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Title:
DEVICE FOR PROTECTING THE HUMAN BODY AND EQUIPMENT AGAINST ELECTROMAGNETIC RADIATION
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2018/236202
Kind Code:
A1
Abstract:
A device for protecting a biological body against the ionising and thermal effects of electromagnetic radiation and for protecting equipment that is sensitive to electromagnetic cyber attacks, comprises: a top layer formed by a plurality of resonators (5) arranged in an array, each resonator (5) having a fundamental pattern having a shape similar to the letter Y, the fundamental pattern being replicated around the starting point of the fundamental element in a circle to form the symmetrical topology of the resonator (5); an intermediate separation layer (6) made of flexible and thermally insulating material in the form of an ultra-thin flexible film based on a dielectric, magnetic or magneto-electric substrate, this layer (6) being used as a substrate on which the array of resonators (5) is printed; and a metallic bottom layer (4) that acts as a reflector.

Inventors:
GRIGUER, Hafid (49 Rue Patrice Lumumba, Hassan, Rabat, 10000, MA)
EMMANOUIL (MANOS), M. Tentzeris (195 14th Street NE #1208, Atlanta, GA, 30309, US)
DRISSI, M'hamed (5 rue Yves de Kerguelen, Thorigné-Fouillard, Thorigné-Fouillard, 35235, FR)
Application Number:
MA2017/000011
Publication Date:
December 27, 2018
Filing Date:
April 28, 2017
Export Citation:
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Assignee:
EMSI RABAT (49 Rue Patrice Lumumba, Hassan, Rabat, 10000, MA)
International Classes:
A61N1/16; G02B1/00; H01P1/203; H01Q1/52; H01Q15/00; H01Q17/00
Domestic Patent References:
WO2013027029A12013-02-28
WO2001089627A12001-11-29
WO2002005892A12002-01-24
Foreign References:
US8803637B12014-08-12
CN102769189B2015-12-16
US9603243B22017-03-21
US20100141358A12010-06-10
Other References:
SEUNGWOO LEE, JOURNAL OF ELECTROMAGNETIC ENGINEERING AND SCIENCE, vol. 13, no. 2, June 2013 (2013-06-01), pages 113 - 119
Attorney, Agent or Firm:
GRIGUER, Hafid (49 Rue Patrice Lumumba, Hassan, Rabat, 10000, MA)
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Claims:
Revendications :

1. Dispositif de protection d'un corps biologique contre les effets ionisants et thermiques du rayonnement électromagnétique et des équipements sensibles aux cybers-attaques d'origine électromagnétiques, lequel dispositif est à base de la technologie méta-matériau caractérisé en ce qu'il comprend :

- une couche supérieure constituée d'un ensemble de résonateurs (5) ayant une distribution réseau, chaque résonateur (5) est constitué à partir d'un motif élémentaire ayant une forme proche de lettre « Y », lequel motif est constitué d'un élément de base (1) sous forme de tige ou ruban, perpendiculaire à un axe horizontal, sur l'extrémité supérieure de cet élément de base de base, viennent deux éléments secondaires (2), sous forme de tige ou ruban, positionnées d'une manière symétrique formant particulièrement entre elles un angle de 90° , le développement des éléments secondaires (2) démarre à partir de la partie supérieure de l'élément de base (1) vers le haut , sur chaque extrémité supérieure des éléments secondaires (2), est positionnée un troisième élément (3), sous forme de tige ou ruban, formant un angie de 90" avec l'élément secondaire (2), le sens de développement de ce troisième élément (3) est vers le bas formant un angle de 90* avec la tige secondaire (2). te motif de base est ainsi reproduit d'une manière circulaire par rapport au point de départ de l'élément de base (1) avec un nombre d'itérations égaie à deux fois N, avec N un nombre paire pour former la topoiogie symétrique du résonateur (5),

- une couche intermédiaire de séparation (6) constituée d'un matériau flexible et isolant thermique sous forme de film ultra-mince mécaniquement flexible à base d'un substrat diélectrique, ou magnétique ou magnéto- diélectrique, ladite couche (6) sert de support pour l'impression du réseau des résonateurs (5)

- une couche inférieure (4) métallique jouant le rôle de réflecteur.

2. Dispositif de protection selon la revendication 1, caractérisé en ce que te développement géométrique des éléments (1, 2,3) constituant le résonateur (5) est rectiligne et/ou courbé.

3. Dispositif de protection selon la revendication 1, caractérisé en ce que le substrat (6) est à base d'un matériau polyimide,

4. Dispositif de protection selon la revendication 3, caractérisé en ce que le matériau polyimide est le « KAPTON ».

5. Dispositif de protection selon tes revendications 1 à 4, caractérisé en ce que l'épaisseur du substrat (6) est d'environ 50,8 pm.

6. Dispositif de protection selon les revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le réseau des résonateurs (5) est obtenu par impression jet d'encre en utilisant une encre à base de nanoparticules d'argent diffusées dans un solvant.

7. Dispositif de protection selon les revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'il est insensible à la polarisation de l'onde incidente.

Description:
Dispositif de protection du corps humain et des équipements contre le

rayonnement électromagnétique

Domaine de l'invention :

La présente invention concerne ie domaine de ia protection contre ie rayonnement électromagnétique. Elle traite en particulier d'un dispositif de protection du corps humain et des équipements sensibles contre le rayonnement électromagnétique et les cybers attaques par ie biais d'un absorbant électromagnétique à base de ceilules méta-matériaux.

Etat de l'art antérieur :

Les progrès technologique dans le domaine de transfert sans fil de l'énergie et des télécommunications, en particulier dans les configurations portables et de l'Internet des Objets (loT), ont rendu l'être humain très exposé aux radiations électromagnétiques. Malgré tes exigences en matière de réglementation des limites de rayonnement électromagnétique à travers le taux spécifique d'absorption électromagnétique (DAS), le danger persiste à cause de certaines applications civiles ou militaires qui nécessitent le transfert d'une plus grande énergie via tes radiations électromagnétiques. Par ailleurs, ii est connu que les objets connectés sans fil sont dotes, au moins d'un système de télécommunications radiofréquence, favorisant la transmission des données via un rayonnement électromagnétique. Les systèmes de communication utilisés, font partie des systèmes télécoms standardisés, tels que le GSM, UMTS, COMA, LTE, WIFI, ISM et bien d'autres. Les protocoles de communications et les limites du rayonnement électromagnétiques sont régis par lesdits standards, la Puissance Isotrope Rayonnée (PIRE) peut atteindre des valeurs au voisinage de 33dBm pour des applications Indoor. Dans un cas plus particulier, et en dehors d'une utilisation purement industrielle, l'usage des objets connectés à proximité des tissus biologiques est soumis à des règles plus précises, tel que le Débit d'Absorption Spécifique (DAS) qui doit être très inférieure à 1W/Kg.

Les risques liés à l'exposition d'un corps biologique, en l'occurrence le corps humain, aux ondes électromagnétiques dépend de la partie du corps exposée, de la puissance de l'énergie électromagnétique et son mode de propagation.

Pour maîtriser les risques de telles technologies, plusieurs solutions ont été proposées afin de limiter l'impact des fortes radiations électromagnétiques sur le corps humain. L'une des voies la plus convoitée dans ce domaine est l'utilisation d'absorbants électromagnétiques notamment à base de méta-matériaux. En physique, en électromagnétisme, le terme méta-matériau désigne un matériau composite artificiel qui présente des propriétés électromagnétiques qu'on ne retrouve pas forcément dans un matériau naturel.

Il s'agit en général de structures périodiques, diélectriques ou métalliques, qui se comportent comme un matériau homogène n'existant pas à l'état naturel. Il existe plusieurs types de méta-matériaux en électromagnétisme, les plus connus étant ceux susceptibles de présenter à la fois une permittivité et une perméabilité négatives.

Le design d'un absorbant électromagnétique dans le contexte de protection du corps humain, ou tout organisme vivant, contre le rayonnement électromagnétique, dort vérifier simultanément les caractéristiques fonctionnelles suivantes :

- fort taux d'absorbance électromagnétique dépassant le seuil de 50%, afin de protéger le corps humain contre tout effet ionisant ; - l'insensibilité du taux d'absorbance électromagnétique à la polarisation et à l'angle de l'onde incidente ;

- l'intégration et le faible encombrement ;

- la flexibilité mécanique (malléabilité et conformabilité) pour pouvoir épouser la forme du corps humain ainsi que ses différents organes. - l'insensibilité du taux d'absorbance électromagnétique à la flexibilité mécanique ; - l'isolation thermique pour protéger le corps humain contre tout effet de réchauffement de molécules d'eau présente dans le tissu biologique. il existe des solutions pour l'interception des ondes électromagnétiques incidentes. Ainsi la demande de brevet WO2001089627 A1 concerne un dispositif (10) destiné à limiter les effets néfastes du rayonnement électromagnétique, qui comprend un boîtier (12) renfermant une masse (14) contenant des cristaux. Cette masse (14) contenant des cristaux comprend deux couches: une première couche (20) de lapis lazuli et une seconde couche (22) de particules (24) de micaschiste intégrée dans une matrice (26) de résine acrylique. En utilisation, ce dispositif (10) semble fonctionner par atténuation ou par transformation des émissions magnétiques et électriques destructives en provenance d'un téléphone mobile ou d'un appareil similaire.

La demande de brevet WO2002005892 A1 concerne un textile comprenant des moyens pour l'atténuation de l'effet des ondes électromagnétiques sur le corps humain ayant une efficacité entre 5 à 15%.

Les deux systèmes présentent l'inconvénient soit d'efficacité insuffisante comme pour le textile qui ne dépasse pas 5 à 15% d'atténuation, soit la complexité pour l'utiliser comme protection pour le corps humain par manque de flexibilité et d'insensibilité à la polarisation.

Seungwoo Lee et ail (JOURNAL OF ELECTROMAGNETIC ENGINEERING AND SCIENCE, VOL 13, NO. 2, 113- 119. JUN. 2013) présente un système d'absorption des électromagnétiques (EM) en utilisant un système composé d'un réseau de cellule méta-matériau sur un PCB. Le système est sensible à la polarisation car il n'agit que sur les ondes EM dans deux directions. Oe plus, qu'il ne présente pas de flexibilité pour pouvoir épouser le corps à protéger.

La plupart des dispositifs divulgués dans l'état de l'art soufrent de quelques verrous technologiques et ne divulguent pas une solution technique qui favorise l'atteinte simultanée de plusieurs caractéristiques d'absorption nécessaires pour une utilisation dans le contexte de protection du corps humain contre les risques du rayonnement électromagnétique.

Description de l'invention :

La présente invention a pour objectif de palier les inconvénients de l'art antérieur. A cet effet, la présente invention divulgue un dispositif de protection de corps biologique contré le rayonnement électromagnétique. Le dispositif d'absorption électromagnétique est un absorbant ultra-mince et mécaniquement flexible basé sur un nouveau réseau de cellules unitaires méta-matériaux, qui peut être utilisé pour la réduction des impacts des ondes électromagnétiques (EM) et de l'isolement thermique du corps humain.

La présente invention divulgue une nouvelle topologie d'un absorbant électromagnétique dans le contexte de protection du corps humain contre le rayonnement électromagnétique et qui a pour objectif de réaliser simultanément les caractéristiques et spécifications fonctionnelles suivantes : - fort taux d'absorbance électromagnétique dépassant le seuil de 50%, afin de protéger le corps humain et les équipements sensibles contre tout effet ionisant ;

- l'insensibilité du taux d'absorbance électromagnétique à la polarisation et à l'angle de l'onde incidente :

- l'intégration et le faible encombrement ;

- la flexibilité mécanique (malléabilité) pour pouvoir épouser la forme du corps humain ainsi que ses différents organes ou pour la protection de tout équipement sensible aux cybers attaques.

- l'insensibilité du taux d'absorbance électromagnétique à la flexibilité mécanique ; l'isolation thermique pour protéger le corps humain contre tout effet de réchauffement de molécules d'eau présente dans le tissu biologique. ;

La description suivante de l'invention est structurée comme suit :

- Description de la conception et le choix du matériau du substrat

- l'absorbant méta«rnatériau flexible (AMF)

«Description de l'étude numérique des AMF sous plusieurs modes d'excitation électromagnétique.

- Le processus de la fabrication et les résultats expérimentaux. Brève description des figures : La suite de la description sera faite sur ia base des dessins annexés qui sont donnés à titre indicatif non limitatif et dans lesquels :

Figure 1 : motif élémentaire de la topologie de l'absorbant méta-matériau.

Figure 2 : exemple d'une géométrie du résonateur unitaire à 4 éléments de motif élémentaire.

Figure 3 : représente un schéma d'une cellule méta-matériau du nouvel absorbant.

Figure 4 : comparaison de l'absorption simulée pour les polarisations TE et TM pour les topologies planaires de l'absorbant

Figure 5 : illustration de la stabilité du taux absorption pour différents angles d'incidence.

Figure 6 : schéma du montage de mesure d'absorption de la présente invention

Figure 7 : représente la courbe d'absorption mesurée pour une onde incidente polarisée TE.

Figure 8 : Échantillon de l'invention imprimée par jet d'encre sur un film diélectrique de type poiymide comme du Kapton (un réseau de cellules 4x4, épousant ia forme de bras d'un Homme)

Selon un aspect général de l'invention le dispositif d'absorption électromagnétique est utilisé à proximité de ia source de rayonnement électromagnétique, lequel absorbant est particulièrement résonant à ia fréquence de l'onde électromagnétique incidente rayonné© par les antennes de l'objet source de danger électromagnétique. L'orientation de l'absorbant par rapport à la source électromagnétique n'est pas une condition de fonctionnement puisque l'absorbant est particulièrement insensible à la polarisation de l'onde électromagnétique. Selon la présente invention, le dispositif d'absorption, est un résonateur à base de la technologie Meta-matériau, lequel résonateur a une dimension globale très inférieure à la longueur d'onde correspondante à la fréquence centrale de la bande des fréquences de fonctionnement de l'objet connecté. L'absorbant Meta* matériau, est constitué d'une nouvelle topologie géométrique réalisée par un conducteur électrique imprimé sur une surface d'un substrat volumique de type diélectrique, ou magnétique ou magnéto-diélectrique, sur l'autre surface du substrat, un conducteur électrique est imprimé pour former un plan de masse. La topologie du conducteur du résonateur est simultanément symétrique par rapport à quatre axes appartenant au plan formé par la surface du conducteur, à savoir, l'axe horizontal, l'axe verticale et les axes diagonaux.

La topologie géométrique est constituée d'un motif élémentaire ayant une forme proche et inspirée de ia lettre « Y », lequel motif est constitué d'un élément de base (1) sous forme de tige ou ruban, perpendiculaire à un axe horizontal, sur l'extrémité supérieure de cet élément de base de base, viennent deux éléments secondaires (2), sous forme de tige ou ruban, positionnées d'une manière symétrique formant particulièrement entre elles un angle de 90° , le développement des éléments secondaires (2) démarre à partir de ta partie supérieure de l'élément de base (1) vers le haut , sur chaque extrémité supérieure des éléments secondaires (2), est positionnée un troisième élément (3), sous forme de tige ou ruban, formant un angle de 90° avec l'élément secondaire (2). Le sens de développement de ce troisième élément (3) est vers le bas.

Le motif de base est ainsi reproduit d'une manière circulaire par rapport au point de départ de la tige de base, le nombre d'itérations est deux fois N, avec N=2. Selon un exemple de réalisation non limitatif de la présente invention, la topologie de base de l'absorbant est formée de quatre motifs de base (figure 2).

Selon un aspect particulier, le développement géométrique des éléments (1, 2,3) constituant le résonateur (5) est rectiligne et/ou courbé. Ceci permettra un meilleur contrôle de la taille électrique du résonateur.

Selon un mode de réalisation préféré, L'absorbant méta-matériau flexible (AMF) proposé sur la base de la nouvelle structure unitaire résonante est présenté à la figure 3. La couche supérieure (S) se compose d'un ensemble de quatre motifs de base métalliques diagonales inspirées de la lettre « Y » dans une configuration géométrique périodique concentrique. La couche inférieure (4) est un réflecteur métallique. Enfin les deux couches métalliques sont séparées par un film (6) de de polyimide tel que le « KAPTON » qui est utilisé comme substrat séparant les deux couches métalliques. Le film de polyimide (Kapton) a été choisi en raison de ses propriétés de stabilité de primitivité diélectrique en fonction de forte variation de la température ambiante. Le Kapton présente aussi un facteur d'isolation thermique lui permettant d'isoler des températures allant jusqu'à 350°, finalement le Kapton est un polyimide mécaniquement flexible. .

Pour un exemple de réalisation non limitatif nous avons utilisé une variante de « Kapton » ayant une très faible épaisseur (50,8 pm), avec une permittivité diélectrique stable ( au voisinage de 3.5) sur de grandes plages de températures comprises entre 65 0 C et 350 * C. D'où, le film de Kapton est très approprié pour des applications nécessitant de la flexibilité. L'absorbant complet est alors réalisé par l'extension périodique de la cellule unitaire (figure 3) dans les deux directions x et y. L'une des réalisations de la cellule unitaire a été conçue et étudiée avec un calculateur à base de la méthode des éléments finis en utilisant des conditions aux limites périodiques.

Une onde plane incidente en champ lointain a été utilisée comme source d'excitation pour une cellule unitaire ; Le champ électrique a été polarisé le long de la direction X et le champ magnétique le long de Taxe Y. pour un exempte de conception purement iliustratif, les paramètres géométriques du résonateur ont été optimisés pour contraindre la fréquence de résonance autour de 5 GHz comme indiqué dans la figure 3, cette fréquence est largement utilisée dans des standards de communications comme le WIFI et les applications d'objets connectés IOT; La capacité d'absorption peut être calculée selon la formule (1), où, Α(ω), j S 21 (ω)|* et I S H (ω)| 2 sont la capacité d'absorption, la puissance transmise, et la Puissance réfléchie, respectivement, à une fréquence angulaire (ω). En raison du support du réflecteur en cuivre, il n'y a pas de puissance transmise (| S 21 (ω)|* = 0).

La figure 4 est le résultat d'une comparaison de l'absorption simulée pour Les polarisations TE (Transverse Electrique) et TM (Transverse Magnétique) pour les topologies planaires de l'absorbant En raison de la conception symétrique du résonateur inspiré du tétra«Y, la structure AMF planaire est insensible à la polarisation comme illustré sur la figure 2. L'absorption maximale est pratiquement la même pour les polarisations TE et TM.

La figure 4 montre un pic d'absorption presque idéale proche de 98% à 5,23 GHz. De plus, il est intéressant de noter que l'AMF présente une capacité d'absorption élevée et stable pour des configurations courbées pour trois rayons de courbure / flexion différents (r * 22 mm, r = 30 mm et r « 35 mm) avec seulement un léger décalage de fréquence de 70MHz Étant observée pour des configurations courbées par rapport à la configuration planaire.

La figure 5 illustre les taux d'absorption pour différents angles d'incidence. Les simulations à ondes complètes ont été effectuées pour vérifier la dispersion angulaire de Pabsorbance pour deux polarisations différentes, TE (Figure 5 (a) ) et TM (Figure 5 (b) ) . L'angle d'incidence varie de 0 ° à 75 °. Pour les deux polarisations TE et TM, les résultats montrent des pics d'absorbance stables et élevés avoisinant 98% à 5,2 GHz.

Exemple de réalisation:

Pour la démonstration du concept, un prototype imprimé par jet d'encre, est réalisé sous forme d'une matrice de 4x4. Comme le montre la figure 8, les traces conductrices de i'AMF ont été imprimées sur un film de polyimide de Kapton de 50,8 pm et £r = 3,5 de DuPont en utilisant une encre à base de nanoparticules d'argent EMD5730 de Sun Chemical qui contient 40% de nanoparticules d'argent diffusées dans un solvant à base d'éthanediol. Après l'impression, le AMF a été durci sur une plaque chauffante à 120 0 C pendant 10 minutes après une rampe graduelle de température de 30 ° C à une vitesse de 360 ° C par heure pour sécher le solvant afin de réaliser des traces conductrices imprimées uniformes.

Le montage de mesure d'absorption de L'AMF, représentée sur la figure 6, consiste en un analyseur de réseau vectoriel (7) de type Agitent N5245A relié à deux antennes (8) de référence de type cornet large bande utilisées comme sources électromagnétiques. Dans cette configuration, nous n'avons réalisé qu'une configuration de polarisation TE avec une onde initialement incidente sur le AMF. La mesure doit être effectuée dans un environnement anéchoïque grâce à des panneaux absorbants anéchoïques (9) ; Les deux antennes cornet sont inclinées selon des angles différents par rapport à la direction normale à la surface plane de l'AMF. La distance entre les antennes doit être choisie pour éliminer tout couplage en champ proche. Avant de mesurer la réponse de l'absorbance de l'AMF, une étape d'étalonnage doit être effectuée en mesurant les paramètres de réflectance d'un plan réflecteur métallique de référence, qui a les mômes dimensions que l'échantillon AMF sous essai.

La figure 7 représente la courbe d'absorption mesurée pour une onde incidente polarisée TE vers le AMF ; Les résultats expérimentaux montrent un bon accord avec les réponses d'absorption simulées avec près de 70% d'absorption mesurée est obtenue autour de 5,2 GHz.

La structure de l'absorbant méta-matériau proposé dans la présente invention prend en compte de nombreuses contraintes de conception pour la protection du corps humain contre les risques du champ électromagnétique. La structure AMF proposée est particulièrement mince (50,8 um) et présente un pic d'absorption élevé (théoriquement proche de l'idéal) pour toutes les configurations courbées étudiées. L'investigation numérique sous des simulations d'ondes complètes démontre un comportement insensible aux polarisations pour l'incidence normale. Ils montrent également une très bonne absorption sur un grand angle d'incidence pour les polarisations TE et TM. Les prototypes fabriqués à l'aide de la technologie d'impression jet d'encre montrent que la fabrication d'additifs pourrait être un moyen très prometteur de fabriquer des absorbants ultra-minces et conformes massivement évolutifs pour la protection du corps humain contre les risques des ondes électromagnétiques.