Brevet FR3126279A1 — publié le 20230224

L’invention concerne un dispositif (10) d’absorption d’ondes électromagnétiques comprenant un réseau bidimensionnel de résonateurs (Res) en un premier matériau diélectrique ou magnéto diélectrique (Mat1), lesdits résonateurs présentant une forme de calotte sphérique. Figure à publier : figure 6 Dispositif d’absorption d’onde électromagnétique DOMAINE DE L’INVENTION La présente invention concerne l’absorption ou l’atténuation de rayonnement électromagnétique avec des matériaux structurés. On s’intéresse particulièrement à l’absorption des ondes dans la bande 0.1 GHz – 50 GHz, qui inclut les bandes L, S, C, X, Ku, K, Ka. ETAT DE LA TECHNIQUE Les absorbants d’ondes électromagnétiques trouvent leur place dans un large spectre d’applications. On les trouve dans les chambres anéchoïques pour supprimer les interférences lors de la caractérisation d’antennes. Les absorbants peuvent également être déployés sur tout objet métallique pour supprimer les interférences proches de systèmes radars ou de télécommunications (découplage). Enfin, les absorbants sont aussi présents dans les systèmes antennaires pour plusieurs raisons : le découplage entre éléments, la réduction des rayonnements latéraux et arrière, et surtout, l’adaptation antenne - structure qui conduit à la réduction des lobes secondaires. Ainsi les absorbants trouvent à s’intégrer dans des équipements radar, des équipements antennaires de télécommunication (par exemple sur des plateformes en mouvement) ou des équipements de caractérisation antennaires. Dans un système antennaire, un absorbant peut servir à : découpler plusieurs éléments rayonnants supprimer les rayonnements arrière ou latéraux adapter l’antenne à la structure pour réduire les lobes secondaires Dans un système de caractérisation antennaire, les absorbants permettent : de supprimer les interférences dans la chambre anéchoïque de masquer des systèmes métalliques proches des systèmes à caractériser Pour répondre aux différents besoins, un absorbant doit être : -large bande (pour couvrir le plus de bandes de fréquence possible) -insensible à la polarisation de l’onde incidente -robuste en angle d’incidence oblique (nécessité de fonctionner pour les ondes rasantes) La robustesse angulaire se mesure par rapport à l’angle maximum pour une onde incidente (en mode Transverse Electrique (TE) ou Transverse Magnétique (TM) par rapport à la surface de l’absorbant), donné ici par rapport à la normale à cette surface, pour lequel le niveau d’absorption est supérieur à un niveau donné (on considère par exemple 90%). Un des enjeux majeurs aujourd’hui est d’améliorer la robustesse angulaire d’absorbants large bande tout en maintenant une épaisseur raisonnable. De plus, pour la plupart des applications en extérieur, les absorbants doivent avoir une haute tenue thermo-mécanique. Récemment des absorbants structurés ont été développés. On y retrouve des solutions planaires ou multicouches (solutions dite hybrides) de type Métal-Isolant-Métal (MIM) ou des solutions impliquant la structuration de matériaux diélectriques ou magnéto-diélectriques, qui permettent d’obtenir des épaisseurs raisonnables. Les solutions hybrides sont assez peu robustes en incidence oblique et leur fabrication complexe due à l’alternance des matériaux ne permet pas, notamment pour les MIM multicouches, l’exploration de nouvelles formes pour l’amélioration des performances en incidence oblique. Les structures diélectriques ou magnéto-diélectriques sont des solutions généralement mono-matériau qui permettent d’obtenir des hautes performances hyperfréquences en alliant le choix du matériau et celui de la structuration. On dénomme matériau diélectrique un matériau présentant une permittivité ε définie par : ε= ε’+iε’’ et une perméabilité égale à 1. Soit avec μ= μ’+iμ’’ on a μ’=1 et μ’’ =0. On dénomme matériau magnéto-diélectrique un matériau qui présente une perméabilité telle que μ’ différent de 1 et/ou μ’’ différent de 0. Les structures diélectriques ou magnéto-diélectriques sont réalisées avec des matériaux qui ont généralement une forte permittivité et/ou perméabilité, une grande dispersion en fréquence ainsi que de fortes pertes diélectriques, avec des effets de diffraction des bords et des résonances multiples lorsque plusieurs couches sont implémentées. On définit les pertes diélectriques comme le ratio et les pertes magnétiques comme le ratio . Selon un premier exemple la publication D. Zhou et al, “Analysis and Design of Multilayered Broadband Radar Absorbing Metamaterial Using the 3-D Printing Technology-Based Method,” IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters, 16, 133-136, 2017 décrit une structure multicouche avec des résonateurs rectangulaires. Cette structure est imprimée par la méthode de frittage sélectif par laser (SLS en anglais) avec un composite de nylon et de la poudre de fer carbonyle. Les paramètres électromagnétiques de ce matériau en fonction de la fréquence f sont donnés . La structure montre une absorption supérieure à 90% sur une large bande de fréquence de 8 à 18 GHz pour une épaisseur de 3 mm. Aucun résultat n’est donné en incidence oblique. Selon un deuxième exemple la publication J. Ren et al “3D-Printed Low-Cost Dielectric-Resonator-Based Ultra-Broadband Microwave Absorber Using Carbon-Loaded Acrylonitrile Butadiene Styrene Polymer,” Materials, 11, 1249, 2018 décrit des résonateurs cylindriques en ABS chargé de carbone (matériau diélectrique), tels qu’illustré figure 2. Côté gauche (A) est présentée la vue du côté des cylindres et le côté droit (B) présente la vue côté substrat métallique. La fréquence de résonnance est fonction de la permittivité ε (typiquement en d’après la résolution de l’équation caractéristique du mode résonant), ce qui permet d’exciter des modes de résonnance sur plusieurs fréquences et d’obtenir une large bande. Cette structure montre une absorption supérieure à 90% sur une large bande allant de 4 à 12 GHz et une robustesse angulaire jusqu’à 45° pour les modes TE et pour une épaisseur de 10 mm. Ainsi les absorbants à base de matériaux diélectriques ou magnéto-diélectriques structurés tirent profit à la fois des propriétés électromagnétiques des matériaux, qui ont généralement une forte permittivité et/ou perméabilité ainsi qu’une grande dispersion en fréquence intrinsèque, et de la structuration 3D pour atteindre une robustesse angulaire importante. Ils ont l’avantage d’être insensibles à la polarisation et facilement large bande grâce à l’exploitation des propriétés de matériaux artificiels. La méthode additive semble une méthode propice à l’industrialisation, ce qui limite le spectre de matériaux utilisables. Cependant, peu de formes 3D ont été proposées pour adresser la problématique de la robustesse angulaire. Des structurations pyramidales ont été proposées mais l’épaisseur des absorbants est généralement grande. Dans les structures basées sur des résonateurs, des formes de résonateurs rectangulaires ou cylindriques ont été décrites, ce qui offre une robustesse angulaire raisonnable mais qui peut être améliorée. Un but de la présente invention est de remédier aux inconvénients précités en proposant un dispositif d’absorption d’ondes électromagnétiques comprenant un réseau bidimensionnel de résonateurs en matériau diélectrique ou magnéto diélectrique présentant une forme de calotte sphérique, ce qui conduit à des performances angulaires améliorées. DESCRIPTION DE L’INVENTION La présente invention a pour objet un dispositif d’absorption d’ondes électromagnétiques comprenant un réseau bidimensionnel de résonateurs en un premier matériau diélectrique ou magnéto diélectrique, lesdits résonateurs présentant une forme de calotte sphérique. Selon un mode de réalisation le réseau bidimensionnel est selon deux axes X et Y perpendiculaires entre eux et la périodicité selon X est égale à la périodicité selon Y. Selon un mode de réalisation le premier matériau est une matrice thermoplastique chargée magnétiquement. Selon un mode de réalisation le premier matériau présente un niveau de perte 1/Q 0 inférieur ou égal à 0.05, pour une bande de fréquence [2 GHz; 18 GHz], avec : = ε’’/ε’ pertes diélectriques = μ’’/μ’ pertes magnétiques ε permittivité du premier matériau μ perméabilité du premier matériau Selon un mode de réalisation les ondes électromagnétiques à absorber sont comprises dans la bande [2 GHz ; 18 GHz]. Selon un mode de réalisation la calotte sphérique est un hémisphère. Selon un mode de réalisation les résonateurs sont reliés entre eux par une portion de couche ou une couche en premier matériau. Selon un mode de réalisation les résonateurs sont disposés sur une couche en deuxième matériau. Selon un mode de réalisation le deuxième matériau est choisi parmi : un matériau métallique, un matériau diélectrique, un matériau magnéto diélectrique. Selon un mode de réalisation le deuxième matériau est un élastomère chargé magnétiquement. Selon un autre aspect l’invention concerne un procédé de fabrication d’un dispositif d’absorption d’ondes électromagnétiques comprenant un réseau bidimensionnel de résonateurs en un premier matériau diélectrique ou magnéto diélectrique, lesdits résonateurs présentant une forme de calotte sphérique, ledit procédé comprenant une étape de fabrication additive pour la fabrication des résonateurs. Selon un mode de réalisation la résolution de l’étape de fabrication additive est choisie de manière à dégrader la forme de la calotte sphérique et la reproductibilité de ladite forme d’un résonateur à l’autre. La description suivante présente plusieurs exemples de réalisation du dispositif de l’invention : ces exemples sont non limitatifs de la portée de l’invention. Ces exemples de réalisation présentent à la fois les caractéristiques essentielles de l’invention ainsi que des caractéristiques additionnelles liées aux modes de réalisation considérés. L’invention sera mieux comprise et d’autres caractéristiques, buts et avantages de celle-ci apparaîtront au cours de la description détaillée qui va suivre et en regard des dessins annexés donnés à titre d’exemples non limitatifs et sur lesquels : La déjà citée illustre les paramètres électromagnétiques d’un matériau magnéto-diélectrique connu de l’état de l’art. La déjà citée décrit un matériau absorbant structuré connu de l’état de l’art. La illustre un résonateur en forme de calotte sphérique selon l’invention. La illustre la variation des paramètres électromagnétiques (ε’, ε’’, μ’, μ’’) mesurés d’une matrice polymère chargée par des particules magnétiques en fonction de la fréquence. La illustre différents modes de réalisation du dispositif selon l’invention. La illustre un dispositif d’absorption selon l’invention selon le deuxième mode de réalisation et comprenant des résonateurs hémisphériques. La illustre différentes incidences sur le résonateur selon l’invention en mode TE et TM. La illustre les dimensions du réseau des résonateurs cylindriques pour la simulation. La illustre les dimensions des réseaux de résonateurs hémisphériques pour la simulation. La illustre le niveau d’absorption de la structure cylindrique dite CR en fonction de l’angle d’incidence pour les deux modes (TE à gauche et TM à droite) du champ électromagnétique. La illustre le niveau d’absorption de la structure hémisphérique dite HR en fonction de l’angle d’incidence pour les deux modes (TE à gauche et TM à droite) du champ électromagnétique. La présente le rapport entre le niveau d’absorption A(HR) des résonateurs hémisphériques et le niveau d’absorption A(CR) des résonateurs cylindriques (TE à gauche et TM à droite) en fonction de la fréquence. La illustre les coefficients de réflexions des modes incidents TE00 (à gauche) et TM00 (à droite) de la structure 3D selon l’invention en fonction de la fréquence. La illustre un dispositif selon l’invention dont la structure en premier matériau est réalisée par fabrication additive sur une couche de deuxième matériau Sub. Dispositif (10) d’absorption d’ondes électromagnétiques comprenant un réseau bidimensionnel de résonateurs (Res) en un premier matériau diélectrique ou magnéto diélectrique (Mat1), lesdits résonateurs présentant une forme de calotte sphérique. Dispositif selon la revendication 1 dans lequel le réseau bidimensionnel est selon deux axes X et Y perpendiculaires entre eux et la périodicité selon X est égale à la périodicité selon Y. Dispositif selon l’une des revendications précédentes dans lequel le premier matériau (Mat1) est une matrice thermoplastique chargée magnétiquement. Dispositif selon l’une des revendications précédentes dans lequel le premier matériau présente un niveau de perte 1/Q 0 inférieur ou égal à 0.05, pour une bande de fréquence [2 GHz; 18 GHz], avec : = ε’’/ε’ pertes diélectriques = μ’’/μ’ pertes magnétiques ε permittivité du premier matériau μ perméabilité du premier matériau Dispositif selon l’une des revendications précédentes dans lequel les ondes électromagnétiques à absorber sont comprises dans la bande [2 GHz ; 18 GHz]. Dispositif selon l’une des revendications précédentes dans lequel la calotte sphérique est un hémisphère. Dispositif selon l’une des revendications précédentes dans lequel les résonateurs sont reliés entre eux par une portion de couche ou une couche en premier matériau. Dispositif selon l’une des revendications précédentes dans lequel les résonateurs sont disposés sur une couche (Sub) en deuxième matériau (Mat2). Dispositif selon la revendication précédente dans lequel le deuxième matériau (Mat2) est choisi parmi : un matériau métallique, un matériau diélectrique, un matériau magnéto diélectrique. Dispositif selon l’une des revendications 8 ou 9 dans lequel le deuxième matériau est un élastomère chargé magnétiquement. Procédé de fabrication d’un dispositif d’absorption d’ondes électromagnétiques comprenant un réseau bidimensionnel de résonateurs (Res) en un premier matériau diélectrique ou magnéto diélectrique (Mat1), lesdits résonateurs présentant une forme de calotte sphérique, ledit procédé comprenant une étape de fabrication additive pour la fabrication des résonateurs.