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NOTE DE L'ÉDITEUR
Cet article est la version actualisée de l’article E1000 intitulé « Introduction aux hyperfréquences », rédigé par François Gautier et paru en 2005.
RÉSUMÉ
Après un rappel des paramètres clés du domaine hyperfréquence, cet article a pour objectifs d’extraire les grandes tendances et les ruptures technologiques apparues depuis 2010 dans le domaine des hyperfréquences. Ces deux aspects sont associées principalement à l’émergence de plusieurs champs de recherche et développement structurants, à savoir, l’émergence des nanotechnologies et des nanomatériaux tels que les matériaux mono- et bi-dimensionnels, la réalisation de métamatériaux, l’émergence de l’électronique de spin dans le domaine hyperfréquence, la maturité des matériaux supraconducteurs, la montée en fréquences vers le domaine du Térahertz et le domaine de la modélisation multi-échelle et multi-physique.
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Jean CHAZELAS : Ex-directeur scientifique Thales Defense Mission Systems - Société ULTIMETAS - Paris, France - - Cet article est la version actualisée de l’article [E 1 000] intitulé « Introduction aux hyperfréquences », rédigé par François Gautier et paru en 2005.
INTRODUCTION
Il est généralement admis que le domaine des ondes hyperfréquences, encore appelées micro-ondes, couvre à une certaine partie du spectre des ondes électromagnétiques (EM), celle des ondes submétriques jusqu’aux ondes millimétriques, voire submillimétriques, et correspond aux bandes de fréquence de 100 MHz à 1 000 GHz, soit de 3 m à 0,3 mm.
Cependant, il est possible d'établir une autre ligne de partage avec les autres domaines de l’électronique en considérant que les conceptions et les modélisations de circuits relèvent du domaine des hyperfréquences lorsque les phénomènes de propagation et de rayonnement sont pris explicitement en compte, ce qui n’est en général pas le cas dans les autres domaines de l’électronique. Il n’y a donc pas en fait de frontière fixe entre ces domaines, l’importance de ces deux phénomènes de propagation et de rayonnement par rapport au fonctionnement du dispositif ou du système en étude servant en pratique de critère pour se placer dans le domaine des hyperfréquences ou non.
Aux fréquences plus basses, les outils d’analyse et de conception applicables au rayonnement et à la propagation sont analogues à ceux du domaine des hyperfréquences, mais s’en distinguent souvent par des spécialisations d’applications. Aux fréquences plus élevées, qui ressortent du domaine des infrarouges puis des ondes visibles, les outils de l’optique sont le plus souvent bien adaptés.
Cet article présente les principaux champs de recherche structurant l’évolution très importante du domaine des hyperfréquences, à savoir la synthèse de nouveaux nanomatériaux accompagnée de la conception et de la réalisation de matériaux électromagnétiques artificiels et l’émergence des nanotechnologies.
L'émergence des nanotechnologies a permis de redécouvrir le domaine de la supraconductivité (nouvelles fonctions issues de la réalisation de jonctions Josephson utilisant des supraconducteurs à haute température critique) et le domaine de l’optoélectronique hyperfréquence.
Le dernier paragraphe est consacré à l’identification des principales applications de ces technologies dans les domaines des composants et systèmes.
Le lecteur trouvera en fin d'article un glossaire des termes utilisés.
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VERSIONS
- Version archivée 1 de juin 1985 par André DANZIN
- Version archivée 2 de nov. 2005 par François GAUTIER
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1. Terminologie
Une onde électromagnétique est caractérisée par :
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la description à tout instant de l’amplitude et de l’orientation des champs électrique E et magnétique H la constituant. Le rapport des composantes transversales à la direction de propagation E T/H T est l’impédance d’onde transverse Z T. L’orientation du champ électrique définit la polarisation ;
-
sa fréquence f (en Hz ou ses multiples) ;
-
sa vitesse de propagation v. Dans le vide, elle est égale à celle de la lumière, soit c = 2,997.108 m.s−1 ; dans un milieu quelconque v = c/n où n est l’indice du milieu dépendant généralement de la fréquence. La longueur d’onde est λ (en m) = v/f ;
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sa direction, définie par les cosinus directeurs du vecteur d’onde, vecteur k de module égal à 2π/λ, perpendiculaire localement à la surface d’onde ;
-
le trièdre direct E, H, k.
Une onde se propageant dans un « espace libre », c’est-à-dire suffisamment loin de tout obstacle ou de toute discontinuité des caractéristiques du milieu de propagation, est assimilable localement à une onde plane où les champs électrique et magnétique sont purement transversaux à la direction de propagation. Dans le vide par exemple, l’impédance d’onde vaut alors 120 πΩ, soit 377 Ω.
On utilise les désignations indiquées dans le tableau 1.
Le consensus général est que les bandes UHF, SHF et EHF constituent le domaine des hyperfréquences, les bandes SHF et EHF étant subdivisées (norme IEEE 521-2019) (tableau 2).
1820 : Oersted pose les bases de l’électrodynamisme. À sa suite, F. Arago et surtout A.M. Ampère développent les modèles décrivant les relations entre champs électrique et magnétique.
1832 : M. Faraday met en évidence l’induction électromagnétique.
1864 : J.C. Maxwell présente sa théorie des ondes électromagnétiques,...
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Terminologie
BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - IIJIMA (S.), ICHIHASHI (T.) - Single-shell carbon nanotubes of 1-nm diameter. - Nature, vol. 363, p. 603-605 (1993).
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(2) - BETHUNE (D.S.), KLANG (C.H.), DE VRIES (M.S.) et al - Cobalt catalysed growth of carbon nanotubes with single-atomic-layer walls. - Nature, vol. 363, p. 605-607 (1993).
-
(3) - GEIM (A.K.), NOVOSELOV (K.S.) - The rise of graphene. - Nanoscience and technology : a collection of reviews from nature journals, p. 11-19.
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(4) - PENDRY (J.B.) - Negative refraction makes a perfect lens. - Physical review letters 85 (18), p. 3966 (2000).
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(5) - SCHURIG (D.), MOCK (J.J.), JUSTICE (B.J.), CUMMER (S.A.), PENDRY (J.B.), STARR (A.F.), SMITH (D.R.) - Metamaterial electromagnetic cloak at microwave frequencies. - Science 314 (5801), p. 977-980 (2006).
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(6)...
DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
NORMES
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Projet de désignation des lettres standard pour les bandes de fréquences radar. - IEEE 521 - 2019
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