Potentialités d’un plasma hors-équilibre localisé pour la réalisation d’antennes imprimées reconfigurables ou autolimitantes

par Francisco Pizarro Torres

Thèse de doctorat en Electromagnétisme et systèmes de haute fréquence, Ingénierie des plasmas

Sous la direction de Olivier Pascal et de Romain Pascaud.


  • Résumé

    Le plasma est un gaz ionisé qui possède des caractéristiques physiques intéressantes dans le domaine des hyperfréquences. En simplifiant, on peut le caractériser comme un milieu diélectrique dispersif dont la permittivité est fonction de deux paramètres : la pulsation plasma (wp) et la fréquence de collision électron-neutre (Vp). En pratique, ces paramètres dépendent principalement de la densité électronique du gaz et de sa pression. Ainsi, en contrôlant les caractéristiques du plasma, on contrôle sa permittivité diélectrique, ce qui permet d’envisager son application dans le domaine de la reconfigurabilité en hyperfréquence.Parmi les topologies pouvant générer une décharge plasma, nous nous sommes focalisés sur l’utilisation de topologies récentes, à savoir les microdécharges plasma. Ces microdécharges sont intéressantes de par leur facilité d’intégration dans un dispositif RF : petite taille, stabilité, température proche de la température ambiante et perspectives d’utilisation à plus haute pression, voire à la pression atmosphérique.Devant la difficulté de modéliser précisément l’effet du plasma sur une onde guidée, une approche expérimentale a été privilégiée. Deux dispositifs de mesure ont ainsi été conçus pour caractériser cette interaction : une ligne de transmission microruban classique et une inversée intégrant une microdécharge en leurs centres. Grâce au protocole expérimental mis en œuvre, les paramètres S de la ligne de transmission sont obtenus et comparés à ceux des lignes sans plasma dans une large gamme paramétrique, qu’il s’agisse de la pression du gaz, de la fréquence ou encore du courant injecté à la décharge. Les résultats obtenus montrent deux phénomènes particulièrement intéressants: un déphasage de l’onde électromagnétique en présence de la décharge plasma et / ou une absorption importante de la puissance par la décharge.Deux dispositifs antennaires ont finalement été conçus en exploitant ces résultats. Le premier est une antenne imprimée accordable en fréquence dans une plage de l’ordre du pourcent, grâce à une décharge plasma contrôlée.Le plasma modifie alors la constante diélectrique entre les deux conducteurs constitutifs de l’antenne. Le second dispositif est une antenne anneau imprimée qui peut protéger son récepteur d’une attaque microondes de forte puissance. Ainsi, lorsqu’un champ incident dépasse un seuil prédéfini, réglable dans une certaine mesure par une tension continue externe, une décharge plasma apparaît au sein de l’élément rayonnant. Elle crée alors de la désadaptation et de l’absorption qui limitent de façon non linéaire la puissance restituée à l’accès.

  • Titre traduit

    Potential use of a non-equilibrium localized plasma for reconfigurable or limiter microstrip antennas


  • Résumé

    Plasma is an ionized gas with physical characteristics that are of interest to the microwave domain. To simplify, we can characterize it as a dispersive medium whose dielectric permittivity depends on two parameters :the plasma pulsation wp and the electron-neutral collision frequency Vp. These two parameters depend mainly on the electron density of the gas and its pressure. If we can control the characteristics of the plasma, we can also control its dielectric permittivity, which allows us to consider the plasma for applications in the field of microwave reconfigurability.Among the structures that can generate a plasma discharge, we have focused on the use of recent topologies,known as plasma microdischarges. These microdischarges are of interest because of the possibility of easily integrating them into a RF device : small size, stability, temperature near room temperature and potential use at high pressures, including at atmospheric pressure.Given the difficulties in accurately modelling the effects of the plasma on a guided wave, an experimental approachwas preferred. Two measuring devices have been designed to characterize this interaction : a conventional microstrip transmission line and an inverted microstrip transmisison line, both including a microdischarge in their centers. With this experimental characterization, the S-parameters of the transmission line with the plasma are obtained and compared to those without plasma as a function of a wide range of parameters, such as gas pressure,frequency and current injected into the discharge.The results show two particularly interesting phenomena : a phase shift of the electromagnetic wave in presence of the plasma discharge and/or an important absorption of the incident power by the discharge. Two devices have been designed to exploit these results. The first is a frequency tunable microstrip patch antenna over a range of the order of one percent. In that case, the plasma changes the dielectric constant between the two conductors of the antenna. The second is a microstrip ring patch antenna that can protect the receiver from a high-power microwave (HPM) attack. When an incident electric field exceeds an adjustable preset threshold (tuned by an external DCvoltage source), a plasma discharge appears in the radiating element. The plasma then creates a mismatch and an absorption effect that limits, in a non-linear way, the received power at its input.


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