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Institut Mines-Télécom
Métasurfaces et antennes :
nouvelles perspectives
pour l’aéronautique et le spatial
Anne Claire LEPAGE
Xavier BEGAUD
Télécom ParisTech
Département Communications et Electronique
Journée Futur & Ruptures
2 février 2017
Institut Mines-Télécom
Introduction (rafraîchissement)
2 Journée Futur et Ruptures – 2 février 2017
Institut Mines-Télécom
Terminologie
3
Structures artificielles possédant des propriétés électromagnétiques allant
« au-delà » de celles des matériaux conventionnels
Ces propriétés électromagnétiques inhabituelles découlent de leur
structuration (macroscopique) ≠ propriétés intrinsèques d’un matériau
(microscopique)
Métamatériau en 2D = métasurface
Méta-matériau = « Méta » + « Matériau »
μετα: Préfixe Grec signifiant « Au-delà »
Journée Futur et Ruptures – 2 février 2017
Institut Mines-Télécom
Plan
1. Matériau absorbant léger et de faible
épaisseur pour applications spatiales
2. Matériau absorbant fin et ultra large bande
pour le domaine aéronautique
3. Contrôle du rayonnement d’antenne à l’aide
de la Transformation d’Espace
4 Journée Futur et Ruptures – 2 février 2017
Institut Mines-Télécom
Plan
1. Matériau absorbant léger et de faible
épaisseur pour applications spatiales
2. Matériau absorbant fin et ultra large bande
pour le domaine aéronautique
3. Contrôle du rayonnement d’antenne à l’aide
de la Transformation d’Espace
5 Journée Futur et Ruptures – 2 février 2017
Institut Mines-Télécom
Etudes R&T CNES (début en 2011)
Objectif : réduire les trajets
multiples sur le satellite et les
interactions antennes – plateforme
1- Contexte
6 Journée Futur et Ruptures – 2 février 2017
Défis:
Absorption définie par un coefficient de réflexion < -10 dB en incidence
normale et oblique
Fonctionnement en bande S : 2-2.3 GHz soit 14% autour de 2.15 GHz
Spécifications spatiales:
Epaisseur maximale de 50 mm
Densité massique de 2.5 kg/m²
Contraintes sur les matériaux
Institut Mines-Télécom
1- Principe de fonctionnement
Utilisation d’une métasurface (SHI) à pertes
Augmenter les pertes (R) pour augmenter l’absorption de la SHI.
SHI
Espace libre
SHIR
S. W. Simms and V. F. Fusco, “Thin Radar Absorber Using an Artificial
Magnetic Ground Plane”, European Microwave Conference, pp. 1167-
1169, Sept. 2006
7 Journée Futur et Ruptures – 2 février 2017
Modèle analytique
Institut Mines-Télécom
1- Réalisation-Prototype
578mm
428m
m
44x32 cellules
8
Pinto Y., Sarrazin J., Lepage AC, Begaud X., Capet N., “Design and measurement of a thin and light absorbing material for space
applications”, Applied Physics A : Materials Science & Processing, May 2014, Vol. 115, Issue 2.
Journée Futur et Ruptures – 2 février 2017
Patch carré
(cuivre)
Résistances
(TICER 100Ω/)
Nid
d’abeille
Rogers
RO4003
Plan de
masse
(cuivre)
Epaisseur: 25.3mm (0.18 λ)
Densité de masse: 2.4 kg/m²
Institut Mines-Télécom
1- Mesures
Méthode :
1. Mesures : - réflecteur métallique de mêmes dimensions (ΓCEP)
- matériau absorbant (ΓSHIR)
2. Post-traitement
Matériau
à
mesurer
Antenne
réception
Antenne
émission
9
θi
θr
Ant Tx
Ant Rx
Matériau
absorbant
Г =Г′SHIRГ′CEP
Journée Futur et Ruptures – 2 février 2017
Coefficient de réflexion de l’absorbant :
Institut Mines-Télécom
Incidence normale
Incidence oblique
L’absorbant fonctionne jusqu’à un angle d’incidence de 40°
1- Mesures
10
Bon accord simulation - mesures
Importance du post-traitement
L’absorbant peut être mesuré en dehors
d’une chambre anéchoïde
Journée Futur et Ruptures – 2 février 2017
E parallèle au grand côté du matériau SHIR
1.5 2 2.5 3 -30
-25
-20
-15
-10
-5
0
Fréquence (GHz)
| G
|
(dB
)
BP
Mesure
Simulation
Institut Mines-Télécom
1- La suite : l’absorbant évolutif !
Objectif :
A partir de la connaissance des perturbations,
concevoir un absorbant évolutif (ensemble de pavages uniformes)
Brevet international CNES-TPT : Dispositif et procédé d’absorption multi-secteurs,
WO2015136121 – 17 sept. 2015
Antenne
θmin
θmax
Partie du satellite à couvrir
11 Journée Futur et Ruptures – 2 février 2017
Institut Mines-Télécom
1- Outil développé
• Configuration
(géométrie, dimensions)
• Objectif d’absorption
• Matériaux disponibles
(εr, h)
12
• Choix des matériaux
• Dimensions des
différents pavages
uniformes
• Caractéristiques des
cellules unitaires
4 modules
Python
Modèle analytique de la cellule unitaire performant (large bande)
Optimiseur open source
Validation avec le logiciel de simulation électromagnétique CST
Microwave Studio
Journée Futur et Ruptures – 2 février 2017
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1- Pavage évolutif sur la plage [-68° ; 68°]
Pavage 1 : 158,7 mm Pavage 2 : 157 mm Pav. 2 Pav. 1 Pav. 2
124,2 mm 125,6 mm 18 cellules 8 cellules
Duplication des motifs selon y pour avoir une largeur ~λ à 2 GHz
~500 mm (imposé par la configuration)
Ant.
13 Journée Futur et Ruptures – 2 février 2017
Institut Mines-Télécom
1- Pavage évolutif sur la plage [-68° ; 68°]
θ = 0° θ = 20° θ = 40° θ = 50° θ = 56° θ = 60° θ = 68°
L’absorbant évolutif de largeur λ fonctionne sur la plage [0 – 56°] avec |Γ| < -10 dB sur
la bande [2 – 2.3 GHz]
Pour θ = 68°, -4,5 <|Γ|< -3 dB sur la bande [2 – 2.3 GHz]
14 Journée Futur et Ruptures – 2 février 2017
Institut Mines-Télécom
1- Conclusions
Conception et réalisation d’un absorbant léger, de faible
épaisseur et large bande pour des applications spatiales
Le concept d’absorbant évolutif est très prometteur
• Bénéfice démontré par rapport à un absorbant uniforme
• Outil performant et rapide
• Modèle analytique large bande
Perspectives
• Réalisation et mesures de maquettes d’absorbants évolutifs
• Validation sur une plateforme (satellite)
• Absorbant évolutif en 2D
15 Journée Futur et Ruptures – 2 février 2017
Institut Mines-Télécom
Plan
1. Matériau absorbant léger et de faible
épaisseur pour applications spatiales
2. Matériau absorbant fin et ultra large bande
pour le domaine aéronautique
3. Contrôle du rayonnement d’antenne à l’aide
de la Transformation d’Espace
16 Journée Futur et Ruptures – 2 février 2017
Institut Mines-Télécom
SAFAS = Surface Auto-Complémentaire à FAible Signature
Programme ASTRID (Caractère dual: civil & militaire)
Structure planaire multicouche
Août 2013 - Juillet 2014
2- Projet SAFAS (mars 2013 – septembre 2015)
17
Consortium
ONERA
Outils numériques (FETI)
Fabrication maquette
Antennes:
Télécom ParisTech
Management
Modélisation
Conception & Optimisation
Absorbant: Fab. + Mesures
SART
Spécification
Modélisation
Conception
Volet Antenne Faible épaisseur
Ultra Large Bande
Tenue en incidence
Faible SER
Volet Absorbant Faible épaisseur
Ultra Large Bande
Tenue en incidence
Reconfigurabilité
1an 1an
Juin 2014 - Juin 2015
Fabrication
Mesures SER
Journée Futur et Ruptures – 2 février 2017
Institut Mines-Télécom
2- Concept ultra large bande et large incidence
Composants clés (cellule unitaire) :
18 Journée Futur et Ruptures – 2 février 2017
- Couche WAIM (Wide Angle Impedance Matching)
- Métasurface : couche résistive
- Damier avec résistances aux
interconnexions
- Plan de masse (cuivre)
Prototype : 200 mm x 200 mm
28 x 28 cellules
Epaisseur < 12 mm
Institut Mines-Télécom
2- Conclusions
Conception et réalisation d’un absorbant ultra large bande de faible épaisseur pour des applications aéronautiques
• En incidence normale : Bande passante (|Γ|<-10dB) : 3.7-17.3 GHz
• Pour une incidence de 60° : 4.8-18.2 GHz
• Epaisseur : 12 mm soit λ4GHz / 6
Perspectives :
ASTRID Maturation (2017-2020) TPT, SART, ONERA + DCNS : Développement de matériaux multicouches structuraux et de revêtements minces pour réduire la réflectivité électromagnétique de structures navales civiles et/ou militaires
Pour en savoir plus : - X. Begaud, S. Varault, AC Lepage, M. Soiron, A. Barka, “Absorbant Ultra Large Bande sur un large secteur d’angles d’incidence”, JNM 2017 – St Malo
- S. Varault, M. Soiron, A. Barka, A. C. Lepage, X. Begaud, “RCS reduction with a Dual Polarized SelfComplementary Connected Array Antenna”, IEEE TAP, DOI: 10.1109/TAP.2016.2637860
19 Journée Futur et Ruptures – 2 février 2017
Institut Mines-Télécom
Plan
1. Matériau absorbant léger et de faible
épaisseur pour applications spatiales
2. Matériau absorbant fin et ultra large bande
pour le domaine aéronautique
3. Contrôle du rayonnement d’antenne à l’aide
de la Transformation d’Espace
20 Journée Futur et Ruptures – 2 février 2017
Institut Mines-Télécom
Contexte: Plateforme NanoDesign (Grant: ANR-11-IDEX-0003-02 )
Partenaires:
Défis:
Concevoir un dispositif tout diélectrique (superstrat/radôme) permettant
de contrôler le rayonnement d’une antenne
Compatible avec des applications aéroportées (« low profile »)
Antenne :
21
3- Antenne pour les transports (2014 – 2016)
Moyens:
Transformation d’Espace
Fabrication additive
Journée Futur et Ruptures – 2 février 2017
Institut Mines-Télécom
3- Principe de la Transformation d’Espace
Déformer l’espace à volonté afin d’imposer une
trajectoire aux ondes électromagnétiques
En 2006 Pendry et
Leonhardt introduisent la
Transformation d’Espace
Principe de Fermat
dlnS .
222 dzdydxdl
U. Leonhardt and T. G. Philbin, Transformation optics and the
geometry of light, Prog. Opt., Vol. 53, pp. 69-152 (2009).
J. B. Pendry, D. Schurig, and D. R. Smith, Controlling
electromagnetic fields, Science, Vol. 312, pp. 1780–1782 (2006).
22 Journée Futur et Ruptures – 2 février 2017
Institut Mines-Télécom
Invariance des équations de Maxwell :
Dépendance entre les
paramètres du matériau et
le système de coordonnées :
3- Principe de la Transformation d’Espace
23 Journée Futur et Ruptures – 2 février 2017 23
J : matrice reliant A (x,y) and B(x’,y’)
J =
dx '
dx
dx '
dy
dy'
dx
dy'
dy
é
ë
êêêêê
ù
û
úúúúú
Institut Mines-Télécom
Equation de la transformation:
Simulation
Réalisation avec métamatériaux …
Transformation
a
b
Simplification (renormalisation):
3- Exemple de la “cape d’invisibilité”
24 Journée Futur et Ruptures – 2 février 2017
Paramètres constitutifs:
Institut Mines-Télécom
3- Innovation et illustration ‘antipodale’
25
xa
eybey
.
).(tan' 1
22 .).(' eybxax
e.b.a
'x..mzz
Permittivity variation
ENZ Material
Electric Field, Ez
~0.12λ
Espace physique Espace virtuel Espace virtuel compressé
b
a
Compression axiale: a = 4.16
Compression latérale: b = 1.6
Facteur de décalage: m = 14
Journée Futur et Ruptures – 2 février 2017
Ajout de nouveaux
degrés de liberté
Transformation spatiale Profil diélectrique
Institut Mines-Télécom
3- Les grandes étapes, en résumé
26
Transformation
analytique et
méthodologie pour
l’obtention du
matériau tout
diélectrique
Pixellisation et
homogénéisation
en fonction des
matériaux sur
étagère
Prototypage avec
fabrication additive
Journée Futur et Ruptures – 2 février 2017
Institut Mines-Télécom
3- Preuve de concept
Superstrat à deux matériaux:
• Fort ε: Alumine (εr = 9.9)
• Faible ε: résine photosensible
(εr = 2.8)
27
Validation sur le diagramme de
rayonnement
(Mesures réalisées à Telecom ParisTech)
Journée Futur et Ruptures – 2 février 2017
Institut Mines-Télécom
3- Extrapolations
28 Journée Futur et Ruptures – 2 février 2017
Rayonnement
hémisphérique
Rayonnement
unilatéral
Antenne seule
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3- Conclusion
Conception et réalisation de superstrats tout diélectriques de faible épaisseur
Modification drastique du rayonnement d’une antenne imprimée
Fabrication additive
Perspectives :
• Intégration sur structure
• Superstrat reconfigurable
Pour en savoir plus : - C. Joshi, A.C. Lepage and X. Begaud, “Low profile superstrate using Transformation Optics for semicircular radiation pattern of antenna”, Applied Physics A. DOI: 10.1007/s00339-017-0787-7
- C. Joshi, A.C. Lepage and X. Begaud, “A Dielectric-only superstrate inspired from transformation optics for complete reorientation of electromagnetic wave in azimuthal plane”, EPJ Appl. Metamat. 2016, 3, 5.
29 Journée Futur et Ruptures – 2 février 2017
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Conclusion générale
Métasurfaces = rupture technologique !
30 Journée Futur et Ruptures – 2 février 2017
• Réduction des dimensions,
• De la masse,
• Accroissement des performances,
• Contrôle du rayonnement
Institut Mines-Télécom
Equipe RFM :
Julien Sarrazin
Yenny Pinto
Stefan Varrault
Chetan Joshi
Mais aussi :
Nicolas Capet (CNES)
Michel Soiron (SART)
André Barka (ONERA)
Gérard Pascal Piau (AIRBUS)
Les travaux présentés ont été financés par :
- Le CNES
- La DGA par l’intermédiaire de l’ANR (projet SAFAS)
- L’ANR
Un grand merci à tous les contributeurs !
Journée Futur et Ruptures – 2 février 2017 31