Titre de l'invention : "Dispositif de résonateurs électromagnétiques multifréquences couplés inductivement entre eux formant un réseau de résonateurs ou un méta-matériau, et procédé de mise en œuvre"

L'invention se rapporte à un dispositif de réseau composé de résonateurs passifs multifréquences individuels non connectés électriquement entre eux. Ces résonateurs sont formés par des lignes de transmission interrompues refermées sur elles-mêmes, imbriquées entre elles, formées chacune d'un groupe de deux ou plus pistes parallèles, et appairées entre elles sans contact autour d'une ou plusieurs couches diélectriques d'un substrat. Un tel réseau est utilisé notamment pour modifier un champ magnétique ou électromagnétique incident, et/ou pour réaliser une adaptation d'impédance en étant interposé entre un champ incident et un corps ou objet à traiter ou observer. Il est utilisé aussi pour améliorer un procédé de caractérisation sans contact d'un milieu à explorer, par couplage inductif d'un ou plusieurs des résonateurs dudit réseau avec une sonde connectée avec un lecteur

Etat de la technique

Il est connu d'utiliser des résonateurs électromagnétiques regroupés en réseau, pour obtenir un effet de "méta-matériau" produisant sur un champ électromagnétique un effet global différent de l'effet qui serait obtenu le ou les matériaux qui constituent ce méta-matériau.

De tels métamatériaux sont souvent réalisés avec des résonateurs espacés régulièrement, qui sont reliés entre eux par une connexion électrique ou par lignes de transmission couplées électriquement, ils interagissent principalement avec le champ électrique.

Le document US2019/0021626 par exemple, porte sur une antenne et un système de tomographie micro-ondes, utilisés pour une détection et diagnostic sur le corps humain. Ce document propose d'interposer entre l'antenne et la peau un métamatériau qui sert à réaliser une adaptation d'impédance avec les tissus humains pour faciliter la pénétration. Ce méta matériau est formé par une matrice d'éléments en cuivre monofréquences sur un support diélectrique. La fréquence de résonance peut être statique, ou peut être ajustée par des moyens tels que des MEMS commandés par une tension, ou une circulation microfluidique modifiant les propriétés diélectriques du métamatériau, ou optiquement en utilisant un matériau photo-sensible dont les propriétés diélectriques sont modifiées par illumination.

Les publications suivantes proposent un métamatériau formé par une répétition régulière d'un résonateur monofréquence de type SRR (pour "Split Ring Resonator"), pour améliorer les performances d'un système de suivi ou d'imagerie par micro-ondes :

- Razzicchia, E., Koutsoupidou, M., Cano Garcia, H., Sotiriou, I., Kallos, E., Palikaras, G., & Kosmas, P. (2019) : "Metamaterial designs to enhance microwave imaging applications". In Proceedings of the 2019 21st International Conference on Electromagnetics in Advanced Applications, ICEAA 2019 (pp. 147-150).

- Vincenza Portosi , Antonella Maria Loconsole and Francesco Prudenzano : "A Split Ring Resonator-Based Metamaterial for Microwave Impedance Matching with Biological Tissue". In Applied Sciences 2020, 10, 6740.

La réalisation de tels métamatériaux reste cependant délicate à réaliser et à ajuster, et gagnerait à être développée dans de nombreuses directions, notamment en matière de robustesse et de polyvalence dans ses applications.

Un objectif de l'invention est de pallier en tout ou partie les inconvénients de l'état de la technique. En particulier, elle cherche à fournir des dispositifs et procédés à base de résonateurs électromagnétiques qui soient plus performants, souples, d'applications variées, et simples et souples à fabriquer et à utiliser.

Exposé de l'invention

L'invention propose un dispositif comprenant une pluralité de résonateurs électromagnétiques passifs multifréquences, c'est à dire présentant chacun plusieurs fréquences de résonnance déterminées. Notamment mais non obligatoirement, ces résonateurs partagent entre eux au moins une fréquence de résonance dite commune. Chacun desdits résonateur comprend une pluralité de lignes de transmission galvaniquement isolées (entre elles et avec l'extérieur du résonateur), présentant des fréquences de résonance différentes entre elles, et formant chacune une trajectoire à la fois refermée sur elle-même et interrompue par une ou plusieurs fentes. Lesdites lignes de transmission sont disposées spatialement l'une par rapport à l'autre de façon à, lorsque ledit dispositif est soumis à un champ dit incident, partager entre elles une région d'interaction commune dans laquelle les lignes de champ dudit champ incident interagissent avec ladite pluralité de lignes de transmission. Ce champ incident soit s'entendre comme pouvant être un champ électrique ou magnétique ou électromagnétique. Selon l'invention, ces résonateurs sont eux-mêmes disposés, au sein dudit réseau, sans contact électrique entre eux et de façon suffisamment proche les uns des autres pour former un réseau de résonateurs pouvant interagir entre eux par couplage inductif.

On obtient ainsi un réseau de résonateurs qui sont séparés (spatialement et électriquement) les uns des autres et répartis pour couvrir une certaine surface, voire un certain volume, tout en coopérant entre eux de façon inductive pour produire une réaction d'ensemble.

Ces résonateurs sont par exemple des résonateurs multifréquences tels que décrits dans la demande FR.2112292 des mêmes inventeurs. Les particularités décrites dans cette demande sont aussi applicables à la présente invention.

Selon une particularité de l'invention, les résonateurs de ce réseau (tous ou au moins plusieurs d'entre eux) comprennent chacun une ou plusieurs lignes de transmission qui sont chacune formée par un groupe d'au moins deux pistes interrompues. Dans chaque groupe, ces pistes sont disposées parallèles entre elles mais sans contact électrique entre elles et décrivant une même trajectoire commune. Dans un tel groupe, la ou les interruptions de chacune des pistes dudit groupe sont disposées chacune en vis-à-vis d'une partie pleine d'une autre piste dudit groupe, notamment de toutes les autres pistes dudit groupe.

On obtient ainsi un réseau de résonateur qui privilégie spécifiquement les interactions inductives et magnétiques.

Typiquement, tout ou partie des résonateurs multifréquences comprend chacun une pluralité de lignes de transmission imbriquées entre elles, notamment au sein d'une surface bidimensionnelle (plane ou non, par exemple cylindrique ou conique, réglée ou non).

Une pluralité des résonateurs multifréquences du dispositif selon l'invention peuvent comprendre chacun une pluralité de lignes de transmission formées chacune par au moins deux pistes disposées sur deux faces opposées d'un substrat diélectrique bidimensionnel, notamment un même substrat commun à tout ou partie des lignes de transmission d'un même résonateur multifréquence.

Les différentes pistes d'un même groupe de pistes sont par exemple déposées sur les deux faces d'une couche de substrat isolant, ou trois pistes ou plus intercalées entre des couches de substrat isolant.

Optionnellement, ce ou ces substrats sont agencés de façon à pouvoir modifier ses caractéristiques diélectriques, et ainsi modifier la fréquence de résonance des pistes de chaque groupe, et donc modifier les fréquences de résonance de chaque résonateur. Cette modification est réalisée par exemple en utilisant une couche d'un matériau piézoélectrique, qui est commandé électriquement pour faire varier son épaisseur ; ou incorporant dans ce substrat des canaux microfluidiques, dans lesquels l'injection ou l'extraction d'un fluide permet de faire varier les propriétés diélectriques globales du substrat ; ou par tout moyen connu pour faire varier et/ou commander (ou "activer") une telle variation de ses propriétés diélectriques.

Un tel réseau peut être utilisé de différentes façons. Selon une famille de modes de réalisation, il peut notamment être utilisé au sein d'un champ incident qui baigne ou traverse ledit réseau. Méta-matériau

Ainsi, selon une particularité, les résonateurs multifréquences sont arrangés, sans contact électriques entre eux, en une structure spatialement périodique agencée pour former un méta-matériau électromagnétique apte à interagir avec un champ électromagnétique extérieur, dit champ incident.

Selon un autre aspect de l'invention, il est proposé un procédé de modification de l'interaction d'un corps vivant ou d'un objet avec un champ électromagnétique incident. Ce procédé comprend alors une mise en place ou un maintien ou une activation d'un dispositif tel qu'exposé ici autour dudit corps ou objet ou entre lui et une source dudit champ incident.

Ce type d'utilisation en métamatériau permet différentes utilisations, selon des particularités différentes mais non exclusives l'une de l'autre.

Selon une particularité, les résonateurs sont déterminés et disposés pour interagir avec un champ électromagnétique incident de façon à en filtrer ou atténuer tout ou partie des fréquences différentes des fréquences de résonance desdits résonateurs.

On obtient ainsi par exemple un effet de filtrage, notamment en absorbant réémettant surtout les fréquences de résonance. Il peut s'agir par exemple de réaliser un écran entre le champ incident et un objet cible, par exemple pour le protéger des fréquences de résonances. Il peut aussi s'agir par exemple de réaliser un écrantage, par exemple en ne laissant passer que les fréquences de résonance, sur une toute petite bande de fréquences, par exemple de l'ordre de 100kHz. On obtient ainsi un très fort facteur de qualité.

Selon une autre particularité, les résonateurs sont déterminés et disposés pour interagir avec un champ électromagnétique traversant le dispositif de façon à amplifier son intensité dans les fréquences de résonance des résonateurs, par induction magnétique à ces fréquences.

Il devient ainsi possible d'amplifier les effets de certaines fréquences, et ainsi améliorer un procédé basé sur ces fréquences, par exemple de détection, imagerie ou traitement.

Selon encore une autre particularité, les résonateurs sont déterminés et disposés pour interagir avec un champ électromagnétique incident de façon à en dévier ou réfléchir tout ou partie de son intensité dans une ou plusieurs fréquences. En intercalant le réseau entre le champ incident et un corps ou un objet, on peut ainsi obtenir une protection de cet objet cible contre le champ incident, en intensité et/ou en modification d'une signature ou d'une image obtenue par ledit champ incident ou les réponses qu'il provoque dans ledit corps ou objet.

Adaptation d'impédance

Selon une famille de modes de réalisation, non exclusive de la précédente, les résonateurs sont déterminés et disposés pour interagir avec un champ électromagnétique le traversant de façon à modifier/adapter l'impédance d'un signal incident transporté par ledit champ électromagnétique ou d'un signal de réponse causé par ledit champ et traversant ledit dispositif.

L'invention permet ainsi de réaliser un dispositif d'adaptation d'impédance permettant de modifier, ajuster ou améliorer les performances d'un procédé de détection ou d'imagerie ou de traitement à base d'ondes électromagnétiques, par exemple en tomographie microondes ou en IRM. Une telle modification peut s'application par exemple à la précision, ou la pénétration, profondeur d'exploration, ou la nature des tissus ou matières à observer ou traiter, et sur une plage de fréquences plus large ou plus souple. Elle peut permettre aussi de minimiser les effets secondaires sur les tissus d'un tel traitement ou observation.

Selon une particularité, le dispositif exposé ici comprend un film souple ou rigide portant tout ou partie des résonateurs dudit dispositif, lequel film est agencé pour envelopper un corps vivant ou non, dit objet cible, en vue de modifier son interaction avec le champ électromagnétique, notamment en vue d'une protection dudit objet cible ou d'une optimisation d'un traitement ou d'une exploration réalisé sur ledit objet cible au moyen dudit champ électromagnétique.

On réalise ainsi un dispositif d'adaptation d'impédance facile et souple d'utilisation, de transport ou stockage, comparable par exemple à une couverture de survie ou permettant par exemple de réaliser une pièce souple à but de masquage local ou à porter comme un vêtement ("wearable" en Anglais) ou un pansement. Caractérisation sans contact

Selon encore une famille de modes de réalisation, non exclusive des précédentes, l'invention propose un procédé de caractérisation sans contact d'au moins une région à explorer au sein d'un milieu à caractériser, ce procédé comprend les étapes suivantes :

- couplage inductif sans contact d'une sonde, de façon simultanée, avec un ou plusieurs résonateurs multifréquences, dits résonateurs sondés, constituant un sous-ensemble d'un réseau de résonateurs formé par un dispositif tel qu'exposé ici, ledit réseau étant situé à proximité de ladite région explorée mais sans nécessiter de contact avec ladite région explorée, de façon à ce que les résonateur dudit réseau interagissent avec la région à explorer ;

- mesure de la variation d'impédance desdits résonateurs sondés par un lecteur qui interagit avec ladite sonde ;

- traitement de ladite mesure de variation d'impédance, comprenant une analyse spectrale en fonction de la fréquence, de façon à déterminer une pluralité d'impédances individuelles mesurées pour une pluralité de fréquences de mesure ;

- traitement d'une ou plusieurs desdites impédances individuelles pour extraire une ou plusieurs propriétés électriques de ladite zone explorée.

Du fait du couplage entre les différents résonateurs du réseau, le ou les résonateurs sondés avec la sonde voient leur impédance varier en fonction des variations d'impédance des autres résonateurs, dits non sondés. Les interactions des résonateurs non sondés avec le milieu à caractériser se propagent dans une certaine mesure vers le ou les résonateurs sondés. A partir d'une sonde qui n'est couplée directement qu'avec certains résonateurs, le lecteur peut ainsi extraire des propriétés électriques de régions qui interagissent avec d'autres résonateurs plus éloignés de la sonde.

On obtient ainsi une amélioration de nombres de problèmes connus en matière d'exploration sans contact. Il s'agit par exemple d'une meilleure robustesse des mesures, par exemple vis-à-vis du positionnement de la sonde par rapport au milieu, du fait que l'interrogation s'effectue sur des résonateurs plus nombreux pour une même sonde. Ce procédé de caractérisation est basé sur le même principe que le procédé utilisant un unique résonateur multifréquence décrit dans la demande FR.2112292 des mêmes inventeurs. Les différentes variantes énoncées dans cette demande sont aussi applicables au présent procédé, par exemple dans la nature ou structure des résonateurs, ou dans sa gestion de la profondeur de la région explorée, ou dans ses différentes utilisations.

Selon une particularité, le réseau comprend différents types de résonateurs multifréquences présentant des combinaisons de fréquences différentes, répartis spatialement au sein dudit réseau de façon à ce que des régions différentes présentent des combinaisons de fréquences différentes, notamment par des résonateurs différents ou des combinaisons différentes de résonateurs différents.

Par le couplage avec le ou les résonateurs sondés, quels qu'ils soient, le lecteur peut ainsi analysant les variations d'impédance pour les différentes fréquences ou combinaisons de fréquence d'une grande partie du réseau, incluant plusieurs régions différentes même si elles n'incluent pas de résonateur(s) sondé(s). En utilisant une sonde couplée avec un résonateur interagissant avec le milieu dans une première région, il est ainsi possible d'extraire des propriétés électriques du milieu dans une deuxième région interagissant avec des résonateurs non sondés.

Dès lors que l'on connaît la répartition spatiale des résonateurs de combinaisons de fréquence différentes, le procédé fournit ainsi une information de caractérisation spatialement attribuée entre plusieurs régions, tout en en sondant une seule.

Selon encore un autre aspect de l'invention, il est aussi proposé un système de caractérisation sans contact d'au moins une région dite explorée au sein d'un milieu à caractériser, comprenant :

- au moins un dispositif tel qu'exposé ici, formant un réseau de résonateurs interagissant entre eux par couplage inductif et qui dont les lignes de transmission interagissent avec la région à explorer, prévu pour être disposé à proximité de ladite région explorée, mais sans nécessiter de contact avec ladite région explorée,

- au moins une sonde agencée pour : o d'une part être couplée par couplage inductif avec un ou plusieurs résonateurs dudit réseau de résonateur (typiquement avec seulement certains résonateurs du réseau) au moyen d'un circuit à boucle inductive, et o d'autre part pour interagir avec au moins un lecteur ; ledit lecteur étant agencé pour interagir avec ladite sonde de façon à mettre en œuvre un procédé de caractérisation tel qu'exposé ici.

Brève description des dessins

D'autres particularités et avantages de l'invention ressortiront de la description détaillée d'un mode de mise en œuvre nullement limitatif, et des dessins annexés sur lesquels :

[Fig. la] : les Fig. la et Fig.lb sont des plans en vue de dessus à l'échelle qui illustrent des exemples de résonateurs multifréquences utilisables selon différents de modes de réalisation de l'invention, avec :

[Fig. la] : résonateur à quatre mailles circulaires mono-tour imbriquées, et

[Fig.lb] : résonateur à huit mailles circulaires mono-tour imbriquées

[Fig.2] : la Fig.2 est un plan en vue de dessus à l'échelle qui illustre un exemple de résonateur multifréquence utilisable selon différents modes de réalisation de l'invention, avec quatre mailles circulaires imbriquées, dont une mono-tour et les autres multi-tours ;

[Fig.3] : la Fig.3 est une vue schématique partielle, en vue de dessus en coupe transversale et en perspective éclatée, qui représente un exemple de ligne de transmission élémentaire (ou TLR.) de type circulaire monotour, pouvant être utilisée au sein d'un résonateur multifréquence utilisable selon différents exemple de mode de réalisation ;

[Fig.4] : la Fig.4 est une vue schématique partielle, en vue de dessus et en coupe transversale, d'une ligne de transmission élémentaire (ou TLR) multi-ouvertures pouvant être utilisée au sein d'un résonateur multifréquence utilisable selon différents exemple de mode de réalisation, dans un exemple à six lignes de transmission circulaires par portions et de rayons décroissants, concentriques entre elles et décalées de 60°, formées chacune par deux pistes disposées chacune sur l'une des deux faces d'un substrat mince isolant, en vis-à-vis et décalées angulairement entre elles ;

[Fig.5] : la Fig.5 est un schéma électrique équivalent, d'un résonateur à "N" fréquences de résonance, illustrant ses interactions avec une sonde et avec un milieu à caractériser ;

[Fig.6] : la Fig.6 est une courbe illustrant de manière simulée, pour le résonateur 4 résonances de la Fig. la à vide, la partie réelle de l'impédance mesurée Zmes en fonction de la fréquence ;

[Fig.7] : la Fig.7 est une courbe similaire à celle de la Fig.6, simulée pour le résonateur 8 résonances de la Fig.lb ;

[Fig.8] : la Fig.8 est un diagramme symbolique qui illustre schématiquement le fonctionnement du procédé de caractérisation utilisé selon plusieurs exemples de modes de réalisation de l'invention ;

[Fig.9] : la Fig.9 est une vue schématique en plan, qui illustre un exemple de réseau de résonateurs multifréquences selon un exemple de mode de réalisation de l'invention à résonateurs quadri-fréquences tous identiques entre eux ;

[Fig.10] : la Fig.10 est un schéma qui illustre une utilisation d'un réseau de résonateurs multifréquences du même type que celui de la Fig.9 (ou Fig.11) en tant que capteur sans contact pour caractériser un milieu à l'aide d'une sonde inductive monovoie ;

[Fig.11] : la Fig.11 est une vue schématique en plan, qui illustre un exemple de réseau de résonateurs multifréquences selon un exemple de mode de réalisation de l'invention à résonateurs quadri-fréquences de plusieurs types différents, répartis par zones spatialement distinctes ;

[Fig.12] : la Fig.12 est un schéma en coupe transversale qui illustre un exemple de mise en œuvre de l'invention, utilisant un réseau comme par exemple celui de la Fig.9 ou Fig.11 implanté dans la paroi d'un réservoir pour caractériser sans contact l'état de sa surface interne au moyen d'une sonde unique ;

[Fig.13] : la Fig.13 est un schéma qui illustre une utilisation d'un réseau de résonateurs multifréquences agencé comme méta-matériau pour interagir avec un champ électromagnétique incident ; [Fig.14] : la Fig.14 est un schéma qui illustre une utilisation d'un film souple portant un réseau de résonateurs multifréquences agencé comme méta- matériau pour réaliser une adaptation d'impédance en étant intercalé entre un champ électromagnétique incident et un corps exploré à l'aide dudit champ.

Description en référence aux figures

Résonateurs multifréquences individuels

Les Fig. la à Fig.4 illustrent des exemples individuels de résonateurs multifréquences, utilisables pour réaliser un réseau de résonateur selon l'invention.

La Fig.3 et Fig.4 illustrent la constitution d'une ligne de transmission M14, Ml, utilisable pour réaliser un tel résonateur. Cette ligne de transmission est formée par un groupe de deux pistes interrompues, disposées des deux côtés d'un substrat diélectrique plan dl avec un décalage angulaire entre les fentes des deux pistes de chaque groupe.

Ces résonateurs individuels sont décrits en détail dans la demande FR2112292 des mêmes inventeurs.

Procédé de caractérisation par un résonateur multifréquence

La Fig.5 illustre les interactions d'un résonateur MRI à "N" fréquences de résonance, comportant N lignes de transmission ZI à ZN, avec une sonde SI dans le cadre d'un procédé de caractérisation sans contact d'un milieu à explorer. Les Fig.6 et Fig.7 illustrent les mesures d'impédance montrant des pics correspondants aux fréquences de résonance des résonateurs multifréquences individuels, respectivement des Fig. la et Fig.lb. La Fig.8 illustre les étapes et applications d'un tel procédé de caractérisation.

Ce procédé est décrit en détail dans la demande FR2112292 des mêmes inventeurs.

En Fig.9 est illustré un exemple de réseau RR1 de résonateurs multifréquences selon un exemple de mode de réalisation de l'invention à résonateurs quadri-fréquences MRI tous identiques entre eux, similaires à celui de la Fig. la, réalisés sur les deux faces d'un substrat diélectrique plan. En Fig.10 est illustrée une utilisation d'un réseau de résonateurs multifréquences du même type que celui de la Fig.9 (ou Fig.11) en tant que capteur sans contact pour caractériser un milieu à l'aide d'une sonde inductive SI raccordée de façon monovoie 102 à un lecteur S0, par exemple un analyseur vectoriel.

En Fig.11 est illustré un exemple de réseau RR2 de résonateurs multifréquences selon un exemple de mode de réalisation de l'invention à résonateurs quadri-fréquences de plusieurs types différents MRla, MRlb, MRlc, MRld, ici des résonateurs similaires à celui de la Fig. la mais de dimensions différentes et présentant des combinaisons différentes de fréquences de résonance. Dans ce réseau, les types différents de résonateurs sont répartis en quatre zones RR2a, RR2b, RR2c, RR2d spatialement distinctes.

Du fait de l'interaction inductive existant entre les résonateurs du même réseau RR2, une sonde inductive SI qui sera couplée avec l'un MRla des résonateurs d'une dans une région RR2a mesure des impédances non seulement pour chacune des fréquences de résonance du résonateur "sondé", mais aussi des impédances pour les fréquences de résonance des autres types de résonateurs et provenant des autres régions du réseau RR2.

En Fig.12 est illustré un exemple de mise en œuvre du procédé de caractérisation, utilisant un réseau comme par exemple celui de la Fig.9 ou Fig.11 implanté dans la paroi d'un réservoir 83 pour caractériser sans contact l'état de sa surface interne 928 au moyen d'une sonde unique SI.

Là aussi, du fait l'interaction inductive existant entre les résonateurs du réseau RR1, la sonde SI détecte indirectement des variations d'impédance existant dans les régions R7a à R7h qui englobent la surface d'interface entre la paroi du réservoir et le carburant 92., par l'intermédiaire du résonateur multifréquence individuel MR7e auquel elle est couplée inductivement. Méta-matériau

En Fig.13 est illustrée une utilisation d'un réseau RR1 de résonateurs multifréquences agencé comme méta-matériau pour interagir avec un champ électromagnétique incident Ci, en particulier un champs magnétique ou la composante magnétique d'un champ électromagnétique. Selon les modifications créées par ce métamatériau, ce champs incident Ci est modifié, par exemple transmis Csl ou réfracté Cs2 ou réfléchi CS3, selon les caractéristiques conféré à ce métamatériau par les caractéristiques de ses résonateurs individuels.

En Fig.14 est illustrée une utilisation d'un film souple portant un réseau R.R.3 de résonateurs multifréquences, agencé comme méta-matériau pour réaliser une adaptation d'impédance en étant intercalé entre le corps d'un patient 9 et un champ électromagnétique incident Ci émis par une sonde S9 d'un appareil de traitement. Bien sûr, l'invention n'est pas limitée aux exemples qui viennent d'être décrits et de nombreux aménagements peuvent être apportés à ces exemples sans sortir du cadre de l'invention.