Des antennes ultracompactes et directives à métamatériaux

Des antennes ultracompactes et directives à métamatériaux
Contact : A. de Lustrac
Département : Nanophotonique et Electronique ultra-rapide
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Une des techniques les plus simples pour réaliser
une antenne directive consiste à placer l’antenne dans
une cavité formée d’un plan réflecteur en métal et d’une
surface semi-réfléchissante. Une source d’excitation
micro-onde doit évidemment compléter l’ensemble pour
faire émettre l’antenne. Si toutes les conditions sont
réunies, on obtient une émission directive dans une
direction définie par la surface semi-réfléchissante. De
nombreuses antennes du commerce (satellite, WIFI,
etc.) sont basées sur ce principe présenté par Trentini
en 1956. La seule contrainte est liée aux conditions de
phase, elles-mêmes liées aux réflexions successives
que subit l’onde électromagnétique d’un réflecteur à
l’autre de la cavité. Généralement la phase à la réflexion
est proche de 180°, ce qui impose une épaisseur
minimum de la cavité de l’ordre de λ/2, λ étant la
longueur d’onde d’émission.
Cette contrainte disparaît si, au lieu d’utiliser une
simple surface métallique semi-réfléchissante, on utilise
un métamatériau dont la structure permet d’ajuster la
phase à la fois en réflexion et en transmission. La figure
ci-dessous donne une idée de la structure d’un
métamatériau composite réunissant une grille métallique
inductive sur sa face supérieure et une grille métallique
capacitive sur la face inférieure. La grille inductive
consiste en un réseau périodique de lignes parallèles au
champ électrique alors que la grille capacitive est
formée d’un réseau de lignes perpendiculaires au
champ dont la période varie ici graduellement. Les deux
grilles sont déposées sur un substrat diélectrique.
Fig. 1 Antenne micro-onde placée dans une cavité dont le réflecteur à
transmission partielle consiste en un métamatériau de phase
localement ajustable à la réflexion. La vue agrandie à droite montre
une cellule élémentaire du métamatériau
Chaque cellule élémentaire du métamatériau est ainsi
constituée d’une inductance et d’une capacité en
parallèle. Chaque cellule possède donc une fréquence
de résonance qui correspond à une phase nulle à la
réflexion. Si cette phase est proche de zéro pour toutes
1.
2.
3.
les cellules, on peut ainsi insérer l’antenne dans une
cavité de très faible épaisseur h. L’épaisseur globale
du système ainsi réalisé peut être très faible, bien
inférieure à λ/10, de l’ordre de 0,5 mm à 10 GHz, par
exemple.
On peut, par ailleurs, ajuster localement la phase
du métamatériau en modifiant régulièrement le pas de
la grille capacitive d’un incrément δg comme c’est le
cas dans la figure 1. De cette façon, la fréquence de
résonance est légèrement modifiée d’une cellule à
l’autre. L’ensemble des cellules peut alors être
considéré comme un réseau de micro-antennes,
elles-même excitées par l’antenne insérée dans la
cavité, et émettant avec des déphasages réguliers
d’une cellule à l’autre. On obtient ainsi l’équivalent
d’un réseau classique d’antennes, mais à moindre
coût. Le rayonnement issu de ce réseau de microantennes dépointe dans une direction fixée par le
déphasage entre les cellules du métamatériau (fig. 2),
Le déphasage peut être lui-même varié en modifiant
l’incrément δg. Un contrôle électronique de δg a été
mis au point par l’équipe de l’IEF.
Fig. 2 Diagrammes de rayonnement de l’antenne à métamatériau
obtenus pour différentes valeurs de l’incrément δg intervenant
dans la grille capacitive (fig.1)
Une version contrôlable électroniquement de
l’antenne à métamatériau a ainsi été développée, et
fait actuellement l’objet d’une demande de brevet. Par
ailleurs, le principe du métamatériau à phase variable
peut être transposé à n’importe quelle fréquence,
y compris en THz et en infrarouge.
A. Ourir, A. de Lustrac, and J.-M. Lourtioz, Appl. Phys. Lett. 88, 084103-1 (2006).
A. Ourir, S. N. Burokur, A. de Lustrac, Electron. Lett., 43(13), 698 (2007).
A. Ourir, S. N. Burokur, A. de Lustrac, Electron. Lett., 43(9), 493 (2007).