Brevet FR3057399A1 — publié le 20180413

Système d'analyse de spectre d'un signal radiofréquence La présente invention concerne un système d'analyse de spectre d'un signal radiofréquence apte à fonctionner dans une bande de fréquence, donnée. L'invention se situe dans le domaine du traitement de signaux radiofréquence, et en particulier des signaux radiofréquence ou hyperfréquence à très large bande instantanée, typiquement de quelques gigahertz (GHz) à plusieurs dizaines de GHz. Pour l'analyse de spectre de tels signaux, les solutions les plus avancées sont basées sur la numérisation de tels signaux et leur analyse spectrale numérique. Cependant, la numérisation des signaux hyperfréquence est limitée en performance 10 lorsque la bande de fréquence instantanée des signaux dépasse quelques GHz, à cause de la faible dynamique et des non linéarités. De plus, une très grande puissance calculatoire est nécessaire (de l'ordre de dizaines de Téra opérations) et un tel processus est par conséquent très consommateur en énergie. Un but de l'invention est de remédier aux inconvénients de l'état de la technique, 15 en proposant un système d'analyse de spectre en continu qui nécessite une bien moindre puissance calculatoire et qui soit rapide, tout en permettant un traitement des signaux de très large bande de fréquence instantanée. A cet effet, l'invention propose, selon un premier aspect, un systèrne d'analyse de spectre d'un signal radiofréquence apte à fonctionner dans une bande de fréquence 20 donnée, le système étant apte à fournir une indication de puissance spectrale du signal radiofréquence dans une pluralité de canaux fréquentiels, chaque canal fréquentiel étant défini par une plage de fréquence appartenant à ladite bande de fréquence. Ce système d'analyse de spectre comprend - une couche mince en matériau ordonné magnétiquement et soumis au signal radiofréquence à analyser, ladite couche mince étant nanostructurée et constituée d'une pluralité d'ensembles de nanostructures élémentaires, chaque ensemble de nanostructures élémentaires ayant une fréquence de résonance correspondant à un desdits canaux fréquentiels, et - un systèrne d'illumination et d'acquisition d'images apte à sonder optiquement par analyse de polarisation l'état de résonance des nanostructures élémentaires et à former une image contenant des informations de puissance spectrale du signal radiofréquence à analyser lorsque ledit signal radiofréquence atteint ladite couche mince nanostructurée. Avantageusement, le système d'analyse de spectre de l'invention permet de capter les composantes spectrales d'un signal radiofréquence grâce à la modification, en présence de ces composantes spectrales, de l'état de polarisation de la lumière dû aux 3057399 2 propriétés magnéto-optiques d'ensembles de nanostructures élémentaires, cette modification étant détectée optiquement et transformée en image du spectre du signal radiofréquence. Avantageusement, l'analyse de spectre est réalisée sensiblement en temps réel par le dispositif d'acquisition d'images. De plus, l'analyse de spectre est effectuée sans pré-traitement particulier, donc quasiment sans latence et à température ambiante. Le système d'analyse de spectre d'un signal radiofréquence selon l'invention peut également présenter une ou plusieurs des caractéristiques ci-dessous, prises 10 indépendamment ou selon toutes leurs combinaisons techniquement acceptables. Le système des nanostructures de géométrie variable permettant d'obtenir une variation de fréquence de résonance. Une variation de fréquence de résonance est obtenue par application d'un champ magnétique statique non uniforme. 15 Le champ magnétique non uniforme est généré par des aimants permanents, au moins deux aimants permanents étant situés à des distances différentes de ladite couche mince. Une variation de fréquence de résonance est obtenue par variation locale des composants chimiques des matériaux. 20 Le système comporte une ligne de propagation apte à guider le signal radiofréquence à analyser vers ladite couche mince. Il comporte une couche miroir positionnée entre la ligne de propagation et ladite couche mince. Le système d'illumination et d'acquisition d'images comporte un dispositif 25 d'acquisition d'images, et chaque ensemble de nanostructures élémentaires est formé par un pavage de nanostructures élémentaires, les dimensions dudit pavage étant déterminées en fonction de la taille d'un pixel du dispositif d'acquisition d'images. Le pavage de nanostructures élémentaires est régulier. Le matériau formant ladite couche mince est un grenat d'yttrium et de fer. 30 Le matériau de la couche mince est dopé avec un ou plusieurs composants pris dans l'ensemble {Bismuth, Cérium, Lutécium, Praséodyme, Aluminium, Cuivre). Le système comporte une cavité optique dans laquelle est positionnée au moins ladite couche mince. Il comporte une cavité laser dans laquelle est positionnée au moins ladite couche 35 mince. 3. Le système d'illumination et d'acquisition d'images comporte un dispositif d'acquisition d'images, le dispositif d'acquisition d'images étant une caméra CMOS ou une caméra CCD. Les nanostructures élémentaires sont en forme de disques ou de rectangles ou d'ellipses ou d'anneaux. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description qui en est donnée ci-dessous, à titre indicatif et nullement limitatif, en référence aux figures annexées, parmi lesquelles -la figure 1 est une vue schématique d'un système d'analyse de spectre selon un 10 premier mode de réalisation de l'invention ; - la figure 2 est un exemple schématique de la rotation de la polarisation de la lumière dans un mode de réalisation ; - la figure 3 est une vue en perspective d'une couche mince nanostructurée dans un premier exemple de réalisation ; 15 - la figure 4 est une vue en perspective d'une couche mince nanostructurée dans un deuxième exemple de réalisation ; - la figure 5 illustre schématiquement des fréquences de résonance d'un film nanostructuré en lien avec la géométrie des nanostructures ; - la figure 6 illustre schématiquement la réponse en fréquence d'une couche 20 nanostucturée de disques de diamètre donné. La figure 1 illustre schématiquement un système d'analyse de spectre 2 selon un mode de réalisation de l'invention. Le système d'analyse de spectre 2 est adapté à analyser le spectre d'un signal radiofréquence dans une bande de fréquence donnée, par exemple de 1GHz à 50GHz, par l'obtention d'une image comportant des informations de puissance spectrale dans la bande considérée. Comme expliqué en détail ci-après, le système d'analyse de spectre exploite la modification par le signal radiofréquence à analyser de propriétés optiques de structures 30 d'échelle nanométrique ou micrométrique, ces modifications de propriétés optiques étant analysées optiquement et imagées en temps réel par un dispositif d'acquisition d'images approprié. Le système d'analyse de spectre 2 comprend un système d'illumination et d'acquisition d'images 4, qui comprend une source d'illumination 6 et un dispositif d'acquisition d'images 8. 3057399 4 La source d'illumination 6 est par exemple une source à diode électroluminescente LED ou une source laser, par exemple une diode laser Fabry-Perot. Le dispositif d'acquisition d'images 8 est positionné de manière à capter la lumière réfléchie par les nanostructures de la couche mince 14, lorsque celle-ci est illuminée par la source d'illumination 6. Le dispositif d'acquisition d'images 8 est par exemple une caméra, comprenant un système optique 8a et un capteur 8b de type CMOS (pour « complementary metal oxide conductor) ou CCD (pour « charge coupled device » ou dispositif à transfert de charge). Le système d'analyse de spectre 2 comprend également un polariseur 10 à séparation de faisceaux, par exemple un prisme de type Glan. De préférence, le polariseur 10 est un polariseur très sélectif, avec une extinction d'au moins 10-5. Dans un mode de réalisation, le polariseur 10 est un double prisme biréfringent Glan-Taylor. De préférence, l'épaisseur e du polariseur 10 est comprise dans une plage de 0,1 à 10 cm, par exemple de l'ordre de 1 cm. Le système d'analyse de spectre 2 comporte également un bloc 12 comprenant une couche mince nanostructurée 14, comprenant plusieurs ensembles de nanostructures élémentaires 16, également appelées plots. La couche mince 14 est en matériau ordonné magnétiquement, de préférence dans la famille des matériaux en grenat d'yttrium et de fer, noté YIG, de formule Y3Fe5012. Avantageusement, ce matériau est transparent et par conséquent facilite la réalisation du dispositif pour réaliser l'interrogation optique. Selon des variantes, le matériau de la couche mince 14 est dopé avec un ou plusieurs composants pris par exemple dans l'ensemble {Bismuth, Cérium, Lutécium, Praséodyme, Aluminium, Cuivre), afin d'augmenter l'effet magnéto-optique menant à un changement de l'angle de polarisation de la lumière. La couche mince nanostructurée 14 est superposée à une couche 18 d'entrée du signal radiofréquence, comprenant une ligne de propagation par exemple une ligne coplanaire comme illustré à la figure 3 et qui a un rôle de guide d'onde permettant de guider le signal radiofréquence RF à analyser vers la couche mince 14. En variante, une ligne micro-ruban (ou « microstrip » en anglais), ou un autre type de ligne de propagation est utilisé. Le bloc 12 comprend en outre une couche de substrat 20, transparente et d'épaisseur de l'ordre de 0,5 millimètres. 5 Par exemple, une couche de substrat en grenat de gadolinium-gallium (GGG) est utilisée. Un tel substrat GGG, éventuellement substitué, est couramment utilisé pour la croissance de films de grenat de fer et d'yttrium par épitaxie. Le système d'analyse de spectre 2 comprend en outre un bloc 22 de génération de champ magnétique statique. De préférence, le bloc 22 fournit un champ magnétique statique non uniforme, délivrant un fort gradient spatial allant de 0,1 Tesla à 2 Tesla, dans une direction prédéterminée, sur la partie recouverte par la couche mince nanostructurée 14. Dans un mode de réalisation, le champ magnétique statique non uniforme est créé 10 par une pluralité d'aimants permanents par exemple en samarium-cobalt (SmCo), positionnés à des distances variables des nanostructures, ces distances variables étant calculées en fonction des aimants utilisés et du gradient spatial souhaité. Par exemple, un espacement en escalier est appliqué, comme illustré dans l'exemple de réalisation de la figure 2. Plus un aimant SmCo est placé loin de la couche 15 mince nanostructurée, plus le champ magnétique créé est faible. Le fonctionnement du système d'analyse de spectre 2 est décrit en détail ci-après en référence aux figures 2 à 4. La couche mince 14 est nanostructurée avec des ensembles de nanostructures élémentaires ou plots, et est soumise au signal radiofréquence RF à analyser, et au 20 champ magnétique statique généré par le bloc 22. Il est connu de l'homme de métier que de telles nanostructures élémentaires absorbent de l'énergie à leur fréquence propre lorsqu'elles sont soumises à un champ radiofréquence. La couche mince 14 est nanostructurée avec des ensembles de plots dont la 25 fréquence propre correspond aux canaux fréquentiels à analyser. Le système d'illumination et d'acquisition d'images 4 permet de sonder optiquement par analyse de polarisation l'état de résonance des ensembles de plots et de former une image contenant l'information de puissance spectrale du signal radiofréquence En particulier, le dispositif d'acquisition d'images 8 permet d'acquérir une image I, composées de pixels, dont chaque pixel sera représentatif de la puissance d'une fréquence d'intérêt correspondante dans le signal radiofréquence RF. La figure 2 illustre schématiquement le fonctionnement physique du système d'analyse de spectre de l'invention, dans un mode de réalisation. 3057399 6 Dans le mode de réalisation de la figure 2, le bloc 22 de génération de champ magnétique statique est composé d'aimants permanents 22a, 22b, 22c à des distances variables en escalier du bloc 12 comprenant la couche mince nanostructurée 14. Dans ce mode de réalisation, une couche miroir 24 est insérée entre la ligne de 5 propagation 18 et la couche nanostructurée 14, permettant d'assurer que les rayons lumineux de la source d'illumination 6 sont bien réfléchis vers le dispositif d'acquisition d'images 8. En outre, la couche miroir 24 permet de doubler l'effet de rotation. Les nanostructures 16 de la couche mince 14 sont entourées d'une couche de 10 passivation anti-reflet 26, qui est optionnelle et qui a pour effet de limiter l'éblouissement de la camera par de la lumière réfléchie non utile. Plusieurs plots 16 de tailles différentes sont illustrés à la figure 2, chacun étant marqué d'une flèche indiquant la polarisation magnétique associée. Afin de faciliter l'explication, dans la figure 2, seul le plot 16' entre en résonance 15 sous l'effet du signal radiofréquence RF, ce qui induit une modification de la polarisation magnétique associée et, par conséquent, une rotation de la polarisation d'un rayon lumineux R réfléchi. La modification de la polarisation a pour effet une modification de l'intensité du pixel spatialement correspondant du capteur 8b. Par conséquent, chaque pixel de l'image I correspondant à une fréquence d'une 20 composante fréquentielle présente dans le signal radiofréquence RF fournira un signal différent de ceux des pixels correspondant à des composantes fréquentielles absentes du signal radiofréquence RF. Par exemple, dans un mode de réalisation, le réglage de contraste est fait de manière à obtenir des pixels blancs en l'absence d'une composante fréquentielle et des 25 pixels noirs en présence d'une composante fréquentielle. En variante, une image I en niveaux de gris est obtenue, la valeur de chaque pixel étant représentative de la puissance spectrale à la fréquence associée du signal radiofréquence analysé. L'image 1 obtenue permet de représenter le spectre fréquentiel du signal 30 radiofréquence RF analysé. Dans un mode de réalisation illustré à la figure 3, la couche mince 14 est réalisée par un pavage de nanostructures élémentaires, chaque pavé ou ensemble 17 de nanostructures élémentaires étant associé à un pixel de l'image I formée par le dispositif d'acquisition d'images 8. Les dimensions sont déterminées en fonction de la taille d'un 35 pixel du dispositif d'acquisition d'images. 7 Par exemple, un pixel correspond à un carré de 100 imn2 de la couche mince, et le nombre de nanostructures élémentaires sur chaque carré dépend de leur taille. De préférence, la densité de nanostructures élérnentaires est la plus élevée possible afin que le signal optique détecté soit le plus intense possible. Dans un mode de réalisation, chaque ensemble 17 de nanostructures élémentaires est formé par un pavage régulier de nanostructures élémentaires. Un pavage dense et régulier permet de maximiser l'effet optique. Avantageusement, on obtient une variation de la fréquence de résonance de chaque ensemble de nanostructures 17 en faisant varier la géométrie des nanostructures 10 élémentaires, notamment leur taille, et/ou l'intensité du champ magnétique appliqué, afin d'obtenir une image I représentative du spectre fréquentiel du signal radiofréquence dans divers canaux fréquentiels. De plus, on peut obtenir une variation, de la fréquence de résonance de chaque ensemble de nanostructures par variation locale des composants chimiques des 15 matériaux, par exemple par dopage de certains ensembles de nanostructures. La figure 4 illustre un mode de réalisation de la couche mince nanostructurée 14 dans laquelle des nanostructures élémentaires en forme de disque de diamètres différents sont agencées par colonnes. Dans ce mode de réalisation, la couche mince nanostructurée comprend des 20 premières nanostructures élémentaires 30 d'un premier diamètre, par exemple 300 nanomètres (nm), des deuxièmes nanostructures élémentaires 32 d'un deuxième diamètre, par exemple 500 nm, des troisièmes nanostructures élémentaires 34 d'un troisième diamètre, par exemple 700 nm et des quatrièmes nanostructures élémentaires 36 d'un quatrième diamètre, par exemple 900 nm. Les nanostructures élémentaires 30, 32, 34, 36 sont réparties sur la couche mince 14 de forme rectangulaire, leur nombre par colonne étant différent en fonction de leur diamètre. L'épaisseur des disques 30, 32, 34, 36 est par exemple égale à 100 nm. De préférence, pour la compatibilité avec la nanostructuration, l'épaisseur des nanostructures 30 est inférieure ou égale à 300 nm. En variante, les épaisseurs des nanostructures sont variables. En variante, on peut utiliser des nanostructures de formes géométriques différentes, par exemple des rectangles, des ellipses, des anneaux ou d'autres formes. Sur la figure 4 est illustrée également la composante orthogonale Hi du champ magnétique généré par le bloc de génération 22, qui est non uniforme, l'intensité diminuant selon l'axe Z. 3057399 8 Grâce à cet agencement, des disques de même taille positionnés à différents endroits spatialement ont des fréquences de résonance différentes, ce qui permet, avantageusement, d'obtenir une image plus précise du spectre fréquentiel d'un signal radiofréquence tout en n'imposant qu'un gradient de champ faible. La figure 5 illustre la réponse en fréquence d'un signal magnéto-optique MO, ainsi que des fréquences de résonance f1, f2, f3 différentes pour différents diamètres (1) de nanostructures en forme de disque, et pour un champ magnétique H donné. Des disques de diamètres 4)1>4)2>4)3 auront des fréquences de résonance respectives fi REVENDICATIONS1.-Système d'analyse de spectre d'un signal radiofréquence apte à fonctionner dans une bande de fréquence donnée, le système étant apte à fournir'une indication de puissance spectrale du signal radiofréquence dans une pluralité de canaux fréquentiels, chaque canal fréquentiel étant défini par une plage de fréquence appartenant à ladite bande de fréquence, caractérisé en ce qu'il comprend - une couche mince (14) en matériau ordonné magnétiquement et soumis au signal radiofréquence (RF) à analyser, - ladite couche mince (14) étant 10 nanostructurée et constituée d'une pluralité d'ensembles de nanostructures élémentaires (16), chaque ensemble de nanostructures élémentaires (16) ayant une fréquence de résonance correspondant à un desdits canaux fréquentiels, et - un système d'illumination et d'acquisition d'images (4) apte à sonder optiquement par analyse de polarisation l'état de résonance des nanostructures élémentaires (16) et à former une image (I) contenant des informations de puissance spectrale du signal radiofréquence (RF) à analyser lorsque ledit signal radiofréquence (RF) atteint ladite couche mince nanostructurée (14). 20 2.- Système d'analyse de spectre selon la revendication 1 caractérisé en ce qu'il comporte des nanostructures de géométrie variable permettant d'obtenir une variation de fréquence de résonance. 3.- Système d'analyse de spectre selon l'une des revendications 1 ou 2 25 caractérisé en ce qu'une variation de fréquence de résonance est obtenue par application d'un champ magnétique statique non uniforme. 4.- Système d'analyse de spectre selon la revendication 3, caractérisé en ce que le champ magnétique non uniforme est généré par des aimants permanents (22a, 22b, 30 22c), au moins deux aimants permanents étant situés à des distances différentes de ladite couche mince (14). 5.- Système d'analyse de spectre selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'une variation de fréquence de résonance est obtenue par variation locale des composants chimiques des matériaux. 3057399 11 6.- Système d'analyse de spectre selon l'une quelconque des revendications 1 5, caractérisé en ce qu'il comporte une ligne de propagation (18) apte à guider le signal radiofréquence (RF) à analyser vers ladite couche mince (14). 7.- Système d'analyse de spectre selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'il comporte une couche miroir (24) positionnée entre la ligne de propagation (18) et ladite couche mince (14). 8.- Système d'analyse de spectre selon l'une quelconque des revendications 1 à 10 7, dans lequel le système d'illumination et d'acquisition d'images (4) comporte un dispositif d'acquisition d'images (8), caractérisé en ce que chaque ensemble de nanostructures élémentaires est formé par un pavage (17) de nanostructures élémentaires, les dimensions dudit pavage (17) étant déterminées en fonction de la taille d'un pixel du dispositif d'acquisition d'images. 9.- Système d'analyse de spectre selon la revendication 8, caractérisé en ce que ledit pavage (17) de nanostructures élémentaires est régulier. 10.- Système d'analyse de spectre selon l'une quelconque des revendications 1 à 20 9, caractérisé en ce que le matériau formant ladite couche mince est un grenat d'yttrium et de fer. 11.- Système d'analyse de spectre selon la revendication 10, caractérisé en ce que le matériau de la couche mince est dopé avec un ou plusieurs composants pris dans l'ensemble {Bismuth, Cérium, Lutécium, Praséodyme, Aluminium, Cuivre). 12.- Système d'analyse de spectre selon la revendication 11, caractérisé en ce qu'il comporte une cavité optique dans laquelle est positionnée au moins ladite couche mince. 13.- Système d'analyse de spectre selon la revendication 11, caractérisé en ce qu'il comporte une cavité laser dans laquelle est positionnée au moins ladite couche mince. 14.- Système d'analyse de spectre selon l'une quelconque des revendications 1 à 13, dans lequel le système d'illumination et d'acquisition d'images (4) comporte un 12 dispositif d'acquisition d'images (8), caractérisé en ce que le dispositif d'acquisition d'images (8) est une caméra CMOS ou une caméra CCD. 15.- Système d'analyse de spectre selon l'une quelconque des revendications 1 à 14, caractérisé en ce que les nanostructures élémentaires (16) sont en forme de disques ou de rectangles ou d'ellipses ou d'anneaux.