Brevet FR2783359A1 — publié le 20000317

ABSORBANTS D'ONDES ELECTROMAGNETIQUES LARGE BANDE Dans mon brevet USA (US Serial n 08/942.166 du ler Octobre 1997), j'ai décrit des absorbants large bande, utilisant deux couches de ferrite ou une couche de ferrite et un composite de ferrites, séparées par une couche à impédance d'onde élevée. L'importance du concept de "découplage" entre couches, par une telle couche intermédiaire (couche "tampon") a été décrite. Dans ce contexte, j'ai trouvé l'étonnant résultat que la couche intermédiaire peut être supprimée: Alors, la couche interne (contre la masse), réalisée par un ferrite compact, n'est pas suivie d'une couche tampon, mais simplement d'une deuxième couche magnétique externe, composée d'un composite magnétique nouveau, décrit dans ce brevet. Ce composite magnétique nouveau doit représenter à la fois les caractéristiques de la couche tampon, et les caractéris- tiques de la couche de ferrite (ou composite de ferrite) extérieur, c'est-à-dire représenter la condition nécessaire d'impédance d'onde élevée (Hi-Z), ainsi que l'absorption complémentaire nécessaire. Ce composite nouveau peut être réalisé par des particules d'un ou de ferrites ad hoc sous forme de poudre, grains, plus ou moins circulaires, grains allongés ou aciculaires, écailles, buchettes ou barreaux, immergés dans un milieu air ou mousse diélectrique (o 6* est proche de 1 - jO), ou inversement, réalisé par une ferrite, compact, comportant un grand nombre de pores, tels que des ferrites frittés poreux, ou encore de ferrites/ferrites à porosité fine, comportant des trous allongés macroscopiques. J'ai trouvé que les spectres de la perméabilité Pû* = P2' - j p2" de cette couche composite, appelée Hi-Z, d'abord - 2 - -2- 2783359 doivent correspondre la plus près possible à un "spectre ideal": Celui- ci est déterminé par une "reconstruction" de 2 *, pour obtenir une réflection d'onde nulle, pour le domaine de fréquence considéré. Considérons un ferrite doux type, au Ni-Zn, compact, avec les perméabilités de la Figure 1, et ayant une permittivité constante de t1* = 15 - jO. La Figure 2 reproduit de tels spectres de perméabilités "idéales", pour la couche externe, avec ce ferrite, placé contre la masse. Pour ces perméabiltés "idéales", j'ai considéré que * = 1 - jO. Elles sont montrées pour les trois épaisseurs de la couche absorbante externe, de 9, 12,9 et 16 mm. J'ai pu ainsi démontrer que l'allure de la dispersion, et les valeurs de P ' et P" sont physiquement possibles, entre quelque 300 MHz et quelque 8 GHz: En d'autres mots, un absorbant deux couches parfait devient possible, selon les termes de mon invention, sous condition de réaliser des spectres v 2* à l'allure précise, pour la couche extérieure. Pour toutes ces courbes, la racine du rapport des perméabilités complexes divisées par la permittivité, indique un module supérieur à l'unité, dans l'ensemble du spectre, c'est-à-dire, la couche absorbante externe représente bien la caractéristiques "hi-Z" décrite: Ceci représente une nouvelle ligne de matériaux, que je n'ai pas trouvés décrits dans la littérature. Il est clair ainsi, que l'invention exclut, a priori pour la couche externe, tous les "rubber-ferrites" ou autres composites avec une matrice diélectrique, décrits dans la littérature. Or, j'ai trouvé possible de réaliser de tels matériaux composites, ayant essentiellement une permittivité égale ou proche de ú * = I - jO dans toute la gamme de fréquences, et ayant les faibles valeurs des perméabilités requises, avec des concentrations en volume globales en ferrites aussi réduites que 10 à 25 %. De façon inattendue, j'ai trouvé que ces spectres 2 * ne correspon- daient pas aux allures et valeurs des spectres du/des ferrites utilisés en l'état compact: en effet, pour de telles valeurs réduites du coefficient de remplissage, les perméabilités observées sont liées à la forme et à la distribution géométrique du ferrite, o un nombre élevé de grains fins ne sont pas équivalents à un nombre réduit de pièces compactes plus grosses du ferrite. De la même façon, des grains (non sphériques) orientés dans le sens de la propagation ou dans le plan perpendiculaire, montrent des spectres différents: en réalité donc, les spectres U2* de cette couche externe peuvent être modifiés, en jouant sur l'isotropie ou l'anisotropie orientée de la structure, réalisée avec des ferrites doux essentiellement isotropiques, en l'état compact. Dans un premier exemple, j'ai réalisé une peinture avec un tel ferrite au Mn- Zn sous-stoechiométrique (avec les spectres de P2* de la Figure 3 en l'état compact: J'utilise donc un autre ferrite doux, avec un spectre de Snoek (aimantation à saturation), s'étendant aux frequences légèrement supérieures à celles du ferrite de base, de la Figure 1. Ce ferrite, sous forme de poudre fine (granulométrie inférieure à 0,2 mm), est incorporé dans une base de peinture quelconque, avec une concentration en volume d'environ 68 % pour l'extrait sec. La peinture est appliquée au pistolet ou par trempage à un enchevêtrement de crins ou de fibres, genre crin de cheval aéré, pour obtenir une densité globale de l'ordre de l'unité, ce qui correspond à une concentration en volume de ferrite de l'ordre de 0,2. Ce composite Hi-Z représente le spectre de perméabilités des tracés 4a de la figure 4. Une réalisation de composite identique, mais avec le ferrite de la Figure 1, montre les spectres des perméabilités des tracés 4b de la figure 4: J'indique ces résultats sous forme graphique, faisant mieux apparaitre les différences des spectres. Ainsi, superposant ces spectres mesurés aux spectres idéaux (Figure 2), on peut vérifier, d'abord, que l'allure générale des spectres obtenus correspond bien à l'allure des spectres "idéaux", au-dessus de quelque 200 MHz. On peut vérifier ensuite une corrélation très approximative des spectres 2 ' et f2 pour d 2 I2 ' 2 = 12,9 mm, surtout aux fréquences élevées, pour le composite au ferrite de Mn-Zn (Tracés 4a). Finalement, on peut voir que pour des spectres de la perméabilité réelle similaires, les perméabilités de pertes peuvent varier beaucoup. La Figure 4 montre clairement le premier des moyens que j'ai trouvé pour "modeler" le spectre de la couche externe, par la modification de la composition du ferrite du composite. Ainsi, un ferrite ou encore un mélange de ferrites, de composition et aimantation à saturation différentes, permet de placer (à perméabilité P ' peu changée) la perméabilité des pertes à volonté dans le spectre de fréquence. Il est entendu que ces différents ferrites ont une faible conducti- vité, pour s'approcher de la condition ú * - 1 - jO. J'ai noté toutefois que des permittivités légèrement supérieures, par exemple 1,5 ou 2, permettent encore de réaliser la condition "hi-Z", en prenant des valeurs 2' et P2" multipliées en gros par La simulation de la réflectivité obtenue par la couche interne du ferrite de NiZn compact (Figure 1) (d1 = 5,3 mm) avec la couche adjacente du composite Hi-Z du ferrite de Mn-Zn, est montrée dans la Figure 5: - a - On obtient une réflectivité s'approchant de 15 dB, de quelque 15 MHz à 5 GHz, avec des variations liées à l'épaisseur d2 de la couche externe. D'autres moyens permettent de mieux "cloner" encore les spectres P 2' et P 2 " idéaux, avec en particulier, l'approche aussi parfaite que possible, de la permittivité unité, (pour la réalisa- tion de la condition hi-Z, sur un spectre aussi étendu que pos- sible). J'ai trouvé, en particulier, que des grains de taille plus élevée (pour le composite Hi-Z), l'orientation de ces grains dans le sens de la propagation, une forme oblongue dans le sens de la propagation, jusqu'à l'utilisation de barreaux ou buchettes (toujours dans le sens de la propagation), permettent la réalisation de ces conditions. Dans de tels composites "hi-Z", une anisotropie "uniaxia- le" est ainsi introduite, de part la structure du composite (sans l'utilisation de ferrites anisotropiques!): on observe alors la possibilité de rendre maximum l'impédance d'onde, et de l'étaler sur l'ensemble du spectre théoriquement possible, c'est-à-dire jusqu'à 5 à 8 GHz. Comme troisième exemple, je cite ci-dessous la réalisa- tion d'un composite "hi-Z" avec des particules du ferrite de la Figure 3, de taille entre 0,5 mm et 2 mm, avec une concentration en volume entre 0,1 et 0,25: ces grains sont orientés dans le sens de la propagation, pour l'application d'un champ magnétique continu au moment de la solidification du composite, réalisé par exemple par une matrice en mousse diélectrique (de permittivité 1). La perméabilité dans le sens de la propagation est ainsi favorisée au détriment de la perméabilité dans le plan perpendicu- laire; j'ai observé en même temps, que la permittivité effective est plus réduite, comme souhaité. -6 - 2783359 Les spectres de perméabilité de ce composite sont indiqués dans la Figure 6, superposés aux perméabilités "idéales": pour une épaisseur de la couche externe hi-Z entre 12,9 mm et 16 mm, il apparait un "clonage" encore meilleur (que pour les exempleS de la Figure 4). Ceci est vérifié par la mesure directe de la réflectivité: pour une couche interne du ferrite (De la Figure 1), d'épaisseur légèrement augmentée à 6,3 mm (qui correspond à l'épaisseur optimum pour l'absorbant une couche), avec le composite anisotropique dessus, on obtient une réflectivité égale à 15 dB ou meilleure que 15 dB, jusqu'à 5 GHz (Figure 7). La figure indique aussi la comparaison avec la performance de la première couche seule, démontrant l'obtention de l'extension de la réflection vers les fréquences élevées, pour l'absorbant deux couches. Il est intéressant de remarquer au passage, que cette solution est du type "rétrofit", c'est-àdire une chambre anéchoique existante, équipée du premier ferrite seul, peut être améliorée, par le rajout, après coup, de la couche "hi-Z". Cette couche additionnelle est elle- même très légère (environ un quart du poids du premier absorbant). 1l est intéressant de remarquer aussi, que l'addition de la couche externe composite hi-Z, avec son "indice optique" (racine carrée du produit de 2*. 2*), modifie l'angle d'incidence d'une onde incidente verticale, dans la couche interne: ceci améliore considérablement la réflectivité pour une incidence oblique. Ceci est particulièrement vrai, aux fréquences élevées, o par exemple, pour un angle incident de 30 , la réflectivité atteint 13 dB pour les deux polarisations, à 5 GHz. L'anisotropie de la couche externe peut aller jusqu'au maximum, représentée par une structure en "aiguilles" ou "barreaux" - 7 - du ferrite, alignés dans le sens de la propagation de l'onde incidente, sur toute l'épaisseur de la couche externe. Une telle structure équivaut, si on considère les barreaux reliés, à une structure du type grille ou gaufre, pour cette couche externe. J'ai observé, qu'un clonage des spectres de H* idéaux, meilleur encore, est obtenu par une anisotropie partielle telle que réalisée dans l'exemple ci-dessus, et réalisée aussi avec des barreaux alignés, plus des grains (alignés ou non) additionnés dans le composite. Des ferrites "planaires", ayant intrinsèquement une perméabilité uniaxiale, peuvent également être utilisés. Ces solutions permettent d'optimiser la condition hi-Z, en particulier aux fréquences au bout extrême de la bande de fréquences. Comme quatrième exemple, je cite le cas d'un composite grille ou gaufre, précité. Vu les faibles valeurs de P * nécessaires, évidemment une telle structure doit être très évidée (pour l'obtention du coefficient de remplissage de l'ordre de 0,1 à 0,25): ceci rend la structure fragile, avec un ferrite externe compact. J'ai observé que l'on peut partir alors d'un ferrite fritté normalement (pour représenter les P * intrinsèques du compact), mais représentant une porosité élevée: On s'approche ainsi de la réalisation partielle de l'impédance Hi-Z. Dans cet exemple, j'ai réalisé un ferrite de la composition MnZn (De la Figure 3), avec une porosité de 50%, et j'ai effectué des trous circulaires rapprochés dans le sens de la propagation, pour finir d'obtenir la caractéristique Hi-Z: Ceci permet d'obtenir exactement le "négatif" de la structure en barreaux décrites: le diamètre des tores permet d'ajuster la concentration du ferrite globale, c'est-à-dire la perméabilité P 2* obtenue. La forme de tels trous est peu importante, pourvu qu'ils soient symétriques dans le sens perpendiculaire à la propagation des ondes, et pourvu que, pour de telles structures inhomogènes, le pas des irrégularités (tels que par exemple la distance entre barreaux, ou encore, la distance entre trous) ne doit représenter qu'une fraction de la longueur d'onde correspondant à la fréquence maximum de spectre utile de l'absorbant (une fraction de centimètre). La Figure 8 indique l'excellente corrélation obtenue pour la perméabilité 2* de ce composite, pour d2 = 9 mm. J'ai obtenu ainsi un absorbant deux couches, avec une réflectivité égale ou supérieure à 20 dB, de 20 MHz à 5 GHz (ferrite tableau 1, épaisseur 6,3 mm comme première couche). Dans un cinquième exemple, je mentionne que mon invention est décrite pour des raisons de facilités de compréhension, avec une première couche (interne) de ferrite donnée. Il est bien entendu, que d'autres ferrites sont utilisables, fournissant une caractéristique de réflectivité intéressante, aux basses fréquences. Par la procédure décrite, on établit d'autres spectres P* "idéaux", c'est-à-dire décrivant la couche externe, montrant une réflection théorique égale à zéro. On procède donc de la même façon pour déterminer cette couche externe "idéale". Par ailleurs, il est évident que le "clonage" peut favoriser certains domaines de fréquences, et ainsi de placer des maxima de réflectivité, à volonté, dans le spectre considéré. Je mentionne encore, que la procédure décrite, permet la réalisation d'absorbants jusqu'à quelque 8 GHz, à cause du ferrite compact interne utilisé. Pour aller au-delà, la même procé- dure est utilisée, avec une troisième couche, et un autre composite "hiZ". Des absorbants trois couches sont ainsi possibles pour réaliser des réflectivités utilisables jusqu'à quelque 18 GHz et au-delà. Dans ce cas, des matériaux à fréquence de Snoek encore plus élevées sont utilisées (ferromagnétiques ultrafins, ferrimagnétiques hautement anisotropiques, etc). Finalement, une couche additionnelle d'air peut être inter- calée, pour mieux "cloner" les caractéristiques idéales de {4*: en effet, une telle couche introduit un déphasage positif sur l'im- pédance ramenée à la surface, surface en contact avec le composite "hiZ": les courbes de la perméabilité idéale sont alors déformées, ce qui peut faciliter la précision du "clonage" pour l'obtention d'une réflection d'onde nulle. - 10 - Revendications 1. Absorbant d'ondes électromagnétiques, utilisant deux couches absorbantes, adjacentes l'une à l'autre, dans lequel la première couche (contre la masse) est réalisée par un ferrite compact, et dans lequel la couche externe est réalisée par un maté- riau composite représentant une impédance d'onde élevée, substantiellement supérieure à celle de l'air, jusqu'aux fréquences élevées de la gamme de fréquences utile. 2. Absorbant d'ondes électromagnétiques à deux couches, selon 1, dans lequel le matériau composite est isotropique et non homogène, telle qu'une couche incomplètement, mais régulièrement remplie d'un matériau ferri-magnétique, celui-ci peuvant être une poudre de ferrites, de gros grains de ferrite, des barreaux, des paillettes, ou encore toute autre forme géométrique, dans une matrice à faible permittivité, ou encore inversement, celui-ci pouvant être en ferrite avec des trous, pores, et en particulier, un ferrite fritté poreux. 3. Absorbant d'ondes électromagnétiques à deux couches, selon 1, dans lequel le matériau composite est uniaxialement ani- sotropique et non homogène, telle qu'une couche incomplètement remplie d'un matériaux ferrimagnétique, celui ci pouvant être des grains oblongs, barreaux, paillettes de ferrite, ou encore toute autre forme géométrique, dans une matrice à faible permittivité, orientés avec leur axe d'aimantation facile dans le sens de la propagation, ou encore inversement, celui ci peuvant être un ferrite avec des trous, pores, orientés. 4. Absorbant d'ondes électromagnétiques à deux couches, selon 1 et 2, dans lequel la matrice du composite comporte un milieu magnétique avec un degré d'anisotropie contrôlé, qui avec le choix ad-hoc de la composition des ferrites, leur concentra- - Il - tion volumique, les dimensions de la couche composite, permettent l'obtention d'une réflectivité élevée (réflection proche de zéro) des ondes électromagnétiques, dans un domaine de fréquence de quel- que 10 MHz à 8 GHz et au-delà. 5. Absorbant d'ondes électromagnétiques à deux couches, selon l'une des revendications précédentes, 1, 2, 3 et 4, dans lequel l'impédance d'onde élevée est essentiellement supérieure à l'impédance d'onde du vide, et est réalisée par une concentration volumique de la matière ferrimagnétique et/ou ferrimagnétique relativement faible (concentration volumique environ 10 à 25%), combiné avec un matériau matrice à permittivité égale ou proche de l'unité, permettant l'obtention d'une permittivité effective réduite du composite, et la réalisation de l'impédance d'onde élevée. 6. Absorbant d'ondes électromagnétiques à deux couches, selon l'une des revendications précédentes, 1, 2, 3, 4 et 5, dans lequel la première couche (contre la masse) est essentiellement un absorbant classique pour la bande d'environ 30 MHz à 1 GHz, et dans lequel la seconde couche composite à impédance d'onde élevée, est magnétique et absorbante. 7. Absorbant d'ondes électromagnétiques à deux couches, selon l'une des revendications précédentes, 1, 2, 3, 4, 5 et 6, dans lequel le matériau composite extérieur démontre un spectre de perméabilité magnétique, avec ses termes réels et imaginaire, le plus proche possible des "spectres images", tels que déterminés par l'optimisation de la réflectivité vs les caractéristiques de la première couche (interne) du ferrite compact. 8. Absorbant d'ondes électromagnétiques à deux couches, selon l'une des revendications précédentes, 1, 2, 3, 4, 5, 6 et - 12 - 7, dans lequel l'indice optique de la couche externe est plus réduit que l'indice de la couche interne (ferrite compact), améliorant ainsi la réflectivité par des incidences obliques des ondes électromagnétiques. 9. Absorbant d'ondes électromagnétiques à deux couches, selon l'une des revendications précédentes, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 et 8, dans lequel une couche d'air ou autre milieu à haute impédance d'onde est intercalée entre les deux couches. 10. Absorbants d'ondes électromagnétiques à deux couches, selon l'une des revendications précédentes, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 et 9, dans lequel une troisième couche additionnelle est placée à l'extérieur, telle que déterminée selon la revendication 7, pour étendre la gamme d'absorption au-delà de quelque 8 GHz, et jusqu'à 18 GHz et au-delà.