Brevet FR3119491A1 — publié le 20220805

S ystème de réduction de la réflectivité d’une onde électromagnétique incidente sur une surface et dispositif mettant en œuvre ce système Un système de contrôle de réflexion d’une onde électromagnétique incidente sur une surface caractérisé en ce que le système est intégré à la surface, le système est équipé d’un damier comprenant des premières facettes et des deuxièmes facettes, chaque première facette comprend une première zone non conductrice et une première zone électriquement conductrice, lesdites premières zones étant configurées de sorte que la première facette ait un circuit résonnant équivalent série Zs, chaque deuxième facette comprend une deuxième zone non conductrice et une deuxième zone électriquement conductrice, lesdites deuxièmes zones étant configurées de sorte que la deuxième facette ait un circuit résonnant équivalent parallèle Zp, la première impédance Zs et la deuxième impédances Zp étant telles que Z p *Z s =Z 0 ², avec Z 0 l’impédance du vide. Figure pour l'abrégé : Figure 1 Système de réduction de la réflectivité d’une onde électromagnétique incidente sur une surface et dispositif mettant en œuvre ce système DOMAINE DE L’INVENTION La présente invention concerne un système permettant la réduction de la réflectivité d’une onde électromagnétique incidente sur une surface. ARRIERE-PLAN DE L’INVENTION L’augmentation des besoins de communication et de connectivité entraine la multiplication de systèmes interagissant avec l’environnement électromagnétique comme des antennes, des dispositifs absorbants, des dispositifs de blindage électromagnétique, des réflecteurs. Ceci conduit à l’augmentation de la complexité de l’intégration de ces systèmes dans les porteurs tels que des véhicules ou des bâtiments. Les interactions entre ces systèmes eux-mêmes et entre ces systèmes et les infrastructures environnantes conduisent à des perturbations dans leurs fonctionnements. Par ailleurs, le besoin d’augmenter la furtivité des cibles engendre la nécessité de réduire leur réflectivité. La satisfaction de ces besoins peut être obtenue par l’utilisation de matériaux possédant une réflectivité électromagnétique contrôlée et la plus faible possible. En particulier, on connait des panneaux absorbant le rayonnement électromagnétique pour atténuer les interférences et des peintures absorbantes. Cependant, ces systèmes ont des performances limitées. En effet, ils ne fonctionnent que sur une plage de fréquences limitée et pour des incidences proches de la normale à leur surface extérieure. De plus, ces systèmes peuvent se dégrader lors de leur exposition à l’environnement dans lequel ils sont placés par exemple par la corrosion. BREVE DESCRIPTION DES FIGURES Des caractéristiques et avantages de l’invention apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d’exemple non limitatif, et faite en référence aux dessins annexés, sur lesquels : La montre un détail du système de réflexion [Fig. 2] Les et 2b montrent des motifs élémentaires et complémentaires sous forme de fentes et d’anneaux. La montre un damier composé de premières et secondes facettes constitutives de l’invention Les Figures 4 et 5 montrent des modes de réalisation de damiers respectivement multi-périodique et symétriques et non périodique et non symétriques La montre un graphique illustrant la performance d’atténuation mesurée en fonction de la fréquence. Les Figures 7a et 7b montrent un mode de réalisation particulier du système dit auto-complémentaire. La est un graphique illustrant la variation des phases obtenue pour chacune des facettes ainsi que leur différence calculée sur le mode de réalisation de la Figure 7 en fonction de la fréquence. La montre une vue en coupe longitudinale d’un exemple du dispositif mettant en œuvre le système de l’invention. La montre un damier 1 selon l’invention. Le damier 1 comprend des premières facettes 2 et des deuxièmes facettes 3. La montre un motif de base de la première facette 2. La montre un motif de base de la deuxième facette 3. Selon la , le motif de base de la première facette 2 est constitué d’une première zone non conductrice 4 et d’une première zone conductrice 5 tandis que selon la , le motif de base de la deuxième facette 3 est constitué d’une deuxième zone conductrice ayant la forme de la zone non conductrice 4 du premier motif et d’une deuxième zone non conductrice ayant la forme de la zone conductrice 5 du premier motif. On dit que les première et deuxième facettes 2, 3 sont complémentaires : la superposition des zones conductrices des motifs élémentaires des première et deuxième facettes donne une surface entièrement conductrice. Tout autre jeu de formes complémentaires peut être envisagé. Chaque facette est formée par la répétition d’un motif élémentaire de façon à former une surface de haute impédance (SHI). Les motifs se répètent par exemple de façon périodique dans une facette. Dans le mode de réalisation des Figures 2a et 2b, les motifs élémentaires sont de forme carrée. Dans un mode de réalisation, les zones conductrices sont réalisées avec par exemple un métal tel que du cuivre. Tout autre matériau électriquement conducteur peut être envisagé pour réaliser ces zones conductrices et en particulier des encres conductrices. Dans un autre mode de réalisation, les zones non conductrices sont réalisées par des espaces occupés par de l’air, du vide ou un matériau diélectrique, par exemple une résine polyuréthane, remplissant cet espace lors de l’intégration dans un dispositif complet. Ainsi dans le mode de réalisation de la , le premier motif forme une fente alors que dans le mode de réalisation de la , le second motif forme un anneau. On appelle Zs l’impédance d’un circuit résonnant série équivalent à la première facette 2 et Zp l’impédance d’un circuit résonnant parallèle équivalent à la deuxième facette 3 complémentaire de la première facette. Les éléments localisés de ces deux circuits sont reliés par la relation 1 suivante : où Z 0 est l’impédance du vide. La différence de phase entre les coefficients de réflexion des deux circuits est alors égale à 180° quelles que soient les pertes éventuelles et la fréquence (y compris à la résonance). Dans le cas sans pertes les amplitudes des champs rétrodiffusés sont égales à 1 tandis que dans le cas à pertes elles sont inférieures à 1 mais restent égales entre elles. On obtient ainsi une annulation du champ rétrodiffusé dans l’axe, c’est-à-dire que l’onde électromagnétique incidente sur la surface du système est annulée lors de sa réflexion permettant ainsi d’améliorer l’intégration d’antennes ou d’autres dispositifs rayonnant en réduisant les interférences entre eux au moyen de séparateurs mettant en œuvre le système de l’invention ou réduisant la rétrodiffusion de l’onde émise par un radar et donc améliorant la furtivité du porteur. La relation 1 ci-dessus implique la relation 2 suivante entre les éléments localisés (Rs, Ls, Cs) et (Rp, Lp, Cp) des deux circuits: Ces relations restent vraies quelle que soit l’impédance de normalisation Z n . Le dimensionnement consiste donc à utiliser une impédance de normalisation qui soit compatible avec les inductances et capacités connues de grilles réalisables. L’annulation du coefficient de réflexion de la surface ρ T représentable par Z s l’impédance d’un circuit série équivalent à la facette 2 et par Y p , l’admittance d’un circuit parallèle équivalent à une deuxième facette 3 est écrite ci-dessous. Si Z T est l’impédance équivalente de la surface totale du système, soit la surface combinée des première et deuxième facettes 2 et 3, alors l’annulation du champ total réfléchi revient à ce que Z T = Z 0 , c’est-à-dire que la surface est adaptée à l’impédance du vide. Ce qui se traduit par la relation 3 suivante : Notons que la relation 1 est écrite en incidence normale et qu’elle devient en incidence oblique la relation 4 suivante : avec en mode Transverse Electrique et en mode Transverse Magnétique, ainsi que θ l’angle d’incidence. Les premières et deuxièmes facettes 2 et 3 sont associées par paires pour obtenir l’effet d’annulation du champ rétrodiffusé dans l’axe. On appelle taux de paires le résultat de la relation 5 suivante : T p = Un taux de paires T P de 0,95 de préférence supérieur ou égal à 0,98, permet d’obtenir de bons résultats d’absorption avec le système de réflexion de l’invention. De préférence, le système de réflexion a un taux de paires égal à 1 ou le plus proche possible de 1. La montre un mode de réalisation où le damier 1 présente un jeu de facettes 2 et 3 disposées de façon périodique. Les directions x et y sont les directions transversales dans le plan du damier 1. Les premières et deuxièmes facettes 2 et 3 alternent de façon régulière sans que les surfaces des facettes ne varient dans aucune direction. Chaque première facette et chaque deuxième facette ont la même géométrie. Leurs aires sont égales. Les Figures 4 et 5 présentent deux modes de réalisation de l’invention pour lesquels le damier 1 est non périodique. Les directions x et y sont les directions transversales dans le plan du damier 1. Dans le mode de réalisation de la , le damier 1 formé est multi-périodique et symétrique, les premières et deuxièmes facettes 2, 3 sont de dimensions différentes suivant leur emplacement dans le réseau. Ainsi sur la première ligne du damier 1, après une première et une deuxième facette de forme carrée, la première et la deuxième facette ont une dimension plus grande selon la direction x que selon la dimension selon y. De même sur la première colonne du damier 1, après une première et une deuxième facette de forme carrée, la première et la deuxième facette ont une dimension plus grande selon la direction y que selon la dimension selon x. Dans le mode de réalisation de la , le damier 1 est non symétrique, l’alternance des premières et deuxièmes facettes n’est pas régulière. Sur la première ligne, l’agencement commence par trois deuxièmes facettes 3 puis deux premières facettes 2, suivies d’une deuxième facette 3, de trois premières facettes 2 et enfin une deuxième facette 3. Ces arrangements multi-périodiques ou non périodiques permettent de traiter les lobes de réseaux, de façon à les minimiser, voire à les éliminer. Le type d’arrangement non périodique peut être optimisé en fonction des fréquences, des incidences et des zones d’observation des ondes électromagnétiques considérées. La présente un graphique illustrant la réduction de la surface équivalente radar SER (ou RCS radar cross section) en fonction de la fréquence. La SER est la capacité de la surface à rétrodiffuser l’onde incidente vers une direction donnée (bistatique) ou en particulier vers le point d’émission (monostatique). La mesure est réalisée en incidence normale. La courbe est le résultat obtenu pour un dispositif mettant en œuvre le système de l’invention ayant les caractéristiques suivantes : damier non périodique, de dimensions 244,8 mm x 244,8 mm. On constate une première bande de réduction à -17 dB de 6.8 GHz jusqu’à 9.8 GHz et supérieure à -23 dB sur une large bande de fréquences entre 9.8 GHz et 16.5. On note également que le dispositif mettant en œuvre le système de l’invention atteint pour plusieurs fréquences des atténuations supérieures à -25 dB. L’invention permet donc une excellente atténuation ainsi qu’une atténuation au-delà de -20 dB sur une bande de fréquence très large. Les Figures 7a et 7b montrent un mode de réalisation particulier du système de l’invention. La illustre un motif élémentaire carré composé d’une zone conductrice 5 et d’une zone non conductrice 4. Dans le mode de réalisation, la zone conductrice 5 est un carré et la zone non conductrice 4 est constituée de triangles accolés à chaque côté du carré de la zone conductrice 5. La montre le damier 1 qui comprend un jeu de premières facettes 2 et de deuxièmes facettes 3 disposées de façon périodique. La première facette 2 comprend des mailles constituées de motifs composés d’une zone conductrice 5 et d’une zone non conductrice 4. On comprend quatre motifs élémentaires sont rassemblés pour chaque zone non conductrice 4. Les zones conductrices 5 sont reliées électriquement entre elles par des moyens de connexion électrique 6. Les zones conductrices 5 sont donc en court-circuit. La deuxième facette 3 présente le même agencement de motifs que la première facette 2. La première facette 2 et la deuxième facette 3 ont donc la même géométrie. Par contre, les zones conductrices 5 de la deuxième facette 3 ne sont pas connectées entre elles. Elles sont en circuit ouvert. La première facette 2 est équivalente à un circuit résonant série et la deuxième facette 3 est équivalente à un circuit résonant parallèle. On dit alors que les premières et deuxièmes facettes 2, 3 sont auto-complémentaires. Ce mode de réalisation permet également d’obtenir l’annulation du champ rétrodiffusé dans l’axe quelles que soient la fréquence et les pertes éventuelles. Pour les facettes auto-complémentaires, le motif de la deuxième facette 3 est généralement obtenu par une rotation, une symétrie ou une translation du motif de la première facette 2. Les zones conductrices 5 sont par exemple métalliques, comme du cuivre ou de l’encre conductrice. Tout autre matériau électriquement conducteur peut être envisagé pour réaliser ces zones conductrices. Dans un autre mode de réalisation, les zones non conductrices 4 sont par exemple réalisés par des espaces occupés par de l’air, du vide ou par un matériau diélectrique, par exemple une résine polyuréthane, remplissant cet espace lors de l’intégration dans un dispositif complet. La présente un graphique illustrant la phase de l’onde réfléchie par la surface du système du mode de réalisation de la Figure 7 par rapport à la phase de l’onde incidente en fonction de la fréquence. Le trait en tirets représente le déphasage de l’onde réfléchie par les premières facettes 2, soit les facettes en court-circuit. Le trait en pointillés représente le déphasage de l’onde réfléchie par les deuxièmes facettes 3, soit les facettes en circuit ouvert. Dans les deux cas, on constate que le déphasage appliqué à l’onde réfléchie évolue en continu en fonction de la fréquence. Ces deux types d’ondes réfléchies présentent sur une bande de fréquence allant de 4 GHz à 18 GHz un déphasage sensiblement constant égal à 180°. Ceci aboutit à une annulation entre elles des ondes réfléchies par les différentes facettes de la surface du système de l’invention. C’est-à-dire que le système de l’invention ne rétrodiffuse pas les ondes électromagnétiques dirigées vers lui dans la bande de fréquence de son fonctionnement. La illustre un dispositif mettant en œuvre le système de l’invention. Le dispositif est un empilement constitué du plan conducteur 9, de la couche diélectrique 8, du damier 1, de la deuxième couche 7. Les première et deuxième facettes 2, 3 du damier 1 sont visibles sous la forme de tirets longs pour la première facette 2 et de tirets courts pour la deuxième facette 3. Le plan conducteur 9 est également appelé plan réflecteur ou plan de masse et permet de réfléchir les ondes incidentes sur la surface du dispositif. Le plan conducteur 9 est une surface métallique par exemple qui comprend du cuivre ou un composite comme un pli de fibres de carbone. Les première et deuxième couches 7, 8 comprennent des matériaux diélectriques par exemple des résines ou des matériaux composites. Ces résines peuvent comprendre ou non des charges de renforcement pour améliorer la résistance mécanique du dispositif. Les résines peuvent par exemple être choisies dans la famille des polyesters ou des vinylesters. Les première et deuxième couches 7, 8 permettent également de protéger le damier 1 des agressions de l’environnement dans lequel est utilisé le dispositif mettant en œuvre le système de l’invention. Dans un mode de réalisation spécifique, la première couche 7 comprend une résine vinylester et des fibres tissées en polyéthylène et la deuxième couche 8 comprend une résine polyester et des fibres de verre à haut module S2. Ceci permet par exemple d’avoir une première couche 7 ayant une permittivité diélectrique faible ainsi que des pertes faibles et une deuxième couche 8 ayant une raideur permettant l’utilisation de l’empilement du dispositif comme panneau structurel. Dans le mode de réalisation de la , la première couche 7 a une épaisseur de 4,1 mm et une permittivité diélectrique de 2,6. La deuxième couche 8 a une épaisseur de 3,5 mm et une permittivité diélectrique de 4. La première couche 7 est configurée de façon à fonctionner comme un transformateur d’impédance et transformer l’impédance de la surface du damier Z T afin de rapprocher sa valeur de celle de l’impédance du vide Z 0 en faisant varier notamment l’épaisseur de cette couche en fonction de la permittivité de ladite couche. L’épaisseur de la deuxième couche 8 est configurée de façon à optimiser la performance du dispositif sur une large bande de fonctionnement. Cette épaisseur est choisie en fonction de la permittivité du matériau. L’épaisseur est généralement sensiblement proche du quart de la longueur d’onde de la fréquence centrale de la bande de fréquence considérée. Dans un mode de réalisation particulier, le transformateur d’impédance peut être complété par une troisième couche, non représentée, on a alors un empilement comprenant la troisième couche puis la première couche 7, le damier 1, la deuxième couche 8 et le plan conducteur 9. La troisième couche complète le rôle de transformateur d’impédance et ses caractéristiques d’épaisseur et de permittivité diélectrique sont choisies de façon à remonter l’impédance de la surface du damier Z T vers l’impédance du vide Z 0 . Dans un autre mode de réalisation particulier, le dispositif peut être complété par une grille en plus de la troisième couche. La grille, non représentée, peut avoir une géométrie régulière sous forme d’une plaque percée d’évidements à intervalle régulier. Cette grille permet d’étendre le fonctionnement du dispositif aux grands angles d’incidence en redressant l’onde incidente. Selon un mode de réalisation non représenté, les différents matériaux utilisés peuvent être sans perte. Cela signifie que lorsque l’onde électromagnétique les traverse, son amplitude ne change pas. Cela peut avoir l’avantage de simplifier la mise en œuvre des matériaux et d’en réduire le coût. Selon un autre mode de réalisation, les matériaux utilisés pour les motifs non conducteurs et/ou conducteurs sont avec pertes. C’est-à-dire que lorsque l’onde électromagnétique les traverse, son amplitude est atténuée. Cela présente par exemple l’avantage d’ajouter un phénomène d’absorption des ondes électromagnétiques par le matériau lui-même, conduisant à l’amélioration de certaines performances du matériau et obtenir une absorption plus homogène sur la surface permettant par exemple de traiter plus efficacement les lobes réseaux. Dans un autre mode de réalisation, certaines zones du dispositif mettant en œuvre le système de contrôle de réflexion de l’invention comprennent des matériaux sans perte alors que d’autres zones comprennent des matériaux avec perte. Par exemple, les bords du dispositif comprennent des matériaux avec pertes pour traiter les effets de bord et les lobes réseaux. Système de contrôle de réflexion d’une onde électromagnétique incidente sur une surface, caractérisé en ce que le système est intégré à la surface, et le système est équipé d’un damier (1) comprenant des premières facettes (2) et des deuxièmes facettes (3), chaque première facette (2) comprend une première zone non conductrice et une première zone électriquement conductrice, lesdites premières zones étant configurées de sorte que la première facette (2) ait un circuit résonnant équivalent série Zs, chaque deuxième facette (3) comprend une deuxième zone non conductrice et une deuxième zone électriquement conductrice, lesdites deuxièmes zones étant configurées de sorte que la deuxième facette (3) ait un circuit résonnant équivalent parallèle Zp, la première impédance Zs et la deuxième impédance Zp étant telles que Z p *Z s =Z 0 ², avec Z 0 l’impédance du vide. Système de contrôle de réflexion d’une onde électromagnétique incidente sur une surface selon la revendication 1, caractérisé en ce que pour chaque première facette (2) la première zone non conductrice forme un premier motif (4) et la première zone électriquement conductrice forme un deuxième motif (5) et que pour chaque deuxième facette (3), la deuxième zone non conductrice a une forme correspondant au deuxième motif (5) et la deuxième zone électriquement conductrice a une forme correspondant au premier motif (4). Système de contrôle de réflexion d’une onde électromagnétique incidente sur une surface selon la revendication 1, caractérisé en ce que chaque première facette (2) et chaque deuxième facette (3) comprennent une zone non conductrice formant un premier motif (4) et une zone électriquement conductrice formant un deuxième motif (5), et en ce que les zones électriquement conductrices desdites premières facettes (2) sont reliées par des moyens de connexion électrique (6) de façon à être en court-circuit. Système de contrôle de réflexion d’une onde électromagnétique incidente sur une surface selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu’un taux de paires T P du damier (1) est défini par T P= , le taux de paires étant supérieur ou égal à 0,95, de préférence supérieur ou égal à 0,98. Système de contrôle de réflexion d’une onde électromagnétique incidente sur une surface selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les aires des premières facettes et des deuxièmes facettes sont égales. Dispositif mettant en œuvre le système de contrôle de réflexion d’une onde électromagnétique incidente sur une surface selon la revendication 1, caractérisé en ce qu’il comprend une première couche diélectrique (7), une deuxième couche diélectrique (8) et un plan conducteur (9) disposé de façon à agir comme plan de masse, empilés dans l’ordre suivant la première couche (7) puis le damier (1) puis la deuxième couche (8) puis la plan conducteur (9). Dispositif mettant en œuvre le système de contrôle de réflexion d’une onde électromagnétique incidente sur une surface selon la revendication précédente, caractérisé en ce qu’il comprend en outre une troisième couche diélectrique disposée de façon à ce que l’empilement commence par la troisième couche, puis la première couche (7) puis le damier (1) puis la deuxième couche (8) puis la plan conducteur (9). Dispositif mettant en œuvre le système de contrôle de réflexion d’une onde électromagnétique incidente sur une surface selon la revendication précédente, caractérisé en ce qu’il comprend en outre une grille capacitive placée entre la troisième couche et la première couche (7) de façon à améliorer l’adaptation du dispositif aux grands angles d’incidence.