Métasurfaces et antennes : nouvelles perspectives...- C. Joshi, A.C. Lepage and X. Begaud, “Low profile superstrate using Transformation Optics for semicircular radiation pattern

Institut Mines-Télécom

Métasurfaces et antennes :

nouvelles perspectives

pour l’aéronautique et le spatial

Anne Claire LEPAGE

Xavier BEGAUD

Télécom ParisTech

Département Communications et Electronique

Journée Futur & Ruptures

2 février 2017


Introduction (rafraîchissement)

2 Journée Futur et Ruptures – 2 février 2017


Terminologie

3

Structures artificielles possédant des propriétés électromagnétiques allant

« au-delà » de celles des matériaux conventionnels

Ces propriétés électromagnétiques inhabituelles découlent de leur

structuration (macroscopique) ≠ propriétés intrinsèques d’un matériau

(microscopique)

Métamatériau en 2D = métasurface

Méta-matériau = « Méta » + « Matériau »

μετα: Préfixe Grec signifiant « Au-delà »

Journée Futur et Ruptures – 2 février 2017


Plan

1. Matériau absorbant léger et de faible

épaisseur pour applications spatiales

2. Matériau absorbant fin et ultra large bande

pour le domaine aéronautique

3. Contrôle du rayonnement d’antenne à l’aide

de la Transformation d’Espace



Plan









Etudes R&T CNES (début en 2011)

Objectif : réduire les trajets

multiples sur le satellite et les

interactions antennes – plateforme

1- Contexte


Défis:

Absorption définie par un coefficient de réflexion < -10 dB en incidence

normale et oblique

Fonctionnement en bande S : 2-2.3 GHz soit 14% autour de 2.15 GHz

Spécifications spatiales:

Epaisseur maximale de 50 mm

Densité massique de 2.5 kg/m²

Contraintes sur les matériaux


1- Principe de fonctionnement

Utilisation d’une métasurface (SHI) à pertes

Augmenter les pertes (R) pour augmenter l’absorption de la SHI.

SHI

Espace libre

SHIR

S. W. Simms and V. F. Fusco, “Thin Radar Absorber Using an Artificial

Magnetic Ground Plane”, European Microwave Conference, pp. 1167-

1169, Sept. 2006


Modèle analytique


1- Réalisation-Prototype

578mm

428m

m

44x32 cellules

8

Pinto Y., Sarrazin J., Lepage AC, Begaud X., Capet N., “Design and measurement of a thin and light absorbing material for space

applications”, Applied Physics A : Materials Science & Processing, May 2014, Vol. 115, Issue 2.


Patch carré

(cuivre)

Résistances

(TICER 100Ω/)

Nid

d’abeille

Rogers

RO4003

Plan de

masse

(cuivre)

Epaisseur: 25.3mm (0.18 λ)

Densité de masse: 2.4 kg/m²


1- Mesures

Méthode :

1. Mesures : - réflecteur métallique de mêmes dimensions (ΓCEP)

- matériau absorbant (ΓSHIR)

2. Post-traitement

Matériau

à

mesurer

Antenne

réception

Antenne

émission

9

θi

θr

Ant Tx

Ant Rx

Matériau

absorbant

Г =Г′SHIRГ′CEP


Coefficient de réflexion de l’absorbant :


Incidence normale

Incidence oblique

L’absorbant fonctionne jusqu’à un angle d’incidence de 40°

1- Mesures

10

Bon accord simulation - mesures

Importance du post-traitement

L’absorbant peut être mesuré en dehors

d’une chambre anéchoïde


E parallèle au grand côté du matériau SHIR

1.5 2 2.5 3 -30

-25

-20

-15

-10

-5

0

Fréquence (GHz)

| G

|

(dB

)

BP

Mesure

Simulation


1- La suite : l’absorbant évolutif !

Objectif :

A partir de la connaissance des perturbations,

concevoir un absorbant évolutif (ensemble de pavages uniformes)

Brevet international CNES-TPT : Dispositif et procédé d’absorption multi-secteurs,

WO2015136121 – 17 sept. 2015

Antenne

θmin

θmax

Partie du satellite à couvrir



1- Outil développé

• Configuration

(géométrie, dimensions)

• Objectif d’absorption

• Matériaux disponibles

(εr, h)

12

• Choix des matériaux

• Dimensions des

différents pavages

uniformes

• Caractéristiques des

cellules unitaires

4 modules

Python

Modèle analytique de la cellule unitaire performant (large bande)

Optimiseur open source

Validation avec le logiciel de simulation électromagnétique CST

Microwave Studio



1- Pavage évolutif sur la plage [-68° ; 68°]

Pavage 1 : 158,7 mm Pavage 2 : 157 mm Pav. 2 Pav. 1 Pav. 2

124,2 mm 125,6 mm 18 cellules 8 cellules

Duplication des motifs selon y pour avoir une largeur ~λ à 2 GHz

~500 mm (imposé par la configuration)

Ant.



1- Pavage évolutif sur la plage [-68° ; 68°]

θ = 0° θ = 20° θ = 40° θ = 50° θ = 56° θ = 60° θ = 68°

L’absorbant évolutif de largeur λ fonctionne sur la plage [0 – 56°] avec |Γ| < -10 dB sur

la bande [2 – 2.3 GHz]

Pour θ = 68°, -4,5 <|Γ|< -3 dB sur la bande [2 – 2.3 GHz]



1- Conclusions

Conception et réalisation d’un absorbant léger, de faible

épaisseur et large bande pour des applications spatiales

Le concept d’absorbant évolutif est très prometteur

• Bénéfice démontré par rapport à un absorbant uniforme

• Outil performant et rapide

• Modèle analytique large bande

Perspectives

• Réalisation et mesures de maquettes d’absorbants évolutifs

• Validation sur une plateforme (satellite)

• Absorbant évolutif en 2D



Plan









SAFAS = Surface Auto-Complémentaire à FAible Signature

Programme ASTRID (Caractère dual: civil & militaire)

Structure planaire multicouche

Août 2013 - Juillet 2014

2- Projet SAFAS (mars 2013 – septembre 2015)

17

Consortium

ONERA

Outils numériques (FETI)

Fabrication maquette

Antennes:

Télécom ParisTech

Management

Modélisation

Conception & Optimisation

Absorbant: Fab. + Mesures

SART

Spécification

Modélisation

Conception

Volet Antenne Faible épaisseur

Ultra Large Bande

Tenue en incidence

Faible SER

Volet Absorbant Faible épaisseur

Ultra Large Bande

Tenue en incidence

Reconfigurabilité

1an 1an

Juin 2014 - Juin 2015

Fabrication

Mesures SER



2- Concept ultra large bande et large incidence

Composants clés (cellule unitaire) :


- Couche WAIM (Wide Angle Impedance Matching)

- Métasurface : couche résistive

- Damier avec résistances aux

interconnexions

- Plan de masse (cuivre)

Prototype : 200 mm x 200 mm

28 x 28 cellules

Epaisseur < 12 mm


2- Conclusions

Conception et réalisation d’un absorbant ultra large bande de faible épaisseur pour des applications aéronautiques

• En incidence normale : Bande passante (|Γ|<-10dB) : 3.7-17.3 GHz

• Pour une incidence de 60° : 4.8-18.2 GHz

• Epaisseur : 12 mm soit λ4GHz / 6

Perspectives :

ASTRID Maturation (2017-2020) TPT, SART, ONERA + DCNS : Développement de matériaux multicouches structuraux et de revêtements minces pour réduire la réflectivité électromagnétique de structures navales civiles et/ou militaires

Pour en savoir plus : - X. Begaud, S. Varault, AC Lepage, M. Soiron, A. Barka, “Absorbant Ultra Large Bande sur un large secteur d’angles d’incidence”, JNM 2017 – St Malo

- S. Varault, M. Soiron, A. Barka, A. C. Lepage, X. Begaud, “RCS reduction with a Dual Polarized SelfComplementary Connected Array Antenna”, IEEE TAP, DOI: 10.1109/TAP.2016.2637860



Plan









Contexte: Plateforme NanoDesign (Grant: ANR-11-IDEX-0003-02 )

Partenaires:

Défis:

Concevoir un dispositif tout diélectrique (superstrat/radôme) permettant

de contrôler le rayonnement d’une antenne

Compatible avec des applications aéroportées (« low profile »)

Antenne :

21

3- Antenne pour les transports (2014 – 2016)

Moyens:

Transformation d’Espace

Fabrication additive



3- Principe de la Transformation d’Espace

Déformer l’espace à volonté afin d’imposer une

trajectoire aux ondes électromagnétiques

En 2006 Pendry et

Leonhardt introduisent la

Transformation d’Espace

Principe de Fermat

dlnS .

222 dzdydxdl

U. Leonhardt and T. G. Philbin, Transformation optics and the

geometry of light, Prog. Opt., Vol. 53, pp. 69-152 (2009).

J. B. Pendry, D. Schurig, and D. R. Smith, Controlling

electromagnetic fields, Science, Vol. 312, pp. 1780–1782 (2006).



Invariance des équations de Maxwell :

Dépendance entre les

paramètres du matériau et

le système de coordonnées :

3- Principe de la Transformation d’Espace

23 Journée Futur et Ruptures – 2 février 2017 23

J : matrice reliant A (x,y) and B(x’,y’)

J =

dx '

dx

dx '

dy

dy'

dx

dy'

dy

é

ë

êêêêê

ù

û

úúúúú


Equation de la transformation:

Simulation

Réalisation avec métamatériaux …

Transformation

a

b

Simplification (renormalisation):

3- Exemple de la “cape d’invisibilité”


Paramètres constitutifs:


3- Innovation et illustration ‘antipodale’

25

xa

eybey

.

).(tan' 1

22 .).(' eybxax

e.b.a

'x..mzz

Permittivity variation

ENZ Material

Electric Field, Ez

~0.12λ

Espace physique Espace virtuel Espace virtuel compressé

b

a

Compression axiale: a = 4.16

Compression latérale: b = 1.6

Facteur de décalage: m = 14


Ajout de nouveaux

degrés de liberté

Transformation spatiale Profil diélectrique


3- Les grandes étapes, en résumé

26

Transformation

analytique et

méthodologie pour

l’obtention du

matériau tout

diélectrique

Pixellisation et

homogénéisation

en fonction des

matériaux sur

étagère

Prototypage avec

fabrication additive



3- Preuve de concept

Superstrat à deux matériaux:

• Fort ε: Alumine (εr = 9.9)

• Faible ε: résine photosensible

(εr = 2.8)

27

Validation sur le diagramme de

rayonnement

(Mesures réalisées à Telecom ParisTech)



3- Extrapolations


Rayonnement

hémisphérique

Rayonnement

unilatéral

Antenne seule


3- Conclusion

Conception et réalisation de superstrats tout diélectriques de faible épaisseur

Modification drastique du rayonnement d’une antenne imprimée

Fabrication additive

Perspectives :

• Intégration sur structure

• Superstrat reconfigurable

Pour en savoir plus : - C. Joshi, A.C. Lepage and X. Begaud, “Low profile superstrate using Transformation Optics for semicircular radiation pattern of antenna”, Applied Physics A. DOI: 10.1007/s00339-017-0787-7

- C. Joshi, A.C. Lepage and X. Begaud, “A Dielectric-only superstrate inspired from transformation optics for complete reorientation of electromagnetic wave in azimuthal plane”, EPJ Appl. Metamat. 2016, 3, 5.



Conclusion générale

Métasurfaces = rupture technologique !


• Réduction des dimensions,

• De la masse,

• Accroissement des performances,

• Contrôle du rayonnement


Equipe RFM :

Julien Sarrazin

Yenny Pinto

Stefan Varrault

Chetan Joshi

Mais aussi :

Nicolas Capet (CNES)

Michel Soiron (SART)

André Barka (ONERA)

Gérard Pascal Piau (AIRBUS)

Les travaux présentés ont été financés par :

- Le CNES

- La DGA par l’intermédiaire de l’ANR (projet SAFAS)

- L’ANR

Un grand merci à tous les contributeurs !

Journée Futur et Ruptures – 2 février 2017 31

Documents

Métasurfaces et antennes : nouvelles perspectives...- C. Joshi, A.C. Lepage and X. Begaud, “Low profile superstrate using Transformation Optics for semicircular radiation pattern