Guidage d'ondes de surface sur des métamatériaux textiles

Surface waveguides on textile metamaterials

• Auteur / Autrice : Ali Ghaddar
• Direction : Éric Lheurette
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Electronique, microélectronique, nanoélectronique et micro-ondes
• Date : Soutenance le 23/03/2022
• Etablissement(s) : Université de Lille (2022-....)
• 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 : Aziz Benlarbi-Delaï
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Ludovic Burgnies, Fabien Ferrero, François Rault
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Bruno Sauviac, Florence Podevin

Mots clés

Mots clés contrôlés

Propriétés électriques

Fil

Systèmes de communication

Corps humain

Guides d'ondes

Ondes de surface

Métamatériaux

Ondes électromagnétiques -- Propagation

Mots clés libres

Circuits imprimés textiles

Surface wave

Textiles

Metamaterials

Résumé

Les travaux présentés dans cette thèse sont consacrés à l’étude du guidage d’ondes de surface sur des métamatériaux fabriqués sur textile à base de fils conducteurs. Ces études ont pour objectif principal de contribuer au développement des technologies dédiées aux ondes de surface sur des textiles pour les applications de communication autour du corps humain fonctionnant à 2.45 GHz. L’existence de l’onde de surface est connue davantage dans le domaine de l’optique par le plasmon polariton de surface qui se propage naturellement sur la surface du métal. L’onde de surface est caractérisée par un champ électromagnétique confiné à la surface du métal et par une vitesse de propagation lente par rapport à la vitesse de propagation en espace libre. Afin de bénéficier de ces propriétés, le domaine des métamatériaux permet d’étendre ce concept vers les basses fréquences grâce à un arrangement périodique de motifs métalliques. Les études présentées dans cette thèse se focalisent sur la propagation d’une onde de surface sur des lignes corruguées ou à méandre sans plan de masse, et sur des métasurfaces à deux dimensions. Les ondes de surface ont été excitées en champ proche par des antennes dipôles. Des lignes et métasurfaces ont été fabriquées en technologie de circuit imprimé PCB, et d’autres sur des textiles à l’aide de techniques de fabrications conventionnelles largement utilisées dans le domaine textile à savoir la broderie et le tricot 3D dit spacer. Les performances en termes de transmission et de diagramme de dispersion de l’onde électromagnétique sur les différentes structures textiles sont analysées en détails expérimentalement et en simulation. Elles sont aussi comparées aux performances des structures sur PCB. Les lignes en méandre et les métasurfaces brodées sur un textile en coton ont révélé de bonnes performances avec une amélioration de la transmission entre les antennes comparativement à la transmission en espace libre. Les performances de transmission d’une ligne en méandre sous courbures ont aussi été évaluées expérimentalement dans l’objectif des communications autour du corps humain. L’ensemble des travaux présentés est basé sur des études de simulation vérifiées expérimentalement en déterminant d’une part les courbes de dispersion et d’autre part les propriétés de transmission.

The works shown in this thesis are devoted to the study of surface waves onto metamaterials produced in textiles by using a conductive yarn. The main objective of these studies is to promote technologies dedicated to surface waves guided onto textiles targeting wireless communications around the human body and operating at 2.45 GHz. The existence of a surface wave is more known in optics by the surface plasmon polariton which propagates naturally on the surface of a metal. It is characterized by an electromagnetic field trapped onto the surface and by a slow wave propagation compared to the propagation in free space. In order to benefit from the electromagnetic confinement property, metamaterials has opened the way for the surface wave development at lower frequency by means of periodic arrangement of metallic patterns. Studies carried out in this thesis are focused on the propagation of a surface wave guided by corrugated lines or meander-shaped lines without ground plane and by two-dimensional metasurfaces. Surface waves were excited in near field by means of dipole antennas. Some lines and metasurfaces were fabricated by Printed Circuit Board (PCB) technology and others on textiles by using conventional manufacturing techniques widely used in textile industry, namely embroidery and 3D spacer knitting. Performances in terms of transmission and dispersion curves of the electromagnetic wave propagating onto the textile structures are precisely analyzed in experiments and simulation. Then, they are compared with performances of the structures fabricated by PCB. The meander-shaped lines and metasurfaces manufactured by embroidery onto a cotton fabric showed good performances with an improvement of the transmission between the antennas compared to the transmission in free space. Performances of the meander-shaped line under curvatures were experimentally evaluated as well with the purpose of applications for body area communications. All the works shown in this thesis is based on simulation studies experimentally validated by determining first the dispersion curves and second the transmission properties.