Brevet FR2884971A1 — publié le 20061027

CIRCULATEUR HYPERFREQUENCE A SURFACE OPTIMALE DE NANOFILS Le domaine technique de l'invention est celui des circulateurs à effet non réciproque utilisés dans le domaine des hyperfréquences. Les domaines d'application principaux sont les télécommunications et les radars, par exemple les radars embarqués sur véhicules automobiles, utilisés pour des systèmes d'anti-collision ou de contrôle de route. Pour ce type d'application, les circulateurs peuvent être disposés notamment entre l'antenne et les organes d'émission et de réception. Dans un système hyperfréquence, les circulateurs sont généralement des systèmes à trois ports permettant de guider le signal d'un premier port vers l'un des deux autres ports de façon privilégiée. Pour les applications aux antennes radar, on sépare ainsi le signal émis vers l'antenne du signal reçu par cette même antenne. Plusieurs solutions sont possibles pour réaliser le guidage des signaux. Classiquement, la séparation peut être réalisée par effet non réciproque. Il est connu que certains effets physiques comme l'effet Faraday ne respectent pas la réversibilité du temps, c'est-à-dire qu'une onde électro- magnétique n'aura pas le même comportement suivant son sens de propagation. Les matériaux magnétiques de type ferromagnétique ont leur susceptibilité x qui présente cette particularité. La valeur de la susceptibilité dépend du sens de propagation de l'onde. On peut également dire que la susceptibilité est différente suivant que l'onde est polarisée circulairement gauche ou circulairement droite. C'est cet effet que l'on utilise pour obtenir des circulateurs performants. On peut alors séparer sans pertes importantes les signaux émis et reçus qui sont nécessairement de sens différent. Classiquement, un circulateur comprend essentiellement, comme 30 il est indiqué sur la figure 1: 2884971 2 É Une cavité électromagnétique C résonnante qui est un volume rempli d'un matériau diélectrique limité par des parois de type électrique ou magnétique. En règle générale, pour les applications aux circulateurs, la cavité se présente sous la forme d'un disque circulaire plat. É Trois éléments de couplage identiques notés 1, 2 et 3 permettant le guidage de l'onde de la voie 1 vers la voie 2, de la voie 2 vers la voie 3 et de la voie 3 vers la voie 1 avec une isolation la plus parfaite possible de la voie 1 vers la voie 3, de la voie 2 vers la voie 1 et de la voie 3 vers la voie 2. Ces trois éléments sont placés à 120 degrés l'un de l'autre à la périphérie de la cavité. Pour des applications dans le domaine des hyperfréquences, on utilise généralement des matériaux ferrimagnétiques comme les ferrites magnétiques qui présentent l'avantage d'être isolants. Les ferrites sont des oxydes métalliques complexes, dérivés de la magnétite par remplacement de l'atome de fer divalent par un atome d'un autre métal. Cependant, dans le cas particulier de l'utilisation à haute 20 fréquence, l'utilisation de ferrites présente un certain nombre d'inconvénients: É L'aimantation des ferrites n'atteint pas les valeurs des matériaux ferromagnétiques classiques, ce qui diminue d'autant les qualités de la cavité. É Pour obtenir l'aimantation M souhaitée, il est nécessaire d'utiliser un aimant permanent, ce qui complique le dispositif. É Ces matériaux qui nécessitent un processus complexe d'élaboration sont difficilement usinables, compte-tenu de leur très grande dureté. La mise en oeuvre de ferrites pour des applications hyperfréquence nécessite la réalisation de pièces de petites dimensions, ce qui ajoute encore à la difficulté. On aboutit en final à un produit coûteux aux performances limitées. 10 2884971 3 Depuis quelques années, le domaine des nanotechnologies s'est considérablement développé tant au niveau des approches théoriques que des applications technologiques et industrielles. On désigne par ce terme tout système incluant des composants dont au moins une de leurs dimensions est à l'échelle nanométrique. Comme illustré en figure 2, il est ainsi possible de réaliser dans des feuilles F de polymères des nanofils métalliques N de diamètre, de longueur et d'orientation connues dont les propriétés magnétiques et électriques sont particulièrement bien adaptées à la réalisation de circulateurs non-réciproques pour des applications hyperfréquence. La forme filaire se prête tout particulièrement à une aimantation suivant l'axe du fil. On appelle ce type de matériau: métamatériau. A titre d'exemple, une réalisation technologique actuelle d'un 15 disque à nanofils pour circulateur passe par les étapes suivantes: 1. Choix d'une matrice en polymère. 2. Réalisation de trous nanométriques par irradiation par des faisceaux d'ions puis révélation chimique ou photométrique. 3. Dépôt d'une couche conductrice sur la matrice. 4. Création des nanofils par remplissage des trous par dépôt électrolytique de composés métalliques ayant les caractéristiques souhaitées à partir de la couche conductrice. Les matériaux composant les nanofils sont préférentiellement des alliages de Fer ou de Nickel ou de Cobalt ou de Samarium ou de Néodyme. Plus précisément, le choix de la composition est fixé par la fréquence d'utilisation, par exemple un alliage composé de 80% de Fer et de 20% de Nickel peut être utilisé pour des applications fonctionnant dans la bande de 8 GHz à 12.4 GHz. Dans ce processus, les nanofils N couvrent la totalité de la surface de la matrice M comprenant la zone du disque résonant D et également les éléments de couplage comme indiqué sur la figure 3 où les nanofils sont représentés par des points noirs. Les configurations des champs électro-magnétiques susceptibles 35 d'osciller dans la cavité sont appelés traditionnellement modes de résonance 2884971 4 ou modes propres et notés TEmnp ou TMmnp avec (m, n, p) triplé de valeurs positives entières. Ces modes sont caractérisés par une fréquence de résonance Fmnp et une configuration géométrique particulière des champs. De façon classique, les cavités travaillent sur un de leurs modes fondamentaux, et notamment sur leur mode fondamental TM1,o. La figure 4 représente les variations, à l'intérieur d'un disque résonant D, à un instant donné, pour le mode fondamental: É du champ électrique E qui est normal au plan de la figure et dont l'amplitude est représentée par des dégradés de teinte de gris, les teintes les plus foncées correspondant aux amplitudes les plus élevées; É du champ magnétique H qui est représenté par des vecteurs orientés dont la longueur est représentative de l'amplitude du champ magnétique. Le champ H possède une polarisation circulaire au centre, optimale pour l'effet recherché et qui devient elliptique lorsqu'on s'éloigne du centre. L'effet circulateur est essentiellement lié au champ magnétique H. II est donc important dans les zones de champ magnétique élevé. Par contre, la présence de nanofils là où le champ électrique E est élevé entraîne de fortes pertes diélectriques. A titre d'exemple, la figure 5 montre l'évolution du rendement des pertes et de l'effet circulateur pour une configuration TM110 le long du rayon RD du disque résonant lorsque celuici comporte une densité homogène de nanofils. Dans ce type d'application, il est essentiel de limiter les pertes à des seuils faibles. En effet, le circulateur perd tout intérêt dès que les pertes dépassent 3 dB, soit 50% d'énergie perdue. Typiquement, les niveaux de pertes acceptables se situent autour du dB, soit 20% d'énergie perdue. II est donc crucial de limiter les pertes tout en maintenant un effet circulateur acceptable. Avec les configurations actuelles où la densité de nanofils est constante sur toute la matrice comprenant le disque résonant, les pertes dues aux nanofils situés dans les zones de champ électrique élevé sont trop importantes. 2884971 5 L'objet de l'invention est de limiter la zone des nanofils aux zones du disque magnétiquement actives et présentant des champs électriques faibles. On minimise ainsi les pertes tout en conservant l'essentiel de l'effet circulateur. Les avantages spécifiques de cette disposition sont nombreux. On citera: É suppression de la majeure partie des pertes diélectriques; É utilisation d'une quantité plus faible de métamatériau. 10 Plus précisément, l'invention a pour objet un circulateur à effet non- réciproque pour utilisation dans le domaine des hyperfréquences comportant une cavité circulaire contenant au moins un disque résonant, ledit disque comprenant essentiellement une matrice de forme circulaire de rayon RD en matériau isolant comportant une pluralité de nanofils en matériau magnétique, caractérisé en ce que la densité de nanofils à l'intérieur de la matrice dépend de la distance au centre de la matrice, cette dépendance étant fonction des intensités des champs électriques et magnétiques présents dans le disque résonant. Avantageusement, la densité de nanofils est maximale au centre de la matrice et nulle à sa périphérie, elle peut être constante sur un disque centré sur la matrice, de rayon Roptim inférieur à RD et nulle à l'extérieur de ce disque. Avantageusement, le rayon Roptim est compris 40% et 70% du 25 rayon RD de la matrice. Avantageusement, la densité de nanofils est constante sur un anneau centré sur la matrice et nulle ailleurs. De plus, le matériau isolant de la matrice peut être un polymère de type polycarbonate ou polyimide. L'invention concerne également un procédé de réalisation d'un circulateur comprenant essentiellement une cavité circulaire contenant au moins un disque résonant, ledit disque comprenant une matrice de forme circulaire de rayon RD en matériau isolant comportant une pluralité de 2884971 6 nanofils en matériau magnétique, caractérisé en ce que ledit procédé comporte au moins les étapes suivantes: É Détermination de la répartition des champs électriques et magnétiques à l'intérieur du disque résonant; É Détermination de la répartition de la densité de nanofils à l'intérieur de la matrice, fonction des intensités des champs électriques et magnétiques présents dans le disque résonant; É Réalisation de ladite matrice. Dans ce cas, l'étape de réalisation de la matrice peut comprendre une phase de révélation par éclairement des emplacement des nanofils, les variations de densité de nanofils étant obtenues par variation de cette éclairement. L'éclairement peut être réalisé au moyen de sources de rayonnement ultraviolet. Ce type de circulateur peut être employé dans le domaine des radars fonctionnant dans la bande de fréquences comprises entre 24 et 77 gigahertz. Ces radars peuvent être montés sur des véhicules, et plus particulièrement des véhicules automobiles. Ce type de circulateur peut être également employé à de plus basses fréquences ou à de plus hautes fréquences pour d'autres applications. 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: É La figure 1 représente le schéma d'un circulateur; É La figure 2 représente une fraction d'un métamatériau comportant des nanofils, É La figure 3 représente une matrice à nanofils pour circulateur selon l'art antérieur; É La figure 4 représente la répartition des champs électrique et magnétique à l'intérieur du disque résonant; É La figure 5 représente l'évolution des rendements des pertes et de l'effet circulateur dans un circulateur selon l'art antérieur; É La figure 6 représente un circulateur selon l'invention. 2884971 7 Dans le cas du mode fondamental TM110, la figure 5 représente en fonction de la distance au centre du disque résonant l'évolution des rendements de l'effet circulateur et des pertes dans le cas d'une répartition uniforme de nanofils. L'effet circulateur passe par un maximum à une distance Rm;n qui vaut environ 40% du rayon RD du disque résonant. Les pertes croissent uniformément du centre vers le bord du disque. Les deux courbes se croisent pour une distance Rmax qui vaut environ 70% du rayon RD du disque résonant. Pour minimiser les pertes, il est clair qu'il faut diminuer la densité de nanofils là où elles sont élevées. A contrario, il faut conserver des densités de nanofils élevées là où l'effet circulateur est le plus important. On peut réaliser des densités de nanofils variables continûment. Cependant, il est plus simple de réaliser une densité de nanofils constante dans une zone donnée et nulle ailleurs, ce qui permet de simplifier la réalisation industrielle. A titre d'exemple, la figure 6 représente, dans le cas du mode fondamental TM110, une répartition de densité optimisée. La densité de nanofils est constante sur un disque centré sur la matrice, de rayon Roptim inférieur à RD et nulle à l'extérieur de ce disque. Dans ce cas, le rayon Roptim est compris entre les rayons Rmj,, et Rmax et vaut entre 40% et 70% du rayon RD de la matrice. Bien entendu, en fonction du mode de la cavité, d'autres répartitions sont possibles, répartition en anneau, continûment variable, ....Il faut cependant remarquer que le mode fondamental TM110 est particulièrement bien adapté à une répartition spécifique des nanofils dans la mesure où pertes et effet circulateur sont bien découplés, ce qui n'est pas nécessairement le cas pour d'autres modes. Par exemple, les zones de pertes maximales du mode TM210 recoupent les zones où l'effet circulateur est le plus grand. II devient alors beaucoup plus difficile d'optimiser la répartition des nanofils au sein du disque résonant. La réalisation de densités de nanofils variable à symétrie radiale ne pose aucun problème technique majeur. Comme il a été dit, le processus de réalisation de la matrice comportant les nanofils comporte une phase de révélation des emplacement des nanofils par éclairement sous rayonnement ultra-violet. Il suffit donc de faire varier cet éclairement pour obtenir des variations de densité de nanofils. On peut, par exemple, masquer certaines parties de la matrice pour obtenir la répartition souhaitée. 9 REVENDICATIONS 1. Circulateur à effet non-réciproque pour utilisation dans le domaine des hyperfréquences comportant une cavité circulaire (C) contenant au moins un disque résonant (D), ledit disque comprenant essentiellement une matrice de forme circulaire de rayon RD en matériau isolant comportant une pluralité de nanofils en matériau magnétique, caractérisé en ce que la densité de nanofils à l'intérieur de la matrice dépend de la distance au centre de la matrice, cette dépendance étant fonction des intensités des champs électriques et magnétiques présents dans le disque résonant. 2. Circulateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que la 15 densité de nanofils est maximale au centre de la matrice et nulle à sa périphérie. 3. Circulateur selon la revendication 2, caractérisé en ce que la densité de nanofils est constante sur un disque centré sur la matrice, de 20 rayon Roptim inférieur à RD et nulle à l'extérieur de ce disque. 4. Circulateur selon la revendication 3, caractérisé en ce que le rayon Roptim est compris 40% et 70% du rayon RD de la matrice. 5. Circulateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que la densité de nanofils est constante sur un anneau centré sur la matrice et nulle ailleurs. 6. Circulateur selon l'une des revendications précédentes, 30 caractérisé en ce que le matériau isolant de la matrice est un polymère de type polycarbonate ou polyimide. 7. Circulateur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le mode présent dans la cavité est le mode 35 fondamental TM110. 2884971 10 8. Procédé de réalisation d'un circulateur comprenant essentiellement une cavité circulaire (C) contenant au moins un disque résonant (D), ledit disque comprenant une matrice de forme circulaire de rayon RD en matériau isolant comportant une pluralité de nanofils en matériau magnétique, caractérisé en ce que ledit procédé comporte au moins les étapes suivantes: É Détermination de la répartition des champs électriques et magnétiques à l'intérieur du disque résonant; É Détermination de la répartition de la densité de nanofils à l'intérieur de la matrice, fonction des intensités des champs électriques et magnétiques présents dans le disque résonant; É Réalisation de ladite matrice. 9. Procédé de réalisation d'un circulateur selon la revendication 8, caractérisé en ce que, l'étape de réalisation de la matrice comprend une phase de révélation par éclairement des emplacement des nanofils, les variations de densité de nanofils étant obtenues par variation de cette éclairement. 10. Radar fonctionnant dans la bande de fréquences comprises entre 24 et 77 gigahertz, caractérisé en ce qu'il comporte au moins un circulateur selon l'une des revendications 1 à 7. 11. Véhicule caractérisé en ce qu'il comporte au moins un radar selon la revendication 10.