Etude et conception de guides d'onde et d'antennes cornets à métamatériaux

par Benedikt Byrne

Thèse de doctorat en Electromagnétisme et Systèmes Haute Fréquence

Sous la direction de Nathalie Raveu.

Le président du jury était Ronan Sauleau.

Le jury était composé de Nathalie Raveu, Xavier Bégaud, Divitha Seetharamdoo, Nicolas Capet, Gwenn Le Fur.

Les rapporteurs étaient Ronan Sauleau, Xavier Bégaud.


  • Résumé

    Afin de répondre aux besoins croissants d’équipements de communication pour les applications spatiales, il est important de réduire, le plus possible, la taille et la masse de l’équipement des satellites. Cela conduit à une réduction des coûts de lancement des satellites sur leur orbite ou laisse la possibilité d’ajouter des équipements dans la fusée. Ceci compte aussi pour les composants radioélectriques. L’objectif étant de réduire les dimensions sans pour autant détériorer les performances en rayonnement (directivité, polarisation croisée, bande monomode, etc.). Il est possible de contrôler la propagation des ondes électromagnétiques dans les antennes cornets et les guides d’onde à l’aide de surfaces anisotropes (corrugations, métamatériaux). Ainsi, contrairement à ce que prédisent les lois physiques sur la propagation et le rayonnement d’ondes électromagnétiques dans des structures classiques, les performances des structures à parois anisotropes peuvent être radicalement améliorées : pour le guide d’onde, réduction de la fréquence de coupure ; pour l’antenne cornet, amélioration de la directivité ou réduction du niveau des lobes secondaires. D’après l’état de l’art, même si les résultats de simulations et de mesures obtenus sont très prometteurs, le dimensionnement de la structure des métamatériaux est sujet à optimisation, donc gourmand en ressources informatiques. L’apport principal de cette thèse a été de développer une nouvelle méthodologie de conception s’appuyant sur une Théorie Modale Elargie (TME) analytique pour des guides d’onde à parois anisotropes. Elle permet de dimensionner très rapidement des surfaces à métamatériaux les plus adaptées aux applications requises. Un prototype de guide d’onde et un prototype d’antenne ont été conçus, fabriqués et mesurés grâce à cette méthodologie. Les résultats obtenus démontrent l’intérêt, l'efficacité et le caractère général de la méthode proposée pour la conception de dispositifs hyperfréquences guidés à parois anisotropes.

  • Titre traduit

    Study and design of waveguides and horn antennas with metamaterials


  • Résumé

    In space applications, one of the biggest challenges is to reduce the size and mass of equipment, in order to reduce the costs of the rocket launch. For RF components, this has to be done without lowering RF performance (directivity, crosspolarization, single-mode bandwidth, etc.). The challenge is all the more problematic in the case of used horn antennas and waveguides because of their relatively large size. It has been shown that the use of anisotropic surfaces (i.e. corrugations and metamaterials) on the inside walls of guided RF structure makes it possible to influence and control the way electromagnetic waves travel, enabling new devices with radically different and improved performances : for waveguides, reduction of the cuto&# 64256; frequency ; for horn antennas, improvement of the directivity or a reduction of the side lobes. A state of the art of previous work done on metamaterial horn antennas pointed out that, even if the obtained and presented results seem very promising, the procedure to obtain the optimized RF structure is very time-consuming and requires considerable computer resources. The main contribution of this PhD work was to develop a new methodology based on the analytical Modal Expansion Theory (MET) for waveguides with anisotropic walls. This methodology makes it possible to optimize very rapidly the dimensions of the metamaterial surfaces adjusted to the required application. A metamaterial waveguide and antenna prototype have been designed, realized and measured thanks to this methodology. The results obtained demonstrate the usefulness, effectiveness and general applicability of the method developed for the design of RF structures with anisotropic walls.


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