'3, A', tels que l'épaisseur totale de l'empilement soit égale à 1800 mm. La figure 3 analogue à la figure 2 montre l'intérêt de l'empilement d'ordre de 3 dans le domaine compris entre 8 et 12 GHz. Bien entendu l'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation qui ont été décrits, notamment en ce qui concerne les matériaux et les épaisseurs des couches des empilements. -7- REVENDICATIONS 1/ Structure pour l'absorption d'ondes électromagnétiques, en particulier dans la bande 8 à 12 GHz, caractérisée par le fait qu'elle comporte un empilement de couches minces A obtenu à partir d'une couche n A en un matériau choisi parmi les polymères semiconducteurs et les polymères chargés, et d'une couche B en un matériau choisi parmi les polymères isolants, le polyéthylène, le polystyrène, le polychlorure de vinyle, l'empilement A présentant en outre une séquence f telle que: n A1 = f(A, B) B1 = g(A, B) A2 = f(A1, B1) B2 = g(A1, B1) A = f(A B) B = g(A B n ( n-1' Bn-1) Bn g(An-l' Bn-1) ledit empilement présentant ainsi une organisation fractale. 2/ Structure pour l'absorption d'ondes électromagnétiques selon la revendication 1, caractérisée par le fait que ladite séquence f est telle que: A =A B A avec n n-1Bn1 n- 1 aven- c B =B n n-1 n-1 n-1, A = ABA et B1 = BBB ou A = An1 Bn1 An1 n n-i n-i n-i avec Bn = An-1 n-1 n-1l, A =ABA et B = AAA. 3/ Structure pour l'absorption d'ondes électromagnétiques selon la revendication 1, caractérisée par le fait que ladite séquence f est telle que: A = A B A B A n n-1 n-1 n-1 n-1 n-1 avec B =B n n-1 n-1 n-1 n-1 n-1, A = ABABA, B1 = BBBBB ou A =A B A B A n n-1 n-1 n-1 n-1 n-1 avec B -=A A A A A avec Bn = An-1 n-1 n-1 n-1 n-1, A = ABABA, B = AAAAA. 1 4/ Structure pour l'absorption d'ondes électromagnétiques selon la revendication 1, caractérisée par le fait que ladite séquence f est telle que: A =An_1 Bn-1 An-1 Bn-1 avec B =B ae n n-1 n-1 n-1 n-1, A1 = ABAB, B = BBBB ou A =A B A B n n-1 n-1 n- 1 n-1 - 8 - avec B =A A A A ec n n-1 n-1 An-1 n-1, A, = ABAB, B = AAAA. / Structure pour l'absorption d'ondes électromagnétiques selon la revendication 1, caractérisée par le fait que ladite séquence f est telle que: A = AA B B n n-1 n-1 n-1 n-1 avec B =B aec n n-1 n-1 n-1 n-1, A = AABB et B1 = BBBB ou A =A B A B n n-1 n-1 n-1 n-1 avec B =A n n-1 n-1 n-1 n-1, A = ABAB, B = AAAA. 6/ Structure pour l'absorption d'ondes électromagnétiques selon la revendication 1, caractérisée par le fait que ladite séquence f est telle que: A = A A B B n n-1 An-i n-1 n-l, avec B =B n n-1 n-1 n-1 Bn-1, A = AABB et B1 = BBBB ou A = A A B B ou An n-= An 1 An-1Bn-1 n-1 avec B =A A A A n n-1 An-1 An-1 n-1, A = AABB et B = AAAA. i i 7/ Structure pour l'absorption d'ondes électromagnétiques selon l'une des revendications précédentes, caractérisée par le fait que la couche A (ou B) présente une structure composite comprenant - un polymère à base de polyéthylène et de polymère isolant, la proportion en poids de polyéthylène étant comprise entre 55 % et 75 % - une charge de poudre de nickel dont la granulométrie soit comprise entre 1 Xm et 20 gm, avec un taux de charges en volume compris entre 5 % et 35 %, et par le fait que la couche B (ou A) est formée par ledit polymère à base de polyéthylène et de polymère isolant. 8/ Structure pour l'absorption d'ondes électromagnétiques selon la revendication 7, caractérisée par le fait que ladite granulométrie est comprise entre 3 lm et 20 #m. 9/ Structure pour l'absorption d'ondes électromagnétiques selon la revendication 7, caractérisée par le fait que ladite granulométrie est de l'ordre de 5 xm. / Structure pour l'absorption d'ondes électromagnétiques selon la revendication 7, caractérisée par le fait que ledit taux de charge est compris entre 15 % et 25 %. 11/ Structure pour l'absorption d'ondes électromagnétiques selon la -9revendication 7, caractérisée par le fait que ledit taux de charge est de l'ordre de 19 %. 12/ Structure pour l'absorption d'ondes électromagnétiques selon l'une des revendications 7 à 11, caractérisée par le fait que la proportion de polyéthylène dans le polymère est de l'ordre de 65 %. 13/ Structure pour l'absorption des ondes électromagnétiques selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisée par le fait que la couche A (ou B) présente une structure composite comprenant - un polymère isolant comportant du polyéthylène, la proportion en poids de polyéthylène étant comprise entre 55 et 75 %, - une charge de polymères conducteurs dont la granulométrie est comprise entre 0,5 Mm et 100 Mm et le taux entre 5 et 90 % dans le polymère isolant, - et par le fait que la couche complémentaire B (ou A) est formée par ledit polymère isolant. 14/ Structure selon l'une des revendications 7 et 13, caractérisée par le fait que ledit polymère isolant comporte un polymère choisi parmi l'EPDM, l'acrylonitrile butadiène styrène, le monomère copolymère éthylène propylène, le polyéthylène haute pression, le polyéthylène basse pression, le polyéthylène basse pression linéaire, le polyamide (nylon), le polyacrylonitrile, le téréphthalate de polybutylène, le polycarbonate, le polyéthylène, le polyéther ether ketone, l'oxyde de polyéthylène, le téréphthalate de polyéthylène, le polypropylène, l'oxyde de polyphénylène, le sulfure de polyphénylène, le polystyrène, le polyuréthane.