Transformation optics : Application for antennas and microwave devices

par Jianjia Yi

Thèse de doctorat en Physique

Sous la direction de André de Lustrac et de Shah Nawaz Burokur.

Soutenue le 12-10-2015

à Paris Saclay , dans le cadre de École doctorale Electrical, optical, bio-physics and engineering (Orsay, Essonne) , en partenariat avec Université Paris-Sud (établissement opérateur d'inscription) et de Institut d'électronique fondamentale (Orsay, Essonne) (laboratoire) .

Le président du jury était Xavier Begaud.

Le jury était composé de André de Lustrac, Shah Nawaz Burokur, Xavier Begaud, Gérard Pascal Piau, Paul-Henri Tichit.

Les rapporteurs étaient Ronan Sauleau, Sébastien Guenneau.

  • Titre traduit

    Optique de transformation : application aux antennes et aux dispositifs micro-ondes


  • Résumé

    Le concept de l'optique de transformation qui permet de contrôler le trajet des ondes électromagnétiques à volonté en appliquant une variation spatiale judicieusement définie dans les paramètres constitutifs, est exploré pour concevoir des nouveaux types d'antennes et de dispositifs micro-ondes. Dans une première partie, basée sur la transformation de coordonnées, un dispositif d'illusion capable de modifier l'apparence d'une émission électromagnétique et de la délocaliser, est validé par le biais de simulations numériques. Un dispositif de transition de guide d'ondes, permettant d'assurer une transmission quasi totale entre deux guides d'ondes de sections transversales différentes est également conçu et validé expérimentalement par l'utilisation des résonateurs à métamatériaux. Dans une seconde partie, la transformation de l'espace basée sur l'équation de Laplace est étudiée pour concevoir des lentilles pour les applications antennaires. Une lentille de focalisation capable de restaurer les émissions en phase d'un réseau conforme d'éléments rayonnants et une lentille à dépointage qui permet de dévier la direction du faisceau rayonné d'une antenne sont conçues. Des prototypes fabriqués à partir d'un matériau isotrope tout-diélectrique grâce à la technologie d'impression en trois dimensions (3D) permettent de valider expérimentalement la fonctionnalité des lentilles sur une large bande de fréquence.


  • Résumé

    The concept of transformation optics which can control electromagnetic waves at will by applying a judiciously defined spatial variation in the constitutive parameters is explored to design novel type antennas and microwave devices. In a first part, based on coordinate transformation, an illusion device able to modify the appearance of an electromagnetic emission and then delocalize it is validated through numerical simulations. A waveguide tapering device allowing to assure quasi-total transmission between two waveguides of different cross-sections is also designed and validated experimentally through the use of metamaterial resonators. In a second part, space transformation based on Laplace's equation is studied to design lenses for antenna applications. A beam focusing lens able to restore in-phase emissions from a conformal array of radiators and a beam steering lens that allows deflecting the radiated bema of an antenna are designed. Prototypes fabricated by an all-dielectric isotropic material through three-dimensional (3D) polyjet printing technology allow to experimentally validate the functionality of the lenses on a wide frequency range.


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