Brevet FR3125886A1 — publié le 20230203

Sonde de champ électromagnétique La présente description concerne une sonde (10) de champ électromagnétique comprenant : - un plan de masse (12) ; - un toit capacitif (13); le plan de masse et le toit capacitif étant séparés par un matériau diélectrique (14) ; - au moins trois vias (110, 111, 112) s’étendant au travers du matériau diélectrique, chacun desdits vias étant soit un via d’excitation (110) relié électriquement au toit capacitif et isolé électriquement du plan de masse, soit un via de retour de masse (111, 112) reliant électriquement le plan de masse et le toit capacitif ; les au moins trois vias comprenant au moins un via d’excitation et au moins un via de retour de masse et étant agencés de manière à former, lorsque le au moins un via d’excitation est alimenté, une première et une deuxième boucles de courant, chaque boucle de courant s’étendant dans le plan du toit capacitif et dans une direction orthogonale audit toit capacitif, de sorte à être sensible à un champ magnétique (H1, H2) parallèle au plan du toit capacitif, les première et deuxième boucles de courant ayant des directions orthogonales l’une par rapport à l’autre dans le plan du toit capacitif. Figure pour l'abrégé : Fig. 1C Sonde de champ électromagnétique La présente description concerne de façon générale le domaine des sondes de champ électromagnétique. Elle s’applique notamment aux transmissions d’informations sans fil, en particulier dans des milieux, tels que des cavités au moins partiellement fermées, dans lesquels la répartition des champs magnétique et électrique n’est pas homogène. Dans le domaine des transmissions d’informations, et plus précisément des transmissions sans fil utilisant des ondes électromagnétiques, certains milieux sont tels que la répartition des champs magnétique et électrique n’est pas toujours homogène. Cela peut se produire notamment lorsqu’on souhaite transmettre des informations au sein de milieux au moins partiellement fermés, dont des dimensions ramenées à la longueur d'onde du champ électromagnétique (dimensions électriques) sont supérieures à une limite physique. Un exemple de milieu concerne une cavité métallique au moins partiellement fermée sur au moins une longueur donnée. Pour transmettre des informations au sein d’une telle cavité métallique, il est typique d’utiliser une sonde du type à pointe ou brin (pour le champ électrique) et/ou une sonde du type à boucle (pour le champ magnétique) afin d’exciter un mode d’établissement du champ électromagnétique et se coupler au champ électromagnétique généré en retour dans la cavité. Il est alors possible de communiquer entre deux points de la cavité à condition que la (les) sonde(s) se couple(nt) avec le/les mode(s) établi(s) du champ électromagnétique dans la cavité. Or, dans une cavité fermée, l’orientation et la distribution des champs électrique et magnétique sont principalement régies par la taille et la forme de la cavité ainsi que par les matériaux la constituant. Par exemple, pour une cavité fermée dont au moins une des dimensions transversales est de l’ordre de la demi-longueur d’onde du champ électromagnétique, les champs électrique et magnétique peuvent s’établir de manière quasi homogène (mode dit « fondamental »). En revanche, lorsque les deux dimensions transversales d’une cavité fermée sont supérieures à environ la demi-longueur d’onde du champ électromagnétique, des répartitions de champs électrique et magnétique non homogènes présentant des minimums et de maximums apparaissent (modes dits « d’ordres supérieurs »), avec des zones où le champ électrique et/ou le champ magnétique est très faible, voire nul, et d’autres zones où le champ électrique et/ou le champ magnétique est très élevé. En outre, la répartition des champs électrique et magnétique varie en fonction de la fréquence du champ électromagnétique dans la cavité. Pour une même taille et une même forme de cavité, plus la fréquence augmente, plus des modes d’ordres supérieurs apparaissent et moins les champs deviennent homogènes dans la cavité. Un corollaire est que plus la fréquence est élevée, plus la probabilité d’être confronté à des chutes (ou « nuls ») de champs est importante. Ces phénomènes rendent la transmission d’informations sans fil dépendant de la position d’une sonde dans la cavité. En d’autres termes, ces phénomènes ont un impact direct sur la capacité à transmettre et/ou à recevoir des informations en tout point de la cavité. Certaines solutions proposent de disposer plusieurs sondes du type à pointe (ou brin) et/ou à boucle à différents emplacements dans la cavité afin de prendre en compte les modes d’ordres supérieurs dans la cavité. Certaines solutions proposent d’adapter la forme des sondes, notamment dans le but d’exciter un mode défini d’établissement du champ, ce qui peut induire des problématiques d’assemblage et/ou de fabrication, notamment lorsque les sondes ont des formes complexes. En outre, l’adaptation des formes des sondes ne suffit généralement pas à s’affranchir de la nécessité de disposer d’au moins deux sondes dans la cavité : une sonde sensible au champ électrique et une autre sonde sensible au champ magnétique. En effet, une transmission en champ proche nécessite de pouvoir capter à la fois le champ électrique et le champ magnétique. Or, en champ proche (par exemple dans une cavité métallique), contrairement au champ lointain, les champs électrique et magnétique ne sont pas nécessairement liés et pouvoir capter un seul des champs électrique ou magnétique ne suffit généralement pas pour transmettre de manière robuste et en continu des informations en tout point du milieu considéré. En outre, les sondes connues restent généralement sensibles à l’orientation du champ magnétique, de sorte que certaines orientations de champ magnétique ne peuvent pas ou difficilement être captées par ces sondes. Il existe un besoin d’une sonde de champ électromagnétique qui puisse être sensible aux deux composantes que sont le champ électrique et le champ magnétique en tout point du volume d’un milieu (par exemple une cavité), et qui soit adaptée à la transmission d’informations dans le milieu considéré, notamment un milieu dans lequel la répartition des champs magnétique et électrique n’est pas toujours homogène. Il existe en particulier un besoin d’une sonde de champ électromagnétique qui puisse fonctionner quelle que soit l’orientation du champ magnétique dans le plan de la sonde. Il serait avantageux de disposer d’une telle sonde permettant en outre de maintenir un niveau de transmission suffisant en tout point du milieu, et ce, quelles que soient les fréquences de travail de la sonde, notamment en dehors des fréquences de couplage avec les modes de transmission du champ électromagnétique dans le milieu considéré. Il serait également avantageux de disposer d’une telle sonde dont on puisse ajuster l’impédance d’entrée et/ou de sortie ainsi que l’efficacité de rayonnement. Il serait en outre avantageux qu’une telle sonde ait des dimensions réduites, afin de pouvoir être intégrée dans tout type de milieu et/ou tout type de système de transmission. Un mode de réalisation pallie tout ou partie des inconvénients des sondes de champ électromagnétique connues. Un mode de réalisation prévoit une sonde de champ électromagnétique s’étendant selon un plan principal et comprenant : - un plan de masse conducteur électrique ; - un toit capacitif conducteur électrique, agencé à distance du plan de masse ; le plan de masse et le toit capacitif étant séparés, au moins sur une partie de leur interface, par un matériau diélectrique ; - au moins trois vias conducteurs électriques s’étendant au travers du matériau diélectrique, chacun desdits au moins trois vias étant soit un via d’excitation relié électriquement au toit capacitif, isolé électriquement du plan de masse et destiné à être relié à une source d’alimentation électrique, soit un via de retour de masse reliant électriquement le plan de masse et le toit capacitif, les au moins trois vias comprenant au moins un via d’excitation et au moins un via de retour de masse ; les au moins trois vias étant agencés de manière à former, lorsque le au moins un via d’excitation est alimenté, une première boucle de courant et une deuxième boucle de courant, chaque boucle de courant s’étendant dans le plan du toit capacitif et dans une direction sensiblement orthogonale audit toit capacitif, de sorte à être sensible à un champ magnétique sensiblement parallèle au plan du toit capacitif, les première et deuxième boucles de courant ayant des directions sensiblement orthogonales l’une par rapport à l’autre dans le plan du toit capacitif. Selon un mode de réalisation, les au moins trois vias électriquement conducteurs comprennent : un via d’excitation, un premier via de retour de masse et un deuxième via de retour de masse ; la première boucle de courant cheminant entre le via d’excitation, le toit capacitif et le premier via de retour de masse ; la deuxième boucle de courant cheminant entre le via d’excitation, le toit capacitif et le deuxième via de retour de masse. Selon un mode de réalisation particulier, la droite reliant un point de connexion du premier via de retour de masse dans le plan du toit capacitif et un point de connexion du via d’excitation dans le plan du toit capacitif est sensiblement orthogonale à la droite reliant un point de connexion du deuxième via de retour de masse dans le plan du toit capacitif et un point de connexion du via d’excitation dans le plan du toit capacitif. Selon un mode de réalisation, les au moins trois vias électriquement conducteurs comprennent : un via de retour de masse, un premier via d’excitation et un deuxième via d’excitation ; la première boucle de courant cheminant entre le premier via d’excitation, le toit capacitif et le via de retour de masse ; la deuxième boucle de courant cheminant entre le deuxième via d’excitation, le toit capacitif et le via de retour de masse. Selon un mode de réalisation particulier, la droite reliant un point de connexion du premier via d’excitation dans le plan du toit capacitif et un point de connexion du via de retour de masse dans le plan du toit capacitif est sensiblement orthogonale à la droite reliant un point de connexion du deuxième via d’excitation dans le plan du toit capacitif et un point de connexion du via de retour de masse dans le plan du toit capacitif. Selon un mode de réalisation, la sonde comprend une fente constituée par une ouverture traversant toute l’épaisseur du toit capacitif. Selon un mode de réalisation particulier, la fente présente une symétrie axiale par rapport à une droite passant par le point de connexion du via d’excitation dans le plan du toit capacitif et passant sensiblement à égale distance du point de connexion du premier via de retour de masse dans le plan du toit capacitif et du point de connexion du deuxième via de retour de masse dans le plan du toit capacitif. Selon un autre mode de réalisation particulier, la fente présente une symétrie axiale par rapport à une droite passant par le point de connexion du via de retour de masse dans le plan du toit capacitif et passant sensiblement à égale distance du point de connexion du premier via d’excitation dans le plan du toit capacitif et du point de connexion du deuxième via d’excitation dans le plan du toit capacitif. Selon un mode de réalisation, la sonde comprend en outre au moins un via complémentaire conducteur électrique, le au moins un via complémentaire étant un via de retour de masse complémentaire ou un via d’excitation complémentaire. Selon un mode de réalisation, le matériau diélectrique est de l’air. Selon un autre mode de réalisation, le matériau diélectrique est un substrat, par exemple un substrat organique ou un substrat céramique. Selon un mode de réalisation, les dimensions de la sonde dans le plan principal sont inférieures à un quart de la longueur d’onde d’utilisation de ladite sonde, par exemple comprises entre un vingtième et un quart de la longueur d’onde d’utilisation de ladite sonde, voire comprises entre un vingtième et un dixième de la longueur d’onde d’utilisation de ladite sonde. Selon un mode de réalisation, la hauteur de la sonde est inférieure à un trentième de la longueur d’onde d’utilisation de ladite sonde, par exemple comprise entre un centième et un trentième de la longueur d’onde d’utilisation de ladite sonde, voire comprise entre un cent cinquième et un trentième de la longueur d’onde d’utilisation de ladite sonde. Selon un mode de réalisation, le plan de masse est parallèle au toit capacitif. Un mode de réalisation prévoit un procédé de fabrication d’une sonde de champ électromagnétique comprenant : - une étape de fourniture d’un plan de masse conducteur électrique ; - un étape de fourniture d’un toit capacitif conducteur électrique ; - une étape d’agencement du toit capacitif à distance du plan de masse ; - une étape de liaison d’au moins un via d’excitation au toit capacitif, ledit au moins un via d’excitation étant isolé électriquement du plan de masse ; - une étape de liaison d’au moins un via de retour de masse au plan de masse et au toit capacitif ; le nombre de vias d’excitation et de retour de masse étant au moins égal à trois ; lesdits vias d’excitation et de retour de masse étant agencés de manière à former, lorsqu’un via d’excitation est alimenté, une première boucle de courant et une deuxième boucle de courant, chaque boucle de courant s’étendant dans le plan du toit capacitif et dans une direction sensiblement orthogonale audit toit capacitif, de sorte à être sensible à un champ magnétique sensiblement parallèle au plan du toit capacitif, les première et deuxième boucles de courant ayant des directions sensiblement orthogonales l’une par rapport à l’autre dans le plan du toit capacitif. Pour l’ensemble des modes de réalisation, un milieu considéré est par exemple une cavité au moins partiellement fermée, comme par exemple une cavité métallique. Ces caractéristiques et avantages, ainsi que d'autres, seront exposés en détail dans la description suivante de modes de réalisation particuliers faite à titre non limitatif en relation avec les figures jointes parmi lesquelles : la représente une sonde selon un mode de réalisation en vue de dessus (plan principal) ; la représente la sonde de la vue en coupe selon un plan perpendiculaire au plan principal (coupe BB) ; la représente la sonde de la selon une vue en 3D ; la représente le schéma de principe d’une sonde selon un mode de réalisation ; la représente une sonde selon un autre mode de réalisation en vue de dessus ; la représente une sonde selon un autre mode de réalisation en vue de dessus ; la ; la et la illustrent les résultats de mesures obtenus pour une sonde orientée selon deux orientations à 90° l’une par rapport à l’autre de manière à être équivalente à une sonde selon un mode de réalisation ; la illustre un premier exemple d’utilisation d’une sonde selon un mode de réalisation ; la illustre un deuxième exemple d’utilisation d’une sonde selon un mode de réalisation ; la illustre un troisième exemple d’utilisation d’une sonde selon un mode de réalisation. Sonde (10, 10’, 10’’) de champ électromagnétique s’étendant selon un plan principal (XY) et comprenant : - un plan de masse (12) conducteur électrique ; - un toit capacitif (13) conducteur électrique, agencé à distance du plan de masse (12) ; le plan de masse et le toit capacitif étant séparés, au moins sur une partie de leur interface, par un matériau diélectrique (14) ; - au moins trois vias (110, 111, 112, 113, 114, 115) conducteurs électriques s’étendant au travers du matériau diélectrique (14), chacun desdits au moins trois vias étant soit un via d’excitation (110, 114, 115) relié électriquement au toit capacitif (13), isolé électriquement du plan de masse (12) et destiné à être relié à une source d’alimentation électrique, soit un via de retour de masse (111, 112, 113) reliant électriquement le plan de masse (12) et le toit capacitif (13), les au moins trois vias comprenant au moins un via d’excitation et au moins un via de retour de masse ; les au moins trois vias étant agencés de manière à former, lorsque le au moins un via d’excitation est alimenté, une première boucle de courant (201) et une deuxième boucle de courant (202), chaque boucle de courant s’étendant dans le plan du toit capacitif (13) et dans une direction sensiblement orthogonale audit toit capacitif, de sorte à être sensible à un champ magnétique (H1, H2) sensiblement parallèle au plan du toit capacitif (13), les première et deuxième boucles de courant ayant des directions sensiblement orthogonales l’une par rapport à l’autre dans le plan du toit capacitif (13). Sonde (10, 10’) selon la revendication 1, les au moins trois vias électriquement conducteurs comprenant un via d’excitation (110), un premier via de retour de masse (111) et un deuxième via de retour de masse (112), la première boucle de courant (201) cheminant entre le via d’excitation (110), le toit capacitif (13) et le premier via de retour de masse (111), la deuxième boucle de courant (202) cheminant entre le via d’excitation (110), le toit capacitif (13) et le deuxième via de retour de masse (112). Sonde (10, 10’) selon la revendication 2, la droite (CC) reliant un point de connexion (111A) du premier via de retour de masse (111) dans le plan du toit capacitif (13) et un point de connexion (110A) du via d’excitation (110) dans le plan du toit capacitif (13) étant sensiblement orthogonale à la droite (DD) reliant un point de connexion (112A) du deuxième via de retour de masse (112) dans le plan du toit capacitif (13) et un point de connexion (110A) du via d’excitation (110) dans le plan du toit capacitif (13). Sonde (10’’) selon la revendication 1, les au moins trois vias électriquement conducteurs comprenant un via de retour de masse (113), un premier via d’excitation (114) et un deuxième via d’excitation (115), la première boucle de courant cheminant entre le premier via d’excitation (114), le toit capacitif (13) et le via de retour de masse (113), la deuxième boucle de courant cheminant entre le deuxième via d’excitation (115), le toit capacitif (13) et le via de retour de masse (113). Sonde (10’’) selon la revendication 4, la droite (CC) reliant un point de connexion (114A) du premier via d’excitation (114) dans le plan du toit capacitif (13) et un point de connexion (113A) du via de retour de masse (113) dans le plan du toit capacitif (13) étant sensiblement orthogonale à la droite (DD) reliant un point de connexion (115A) du deuxième via d’excitation (115) dans le plan du toit capacitif (13) et un point de connexion (113A) du via de retour de masse (113) dans le plan du toit capacitif (13). Sonde (10, 10’, 10’’) selon l’une des revendications 1 à 5, comprenant une fente (130, 131) constituée par une ouverture traversant toute l’épaisseur du toit capacitif (13). Sonde (10, 10’) selon la revendication 6 en combinaison avec la revendication 3, la fente (130, 131) présentant une symétrie axiale par rapport à une droite (AA) passant par le point de connexion (110A) du via d’excitation (110) dans le plan du toit capacitif (13) et passant sensiblement à égale distance du point de connexion (111A) du premier via de retour de masse (111) dans le plan du toit capacitif (13) et du point de connexion (112A) du deuxième via de retour de masse (112) dans le plan du toit capacitif (13). Sonde (10’’) selon la revendication 6 en combinaison avec la revendication 5, la fente (130) présentant une symétrie axiale par rapport à une droite (AA) passant par le point de connexion (113A) du via de retour de masse (113) dans le plan du toit capacitif (13) et passant sensiblement à égale distance du point de connexion (114A) du premier via d’excitation (114) dans le plan du toit capacitif (13) et du point de connexion (115A) du deuxième via d’excitation (115) dans le plan du toit capacitif (13). Sonde selon l’une des revendications précédentes, comprenant en outre au moins un via complémentaire conducteur électrique, le au moins un via complémentaire étant un via de retour de masse complémentaire ou un via d’excitation complémentaire. Sonde selon l’une des revendications 1 à 9, le matériau diélectrique étant de l’air. Sonde selon l’une des revendications 1 à 9, le matériau diélectrique étant un substrat, par exemple un substrat organique ou un substrat céramique. Sonde selon l’une des revendications précédentes, les dimensions de ladite sonde dans le plan principal (XY) étant inférieures à un quart de la longueur d’onde d’utilisation de ladite sonde, par exemple comprises entre un vingtième et un quart de la longueur d’onde d’utilisation de ladite sonde, voire comprises entre un vingtième et un dixième de la longueur d’onde d’utilisation de ladite sonde. Sonde selon l’une des revendications précédentes, la hauteur de ladite sonde étant inférieure à un trentième de la longueur d’onde d’utilisation de ladite sonde, par exemple comprise entre un centième et un trentième de la longueur d’onde d’utilisation de ladite sonde, voire comprise entre un cent cinquième et un trentième de la longueur d’onde d’utilisation de ladite sonde. Sonde (10, 10’, 10’’) selon l’une des revendications précédentes, le plan de masse (13) étant parallèle au toit capacitif (12). Procédé de fabrication d’une sonde (10, 10’, 10’’) de champ électromagnétique comprenant : - une étape de fourniture d’un plan de masse (12) conducteur électrique ; - un étape de fourniture d’un toit capacitif (13) conducteur électrique ; - une étape d’agencement du toit capacitif (13) à distance du plan de masse (12) ; - une étape de liaison d’au moins un via d’excitation (110, 114, 115) au toit capacitif (13), ledit au moins un via d’excitation étant isolé électriquement du plan de masse (12) ; - une étape de liaison d’au moins un via de retour de masse (111, 112, 113) au plan de masse (12) et au toit capacitif (13) ; le nombre de vias d’excitation et de retour de masse étant au moins égal à trois ; lesdits vias d’excitation et de retour de masse étant agencés de manière à former, lorsqu’un via d’excitation est alimenté, une première boucle de courant (201) et une deuxième boucle de courant (202), chaque boucle de courant s’étendant dans le plan du toit capacitif (13) et dans une direction sensiblement orthogonale audit toit capacitif, de sorte à être sensible à un champ magnétique (H1, H2) sensiblement parallèle au plan du toit capacitif (13), les première et deuxième boucles de courant ayant des directions sensiblement orthogonales l’une par rapport à l’autre dans le plan du toit capacitif (13).