Présentation
RÉSUMÉ
Les antennes sont essentielles aux systèmes de communication, mais leurs performances sont limitées par les matériaux conventionnels. Les métamatériaux, apparus au début des années 2000, offrent de nouvelles possibilités grâce à leurs propriétés électromagnétiques extraordinaires. Associés aux antennes, ils permettent la miniaturisation, le contrôle du rayonnement et l’amélioration du gain. L’objectif de cet article est de préciser les concepts et la terminologie utilisée, puis de présenter plusieurs méthodes permettant de dimensionner l’antenne avec le métamatériau quand cela est possible, de donner certaines limites ou plus simplement de définir l’intérêt de la solution à métamatériaux proposée.
Lire cet article issu d'une ressource documentaire complète, actualisée et validée par des comités scientifiques.
Lire l’articleAuteur(s)
-
Xavier BEGAUD : Professeur, Responsable du département Communications et Électronique (ComElec) - Laboratoire de Traitement et Communication de l’Information (LTCI), Télécom Paris, Institut Polytechnique de Paris, Palaiseau, France.
INTRODUCTION
Les antennes sont des éléments clés des systèmes de télécommunications, des radars ou pour l’Internet des objets, mais leurs performances en termes de bande de fréquences de fonctionnement, de gain et d’encombrement sont contraintes, notamment par les limites physiques des matériaux conventionnels.
Les métamatériaux sont apparus au début des années 2000 et ont suscité depuis de nombreux travaux. Il s’agit de structures artificielles ayant des propriétés électromagnétiques extraordinaires, telles qu’un indice de réfraction négatif ou une permittivité et une perméabilité contrôlées. Ces propriétés, qui n’existent pas à l’état naturel, offrent de nouveaux degrés de liberté pour la conception d’antennes. Elles permettent de mettre au point de nouveaux systèmes antennaires, capables d’améliorer le rayonnement, de le contrôler et de réduire son encombrement.
L’étude des interactions entre l’antenne et le métamatériau représente un domaine de recherche dynamique associant la physique, l’électromagnétisme et l’ingénierie des systèmes de télécommunications. Les travaux sur les métamatériaux sont très nombreux et il est important de définir précisément les termes utilisés, pour s’y retrouver et mieux se rendre compte de l’étendue des applications potentielles. Une fois la terminologie connue, les premiers travaux portant sur la permittivité et la perméabilité négatives rappelés vont démontrer comment synthétiser ces matériaux sous les hypothèses importantes de modélisation et d’homogénéisation. D’autres métamatériaux, comme les lignes composites main droite main gauche, les surfaces hautes impédances, les conducteurs magnétiques artificiels vont aussi être présentés et leurs caractéristiques essentielles permettant de les dimensionner seront détaillées. Cette première phase est essentielle pour utiliser correctement les métamatériaux avec les antennes.
Dans de nombreuses applications, les antennes sont en très grande proximité des métamatériaux et elles interagissent nécessairement avec ces derniers. Les problématiques sont variées et adressent ainsi la réduction des dimensions en volume ou en épaisseur, l’augmentation de la directivité, voire du gain, la formation ou le balayage de faisceau. L’idée est donc de donner au lecteur un certain nombre de méthodes pour dimensionner l’antenne avec le métamatériau quand cela est possible, de préciser certaines limites ou plus simplement de définir l’intérêt de la solution à métamatériaux proposée.
Le lecteur trouvera en fin d’article un glossaire des termes et des expressions importants de l’article, ainsi qu’un tableau des notations et des symboles utilisés.
Cet article est réservé aux abonnés.
Il vous reste 92 % à découvrir.
Déjà abonné ? Se connecter
MOTS-CLÉS
métamatériau métasurface conception d'antennes permittivité négative perméabilité négative conducteur magnétique artificiel composite main droite main gauche
DOI (Digital Object Identifier)
Présentation
Antennes à métamatériauxArticle inclus dans l'offre
Actualisée et enrichie d’articles validés par nos comités scientifiques.
Quiz, médias, tableaux, formules, vidéos, etc.
Opérationnels et didactiques, pour garantir l'acquisition des compétences transverses.
Un ensemble de services exclusifs en complément des ressources.
3. Antennes associées à des métamatériaux
3.1 Métamatériaux utilisés comme réflecteurs d’antennes
3.1.1 Problématique
Il y a plusieurs raisons d’associer un réflecteur à une antenne . La première est de rendre l’antenne plus directive, c’est-à-dire que l’on souhaite « renvoyer » le rayonnement d’une direction vers une autre et renforcer ainsi le rayonnement initialement produit dans cette autre direction. Une autre raison est de protéger l’électronique de commande placée derrière ce réflecteur. Pour protéger ces circuits, on peut utiliser une cavité absorbante. La solution sur cavité absorbante est simple, mais la moitié du rayonnement est perdue. Les absorbants sont généralement lourds et ont des caractéristiques difficilement reproductibles. La cavité est habituellement dimensionnée à un quart de longueur d’onde à la fréquence basse d’utilisation, ce qui devient un problème pour des applications basses fréquences. L’autre technique, plus efficace, consiste à utiliser un réflecteur composé d’un très bon conducteur électrique pour récupérer le rayonnement perdu dans la solution avec cavité absorbante. Cette technique est optimale au milieu de la bande de fréquences d’utilisation, où l’on obtient un phénomène d’interférences constructives en plaçant ce réflecteur à un quart de longueur d’onde (à la fréquence centrale) de l’antenne (figure 16a). Par nature, cette solution est donc à priori limitée en bande passante.
Il apparaît donc difficilement concevable de conjuguer largeur de bande et faible encombrement.
Supposons maintenant que l’on sache réaliser un conducteur magnétique parfait. Alors qu’un conducteur métallique réfléchit les ondes et impose...
Cet article est réservé aux abonnés.
Il vous reste 94 % à découvrir.
Déjà abonné ? Se connecter
Antennes associées à des métamatériaux
Article inclus dans l'offre
Actualisée et enrichie d’articles validés par nos comités scientifiques.
Quiz, médias, tableaux, formules, vidéos, etc.
Opérationnels et didactiques, pour garantir l'acquisition des compétences transverses.
Un ensemble de services exclusifs en complément des ressources.
BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - HAPGOOD (F.), GRANT (A.) - Metamaterial revolution : the new science of making anything disappear. - Discover (2009).
-
(2) - PENDRY (J.B.), HOLDEN (A.J.), ROBBINS (D.J.), STEWART (W.J.) - Low frequency plasmons in thin-wire structures. - J. Phys. : Condens. Matter 10, p. 4785-4809 (1998).
-
(3) - PENDRY (J.B.), HOLDEN (A.J.), ROBBINS (D.J.), STEWART (W.J.) - Magnetism from conductors and enhanced nonlinear phenomena. - IEEE Trans. Microwave Theory Tech. 47, p. 2075-2084 (1999).
-
(4) - SMITH (D.R.), PADILLA (W.J.), VIER (D.C.), NEMAT-NASSER (S.C.), SCHULTZ (S.) - Composite medium with simultaneously negative permeability and permittivity. - Phys. Rev. Lett. 84, p. 4184-4187 (2000).
-
(5) - VESELAGO (V.G.) - The electrodynamics of substances with simultaneously negative values of ε and µ. - Sov. Phys. Usp. 10 509 (1968).
-
...
DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
-
Technologies d’antennes – De l’antenne élémentaire aux grandes antennes.
-
Métamatériaux acoustiques, électromagnétiques et sismiques – Pour les ondes du nanomètre au mètre.
-
Matériaux composites en électromagnétisme – Caractérisation.
-
Matériaux composites en électromagnétisme – Matériaux absorbants radar.
-
...
ANNEXES
Echodyne :
Pivotal Commware :
Kymeta :
Greenerwave :
HAUT DE PAGE2.1 Organismes – Fédérations – Associations (liste non exhaustive)
Virtual Institute for Artificial Electromagnetic Materials and Metamaterials
http://school.metamorphose-vi.org/
HAUT DE PAGE2.2 Laboratoires – Bureaux d’études – Écoles – Centres de recherche (liste non exhaustive)
Institut Fresnel, Université de Marseille.
IEMN, Université de Lille.
LEME, Université...
Cet article est réservé aux abonnés.
Il vous reste 93 % à découvrir.
Déjà abonné ? Se connecter
Article inclus dans l'offre
Actualisée et enrichie d’articles validés par nos comités scientifiques.
Quiz, médias, tableaux, formules, vidéos, etc.
Opérationnels et didactiques, pour garantir l'acquisition des compétences transverses.
Un ensemble de services exclusifs en complément des ressources.
