Soutenance mémoire
Les performances des circuits et des dispositifs hyperfréquences sont directement liés aux propriétés intrinsèques des matériaux de fabrication. De plus, les contraintes de coût et d’intégration exigent des propriétés intrinsèques plus attractives que celles des matériaux usuels. L’arrivée d’une nouvelle catégorie de matériaux innovants, appelés « Métamateriaux » a enfreint les lois de la physique traitant les systèmes ondulatoires. Ceci a incité la communauté des scientifiques à étudier la possibilité d’affranchir les limites technologiques en exploitant les propriétés non naturelles de ces Métamateriaux. La théorie des Métamateriaux fut élaborée dans les années soixante par le physicien russe Victor Veselago. Cependant, il a fallu attendre 1999 pour voir une première modélisation de son concept publiée par l’équipe de J.Pendry [9], suivie d’une réalisation par l’équipe de D.R.Smith en 2000. Par définition, les Métamateriaux sont des matériaux artificiels composés d’une structure d’inclusions périodiques de faibles dimensions par rapport à la longueur d’onde d’excitation. En effet, les nouvelles propriétés attractives des Métamateriaux ont d’ores et déjà ouvert une voie prometteuse aux concepteurs de composants hyperfréquences. Les travaux de recherche sur ces nouveaux matériaux se sont intensifiés ces dernières années grâce notamment aux progrès à la fois de la modélisation électromagnétique et de la maitrise des procédés technologiques de réalisation. La voie du développement de ces nouveaux matériaux demeure particulièrement intéressante même s’ils nécessitent toutefois des études adaptées pour être efficacement utilisés avec des circuits et dispositifs hyperfréquences.
Etat de l’art des structures micro-ondes à base de Métamateriaux
Théorie des Métamateriaux
Les Métamateriaux : Le terme « méta » vient du grec et il est traduit par au « delà » en français. En d’autres termes, les Métamateriaux sont des matériaux présentant des propriétés que l’on ne rencontre pas à priori dans la nature. Par définition, ce sont des matériaux artificiels composés d’une structure d’inclusions périodiques de faibles dimensions par rapport à la longueur d’onde d’excitation, ce qui classe les Métamateriaux parmi les matériaux homogènes. La première étude théorique sur la possibilité d’existence des Métamateriaux a été publiée par le physicien russe V. G.Veselago [1] en 1968. Selon d’autres études publiées, les Métamateriaux peuvent trouver des finalités applicatives dans plusieurs domaines .
Dans le domaine de la physique des matériaux et en particulier en électromagnétisme, un matériau homogène tel que le diélectrique ou le conducteur, peut être caractérisé par ses paramètres intrinsèques constitutifs qui sont la permittivité (ε) et la perméabilité (μ), tandis que pour les matériaux non homogènes tels que les Métamateriaux, ils peuvent être caractérises par des paramètres dits ≪ effectifs≫, ce qui correspond à un matériau équivalent.
A l’origine de l’activité électromagnétique et de la périodicité des inclusions formant le Métamateriau, ce dernier peut donner naissance à des paramètres effectifs séparément négatifs ou simultanément négatifs, ce qui est illustre par un ???? < 0.
Les Matériaux doublement positifs (DPS)
Les matériaux DPS (Double Positive) sont les matériaux qui présentent des paramètres intrinsèques positifs et non nuls (ε > 0 et μ > 0). Les matériaux diélectriques et magnétiques font partie de cette catégorie.
Les Matériaux à perméabilité négative (M NG)
L’idée innovante derrière la mise en place des matériaux à perméabilité négative réalisée par des matériaux ordinaires métallo-diélectrique n’ayant pasforcement une activité magnétique tels que les ferromagnétiques [8], est l’exploitation des courants de conduction générés à la surface des métaux lorsque ceux-ci sont soumis à une onde incidente émanant d’une source électromagnétique. Pour certaines configurations, les courants générés dans le conducteur peuvent être suffisamment importants pour assurer un phénomène Métamateriau même si la taille des motifs vérifie la condition d’homogénéité (<< λ). En 1999, J. Pendry [9] a été le premier à exploiter l’idée en introduisant une configuration originale incluant un réseau de structures métalliques sous la forme d’un rouleau suisse (Swiss-Roll).
Chaque élément unitaire est basé sur un cylindre de rayon R sur lequel est enroulée une spirale conductrice isolée de N tours. L’espacement entre deux tours consécutifs est noté d. Quand un champ magnétique excite la structure, un courant est induit dans le conducteur et une capacité équivalente est créée. La structure (Swiss-Roll) est considérée comme un milieu homogène puisque la plus grande dimension de cette inclusion est très inferieure à la longueur d’onde d’excitation.
En se basant sur les structures originales de J.Pendry, les chercheurs ont espéré alors réaliser et caractériser expérimentalement ces matériaux mystérieux. Et ce n’est qu’en 2001 qu’une structure Métamateriau a vu le jour . L’équipe de D.R.Smith a réalisé une structure à base d’un réseau de SRR avec des tiges métalliques, elle a ensuite proposé une structure planaire améliorée fonctionnant dans le domaine des micro-ondes [10-11], pour proposer après une méthodologie de caractérisation expérimentale des propriétés de Métamateriau sur la base de la mesure des paramètres S [12].
Les Matériaux doublement négatifs (DNG)
Les matériaux DNG sont les matériaux ayant simultanément une permittivité et une perméabilité négative, ces Métamateriaux peuvent être réalisés par des cellules <<imbriquées >> ou des cellules << combinées >>. Le premier type imbrique deux cellules unitaires basiques : une cellule de type MNG, et une cellule de type ENG. A la résonance cette cellule composite montre un phénomène doublement négatif, comme exemple de ce type, la cellule (SRR+Tige) réalisée par l’équipe de D.R.Smith . Cette cellule imbrique deux cellules unitaires basiques : la SRR ayant une activité magnétique et le réseau de tiges responsable de l’activité électrique. A la résonance cette cellule composite montre un phénomène doublement négatif . Le deuxième type est basé un seul motif responsable sur une double activité simultanément. Comme exemple, la cellule DNG ayant l’allure de la lettre grec «Ω» a été introduite par l’équipe de N.Engeta , et repoussée par H.Griguer [15,16].
Les Métamateriaux et leurs applications de filtrage
Plusieurs systèmes de télécommunications modernes, tels que les systèmes embarqués, les systèmes de téléphonie mobile et les systèmes de communications sans fil, utilisent les filtres. La conception des filtres compacts et performants constitue un grand défi dans le domaine des RF/microondes, l’intégration des systèmes de transmission sans fil pour ces gammes de fréquences nécessite la réduction des dimensions de chaque fonction élémentaire de la chaîne d’émission-réception (filtres, antennes, etc..). Dans le cas de récepteurs multi-bandes, l’utilisation de plusieurs filtres (dédiés à chaque bande de fréquences, ou ensemble de canaux de réception) doit être évitée puisqu’elle consomme une surface importante. Ainsi, le filtre accordable est une solution intéressante à ce problème, sa réponse fréquentielle pouvant être modifiée afin de sélectionner les diverses bandes de fréquences utiles du récepteur multi-bande.
Depuis l’apparition pratique des Métamateriaux en 2001, les chercheurs ont proposé des structures de filtre à base de cellules Métamateriaux, et ceci dans le but de réaliser des filtres plus compacts et reconfigurables. Le premier travail de l’équipe de M.Burokur était la réalisation d’un filtre coupe bande basé sur un réseau de cellules RAF (Résonateur à Anneau Fondu) et une ligne de transmission 50Ω , les résultats obtenus par cette équipe montrent un phénomène coupe bande au tour de la fréquence de résonance de la cellule RAF.
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Table des matières
INTRODUCTION GENERALE
1. ETAT DE L’ART DES STRUCTURES MICRO-ONDES A BASE DE METAMATERIAUX
1.1 Introduction
1.2 Théorie des Métamateriaux
1.3 Classification des Métamateriaux
1.3.1 Les Matériaux doublement positifs (DPS)
1.3.2 Les Matériaux à perméabilité négative (MNG)
1.3.3 Les Matériaux à permittivité négative (ENG)
1.3.4 Les Matériaux doublement négatifs (DNG)
1.4 Les Métamateriaux et la modélisation par ligne de transmission
1.5 Les Métamateriaux et leurs applications de filtrage
1.6 Les Métamateriaux pour les antennes
1.7 Conclusion
2. ETUDE DES CELLULES METAMATERIAUX MIANTURES ET AGILES
2.1 Introduction
2.2 Démarche de conception des cellules Métamateriaux
2.3 Conception et analyse des cellules MNG
2.3.1 La cellule SRR (Split Ring Resonator)
2.3.2 La cellule CSRR
2.4 Etude de la miniaturisation des cellules SRR
2.4.1 La miniaturisation par l’optimisation géométrique
2.4.2 La cellule SRR rectangulaire
2.5 Etude de l’agilité des cellules Métamateriaux
2.5.1 Modèle équivalent de la cellule SRR
2.5.2 Cellule SRR chargée par Zca
2.5.3 Cellule SRR chargée par Zcf
2.5.4 Cellule SRR chargée par une diode Varactor
2.5.5 Cellule SRR chargée par une diode PIN
2.5.5.1 Etude paramétrique (gap gf)
2.5.5.2 Cellule SRR chargée par une diode PIN
2.6 Conclusion
3. CONCEPTION ET REALISATION DE FILTRES MINIATURES ET AGILES A BASE DE CELLULES METAMATERIAUX
3.1 Introduction
3.2 Conception et réalisation des filtres à base de cellules Métamateriaux SRR
3.2.1 Conception et réalisation du filtre coupe bande
3.2.2 Conception et réalisation du filtre à multi bande rejetée à base des cellules Métamateriaux SRR
3.3 Conception d’un filtre passe-bande à base des cellules Métamateriaux SRR
3.4 Conception et réalisation d’un filtre coupe bande miniature à base de cellules Métamateriaux CSRR
3.4.1 Conception d’un filtre coupe bande à base de cellules Métamateriaux CSRR
3.4.2 Miniaturisation du filtre coupe bande
3.4.2.1 Optimisation des dimensions
3.4.2.2 Chargement par impédance
3.4.3 Réalisation et validation expérimentale
3.5 Etude de l’agilité des filtres coupe bande
3.5.1 Filtre coupe bande à base des cellules Métamateriaux SRR chargée par une diode PIN
3.5.2 Filtre coupe bande à base des cellules Métamateriaux CSRR chargée par une diode Varactor
3.6 Conclusion
4. CONCEPTION ET REALISATION DE NOUVELLES STRUCTURES D’ANTENNE ULB A BANDE REJETEE
4.1 Introduction
4.2 Antenne ULB
4.2.1 Définition
4.2.2 Conception, et simulation de l’antenne ULB
4.2.3 Réalisation et validation expérimentale
4.3 Association de l’antenne ULB et des cellules Métamateriaux
4.3.1 Antenne ULB associée à des cellules SRR en amont
4.3.1.1 Cellule SRR
4.3.1.2 Couplage cellule SRR + ligne d’alimentation de l’antenne
4.3.1.3 Conception, Simulation de l’antenne associée aux cellules SRRs
4.3.1.4 Réalisation et validation expérimentale
4.3.2 Antenne ULB chargée par des cellules Métamateriaux dans la zone proche de l’élément rayonnant
4.3.2.1 Antenne monopole ULB chargée par une cellule CSRR
4.3.2.2 Antenne monopole ULB chargée par une cellule SRR
4.4 Conclusion
5. SYSTEME ANTENNAIRE RECONFIGURABLE POUR DE LA RADIO COGNITIVE
5.1 Introduction
5.2 Technologie Radio Cognitive
5.3 Système antennaire 1 : Antenne ULB à multi-bande rejetée reconfigurable
5.3.1 Antenne ULB associée à un système de filtrage en amont à deux bandes rejetées
5.3.2 Antenne ULB associée à un système de filtrage en amont à deux bandes rejetées commutables
5.3.3 Antenne ULB associée à un système de filtrage en amont à bande rejetée Reconfigurable
5.4 Etude de faisabilité d’un système antennaire pour le besoin de la Radio Cognitive
5.4.1 Antenne ULB associée à un système de filtrage en amont à trois bandes rejetées
5.4.2 Conception d’une antenne reconfigurable en bande passante
5.4.2.1 Antenne à commutation de bandes
5.4.2.2 Antenne à bande passante reconfigurable
5.5 Conclusion
CONCLUSION GENERALE
