WO2018236202A1 - Device for protecting the human body and equipment against electromagnetic radiation - Google Patents
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- WO2018236202A1 WO2018236202A1 PCT/MA2017/000011 MA2017000011W WO2018236202A1 WO 2018236202 A1 WO2018236202 A1 WO 2018236202A1 MA 2017000011 W MA2017000011 W MA 2017000011W WO 2018236202 A1 WO2018236202 A1 WO 2018236202A1
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- H01Q17/00—Devices for absorbing waves radiated from an antenna; Combinations of such devices with active antenna elements or systems
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Definitions
- the Radiated Isotropic Power can reach values in the vicinity of 33dBm for Indoor applications.
- the use of connected objects near biological tissues is subject to more precise rules, such as the Specific Absorption Rate (SAR) which must be very less than 1W / Kg.
- SAR Specific Absorption Rate
- meta-material refers to an artificial composite material that has electromagnetic properties that are not necessarily found in a natural material.
- the present invention discloses a new topology of an electromagnetic absorbent in the context of protecting the human body against electromagnetic radiation and which aims at simultaneously achieving the following functional characteristics and specifications: - high electromagnetic absorbance above 50% threshold to protect the human body and sensitive equipment against ionizing effects;
- the flexible meta-material absorbent (AMF) proposed on the basis of the new resonant unitary structure is shown in FIG. 3.
- the top layer (S) consists of a set of four patterns of Diagonal metal base inspired by the letter "Y" in a concentric periodic geometric configuration.
- the lower layer (4) is a metal reflector.
- the two metal layers are separated by a film (6) of polyimide such as "KAPTON” which is used as a substrate separating the two metal layers.
- the polyimide film (Kapton) was chosen because of its properties of dielectric monivity stability as a function of strong variation of the ambient temperature. Kapton also has a thermal insulation factor allowing it to isolate temperatures up to 350 °, finally Kapton is a mechanically flexible polyimide. .
- a far-field incident plane wave was used as the excitation source for a unit cell;
- the electric field was polarized along the X direction and the magnetic field along the Y axis.
- the geometrical parameters of the resonator were optimized to constrain the resonance frequency around 5 GHz as indicated in Figure 3, this frequency is widely used in communications standards such as WIFI and IOT connected object applications;
- the absorption capacity can be calculated according to formula (1), where, ⁇ ( ⁇ ), j S 21 ( ⁇ )
- * 0).
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.
Description
Dispositif de protection du corps humain et des équipements contre le Protective device for the human body and equipment against
rayonnement électromagnétique electromagnetic radiation
Domaine de l'invention : Field of the 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. The present invention relates to the field of protection against electromagnetic radiation. It deals in particular with a device for protecting the human body and sensitive equipment against electromagnetic radiation and cyber attacks by means of an electromagnetic absorbent based on metamaterial cells.
Etat de l'art antérieur : State of the prior art:
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. Technological advances in the field of wireless transfer of energy and telecommunications, particularly in wearable configurations and the Internet of Things (loT), have made humans very vulnerable to electromagnetic radiation. Despite your requirements for regulating electromagnetic radiation limits through the specific electromagnetic absorption rate (SAR), the danger persists because of certain civilian or military applications that require the transfer of higher energy via electromagnetic radiation. . Furthermore, it is known that wireless connected objects are provided, at least in a radiofrequency telecommunications system, promoting the transmission of data via electromagnetic radiation. The communication systems used are part of standardized telecom systems, such as GSM, UMTS, COMA, LTE, WIFI, ISM and many others. The protocols of communication and the limits of the electromagnetic radiation are governed by the said standards, the Radiated Isotropic Power (EIRP) can reach values in the vicinity of 33dBm for Indoor applications. In a more specific case, and apart from a purely industrial use, the use of connected objects near biological tissues is subject to more precise rules, such as the Specific Absorption Rate (SAR) which must be very less than 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. The risks associated with the exposure of a biological body, in this case the human body, to electromagnetic waves depend on the exposed part of the body, the power of electromagnetic energy and its mode of 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. To control the risks of such technologies, several solutions have been proposed to limit the impact of strong electromagnetic radiation on the human body. One of the most coveted paths in this field is the use of electromagnetic absorbers, especially those based on metamaterials. In physics, in electromagnetism, the term meta-material refers to an artificial composite material that has electromagnetic properties that are not necessarily found in a natural material.
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. They are usually periodic, dielectric or metallic structures, which behave as a homogeneous material that does not exist in the natural state. There are several types of electromagnetism meta-materials, the best known being those likely to have both a negative permittivity and a negative permeability.
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 : The design of an electromagnetic absorbent in the context of protection of the human body, or any living organism, against electromagnetic radiation, must simultaneously check the following functional characteristics:
- 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 ; - high electromagnetic absorbance above 50% threshold to protect the human body against ionizing effects; the insensitivity of the electromagnetic absorbance rate to the polarization and the angle of the incident wave;
- l'intégration et le faible encombrement ; - integration and small footprint;
- 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. - the mechanical flexibility (malleability and conformability) to marry the shape of the human body and its various organs. the insensitivity of the electromagnetic absorbance rate to the mechanical flexibility; thermal insulation to protect the human body against any heating effect of water molecules present in the biological tissue. there are solutions for interception of incident electromagnetic waves. Thus patent application WO2001089627 A1 relates to a device (10) intended to limit the harmful effects of electromagnetic radiation, which comprises a housing (12) enclosing a mass (14) containing crystals. The crystal-containing mass (14) comprises two layers: a first layer (20) of lapis lazuli and a second layer (22) of micaschist particles (24) embedded in a matrix (26) of acrylic resin. In use, this device (10) appears to work by attenuating or transforming destructive magnetic and electrical emissions from a mobile phone or similar device.
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%. The patent application WO2002005892 A1 relates to a textile comprising means for attenuating the effect of electromagnetic waves on the human body having an efficiency between 5 to 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. Both systems have the disadvantage of either insufficient efficiency as for the textile which does not exceed 5 to 15% of attenuation, or the complexity to use it as a protection for the human body for lack of flexibility and insensitivity to polarization.
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. Seungwoo Lee and Garlic (JOURNAL OF ELECTROMAGNETIC ENGINEERING AND SCIENCE, VOL 13, NO.2, 113-119, JUN, 2013) presents a system electromagnetic absorption (EM) using a system composed of a meta-material cell network on a PCB. The system is sensitive to polarization because it only acts on EM waves in two directions. Oe more, it does not have flexibility to marry the body to protect.
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. Most devices disclosed in the state of the art suffer from some technological locks and do not disclose a technical solution that promotes the simultaneous attaining of several absorption characteristics necessary for use in the context of protection of the human body against the risks of electromagnetic radiation.
Description de l'invention : Description of the 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. The present invention aims to overcome the disadvantages of the prior art. For this purpose, the present invention discloses a biological body protection device against electromagnetic radiation. The electromagnetic absorption device is an ultra-thin and mechanically flexible absorber based on a new network of unit cell meta-materials, which can be used for the reduction of electromagnetic wave (EM) impacts and thermal insulation of the body human.
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 ; The present invention discloses a new topology of an electromagnetic absorbent in the context of protecting the human body against electromagnetic radiation and which aims at simultaneously achieving the following functional characteristics and specifications: - high electromagnetic absorbance above 50% threshold to protect the human body and sensitive equipment against ionizing effects;
- l'insensibilité du taux d'absorbance électromagnétique à la polarisation et à l'angle de l'onde incidente : the insensitivity of the electromagnetic absorbance rate to the polarization and the angle of the incident wave:
- l'intégration et le faible encombrement ; - integration and small footprint;
- 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. - the mechanical flexibility (malleability) to marry the shape of the human body and its various organs or for the protection of any equipment sensitive to cyber attacks.
- 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. ; the insensitivity of the electromagnetic absorbance rate to the mechanical flexibility; thermal insulation to protect the human body against any warming effect of water molecules present in the biological tissue. ;
La description suivante de l'invention est structurée comme suit : The following description of the invention is structured as follows:
- Description de la conception et le choix du matériau du substrat - Description of the design and choice of substrate material
- l'absorbant méta«rnatériau flexible (AMF) - Flexible Meta-material absorbent (AMF)
«Description de l'étude numérique des AMF sous plusieurs modes d'excitation électromagnétique. "Description of the digital study of AMF under several modes of electromagnetic excitation.
- 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 : - The process of manufacture and the experimental results. Brief description of the figures: The remainder of the description will be made on the basis of the appended drawings which are given as a non-limitative indication and in which:
Figure 1 : motif élémentaire de la topologie de l'absorbant méta-matériau. Figure 1: elementary pattern of the topology of the absorbent meta-material.
Figure 2 : exemple d'une géométrie du résonateur unitaire à 4 éléments de motif élémentaire. Figure 2: Example of a geometry of the unitary resonator with 4 elements of elementary pattern.
Figure 3 : représente un schéma d'une cellule méta-matériau du nouvel absorbant. Figure 3: represents a diagram of a meta-material cell of the new absorbent.
Figure 4 : comparaison de l'absorption simulée pour les polarisations TE et TM pour les topologies planaires de l'absorbant Figure 4: comparison of the simulated absorption for the TE and TM polarizations for the planar topologies of the absorbent
Figure 5 : illustration de la stabilité du taux absorption pour différents angles d'incidence. Figure 5: Illustration of the stability of the absorption rate for different angles of incidence.
Figure 6 : schéma du montage de mesure d'absorption de la présente invention Figure 6: Absorption measurement fitting diagram of the present invention
Figure 7 : représente la courbe d'absorption mesurée pour une onde incidente polarisée TE. Figure 7: represents the measured absorption curve for a polarized incident wave 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) Figure 8: Sample of the invention printed by ink jet on a dielectric film of polyamide type such as Kapton (a network of 4x4 cells, marrying the shape of a man's arm)
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. According to a general aspect of the invention, the electromagnetic absorption device is used near the source of electromagnetic radiation, which The absorbent is particularly resonant at the frequency of the incident electromagnetic wave radiated by the antennas of the electromagnetic hazard source object. The orientation of the absorbent with respect to the electromagnetic source is not an operating condition since the absorbent is particularly insensitive to the polarization of the electromagnetic wave. According to the present invention, the absorption device, is a resonator based on the Meta-material technology, which resonator has a global dimension much smaller than the wavelength corresponding to the central frequency of the operating frequency band. the connected object. The absorbent Meta * material, consists of a new geometric topology made by an electrical conductor printed on a surface of a volume substrate of dielectric type, or magnetic or magneto-dielectric, on the other surface of the substrate, a conductor electrical is printed to form a ground plane. The topology of the resonator conductor is simultaneously symmetrical with respect to four axes belonging to the plane formed by the surface of the conductor, namely, the horizontal axis, the vertical axis and the diagonal axes.
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. The geometric topology consists of an elementary pattern having a shape close to and inspired by the letter "Y", which pattern consists of a base element (1) in the form of a rod or ribbon, perpendicular to a horizontal axis, on the upper end of this basic base element, there come two secondary elements (2), in the form of a rod or ribbon, positioned in a symmetrical manner forming, particularly between them, an angle of 90 °, the development of the secondary elements (2) starts from the upper part of the base element (1) upwards, on each upper end of the secondary elements (2), is positioned a third element (3), in the form of rod or ribbon, forming a 90 ° angle with the secondary element (2). The direction of development of this third element (3) is downward.
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). The basic pattern is thus reproduced in a circular manner with respect to the starting point of the base rod, the number of iterations is twice N, with N = 2. According to a non-limiting exemplary embodiment of the present invention, the basic topology of the absorbent is formed of four basic patterns (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. According to a particular aspect, the geometric development of the elements (1, 2, 3) constituting the resonator (5) is rectilinear and / or curved. This will allow better control of the electrical size of the resonator.
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. . According to a preferred embodiment, the flexible meta-material absorbent (AMF) proposed on the basis of the new resonant unitary structure is shown in FIG. 3. The top layer (S) consists of a set of four patterns of Diagonal metal base inspired by the letter "Y" in a concentric periodic geometric configuration. The lower layer (4) is a metal reflector. Finally, the two metal layers are separated by a film (6) of polyimide such as "KAPTON" which is used as a substrate separating the two metal layers. The polyimide film (Kapton) was chosen because of its properties of dielectric primitivity stability as a function of strong variation of the ambient temperature. Kapton also has a thermal insulation factor allowing it to isolate temperatures up to 350 °, finally Kapton is a mechanically flexible polyimide. .
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. For a non-limiting exemplary embodiment, we used a variant of "Kapton" having a very small thickness (50.8 μm), with a stable dielectric permittivity (in the vicinity of 3.5) over large temperature ranges between 65 ° C. and 350 * C. Hence, the Kapton film is very suitable for applications requiring flexibility. The complete absorbent is then produced by the periodic extension of the unit cell (FIG. 3) in both the x and y directions. One of the achievements of the unit cell was designed and studied with a finite element calculator using periodic boundary conditions.
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).
A far-field incident plane wave was used as the excitation source for a unit cell; The electric field was polarized along the X direction and the magnetic field along the Y axis. For a purely illustrative design, the geometrical parameters of the resonator were optimized to constrain the resonance frequency around 5 GHz as indicated in Figure 3, this frequency is widely used in communications standards such as WIFI and IOT connected object applications; The absorption capacity can be calculated according to formula (1), where, Α (ω), j S 21 (ω) | * and ISH (ω) | 2 are the absorption capacity, the transmitted power, and the reflected power, respectively, at an angular frequency (ω). Due to the support of the copper reflector, there is no transmitted power (| 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. FIG. 4 is the result of a comparison of the simulated absorption for the TE (Transverse Electric) and TM (Magnetic Transverse) polarizations for the planar topologies of the absorbent. Due to the symmetrical design of the resonator inspired by the "Y" tetrahon , the planar AMF structure is insensitive to polarization as shown in Figure 2. The maximum absorption is substantially the same for the TE and TM polarizations.
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. Figure 4 shows an almost ideal absorption peak near 98% at 5.23 GHz. In addition, it is interesting to note that the AMF has a high and stable absorption capacity for curved configurations for three different radii of curvature / flexion (r * 22 mm, r = 30 mm and r "35 mm) with only a slight frequency offset of 70MHz Being observed for curved configurations compared to the planar configuration.
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. Figure 5 illustrates the absorption rates for different angles of incidence. Full wave simulations were performed to verify the angular dispersion of absorbance for two different polarizations, TE (Figure 5 (a)) and TM (Figure 5 (b)). The angle of incidence varies from 0 ° to 75 °. For both TE and TM polarizations, the results show stable and high absorbance peaks approaching 98% at 5.2 GHz.
Exemple de réalisation: Example of realization:
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. For the demonstration of the concept, an ink jet prototype is realized in the form of a 4x4 matrix. As shown in FIG. 8, the conductive traces of AMF were printed on a Kapton polyimide film of 50.8 μm and DuPont r = 3.5 using EMD5730 silver nanoparticle ink. from Sun Chemical which contains 40% silver nanoparticles diffused in an ethanediol-based solvent. After printing, the AMF was cured on a hot plate at 120 ° C. for 10 minutes after a gradual temperature ramp of 30 ° C. at a rate of 360 ° C. per hour to dry the solvent in order to produce conductive traces. uniform printed.
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. The AMF absorption measurement circuit, shown in FIG. 6, consists of a vector network analyzer (7) of the Agitate type N5245A connected to two broadband horn type reference antennas (8) used as electromagnetic sources. . In this configuration, we only realized a TE polarization configuration with a wave initially incident on the AMF. The measurement must be carried out in an anechoic environment using anechoic absorbent panels (9); The two horn antennas are inclined at different angles from the normal direction to the surface plane of the AMF. The distance between the antennas must be chosen to eliminate any close-field coupling. Before measuring the response of the AMF absorbance, a calibration step must be performed by measuring the reflectance parameters of a reference metal reflector plane, which has the same dimensions as the AMF sample under test.
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. Figure 7 shows the measured absorption curve for a TE polarized incident wave to the AMF; The experimental results show a good agreement with the simulated absorption responses with nearly 70% measured absorption is obtained around 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.
The structure of the meta-material absorbent proposed in the present invention takes into account numerous design constraints for the protection of the human body against the risks of the electromagnetic field. The proposed AMF structure is particularly thin (50.8 μm) and has a high absorption peak (theoretically close to ideal) for all curved configurations studied. Digital investigation under full wave simulations demonstrates polarization-insensitive behavior for normal incidence. They also show very good absorption over a wide angle of incidence for the TE and TM polarizations. Prototypes made using inkjet printing technology show that the manufacture of additives could be a very promising way to manufacture ultra-thin and highly scalable compliant absorbents for the protection of the human body against risks. electromagnetic waves.
Claims
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 : 1. Device for protecting a biological body against the ionizing and thermal effects of electromagnetic radiation and equipment sensitive to electromagnetic attacks, which device is based on meta-material technology characterized in that it comprises :
- 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),an upper layer consisting of a set of resonators (5) having a network distribution, each resonator (5) is constituted from an elementary pattern having a shape close to the letter "Y", which pattern consists of a base element (1) in the form of a rod or ribbon, perpendicular to a horizontal axis, on the upper end of this basic base element, are two secondary elements (2), in the form of a rod or ribbon, positioned between in a symmetrical manner forming a particular angle of 90 ° between them, the development of the secondary elements (2) starts from the upper part of the base element (1) upwards, on each upper end of the secondary elements (2). ), is positioned a third element (3), in the form of rod or ribbon, forming an angle of 90 "with the secondary element (2), the direction of development of this third element (3) is downwards forming a angle of 90 * with the secondary rod (2), the basic pattern is thus reproduced in a circular manner with respect to the starting point of the base element (1) with a number of iterations equal to twice N, with N being an even number to form the symmetrical topoiogy of the resonator (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) an intermediate separation layer (6) made of a flexible and thermally insulating material in the form of a mechanically flexible ultra-thin film based on a dielectric or magnetic or magnetodielectric substrate, said layer (6) serving as support for the printing of the resonator network (5)
- une couche inférieure (4) métallique jouant le rôle de réflecteur. - A lower layer (4) metal acting as a reflector.
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. 2. Protective device according to claim 1, characterized in that the geometric development of the elements (1, 2,3) constituting the resonator (5) is rectilinear and / or curved.
3. Dispositif de protection selon la revendication 1, caractérisé en ce que le substrat (6) est à base d'un matériau polyimide, 3. Protective device according to claim 1, characterized in that the substrate (6) is based on a polyimide material,
4. Dispositif de protection selon la revendication 3, caractérisé en ce que le matériau polyimide est le « KAPTON ». 4. Protection device according to claim 3, characterized in that the polyimide material is "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. Protective device according to Claims 1 to 4, characterized in that the thickness of the substrate (6) is approximately 50.8 μm.
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.
6. Protection device according to claims 1 to 5, characterized in that the network of resonators (5) is obtained by inkjet printing using an ink based on silver nanoparticles diffused in a solvent.
7. Dispositif de protection selon les revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'il est insensible à la polarisation de l'onde incidente.
7. Avaibilities i tif protection according to claims 1 to 6, characterized in that it is insensitive to the polarization of the incident wave.
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|---|---|---|---|
| PCT/MA2017/000011 WO2018236202A1 (en) | 2017-04-28 | 2017-04-28 | Device for protecting the human body and equipment against electromagnetic radiation |
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