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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.
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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.
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MOTS-CLÉS
métamatériau métasurface conception d'antennes permittivité négative perméabilité négative conducteur magnétique artificiel composite main droite main gauche
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5. Antennes inspirées des métamatériaux
5.1 Principe
Il existe de nombreux travaux utilisant le terme métamatériau en conception d’antenne. Il faut toutefois être prudent et vérifier pour chaque proposition que l’on se trouve effectivement dans le domaine des métamatériaux, en analysant les dimensions des structures concernées.
En 2008, Erentok & Ziolkovski ont proposé d’insérer une seule inclusion de métamatériaux en tant qu’élément parasite dans le champ très proche d’une antenne électriquement petite afin d’améliorer l’adaptation de l’impédance et l’efficacité du rayonnement. Le terme « antennes inspirées des métamatériaux » a ainsi été défini pour le différencier des « antennes à base de métamatériaux » où des métamatériaux homogénéisés sont considérés.
Une antenne électriquement petite possède une énergie réactive forte dans le champ proche [E 3 282]. Le principe est donc d’insérer dans ce champ proche un élément parasite qui va permettre l’adaptation de l’antenne et optimiser ainsi le rayonnement de l’antenne. L’énergie peut être électrique, comme dans un condensateur, ou magnétique, comme dans une inductance. Chaque cas nécessite donc un élément parasite spécifique dans le champ proche pour agir respectivement comme un milieu ENG ou MNG. Nous allons présenter dans les paragraphes suivants ces deux solutions.
HAUT DE PAGE5.2 Antenne magnétique associée...
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Antennes inspirées des métamatériaux
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BIBLIOGRAPHIE
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(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).
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(5) - VESELAGO (V.G.) - The electrodynamics of substances with simultaneously negative values of ε and µ. - Sov. Phys. Usp. 10 509 (1968).
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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.
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...
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...
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