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Université européenne de Bretagne
Conférence de la recherche
2 & 3 avril 2013 - Brest
Nouveaux matériaux pour applications en hyperfréquences
Xavier CASTEL & Anne-Claude TAROT
IETR / Université de Rennes 1
Saint MaloSaint Brieuc
Lannion
NantesAngers
La Roche / Yon
CoëtquidanRennes
2007
2012
2002
2004
IETR : Institut multi-sites et multi-tutelles
2013
Structuration de l’IETR (2012)
5 Départements
10 Equipes de Recherche
Recherche domaine Matériaux : 52 Chercheurs et E-C : 23 Biatss : 6 Doctorants et Post-docs : 23
Démarche Développement et étude de matériaux à propriété(s) spécifique(s) pour applications
en hyperfréquences
Modélisation (multi-échelle) de propriétés des matériaux
Proposition de solution(s) originale(s) pour la fonctionnalisation de dispositifs électroniques
Réalisation de démonstrateurs
ConceptionSynthèse
Caractérisation
Modélisation
Moyens mis en œuvre
Compétences pluridisciplinaires : Physique des Matériaux (28ième) Chimie des Matériaux (33ième) Électronique (63ième)
Collaboration étroite entre les différentschercheurs en électronique et en hyperfréquences
Plate-formes ‘‘Matériaux’’ & ‘‘Hyperfréquences’’
Démarche de la Recherche
Matériaux & Objets communicants⇒⇒⇒⇒ fonctionnalisation de supports
fonctionnalité antennaire
Panneaux communicants en matériaux composites
Vitrage communicant (antennes à faible impact visuel )
Intégration d’objets communicants
⇔⇔⇔⇔ Miniaturisation
⇔⇔⇔⇔ Reconfigurabilité
⇔⇔⇔⇔ Miniaturisation & Reconfigurabilité
Antennes à métamatériaux
Vêtements communicants
Antennes sur supports souples
Domaines d’applications
Panneaux communicants en matériaux composites
Projet FUI SAMCOM (2010-2015)
Panneaux communicants en matériaux composites Structure porteuse ⇔⇔⇔⇔ fonction antenne
Intégration d’antennes multiples sur une même paroi
Tissus en fibres de carbone + fibres de verre + résines
Conductivité électrique + Résistance mécanique + Résistance corrosion + Légèreté
(2030)
Antennes monopôles losanges en matériaux composites
Valeurs mesurées Tissu de carboneClinquant de cuivre (réf.)
Epaisseur (t) 370 µm 68 µmRésistance par
carré Rs0,15 Ω/sq 0,0002 Ω/sq
Conductivité σDC 18×103 S/m 5,9×107 S/m
L. Manac’h, X. Castel, M. Himdi, PIER Letters, Vol.35 (2012) pp.115-123
Panneaux communicants en matériaux composites
Procédé d’infusion sous vide
(Fibres de verre + résine polyester : εr=4,5 et tgδ=0,01 @ 1GHz)
Ag Cu
ITO
0
20
40
60
80
100
0 200 400 600 800 1000 1200λλλλ (nm)
T (
%)
Corning
R = 8,6 Ω/ ; d = 1010 nmR = 26,2 Ω/ ; d = 190 nm
Couches minces d’ITO
Vitrage communicant
X. Castel, G. Legeay, J. Pinel - Patent WO2009/000747
• Dépôt à température ambiante• Couche mince d’épaisseur homogène
50 x 50 mm2
Substrat verre Corning 1737 εr = 5,7 tgδ = 0,006 @ 1 GHz
R = 8,6 Ω/
Tmax = 86,1%
R = 8,3 Ω/
Tmax = 64,3%
R = 4,7 Ω/
Tmax = 60,0%
R = 0,054 Ω/ Tmax = 81,3%
Film ITO (1,01 µm) Film Cu ultramince (10 nm)
Multicouche ITO/Cu/ITO (183 nm) Film Ag maillé (6 µm)
Vitrage communicant
E. Motta-Cruz, J. Hautcoeur, M. Himdi, F. Colombel, X. Castel - Patent EP2011/050828
Film Epaisseur Gain (dBi)
Ag/Ti [référence] 6 µm 2,29
Cu 10 nm -4,80
ITO 1,01 µm -4,10
ITO/Cu/ITO 183 nm -1,96
Ag/Ti maillé 6 µm 2,24
Profondeur de peau
relation de Poynting
df/δδδδ R (ΩΩΩΩ/)
2,84 0,0025
2×10-3 8,3
0,02 8,6
0,01 4,7
2,84 0,054σ ω µ
2 δ
0
=
Pertes dans les couches minces :
Résultats à 850 MHz
2hfss H R
21
P = Pertes ohmiques
Pertes par effet de peau
plan de masse
antenne monopôle
connecteur coaxial
plan de masse
antenne monopôle
connecteur coaxial
Vitrage communicant
Contrat CIFRE J. Hautcoeur , IETR + Bouygues Telecom
Accès 1Accès 2Alimentation via un coupleur
3 dB/90°
z’
x’
y’
Vitrage communicant
Diagrammes de rayonnement à 2,45 GHz
Projet PRIR CAPTIV (2006-2009) entre INRIA, IETR, Telecom Bretagne, LRPC et Véhipole
-40
-35
-30
-25
-20
-15
-10
-5
0
-90 -60 -30 0 30 60 90
thetadB
Gain = +1dB
z’
Portée = 70 m
+
Vitrage communicant
Projet PRIR CAPTIV (2006-2009) entre INRIA, IETR, Telecom Bretagne, LRPC et Véhipole
Diagrammes de rayonnement à 2,45 GHz
GSM0,9 GHz - 1,8 GHz
UMTS0,85 GHz - 2,1 GHz
LTE1,8 GHz
Wi-Fi2,5 GHz - 5 GHz
GPS1,2276 GHz - 1,5754 GHz
NFC0,1356 GHz
Bluetooth2,4 GHz - 2,5 GHz
GSM 850EGSM 900
DSC 1800PCS 1900
Wi-FiBluetooth
Miniaturisation & Reconfigurabilité
Antenne patch miniature (PZT)
Antenne agile (BST)
Fréquence de travail : UHF Réduction des dimensions : ~ 30% Pb1,3Zr0,57Ti0,43O3 : εr≈140 ; tgδ≈3.10-2 @ UHF
Composant localisé : varactor en BST Fréquence de travail : 1 GHz Agilité : ~ 4 % sous 300 kV.cm-1
Ba0,8Sr0,2TiO3 : εr≈90↔45 ; tgδ≈1.10-2 @ UHF
Antenne fente miniature (LTON) Composant localisé : varactor en LTON Fréquence de travail : 300 MHz Miniaturisation : ~ 65% LaTiO2N : εr≈60-120 ; tgδ≈1.10-2 @ UHF
D. Averty, C. Borderon, Y. Mahe, R. Renoud, R. Séveno, S. Toutain, P. Derval, G. Lirzin, S. Pavy, H. Gundel, A. Sharahia, S. Boucher, C. Delaveaud, C. Le Fur, Rapport ANR NAOMI SP3, février 2011
H. Nguyen, R. Benzerga, C. Delaveaud, A. Sharaiha, Y. Lu, C. Le Paven-Thivet, L. Le Gendre, X. Castel, IEEE EUCAP (2012) pp.3595-3598
H. Gundel, R. Renoud, C. Borderon, S. Pavy, A. Sharaiha, H. Nguyen, R. Benzerga, C. Delaveaud, ISAF/ECAPD/PFM 2012, DOI: 10.1109/ISAF.2012.629782
Miniaturisation & Reconfigurabilité
0 5 10 15 20-20
-15
-10
-5
0
F [GHz]
S21
[dB
]
0 kV/cm19 kV/cm38 kV/cm56 kV/cm75 kV/cm
Résonateur à stub & lignes de transmission (KTN)
Fréquence de travail : 10 GHz
Agilité : 54 % sous 75 kV.cm-1
KTa0,5Nb0,5O3 : εr≈700↔200 ; tgδ≈0,25 @ 10 GHz
Miniaturisation & Reconfigurabilité
Films KTN élaborés par ISCR (Equipe Pr. M. Guilloux-Viry)
PRIR DISCOTEC (2007-2011) entre Lab-STICC, IETR et ISCR
Ag/Saphir
Ag / KTN / Saphir
Saphir
5 10 15 200
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1
F[GHz]
Per
tes
Glo
bale
s
90V - L630KTN
90V - L632KTN
Avant gravure
Après gravure
Fréquence de travail : 10 GHz Agilité : 54% -> 47% Pertes globales divisées par 3
GL = 1 - |S11|2 - |S21|2
Films KTN élaborés par ISCR (Equipe Pr. M. Guilloux-Viry)
Microgravure laser KrF, λλλλ=248 nm (KTN)
Miniaturisation & Reconfigurabilité
Q. Simon, Y. Corredores, X. Castel, R. Benzerga, R. Sauleau, K. Mahdjoubi, A. Le Febvrier, S. Députier, M. Guilloux-Viry, L. Zhang, P. Laurent, G. Tanné, Applied Physics Letters, Vol.99 (2011) pp.092904
Matériaux magnéto-diélectriques ( εεεεr µµµµr)
Miniaturisation
patch
Substrat (εr, µr)
L
Plan de masse
L
n
1
µε2
λ
2
λL
rr
0g ∝==
Projet ANR NAOMI
Bande DVB-H : 470-862 MHz Canaux 8 MHz de bandeà 470 MHz : λ0 = 63,8 cm
Antenne miniature fonctionnant pour la réception TV DVB-H
Matériaux magnéto-diélectriques ( εεεεr µµµµr)
Miniaturisation
Antenne spirale fente Antenne méandre
Antenne ultra compacte développée ≈≈≈≈ λλλλ0/42 (Fr = 470 MHz)
Antenne spirale
Intérêt du superstrat magnéto-diélectriqueIntégration dans le démonstrateur
avec matériau magnéto-diélectrique
Matériaux magnéto-diélectriques ( εεεεr µµµµr)
Miniaturisation
métamétariaux
kE
Airεr = 2.2
∆z2
A
∆xx
yz
0
Volume V
∆yH ∆z1
∆z3
∆z
Cellule élémentaire HFSS
2 3 4 5 6 7 8-10
0
10
20
30
Fréquence (GHz)
Per
mitt
ivité
effe
ctiv
e Re(εeff)
Im(εeff)
2 3 4 5 6 7 8-20
-10
0
10
20
Fréquence (GHz)
Per
méa
bilit
é ef
fect
ive
Re(µeff)
Im(µeff)
Permittivité effective Perméabilité effective
g
w
da
b
x
yz
Matériaux magnéto-diélectriques ( εεεεr µµµµr)
Miniaturisation
métamétariaux
Couche 1
Couche 2
Couche 3
0,508mm
0,508mm
1,575mm
Patch 10mm
Plan de masse 30mm
Patch 10mm
Plan de masse 30mm
4 5 6 7 8 9 10-30
-20
-10
0
f1
f2
f3
f5
f4
Fréquence (GHz)
17%52%
Co
eff
icie
nts
de
ré
fle
xio
n d
e l
’an
ten
ne
sim
ulé
s so
us
HFS
S
Diélectrique seul(sans métasolénoïdes) :fréquence de résonance :f=9,2 GHz
Diélectrique avec métasolénoïdes:comportement multi-résonant de l’antennefréquences de résonance :f1 = 4,65GHz,f2 = 5,15GHz,f3 = 5,625GHz,f4 = 6,098GHz etf5 = 7,35GHz.
Miniaturisation de 17% à 52%
Mettre à profit le magnétisme artificiel du métasolénoïde pour réduire les dimensionsd’un patch L
L
Applications
Divertissement
Militaires
sécurité de la personne
Spatiales
Sportives
Médicales
Antennes sur textiles
Vêtements communicants
Antennes sur textiles
ANR METAVEST (2009-2012) entre IETR, IEF, LEAT, Advanten et Orange Labs
Vêtements communicants
• Réalisation de capteurs intégrés sur vêtements avec utilisation demétamatériaux (pour réduire le couplage avec le corps humain),
• Applications aux communications de proximité de type WBAN et WPAN,• Bandes de fréquences : GSM, GPS, WiFi
Projet ANR METAVEST (METAmatériaux pour VESTements intelligents)
Textiles utilisés :
Denim Feutrine
Structure symétrique Double G Alimentation CPW Substrat : feutrine Électro-textile : shieldit
Antenne double G
• Feutrine (εr = 1,22 ; tanδ = 0,016 et h = 2 mm) 2 bandes de fréquence : [2,4 - 2,7 GHz] et [5,1 - 5,875 GHz]
Antenne seule
Antennes sur textiles
Structure symétrique Double G Alimentation CPW Substrat : feutrine Électro-textile : shieldit
Antenne double G
Antenne seule
Alimentation CPW Protection du corps humain Plan réflecteur
Antennes sur textiles
Solution :
Conducteur Magnétique Parfait : distance << λ/4 Conducteur Magnétique Parfait n’existe pas
⇒ Conducteur Magnétique Artificiel (CMA)
Alimentation CPW Protection du corps humain Plan réflecteur
Conducteur Electrique Parfait ⇒ distance > λ/4
Conducteur Magnétique Artificiel (CMA)
Antennes sur textiles
Antenne seule Antenne + CMA
Antennes sur textiles
Antennes sur polymères souples
PDMS : 2,65 < εr’ < 2,7 - tan δ = 0,02
Textiles : 1,2 < εr < 1,6 ⇒ recherche de matériaux souples à permittivité + élevée
Antennes sur polymères souples
Courbe rouge : PDMS 165 (Fr = 2,44 GHz)Courbe bleue : PDMS 184 (Fr = 2,377 GHz)Courbe bleue foncée : simu (Fr = 2,4 GHz) ε’r ≈ 2,42
Antenne accordable en fréquence
Antennes sur polymères souples
Réalisation et métallisation de membranes
Actionnement des membranes par application d’un champ électrique
CMOS
Antenna Load
modulator Rectifier
Transistor
diode
Antenne 13,56 MHzCMOS ring oscillator
CMOS circuits
Tag RFID directement sur support souple
Polymères souples
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