Thème 4 : Nouveaux matériaux, modélisation électromagnétique et applications

  • Méta-matériaux
  • Antennes intelligentes, Antennes à réseau réflecteur
  • Outil de simulation numérique : SR3D

marcio

1.1       Nouveaux matériaux

L’utilisation en RF de ces nouveaux matériaux permet d’accéder à de nouvelles propriétés physiques qui impactent le mode rayonnement des structures et qui étendent le champ des possibles. La maitrise de ces nouvelles technologies passe par de l’expérimentation et par  la mise au point de nouveaux modèles numériques :

  • Le terme de métamatériaux est utilisé au sens large pour décrire des structures périodiques ou non, diélectriques ou conductrices, à l’intérieur duquel la propagation des ondes est impossible ou autorisée suivant la longueur d’onde. Lorsqu’elle est impossible dans une certaine bande de fréquences, on parle de bande interdite. Ceci fournit une technique efficace pour supprimer les ondes de surface et les harmoniques supérieurs. L’utilisation de métamatériaux dans les antennes offre des avantages remarquables par rapport aux antennes conventionnelles: amélioration des diagrammes de rayonnement, de l’efficacité, de la largeur de bande, voire même diminution de la taille de l’antenne.  On peut en outre, grâce à ces structures, synthétiser artificiellement des conducteurs magnétiques artificiels (PMC) qui permettent de développer des capteurs d’épaisseur extrêmement réduite. On a montré récemment que l’utilisation judicieuse de ces matériaux autorise aussi la réduction de  la taille des plans de sol tout en augmentant leur isolation par rapport au corps (projet METAVEST).
  • La mise au point récente de nouveaux matériaux magnétiques a mis en évidence des rayonnements radio 3D de type « vortex». Ces matériaux pourraient permettre de développer une nouvelle technologie d’antennes associées à des modes de propagation OAM (Orbital Angular Momentum). Il est crucial de savoir si la maîtrise de ces modes va permettre de multiplier le débit utile par le nombre de modes OAM utilisés dans une même bande de fréquence ce qui créerait un véritable « eldorado » pour la gestion du spectre radio. Une étude théorique approfondie reste nécessaire pour étudier leur propagation (LOS, NLOS). On pourra alors savoir si il est réellement possible de considérer ces modes comme une nouvelle dimension de modulation ce qui constituerait une réelle rupture technologique ou bien si ils peuvent simplement apporter de nouvelles techniques de modulation plus efficaces ou bien mieux adaptées à certains types d’environnement.
  • L’apparition des nanostructures apporte de nouvelles perspectives pour la conception de nouvelles générations d’antennes. L’utilisation Les nanotubes de carbone, dont les propriétés électriques dépendent de la courbure, ont une conductivité très élevée et induisent des vitesses de propagation très lente extrêmement favorable pour concevoir des antennes très miniaturisées. Par contre la maîtrise d’une impédance d’entrée très élevée nécessite des études spécifiques.
  • Par ailleurs la mise en œuvre de résonances plasmoniques dans des nano-objets métalliques comme des sphères ou des anneaux montre la possibilité de faire absorber par ces structures les ondes EM dans la bande de l’infrarouge en fonction des caractéristiques du métal et du substrat/milieu (diélectrique ou semi-conducteur). Un champ d’application très intéressant  dans le cadre de nos contributions au développement durable (GREEN) concerne l’association de ces nanoparticules avec des cellules photovoltaïques pour accroitre leur rendement par absorption du spectre l’IR.

Les partenaires académiques de l’UNS (université de Barcelone et Université d’Arkansas) ont une expertise reconnue dans ces domaines  ce qui permet d’envisager des collaborations très fructueuses.

1.2       Antennes intelligentes, Antennes à réseau réflecteur

L’évolution des terminaux vers les applications multiservices et multifonctions s’accompagne d’une haute intégration et de ce point de vue, l’antenne partie intégrante du terminal, devra suivre les évolutions technologiques vers cette haute intégration. Elle devra être capable de s’adapter instantanément aux sollicitations du système et à l’environnement électromagnétique. On tend en particulier vers des « peaux intelligentes »: disparition progressive des composants HF actifs et passifs localisés entre les capteurs et les DSP pour des fonctions de conversion réparties, par analogie, avec la peau humaine capable de transmettre au cerveau toutes les données nécessaires à notre perception instantanée du milieu ambiant. On comprend donc que l’apparition de ces nouvelles structures EBG (Electromagnetic Band Gap)/BIE (Bande Interdite Electromagnétique), métamatériaux, nouveaux capteurs (biocapteurs, nanocapteurs) fait partie des éléments clés à prendre en compte dans cette étude. Dans le domaine des réseaux maillés, réseaux à reconfiguration de pannes,  radars dédiés à la sécurité, la fonction de reconfigurabilité des antennes à forte directivités est un challenge à relever.

Les technologies pour réaliser les fonctions de reconfigurabilité sont variées et peuvent être mise en œuvre quelque soient les applications visées. L’aspect commandable des antennes grâce à l’utilisation de matériaux pilotés en tension est particulièrement intéressant pour augmenter les fonctionnalités de réseau antennaire (reflectarray): insertion de balayage électronique, changement de fréquence, bref, l’accès aux antennes intelligentes. On étudiera en particulier l’impact de la montée en fréquence (bandes Ku, Ka puis W).

1.3       Outil de simulation numérique SR3D

Ces nouvelles structures amènent des problèmes nouveaux à résoudre sur le plan de la modélisation EM en particulier liés à la miniaturisation et à la taille de leurs détails vis-à-vis de la longueur d’onde. Aussi au niveau de la simulation numérique, les sous-thématiques développées porteront sur:

  • Simulation numérique de structures rayonnantes en régime harmonique
    • Extensions des fonctionnalités du logiciel SR3D
    • Mise en œuvre et applications de la dérivation des équations de SR3D par rapport à la fréquence et aux caractéristiques des matériaux
    • Extensions des fonctionnalités du logiciel SRMC
    • Etudes théoriques
  • Modélisation de structures en régime temporel
    • Méthode des domaines fictifs sur le schéma Galerkin discontinu
    • Correspondances entre Galerkin discontinu et TLM à nœuds condensés
  • Simulation numérique spatio-temporelle par la méthode TLM
  • Optimisation et problèmes inverses
    • Gradient de forme : développements théoriques
    • Méthode Level-Set 2D
    • Méthode Level-Set 3D
    • Détermination de la phase à partir de mesures d’amplitude, application aux mesures champ proche sans phase.
    • Optimisation des géométries d’antennes réseaux avec contrôle des lobes de périodicités.

Centre de REcherche Mutualisé sur les ANTennes