Antennes sur supports non conventionnels

Cet axe de recherche vise à explorer des supports, des matériaux et des techniques de réalisations pour les antennes dans différentes bandes de fréquences.
Antenne textile

L'objectif est de doter les antennes de nouvelles fonctionnalités et de degrés de liberté supplémentaires. Certains matériaux sont étudiés en collaboration avec l’équipe FUNMAT. Leurs propriétés (souplesse, transparence, absorption, etc) permettent d’envisager de nouvelles applications antennaires (antennes reconfigurables, antennes flexibles conformes), de nouvelles structures absorbantes et la réalisation de dispositifs opto-hyperfréquences.

La conversion du signal hyperfréquence dans le domaine optique ouvre des possibilités hors de portée des systèmes entièrement micro-ondes. En effet, avec sa bande passante ultra-large, l’optique a non seulement acquis une suprématie dans les réseaux de télécommunications, mais elle pénètre aussi de plus en plus dans les systèmes hyperfréquences et intervient dans le traitement de l’information, apportant légèreté, immunité aux perturbations électromagnétiques, et très faibles pertes de propagation sur une très large bande passante.

Les CAN (convertisseurs analogique-numérique) sont des composants essentiels pour beaucoup d'équipements et de systèmes. Nos travaux de recherche portent d’une part sur l’étude et la réalisation de ce type de dispositif visant 6 bits de résolution et 20 GHz de bande passante et d’autre part sur l’amélioration des propriétés fonctionnelles de polymères électro-optiques (EO) destinés aux composants opto-hyperfréquences sur polymères.

Antennes reconfigurables

Nos travaux antérieurs sur les antennes transparentes ont abouti au développement de plusieurs prototypes d’antennes actives optiquement transparentes, et qui fonctionnent dans un large spectre fréquentiel : de la VHF jusqu’au millimétrique. Une étude du matériau métallique maillé à pas micrométrique déposé en couche mince a été réalisée en bande X et en bande millimétrique afin d’optimiser leurs performances à ces hautes fréquences. L’équipe CUTE se positionne parmi l’une des leaders au niveau européen dans ce domaine notamment sur les antennes associées à des diodes de taille extrêmement petite (beam lead Technology), ou des matériaux agiles de type ferroélectriques transparents, afin de les rendre agiles en fréquence.

Des capacités variables BST ont été intégrées dans des Surfaces Sélectives en Fréquence (FSS) agiles en fréquence et en type de réponse ainsi qu’en température utilisant un matériau composite chargé en BaSrTiO3 (Fig.4c). Un réseau compact plan, faible coût, de 256 éléments rayonnants à orientation électronique de faisceau a été conçu pour la réception des émissions de télévision par satellite (Figure 1).

De nouveau concept d’antennes reconfigurables en diagrammes de rayonnements utilisant le milieu Plasma ont été proposés, ex : le dipôle plasma ou le guide à fentes plasma qui se comporte comme un guide à fentes lorsque le plasma est désactivé et comme une ligne coaxiale à fentes quand le plasma est activé.

Concernant la technologie des SIW (Substrate Integrated Waveguide), les travaux réalisés ont porté sur la simulation, la réalisation et la mesure d’antennes 5G passives et actives à balayage de faisceau à fréquence fixe dans la bande 24,25 GHz à 27,5 GHz. Différentes nouvelles méthodes d’excitation de fentes ont été proposées dans cette technologie sans l’utilisation de déphaseurs millimétriques.

La mise au point d’une technique originale de fabrication de matériau à gradient d'indice dans notre équipe nous a permis d'envisager la fabrication de lentilles à gradient d'indice comme la lentille de Luneberg et réaliser des antennes multifaisceaux.

 

Antennes reconfigurables associées aux capteurs

Il s'agit d'intégrer des capteurs de différente nature directement sur des antennes oscillatrices ou sur des circuits micro-ondes. Le comportement de ces dispositifs change lorsqu'ils se retrouvent en présence d'un agent comme un gaz particulier ou simplement d’une élévation de température. Notre équipe collabore étroitement avec les équipes FunMat et MM et de laboratoires ISCR (Institut des Sciences Chimiques de Rennes) afin de rendre ces capteurs communicants sans fil dans différentes bandes de fréquences.

Nous donnons ici l'exemple d'un capteur chimique obtenu par le dépôt de la couche active à base de [Mo6Cl14]2- qui en présence du méthanol change de structure par substitution du chlore par des groupements méthoxyde, ce qui se traduit par un changement de permittivité. Combiné par exemple à une antenne oscillatrice alimentée en DC, le système oscille en présence du gaz à 33 GHz.

Une autre étude porte sur les antennes optiques (Nano-Antennas, qui ont des propriétés similaires, il s’agit de capturer le rayonnement infrarouge (solaire par exemple) et de l'utiliser pour produire une tension continue de sortie (antenne de type Yagi-Uda sensible et excitée via un laser de 1550 nm).

Notre équipe développe aussi un capteur de pression artérielle sans fil implantable et de grande précision et autonomie. Il s'agit là aussi d'une recherche en Interdisciplinarité Ingénierie-Santé en collaboration avec l’institut du thorax (UMR INSERM, CNRS, Univ. Nantes).

Antennes flexibles, conformes

Les antennes flexibles sont actuellement considérées comme une des solutions face aux contraintes géométriques. Cependant, la technologie flexible requiert le choix d’un substrat à la fois souple, respectueux de l’environnement et à moindre coût. Nos travaux s’articulent sur la conception, la réalisation et la mesure d’antennes imprimées sur des substrats diélectriques flexibles.

Nous donnons ici quelques exemples d'antennes flexibles qui nous ont permis de contrôler le diagramme de rayonnement des antennes ULB et des antennes guide à fentes. Les technologies utilisées se basent sur du PDMS (Figure 2), polymères transparents,

En étroite collaboration avec l’équipe MM, deux nouvelles technologies de dépôt métallique (thermoformage, Water Transfer Printing Technology) sur des structures volumiques a été développé (Exemple : une structure FSS 3D sur surface ondulée).

Matériaux absorbants

Nos activités de recherche sur ce thème portent sur le développement de nouveaux matériaux absorbants de faible épaisseur en étroite collaboration avec l’équipe FunMat. En effet, depuis quelques années, l’équipe FunMAT travaille à l’élaboration de nouveaux matériaux absorbants. Plusieurs catégories de matériaux, de compositions et de géométries originales, ont été proposées avec de très bonnes performances dans la bande fréquentielle 2-18 GHz. Au sein de l’équipe CUTE, nous avons apporté d’une part la réalisation d’absorbants hybrides larges bandes grâce à l’introduction d’une couche absorbante de faible épaisseur à métamatériaux et d’autre part la synthèse de matériaux absorbants pour découpler les systèmes antennes ou pour réduire l'effet des réflecteurs de proximités.

Antennes associées aux dispositifs opto-hyperfréquences

Notre équipe a étudié un déflecteur à base d’un guide optique à fuite en polymère électro-optique. C’est l’élément central d’un convertisseur analogique-numérique de signaux hyperfréquence par voie optique alliant haute cadence d'échantillonnage (40 giga échantillons par seconde), nombre de bits élevé (6 bits) et faible consommation (inférieure à 1 W). Des résultats théoriques très exhaustifs ont été obtenus, des solutions originales ont été proposées pour améliorer la bande passante et la résolution du dispositif, quelques procédés technologiques de base ont été validés (Figure 5‑21 a et b). Nous poursuivons actuellement cette étude dans le cadre d’un projet ANR-ASTRID et d’une thèse de doctorat cofinancée par la DGA et la Région des Pays de la Loire. A l’aide de ces moyens décrochés grâce aux résultats convaincants obtenus dans le cadre d’un projet soutenu par la Région des Pays de la Loire et d’une thèse soutenue en 2016, nous avons pu bien avancer dans la dé- monstration expérimentale de la faisabilité d’un déflecteur de faisceau optique commandé par un signal hyperfréquence.

En parallèle avec l’étude sur le composant, nous avons aussi mené une étude visant à améliorer les propriétés fonctionnelles des polymères électro-optiques en les chargeant de nanoparticules. Selon les premiers résultats obtenus, la bande passante des composants opto-hyperfréquences sur polymères électro-optiques pourrait être considérablement augmentée, en accordant l’indice de réfraction avec la constante diélectrique à l’aide de nanoparticules diélectriques. Nous nous attachons à démontrer une exacerbation de l’effet EO par des nanoparticules grâce à leur interaction de surface avec la matrice polymère et les chromophores organiques. En outre, des nanoparticules pourraient réduire la relaxation dans le temps de l’alignement des chromophores par un effet « encapsulant » et conférer une bonne compatibilité thermique et mécanique entre un polymère EO et son « jumeau » chargé de nanoparticules. Ce qui aura pour avantage d’améliorer leur adhésion et réduire les craquelures des structures optiques réalisées.

Enfin, un dispositif de transmission optique/hyperfréquence a été développé spécifiquement en bénéficiant de la transparence optique de l’antenne, en faisant interagir un faisceau laser bi-fréquence avec une photodiode au travers de l’antenne. Les travaux se poursuivent à plus haute fréquence : 60 et 300 GHz pour application 5G.