2.3 Caractérisation de matériaux
2.3.1 Pourquoi mettre en œuvre une caractérisation de matériaux ?
2.3.3 Caractérisations à l’aide de deux lignes micro-rubans . . . 34 2.3.3.1 Principe . . . 34 2.3.3.2 Résultats de simulation . . . 37 2.3.3.3 Validation des mesures à l’aide d’un substrat connu . . . . 39 2.3.3.4 Caractérisations de matériaux inconnus . . . 40 2.3.4 Caractérisation à l’aide d’une antenne patch . . . 42
2.4 Conclusion . . . . 43
2.1
Introduction
La conception d’antennes souples passe avant tout par la sélection de matériaux flexibles. Il en existe divers types décrits dans la littérature comme par exemple le polypropylène [89], le PDMS [90] voire même le papier. Aussi, de nombreuses recherches sur les antennes souples, se faisant dans le cadre de l’intégration d’antennes dans les vêtements [95], utilisent les textiles communs.
Au cours de ce chapitre nous allons sélectionner divers matériaux issus du commerce ou fabriqués à l’IETR pour concevoir nos antennes. Une première sélection permet de choisir les substrats et une seconde les matériaux conducteurs susceptibles d’être associées à ces substrats afin de les métalliser pour concevoir les parties rayonnantes de l’antenne. Evidement les matériaux servant de substrat devront être caractérisés afin de déterminer leurs propriétés diélectriques. Pour effectuer cette tâche nous mettons en place quelques méthodes simples de caractérisation. Finalement nous sélectionnons les matériaux les plus propices à la poursuite de nos travaux.
2.2
Les matériaux retenus
2.2.1 Les substrats
La littérature propose différents types de substrats flexibles envisageables pour la réali- sation d’antennes souples. Cependant nous avons souhaité proposer durant cette thèse l’uti- lisation de nouveaux substrats, peu couteux et non prédestinés à la conception de dispositifs hyper-fréquences.
En premier lieu nous envisageons d’utiliser la feutrine comme substrat pour les antennes. Ce matériau a été caractérisé entre 2 GHz et 8 GHz puis utilisé comme substrat durant la thèse de Mantash [95]. Ce matériau étant fragile il nous faut penser à d’autres solutions. C’est pourquoi nous songeons à l’utilisation de feuilles de caoutchouc silicone commercialisées par RadioSpares (RS), disponibles en plusieurs épaisseurs (1.5 mm, 3 mm et 6 mm) et sur- faces (600 × 600 mm2, 1000 × 600 mm2 et 1200 × 600 mm2 ), avec deux densités différentes : 1.25 g.cm−3 et 0.25 g.cm−3. On notera RS1 le matériau de densité 1.25 g.cm−3 et RS2, ce- lui de densité 0.25 g.cm−3. Par ailleurs, pour contourner le problème des pertes du PDMS, nous avons travaillé en collaboration avec l’Equipe Matériaux Fonctionnels de l’IETR, à l’éla- boration de nouveaux matériaux. Ces matériaux sont réalisés à base de polymères de type polysiloxanes (siloxanes polymérisés) dont on peut faire varier la concentration en siloxane pour modifier ses propriétés diélectriques (ǫr et tan δ), nous les nommerons PS. Ils appar-
tiennent à la même famille que les PDMS, et sont donc hydrophobes. Une fois synthétisés, ces matériaux sont ensuite coulés dans des moules (comme le PDMS) et peuvent donc présenter des dimensions quelconques. Les caractéristiques dimensionnelles de ces matériaux sont résu- mées dans le tableau ci-dessous et des photographies d’échantillons sont présentées Figure 2.1
Tableau 2.1 – Caractéristiques dimensionnelles des matériaux retenus
Matériau Fournisseur Surface [mm2] Epaisseur [mm]
Feutrine – 400 × 400 1 – 2 – 4
RS1 RadioSpares 600 × 600 – 1000 × 600 – 1200 × 600 1.5 – 3 – 6
RS2 RadioSpares 600 × 600 – 1000 × 600 – 1200 × 600 1.5 – 3 – 6
PS IETR quelconque quelconque
(a) feutrine (b) Caoutchouc silicone RS1 (c) Caoutchouc silicone RS2 Figure 2.1 – Photographies d’échantillons de matériaux retenus.
2.2.2 La métallisation des substrats
Utiliser des substrats exotiques pose le problème de la métallisation nécessaire à la réali- sation de l’élément rayonnant et du plan de masse. Sur des matériaux tels que le caoutchouc silicone ou ceux à base de polysiloxanes il est difficile d’utiliser un adhésif pour coller un conducteur (ruban double face, colle...). Dans les travaux de Le Guen (IETR) [90] sur le PDMS, il est proposé de découper le motif de l’antenne à partir d’une feuille de cuivre puis
de le lier au substrat PDMS en l’encapsulant avec une fine couche de PDMS. Nous nous inspirons de cette technique pour métalliser le matériau PS. Une fois le matériau coulé dans un moule nous déposons dessus le motif métallique de l’antenne, ce dernier restant lié au substrat après séchage. Une antenne monopole réalisée avec cette technique est présentée Figure 2.2. Cependant il n’est pas simple de métalliser à souhait les deux faces.
(a) Antenne 1.5 2 2.5 3 3.5 4 −30 −25 −20 −15 −10 −5 0 Fréquence [GHz] |S11 | [dB] Simulation Mesure (b) Coefficient de réflexion
Figure 2.2 – Monopole sur materiau PS.
Aussi, de nombreux travaux sur les antennes textiles utilisent l’électro-textile ShielditTM Super. Une version de ce conducteur existe avec une face adhésive après une action à chaud
et une autre où c’est un adhésif classique (type Scotch ) qui permet de coller l’electro-R textile sur de nombreuses surfaces. Cette dernière version a l’avantage de rester solidaire du caoutchouc silicone ou du matériau PS. C’est suite à cette observation que nous préparons des substrats PS avec plan de masse intégré. Une feuille de cuivre est déposée dans le fond du moule puis le matériau PS est directement coulé dessus. Un résultat est illustré Figure 2.3.
Figure2.3 – Matériau PS avec plan de masse intégré.
Pour résumer nous envisageons trois méthodes simples et nécessitant peu d’outillage pour métalliser les substrats : les deux types d’electro-textile et la feuille de cuivre à lier avec les matériaux synthétisés à l’IETR.
2.3
Caractérisation de matériaux
2.3.1 Pourquoi mettre en œuvre une caractérisation de matériaux ?
Contrairement à la réalisation d’antennes sur des substrats dédiés à la RF, dont les ca- ractéristiques sont connues et fournies par le fabricant, la réalisation d’antennes souples fait
souvent appel à des substrats peu voire pas du tout destinés à la RF. De ce fait, les ca- ractéristiques diélectriques sont quasiment inconnues. Il est alors nécessaire de s’appliquer à déterminer le plus précisément possible la permittivité complexe du matériau utilisé. Cette connaissance permettra ensuite de remonter à la permittivité relative ǫret aux pertes diélec-
triques tan δ. Ces deux grandeurs sont primordiales pour la conception d’antennes sur des substrats "exotiques".
Deux grandes familles de méthodes de caractérisation existent. Les méthodes résonantes [96, 97] qui permettent de déterminer les caractéristiques diélectriques à une seule fréquence et les méthodes non résonantes [98–102] qui permettent une détermination sur une bande de fréquence. Une multitude de méthodes de caractérisation sont décrites dans la littéra- ture, chacune ayant ses avantages. Il serait donc prétentieux de dresser une liste exhaustive de techniques efficientes. C’est pour cette raison que nous détaillerons simplement les trois méthodes employées durant la thèse. Nous avons mis en œuvre deux méthodes résonantes, le stub résonant et la réalisation d’antenne simple, ainsi qu’une méthode non résonante qui emploie deux lignes micro-rubans.