Metamaterial absorbers with transverse gradients
Absorbeurs métamatériaux à gradients transversaux
Résumé
Electromagnetic (EM) absorbers have been widely used since the WWII in various applications to reduce radar cross section of aircrafts, to attenuate interferences between nearby antennas, in anechoic chambers to prevent reflections of spurious signals, etc. In the last twenty years, many studies on metamaterial absorbers, with low profile and can simultaneously satisfy multiple constraints as broadband absorption and good angular robustness have been done to achieve high performance EM absorbers. However, the strong growth in system density and the extensive use of wide frequency ranges require new innovative absorber structures able to cope with current and future challenges.In the framework of this Ph.D., metamaterial-based absorbers are studied aiming at three objectives: i) reaching unitary absorption level, ii) giving guidelines to develop new absorbing materials with desired RF properties and iii) controlling the absorption level. The first study consist in maximizing the absorption level (above 90%) of the incoming wave’s energy over a wide frequency band, for different polarizations and for different incident angles. Stair-like multilayer multi-material structures were analyzed for this purpose. The second study focuses on low-frequency absorbers that make use of metamaterials with magnetic properties. To achieve nearly unitary absorptivity, various solutions are proposed, such as combining dielectric resonators with magnetic materials or designing an absorber with electromagnetic properties not yet developed by industries. The third study focuses on controlling the absorption level from a few percent to 100% over a frequency range of interest. The resulting structures will enable us to obtain a surface with gradual absorptivity along the transverse directions of space, which allows for the possibility of reducing the Radar Cross Section.Addressing these goals, the methodology to design and characterize various metamaterial absorbers, as well as the fabrication problems are analyzed in this dissertation.
Les absorbants électromagnétiques ont été largement utilisés depuis la seconde guerre mondiale dans diverses applications : réduction de la signature radar d’avion, atténuation des effets d’interférence entre antennes proches ou prévention de la réflexion des signaux parasites dans les chambres anéchoïques. Depuis ces vingt dernières années, beaucoup d’études ont été consacrées aux absorbants de type métamatériaux. En effet ils sont très compacts, peuvent satisfaire simultanément de multiples contraintes et présenter de très hautes performances en termes de fenêtre d’absorption très large bande ou de grande robustesse angulaire. Cependant, l’accroissement actuel de la densification des éléments dans les systèmes, notamment rayonnants, ainsi que leur utilisation sur une très large gamme de fréquences, demande la recherche de nouvelles structures absorbantes innovantes capable de faire face à ces défis futurs. Dans le cadre de ce travail de thèse, des métasurfaces absorbantes sont étudiées en visant trois objectifs : i) l’obtention d’un niveau d’absorption proche de l’unité, ii) donner des directives pour développer de nouveaux matériaux absorbants ayant les propriétés RF souhaitées et iii) le contrôle du niveau d’absorption. La première étude a trait à l’obtention d’un niveau d’absorption de l’énergie de l’onde incidente supérieur à 90% sur une bande très large (supérieure à une octave) pour différents états de polarisation et angles d’incidence. Dans ce but, des structures multi-matériaux de forme pyramidale en marches d’escalier, ont été analysées. La deuxième étude porte sur les absorbeurs basse fréquence qui utilisent des métamatériaux aux propriétés magnétiques. Pour obtenir une absorptivité quasi unitaire, diverses solutions sont proposées, comme la combinaison de résonateurs diélectriques avec des matériaux magnétiques ou la conception d'un absorbeur aux propriétés électromagnétiques non encore développées par les industries. La troisième étude a pour but d’obtenir un niveau d’absorption quasi-constant dans la bande de fonctionnement entre quelques pourcents et 100%. Ces structures à réflexion partielles nous permettront de concevoir un profil graduel d’absorption dans les directions transversales à la direction de propagation de l’onde incidente, réduisant les effets de diffraction aux bords d’éléments métalliques. Pour ces études sur les structures à réflexions partielle et totale, les aspects conception électromagnétique et de caractérisation, en particulier pour les mesures des spectres de réflectance en espace libre sont présentés et discutés.
| Origine | Version validée par le jury (STAR) |
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