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