Conformal and reconfigurable sparse metasurfaces : advanced analytical models and antenna applications

par Uladzislau Papou

Thèse de doctorat en Génie électrique

Sous la direction de Fabrice Boust.

Soutenue le 16-07-2020

à université Paris-Saclay , dans le cadre de École doctorale Electrical, optical, bio-physics and engineering , en partenariat avec SONDRA (Gif-sur-Yvette, Essonne ; 2004-....) (laboratoire) et de CentraleSupélec (référent) .

Le président du jury était Julien de Rosny.

Le jury était composé de Mauro Ettorre, Stefan Enoch, Shah Nawaz Burokur, Stefano Maci, André de Lustrac, Patrice Genevet.

Les rapporteurs étaient Mauro Ettorre, Stefan Enoch.

  • Titre traduit

    Métasurfaces éparses conformes et reconfigurables : modèles analytiques avancés et applications antennaires


  • Résumé

    Cette thèse de doctorat traite des métasurfaces constituées de diffuseurs sub-longueur d’onde conçus pour contrôler les fronts d’ondes électromagnétiques. Elle introduit des modèles analytiques et numériques inédits qui résolvent le problème de diffusion inverse en tenant compte des interactions entre éléments de la métasurface. Le manuscrit se concentre plus particulièrement sur des réseaux, périodiques ou non, de fils structurés, permettant la réalisation d’antennes reconfigurables électroniquement. Le manuscrit est divisé en deux grandes parties, l’une sur des arrangements périodiques de fils appelés métaréseaux et l’autre sur des métasurfaces éparses sans caractère périodique. Dans les deux cas, des réalisations expérimentales dans le domaine microondes viennent appuyer les développements théoriques. Dans la première partie, les conditions théoriques conduisant à un contrôle total des ordres de diffraction rayonnés par des métaréseaux, dont la période est composée de plusieurs fils structurés individuellement, sont établies et l’importance du contrôle du champ proche est alors soulignée. Par ailleurs, une expression analytique des paramètres effectifs des fils, s’appuyant sur une simulation numérique, a également été établie. Il devient ainsi possible d’exploiter des géométries quelconques pour des métaréseaux fonctionnant dans les domaines allant des microondes à l’optique. Dans la deuxième partie de la thèse, le modèle analytique des métaréseaux, réservé aux distributions périodiques planes, est généralisé aux distributions non périodiques de fils disposés sur des surfaces quelconques en s’appuyant sur le calcul de la fonction de Green. Ce concept est appliqué à des métasurfaces éparses intervenant dans une cavité Fabry-Perot ou dans une antenne semi-cylindrique. Enfin, la démarche est utilisée pour concevoir une métasurface éparse plane reconfigurable. Un prototype a été réalisé et utilisé pour démontrer expérimentalement le contrôle dynamique de l’onde, en champ lointain et en champ proche, via des applications telles que le dépointage de faisceau, la création de faisceaux multiples ou encore la focalisation au-delà de la limite de diffraction.


  • Résumé

    This PhD thesis deals with electromagnetic metasurfaces for wavefront manipulation represented by arrays of scatterers engineered at subwavelength scale. The manuscript develops novel analytical and numerical models that allow one to solve the inverse scattering problem by taking into account all interactions between elements of a metasurface. Specifically, the manuscript focuses on sparse arrays, periodic or not, of structured wires for the application to electronically reconfigurable antennas. The manuscript is divided into two main parts, one on periodic arrangements of wires called metagratings and one on sparse metasurfaces when there is no periodicity imposed. Each part is endorsed by experiments performed at microwave frequencies. In the first part, theoretical conditions for arbitrary control of the diffraction patterns with metagratings, whose period is composed of multiple individually-engineered wires, are established and importance of the near-field regulation is highlighted. Moreover, an analytical retrieval technique is developed and allows one to consider, with the help of full-wave simulations, arbitrarily structured wires for metagratings operating from microwave to optical domains. In the second part of the thesis, the analytical model of metagratings is generalized, from planar periodic, to arbitrarily-shaped non-periodic distributions of wires by means of numerical calculation of a Green’s function. The concept is applied to design sparse metasurfaces in Fabry-Perot cavity and semi-cylindrical antenna configurations. Finally, the approach is applied to design a reconfigurable planar sparse metasurface. A fabricated sample is exploited to experimentally demonstrate dynamic control of the far-field radiation pattern and the near-field intensity distribution. As such beam-steering, multi-beam manipulation and subdiffraction focusing are shown.


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