Matériaux innovants pour applications en hyperfréquences ... · PDF file1...

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Matriaux transparents
et conducteurs,
Matriaux composites et
Oxydes ferrolectriques :
des matriaux innovants
pour
de nouvelles applications
en hyperfrquences
Xavier CASTEL

2
Saint MaloSaint Brieuc
Lannion
NantesAngers
La Roche / Yon
CotquidanRennes
2007
2012
2002
2004
IETR: Institut multi-sites et multi-tutelles
2013

3
Structuration de lIETR (2012)
5 Dpartements
10 Equipes de Recherche
IETR : 365 personnes (2014)
Recherche domaine Matriaux : 46 Chercheurs et E-C : 24 Biats : 4 Doctorants et Post-docs : 18

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Dpt. Antennes & Dispositifs Hyperfrquences
Antennes & Dispositifs hyperfrquences(P. Besnier R. Sauleau)
EquipeSystmes Rayonnants Complexes
(R. Gillard A. Sharaiha)
EquipeMatriaux Fonctionnels
(X. Castel H. Gundel)
Plates-formes(L. Le Coq)
1. Interactions des ondes EM avec les environnements complexes (CEM, bioEM, ...) 2. Du millimtrique au sub-millimtrique et loptique3. Minuaturisation & Reconfigurabilit4. Surfaces multifonctionnelles (antennes transparentes, structures porteuses composites,)5. Procds innovants et modlisations (synthse, intgration, structuration 2D & 3D,)
88 personnes 22 personnes
6 personnes
116 personnes

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Objectifs
Dveloppement et tude de matriaux proprit(s) spcifique(s) pour applications en hyperfrquences
Modlisation (multi-chelle) de proprits des matriaux Proposition de solution(s) originale(s) pour la
fonctionnalisation de dispositifs lectroniques Ralisation de dmonstrateurs Conception
Synthse
Caractrisation
Modlisation
Moyens mis en uvre
Comptences pluridisciplinaires :- Physique des Matriaux (28ime)- Chimie des matriaux (33ime)- lectronique (63ime)
Collaboration troite entre les diffrentschercheurs en lectronique, en hyperfrquences,et en lectro-optique
Plates-formes Matriaux Saint-Brieuc et Nantes
Dmarche de la Recherche

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Matriaux transparents et conducteurs,matriaux composites et oxydes ferrolectriques :
des matriaux innovants pour de nouvellesapplications en hyperfrquences
Matriaux transparents et conducteurs pour vitrages communicants
Matriaux composites pour panneaux structuraux communicants
Oxydes ferrolectriques pour dispositifs reconfigurables
Plan de lexpos

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Plan de lexpos

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transparent domaine visible
conducteur R = /e < 10 /Antenne ralise partir dun matriau
en couche mince
Antenne planaire transparente fonctionnant dans la bande centimtrique
4 solutions dveloppes :
Film ITO
Film mtallique ultramince Htrostructure ITO/mtal/ITO Film mtallique maill
Substrat verre
Couche mince
Antennes faible impact visuel

9
Ag Cu
ITO
0
20
40
60
80
100
0 200 400 600 800 1000 1200 (nm)
T (
%)
Corning
R = 8,6 /(d = 1010 nm)
R = 26,2 /(d = 190 nm)
Couches minces dITODpt par pulvrisation RF
temp. ambiante
In2O3 : Sn matriau semiconducteur
par dopage : Sn4+ en substitution In3+
par cration de lacunes doxygne : VO V + 2 + O2(g)
ITO 0,5 m.cm (Cu massif = 1,7 .cm @20C)
Transparent dans le visible (Eg 3,8 eV)Dpt sur verre Corning 1737
r = 5,7 ; tg = 0,006

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R = 8,6 /
Tmax = 86,1%
R = 8,3 /
Tmax = 64,3%
R = 4,7 /
Tmax = 60,0%
Film ITO (1,01 m)[1] Couche Cu ultramince (10 nm)[1]
Multicouche ITO/Cu/ITO (183 nm)[1] Film Ag maill (6 m)[2,3]
R = 0,054 / Tmax = 81,3%
[1] F. Colombel, X. Castel, M. Himdi, G. Legeay, S. Vigneron, E. Motta-Cruz- IET Sci. Meas. Technol. Vol.3 (2009) pp.229-234
[2] J. Hautcoeur, X. Castel, F. Colombel, R. Benzerga, M. Himdi, G. Legeay,E. Motta-Cruz - Thin Solid Films, Vol.519 (2011) pp.3851-3858
[3] X. Castel, G. Legeay, J. Pinel - Patent WO2009/000747

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Film Epaisseur Gain (dBi)
Ag/Ti [rfrence] 6 m 2,29
Cu 10 nm -4,80
ITO 1,01 m -4,10
ITO/Cu/ITO 183 nm -1,96
Ag/Ti maill 6 m 2,24
Profondeur de peau
relation de Poynting
df/ R (/)
2,84 0,0025
210-3 8,30,02 8,6
0,01 4,7
2,84 0,054 2
0
=
Pertes dans les couches minces :
Antennes monoples losanges 850 MHz[4]
2hfss H R 2
1 P =
Pertes ohmiques
Pertes par effet de peau
df/ 3 (optimal)
plan de masse
antenne monople
connecteur coaxial
plan de masse
antenne monople
connecteur coaxial
[4] E. Motta-Cruz, J. Hautcoeur, M. Himdi, F. Colombel, X. CastelPatent EP2011/050828

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ULB-1 ULB-2 ULB-3 Multicouche
Maillage 20/80
R = 0,018 /
T = 54,5 %
pAg = 6 m
Maillage 20/180
R = 0,022 /
T = 73,4 %
pAg = 6 m
Maillage 20/280
R = 0,052 /
T = 80,3 %
pAg = 6 m
ITO/Ag/ITO
R = 5,0 /
37%

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2
3
4
5
6
7
2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 5,0 5,5 6,0
Frquences (GHz)
Gai
n (d
Bi)
Simulation antenne de rfrence
Mesure antenne multicouche
Mesure antenne de rfrence
Mesure antenne ULB-1
AccordThorie-Mesures
Gain antenne de rfrence = Gain antennes mailles
Gain des antennes entre 2 GHz et 6 GHz[5]
[5] J. Hautcoeur, F. Colombel, X. Castel, M. Himdi, E. Motta Cruz, Progress in Electromagnetics Research (PIER) C, Vol.22 (2011) pp.259-271
Antennes transparentes ultra large bande

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Plan de lexpos

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Problmatique Antennes fixes la surface de panneaux en matriaux composites ; Elment rayonnant mtallique insr dans la structure composite ;
Impacte les proprits mcaniques (dlaminage)
Contexte et problmatique
Airbus A350
Rushcutter (Australia)
PA
NN
EA
U C
OM
PO
SIT
E
ANTENNE
Antenne monopole losange en cuivredans composite verre E + polyester

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Problmatique Antennes fixes la surface de panneaux en matriaux composites ; Elment rayonnant mtallique insr dans la structure composite ;
Impacte les proprits mcaniques (dlaminage)
Alternatives : Remplacer le mtal par des matriaux conducteurs adapts :
polymres conducteurs [6]
encres conductrices [7]
textiles traits avec nanotubes de carbone [8]
[6] H. Rmili, J.-L. Miane, H. Zangar, T. Olinga, Microwave and Optical Technology Letters, Vol.48 (2006) pp.655-660[7] L. Yang, A. Rida, R. Vyas, M.M. Tentzeris, IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques,Vol.55 (2007) pp.2894-2901[8] Y. Bayram, Y. Zhou, J.L. Volakis, B.-S. Shim, N.A. Kotov, Proceedings of Antennas and Propagation Society International Symposium,
San-Diego, USA (2008) pp.1-4
PA
NN
EA
U C
OM
PO
SIT
E
ANTENNE

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Notre dmarche
Utiliser le tissu de fibres de carbone en substitution au mtal :
antennes tout composite [9]
Conservation de lintgrit mcanique des panneaux composites
Quelles performances pour de telles antennes ?
antenne de rfrence
lment rayonnant clinquant de cuivre
insertion dans une mme structure sandwich composite
Comparaison des performances microondes des deux antennes
[9] L. Manach, X. Castel, M. Himdi, Progress in Electromagnetics Research Letters, Vol.35 (2012) pp.115-123

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Structure de lantenne
Design de lantenne
Antenne patch alimente par fente. Pourquoi ?
lment rayonnant un simple carr
Pas de contact direct entre le systme dalimentation et lecarbone de llment rayonnant
Structure de base [10] en mtal
[10] D. Pozar, IEEE Transactions on Antennas and Propagation, AP-34 (1986) pp.1439-1446

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Structure de lantenne en matriaux composites : Antenne patch alimente par fente
Dimensions du patch rayonnant = 35 mm 35 mm frquence de travail ~ 2,5 GHz
10 mm
Structure de lantenne

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Caractristiques lectriques
Caractristiques lectriques du tissu de carbone dpendent de :
Qualit de la fibre de carbone (HR, HM)
Nombre de fibres par mche (nombre de K)
(1000 fibres = 1 K)
Type de tissage (armure)
Grammage (g/m2)
Tissu de carbone slectionn
Carbone Haut Module (HM)
12 K (ou 12 000 fibres/mche)
Serg 2/2
Grammage = 385 g/m2
Tenue mcanique leve
Proprits lectriques intressantes

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