Étude et conception d’antennes à base de métasurfaces destinées aux applications spatiales et aéronautiques

Study and design of metasurface-based antennas for space and aeronautical applications

• Auteur / Autrice : Badr Eddine Ratni
• Direction : Shah Nawaz Burokur, André de Lustrac
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Electronique et Optoélectronique, Nano- et Microtechnologies
• Date : Soutenance le 29/09/2017
• Etablissement(s) : Université Paris-Saclay (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Electrical, optical, bio : physics and engineering (Orsay, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre de nanosciences et de nanotechnologies (Palaiseau, Essonne ; 2016-....) - Airbus Group Innovations - Centre national d'études spatiales (France)
• Partenaire(s) de recherche : Entreprise : ArianeGroup
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Université Paris-Sud (1970-2019)
• Jury : Président / Présidente : Xavier Begaud
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Shah Nawaz Burokur, André de Lustrac, Xavier Begaud, Christophe Delaveaud, Mauro Ettorre, Fabrice Boust, Divitha Seetharamdoo
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Christophe Delaveaud, Mauro Ettorre

Mots clés

Mots clés contrôlés

Métamatériaux

Mesures microondes

Fabry-Pérot, Interféromètres de

Cavités résonnantes (microondes)

Antennes (électronique)

Mots clés libres

Métasurface

Métamatériau

Antenne

Fabry-Perot

Réflecteur

Gradient d’indice

Metasurface

Metamaterial

Antenna

Fabry-Perot

Reflector

Gradient index

Résumé

Cette thèse a pour but de mettre en avant les récentes avancées dans le domaine des métasurfaces. Ces structures ont été utilisées dans le but d’améliorer les performances des antennes classiques ou de concevoir de nouveaux concepts d’antenne. Les travaux menés s’inscrivent dans le cadre d’une collaboration avec des partenaires industriels qui sont Airbus Safran Lunchers, Airbus Group Innovations et le CNES. La thèse est organisée en deux parties. La première partie est consacrée aux métasurfaces utilisées comme des surfaces partiellement réfléchissantes (SPR) pour concevoir des antennes à cavité Fabry-Perot. Un modèle analytique permettant de prédire le dépointage du faisceau d’antenne par une modulation de la phase sur la SPR a été développé. Ensuite, un nouveau concept de métasurface permettant de réaliser du dépointage de faisceau est proposé. Il consiste à appliquer un gradient de phase en faisant varier l’indice effectif le long du substrat diélectrique de la SPR. La deuxième partie de cette thèse est quant à elle consacrée à la conception d’une métasurface active permettant d’émuler plusieurs fonctions. Dans un premier temps, la métasurface est utilisée comme un réflecteur présentant une reconfigurabilité fréquentielle et angulaire. Ensuite cette métasurface est utilisée comme polariseur reconfigurable où une polarisation linéaire de l'onde incidente est convertie en polarisation circulaire. Enfin, la dernière étude concerne l’utilisation de la métasurface active pour la réalisation d’une antenne à réflecteur cylindro-parabolique et à réflecteur dièdre reconfigurables.

This thesis aims at highlighting recent advances in the field of metasurfaces. These structures have been used to improve the performances of conventional antennas or to design new antenna concepts. The work has been carried in the framework of a collaboration with industrial partners, namely Airbus Safran Launchers, Airbus Group Innovations and CNES. The manuscript is organized into two parts. The first part is devoted to metasurfaces used as partially reflecting surfaces (PRS) to design Fabry-Perot cavity antennas. In this part, an analytical model allowing to predict the beam steering angle by a phase modulation along the PRS is developed. Then, a new concept of metasurface allowing to steer the main antenna beam is proposed. It consists in applying a phase gradient by varying the effective index of the substrate that constitutes the PRS. The second part of this thesis is devoted to the design of an active metasurface that allows emulating different functionalities. First, the metasurface is utilized as a reflector with frequency and steering reconfigurability characteristics. Then, this metasurface is used as a reconfigurable polarizer where linearly polarized incident waves are converted into circularly polarized ones. Finally, the last study concerns the use of the active metasurface for the design of reconfigurablecylindro-parabolic and corner reflector antennas.