Modélisation et études expérimentales de structures à bande interdite électromagnétique reconfigurables intégrant des capillaires plasmas pour applications micro-ondes PDF Download

Author: Stefan Varault
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Languages : fr
Pages : 231

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Book Description
Les matériaux à bande interdite électromagnétique (BIE), souvent nommés cristaux électromagnétiques, sont partie intégrante de la vaste famille des métamatériaux. Ils constituent l'objet d'études intensives depuis les deux dernières décennies suite au large éventail d'applications auxquelles ils donnent accès, souvent impossibles à obtenir avec des matériaux naturels, à l'instar de la réfraction négative. Généralement périodiques, ces structures sont caractérisées par trois paramètres principaux : la topologie du réseau, le pas du réseau, et la constante diélectrique de ses constituants. Leur périodicité permet l'ouverture de bandes de fréquence pour lesquelles la propagation des ondes est impossible, à l'image du miroir de Bragg. De plus, la forte anisotropie qui les caractérise permet le contrôle de la propagation des ondes électromagnétiques. Ils offrent ainsi des propriétés de filtrage à la fois spectral et spatial. Les applications courantes des cristaux photoniques et électromagnétiques incluent, sans toutefois y être limitées, les structures antennaires millimétriques et centimétriques, les surfaces haute impédance, les cavités résonantes, ou encore les différents dispositifs de guidage des ondes, basés sur les principes de réflexion interne totale, ou de cavités couplées. Bien que le domaine des applications technologiques potentielles s'accroisse rapidement, ces structures restent essentiellement passives. De ce fait, différents nouveaux concepts visant à leur conférer un caractère reconfigurable ont récemment émergés, que ce soit par le biais de matériaux ferroélectriques, de cristaux liquides, ou encore de composants actifs tels que les diodes ou les systèmes microélectromécaniques (MEMS), et plus récemment encore, les réseaux à base de microdécharges à plasma. Ce travail de thèse s'inscrit dans cette optique, et nous tentons d'apporter des solutions basées sur l'utilisation de capillaires à plasma pour permettre de reconfigurer, ou encore d'accorder dynamiquement ces structures, dans le domaine des microondes. En raison des pertes importantes et inévitables mises en jeu dans les plasmas, nous avons préféré limiter leur nombre en nous basant sur le contrôle de modes de défauts localisés plutôt que sur des réseaux complets de plasmas. Ces études ont été ménées à la fois de manière théoriques et expérimentales. Le travail se divise donc en deux parties. Dans un premier temps, nous développons les outils numériques adaptés à nos configurations, assez particulières puisqu'elles font intervenir des cylindres creux où règne un plasma. Nous nous basons d'abord, pour l'étude des réseaux infinis, sur la méthode des ondes planes. Souvent limitée au cas diélectrique, nous l'étendons aux cas de capillaires plasmas, et implémentons un outil complet pouvant traiter les cas classiques (tiges diélectriques, métalliques, et plasmas) comme des configurations plus particulières, tels que des cylindres bicouches impliquant deux matériaux différents. Dans le cas de réseaux finis, nous reprenons la méthode des matrices de diffraction, souvent limitée à des incidences planes et des cylindres pleins, que nous étendons au cas d'une incidence gaussienne d'abord, puis quelconque, dans le cas plus général de cylindres stratifiés. Nous implémentons également le cas des sources ponctuelles, donnant accès au calcul des densités locales d'état facilitant l'étude des modes de surface. La deuxième partie du travail concerne plutôt l'aspect expérimental de cette thèse. Des validations des outils précédents par la mesure sont d'abord présentées, basées sur l'étude de réseaux diélectriques, métalliques, et mixtes. Ces outils numériques sont ensuite mis à profit pour réaliser des structures potentielles commutables et accordables intégrant des capillaires à plasma. Une étude complète à la fois théorique et expérimentale est notamment menée sur des cavités résonantes à base de capillaires afin de dégager le type de technologie le plus adapté à la réalisation de dispositifs microondes (coupleurs, démultiplexeurs). La dernière partie concerne l'amélioration des dispositifs précédents, pour lesquels le couplage de l'onde incidente avec le réseau est assez faible, par le biais des modes de surface. Ce principe est ensuite utilisé pour créer une structure rayonnante directive dont la déviation angulaire du faisceau peut être contrôlée dynamiquement par le biais de capillaires plasma localisés à la surface du réseau.