Métasurfaces éparses pour la furtivité électromagnétique et les systèmes antennaires reconfigurables

Sparse Metasurfaces for Electromagnetic Stealth and Reconfigurable Antenna Systems

• Auteur / Autrice : François Villamizar vaimbois
• Direction : André Barka, Cédric Martel
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Electromagnétisme et Systèmes Haute Fréquence
• Date : Soutenance le 23/11/2023
• Etablissement(s) : Toulouse, ISAE
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Génie électrique, électronique, télécommunications et santé : du système au nanosystème (Toulouse ; 1999-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Équipe d'accueil doctoral Optronique, laser, imagerie physique, environnement Spatial (Toulouse, Haute-Garonne)
• Jury : Président / Présidente : Nathalie Raveu
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : André Barka, Cédric Martel, Robert Staraj, Xavier Begaud, Uladzislau Papou, Shah Nawaz Burokur, Guido Valerio
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Robert Staraj, Xavier Begaud

Mots clés

Mots clés contrôlés

Radar

Électromagnétisme

Micro-ondes

Métasurfaces

Métamatériaux

Mots clés libres

Métamatériaux accordables

Antennes multifonctions

Métasurfaces

Microondes

Signature électromagnétique

Réduction de surface équivalente radar

Tuneable metamaterials

Multifunctional antennas

Microwaves

Metasurfaces

Radar cross-Section reductions

Electromagnetic signature

Résumé

Les métamatériaux sont des matériaux artificiels composés d’éléments plus petits que la longueur d’onde. Les métasurfaces sont une version 2D des métamatériaux ayant une très faible épaisseur. Une sélection appropriée des éléments constitutifs, permet le contrôle du front d’onde réfléchi et/ou transmis, conduisant ainsi à des structures aux propriétés électromagnétiques uniques et au développement de nouvelles fonctionnalités. Par ailleurs, on assiste à une forte demande en miniaturisation et de diminution des coûts des systèmes antennaires pour petits porteurs, tels que les aéronefs et les drones. Les métasurfaces, dont diverses déclinaisons ont vu le jour, répondent en principe à ce besoin. Toutefois, les premières versions accordables souffraient d’une faible efficacité de rayonnement. En effet, les métasurfaces classiques reposent d’une part, sur une densité élevée d’éléments qui requiert en conséquence un nombre élevé de composants électroniques. D’autre part, leur modélisation se fait à l’aide d’impédances de surfaces, qui limite le contrôle du front d’onde.En 2017, Y. Ra’di a proposé un nouveau concept de métasurfaces basé sur la théorie des réseaux diffractants : les métaréseaux. Les éléments qui les composent, modélisés par des fils infinitésimaux, sont séparés d’une distance de l’ordre de la longueur d’onde (typiquement λ/2), contrairement aux métasurfaces denses, pour lesquelles cette distance est de l’ordre de λ/10. Le nombre d’éléments à piloter au sein d’un métaréseau est ainsi drastiquement réduit. De plus, comme les métaréseaux sont des structures périodiques, s’étendant théoriquement à l’infini, leur conception à l’aide d’un solver numérique est peu gourmande en ressources informatiques. La synthèse de métaréseaux se repose notamment sur une approche par analyse modale ; les interférences constructives et destructives des modes de diffractions permettent de rediriger l’énergie dans des modes désirés. En revanche, ils sont limités à des surfaces planes, périodiques et illuminées par des ondes planes.Dans des travaux récents, V. Popov et al. ont introduit des métasurfaces dites éparses (toujours à faible densité) qui reprennent la structure des métaréseaux en s’affranchissant des limitations évoquées précédemment. La conception repose sur un calcul numérique des fonctions de Green associées aux fils, en nombre fini, qui composent la métasurface éparse. Comme la distance inter-éléments reste de l’ordre de la longueur d’onde, le terme éparse est donc employé afin de les distinguer des métasurfaces classiques denses. Les métasurfaces éparses ne sont plus assujetties à une illumination par onde plane et peuvent donc être illuminées par une source au front d’onde arbitraire. Bien que cette nouvelle famille de métasurfaces comble le fossé entre métaréseaux et métasurfaces denses, jusqu’ici, peu d’applications exploitent ce nouveau concept.Les travaux de cette thèse consistent à proposer des évolutions aux bases théoriques existantes et à proposer de nouvelles structures permettant un contrôle dynamique du champ électromagnétique à bas coût. Les applications visées pour nos métasurfaces éparses sont multiples. Dans un premier temps, nous visons une application de furtivité électromagnétique en concevant des métasurfaces éparses capables de réduire le champ rétrodiffusé par des cylindres métalliques. Nous nous écartons par la suite de la furtivité en cherchant à développer des systèmes antennaires électroniquement reconfigurables. Alors que le premier système antennaire proposé fonctionne en réflexion et permet le dépointage de faisceaux pour les deux polarisations linéaires, le second système, plus compact, fonctionne en transmission. Plus particulièrement, nous développons une antenne à cavité reconfigurable. Tout au long de l’étude, nous exploitons l’un des avantages majeurs des métasurfaces éparses qui est la facilité d’intégration d’éléments actifs afin de rendre la métasurface reconfigurable.

Metamaterials are artificial materials composed of elements smaller than the wavelength. Metasurfaces are a 2D version of metamaterials with a very thin thickness. A judicious selection of the constitutive elements allows controlling the reflected and / or transmitted wavefront, thus, leading to unique electromagnetic properties and the development of new functionalities. Furthermore, there is a strong demand for miniaturization and cost reduction of antenna systems for small carriers, such as aircrafts and drones. Metasurfaces, of which several different variations have emerged, respond in principle to this need. However, the first tunable versions suffered from low radiation efficiency. Indeed, classical metasurfaces are based on one hand, on high-density elements, which consequently requires a high number of electronic components. On the other hand, they are modelled using surface impedances, which limit the control of wavefronts.In 2017, Y. Ra'di proposed a new concept of metasurface based on the theory of diffraction gratings: metagratings. The elements composing them, modeled by infinitesimal wires, are separated by a distance of the order of the wavelength (typically λ/2), unlike dense metasurfaces for which this distance is of the order of λ/10. The number of elements to be controlled within a metagrating is drastically reduced. Moreover, metagratings are periodic structures, which theoretically extend to infinity; their design using a numerical solver is therefore not computationally intensive. The synthesis of metagratings is based on a modal analysis approach, where constructive and destructive interferences of the diffraction modes allow redirecting energy in desired modes. However, they are limited to planar surfaces, periodic and illuminated by plane waves.In recent works, V. Popov et al. have introduced the so-called sparse metasurfaces (still with low density) that are based upon metagratings but overcoming the limitations mentioned above. The design is based on a numerical calculation of the Green's functions associated with the wires, in finite number, that compose the sparse metasurface. As the inter-element distance remains of the order of the operating wavelength, the term sparse is therefore used to distinguish them from classical dense metasurfaces. Sparse metasurfaces are no longer subjected to plane wave illumination and can therefore be illuminated by any arbitrary wavefront source. Although this new family of metasurfaces bridges the gap between metagratings and dense metasurfaces, few applications exploit this new concept so far.The works of this thesis consist in proposing evolutions to the existing theoretical fundamentals and to design new structures allowing a dynamic control of the electromagnetic field at low cost. Multiple applications are targeted for our sparse metasurfaces. As a first step, we aim for an electromagnetic stealth application by conceiving sparse metasurfaces capable of reducing the field backscattered by metal cylinders. We then moved away from the stealth domain by seeking to develop electronically reconfigurable antenna systems. While the first proposed antenna system operates in a reflection mode and allows beam pointing for both linear polarizations, the second system, more compact, operates in a transmission mode. In particular, we develop a reconfigurable cavity antenna. Throughout the study, we exploit one of the major advantages of sparse metasurfaces, which is the ease of integrating active elements in order to make the metasurface reconfigurable.