Métasurfaces fonctionelles contrôlées par cristaux liquides

Functional metasurfaces controlled by Liquid crystals

• Auteur / Autrice : Racha Chamseddine
• Direction : Didier Lippens, Christian Legrand
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Electronique, microélectronique, nanoélectronique et micro-ondes
• Date : Soutenance le 16/12/2021
• Etablissement(s) : Université de Lille (2018-2021)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de l’ingénierie et des systèmes (Lille ; 2021-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut d'Electronique, de Microélectronique et de Nanotechnologie
• Jury : Président / Présidente : Gabriel Vélu
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Claire Meyer, Patrick Ropa
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Laurent Dupont, Gérard Tanné

Mots clés

Mots clés contrôlés

Mesures diélectriques

Matrice S, Théorie de la

Ondes électromagnétiques -- Diffusion

Micro-ondes

Cristaux liquides

Surfaces

Métamatériaux

Mots clés libres

Anisotropie diélectrique

Métasurfaces accordables

5G

Liquid Crystals

Microwave

Meta-surfaces

Résumé

Le but principal de cette thèse a été de contrôler dynamiquement la réflectivité d’une métasurface par cristaux liquides. Les métasurfaces, dont les propriétés électromagnétiques sont contrôlées électriquement par l’orientation des molécules LC, fonctionnent en réflexion et présentent un très fort contraste entre une absorption quasi-totale et un faible niveau de réflexion, dans le but de réaliser un modulateur d’amplitude. Des réseaux périodiques de type ‘patchs’ ont été optimisés par simulation numérique de type ‘ full wave’ et à l’aide d’une approche analytique de type lignes de transmission. Leurs propriétés électromagnétiques ont ensuite été validées expérimentalement par des mesures de spectres de réflectivité, sans ou avec tension de commande, dans la bande 26-40 GHz. Un décalage fréquentiel de la fréquence de résonance du réseau de plus de 5.8 GHz, correspondant à une agilité en fréquence de 17 %, à l’origine d’un contraste de plus de 30 dB, a ainsi pu être démontré par l’infiltration d’un cristal liquide de forte anisotropie avec des valeurs de permittivité longitudinale de 4 et transversale de 2. 6.Pour le travail de conception, une attention particulière a été portée à la condition de résonance des réseaux qui dépend principalement de la dimension latérale des patchs et à celle de couplage critique qui correspond à l’égalité des coefficients de radiation et de dissipation. Au plan expérimental, deux contributions essentielles ont été apportées avec d’une part la caractérisation des propriétés diélectriques des LC dans la bande 26-40 GHz à l’aide d’une cellule guides d’onde, les cristaux liquides étant orientés sous champ magnétique et la mise en œuvre d’un banc bi-statique de mesure en espace libre des paramètres de la matrice de répartition dans cette même bande.L’ingénierie de phase par le contrôle de l’argument du coefficient complexe ainsi que l’introduction de variations locales grâce à des métasurfaces pixélisées, en vue de contrôler en temps réel les diagrammes de rayonnement, à l’aide de métasurfaces, constituent les prochaines étapes de ce travail.

The main goal of this thesis was to dynamically control the reflectivity of a metasurface using LC technologies. The metasurfaces, tunable by voltage-controlled LC orientation, operate in a reflect-array mode and exhibit a high contrast ratio between quasi total absorption and low reflection, aiming the realization of an amplitude modulator. Square patch periodic arrays were first designed by full wave numerical analysis and analytical transmission line approach and then experimentally assessed by reflectance measurements, with and without control voltage in the 26-40 GHz frequency band. A frequency shift of more than 5.8 GHz (17 %) yielding a reflectivity ratio of ~30 dB was obtained when using a high anisotropy LC compound with an ordinary permittivity value of 4 (orientation resulting from a rubbed PVA alignment layer ) or when a quasi-static electric field resulting from a low bias applied voltage (Vsat< 5 V) aligns the molecule in the longitudinal direction with an extra-ordinary permittivity value of 2.6.From the design point of view, special attention was paid one on the array resonant frequency that depends mainly on the lateral dimensions of the patch and on the critical coupling condition for impedance matching corresponding to the equality of the radiative and dissipative quality factors. From the experimental side, two essential contributions were brought by implementing hollow metal waveguide measurements of the LC dielectric properties with magnetic field orientation and free space set ups in a bi-static configuration for the measurements of the complex valued scattering parameter both in the Ka band.It is believed that the engineering of the phase of the reflection coefficient of the metasurfaces would be the next development stage targeting the real time manipulation of the Electro-Magnetic wave front. The second innovative route would be to develop pixelated metasurface with local variations of the reflection coefficient targeting the engineering of radiation patterns.