Développement d’antennes à base de structures métamatériaux pour les applications aéronautiques (GPS/DME, bande L) et de communications haut débit (en bade E – 80 GHz)

Development of antennas based on metamaterial structures for aeronautical applications (DME/GPS, L band) and for high bit rate communications in the E-band (at 80GHz)

• Auteur / Autrice : Fanhong Meng
• Direction : Habiba Ouslimani
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences de l'ingénieur
• Date : Soutenance le 21/12/2015
• Etablissement(s) : Paris 10
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Connaissance, langage, modélisation (Nanterre)
• Jury : Président / Présidente : Valérie Vigneras
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Habiba Ouslimani, Valérie Vigneras, Ke Wu, Abdelwaheb Ourir, Agnès Maurel, Tân-Phu Vuong
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Ke Wu, Abdelwaheb Ourir

Mots clés

Mots clés contrôlés

Magnétisme

Polarisation (électricité)

Métamatériaux

Mots clés libres

Métamatériaux

Polarisation

Antenne ultra-Directive

Conducteur magnétique artificiel

Surfaces partiellement réfléchissantes

Metamaterials

Polarization diversity and tape

Super-Directional antenna antenna

Artificial magnetic conductor

Partially reflecting surfaces

Résumé

Les travaux présentés dans ce manuscrit sont relatifs à la conception et au développement d’antennes basées sur les structures artificielles – métamatériaux. La première antenne conçue et réalisée est une antenne bi-fonction en bande L (~1GHz) (GPS et DME) à diversité de bande/de polarisation, destinée aux applications aéronautiques. Ces travaux rentrent dans le cadre du projet MSIE (pôle de compétitivité ASTHEC) pour lequel notre LEME a été très actif. Les partenaires industriels de ce projet sont EADS/IW, Dassault aviation, INEO-Défense, SATIMO. Les résultats montrent la faisabilité d’une antenne unique pouvant avoir simultanément deux fonctions avec une diversité de polarisation et de bande spectrale. L’utilisation des métamatériaux a permis en particulier le maintien de la polarisation circulaire de l’antenne GPS -L1 à L5. La fonction DME a été consolidée avec le maintien de son gain. La seconde antenne est une antenne cavité Fabry-Pérot mettant en œuvre une structure partiellement réfléchissante double couche. Nous avons démontré le phénomène physique d’inversion de la phase du coefficient de réflexion de la PRS. Nous avons obtenu un gradient positif de phase sur une bande de 5 GHz autour de 80GHz. Grace à ce profil nouveau de la phase obtenu par la structure métamatériau PRS, on dispose d’une avance linéaire de la phase qui compense le retard du à la cavité Fabry-Pérot. Ainsi on maintient les conditions de résonance de la cavité sur une large bande, 5GHz. Nous démontrons, que la mise en œuvre de cette structure aux caractéristiques inédites permet de réaliser une antenne cavité ultra-directive sur une très large bande spectrale de 5GHz. Les performances atteintes sont une directivité de 35 à 40dBi sur 5 GHz, une adaptation parfaite (gain ~ directivité) avec très peu de sources primaires. L’antenne est compacte avec une hauteur totale inférieure au 10mm (connecteur compris) et une surface de 100mmx100mm.

The work presented in this manuscript is related to the design and development of antennas based on artificial structures - metamaterials. The first designed and built antenna is a GPS and DME dual-function in the L (~ 1GHz). It is an antenna designed with polarization and spectral diversities for aeronautical applications. The work is within the MSIE project of ASTHEC cluster for which our laboratory (LEME) was very active. The industrial partners of the project are EADS/IW, Dassault Aviation, INEO-Defense SATIMO. The results show the feasibility of a single antenna having simultaneously two functions with a diversity of polarization and spectral band. The use of metamaterials enabled in particular the preservation of circular polarization of the GPS antenna on the bands ranging from L1 to L2. The DME function was consolidated with the same gain.The second antenna is an antenna Fabry-Perot cavity employing a partially reflective structure (PRS) Double-layer. We have demonstrated by numerical simulation and experimental characterization, the physical phenomenon of inversion phase of the reflection coefficient PRS. We obtain a positive gradient of the phase over a broad band of 5 GHz around 80GHz. Thanks to this new profile obtained by the PRS metamaterial structure, it has a linear advance of the phase which compensates for the delay of the Fabry-Perot cavity. Thus the cavity resonance conditions are maintained over a wide band, 5GHz. We demonstrate that the implementation of this structure with unique features allows a highly directive antenna cavity over a very wide spectral band 5GHz. The performance are a directivity of 35-40 dBi over 5 GHz, a perfect adaptation (gain ~ directivity) with very few primary sources.