GRE – GROUPE DE RECHERCHE EN ELECTROMAGNETISME

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PRÉSENTATION

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 activitĂ©s de recherche du groupe s’articulent autour de trois axes :

  • la modĂ©lisation et les mĂ©thodes numĂ©riques : amĂ©lioration des mĂ©thodes numĂ©riques existantes pour l’électromagnĂ©tisme et dĂ©veloppement de mĂ©thodes ou modĂšles dĂ©diĂ©s Ă  des applications Ă©lectromagnĂ©tiques innovantes ;
  • conception de circuits passifs HF et caractĂ©risation : dĂ©veloppement de nouvelles topologies de circuits, mise en Ɠuvre technologique et intĂ©gration / dĂ©veloppement de synthĂšses de filtres, dĂ©veloppement de moyens de mesure et caractĂ©risation de milieux homogĂšnes ou inhomogĂšnes ;
  • l’interaction micro-ondes / plasma : dĂ©veloppement de circuits intĂ©grant des zones de plasma, Ă©tude et amĂ©lioration de la gĂ©nĂ©ration de plasma par source RF.

Ce dernier axe, qui reprĂ©sente un marqueur fort du groupe, est dĂ©veloppĂ© en partenariat trĂšs Ă©troit avec les groupes GREPHE et MPP du LAPLACE dans le cadre de l’action transversale 3EP (ElectromagnĂ©tisme Electrodynamique EnergĂ©tiques et Plasmas). Il se nourrit des compĂ©tences 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 :

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Matrices hiérarchiques :

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Filtres SIW et SINRD :

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Caractérisation de plasma :

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Circuits accordables Ă  base de plasma :

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Commandes sans fil de machines :

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ThÚme Modélisation

Les activitĂ©s du groupe dans ce cadre s’entendent au sens du dĂ©veloppement de modĂšles et pas seulement de leur exploitation. Elles sont sous-tendues par deux catĂ©gories d’objectifs qui visent Ă  l’amĂ©lioration des mĂ©thodes numĂ©riques existantes ou bien au dĂ©veloppement de mĂ©thodes dĂ©diĂ©es Ă  des applications innovantes.

Améliorations des méthodes numériques existantes

Dans la continuitĂ© des travaux dĂ©jĂ  rĂ©alisĂ©s avant 2009 et qui concernaient les fondements thĂ©oriques et logiciels, le GRE a poursuivi le dĂ©veloppement d’outils adaptĂ©s Ă  la rĂ©solution de problĂšmes Ă©lectromagnĂ©tiques complexes
Ainsi, pour enrichir la WCIP (Wave Concept Iterative Process), une mĂ©thode “historique” du groupe introduite par le Professeur Henri Baudrand pour le calcul dans des circuits planaires multicouches, des couplages avec d’autres techniques numĂ©riques (Finite Element Method, Hybrid Discontinuous Galerkin et Finite Difference Transmission Line Method) ont Ă©tĂ© dĂ©veloppĂ©s afin de pouvoir traiter facilement des couches de substrats hĂ©tĂ©rogĂšnes. Ces travaux pour Ă©tendre le spectre des applications de la WCIP (comme pour les structures SIW et SINRD) sont principalement rĂ©alisĂ©s en collaboration avec l’équipe NACHOS de l’INRIA dans le cadre d’une thĂšse dĂ©butĂ©e en 2011.

Afin que les mĂ©thodes dĂ©veloppĂ©es se comparent favorablement Ă  l’existant (principalement les logiciels commerciaux), le groupe travaille aussi sur l’optimisation des algorithmes de rĂ©solution en utilisant principalement des techniques de prĂ©-conditionnement. Ces travaux ont notamment concernĂ© :

  • La WCIP avec la mise en Ɠuvre d’une mĂ©thode par sous-espace de Krylov combinĂ©e avec un prĂ©-conditionnement adaptĂ© (collaboration INRIA-CERFACS).
  • Les Ă©quations intĂ©grales pour des applications basse frĂ©quence dans le cadre d’une collaboration avec le G2ELab (projet SEEDS avec un stage de master) et en interne avec l’équipe GREM3. Notre principale contribution a Ă©tĂ© le dĂ©veloppement d’algorithmes de matrices dites “hiĂ©rarchiques”.

Technique de matrices hiérarchiques

  • La diffraction par les surfaces rugueuses, dans le cadre d’une thĂšse en collaboration avec l’ONERA. Un prĂ©-conditionneur physique pour les Ă©quations intĂ©grales de frontiĂšre a Ă©tĂ© dĂ©veloppĂ©. Dans le cadre de cette thĂšse, des conditions d’impĂ©dances pour une rugositĂ© pĂ©riodique sur une interface diĂ©lectrique ont aussi Ă©tĂ© proposĂ©es.

Diffraction par une surface rugueuse

Outils de simulation dédiés à des applications innovantes

Dans le cadre des nouvelles problĂ©matiques de propagation posĂ©es par les systĂšmes de tĂ©lĂ©communication ou de radar, le GRE a rĂ©alisĂ© en partenariat avec l’ONERA des avancĂ©es significatives sur deux points :

  • Le premier concerne la modĂ©lisation temporelle et spatio-temporelle des affaiblissements troposphĂ©riques. Des modĂšles stochastiques originaux du canal de propagation troposphĂ©rique, nĂ©cessaires pour le dimensionnement des futurs systĂšmes de TĂ©lĂ©communication opĂ©rant au-delĂ  de 10 GHz, applicables en tout point du globe, ont Ă©tĂ© dĂ©veloppĂ©s. Par ailleurs, des travaux ont Ă©tĂ© conduits sur l’estimation de la variabilitĂ© interannuelle et des intervalles de confiance associĂ©s aux statistiques de propagation dĂ©rivĂ©es de mesure ou de modĂšle. Ces travaux constituent aujourd’hui la recommandation ITU-R P.678 de l’Union Internationale des TĂ©lĂ©communications.
  • Le second point concerne la modĂ©lisation des effets de la turbulence troposphĂ©rique ou ionosphĂ©rique sur la propagation des ondes Ă©lectromagnĂ©tiques. Une rĂ©solution analytique des Ă©quations de propagation en milieu turbulent a Ă©tĂ© conduite pour des configurations 3D et 2D. En parallĂšle, des schĂ©mas numĂ©riques 3D/2D qui reposent sur un couplage Ă©quation parabolique / Ă©crans de phase ont Ă©tĂ© dĂ©veloppĂ©s. L’ensemble permet l’évaluation des effets de scintillation atmosphĂ©rique ainsi qu’une paramĂ©trisation analytique des consĂ©quences de la rĂ©duction dimensionnelle 3D/2D.
Distribution de la probabilitĂ© d’attĂ©nuation due Ă  la pluie
ModĂ©lisation de l’attĂ©nuation troposphĂ©rique sur l’Europe

Les efforts entrepris dans la modĂ©lisation des ondes focalisĂ©es, Ă  travers plusieurs doctorats et stages, ont Ă©tĂ© soutenus par le CNES et ont conduit Ă  des rĂ©alisations significatives en partenariat avec l’ENAC et l’ONERA. Ils ont en effet permis de lever le verrou des surfaces sĂ©lectives en frĂ©quence pour dĂ©velopper un logiciel exploitable dans la conception de systĂšmes quasi-optiques. Des retombĂ©es complĂ©mentaires concernent Ă©galement le couplage antenne / structure et la propagation en milieu inhomogĂšne dans le cadre de trĂšs grandes scĂšnes.
En 2011, le CNES a sollicitĂ© l’expertise du GRE sur le sujet polĂ©mique des ondes Ă  Moment Orbital Angulaire (OAM) qui seraient susceptibles d’accroĂźtre les capacitĂ©s de communication et ainsi de briser les contraintes spectrales. La structure originale de ces faisceaux a Ă©tĂ© analysĂ©e et a abouti Ă  la rĂ©alisation de deux contributions significatives :

  • La premiĂšre porte sur le comportement asymptotique d’une communication OAM et propose de nouveaux concepts de gain et de pertes en espace libre.
  • La seconde dĂ©montre la capacitĂ© de dĂ©tecter localement les ordres quantifiĂ©s orbitaux en prĂ©sence de Moment Angulaire de Spin (SAM).
 
Nous participons Ă©galement, avec d’autres partenaires locaux (CNES, ENAC, ISAE), au dĂ©veloppement d’une dĂ©monstration de liaison OAM pour dĂ©but 2015 en direction du grand public.

Matrices hiérarchiques :

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Filtres SIW et SINRD :

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ThĂšme Circuit

Un des axes du groupe de recherche est l’étude de circuits hyperfrĂ©quences. Les aspects reconfigurabilitĂ©s et exploitation de mĂ©tamatĂ©riaux sont ainsi Ă©tudiĂ©s et prĂ©sentĂ©s ci-dessous.

Filtres reconfigurables

L’activitĂ© circuit, et plus particuliĂšrement le filtrage, est orientĂ©e vers la mise en Ɠuvre de fonctions accordables en frĂ©quence pour lesquelles il est nĂ©cessaire de considĂ©rer trois axes d’études :

  • Topologie : trouver la topologie prĂ©sentant les meilleures performances Ă©lectriques en termes de pertes et de sĂ©lectivitĂ© tout en prĂ©sentant une sensibilitĂ© suffisamment importante pour faciliter l’accord en frĂ©quence sans perte significative de la qualitĂ© Ă©lectrique ;
  • SynthĂšse : dĂ©terminer la synthĂšse de la fonction nominale en intĂ©grant l’élĂ©ment permettant l’accord en frĂ©quence ;
  • Technologie : mettre en Ɠuvre des technologies adaptĂ©es tant Ă  la recherche des performances optimales du filtre qu’à la rĂ©alisation de l’élĂ©ment d’accord en frĂ©quence.

Dans ce contexte, le GRE a dĂ©veloppĂ© un grand nombre de topologies innovantes, en favorisant les solutions pseudo-elliptiques. Elles permettent en effet un accord en frĂ©quence plus souple, que ce soit en frĂ©quence centrale, en frĂ©quence de rĂ©jection ou en bande passante. Parmi ces topologies, les filtres Ă  rĂ©sonateurs annulaires ont montrĂ© de rĂ©elles potentialitĂ©s. En intĂ©grant un double accord, l’un en frĂ©quence centrale, l’autre en bande passante, il a ainsi Ă©tĂ© possible de maĂźtriser une rĂ©ponse Ă©lectrique sur une plage d’accord au delĂ  de 40%, tout en conservant la qualitĂ© de la rĂ©ponse Ă©lectrique (pertes, adaptation). En outre, la cascade de rĂ©sonateurs annulaires permet de dĂ©velopper des solutions multi bandes dont les frĂ©quences centrales peuvent ĂȘtre contrĂŽlĂ©es. Ces derniĂšres topologies ainsi que le dĂ©veloppement des synthĂšses associĂ©es font l’objet d’une collaboration avec l’UniversitĂ© de Mara (Malaisie).

Filtre bi-mode pseudo-elliptique pour application spatiale

La mise en Ɠuvre de fonctions accordables en bande sub-millimĂ©triques constitue un enjeu majeur. Outre la maĂźtrise de la fonction assurĂ©e par la synthĂšse, il est alors primordial d’assurer une bonne maĂźtrise technologique compte tenu du niveau d’exigence propre aux frĂ©quences visĂ©es. Ces aspects ont pu ĂȘtre traitĂ©s en collaboration avec l’IEMN mais aussi avec le LAAS, avec qui est proposĂ©e une topologie innovante de rĂ©sonateur. Elle permet un accord en frĂ©quence de la bande W (94 GHz) Ă  la bande V (60GHz). La solution proposĂ©e utilise un MEMS dont la gĂ©omĂ©trie a Ă©tĂ© spĂ©cialement dĂ©veloppĂ©e pour cette gamme de frĂ©quence. L’implantation technologique a nĂ©cessitĂ© le dĂ©veloppement et la mise en Ɠuvre d’un procĂ©dĂ© spĂ©cifique, pour la fonction passive nominale d’une part et d’autre part pour le MEMS. Les illustrations qui suivent montrent une rĂ©alisation ainsi que le rĂ©sultat (en simulation) associĂ© pour trois configurations.

Filtre reconfigurable Ă  MEMS en bandes V et W

Toujours Ă  la recherche de l’accord en frĂ©quence des filtres, le groupe s’est orientĂ© vers des actions de rupture technologique pour lesquelles des techniques sont dĂ©tournĂ©es de leurs utilisations nominales afin de dĂ©velopper des fonctions hyperfrĂ©quences. Parmi ces technologies, dans le cadre du projet ANR RF-IDROFIL portĂ© par le Lab-STICC Ă  Brest et en collaboration avec le LAAS, le groupe GRE a dĂ©veloppĂ© des dispositifs utilisant des technologies microfluidiques (rĂ©sonateurs, filtres planaires et SIW). Leurs frĂ©quences de rĂ©sonance ont Ă©tĂ© modifiĂ©es en injectant des liquides diĂ©lectrique et/ou conducteur (GALINSTAN). L’utilisation de ces techniques trouve en outre un intĂ©rĂȘt dans des applications de type bio-capteur pour lesquelles la signature frĂ©quentielle d’un liquide permet de remonter aux propriĂ©tĂ©s physiques de celui-ci. Ci-aprĂšs, la configuration est dĂ©crite puis photographiĂ©e. Le dĂ©calage en frĂ©quence obtenu en mesure est Ă©galement reproduit.

ANR IDROFIL


Exploitation de métamatériaux

Entre 2007 et 2010, le groupe a Ă©tudiĂ© (Ă  la demande de l’ONERA dans le cadre de la thĂšse de Nicolas Capet) les possibilitĂ©s de renforcer le dĂ©couplage entre antennes patchs adjacentes au sein d’un grand rĂ©seau. Le GRE a alors pu mettre en Ă©vidence des effets trĂšs substantiels en exploitant des rĂ©sonateurs Ă  mushrooms double niveau ultra-compacts. Le couplage Ă  une demi longueur d’onde a ainsi pu ĂȘtre abaissĂ© en mesure de -15dB environ Ă  -35dB comme montrĂ© ci-dessous dans le cas d’un couplage dans le plan E de deux antennes patchs. Ce rĂ©sultat positionne cette stratĂ©gie de façon particuliĂšrement favorable. Il est Ă  mettre en relation avec les travaux sur les ondes de surface qui ont suivi au sein du groupe.

DĂ©couplage d’antennes patch par Surface Haute ImpĂ©dance

L’utilisation de mĂ©tamatĂ©riaux imprimĂ©s sur les parois d’un guide d’ondes circulaire ou rectangulaire permet de modifier les propriĂ©tĂ©s du guide (constante de propagation, forme du champ). Des Ă©tudes analytiques ont donc Ă©tĂ© menĂ©es en collaboration avec le CNES pour caractĂ©riser ces propriĂ©tĂ©s (2 masters co-encadrĂ©s en 2012 et 2013 et poursuite par une thĂšse en 2013). Un choix adĂ©quat des impĂ©dances de surface, en appui sur la modĂ©lisation des mĂ©tamatĂ©riaux, a permis d’amĂ©liorer les propriĂ©tĂ©s obtenues dans ces guides. En comparaison avec les guides mĂ©talliques usuels, ces nouveaux guides permettent ainsi d’obtenir une meilleure polarisation pour le guide circulaire, de rĂ©duire la section des guides rectangulaires et circulaires pour une mĂȘme frĂ©quence de coupure, de rĂ©duire la frĂ©quence de coupure pour une mĂȘme section de guide et enfin d’élargir la bande monomode. La configuration de la mĂ©tasurface et l’abaissement de la frĂ©quence de coupure sont exhibĂ©s ci-aprĂšs.

MĂ©tamatĂ©riaux pour les parois d’un guide

Technique de matrices hiérarchiques

ThĂšme MicroOndes / Plasma

La prĂ©valence des Ă©tudes qui exploitent des plasmas tĂ©moigne Ă©galement de l’ambition de jeter les bases d’une ingĂ©nierie MicroOndes / plasma. Cela reprĂ©sente indiscutablement un marqueur fort du groupe que a Ă©tĂ© dĂ©veloppĂ© ces derniĂšres annĂ©es, en partenariat trĂšs Ă©troit avec le groupe LAPLACE-GREPHE au travers de l’action transversale 3EP (ElectromagnĂ©tisme Electrodynamique EnergĂ©tiques et Plasmas) du laboratoire.

Outils de simulation dédiés

Le GRE participe au projet ANR MACOPA (MĂ©thodes Asynchrones pour la Combustion et les Plasmas AtmosphĂ©riques), associant IMFT, IRIT, LAPLACE et ONERA, dont l’objectif est de fournir une librairie fortran 90 capable de simuler des problĂšmes multi-physiques et surtout multi-Ă©chelles par l’utilisation d’une approche dite “asynchrone” : le pas de temps du schĂ©ma numĂ©rique peut diffĂ©rer d’une cellule Ă  l’autre de la discrĂ©tisation spatiale du domaine de calcul. Dans ce projet, le GRE s’implique plus spĂ©cifiquement dans le dĂ©veloppement des modules concernant les Ă©quations de Maxwell et incluant le couplage avec les plasmas. Ces diffĂ©rents dĂ©veloppements sont en cours de validation en espĂ©rant pouvoir en faire un outil d’aide Ă  la conception pour certains dispositifs micro-ondes/plasma que souhaite dĂ©velopper 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 initialisĂ© une stratĂ©gie de co-intĂ©gration visant Ă  insĂ©rer des micro dĂ©charges dans des circuits planaires. Des topologies capables de magnifier l’effet du plasma ont d’abord Ă©tĂ© identifiĂ©es pour ĂȘtre ensuite caractĂ©risĂ©es dans de larges gammes de paramĂštres microondes (frĂ©quence) et plasma (composition gazeuse, pression). Ce travail a permis d’intensifier considĂ©rablement cette interaction et de proposer de l’exploiter dans le cadre de l’insertion trĂšs originale d’une protection antennaire contre les agressions HPM (High Power Micro-wave). La faisabilitĂ© a ainsi pu ĂȘtre dĂ©montrĂ©e expĂ©rimentalement dans le cadre d’une thĂšse. Les images ci-dessous prĂ©sentent successivement : la configuration Ă©lectromagnĂ©tique d’émission et rĂ©ception, l’environnement confinĂ© et contrĂŽlĂ© en pression et composition gazeuse, l’antenne activĂ©e puis le diagramme de la puissance reçue en fonction de la puissance Ă©mise, dont la discontinuitĂ© caractĂ©rise l’allumage du plasma et la protection de l’antenne.

Protection d’une antenne contre les agressions HPM

En appui sur les compĂ©tences acquises dans les domaines des ondes de surface et des plasmas, une stratĂ©gie originale a Ă©tĂ© proposĂ©e afin de rĂ©aliser une antenne Ă  balayage Ă  onde de fuite. En exploitant le contrĂŽle de la densitĂ© Ă©lectronique qu’offre le plasma, il devient en effet possible de balayer un large secteur angulaire comme cela a Ă©tĂ© montrĂ© par la modĂ©lisation.

C’est cette mĂȘme approche, de recherche de l’accord en frĂ©quence de filtres, qui a motivĂ© l’utilisation du plasma comme matĂ©riau Ă  propriĂ©tĂ©s Ă©lectriques contrĂŽlables. Initialement orientĂ©s vers la modification de permittivitĂ© du matĂ©riau, les choix technologiques se sont portĂ©s vers l’utilisation du plasma dans sa phase conductrice. Dans ce cadre, deux types de dispositifs ont Ă©tĂ© dĂ©veloppĂ©s :

  • des filtres pseudo-volumiques SIW dont les topologies ont Ă©tĂ© Ă©laborĂ©es afin de minimiser l’impact des pertes du plasma, rĂ©putĂ©es importantes, configuration multi cavitaire. Les rĂ©sultats simulĂ©s sont prĂ©sentĂ©s ci-dessous ;

Filtre SIW accordable Ă  plasma

 

  • des micro-commutateurs hybrides (planaires – SIW) qui tirent profit tant de la conductivitĂ© du plasma (diminution du coefficient de couplage Ă  travers l’iris) que des pertes du plasma pour amĂ©liorer la dynamique d’isolation du commutateur. Un Ă©clatĂ© de la ligne ainsi que les rĂ©sultats simulĂ©s aux Ă©tats off et on du plasma sont prĂ©sentĂ©s Ă  la suite.

Micro-commutateur Ă  plasma

Technologies Ă©mergentes

Pour assurer tant les performances Ă©lectriques que la reconfigurabilitĂ© des dispositifs nous dĂ©veloppons des technologies en rupture avec les voies classiques. Parmi celles-ci, les technologies plasma, bien que dĂ©licates Ă  mettre en oeuvre, sont au coeur de nos prĂ©occupations. Elles permettent d’assurer un contrĂŽle des paramĂštres physiques du plasma et, par consĂ©quent, 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 dĂ©multiplexeur BIE – Plasma

Filtre SIW accordable Ă  plasma

Caractérisation de plasma

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Circuits accordables Ă  base de plasma :

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Moyens

Le GRE est localisĂ© sur les deux sites du laboratoire et le groupe dispose de moyens de mĂ©trologie sur les deux sites. Sans faire une liste exhaustive de tous ses Ă©lĂ©ments de mĂ©trologie, le GRE dispose entre d’autre d’Analyseurs de RĂ©seau Vectoriel, d’un photoplotter pour la rĂ©alisation de masque de gravure, d’une cage de Faraday, d’une chambre semi-anĂ©choĂŻque 
.

Spécifications techniques des Analyseurs de Réseau Vectoriel

Le GRE dispose de plusieurs Analyseurs de Réseau Vectoriel avec 2 accÚs coaxiaux. Pour des multipÎles, les mesures seront possibles, sous réserve de connecter les autres accÚs sur des charges adaptées 50Ω.

Les possibilités de mesure sont :

  • des dispositifs passifs, actifs ou rayonnant ;
  • des dispositifs Ă  un seul accĂšs coaxial (charges, cavitĂ©s rĂ©sonantes, antennes 
) ou deux accĂšs (filtres, coupleurs, amplificateurs 
) ;
  • la caractĂ©risation de diĂ©lectrique (permittivitĂ© complexe de substrat de faible Ă©paisseur);
  • des connectiques coaxiales 7mm, 3.5mm ou K en sortie d’ARV mais le groupe dispose de transitions pour pouvoir mesurer des dispositifs avec d’autres connectiques coaxiales (type : TNC, BNC, N, SMA, GR874).

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 Agilent E5071C-2K5Anritsu 37369CHP 8753C-006
    
connectiques3.5mmK7mm
frĂ©quences300kHz – 20GHz40MHz – 40GHz300kHz – 6GHz
dynamique de mesure70dB < 
 < 123dB70dB < 
 < 123dB95dB < 
 < 100dB
plancher de bruit< -110dBm< -65dBm< -90dBm
P max (accĂšs RF)+26dBm+30dBm+26dBm
DC max35V – 200mA40V – 500mA30V – 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 :

  • au moyen d’une sonde coaxial haute tempĂ©rature (-40°C Ă  +200°C) ;
  • sur la bande 200MHz-6GHz associĂ© Ă  l’ARV HP8753C (sinon jusqu’à 20GHz avec l’ARV HP8510B) ;
  • pour des substrats type circuits imprimĂ©s ou pour des liquides ;
  • avec une tolĂ©rance de +/-5% sur la permittivitĂ© relative et +/-0,05 sur les pertes diĂ©lectriques.

Cage de Faraday

Le GRE dispose d’une cage de Faraday (type 84 de la SociĂ©tĂ© Industrielle du Ternois) Ă  double blindage par grillage cuivrĂ©. Ces dimensions intĂ©rieures 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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