Structures d’antenne

Structures d’antenne

Caractéristiques des métamatériaux

Le terme d’appellation « métamatériau » regroupe tous les matériaux artificiels de structures périodiques ayant des propriétés électromagnétiques particulières. Néanmoins, cette appellation est employée principalement pour les structures présentant un indice de réfraction négatif dont la périodicité est inférieure { λ/10. Un matériau { indice de réfraction négatif est un matériau où la réfraction négative se produit à son interface avec un matériau classique. Il est également possible de trouver la terminologie de matériaux « gauchers » dit encore à « main gauche », car { l’intérieur de celui-ci l’onde électromagnétique est décrite par des champs électrique et magnétique et où la propagation est régit par le vecteur d’onde. Ces trois grandeurs vectorielles forment un trièdre indirect : – la direction du vecteur d’onde est dans le sens inverse du vecteur de Poynting. Une représentation schématique sera portée ultérieurement pour préciser cette particularité [5].

Origine et développement des métamatériaux

Le terme métamatériau a été synthétisé par Rodger M. Walser, université du Texas à Austin, en 1999, qui a été à l’origine défini en tant que « composés macroscopiques faisant concevoir une architecture cellulaire synthétique, tridimensionnelle, périodique pour produire une combinaison optimisée, non disponible dans la nature » . En outre , les métamatériaux sont définies comme « matériaux qui gagnent leurs propriétés de leurs structures plutôt que directement de leurs compositions »[6] .
Les définitions ci-dessus reflètent certaines propriétés des métamatériaux, mais pas tous. En fait, les métamatériaux sont des composés macroscopiques d’une structure périodique ou non-périodique, dont la fonction est due à l’architecture cellulaire et à la composition chimique. Si le métamatériau est considéré comme un milieu efficace, il a une condition additionnelle est que la taille de la cellule est plus petite ou égale à la longueur d’onde.
En électromagnétisme, ce nom a été popularisé par les deux articles fondateurs de J.B. Pendry, qui a introduit de manière théorique les deux classes de matériaux à permittivité négative et perméabilité négative .
Le premier type a été proposé par Notomi et utilise les propriétés d’anisotropie des cristaux photoniques . Dans ce cas, une réfraction négative est obtenue même quand l’indice de réfraction de matériau de base est positif. Le deuxième type est obtenu par une perméabilité et une permittivité simultanément négatives et a été proposé d’après une étude théorique de Veselago en 1967 .
Il revient à D.R. Smith le mérite d’avoir associé les deux concepts dans un seul matériau à indice négatif testé expérimentalement pour la première fois en 2000 . Ces premiers travaux ont excité l’imagination des chercheurs du monde entier et une floraison de publications en a suivi. Il faut dire que, en optique, l’enjeu est de taille puis qu’on est allé jusqu’{ prédire la naissance d’une nouvelle optique où la résolution des lentilles et des instruments optiques ne serait plus limitée par la diffraction . Cette prédiction a été tempérée depuis , mais elle reste encore valable, étant donné lesprogrès des technologies.
Des métamatériaux opérant à des longueurs d’onde de 1 et 2 μm ont été proposés . Ils ne correspondent pas encore à l’idéal. Mais ils montrent qu’en peu de temps des dispositifs extrêmement performants ont pu être réalisés et testés. Cela est d’autant plus remarquable que, dans ces structures périodiques, la cellule élémentaire doit être de l’ordre du dixième de la longueur d’onde. Ce qui signifie que, à 1μm, la cellule a une dimension typique de 100 nm, avec des détails de l’ordre de la dizaine de nanomètres. On est donc dans le domaine des nanotechnologies et les laboratoires susceptibles de réaliser ce type de structure sont peu nombreux, aussi bien en Europe qu’aux États-Unis ou en Asie .
En micro-ondes, l’enjeu est différent. Les applications en télécommunications et en compatibilité électromagnétique dominent, d’où des démarches différentes et une créativité plus grande, car les contraintes technologiques sont moins fortes. Les études se sont focalisées très vite sur le développement d’applications dans le domaine des filtres, des déphaseurs et des antennes avec une comparaison systématique aux technologies existantes.

MATERIAUX A INDICE NEGATIFS

Les métamatériaux sont des matériaux artificiels qui n’existent pas dans la nature et qui sont synthétisés par enrobage spécifique. Jusqu’{ ce moment, il n’existe pas de matériaux possédant à la fois une permittivité et une perméabilité négative.
Les propriétés électriques et magnétiques des métamatériaux sont déterminées par deux paramètres importants du matériau, la permittivité diélectrique qu’on peut obtenir par un réseau de fils métalliques et la perméabilité magnétique qui peut être obtenue par des résonateurs en anneau fendu .La perméabilité « μ » et la permittivité « ε » permettent de déterminer la réponse du matériau { un champ électromagnétique. En règle générale, ε et μ sont à la fois positifs dans des matériaux ordinaires. Toutefois, pour certaines structures, qui sont appelés matériaux gaucher (LHM), la permittivité effective, Ɛeff et la perméabilité, μeff possèdent des valeurs négatives. Dans tels matériaux l’indice de réfraction, n, est inférieur à zéro, et on peut l’obtenir par un assemblage de réseau de fils métalliques et résonateurs en anneau fendu [7].

Approche de Veselago

Le physicien russe Victor Veselago, est le premier qui a montré théoriquement la possibilité d’avoir des matériaux avec une permittivité et une perméabilité négatives simultanément. Veselago a considéré qu’une onde électromagnétique peut se propager dans un milieu linéaire, homogène et isotrope et qui est caractérisé par une permittivité et une perméabilité négatives à la fois. Suite à ces caractéristiques, ces matériaux sont nommés des Matériaux Main Gauche « MMG » ou en anglais Left handed Materials « LHM ». Dans les matériaux ordinaires, le champ électrique ⃗ , le champ magnétique ⃗⃗ et le vecteur d’onde ⃗⃗ forment un trièdre direct, tandis que pour les métamatériaux ⃗ , ⃗⃗ et ⃗⃗ forment un trièdre indirect qui caractérise la règle de la main gauche comme le montre la figure І.2.
D’après Veselago, la permittivité Ɛ et la perméabilité μ sont les deux caractéristiques fondamentales qui caractérisent la propagation des ondes électromagnétiques dans un milieu. Ɛ et μ sont les deux paramètres qui apparaissent dans les équations de Maxwell. La relation entre le vecteur d’onde et la pulsation d’une onde monochromatique est donnée par la relation suivante :[7]

Résonateur en Anneau Fendu Complémentaire « RAFC »

Le Résonateur en Anneau Fendu Complémentaire est un élément, de dimensions très inférieures à la longueur d’onde, dérivé du RAF introduit par Pendry. Le RAF, quand il est illuminé par une onde plane avec une polarisation appropriée, est capable de créer une bande interdite de propagation aux alentours de sa fréquence de résonance sur le signal transmis. Cette polarisation appropriée est telle que le champ magnétique H doit être perpendiculaire au plan du RAF, c’est-à-dire que le champ H doit pénétrer à travers le RAF. Le phénomène coupe-bande observé sur le signal transmis est expliqué par la résonance de l’élément due aux propriétés propres du RAF. Donc, par rapport à la nature du RAF, si l’on veut modéliser des structures planaires basées sur l’utilisation des lignes micro rubans et, des RAFs comme plan de masse, nous ne pourrons pas les exciter correctement car le champ H fait une boucle autour du ruban dans le cas du mode fondamental. Pour ce type de structure planaire, un nouveau élément a été mis au point appelé Résonateur en Anneau Fendu Complémentaire « RAFC ».
Le RAFC est donc le complémentaire du RAF. Au lieu d’avoir deux anneaux interrompus concentriques en métal gravés sur un support diélectrique dans le cas du RAF, On a dans le cas du RAFC deux fentes en forme d’anneaux interrompus concentriques faites dans le plan conducteur (en cuivre) d’un substrat [10].
En 1999, Pendry introduisit une nouvelle structure permettant de créer des milieux nonmagnétiques avec une réponse magnétique , la nouvelle structure est le « rouleau suisse : suissroll » présenté dans la figure І.9. Le rouleau suisse est un ensemble de spirales, chaque spirale est enroulée sur un cylindre de rayon R . Les spirales conductrices sont isolées de N tours et les tours sont espacés par un espacement noté . La structure du rouleau suisse est une structure artificielle métallique qui est caractérisée par une réponse magnétique en absence de composant magnétique, en effet, lorsqu’on applique un champ magnétique selon l’axe du cylindre, un courant est induit dans le conducteur, par conséquent, une capacité complète est créée d’où le circuit résonne et fait circuler un courant.

Permittivité négative

Plusieurs travaux dans le domaine optique, infrarouge et électromagnétique ont abordé des milieux présentant une permittivité effective négative, une caractéristique qui a été largement inspirée par la physique des plasmas. Pendry et son équipe ont montré qu’un réseau de tiges métalliques orientés parallèlement, de rayon r et de périodicité a présente une réponse électromagnétique similaire { celle d’un plasma de faibles densité [11] . Ce comportement se traduit par plusieurs facteurs, tels que, la masse et la charge des électrons qui se présentent dans des structures métalliques { très haute fréquence. L’application d’un champ agit comme une force de rappel sur les charges et qui conduit { la création d’un phénomène d’oscillation obtenu lorsque la fréquence d’excitation est égale { la fréquence plasma définie par :[11]

Indice de réfraction négatif

Les métamatériaux sont des matériaux artificiels conçus pour avoir des propriétés qui ne peuvent pas être trouvées dans la nature. La recherche primaire dans les métamatériaux étudie des matériaux à indice de réfraction négatif .Les matériaux à indice de réfraction négatif peuvent être utilisés pour concevoir des lentilles à haute résolution « super-lentille ». Dans une autre application, une forme de «l’invisibilité» a été démontrée au moins sur une bande d’ondes étroite avec des matériaux à gradient d’indice. Les applications potentielles des métamatériaux sont diverses et comprennent les applications aérospatiales à distance, la détection et la surveillance des infrastructures la gestion intelligente de l’énergie solaire, la sécurité publique les radômes à haute fréquence, les lentilles, les antennes à gain élevé, l’amélioration des capteurs à ultrasons, etc.

Table des matières

INTRODUCTION GENERALE
Chapiter 1 : Les métamatériaux et leurs applications
I .INTRODUCTION
I.1.Historique
I.1.1 Propagation d’une onde dans une structure périodique
I.1.2 . Domaine micro-ondes
ІІ. LES METAMATERIAUX
ІІ.1. Caractéristiques des métamatériaux
ІІ.2. Origine et développement des métamatériaux
ІІІ .MATERIAUX A INDICE NEGATIFS
ІІІ.1. Approche de Veselago
ІІІ.2. Permittivité et perméabilité négatives
ІІІ.2.1. Perméabilité négative
ІІІ.2.2. Résonateur en Anneau Fendu Complémentaire « RAFC »
ІІІ.2.3. Permittivité négative
ІІІ.2.3. Indice de réfraction négatif
ІV . Conclusion
Chapitre 2 : contexte général sur l’ultra large bande
I. INTRODUCTION
II. LA TECHNOLOGIE ULTRA LARGE BANDE
ІІ.1. Historique
ІІ.2. Réglementation de l’ULB dans le monde
ІІ.2.1. Etats-Unis .
ІІ.2.2. Europe
ІІ.2.3. Asie
ІІ.3. Techniques de transmission pour l’ULB (standardisation)
ІІ.4. Différents types d’applications de l’ultra large bande
ІІ.5. Avantages et inconvénients de l’Ultra Large Bande
ІІІ.CARACTERISATIONS DES ANTENNES IMPRIMES POUR APPLICATION ULB
ІІІ.2. Etude de l’antenne patch
IV.1.Mécanisme de rayonnement d’un élément patch
IV.2.Mécanismes d’alimentation
V.Les antennes Ultra Large Bande
V.1.L’antenne spirale conique
V.1.1.Emploi de structures métamatériaux
V.2.Antenne ULB active
V.2.1. Antenne ULB à plusieurs bandes de fréquences rejetées
VI.CONCLUSION  REFERENCES
Chapitre 3 : simulation d’antenne ULB par HFSS
I. INTRODUCTION
II. LE LOGICIEL DE SIMULATION HFSS
ІІ.1. Présentation du logiciel
ІІ.2. Création des projets par HFSS
ІІ.3.Insertion d’une conception de HFSS dans un projet
ІІ.3.1.Dessiner un modèle
ІІ.4.Types de solution dans HFSS
ІІ.5.Excitation d’une structure
ІІ.6.Conditions aux limites
ІІ.7.Bande de fréquences
ІІ.8.Génération des rapports
ІІІ.SIMULATIONS ET RESULTATS
ІІІ.1.Structures d’antenne
ІІІ.2.Etude paramétrique
ІІІ.2.1.Effet de la largeur du ligne d’alimentation (paramètre Mf)
ІІІ.2.2.Effet du paramètre g
ІІІ.2.3.Effet de la largeur du rayon de l’élément rayonnant (paramètre R)
ІІІ.2.4.Effet de la largeur de la fente dans le plan de masse (paramètre wc)
ІІІ.2.5.Effet de la longueur de la fente dans le plan de masse (paramètre lc)
ІІІ.3.L’antenne optimisée sans RAFC
ІІІ.3.1. Effet de l’ajout d’un RAFC
ІІІ.3.2. L’antenne optimisée avec RAFC
IV. Antenne avec résonateur en anneau fendu circulaire
IV. 1.Effet du rayon de RAFCC
IV. 2.Effet de positionnement des RAFCC
IV. 3.Antenne optimisé
V.CONCLUSION
VII. REFERENCES
conclusion generale

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