Ondes électromagnétiques, matériaux et systèmes (OEMMS)

Défi scientifique :

L'une des nouvelles découvertes de la dernière décennie, les méta-matériaux constituent un domaine de recherche passionnant émergeant qui promet d'apporter d'importantes avancées technologiques et scientifiques dans de nombreux domaines importants tels que les télécommunications, les radars, de défense, de l'imagerie médicale, etc. Les méta-matériaux sont des milieux artificiels aux propriétés électromagnétiques inhabituelles. Typiquement, les méta-matériaux peuvent être artificiellement structurés en réseaux périodiques d’inclusions agissant comme de «molécules» artificielles dont la périodicité est beaucoup plus petite que la longueur d'onde de l'onde électromagnétique incidente. Il peut être caractérisé macroscopiquement par des paramètres effectifs tels que la permittivité, la perméabilité, et l’indice de réfraction. L’ingénierie intelligente a fourni des moyens pour développer des matériaux artificiels avec des réponses difficiles à trouver dans la nature parmi les matériaux classiques.

Enjeux scientifiques
Définition, conception et développement de nouveaux méta-matériaux, participation au développement d’antennes basses fréquence de petites dimensions intégrables et de structures antennaires multifonctions.

Enjeux sociétaux
La possibilité d’augmenté la compacité des structures antennaires et des barrières électromagnétiques va permettre de réaliser des capteurs de plus en plus petits, de coût raisonnable (pas trop cher) performants. C’est une contribution à la sécurité et à la prévoyance pour les personnes en milieux dangereux ou/et peu accessibles.
 

Doctorants :

Axel DELHEY, Fanhong MENG

ATER :

Arnaud BRELOY

Mots clés :

méta-matériaux, ondes, antennes

Résultats marquants :

Depuis plusieurs années nous avons développé des compétences dans le domaine de la modélisation de matériaux complexes utilisant dans les domaines microondes et optique ainsi que dans la conception de nouvelles générations d’antennes compactes, multifonctions, ultra-directives à faibles encombrement (nouvelles antennes cavité), de filtres d’ondes de surface large bande, de duplexeurs à surface sélectives en fréquence (FSS), des structures absorbantes très fines à base de méta-matériaux. Ces acquis sont les fruits de notre participation à plusieurs projets des pôles de compétitivité ASTECH et SYSTEMATIC et en particulier le projet Matériaux et Structures Intelligents pour l’Electromagnétisme ; MSIE dont notre groupe a été l’initiateur (Fin en Décembre 2011), le projet OPTIMUM et CONRAHD pour la radio à Haut débit en ondes millimétriques (Fin en Aout 2008) et le projet ELHAN pour la conception de nouveaux matériaux composites pour les antennes millimétriques dédiées pour les communications Haut débit point à point, en collaboration étroite avec Thalès Communication et Alcatel Lucent (Fin en Aout 2012) et également aux projets REI avec la DGA/MRIS (Mai 2013).

Nous avons développé également des compétences en caractérisation et mesure des échantillons méta-matériaux et antennes réalisés souvent en collaboration étroite avec les partenaires des projets ayant des bases de mesure : en ondes millimétriques avec Thalès Communications, en basses fréquences avec Thalès Air Systems DEFENSE (Projets Optimum et CONRAHD), avec RFS Trignac pour les antennes planes 80 GHz (Projet ELHAN), avec INEO DEFENSE et EADS pour les couplages et mesures d’antennes multifonctions du projet MSIE.
 

Projet Scientifique :

Notre projet de recherche pour les prochaines années est l'élaboration d'une nouvelle génération de méta-matériaux à permittivité négative, perméabilité négative (magnétisme artificiel) et à gradient d’indice en se basant sur nos acquis. Les domaines d’applications visés restent ceux satisfaisants aux demandes et aux besoins de l’aéronautique et les communications et la sécurité. Ces dernières applications répondent à une attente forte du marché des communications civiles et militaires. Les points essentiels de notre projet sont :

Antennes compactes en bande V/UHF
Notre laboratoire continuera à rechercher des solutions antennaires compactes et innovantes pour satisfaire les demandes d’intégration aux porteurs (navires, aéronefs et véhicules). Il participera activement à l’élaboration de systèmes et de structures complexes intervenant en aéronautique et en télécommunications, par exemple avec des structures à faible encombrement, plus intégrées favorisant la diminution des effets de trainée et donc de réduction de consommation en pétrole. Il a été montré que le choix des méta-matériaux est le meilleur à ce jour pour la miniaturisation des structures électromagnétiques en bande V/UHF et donc la réduction de leur masse. Parmi les objectifs visés, le domaine radiofréquence (50-400 MHz) qui est réservé aux communications et au radar militaire et civil est un véritable défi pour évaluer de manière fiable l’apport des méta-matériaux dans la miniaturisation des antennes et des réseaux d’antennes. Nous allons y travailler en collaboration avec nos partenaires PME-PMI et industriels en liaison avec les Collectivités Locales et Nationales et les partenaires scientifiques universitaires et des grandes écoles.

Antennes directives
Nous continuerons nos travaux sur les antennes planes compactes pour les communications point à point haut débit en bande 80 GHz. L’étude porte, plus particulièrement sur les méta-matériaux susceptibles d’être utilisés en technologie planaire dans des dispositifs à transformation d’espace soit pour focaliser soit pour contrôler le rayonnement électromagnétique. Ainsi les milieux à gradients d’indices de réfraction planaires sont explorés pour être associé à une lentille de Luneberg planaire.

Les travaux sur les découplages à base de matériaux à indice négatifs seront approfondis. Si la réputation des réseaux méta-matériaux n’est pas d’aider à la largeur de bande, nous imaginons une structure multi-bandes pour contourner cette restriction. On doit pouvoir disposer de matériaux peu épais, flexibles et peu encombrants autorisant des fonctionnements à large bande (bi-bande, multi-bande), pouvant être contrôlés. L’une des applications visées est le rapprochement des antennes réseaux sur petits porteurs.

Antennes multifonctions
L’étude des antennes multifonction, multi bande, multifréquence et multi polarisation a été amorcé durant le projet MSIE. Dans le domaine des basses fréquences nous allons nous intéresser aux antennes intégrables aux porteurs qui peuvent répondre aux différentes fonctions (DME, GPS, UMTS, LTE)Quatrième génération) en une seule antenne. Ce projet doit répondre à la demande de la DGA

Caractérisation de matériaux et structures passifs ou actifs et des fonctions réalisables
Depuis 2012, nous avons développé une chambre anéchoique sur le site de Ville d’Avray pour la mesure des diagrammes de rayonnement des antennes en bande L, X et C.
Nous allons poursuivre la mise au point de techniques de mesure des méta-matériaux en particulier, la mise au point d’un banc de mesure complémentaire pour caractériser les surfaces en réflexion et les objets en SER statique et bi-statique.
Cela permettra dans les domaines ou l’homogénéisation des matériaux posent problème, la compréhension des phénomènes et l’interprétation des résultats (permittivité et perméabilité négatives ou indice négatif). Des équipements complémentaires de matériel sont envisagés pour arriver à mettre en place les moyens de mesure adaptés.

Ouverture sur la modélisation électromagnétique et d’analyse de rayonnement de systèmes complexes et interactions ondes électromagnétiques avec les milieux vivants
Cela concerne les WBAN systèmes communicants implantés et embarqués pour la personne dans les domaines d’application allant de la santé au sport et les loisirs et à la protection des agressions électromagnétiques.

Collaborations Universitaires :

ESPCI, Supelec, Université Paris Sud (IEF), Université Madrid Carlos III, Université de Manchester (Grande Bretagne), U-Paris 13 et Universités North Western NPU de XI’AN, l’Institut d’Electronique (Beijing, chine), Sichuan U (Chengdu, Chine)
 

Partenaires Industriels :

DGA-MRIS, les pôles de compétitivité SYSTEMATIC et ASTECH qui labélise nos projets. Les PME et industriels : INEO Defense Suez, EADS, Dassault Aviation, Alcatel Lucent, UMS, Thalès Com, Thalès air Systems, Elvia, Egide, RFS.
 

Contact :

houslimani@parisnanterre.fr

Mis à jour le 13 novembre 2015