Responsable de groupe :
Ronan PERRUSSEL (Chargé de Recherches, CNRS)
Animation scientifique :
Ronan PERRUSSEL (Chargé de Recherches, CNRS)
OBJECTIFS GÉNÉRAUX :
Modélisation et conception de dispositifs hyperfréquences innovants
Les activités de recherche du groupe s’articulent autour de trois axes :
Ce dernier axe, qui représente un marqueur fort du groupe, est développé en partenariat très étroit avec les groupes GREPHE et MPP du LAPLACE dans le cadre de l’action transversale 3EP (Electromagnétisme Electrodynamique Energétiques et Plasmas). Il se nourrit des compétences de l’équipe dans les deux premiers axes.
Les activités du groupe sont présentées dans les documents ci-dessous, un poster (format A0) et un diaporama.
Activités du groupe :
Matrices hiérarchiques :
Filtres SIW et SINRD :
Caractérisation de plasma :
Circuits accordables à base de plasma :
Commandes sans fil de machines :
Les activités du groupe dans ce cadre s’entendent au sens du développement de modèles et pas seulement de leur exploitation. Elles sont sous-tendues par deux catégories d’objectifs qui visent à l’amélioration des méthodes numériques existantes ou bien au développement de méthodes dédiées à des applications innovantes.
Améliorations des méthodes numériques existantes
Dans la continuité des travaux déjà réalisés avant 2009 et qui concernaient les fondements théoriques et logiciels, le GRE a poursuivi le développement d’outils adaptés à la résolution de problèmes électromagnétiques complexes
Ainsi, pour enrichir la WCIP (Wave Concept Iterative Process), une méthode “historique” du groupe introduite par le Professeur Henri Baudrand pour le calcul dans des circuits planaires multicouches, des couplages avec d’autres techniques numériques (Finite Element Method, Hybrid Discontinuous Galerkin et Finite Difference Transmission Line Method) ont été développés afin de pouvoir traiter facilement des couches de substrats hétérogènes. Ces travaux pour étendre le spectre des applications de la WCIP (comme pour les structures SIW et SINRD) sont principalement réalisés en collaboration avec l’équipe NACHOS de l’INRIA dans le cadre d’une thèse débutée en 2011.
Afin que les méthodes développées se comparent favorablement à l’existant (principalement les logiciels commerciaux), le groupe travaille aussi sur l’optimisation des algorithmes de résolution en utilisant principalement des techniques de pré-conditionnement. Ces travaux ont notamment concerné :
Technique de matrices hiérarchiques
Diffraction par une surface rugueuse
Outils de simulation dédiés à des applications innovantes
Dans le cadre des nouvelles problématiques de propagation posées par les systèmes de télécommunication ou de radar, le GRE a réalisé en partenariat avec l’ONERA des avancées significatives sur deux points :
Les efforts entrepris dans la modélisation des ondes focalisées, à travers plusieurs doctorats et stages, ont été soutenus par le CNES et ont conduit à des réalisations significatives en partenariat avec l’ENAC et l’ONERA. Ils ont en effet permis de lever le verrou des surfaces sélectives en fréquence pour développer un logiciel exploitable dans la conception de systèmes quasi-optiques. Des retombées complémentaires concernent également le couplage antenne / structure et la propagation en milieu inhomogène dans le cadre de très grandes scènes.
En 2011, le CNES a sollicité l’expertise du GRE sur le sujet polémique des ondes à Moment Orbital Angulaire (OAM) qui seraient susceptibles d’accroître les capacités de communication et ainsi de briser les contraintes spectrales. La structure originale de ces faisceaux a été analysée et a abouti à la réalisation de deux contributions significatives :
Matrices hiérarchiques :
Filtres SIW et SINRD :
Un des axes du groupe de recherche est l’étude de circuits hyperfréquences. Les aspects reconfigurabilités et exploitation de métamatériaux sont ainsi étudiés et présentés ci-dessous.
Filtres reconfigurables
L’activité circuit, et plus particulièrement le filtrage, est orientée vers la mise en œuvre de fonctions accordables en fréquence pour lesquelles il est nécessaire de considérer trois axes d’études :
Dans ce contexte, le GRE a développé un grand nombre de topologies innovantes, en favorisant les solutions pseudo-elliptiques. Elles permettent en effet un accord en fréquence plus souple, que ce soit en fréquence centrale, en fréquence de réjection ou en bande passante. Parmi ces topologies, les filtres à résonateurs annulaires ont montré de réelles potentialités. En intégrant un double accord, l’un en fréquence centrale, l’autre en bande passante, il a ainsi été possible de maîtriser une réponse électrique sur une plage d’accord au delà de 40%, tout en conservant la qualité de la réponse électrique (pertes, adaptation). En outre, la cascade de résonateurs annulaires permet de développer des solutions multi bandes dont les fréquences centrales peuvent être contrôlées. Ces dernières topologies ainsi que le développement des synthèses associées font l’objet d’une collaboration avec l’Université de Mara (Malaisie).
Filtre bi-mode pseudo-elliptique pour application spatiale
La mise en œuvre de fonctions accordables en bande sub-millimétriques constitue un enjeu majeur. Outre la maîtrise de la fonction assurée par la synthèse, il est alors primordial d’assurer une bonne maîtrise technologique compte tenu du niveau d’exigence propre aux fréquences visées. Ces aspects ont pu être traités en collaboration avec l’IEMN mais aussi avec le LAAS, avec qui est proposée une topologie innovante de résonateur. Elle permet un accord en fréquence de la bande W (94 GHz) à la bande V (60GHz). La solution proposée utilise un MEMS dont la géométrie a été spécialement développée pour cette gamme de fréquence. L’implantation technologique a nécessité le développement et la mise en œuvre d’un procédé spécifique, pour la fonction passive nominale d’une part et d’autre part pour le MEMS. Les illustrations qui suivent montrent une réalisation ainsi que le résultat (en simulation) associé pour trois configurations.
Filtre reconfigurable à MEMS en bandes V et W
Toujours à la recherche de l’accord en fréquence des filtres, le groupe s’est orienté vers des actions de rupture technologique pour lesquelles des techniques sont détournées de leurs utilisations nominales afin de développer des fonctions hyperfréquences. Parmi ces technologies, dans le cadre du projet ANR RF-IDROFIL porté par le Lab-STICC à Brest et en collaboration avec le LAAS, le groupe GRE a développé des dispositifs utilisant des technologies microfluidiques (résonateurs, filtres planaires et SIW). Leurs fréquences de résonance ont été modifiées en injectant des liquides diélectrique et/ou conducteur (GALINSTAN). L’utilisation de ces techniques trouve en outre un intérêt dans des applications de type bio-capteur pour lesquelles la signature fréquentielle d’un liquide permet de remonter aux propriétés physiques de celui-ci. Ci-après, la configuration est décrite puis photographiée. Le décalage en fréquence obtenu en mesure est également reproduit.
ANR IDROFIL
Exploitation de métamatériaux
Entre 2007 et 2010, le groupe a étudié (à la demande de l’ONERA dans le cadre de la thèse de Nicolas Capet) les possibilités de renforcer le découplage entre antennes patchs adjacentes au sein d’un grand réseau. Le GRE a alors pu mettre en évidence des effets très substantiels en exploitant des résonateurs à mushrooms double niveau ultra-compacts. Le couplage à une demi longueur d’onde a ainsi pu être abaissé en mesure de -15dB environ à -35dB comme montré ci-dessous dans le cas d’un couplage dans le plan E de deux antennes patchs. Ce résultat positionne cette stratégie de façon particulièrement favorable. Il est à mettre en relation avec les travaux sur les ondes de surface qui ont suivi au sein du groupe.
Découplage d’antennes patch par Surface Haute Impédance
L’utilisation de métamatériaux imprimés sur les parois d’un guide d’ondes circulaire ou rectangulaire permet de modifier les propriétés du guide (constante de propagation, forme du champ). Des études analytiques ont donc été menées en collaboration avec le CNES pour caractériser ces propriétés (2 masters co-encadrés en 2012 et 2013 et poursuite par une thèse en 2013). Un choix adéquat des impédances de surface, en appui sur la modélisation des métamatériaux, a permis d’améliorer les propriétés obtenues dans ces guides. En comparaison avec les guides métalliques usuels, ces nouveaux guides permettent ainsi d’obtenir une meilleure polarisation pour le guide circulaire, de réduire la section des guides rectangulaires et circulaires pour une même fréquence de coupure, de réduire la fréquence de coupure pour une même section de guide et enfin d’élargir la bande monomode. La configuration de la métasurface et l’abaissement de la fréquence de coupure sont exhibés ci-après.
Métamatériaux pour les parois d’un guide
Technique de matrices hiérarchiques
La prévalence des études qui exploitent des plasmas témoigne également de l’ambition de jeter les bases d’une ingénierie MicroOndes / plasma. Cela représente indiscutablement un marqueur fort du groupe que a été développé ces dernières années, en partenariat très étroit avec le groupe LAPLACE-GREPHE au travers de l’action transversale 3EP (Electromagnétisme Electrodynamique Energétiques et Plasmas) du laboratoire.
Outils de simulation dédiés
Le GRE participe au projet ANR MACOPA (Méthodes Asynchrones pour la Combustion et les Plasmas Atmosphériques), associant IMFT, IRIT, LAPLACE et ONERA, dont l’objectif est de fournir une librairie fortran 90 capable de simuler des problèmes multi-physiques et surtout multi-échelles par l’utilisation d’une approche dite “asynchrone” : le pas de temps du schéma numérique peut différer d’une cellule à l’autre de la discrétisation spatiale du domaine de calcul. Dans ce projet, le GRE s’implique plus spécifiquement dans le développement des modules concernant les équations de Maxwell et incluant le couplage avec les plasmas. Ces différents développements sont en cours de validation en espérant pouvoir en faire un outil d’aide à la conception pour certains dispositifs micro-ondes/plasma que souhaite développer le groupe.
Antennes et filtres reconfigurables
En appui avec les chercheurs de l’équipe LAPLACE-GREPHE et un chercheur de l’ISAE, le groupe a initialisé une stratégie de co-intégration visant à insérer des micro décharges dans des circuits planaires. Des topologies capables de magnifier l’effet du plasma ont d’abord été identifiées pour être ensuite caractérisées dans de larges gammes de paramètres microondes (fréquence) et plasma (composition gazeuse, pression). Ce travail a permis d’intensifier considérablement cette interaction et de proposer de l’exploiter dans le cadre de l’insertion très originale d’une protection antennaire contre les agressions HPM (High Power Micro-wave). La faisabilité a ainsi pu être démontrée expérimentalement dans le cadre d’une thèse. Les images ci-dessous présentent successivement : la configuration électromagnétique d’émission et réception, l’environnement confiné et contrôlé en pression et composition gazeuse, l’antenne activée puis le diagramme de la puissance reçue en fonction de la puissance émise, dont la discontinuité caractérise l’allumage du plasma et la protection de l’antenne.
Protection d’une antenne contre les agressions HPM
En appui sur les compétences acquises dans les domaines des ondes de surface et des plasmas, une stratégie originale a été proposée afin de réaliser une antenne à balayage à onde de fuite. En exploitant le contrôle de la densité électronique qu’offre le plasma, il devient en effet possible de balayer un large secteur angulaire comme cela a été montré par la modélisation.
C’est cette même approche, de recherche de l’accord en fréquence de filtres, qui a motivé l’utilisation du plasma comme matériau à propriétés électriques contrôlables. Initialement orientés vers la modification de permittivité du matériau, les choix technologiques se sont portés vers l’utilisation du plasma dans sa phase conductrice. Dans ce cadre, deux types de dispositifs ont été développés :
Filtre SIW accordable à plasma
Micro-commutateur à plasma
Technologies émergentes
Pour assurer tant les performances électriques que la reconfigurabilité des dispositifs nous développons des technologies en rupture avec les voies classiques. Parmi celles-ci, les technologies plasma, bien que délicates à mettre en oeuvre, sont au coeur de nos préoccupations. Elles permettent d’assurer un contrôle des paramètres physiques du plasma et, par conséquent, une modification du comportement de l’onde avec laquelle il interagit. Ainsi, nous adressons des fonctions telles que des micro-commutateurs, des antennes, des filtres accordables ou des multiplexeurs, qui tirent profit de la vitesse de commutation du plasma.
Prototype de démultiplexeur BIE – Plasma
Filtre SIW accordable à plasma
Caractérisation de plasma
Circuits accordables à base de plasma :
Le GRE est localisé sur les deux sites du laboratoire et le groupe dispose de moyens de métrologie sur les deux sites. Sans faire une liste exhaustive de tous ses éléments de métrologie, le GRE dispose entre d’autre d’Analyseurs de Réseau Vectoriel, d’un photoplotter pour la réalisation de masque de gravure, d’une cage de Faraday, d’une chambre semi-anéchoïque ….
Spécifications techniques des Analyseurs de Réseau Vectoriel
Le GRE dispose de plusieurs Analyseurs de Réseau Vectoriel avec 2 accès coaxiaux. Pour des multipôles, les mesures seront possibles, sous réserve de connecter les autres accès sur des charges adaptées 50Ω.
Les possibilités de mesure sont :
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| Agilent E5071C-2K5 | Anritsu 37369C | HP 8753C-006 | |
| connectiques | 3.5mm | K | 7mm |
| fréquences | 300kHz – 20GHz | 40MHz – 40GHz | 300kHz – 6GHz |
| dynamique de mesure | 70dB < … < 123dB | 70dB < … < 123dB | 95dB < … < 100dB |
| plancher de bruit | < -110dBm | < -65dBm | < -90dBm |
| P max (accès RF) | +26dBm | +30dBm | +26dBm |
| DC max | 35V – 200mA | 40V – 500mA | 30V – 500mA |
Mesure de diélectrique
Le groupe peut faire des mesures de permittivité complexe au moyen du kit de mesure HP 85070B. Il est possible de faire une mesure :
Cage de Faraday
Le GRE dispose d’une cage de Faraday (type 84 de la Société Industrielle du Ternois) à double blindage par grillage cuivré. Ces dimensions intérieures sont de 3m10 de long par 2m35 de large sur 2m05 de hauteur.
Elle était donnée pour avoir une atténuation :
Cage de Faraday
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|---|---|---|
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La soutenance d’HDR d’Hamza KAOUACH intitulée : “Contribution au développement d’antennes de type réseau transmetteur (passives et actives) reconfigurables aux fréquences millimétriques. Applications en bandes
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