Brevet FR2736754A1 — publié le 19970117

STRUCTURE MULTICOUCHE ABSORBANT LES ONDES HYPERFREQUENCES La présente invention concerne une structure absorbant les ondes hyperfréquences, comprenant plusieurs couches de matériaux dont les propriétés électromagnétiques diffèrent. Les matériaux utilisés dans les structures absorbantes sont des matériaux à pertes diélectriques et magnétiques et l'évolution de ces pertes avec la fréquence régit les performances de l'absorbant. Les couches absorbantes constituées de matériaux magnétiques présentent des performances supérieures à celles obtenues avec des matériaux purement diélectriques. En effet, les largeurs de bande en fréquences sur lesquelles les matériaux absorbants sont efficaces, sont plus grandes dans le cas des matériaux magnétiques ; ils peuvent également être utilisés sous des épaisseurs plus faibles dans la réalisation de structures absorbantes, l'épaisseur d'une structure étant optimisée pour rendre la couche résonnante avec interférences destructives entre ondes réfléchies (Revue Technique THOMSON-CSF, vol. 19, nO 34, p. 415, 1987). Cependant, même les structures monocouches réalisées à partir de matériaux magnétiques ne permettent pas d'obtenir des largeurs de bande en fréquence relativement grandes. Dans un tel contexte, on recherche des solutions pour élargir les bandes de fréquences pour lesquelles les matériaux absorbants présentent des réflectivités intéressantes (inférieures en général à -10 dB). Lorsqu'on envisage une structure bicouche comprenant une couche d'absorbant appliquée sur un bon conducteur (métal) et une couche de diélectrique, il apparaît que compte tenu des caractéristiques de l'absorbant, pour obtenir un élargissement de la bande d'absorption de quelques gigahertz, il n'existe pas de diélectrique physiquement réalisable. En effet, seuls des composés à pertes diélectriques négatives seraient solution d'un tel problème.C'est pourquoi, la présente invention propose d'insérer entre l'absorbant et le diélectrique, un espace d'air ou un matériau de permittivité voisine de 1 et à très faibles pertes. La structure proposée comprend ainsi un jeu de deux résonateurs - un premier résonateur appliqué sur le conducteur à camoufler et constitué par une couche de matériau absorbant d'épaisseur fixée pour avoir le phénomène de résonance sur la gamme de fréquence d'absorption du matériau. - un deuxième résonateur, dans lequel les ondes réfléchies en sortie de l'absorbant se voient confinées dans l'espace d'air grâce à un diélectrique à forte permittivité de faible épaisseur qui joue le rôle de miroir semi-réfléchissant. La couche composée du matériau à très faibles pertes doit avoir une épaisseur suffisante pour obtenir une fréquence de résonance géométrique proche de la limite supérieure de la bande d'absorption du matériau constituant le premier résonateur. Au voisinage de la fréquence de résonance de ces deux résonateurs fortement couplés, les ondes sont piégées et effectuent plusieurs traversées de la couche absorbante ce qui augmente l'absorption de l'ensemble. Les ondes s'amortissent sur une gamme de fréquences élargie par rapport à la gamme de fréquences obtenue avec uniquement le premier résomateur. L'invention sera mieux comprise et d'autres avantages apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre, donnée à titre non limitatif et grâce aux figures annexées parmi lesquelles - la figure 1 représente une première structure absorbante selon l'invention - la figure 2 représente une deuxième structure absorbante selon l'invention, - la figure 3 représente le coefficient de réflexion en fonction de la fréquence d'une structure monocouche réalisée à partir d'un ferrite massif cité dans l'exemple I, - la figure 4 représente le coefficient de réflexion en fonction de la fréquence d'une structure tricouche décrite dans l'exemple I, - la figure 5 représente le coefficient de réflexion en fonction de la fréquence d'une structure monocouche réalisée à partir d'un matériau composite cité dans l'exemple II - la figure 6 représente le coefficient de réflexion en fonction de la fréquence d'une structure tricouche réalisée à partir de matériaux composites cités dans l'exemple II - la figure 7 représente le coefficient de réflexion en fonction de la fréquence d'une structure multicouche. La structure absorbante selon l'invention, possède deux variantes qui permettent d'améliorer les performances de l'absorbant - une première structure absorbante est caractérisée en ce qu'elle résulte de l'association d'une couche (I) de matériau absorbant avec une série de n paires de couches (Il) et (III) réalisées respectivement à partir d'un matériau à faible permittivité et d'un matériau à forte permittivité. Dans ce cas toutes les épaisseurs de couches sont uniformes, mais les épaisseurs des n résonateurs couplés sont différentes de manière à assurer une résonance sur une plus grande gamme de fréquences (Figure 1), puisque ces épaisseurs sont liées aux fréquences pour lesquelles les résonateurs sont efficaces. - une deuxième structure absorbante est caractérisée en ce qu'elle résulte de l'association de trois couches : une couche (I) de matériau absorbant d'épaisseur uniforme, une couche (II) de matériau diélectrique à faible permittivité, d'épaisseur modulée périodiquement et une couche (III) de matériau diélectrique à forte permittivité, d'épaisseur constante et très faible. On obtient ainsi différentes épaisseurs de résonateurs couplés au sein d'une seule structure ce qui permet d'aboutir à un élargissement de la bande de fréquences sur laquelle la structure est efficace (Figure 2). Les matériaux absorbants de la couche (I) sont de préférence des composés magnétiques de type ferrites utilisés sous forme massive ou sous forme de composites réalisés à partir d'une poudre de ferrite incorporée dans une matrice organique. La nature du ferrite employé est déterminée en fonction de la gamme de fréquences à laquelle on s'intéresse. La couche diélectrique à faible permittivité est constituée de préférence, d'une résine à espaceur ou d'un matériau avec espaceur type nid d'abeilles le matériau diélectrique étant alors principalement l'air remplissant les alvéoles de ce matériau. La couche de matériau diélectrique à forte permittivité, jouant le rôle de miroir semi-réfléchissant est réalisée à partir d'un matériau à forte permittivité purement diélectrique ou magnétique comprenant du ferrite massif ou un composite chargé de particules ferrites ou de particules magnétiques métalliques. On va donner ci-dessous plusieurs exemples mettant en évidence l'amélioration des performances d'un absorbant lorsqu'il est utilisé dans la structure selon l'invention. EXEMPLE I Le domaine d'utilisation de l'absorbant est la bande de fréquences 100 MHz - 3 GHz. Les performances visées sont une réflectivité meilleure que - 10 dB sur toute la bande de fréquence. Pour cette application l'absorbant est un ferrite de composition MnO,6 Zon0,39 Co0,01 FeO4. I1 est obtenu selon une technologie céramique classique utilisant les matières premières suivantes - l'oxyde de manganèse MnO2 ou le carbonate de manganèse MnC03 - l'oxyde de zinc ZnO - l'oxyde de Cobalt Co3O4 ou l'hydroxicarbonate de cobalt 2CoC03 Co (OH) 2 H20 - l'oxyde de fer Fe2O3. Les matières premières sont pesées en proportion stoechiométrique, un défaut de fer étant introduit pour tenir compte des apports ultérieurs de fer inhérents à la technologie de préparation. Un broyage des matières premières assurant une meilleure réactivité est réalisé en milieu humide ou à sec. En milieu humide, la barbotine obtenue est séchée en étuve. Le produit obtenu est ensuite désaggloméré et tamisé avec un tamis d'ouverture comprise entre 100 et 500 m. La poudre obtenue est compactée sous forme de plaquettes qui seront frittées. Cette opération est effectuée à une température comprise entre 1200 et 15000 C. La pression partielle en oxygène doit être contrôlée lors du refroidissement pour obtenir les caractéristiques électromagnétiques voulues. Après frittage, l'épaisseur des pièces est ajustée par usinage. La couche absorbante est obtenue par juxtaposition des pièces frittées. Les performances d'une monocouche absorbante constituée de Mono,6 Zng,39Cog,01Fe204 sous une épaisseur de 4,3 mm sont illustrées figure 3. La bande de fréquences sur laquelle on obtient une réflectivité inférieure à -10 dB est la bande 150 MHz-lGHz. La solution multicouche selon un exemple de réalisation de l'invention, propose la structure suivante, dans laquelle les couches sont numérotées de l'objet à camoufler vers l'air, - une couche (I) de ferrite de composition n0, 6Zno, 39C o 0lFe2o4 d'épaisseur 3,5 mm - une couche (II) de mousse synthétique diélectrique de permittivité 1,1 et d'épaisseur 15 mm - une couche (III) de ferrite de composition N10, gZn0, ,Fe,O,. La couche (I) est réalisée de manière identique à celle citée précédemment dans le cas d'une structure monocouche. La couche (III) est obtenue selon le procédé suivant : les matières premières nécessaires à la réalisation du composé Ni0,5Zn0,5Fe2O4 sont l'oxyde de nickel NiO l'oxyde de zinc ZnO l'oxyde de fer Fe2O3. La préparation peut être identique à celle du matériau constituant la couche (I) ou peut être réalisée de la façon suivante La poudre obtenue après broyage subit un traitement thermique à une température comprise entre 10000C et 13000C afin d'obtenir un ferrite du type spinelle dont les propriétés sont adaptées aux applications ciblées. Après ce traitement la poudre est broyée de nouveau dans les mêmes conditions que celles du premier broyage. La poudre obtenue est enfin pressée et frittée à une température comprise entre 11500C et 14000 C. L'épaisseur des pièces est ajustée par usinage. La couche est obtenue par juxtaposition de plusieurs pièces frittées. Les performances de cette structure à trois couches sont illustrées figure 4. I1 apparaît une nette amélioration des caractéristiques de la structure absorbante par rapport à la structure monocouche. On obtient un élargissement de la bande de fréquence et une diminution du coefficient de réflexion. En effet, la bande 100 MHz-3 GHz est couverte avec une atténuation de - 15dB; EXEMPLE II Le domaine d'utilisation de l'absorbant est la bande de fréquences 2 GHz-9GHz. Les performances visées sont une réflectivité meilleure que -10 dB sur toute la bande. Pour cette application, l'absorbant est un matériau composite comprenant une poudre de ferrite de composition Bacon 17 Ti Fe 66 19 et une matrice organique. Le taux de 1,17 9,66 charge volumétrique est de 50 8. Les performances d'une monocouche utilisée à partir de ce matériau composite et d'épaisseur environ 4 mm sont données à la figure 5. Elle assure une réflectivité de - 10dB sur la bande 2,5 GHz - 8 GHz. La structure selon un exemple de réalisation de l'invention, utilisant cet absorbant composite est constituée par les trois couches suivantes - une couche de composite décrit ci-dessus et d'épaisseur environ 4,4 mm, - une couche de diélectrique de permittivité égale à 1,1 environ et d'épaisseur environ 7 mm, - une couche de composite comprenant une charge de poudre de ferrite de composition BaCoO, 95Tio, 95Fe10, 1 19 et une matrice organique ; le taux de charge volumétrique étant de 69 96 . L'épaisseur de cette troisième couche est d'environ 0,33 mm. Les performances de cette structure à trois couches sont illustrées figure 6. La bande de fréquence 2 GHz - 9 GHz est couverte avec une réflectivité à - 10 dB. On atteint une réflectivité de - 15 dB sur la bande 2,5 GHz-8 GHz. EXEMPLE III Le domaine d'utilisation de l'absorbant est la bande 3 GHz - 15 GHz. Les performances visées sont une réflectivité inférieure à - 10 dB sur toute la bande. La structure proposée est une structure composée d'une couche d'absorbant et d'une série à 2 couches (diélectrique à faibles pertes, diélectrique à forte permittivité). Ces couches sont les suivantes - une couche de ferrite massif de composition BaCo1,1T1,1Fe9,8O19 d'épaisseur environ 2 mm - une couche de diélectrique de permittivité 1,1 d'épaisseur environ 3 mm - une couche de ferrite massif de composition BaCo Ti 05Fe9 > 9O19 d'épaisseur environ 0 > 35 mm - une couche de diélectrique de permittivité 1,1 d'épaisseur environ 5,4 mm - une couche de ferrite massif de composition Ba Co Til Fe10O19 d'épaisseur environ 0,1 mm Les performances de cette structure multicouche sont illustrées figure 7. Une réflectivité inférieure à - 10 dB est assurée sur toute la bande de fréquence 3 GHz-15 GHz. REVENDICATIONS 1 - Structure absorbant les ondes hyperfréquences, caractérisée en ce qu'elle résulte de la superposition de couches constituées par trois matériaux de propriétés électromagnétiques différentes - un matériau A, absorbant les hyperfréquences - un matériau B, à faible permittivité sans perte, - un matériau C, à forte permittivité. 2 - Structure absorbante selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle résulte de l'association d'une couche (I) réalisée à partir d'un absorbant, d'épaisseur uniforme, avec une série à n paires de couches (II) et (III) d'épaisseurs uniformes, réalisées respectivement à partir d'un matériau de type B et d'un matériau de type C. 3 - Structure absorbante, selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle résulte de l'association de trois couches : une couche (I) d'épaisseur uniforme, une couche (II) d'épaisseur modulée périodiquement et une couche (III) d'épaisseur uniforme. 4 - Structure absorbante, selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que le matériau de type A est un ferrite en masse ou un matériau composite à base de ferrite. 5 - Structure absorbante, selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que le matériau B est de type structure à espaceur nid d'abeilles ou résine à espaceur. 6 - Structure absorbante, selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que la couche III est une couche mince, d'épaisseur inférieure au quart de la longueur d'onde devant être absorbée, jouant le rôle de miroir semi-réfléchissant. 7 - Structure absorbante, selon la revendication 6, caractérisée en ce que la couche III est constituée d'un diélectrique ou tout autre matériau électromagnétique possédant une forte permittivité.