Caractérisation et optimisation de structures guidées micro-onde à paroi métamatériau par une méthode de raccordement modal semi-analytique

Microwave structures based on waveguides with metamaterial walls : Characterization and optimization using a semi-analytical mode-matching method

• Auteur / Autrice : Ayoub Bellouch
• Direction : Nathalie Raveu
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Electromagnétisme et Systèmes Haute Fréquence
• Date : Soutenance le 04/07/2023
• Etablissement(s) : Toulouse, INPT
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Génie électrique, électronique, télécommunications et santé : du système au nanosystème (Toulouse ; 1999-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Plasma et Conversion d'Energie (Toulouse ; 2007-....)
• Jury : Président / Présidente : Tân-Phu Vuong
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Éric Lheurette, Frédéric Messine, Guido Valerio, Priscillia Daquin, Julien Hillairet
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Renaud Loison

Mots clés

Mots clés contrôlés

Analyse modale (ingénierie)

Micro-ondes

Mots clés libres

Structures guidées

Impédances de surface équivalentes

Guide d'ondes circulaire

Parois métamatériaux

Milieux anisotropes

Théorie modale élargie (TME)

Raccordement modal

Optimisation de la paroi

Circuit équivalent

Propagation d'onde électromagnétique

Communication spatiale

Microwave structures

Circular waveguides

Metamaterial walls

Anisotropic media

Modal expansion theory (MET)

Anisotropic surface impedances

Mode-Matching (MM)

Design optimization

Equivalent circuit

Modal analysis

Electromagnetic wave propagation

Space communication

Résumé

Les structures guidées sont souvent utilisées comme des dispositives de communication à hautes-fréquences dans les applications spatiales, notamment dans les satellites. L’enjeu est de concevoir des systèmes embarqués performants mais de taille optimale afin de réduire le coût du lancement et libérer de l’espace pour intégrer de la charge utile supplémentaire. Un moyen efficace pour optimiser les performances est d’intégrer des métamatériaux, considérés comme des surfaces anisotropes, dans les parois du guide d’onde. Ceci permet de modifier les propriétés du champ électromagnétique à l’intérieur de la structure afin de pouvoir contrôler la propagation d’onde, de générer des modes de nature plus complexe et d’ajuster la bande de fréquence utile. Pendant la thèse, le premier objectif était d’identifier le comportement des ondes dans un guide circulaire 3D à parois périodiques anisotropes. Pour cela, une approche itérative basée sur la Théorie Modale Elargie (TME) a été explorée. Elle permet la caractérisation des bords anisotropes par des impédances équivalentes. Des améliorations sur certains aspects de la TME ont été proposées. Ensuite, une méthodologie directe basée sur la méthode des éléments finis (FEM) a été adoptée pour donner des diagrammes de dispersions des modes propagatifs plus précis, garantir un calcul considérablement plus rapide et éviter les problèmes de convergences et de détection des modes. Une procédure plus approfondie a été réalisé afin de réadapter le problème à valeurs propres pour inclure les modes évanescents. Puis, une approche hybride combinant les deux méthodes, la FEM et la TME, a été utilisée pour tracer les cartographies des composantes du champ à l’intérieur de la structure. Ceci a ouvert la possibilité pour faire une optimisation de forme sur les dimensions du motif périodique de la paroi afin de trouver les cartographies d’un champ pré-définit. Les résultats atteints par les algorithmes d’optimisation testés sont très satisfaisants. Par la suite, l’objectif était de modéliser une transition entre un guide d’onde classique et un guide d’onde périodique à paroi anisotrope. Par conséquent, un modèle semi-analytique basé sur la méthode du Mode-Matching (MM) a été développé pour caractériser cette jonction et déterminer les paramètres S de la discontinuité en remplaçant la structure par un circuit équivalent. Le modèle a été validé pour plusieurs cas de guides d’onde en comparaison avec une approche volumique FEM via le logiciel commercial Ansys-HFSS. Pour confirmer expérimentalement les résultats, un prototype d’une transition d’un guide d’onde métallique à un guide d’onde à paroi périodique anisotrope a été réalisé. Les paramètres S mesurés rejoignent les résultats numériques pour affirmer le modèle MM développé.

Waveguides are used as communication devices in space applications, particularly on-board satellites. The challenge is to design high-performance systems with small size in order to both reduce launch costs and release space which could benefit to the payload. Metamaterials placed on the waveguide’s walls offer the possibility to reduce the dimensions, modify the single-mode bandwidth but also to generate specific modes that can be useful for the radiation. Firstly, the wave propagation in a circular guide having anisotropic periodic walls is analyzed. Based on the existing Modal Expansion Theory (MET), an iterative approach was explored. It enables the characterization of anisotropic regions by equivalent surfaces impedances. Then, a direct methodology based on the Finite Element Method (FEM) was developed to increase the accuracy of the dispersion diagrams for the propagative modes and to considerably decrease the calculation time. This technique has been extended to take the evanescent modes into account. Next, a hybrid approach FEM/TME was employed to find the electromagnetic field maps inside the waveguide. The achieved computation time is low enough to allow testing algorithms for optimizing purposes: The shape of the periodic pattern is then optimized in order to obtain specific predefined field maps. Secondly, a junction between a metallic waveguide and a periodic waveguide with anisotropic walls was modeled using a Mode-Matching method (MM). The technique proposed here is based on a semi-analytical model which consists in replacing the structure by an equivalent circuit to get the general scattering matrix of the discontinuity. This model has been validated for different waveguide topology by comparison with a FEM approach using the commercial software Ansys- HFSSTM. To experimentally confirm the results, a junction from a metallic waveguide to an anisotropic periodic wall waveguide has been realized. The measured S-parameters agree with the numerical results, thus validating the model.