La conception et la réalisation des absorbeurs en utilisant des métamatériaux

Design of absorbers using metamaterials

• Auteur / Autrice : Zeinab Fneich
• Direction : Moncef Kadi, Mohamad Rammal
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Electronique, microelectronique, optique et lasers, optoelectronique microondes robotique
• Date : Soutenance le 03/02/2020
• Etablissement(s) : Normandie en cotutelle avec Université Libanaise
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale mathématiques, information et ingénierie des systèmes (Caen)
• Partenaire(s) de recherche : Etablissement de préparation de la thèse : Université de Rouen Normandie (1966-....) - Ecole supérieure d'ingénieurs en génie électrique (Rouen)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de recherche en systèmes électroniques embarqués (Saint-Étienne-du-Rouvray, Seine-Maritime ; 2001-...)
• Jury : Président / Présidente : Ghaleb Faour
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Mohamed Ramdani, Houssam Ayad, Jalal Jomaah
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Fabien Ndagijimana, Sylvie Baranowski

Mots clés

Mots clés contrôlés

Systèmes de télécommunications à large bande

Absorbants et adsorbants

Métamatériaux

Mots clés libres

Métamatériaux

Absorbant

Large bande

Metamaterials

Absorber

Broadband

Résumé

Dans cette thèse, nous visons à concevoir des absorbants à larges bandes passantes pouvant fonctionner efficacement même en basses fréquences. Pour atteindre un tel objectif, nous profitons des propriétés des métamatériaux pour réaliser des dispositifs capables de remplacer les technologies actuelles d’absorbants destinés à des utilisations dans les chambres anéchoïques par exemple. Après avoir étudié l'état de l'art de l'absorbant à base de métamatériaux, nous avons choisi la conception pyramidale comme base de notre recherche eu égard à ses propriétés adaptées à notre application. Nous effectuons une étude paramétrique complète pour ajuster ses paramètres géométriques et les propriétés des matériaux afin d'obtenir la meilleure réponse en terme d’absorption. En outre, nous améliorons sa bande passante d'absorption relative en créant une nouvelle conception avec altitude incurvée. Ces optimisations conduisent à une augmentation de la bande passante d'absorption relative (RAB) trouvée dans les littératures récentes de 63,3% à 73,4% avec un niveau d'absorption supérieur à 80%. Dans ce travail, nous nous nous intéressons également aux contraintes de conception en basses fréquences. Pour répondre aux exigences de dimensionnement à ces fréquences nous nous orientons vers des matériaux diélectriques avec des permittivités relatives élevée afin de réduire l’encombrement de ces structures. Après avoir appliqué ces choix de matériaux, nous avons réussi à déplacer la fréquence vers les bandes UHF. Nous avons réalisé des cellules unitaires miniaturisées en appliquant une géométrie de surface minimale en tant que nouvelle méthode de miniaturisation des absorbants. De plus, pour élargir l'absorption de l'absorbant pyramidal conventionnel, nous présentons différents nouveaux prototypes. Nous citons le prototype d'une épaisseur totale de 12,7 cm, composé de 35 couches résonantes incurvées où les simulations numériques montrent une conception améliorée avec une bande d'absorption totale allant de 0,3 GHz à 30 GHz. Concernant le deuxième prototype proposé, ce dernier est composé, dans une maille élémentaire, de l’association d’absorbants opérants sur des bandes complémentaires et à base de la structure pyramidale. Après avoir introduit de nombreux facteurs d'amélioration et avoir réalisé plusieurs étapes d'optimisation, ce dernier prototype nous a permis d’atteindre une bande passante d'absorption relative de 128,69%. Tous ces prototypes sont conçus et étudiés à l'aide du simulateur numérique High-Frequency Structure Simulator (HFSS). Tous les calculs ont été effectués sur un HPC de 24 cœurs avec une mémoire système de 192 Go de RAM. Pour la fiabilité des résultats, le mode d'analyse fréquentielle en mode discret a été paramétré avec de nombreux points de fréquences pour atteindre des résultats de simulation avec un très haut niveau de précision.

In this thesis, we aim to design a broadband absorber that can effectively operate at low frequencies. To achieve such an aim, we take advantage of the properties of the metamaterial to reach a stage in which the former is capable of replacing the present bulky anechoic chamber. After studying the state of the art of metamaterial absorber, we choose the pyramidal design to be the basis of our research view of its suitable properties for our application. We perform a complete parametric study to adjust its geometrical parameters and material properties to obtain the best absorption response. Besides, we enhance its relative absorptive bandwidth by making a novel curved altitude design. The latter two modifications lead to an increase in the Relative Absorptive Bandwidth (RAB) from 63.3% in the literature to 73.4% with an absorption level greater than 80%. In addition, we discuss the requirements needed to reach a low-frequency band absorber that can be summarized by the necessary high relative permittivity material dielectric substrate and the need for bigger dimensions. After applying these requirements, we succeeded to shift the frequency to UHF bands. We achieved a miniaturized unit cells by applying minimal surface geometry as a novel way in miniaturizing absorber. Moreover, to widen the broadband absorption of the conventional pyramidal absorber, we present different new absorber prototypes. We cite the prototype with a total thickness of 12.7 cm, consisting of 35 curved resonant layers where numerical simulations show an enhanced design with an absorption band from 0.3 GHz to 30 GHz. Concerning the second proposed prototype, the latter is dedicated to combining complementary bands for different pyramidal structures dimensions in one unit cell. After introducing many enhancement factors and taking into account optimization, this prototype reached a well-combined band with a relative absorptive bandwidth of 128.69%. These prototypes are tested using the numerical simulator High-Frequency Structure Simulator (HFSS). All calculations were performed on an HPC of 24 cores with a system memory of 192 GB RAM. For the reliability of the results, discrete frequency analysis mode was adjusted with numerous data points to reach simulation results with a very high level of precision.