Investigation of RCS-enhancement devices inspired from reflectarrays and metamaterials

par Hussein Srour

Thèse de doctorat en Electronique et Télécommunications

Sous la direction de Raphaël Gillard.

  • Titre traduit

    Etude sur les dispositifs d'amélioration de SER inspirés des reflectarrays et des métamatériaux


  • Résumé

    Aujourd'hui, la sécurité des cyclistes sur les routes est une préoccupation majeure. Les statistiques d'accidents montrent une augmentation de 12% des décès de cyclistes depuis 2010. L'objectif du projet national français CYCLOPE est d'améliorer la sécurité des cyclistes grâce à des dispositifs électroniques innovants. Dans le cadre de ce projet, ces travaux de thèse se concentrent sur l'amélioration de la détectabilité du cycliste par un véhicule équipé d'un radar anticollision. L'objectif est d'augmenter la réflexion du système vélo-cycliste pour que le niveau d'énergie rétrodiffusé soit suffisant pour provoquer une alarme. Pour atteindre cet objectif, deux approches sont étudiées dans cette thèse. La première approche vise à concevoir un réflecteur rétrodirectif inspiré des techniques utilisées pour les antennes réseaux réflecteurs. Ce réflecteur est destiné à être placé sur le vélo, comme un catadioptre. Le réflecteur utilise deux panneaux imprimés formant un dièdre aplati, dans un souci de compacité. L'utilisation des motifs imprimés permet de réaliser une loi de phase sur les panneaux et, par ce biais, de restaurer le comportement rétrodirectif mis à mal par l'applatissement. Une étude théorique du mode de fonctionnement de cette structure complexe est proposée, permettant de dégager ces potentialités mais également ces limitations. Finalement, une conception complète est menée pour un prototype à 24 GHz. Sa fabrication et sa caractérisation montrent sa capacité à améliorer la surface radar d'un cycliste. Dans la deuxième approche, le dispositif réfléchissant est destiné à équiper le cycliste lui-même, comme un gilet fluorescent. Le torse humain est modalisé sous la forme d'un cylindre multi-couches diélectriques avec pertes. En revêtant ce cylindre d'une couche de nature réfléchissante, il est possible d'améliorer sa rétrodiffusion. Le travail se concentre donc sur la recherche du profil de revêtement optimal. Pour ce faire, un modèle numérique basé sur la solution mathématique exacte du cylindre infini multi-couches est proposé. En utilisant ce modèle, on constate que la couche requise doit être réalisée par des matériaux à permittivité négative, synthétisables grâce à des métamatériaux. L 'étude est ensuite étendue au cas d'un cylindre fini, plus représentatif de la réalité. Des comparaisons sont menées avec une simulation électromagnétique rigoureuse


  • Résumé

    A cyclist safety nowadays on roads is a major concern. Accident statistics show an increase of 12 % of deaths of cyclists since 2010. In the French national project CYCLOPE, the aim is improve the safety of cyclists by developing innovative electronic devices. In the context of this project, the work in this thesis is concerned with enhancing the detectability of the cyclist by a vehicle equipped with an anti-collision radar. The objective hence is to enhance the reflection by the bicycle-cyclist system so that the backscattered energy level would be sufficient to cause an alarm. In order to attain this objective, two approaches are investigated in the thesis. In the first, the design of a retrodirective reflector inspired by reflectarrays is studied. This device is going to be attached to the bicycle to operate as a retroreflector. The reflector is formed of two panels attached and flattened till a certain degree. Equipping each of the two panels with printed phasing cells permits for the construction of a phase law that restores the retrodirective behavior of the corner dihedral after it being flattened. A theoretical study performed on the retrodirective mechanism permits to uncover the potentials as well as limits of such reflector. Finally, a prototype operating at 24 GHz is realized. Its performance validates its capacity to enhance the RCS of a bicycle-cyclist. In the second approach, the possibility of enhancing the backscattering by the cyclist body using a reflective jacket is discussed. The human torso can be modeled as a multi-layered lossy dielectric cylinder. By coating this cylinder with a layer of reflective nature, it is possible to enhance its backscattering. The work hence concentrates on finding the corresponding optimum coat profile. Therefore, a numerical model based on the exact mathematical solution of the multilayered infinite cylinder is proposed. Using this model, it is found that the required coat should be made of negative permittivity materials, synthesizable using metamaterials. The study then is concentrated on the case of a finite cylinder which more accurately represents the real case scenario. Finally, Electromagnetic full-wave simulations are performed to compare the infinite-based numerical model to the finite-based simulation results.



Le texte intégral de cette thèse sera accessible librement à partir du 31-05-2021

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