Conception et optimisation d'antennes à métasurface pour des applications satcom et communications spatiales

Efficient design of metasurface antennas for satellite and satcom applications

• Auteur / Autrice : Alejandro Arroyo
• Direction : Massimiliano Casaletti, Hélène Roussel
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie électrique, électronique, photonique et systèmes
• Date : Soutenance le 12/12/2022
• Etablissement(s) : Sorbonne université
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences mécaniques, acoustique, électronique et robotique de Paris (2000-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Génie électrique et électronique de Paris (Gif-sur-Yvette, Essonne ; 1998-....)
• Jury : Président / Présidente : Guido Valerio
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Xavier Begaud, Jérôme Sokoloff, Romain Contreres

Mots clés

Mots clés contrôlés

Satellites artificiels dans les télécommunications

Ondes électromagnétiques -- Propagation

Métamatériaux

Antennes (électronique)

Mots clés libres

Antennes

Métasurface

Communication spatiale

Onde de fuite

Bande K

Onde de surface

Antenna

Metasurface

Satcom

Leaky-wave

K-band

Surface-wave

Résumé

Le XXIème siècle est devenu l'ère la plus exigeante en termes d'information. Dans ce contexte, les télécommunications satellitaires doivent constamment s'adapter pour devenir plus performantes et être en mesure de fournir une grande quantité d'informations via la propagation des ondes électromagnétique de la manière la plus optimale. En effet, la conception d'antennes pouvant focaliser le rayonnement (ou bien suivre les trajectoires des systèmes communicants) avec une très bonne efficacité, sans beaucoup de pertes et pour un faible coût, fait l’objet d’une demande de la part des opérateurs dans beaucoup de laboratoires à travers le monde. Les antennes à métasurface tensorielle modulées s'avèrent une solution potentielle à ces demandes technologiques. Ces antennes sont basées sur l’utilisation de surfaces sur lesquelles sont imprimées des motifs de type métamatériaux. Ces antennes par leur souplesse de conception donnent la possibilité de contrôler le rayonnement grâce au design des éléments unitaires composant la métasurface. Une antenne à ouverture est réalisée de façon à favoriser la transformation d’une onde de surface en onde de fuite. Pour cela, l’antenne est alimentée de façon à exciter des ondes de surfaces qui se propageront à l’interface entre un substrat diélectrique et l’air. Ces ondes de surface excitées induiront des courants surfaciques sur les éléments de la métasurface, qui sont « vus » par ces ondes surfaciques comme une impédance à valeurs variables dépendant de la géométrie et de la périodicité des motifs. Pour fonctionner, ce principe requiert une modulation spatiale sinusoïdale de la surface. Si certaines conditions limites sont satisfaites, l’antenne rayonne dans une direction fixée. Ces conditions sont déterminées grâce à la technique de l’holographie, qui établit une relation entre les propriétés électromagnétiques de l’onde de surface (phase) et celles de l’onde de fuite (onde souhaitée). Des résultats intéressants de recherche ont été obtenus dans les dernières années en suivant ce design d'antenne. Quelques optimizations sont encore nécessaires pour améliorer ces antennes à métasurface. Cette thèse s’inscrit dans ce projet de recherche, et trois propriétés seront investiguées: • L’efficacité en puissance de l'alimentation • La polarisation • L’élargissement de la bande fréquentielle. On évoquera les raisons pour lesquelles ces propriétés sont importantes et l’on présentera, pour chacun de ces problèmes, une solution. Cette solution sera étudiée en détail, modélisée et expérimentalement testée/validée.

The XXI century has become the most information-consuming/demanding society era. In this context, satellites’ communications must develop more accurate and new technologies capable to provide a huge amount of electromagnetic energy to citizens in an optimum way. Indeed, conceiving antennas that can focus on a determined target (and even follow this target) with a high-efficiency gain, not many losses, and a low-cost profile, is still a challenging area of research among many scientific laboratories in the world. Modulated tensorial metasurface antennas are an interesting solution to these technological requirements. They are based on metamaterials, which provide the possibility to control the desired aperture beam by manipulating their unit cell elements components. An aperture antenna (a desired radiated beam with some technical criteria such as high gain or large bandwidth) is achieved following the physical mechanism of surface wave / leaky wave transformation: whenever the antenna is switched on, surface waves will be appear at the interface. These excited surface waves will be traveling through the substrate medium, interacting with the elements composing the metasurface. These elements will possess different impedances, which depends on the geometry design. This principle requires modulation of the metasurface to 'convert' the surface wave into a desired leaky wave. This is achieved by placing a sinusoidally-modulated surface on the top of a grounded dielectric (patch-like support). If certain electromagnetic conditions are satisfied, leaky waves could be generated and a beam will be radiated away from the surface. Applying holographic techniques, a relation between the phase of the desired radiated field distribution and the phase of the incident surface waves can be established. Interesting results have been achieved following this design procedure. Some improvements in the design process are still required. Metasurface antennas need to achieve greater frequency bandwidth and more stable radiated beams. This thesis is a continuation of the research conducted at L2E/GeePs (Centralesupelec). Three main features will be reviewed: • Power efficiency • Polarization • Bandwidth. Issues concerning these properties will be explained, and for one of each, a solution will be proposed, investigated, tested, and validated.