Aperiodic bROadband Metasurface Antennas – AROMA

Les technologies sans fil ultra large bande et la connectivité sans couture au cloud et au réseau justifient pleinement l’exploitation des bandes sub-THz. A ces fréquences, la compensation des pertes par espace libre imposent l’usage d’antennes à très fort gain. Les solutions actuelles, de nature quasi-optiques (lentilles, réflecteurs), reposent trop souvent sur des concepts conservateurs et quasi exclusivement passifs, donc non adaptatifs ; de plus, ces concepts conduisent à des front-ends radio tellement volumineux que leur intégration sur plateformes mobiles ou mobilier urbain peut devenir impossible.

L’ambition du projet AROMA est d’apporter une solution de rupture face à ces deux enjeux. AROMA a pour objectif d’explorer les potentialités des antennes à métasurface (MTS) pour la réalisation de surfaces intelligentes ultra-fines. Les antennes à MTS consistent à moduler l’impédance équivalente de l’ouverture rayonnante pour convertir l’onde de surface excitée par la source (en général ponctuelle et unique) en une onde d’espace. Les versions à grand gain souffrent d’une limitation majeure : leur bande passante (BP) réduite.

Pour aller au-delà des limites physiques définissant le produit « gain x BP » des antennes à MTS à excitation unique, la vision de AROMA est d’étudier des antennes à MTS constituées d’un arrangement non périodique de tuiles à MTS, chaque tuile possédant sa propre excitation. Cette nouvelle architecture d’antennes à MTS permettra aussi de reconfigurer les champs dans l’ouverture rayonnante globale, offrant ainsi la capacité unique de réaliser des peaux intelligentes.

AROMA s’appuie sur 2 hypothèses de recherche déjà validées par des résultats préliminaires (cf. proposition détaillée) :
• Comme la BP de l’antenne à MTS est inversement proportionnelle à son rayon, il est possible d’augmenter cette bande sans affecter le gain (G) d’antenne en subdivisant l’ouverture rayonnante globale en ouvertures de plus petites tailles, chacune d’entre elles étant excitée par son propre port.
• La construction non périodique du réseau de tuiles à MTS et le choix judicieux de leur propre diagramme de rayonnement permet de supprimer tout lobe de réseau.

AROMA possède 4 objectifs principaux :
1) Travaux théoriques : étude des limites physiques des antennes à tuiles MTS apériodiques. L’augmentation du nombre N de tuiles permet d’accroître la BP proportionnellement à N, sans dégrader le gain G. Cela s’accompagne inévitablement d’une complexification et densification du réseau d’alimentation (BFN). Il s’agira donc définir les architectures optimales (en terme de produit « gain x BP ») à nombre minimal de tuiles.
2) Travaux de conception : définition des modulations d’impédance optimales pour chacune des tuiles constitutives de l’antenne globale. Différents types de tuiles seront considérés. Les lois d’impédances modulées théoriques seront ensuite mises en œuvre grâce à l’utilisation de motifs métalliques sub-longueur d’onde de géométrie appropriée. Les BFN des tuiles seront également conçus.
3) Fabrication des preuves de concept (PoC) : plusieurs antennes à tuile MTS seront fabriquées soit par photolithographie sur substrats à faible perte, soit par micro-usinage volumique de wafers de Silicium qui seront ensuite métallisés.
4) Caractérisation expérimentale des PoC, via la plateforme M²ARS de l’IETR.

AROMA est un projet de recherche fondamentale de rupture qui ambitionne de dépasser largement l’état de l’art des antennes ultra fines, large bande (>20%) et très directives (> 40 dB) en bande J. De durée 42 mois, il s’appuie sur l’expertise au plus haut niveau d’un jeune chercheur de l’IETR en électromagnétisme, conception d’antennes, antennes à MTS, microfabrication et métrologie avancée. AROMA sera accompagné par un comité scientifique externe impliquant des experts de renommée mondiale en antennes MTS et technologies THz, ainsi que par un opérateur de télécommunications (Orange) et un équipementier (RFS