Doctorat : «Surfaces sélectives de fréquence modulées pour miroirs dichroïques améliorés» – France

Proposition de doctorat 2024

Surfaces sélectives de fréquence modulées pour miroirs dichroïques améliorés

Arrière-plan

Les surfaces sélectives en fréquence (FSS) sont des structures périodiques passives qui permettent de diriger l’énergie d’une onde électromagnétique (EM) incidente dans différentes directions de l’espace. De cette façon, le FSS peut être considéré conceptuellement comme des multiplexeurs spatiaux qui dirigent différentes fréquences vers différentes directions dans l’espace. Les FSS sont des éléments clés des grandes antennes de passerelle de télécommunication où ils fonctionnent comme des miroirs dichroïques. Dans ce cas, ils sont utilisés pour diriger les ondes associées à différentes fréquences depuis ou vers des sources situées aux foyers virtuels du réflecteur [Pasian]. Pour les applications télécoms, les fréquences considérées vont de la bande Ka aux bandes Q et V. Les solutions actuelles permettent de séparer deux bandes de fréquences et reposent sur des architectures 2D purement périodiques.

Objectif et application

Cette thèse vise à développer des FSS innovants avec des capacités de multiplexage améliorées. L’application prévue concerne les nouveaux miroirs dichroïques pour les grandes antennes de passerelles de télécommunications.

Des défis fondamentaux

1) FSS modulé pour miroirs dichroïques améliorés.

Avec un FSS conventionnel purement périodique, les performances sont limitées en raison de la variation des angles d’incidence des ondes incidentes le long du miroir. En effet, la réponse de la cellule élémentaire FSS varie avec l’angle d’incidence ce qui entraîne une augmentation des pertes et des polarisations croisées. Dans la thèse proposée, le FSS modulé (MFSS) sera exploré pour surmonter cette limitation. Chaque cellule du MFSS sera optimisée pour compenser les effets d’incidence. Cette approche s’inspire directement des méthodologies de synthèse de réseaux réfléchissants dans lesquelles les partenaires ont une vaste expérience [Guarriello]. Le concept MFSS sera mis en œuvre en exploitant le nombre élevé de degrés de liberté (DoF) offerts par la cellule Phoenix multicouche [Moustafa] pour améliorer les caractéristiques d’amplitude et de phase, optimisant ainsi la réponse dans la réflexion et dans les bandes de transmission (pertes de retour dans transmission, fuite en réflexion, déséquilibre de phase en transmission et en réflexion). Un grand nombre de DoF doivent être gérés intelligemment pour générer une base de données à exploiter dans le concept MFSS.

2) Multiplexage multifaisceau.

Le FSS périodique classique permet de discriminer spatialement deux bandes de fréquences. Nous visons à concevoir des MFSS permettant de séparer plusieurs bandes (« multiplexage multifaisceau ») en dirigeant les signaux EM associés dans différentes directions. Des concepts similaires sont explorés dans le domaine optique pour réaliser des méta-lentilles dont le foyer dépend de la couleur [Jung] ou des réflecteurs combinant des fonctions de focalisation et de filtrage [Sadeqi]. Grâce à cette multifonctionnalité, un seul écran MFSS pourrait potentiellement remplir les fonctions assurées par deux écrans FSS conventionnels ou plus.

Défi technologique

L’augmentation des fréquences vers les bandes mm est également un axe de la thèse proposée. Les technologies de fabrication habituellement utilisées dans les bandes hyperfréquences rencontreront des limites et les technologies héritées de la microélectronique seront considérées. Nous visons à accroître nos compétences dans ce domaine pour développer un savoir-faire national. Nous souhaitons explorer les techniques disponibles telles que la sérigraphie, la croissance électrolytique ou l’usinage de substrats.

L’équipe de recherche : Institut d’Electronique et des Technologies du numérique (IETR) & Thales Alenia Space France (TASF)

La conception de MFSS combinera les problèmes de synthèse FSS et de surfaces quasi-périodiques modulées. TASF et l’IETR ont une grande expérience dans ces domaines avec de nombreuses contributions scientifiques significatives dans la conception de cellules [Moustafa], de miroirs dichroïques entièrement métalliques [Legay] ou d’optimisation de surfaces quasi-périodiques [Guarriello].

Concernant la fabrication, nous travaillerons en collaboration avec la plateforme NanoRennes impliquant l’IETR et l’Institut FOTON, dotée de capacités de micro-fabrication.

Pour la caractérisation des prototypes, nous nous appuierons sur la plateforme expérimentale unique de l’IETR.

Dates, lieux et encadrement de thèse

• Date de début : octobre 2024.
• Durée : 36 mois.
• Bourse complète de 3 ans offerte (salaire brut d’au moins 2100 Euros/mois).
• Lieux : IETR Rennes, France (50%) et Thales Alenia Space Toulouse, France (50%), les durées des deux périodes seront modulées en fonction de l’avancement de la recherche et des souhaits du doctorant.
• Directeur de thèse : Renaud LOISON (IETR).
• Co-encadrement : Erwan FOURN (IETR) et Andrea Guarriello (TASF).

Profil et candidature

• Profil : étudiant en dernière année de master ou dernière année de formation d’ingénieur en électronique et/ou télécommunications.
• Citoyenneté : Union européenne ou Suisse.
• Postulez par email à :
  • Renaud.Loison@insa-rennes.fr
  • Erwan.Fourn@insa-rennes.fr
  • Andrea.Guarriello@thalesaleniaspace.com
• Envoyer : CV + lettre de motivation + relevés de notes (licence, première année de master) + lettre(s) de référence si possible (format pdf pour tous les documents).

Bibliographie

[Pasian] M. Pasian et al., « Conception multiphysique et vérification expérimentale d’un miroir dichroïque quadri-bande pour les stations au sol dans l’espace profond », IET Microwaves, Antennas & Propagation, 7(6):391–398, 2013.

[Jung] J. Jung et al., «Métamatériaux et métasurfaces à large bande : une revue du point de vue des matériaux et des dispositifs» Nanophotonics, 2020.

[Sadeqi] A. Sadeqi et al., «Impression tridimensionnelle de l’optique géométrique intégrée aux métamatériaux (MEGO)» Microsyst Nanoeng, 2019.

[Moustafa] L. Moustafa et al, «The Phoenix Cell: A New Reflectarray Cell With Large Bandwidth and Rebirth Capabilities», dans Antennes IEEE et lettres de propagation sans fil, vol. 10, pages 71 à 74, 2011.

[Legay] H. Legay et al, « Ecran dichroïque métallique », Brevet déposé le 14/04/2022, FR2203458.

[Guarriello] A. Guarriello et al., «Co-conception structurelle et radiofréquence et optimisation de grands réseaux réflecteurs déployables pour les missions spatiales», dans IEEE Transactions on Antennas and Propagation, vol. 71, non. 5, pp. 3916-3927, mai 2023.