Ces dernières années, la présence des métamatériaux dans les structures guidées microondes, telles que les guides d’onde ou les antennes cornets, s’est largement répandue. En effet, les métamatériaux permettent de créer des propriétés électromagnétiques qui n’existent pas naturellement. En structurant la surface interne des guides d’onde ou des cornets, il est alors possible de contrôler les conditions aux limites afin de modifier le mode fondamental ou réduire la fréquence de coupure du guide.
Ces propriétés peuvent être intéressantes pour les applications spatiales car la taille de la plateforme doit être réduite pour potentiellement ajouter de la charge utile sur le satellite ou encore réduire les coûts de son lancement. Ainsi, dans cette thèse, nous cherchons à utiliser les propriétés des métamatériaux dans ces composants radioélectriques pour réduire leur taille sans détériorer les performances de rayonnement (directivité, polarisation croisée, bande monomode). Par ailleurs, modifier le type de mode fondamental s’avère aussi être une piste de recherche intéressante. Ainsi, les modes dits hybrides permettraient d’améliorer les performances de rayonnement. Une des pistes pour créer ces modes est l’utilisation de métamatériaux telles que les corrugations.
Même si les possibilités offertes par les métamatériaux sont indéniables, leur dimensionnement nécessite des outils numériques fullwave et requiert donc des ressources informatiques importantes. Dans cette thèse, la Théorie Modale Elargie (TME) est rappelée et développée, elle permet de dimensionner très rapidement les métamatériaux en se basant sur des méthodes à la fois analytiques et numériques. L’apport principal de cette thèse a été de développer les algorithmes permettant l’utilisation de la TME dans des structures guidées cylindriques, correspondant aux systèmes microondes embarqués pour des applications spatiales. Ces outils ont été utilisés pour concevoir un guide d’onde corrugué propageant le mode TM01 comme mode fondamental. Les résultats théoriques ont été confrontés aux mesures avec succès. Par ailleurs, une sonde de mesure cylindrique à section réduite a été proposée pour réduire son impact sur des mesures en champ proche. La paroi interne de cette sonde est constituée d’un métamatériau dont la forme a été optimisée, confirmant l’intérêt et l’efficacité de cette méthode innovante. |
In the past few years, microwave devices with metamaterials, such as waveguides or horn antennas, have tremendously increased, since metamaterials can create atypical electromagnetic properties. By shaping the internal surface of waveguides or horns, the boundary conditions have been controlled. Thus, the fundamental mode of a waveguide can be changed or their cut-off frequency reduced.
These properties could be very attractive for space applications. Indeed, the platform size might be reduced to potentially add payload on the satellite or reduce its launch cost. In this thesis, one challenge is to carefully use the properties of metamaterials in RF components, to reduce their size without spoiling their radiation properties (directivity, cross-polarization, monomode bandwidth). Furthermore, the possibility to change the fundamental mode is a striking research opportunity, such as using hybrid modes to improve radiation properties.
Even if the metamaterials’ possibilities are proven, the procedure to obtain the optimized structures is very time-consuming and requires high computer resources. In this thesis, the Modal Expansion Theory (MET) is recalled and developed, it allows a very fast design of the metamaterials to meet the structure requirements. Here, the main contribution was to develop algorithm for the application of the MET in cylindrical cases, which operated more in on-board systems. These tools have been used to design a corrugated waveguide with a TM01 mode as fundamental mode. Theoretical results have been successfully confronted to measurements. Moreover, a cylindrical probe with a reduced cross-section has been designed in order to reduce the probe effect on the near field measurements. Its internal wall is composed of an optimized metamaterial which confirms the interest and efficiency of this innovative MET method. |