Chapitre II: Conception de résonateurs miniatures en cuivre et en céramique
II.1. Problèmes liés à la miniaturisation des antennes et à l’emploi d’antenne
II.1.1. La miniaturisation
Classiquement les antennes de surface sont constituées d’un circuit inductif résonant, accordé par une ou plusieurs capacités discrètes connectées en série dans le circuit. La pulsation de résonance ω0 de ce circuit est alors définie de la manière suivante :
2
0 1
LCω = Eq. II-1
L et C sont respectivement l’inductance et la capacité équivalente du circuit.
Diminuer la dimension d’antennes conventionnelle entraîne une réduction de la valeur de l’inductance du circuit. Miniaturiser ces antennes, tout en conservant la fréquence de résonance constante, nécessite d’augmenter soit la valeur de la capacité, soit celle de l’inductance par l’intermédiaire du nombre de tours du conducteur. Cette dernière solution reste envisageable tant que la réalisation technologique de l’antenne le permet.
Plaçons nous maintenant dans la configuration où la valeur de la capacité, et donc sa taille, augmente. Les lignes de champ électrique qu’elle crée entraînent un déplacement des charges dans l’échantillon. Le courant alors induit génère un champ magnétique à proximité de la capacité, qui perturbe le champ RF d’excitation. Ce phénomène devient négligeable si
on distribue la valeur de la capacité le long du conducteur. Par ailleurs, la réduction des dimensions des résonateurs est rendue compliquée par l’encombrement relatif des capacités, et par la concentration de lignes de champ électrique, au voisinage de ces dernières.
Une alternative est de remplacer ces antennes classiques à éléments discrets par des antennes monolithiques, auto-résonantes. En faisant appel à des techniques de microtechnologies, dont nous reparlerons plus tard, il est possible de construire des résonateurs monolithiques sans contacts sur des diélectriques aux caractéristiques excellentes et parfaitement contrôlées. Dans ce type de résonateur, la capacité est intégrée au substrat. Il n’y a plus besoin de faire appel à des capacités discrètes. Cette voie a été explorée pour fabriquer des résonateurs en cuivre micro-moulé ou en films minces d’YBaCuO. L’aspect monolithique est essentiel dans le cas d’un résonateur supraconducteur, puisqu’il évite des pertes inacceptables introduites par les soudures dans les contacts métal/supraconducteur.
II.1.2. Résonateurs monolithiques
Plusieurs principes ont été proposés dans la littérature pour concevoir des circuits monolithiques auto-résonants. Pour chaque cas, des techniques différentes sont employées pour accorder la fréquence de résonance à la fréquence du signal observé, par l’ajustement de la capacité équivalente et/ou de l’inductance équivalente. Nous présentons ici les différentes structures réalisées pour l’IRM mentionnées dans la littérature.
II.1.2.1. Lignes de transmission à éléments localisés
II.1.2.1.1. Spirale
Deux circuits sont séparés par un diélectrique [36]. Chacun des circuits élémentaires contient une spirale constituant une inductance et deux bandes circulaires concentriques, jouant le rôle de capacités. Cette ligne est dite à éléments localisés dans la mesure où l’inductance et la capacité ne sont pas les mêmes le long de la ligne, cf Figure II-1.
Figure II-1: résonateur monolithique, géométrie double face avec des capacités localisées intégrées
Les deux bandes circulaires sont fendues, de manière diamétralement opposée et le sens de rotation de la spirale est inversé d’un plan à l’autre afin de créer un champ magnétique non nul à l’extérieur de la structure. Le réglage de la fréquence de résonance d’un tel circuit est empirique et ne facilite pas l’utilisation de cette structure.
Cette structure permet de réaliser des structures multi-tours sans contact, mais obligatoirement double face.
II.1.2.1.2. Capacité interdigitées
Le deuxième type d’antenne à éléments localisés met en œuvre des capacités interdigitées. Cette technique, beaucoup employée [37] pour réaliser des antennes RMN utilise le principe des lignes de transmission à éléments localisés. La capacité équivalente du circuit est réalisée par interdigitation. Deux spirales coplanaires constituent généralement l’inductance équivalente. Les portions de lignes normales aux spirales, appelées digits capacitifs, jouent le rôle de la capacité (cf Figure II-1).
Cette structure à l’intérêt de réaliser une capacité mono face, en revanche elle ne peut pas être utilisée en multi-tours.
II.1.2.2. Lignes de transmission
II.1.2.2.1. microstrip
Une ligne microstrip est constituée d'un ruban conducteur placé sur une face d'un matériau diélectrique dont l'autre face constitue un plan de masse. L'exemple le plus connu de ligne microstrip est le circuit imprimé double face dont l'une des faces est entièrement cuivrée (plan de masse). De nombreuses études ont montré qu'une telle ligne de transmission est le siège d'une onde se propageant en mode quasi-TEM (Transverse Electro-Magnetic), c'est à dire que les champs électrique et magnétique sont perpendiculaires à l'axe de la ligne selon lequel s'effectue la propagation.
Il se trouve qu’une ligne quart d’onde court-circuité à une extrémité se comporte comme un circuit résonant. Le champ est à priori confiné à l’intérieur du diélectrique. C’est le champ de fuite qui pourra être utilisé en IRM, avec l’inconvénient d’un plan de masse réel générant des courants de Foucault lors des commutations de champ magnétique.
Le plan de masse a un effet miroir car il crée un courant image, symétrique au courant source appliqué dans la ligne et de signe opposé [38]. Cet effet a l’intérêt de limiter le rayonnement de B1 et de diminuer le couplage avec le milieu environnant. Cependant il diminue aussi le couplage avec l’objet et limite ainsi la réponse de l’antenne en profondeur.
II.1.2.2.2. Les lignes de transmission à fentes
Ce type de résonateur est basé sur le principe des lignes de transmission à fentes [39]. Ils sont formés de deux lignes disposées de part et d’autre d’un substrat diélectrique, constituant une capacité d’accord distribuée de manière continue au sein d’une ligne de transmission. Les deux lignes possèdent chacune une fente, diamétralement opposée l’une à l’autre, toujours dans le but de créer un champ magnétique non nul à l’extérieur du circuit.
Les premiers essais concluants ont été réalisés par Black [33] avec une version simple-tour des lignes de transmission à éléments distribués, puis par Odoj [25], Figure II-2.
Figure II-2 : résonateur monolithique, géométrie double-faces à ligne de transmission mono-tour
Finalement des versions plus complexes, constituées de plusieurs tours afin d’augmenter l’inductance équivalente, ont également été fabriquées [40] dans le cadre d’expériences IRM.
Le plan de masse d’un tel résonateur est virtuel, contrairement au cas des microstrips, diminuant considérablement les problèmes de courants de Foucault.
Tout comme la structure en spirale, celle du résonateur à ligne de transmission à fente a l’intérêt d’être multi-tours, mais double face.
L’aspect multi-tours d’une part, le plan de masse virtuel d’autre part sont deux points qui rendent ces structures à ligne de transmission particulièrement intéressantes. On les appellera par la suite résonateur, ou Résonateur Multi-tours à Ligne de Transmission RMLT.
Nous avons retenu cette structure pour développer nos structures auto-résonantes et nous intéressons maintenant au principe de fonctionnement d’un tel résonateur, et à sa modélisation.