1.3 Les antennes sur substrat souple accordables en fréquence
1.3.2 Antennes sur substrat souple
L’emploi de substrat souple est amené par plusieurs raisons : la recherche de la confor- mabilité et l’obtention d’un degré de liberté supplémentaire pour la reconfiguration de l’antenne. De nombreuses équipes de recherche travaillent de nos jours sur la conception d’antennes sur des substrats flexibles. Afin de positionner cette thèse dans le contexte ac- tuel, voici une liste étendue, mais non exhaustive, des différents types de substrat souple étudiés ces dernières années pour des applications antennaires :
— des textiles [32,33] pour une intégration dans des vêtements ; — du papier [34] ;
— ainsi que de nombreux polymères souples : — polymide Kapton® [35,36],
— PET (Polyéthylène Téréphtalate) [37], — PEN (Polynaphtalate d’Éthylène) [38], — silicone :
— PDMS (Polydiméthylsiloxane) réticulé [3,39–45], — TC 5005 (BJB entreprise, inc.®) [46],
— Elastosil RT 705 (Wacker Chemicals®) [16], — TPU (Polyuréthane Thermoplastique) [16].
Dans la catégorie des substrats polymériques, les matériaux présentent des modules d’Young largement différents (Tableau 1.3), les matériaux employés tendant à être tou- jours plus souples. De même, leur permittivité relative est faible, ce qui est avantageux pour les performances radiatives des antennes patch. Cependant, les pertes diélectriques, variables d’un polymère à l’autre, sont globalement plus importantes que pour des sub- strats classiques, ce qui va réduire les performances des systèmes.
Ainsi, suite aux travaux de N. Tiercelin et al. en 2005 [3], le PDMS réticulé, matériau très souple, a suscité un intérêt important dans des applications HF. Ce matériau très utilisé en micro-fluidique, a l’avantage d’être chimiquement inerte, de pouvoir être mis en forme et d’être aisément déformable. Cependant, son grand coefficient de dilatation thermique (CTEPDMS = 300 × 10−6 °C−1) [47] le rend difficilement métallisable. Les
Tableau 1.3 – Comparaison de la souplesse et des propriétés diélectriques en haute fréquence (1 GHz) de différents polymères employés dans des applications antennaires.
Matériaux Module d’Young ε0r @ 1 GHz tan δ @ 1 GHz
Kapton® [35,36] 5,5 GPa 3,4 0,002 PET [37] 3 GPa 3,5 0,02 PEN [38] 5,2 GPa 3,2 0,015 PDMS réticulé [3,39–45] 1,65 MPa 2,68 0,04 silicone TC 5005 [46] 44,7 kPa [48] 2,8 à 3,1 0,025 [49] silicone Elastosil RT 705 [16] / 3,1 0,025
TPU [16] composition (≈ DizaineVariable suivant la
de MPa) [10] 3,1 0,1
travaux sur les antennes patch accordables en fréquence de N. Tiercelin et al. sont décrits plus en détail dans la partie 1.3.3.
Q. Liu et al. ont quant à eux étudié des antennes étirables sur ce matériau avec des faibles épaisseurs de métallisation [39]. De plus, la métallisation est structurée par un étirement préalable du PDMS développé par S. Lacour [50], afin de la rendre plus souple et donc de pouvoir suivre la déformation du polymère. Les structures antennaires proposées sont du type dipôle (Figure1.13a) et PIFA uniplanaire (Planar Inverted Folded Antenna) imprimées sur PDMS. Il est à noter que ces deux structures ne possèdent pas de plan de masse inférieur comme dans la structure patch. L’élongation du substrat engendre un décalage de la fréquence de l’antenne de 3 à 4 GHz pour le dipôle et d’environ 2,5 à 2 GHz pour la structure PIFA. Cependant, les fortes pertes conductrices, dues à la faible épaisseur de métallisation (≈ 100 nm), limitent les performances des antennes proposées. De même, l’équipe de R. Vaughan utilise du silicone TC 5005 (BJB entreprise, inc.®) qui est extrêmement souple [46] pour réaliser des antennes patch. Le patch métallique est en métal liquide (Galistan : Ga69In21Sn10) encapsulé dans l’élastomère (Figure1.13b). L’ensemble peut ainsi subir de très grandes déformations élastiques par étirement manuel. Le but premier est de reconfigurer le diagramme de rayonnement mais l’étirement modifie également la fréquence de résonance de 2,8 à 1,3 GHz [46].
A. Arriola et al. [16] ont également développé des antennes sur substrat silicone (Elas-
tosil RT 705 de Wacker Chemicals® [4]) (Figure 1.14a). Ils ont de plus introduit un
nouveau type de matériau souple pour une application antennaire, le polyuréthane ther- moplastique (Figure 1.14b), comme nous avons pu le voir précédemment (cf. § 1.2.4). La structure antennaire étudiée n’est pas une structure patch mais un dipôle imprimé comme proposé par Q. Liu et al. Le dipôle imprimé en cuivre épais (18 µm) a une struc- ture méandrée afin de pouvoir suivre l’allongement du substrat. Avec un étirement manuel du silicone et du TPU, une variation de fréquence respective de 2,25 à 2,1 GHz et de 2,35 à 2,2 GHz a été mesurée.
Les différentes antennes sur substrat souple agile en fréquence et leurs propriétés sont référencées dans l’annexe A. Globalement, nous pouvons constater que le PDMS réticulé
1.3. Les antennes sur substrat souple accordables en fréquence
(a) (b)
Figure 1.13 – a) Antenne dipôle sur PDMS réticulé [39,40] et b) antenne patch avec du métal liquide encapsulé dans le substrat en silicone [46].
(a) (b)
Figure 1.14 – Antenne dipôle sur substrat souple a) en silicone et b) en polyuréthane thermoplastique [16].
est privilégié comme substrat diélectrique souple dans la recherche actuelle en raison de ses propriétés remarquables (grande souplesse, résistance au produit chimique, etc.). Nous allons maintenant comparer ses propriétés à celles du PU afin d’évaluer l’intérêt d’une utilisation du polyuréthane.
Le PU, un concurrent au PDMS réticulé ?
Le PU présente de sérieux avantages technologiques par rapport au PDMS réticulé. Il est ainsi couramment utilisé dans l’industrie contrairement au PDMS réticulé. Comme nous avons pu le voir, le PU possède un CTE plus faible que le PDMS réticulé. Il a donc une meilleure tenue thermique, ce qui le rend plus facile à métalliser par pulvérisation ca- thodique par exemple. De même, le PU peut être mis en forme facilement par dissolution ou par pressage à chaud. Ceci n’est pas le cas de l’élastomère en PDMS réticulé qui néces- site le mélange de deux produits (du PDMS liquide et un agent réticulant), ce qui implique une réticulation et une étape de recuit. Par conséquent, le PDMS réticulé ne peut pas être remis en forme et donc recyclé contrairement au PU. Ceci rend également l’assemblage de
Tableau 1.4 – Comparaison de quelques propriétés du PDMS et du PU. PDMS [44] PU [9,10] Commentaires Mise en forme Réticulation : Moulage et Spin- coating Pressage à chaud Dissolution par voie solvant : Spin-coating et Applicateur de film
Plus de solutions de mise en forme pour le PU
Réutilisation possible du PU contrairement au PDMS réticulé Assemblage
de film Traitement parplasma O2 Thermosoudage
PU plus facile à assem- bler
Souplesse YPDMS = 1,65 MPa YPU87 = 29 MPa PDMS plus souple quele PU
Permittivité relative
ε0rpdms = 2,77 à
5 GHz [45]
ε0rpu87 = 3,1 à
2,5 GHz [16] Même ordre de gran-deur Pertes tan δ 0,054 à 5 GHz [45] 0,1 à 2,5 GHz [16] Pertes importantes⇒ technologie membra-
naire Dilatation thermique CTEPDMS = 300 × 10−6 °C−1 [47] CTEPU = 88,7−175× 10−6 °C−1 [8]
PU plus facile à métal- liser directement que le PDMS
plusieurs films plus aisé pour le PU afin de réaliser des structures complexes. En effet, le PU peut être légèrement chauffé ou dissous avec un solvant, tandis que le PDMS réticulé doit subir un traitement par plasma O2. Leurs propriétés diélectriques sont toutefois du même ordre de grandeur, avec un léger avantage pour le PDMS réticulé qui a des pertes un peu plus faibles [16,45]. De même, le PU est légèrement moins souple, mais ceci lui assure une meilleure tenue mécanique. L’ensemble de ces éléments est rassemblé dans le tableau 1.4.
Le PU s’avère donc une alternative intéressante au PDMS réticulé pour une utilisation en tant que substrat diélectrique. D’une manière générale, le PU s’avère être un bon candidat comme substrat d’antenne par rapport aux autres polymères déjà utilisés dans d’autres recherches, d’après la littérature, avec une très bonne souplesse et des propriétés diélectriques équivalentes.