GRE – GROUPE DE RECHERCHE EN ELECTROMAGNETISME

PRÉSENTATION

Responsable de groupe :

Ronan PERRUSSEL (Chargé de Recherches, CNRS)

Animation scientifique :

Ronan PERRUSSEL (Chargé de Recherches, CNRS)

Mission lien avec les doctorants :

Anne-Laure FRANC (Maitre de Conférences, CNRS)

OBJECTIFS GÉNÉRAUX :

Modélisation et conception de dispositifs hyperfréquences innovants
Les activités de recherche du groupe s’articulent autour de trois axes :
la modélisation et les méthodes numériques : amélioration des méthodes numériques existantes pour l’électromagnétisme et développement de méthodes ou modèles dédiés à des applications électromagnétiques innovantes ;
conception de circuits passifs HF et caractérisation : développement de nouvelles topologies de circuits, mise en œuvre technologique et intégration / développement de synthèses de filtres, développement de moyens de mesure et caractérisation de milieux homogènes ou inhomogènes ;
l’interaction micro-ondes / plasma : développement de circuits intégrant des zones de plasma, étude et amélioration de la génération de plasma par source RF.
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 :

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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 à base de plasma :

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Commandes sans fil de machines :

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Thème Modélisation

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 :

  • La WCIP avec la mise en œuvre d’une méthode par sous-espace de Krylov combinée avec un pré-conditionnement adapté (collaboration INRIA-CERFACS).
  • Les équations intégrales pour des applications basse fréquence 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 été le développement d’algorithmes de matrices dites “hiérarchiques”.

Technique de matrices hiérarchiques

  • La diffraction par les surfaces rugueuses, dans le cadre d’une thèse en collaboration avec l’ONERA. Un pré-conditionneur physique pour les équations intégrales de frontière a été développé. Dans le cadre de cette thèse, des conditions d’impédances pour une rugosité périodique sur une interface diélectrique ont aussi été proposées.

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 :

  • Le premier concerne la modélisation temporelle et spatio-temporelle des affaiblissements troposphériques. Des modèles stochastiques originaux du canal de propagation troposphérique, nécessaires pour le dimensionnement des futurs systèmes de Télécommunication opérant au-delà de 10 GHz, applicables en tout point du globe, ont été développés. Par ailleurs, des travaux ont été conduits sur l’estimation de la variabilité interannuelle et des intervalles de confiance associés aux statistiques de propagation dérivées de mesure ou de modèle. Ces travaux constituent aujourd’hui la recommandation ITU-R P.678 de l’Union Internationale des Télécommunications.
  • Le second point concerne la modélisation des effets de la turbulence troposphérique ou ionosphérique sur la propagation des ondes électromagnétiques. Une résolution analytique des équations de propagation en milieu turbulent a été conduite pour des configurations 3D et 2D. En parallèle, des schémas numériques 3D/2D qui reposent sur un couplage équation parabolique / écrans de phase ont été développés. L’ensemble permet l’évaluation des effets de scintillation atmosphérique ainsi qu’une paramétrisation analytique des conséquences de la réduction dimensionnelle 3D/2D.

Distribution de la probabilité d’atténuation due à la pluie

Modélisation de l’atténuation troposphérique sur l’Europe

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 :

  • La première porte sur le comportement asymptotique d’une communication OAM et propose de nouveaux concepts de gain et de pertes en espace libre.
  • La seconde démontre la capacité de détecter localement les ordres quantifiés orbitaux en présence de Moment Angulaire de Spin (SAM).

Nous participons également, avec d’autres partenaires locaux (CNES, ENAC, ISAE), au développement d’une démonstration de liaison OAM pour début 2015 en direction du grand public.

Matrices hiérarchiques :

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Filtres SIW et SINRD :

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Thème Circuit

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 :

  • Topologie : trouver la topologie présentant les meilleures performances électriques en termes de pertes et de sélectivité tout en présentant une sensibilité suffisamment importante pour faciliter l’accord en fréquence sans perte significative de la qualité électrique ;
  • Synthèse : déterminer la synthèse de la fonction nominale en intégrant l’élément permettant l’accord en fréquence ;
  • Technologie : mettre en œuvre des technologies adaptées tant à la recherche des performances optimales du filtre qu’à la réalisation de l’élément d’accord en fréquence.

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

Thème MicroOndes / Plasma

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 :

  • des filtres pseudo-volumiques SIW dont les topologies ont été élaborées afin de minimiser l’impact des pertes du plasma, réputées importantes, configuration multi cavitaire. Les résultats simulés sont présentés ci-dessous ;

Filtre SIW accordable à plasma

  • des micro-commutateurs hybrides (planaires – SIW) qui tirent profit tant de la conductivité du plasma (diminution du coefficient de couplage à travers l’iris) que des pertes du plasma pour améliorer la dynamique d’isolation du commutateur. Un éclaté de la ligne ainsi que les résultats simulés aux états off et on du plasma sont présentés à la suite.

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

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Circuits accordables à base de plasma :

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Moyens

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 :

  • des dispositifs passifs, actifs ou rayonnant ;
  • des dispositifs à un seul accès coaxial (charges, cavités résonantes, antennes …) ou deux accès (filtres, coupleurs, amplificateurs …) ;
  • la caractérisation de diélectrique (permittivité complexe de substrat de faible épaisseur);
  • 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-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 :

  • au moyen d’une sonde coaxial haute température (-40°C à +200°C) ;
  • sur la bande 200MHz-6GHz associé à l’ARV HP8753C (sinon jusqu’à 20GHz avec l’ARV HP8510B) ;
  • pour des substrats type circuits imprimés ou pour des liquides ;
  • avec une tolérance de +/-5% sur la permittivité relative et +/-0,05 sur les pertes diélectriques.

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

Photoplotter

Le groupe dispose d’un photoplotter permettant la réalisation de masque de gravure avec une résolution minimale de 25µm. Il est donc possible de réaliser des prototypes sur substrat (qualifiés hyperfréquences de préférence) cuivré simple ou double face.

Photoplotter FP3000

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