Modélisation et Conception de Métasurfaces Creuses – HOLeYMETA

Les « metasurfaces creuses » (« Holey Metasurfaces ») sont une nouvelle typologie de lentilles à metasurface, récemment proposées par le porteur de ce projet ANR et un collègue, partenaire du projet. On propose ici une première étude détaillée de metasurfaces creuses dans le but de développer une nouvelle méthode analytique/numérique permettant de les modéliser et de caractériser leurs performances, afin de procéder ensuite à la conception de prototypes dédiés à plusieurs applications.

Ces lentilles à gradient d’indice sont réalisées en modulant sur une surface l'indice de réfraction effectif obtenu à l’aide d’un réseau de trous découpés dans un plan métallique. Grace à un placement approprié de ces trous, et à la présence de deux surfaces en regard, un comportement non dispersif a été observé sur une large bande de fréquences, ce qui permet la réalisation de lentilles pouvant balayer le faisceau rayonné dans une bande ultra large sans dégradations significatives. De surcroît, l’énergie se propage dans l’air plutôt que dans un substrat diélectrique comme d’habitude. Cette particularité permet d’envisager des dispositifs rayonnant à hautes puissances, car les pertes diélectriques seront absentes.

Toutes ces propriétés sont d’importance fondamentale pour la conception d’une nouvelle génération de dispositifs répondant au prochain standard 5G dans le cadre des connexions diffusées dans les villes intelligentes. Les nouveaux besoins (débit de données, partage de plusieurs services) ne pourront être satisfaits que en présence d'une large bande, disponible aux ondes millimétriques. En effet, des recherches récentes montrent la faisabilité de connections urbaines entre 28 et 38 GHz. Par contre, alors que des progrès ont été obtenus pour la caractérisation du canal, aucune solution est identifiée pour des dispositifs rayonnants à faible coût, légers, de petites épaisseurs, à bande ultra large avec pertes négligeables. Les metasurfaces creuses sont pour le moment la seule réponse à tous ces besoins.

Les activités de ce projet porteront sur deux sujets principaux, notamment i) la modélisation analytique/numérique, ii) l’étude et la conception.

Les activités de modélisation viseront à développer un model d’une cellule élémentaire à l’aide de circuits équivalents. Les paramètres des circuits équivalents seront exprimés par des formules analytiques (en présence de trous de forme canonique) ou par des expressions numériques. La surface complète sera enfin remplacée par un réseau de circuits équivalents, dont les paramètres seront modulés en modifiant le motif découpé. Le problème électromagnétique sera donc transformé dans un réseau de circuits, que l’on peut résoudre beaucoup plus simplement.

L’étude des performances et des limitations des metasurfaces creuses sera conduit dans le but d’investiguer le comportement ultra large bande, et de quantifier l’impact des pertes dans les matériaux conducteurs et du mauvais alignement entre les plaques métalliques, ce qui est une condition importante pour maximiser la largeur de bande dans laquelle le comportement non dispersif est obtenu. Des transformations optiques (à l’aide de metasurfaces tensorielles où isotropes) seront proposées pour obtenir des diagrammes de rayonnement arbitraires. Ces études permettront la conception de plusieurs prototypes, chacun optimisé pour une application spécifique : bande ultra large, faibles pertes, large bandgap, diagramme de rayonnement arbitraire. Une étude préliminaire sera également conduite sur une structure à balayage de faisceau 2D.

Les résultats de ce projet seront fondamentaux pour établir un nouveau paradigme pour des antennes à lentilles en ondes millimétriques, qui auront un important potentiel de diffusion. De plus, des projets Européens seront montés pour étudier d’autres besoins importants liés au même domaine d’application: polarisation circulaire, antennes bi-bandes, balayage optimisé en 2D, optimisation de plusieurs types de sources.