Metasurface antennas for space applications

par Mounir Teniou

Thèse de doctorat en Électronique

Sous la direction de Massimiliano Casaletti et de Hélène Roussel.

Le président du jury était Marc Hélier.

Le jury était composé de Baptiste Palacin, Nicolas Capet, Gérard Pascal Piau.

Les rapporteurs étaient Jean-Marc Laheurte, Jérôme Sokoloff.

  • Titre traduit

    Antennes métasurfaces pour applications spatiales


  • Résumé

    Dans ce rapport, une méthode pour l'implémentation de distributions de champ arbitraires utilisant des metasurfaces tensorielles est présentée. Les metasurfaces modulées sinusoïdalement sont utilisées afin de générer des ondes de fuite avec un contrôle de l'amplitude et de la phase. La distribution de phase du champ d'ouverture désirée est obtenue en utilisant une nouvelle formulation locale du principe de l'holographie. D'autre part, la distribution d'amplitude est contrôlée en faisant varier les indices de modulations ainsi que l'impédance moyenne en fonction de la position. Un contrôle indépendant de l'amplitude et de la phase est obtenu en modulant séparément les composantes du tenseur d'impédance. La formulation théorique est présentée en détails en prenant en compte la méthode d'implémentation ainsi que les contraintes d'adaptation. La méthode proposée est appliquée afin de générer plusieurs types de diagrammes de rayonnement aussi bien en champ lointain qu'en champ proche. La procédure de design a été validée numériquement avec des simulations pour une fréquence de travail de 20GHz. Les résultats obtenus sont en concordances avec les résultats théoriques attendus. Différentes metasurfaces ont ensuite été fabriquées et mesurées pour des fréquences de travail de 10GHz, 12.25GHz et 20GHz. Les résultats de mesures et de simulations démontrent qu'une large variété de distribution d'ouverture avec un contrôle d'amplitude et de phase peut être réalisée avec la méthode proposée.


  • Résumé

    In this thesis, a method for the implementation of arbitrary aperture field distributions using tensorial metasurfaces is introduced. Sinusoidally modulated metasurfaces are used in order to generate leaky waves with control on both phase and amplitude. The desired aperture phase distribution is obtained using a new local holography formulation. On the other hand, the amplitude distribution is controlled by varying modulation indices and average impedance depending on the position. A separate control of the aperture field components is achieved by modulating the impedance tensor elements independently. The theoretical formulation of the method is presented in details by taking into account the implementation method and antenna adaptation issues. The method is applied to design a wide range of radiation patterns examples both for far-field and near-field applications. The design procedure was first validated with simulations results for a working frequency of 20GHz giving a good agreement with the theoretical results. Several metasurfaces were then manufactured and measured for working frequencies of 10 GHz, 12.25 GHz and 20GHz. The consistency of the measurements and the simulation results proves that a good control of the aperture field phase and amplitude distributions is achieved using the proposed method.

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