Composants sans fil reconfigurables basés sur une technologie de substrat microonde programmable – RWC_FPMS

WP1 :
Les travaux sont majoritairement menés pour cet axe par Ontario Tech et Xlim. Dans l’objectif d’optimiser le comportement de la cellule unitaire du FPMS, un code Matlab a été mis en œuvre permettant de générer un FPMS (matrice de cellules reconfigurables) de toutes tailles et avec un nombre de ports à définir via une interface graphique. Ce code est lié au modèle circuit (ADS) de
la cellule unitaire initialement conçu en amont du projet. L’association
modèle électrique équivalent / code Matlab permet la conception de composants hyperfréquences en s’appuyant sur des algorithmes d’optimisation (gradient topologique, algorithmes génétiques,
…) ou bien encore la réparation de défauts (cellules élémentaires inactives) pour reconfigurer le
matériau intelligent.
WP2 :
Les travaux sont majoritairement menés pour cet axe par Ontario Tech et l’IETR. La conception de nouveaux designs de cellules élémentaires a été engagée permettant un fonctionnement en
bande X (10-12GHz). Avec ces cellules en bande X, un FPMS global a été simulé permettant la
conception de guides droits, coudés ou bien encore de diviseurs de puissances reconfigurables.

Une autre cellule en bande X a également été utilisée pour la conception d’une antenne leaky wave
reconfigurable avec dépointage du faisceau et la validation expérimentale vient d’être menée
démontrant le fonctionnement de ce type d’antenne. Il est important de noter que ces derniers
travaux ont été menés entre OntarioTech et l’IETR lors d’un séjour au Canada de D. René—Loxq
(doctorant IETR).
WP3 :
L’IETR travaille actuellement sur la conception de lentilles inhomogènes utilisant les cellules
élémentaires à constante diélectrique variable. Ceci a nécessité la conception d’une nouvelle
cellule fonctionnant ainsi autour de 15GHz. Carleton University travaille sur la conception d’antennes leaky waves
reconfigurables permettant le dépointage du faisceau dans de multiples directions pour des
applications autour des 28GHz.

Plusieurs résultats probants ont déjà été obtenues depuis le début du projet en lien avec le découpage du projet en workpackages :

WP1 :
La conception d’un logiciel d’optimisation (Matlab / ADS) permettant d’optimiser les circuits (guides, filtres..) réalisés à base du FPMS. Ce travail a été mené notamment par XLIM

WP2
- La conception et la réalisation d’antennes reconfigurables leaky waves en bande X par l'IETR et Ontario Tech. Les mesures d'un premier prototype viennent d'être effectuées et confirment les simulations. Ce prototype a nécessité la conception d'une nouvelle cellule unitaire dans ces bandes de fréquences, cellule qui pourra par la suite être couplée à l'algorithme d'optimisation développe dans le cadre du WP1.

WP3 :

- La conception d’antennes leaky waves reconfigurables en bande millimétrique pour des applications notamment en lien avec la 5G. Un prototype a été réalisé par Carleton University et les premières mesures viennent d'être faites validant le principe de reconfigurabilité de cette antenne en rayonnement.

- La conception et la réalisation de filtres reconfigurables basés sur le premier FPMS reconfigurable en bande UHF (Ontario Tech).

- La mise en ouvre (simulations) de lentilles inhomogènes reconfigurables à 15GHz. Ces simualtions menées par l'IETR seront prochainement validées via la mesure d'un prototype permettant d'obtenir une antenne reconfigurable en rayonnement.

Les travaux vont se poursuivre notamment concernant l'optimisation de nouvelles cellules et les substrats reconfigurables associés (FPMS) afin notamment comme prévu dans le projet de monter en fréquences. Ces développement se feront à travers des technologies PCB multicouches mais également LTCC.
Concernant la fabrication de nouveaux prototypes, ces derniers concerneront aussi bien des circuits reconfigurables (filtres, diviseurs de puissance) que des antennes (leaky waves, lentilles reconfigurables) afin de valider les principes mis en œuvre.

Plusieurs communications dans des congrès internationaux ont valorisé les résultats obtenus les antennes développées par Carleton University.
De même Ontario Tech a soumis une publication dans une revue internationales concernant les filtres reconfigurables et l'IETR s'apprête à soumettre une publication dans une revue internationales concernant l'antenne Leaky Wave développée en bande X. L'ensemble de ces publications sont énoncées dans le rapport intermédiaires (18mois)

Les systèmes modernes sans fil de communication nécessitent le développement de composants hyperfréquences qui peuvent être reconfigurés dynamiquement pour modifier leurs performances. Classiquement, un composant reconfigurable présente une fonction unique qui lui est associée et qui peut ensuite être controllée électroniquement. Par exemple, une antenne accordable peut fonctionner à plusieurs fréquences mais elle fonctionne toujours comme une antenne c'est à dire qu'elle rayonne une onde électromagnétique. A l'origine de ce projet de recherche, les chercheurs de l'UOIT et de Carleton University ont proposé récemment (2016) un substrat hyperfréquence programmable (FPMS) qui peut donner accès à plusieurs fonctions hyperfréquences séquentiellement. Ce concept est basé sur un simple guide d'onde électromagnétique qui peut se comporter comme un filtre, un amplificateur ou un oscillateur s'il est associé à un composant actif. L'idée est donc novatrice pour concevoir des systèmes sans fil reconfigurables pouvant par exemple répondre à plusieurs standards de télécommunication. Cette idée est partie du principe des FPGA du fait qu'ils s'en rapprochent en terme d'implémentation. Ce substrat reconfigurable est constitué de cellules élémentaires (petites devant la longueur d'onde) qui peuvent être reconfigurées individuellement pour obtenir une variété de constantes diélectriques équivalentes positives ou négatives permettant ainsi de propager une onde électromagnétique ou de la rendre évanescente. Dans les travaux préliminaires (2016), ce substrat artificiel est contenu dans une structure à plaques parallèles et donc en choisissant des zones (cellules) présentant une constante diélectrique positive et d'autres présentant une constante négative cela permet de concevoir un guide d'onde diélectrique. La miniaturisation et l'augmentation de densité de ces cellules permet de limiter les pertes et d'améliorer les performances. Expérimentalement, jusqu'à ce jour, ces substrats reconfigurables ont été mis en œuvre pour des fréquences limités (qq GHz)) et l'idée générale est de les utiliser pour la conception de fonctions hyperfréquences reconfigurables pour des applications comme la radio cognitive, l'internet des objets...

Concernant le projet présenté dans le cadre de cet appel, le premier objectif sera de modéliser analytiquement et finement chaque cellule élémentaire de cette matrice reconfigurable dans l'objectif final de pouvoir modéliser l'ensemble du substrat contrôlable. Des fonctions simples (guides d'ondes, ..) seront utilisées comme test dans cette partie.

Le second objectif est d'utiliser ce matériau artificiel reconfigurable à plus haute fréquences (millimétrique) ce qui nécessitera des travaux de recherche technologiques pour son implémentation du fait de la réduction de taille nécessaire des cellules mais également pour l'implémentation des circuits actifs (varicap, ..) nécessaires pour la reconfigurabilité de ces cellules

Le troisième objectif sera de concevoir des circuits complexes (filtres, déphaseurs, switchs, diviseurs de puissance) reconfigurables et des antennes également reconfigurables permettant d'obtenir des diagrammes de rayonnement évolutifs (balayage, formation de faisceau) rentrant dans la composition des futurs systèmes de télécommunications et radars

Le consortium de ce projet PRCI est composé de Xlim et de l'IETR côté français et de UOIT, Carleton University ainsi que d'un industriel ORBCOMM côté Canada.