Utilisation de matériaux magnétiques artificiels

Afin de pallier aux problèmes de disponibilité de matériaux magnétiques naturels fonctionnant en régime faible pertes aux fréquence SHF, les matériaux magnétiques artificiels sont apparus comme étant une solution prometteuse. Une première technique vise à concevoir des matériaux magnétiques artificiels, à base de structures périodiques métalliques électriquement petites intégrées dans des substrats diélectriques (split ring resonator, complementary split ring resonator, solenoid, cellule omega). Ces techniques souffrent de faibles valeurs de perméabilité (2 à 15 typiquement) et d’un fonctionnement très faible bande [47].

Dans l’antenne microruban proposée par Hao et al., le plan de masse uniforme est remplacé par un plan de masse périodiquement gravé de motifs métalliques CSRR, comme le montre la figure 1.18. Cette antenne a été fabriquée en utilisant deux substrats diélectriques différents, r = 3 et r = 4.7.

Les résultats de mesure confirment que la fréquence de résonance de l’antenne chargée par CSRR est significativement inférieure à celle sur substrat conventionnel et que la bande passante est améliorée. Cependant, ces performances se degradent lors de l’emploi d’un diélectrique de permittivité supérieure. Cela est d’autant plus visible sur les valeurs de gain maximum. En effet, il passe de 6 dBi à 2 dBi puis de 1.3 dBi à -0.5 dBi avec et sans CSRR respectivement pour des valeurs de permittivité relative de 3 et 4.7.

(a)

(b)

Figure 1.18 – (a) Géométrie de l’antenne microruban chargée par CSRR, (b) Coefficient de ré- flexion.

Maslovski et Ikonen ont récemment développé un motif appelé metalsolenoid créant un com- portement magnétique de façon artificielle lors d’un agencement particulier. Karkkainen et Ikonen ont utilisé un réseau dense et compacte de SRR comme substrat magnétique artificiel pour réduire la fréquence de résonance d’une antenne microruban [48], [49]. L’antenne étudiée numériquement est une antenne patch carré de 60 mm x 60 mm alimentée par un câble coaxial placé à 1mm du bord (Fig. 1.19). La distance entre l’élément rayonnant et le plan de masse est H = 10 mm. A

vide, la simulation par la méthode FDTD donne une fréquence de résonance à 2.18 GHz. Diffé- rentes configurations idéales ont été étudiées, toutes en absence d’une matrice diélectrique qui joue habituellement le rôle de support mécanique. La première configuration concerne l’orientation des SRR et la seconde l’altitude à laquelle ils sont placés ainsi que que le nombre de couches empilées entre le plan de masse et l’élément rayonnant.

(a) _(b)

Figure 1.19 – (a) Vue en coupe schématique de l’antenne patch modélisée, (b) Coefficient de réflexion de l’antenne sur différents substrats.

Il résulte d’une telle étude un effet avéré de l’orientation des empilements de SRR sur la fré- quence de résonance. En effet, l’examen de l’orientation des inclusions selon l’axe x ou y indique, comme le montre la figure 1.19, que la direction selon l’axe x semble à privilégier car le déplacement de la fréquence de résonance est plus important dans ce cas. En effet, dans cette configuration, le couplage du champ ~H avec les particules est optimal car il est ainsi traversant. Enfin, une an-

tenne sur substrat contenant un empilement de deux couches de SRR a été réalisée et les résultats indiquent un accroissement des phénomènes précédemment observés.

Afin de valider ces résultats numériques, ces mêmes auteurs ont proposé une réalisation [50]. A la fréquence de fonctionnement de l’antenne chargée par une matrice diélectrique, en Rogers R/T Duroid 5870, hébergeant ce motif, f = 2,07 GHz, les parties réelles de µ_{ef f} et _{ef f} sont respectivement estimées à 1,25 et 8,5. La permittivité relative pour le diélectrique de référence conduisant au même facteur de miniaturisation est r=10.8(1-j.0037).

(a)

(b)

Figure 1.20 – (a) Photo de l’antenne patch réalisée, (b) Coefficient de réflexion de l’antenne sur différents substrats.

Table 1.2 – Paramètres de l’antenne mesurée.

Chargement V (cm3_{) BP}

−6dB(%) Q0 η (%)

Réseau de metalsolenoid 9,2 3,2 41,5 89

Diélectrique 9,2 5,5 24,3 92

Il a été démontré (cf tableau 1.2) que les matériaux composites articiellement magnétiques dispersifs mènent à un meilleur facteur de qualité.

En effet, la bande passante n’est pas améliorée en cas d’utilisation de matériaux affichant un comportement de type loi Lorentzienne par rapport un diélectrique conventionnel conduisant à la même réduction de taille. En réalité, il semblerait que la dispersion fréquentielle joue un rôle important sur la bande passante en impédance de l’antenne chargée. Néanmoins il ressort de cette étude que ce type de substrat dipersif peut être avantageusement utilisé pour miniaturiser les antennes.

Il est intéressant de noter que ces constatations se démarquent singulièrement des résultats couramment admis concernant l’amélioration de la bande passante lors d’utilisation de matériaux magnétiques naturels.

De nombreux travaux se situent à la frontière de ces différentes techniques, par conséquent il devient délicat de les classer rigoureusement. C’est pourquoi des recoupements peuvent être observés.

Utilisation de matériaux main gauche

Une troisième technique cherche à utiliser l’effet main gauche (, µ simultanément négatifs) au sein d’une structure rayonnante pour en réduire les dimensions. Des exemples de structures rayon- nantes de type dipôle chargé par un matériau main gauche démontrent la faisabilité de réduction de taille mais dénoncent également une perte drastique de performances, notamment d’efficacité, liée à la réalisation matérielle du matériau main gauche (composants discrets) [51].

Des auteurs chinois ont proposé une piste explorant les potentialités de miniaturisation d’une antenne patch à l’aide de tels matériaux, également nommés milieu dispersif double négatif [52].

Dans cet article, les auteurs considèrent une antenne patch partiellement chargée successivement par un traditionnel substrat à milieu r,µr positifs, un milieu non dispersif à r,µr négatifs et un milieu dispersif à _r,µ_r négatifs. L’obtention du milieu à _r,µ_r négatifs est basée sur la théorie des SRR. Ainsi, le dimensionnement du patch est choisi de manière à obtenir une fréquence de fonctionnement à 7.7 GHz, fréquence à laquelle le matériau double négatif affiche r=µr=-0.9. Les résultats présenté sur la figure 1.21 sont obtenus numériquement en employant un modèle de ligne de transmission.

(a)

(b)

Figure 1.21 – (a) Illustration de la configuration de l’antenne (b) Coefficient de réflexion calculé pour différrents substrats.

Les résultats montrent que lorsque l’antenne est entièrement chargée par le substrat classique, cette dernière ne peut rayonner parce que sa longueur électrique est seulement 0,2λ. En revanche, lorsque l’antenne est chargée à moitié par le substrat DNG idéal non dispersif avec _r = -1 et µ_r= -1, elleà peut fonctionner sur une large bande. Enfin, lorsqu’il s’agit du matériau réaliste dispersif, nous observons un fonctionnement de l’antenne à 7,7 GHz donc pour une longueur électrique de 0.2λ même si elle ne peut offrir les performances équivalentes à l’hypothétique substrat DNG non dispersif.

Il résulte de cette étude qu’un chargement partiel judicieux de l’antenne avec un matériau à

r,µr négatifs peut réduire ses dimensions de façon significative (de l’ordre de 0.2λ0) mais ne peut

être envisagé pour des applications large bande. Cette approche prospective demeure purement théorique et nécessiterait une réalisation pour être réellement concluante.