Étude de la reconfigurabilité d'une structure à bande interdite électromagnétique (BIE) métallique par plasmas de décharge

On the tunability by plasma discharges of a metallic electromagnetic band GAP (EBG) based device

• Auteur / Autrice : Juslan Lo
• Direction : Jérôme Sokoloff, Thierry Callegari
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Micro-ondes, électromagnétisme, et optoélectronique
• Date : Soutenance en 2012
• Etablissement(s) : Toulouse 3

Mots clés

Mots clés contrôlés

Plasmas (gaz ionisés)

Cristaux photoniques

Systèmes de télécommunications à large bande

Mots clés libres

Métamatériaux

Physique des plasmas

Reconfigurabilité

Accordabilité

Bie

Anisotropie

Plasmas de grand volume

Plasmas à pression élevée

Plasmas à densité élevée

Effet Stark

Micro-Hollow Cathode Sustained Discharge (MCSD)

Micro-Hollow Cathode Discharge (MHCD)

Cathode Boundary Layer (CBL)

BIE à défauts

Résumé

Les matériaux à bande interdite électromagnétique (BIE) plus connus sous le nom de cristaux photoniques en optique, sont des structures périodiques possédant des propriétés intéressantes que l'on ne retrouve pas dans les matériaux conventionnels. Ces propriétés dépendent des paramètres géométriques de la structure, et des paramètres constitutifs de ses éléments (e et µ). Ainsi, ils peuvent présenter un indice de réfraction négatif, posséder des bandes interdites ou encore être fortement anisotropes. Pour les dispositifs hyperfréquences, l'exploitation de ces propriétés s'avère très pertinente. Or, ces structures sont en général passives, et l'une des considérations actuelles vise à les rendre reconfigurables, afin d'étendre encore leur champ d'applications. L'originalité de ce travail consiste à utiliser les plasmas comme élément contrôlable. En effet, leurs paramètres physiques (e, diamètre etc. ) varient en fonction des conditions de décharge. Pour l'étude de ce principe de reconfigurabilité, un dispositif de diviseur de puissance commutable à base d'un BIE a été défini. Différents plasmas de grand volume à des pressions allant de 40 à 760 torrs ont été étudiés puis intégrés dans le dispositif. Des mesures microondes ont alors mis en évidence le contrôle de la propagation de l'onde par le plasma. Cette thèse, à l'intersection de deux disciplines, plasma et microondes, a permis de valider le concept d'utilisation de plasmas localisés pour rendre reconfigurable certaines propriétés des structures BIE. Suite à cette validation, d'autres travaux sont d'ores et déjà entamés, afin d'améliorer les performances et d'explorer d'autres idées liant notamment métamatériaux et plasmas.

Electromagnetic Band Gap (EBG) structures, a. K. A. Photonic crystals in optical physics, are periodical structures granted with complex properties non-existent in other classical materials. For example, they may present a negative refraction index, band gaps, or even highly anisotropic behavior. These properties are governed essentially by the geometrical, and by the constitutive parameters (e and µ) of elementary objects composing the EBGs. For RF and microwave devices, exploring and controlling these properties may offer new compelling applications. EBGs are however mostly passive. Thus, one of the major research interests is to provide them tunability, with a view to extend further their possible uses. The original aspect in this work lies in using plasma discharges as tunable elements, meant to control an EBG based device. In terms of wave propagation, plasmas possess varying physical parameters (e and diameter) in function of their discharge conditions. For this concept of tunability, the overall procedures consist in defining a wave-splitting device based on EBG, before integrating high volume and density plasmas (investigated at the pressure varying from 40 to 760 Torr). Finally, microwave measurements have been conducted to establish the plasmas' role in the wave propagation control. This thesis, which verge on the junction between two major fields: microwaves and plasma physics, allowed us to ascertain on the possibility of using localized plasma discharges with the aim of controlling different EBG's properties. Following this work, others have been initiated, in order to explore various ideas on microwave propagation control by plasmas.