Accueil  >  R2i  >  Micro-ondes 

L'invisibilité aux fréquences micro-ondes grâce aux métamatériaux

Structure de recherche : LEOST

Référent Ifsttar : Divitha Seetharamdoo

Rattachement éventuel à un projet fédérateur : Railenium, R5G ; Vedecom, Sense- city

Participants :  Divitha  Seetharamdoo (LEOST), Marion  Berbineau (LEOST), Rafik Addaci (LEOST)

Etat de l'art

Les récentes avancées en interaction ondes-matière ont abouti à des approches de synthèse de matériaux artificiels et de métamatériaux constitués d’inclusions métalliques au sein d’un substrat diélectrique ayant une réponse macroscopique pouvant aller au-delà des limites fondamentales des matériaux de la nature [Caloz 2005, Eleftheriades 2005, Engheta 2006]. Les métamatériaux sont constitués, en général, de cellules élémentaires de dimensions très petites devant la longueur d’onde de travail et peuvent trouver des applications aux fréquences terahertz, infrarouge, optiques et micro- ondes.

Les métamatériaux suscitaient beaucoup d’intérêt dans les médias en raison de leur grand potentiel applicatif tel que la réalisation de lentille parfaite sans limite de diffraction. Cet intérêt s’est amplifié depuis que des applications telles que l’invisibilité et la transparence ont été proposées [Pendry 2006, Leonhardt 2006]. Depuis, le camouflage d’un objet grâce à l’utilisation de métamatériaux est étudié par différentes approches et pour différentes applications. Au-delà des applications évidentes pour la détection radar et la défense, l’on pourrait améliorer, grâce à ces techniques, les performances en rayonnement champ proche des capteurs et autres antennes en minimisant leurs interactions avec leur environnement immédiat [Alu 2009].

Les systèmes d’imagerie et d’auscultation basés sur le champ proche tels que pour des applications médicales ou d’ingénierie civile où la sonde doit être très proche de l’objet, perturbant ainsi la distribution champ proche et in fine la mesure, peuvent bénéficier à terme de ces techniques de camouflage. Une autre application directe concerne l’intégration d’antenne sur des plateformes complexes telles que pour les systèmes de télécommunications embarqués sur des véhicules. En effet, les performances des systèmes de communication dans un contexte de consommation énergétique moindre dépendent fortement de l’efficacité de rayonnement des antennes. Or, l’efficacité de rayonnement est très souvent dégradée dès que l’antenne est installée dans son environnement de fonctionnement. Ainsi le principe de camouflage d’une antenne devrait permettre à terme d’améliorer les performances de systèmes de détection, de mesure en champ proche et de systèmes de communications sans fil.

A ce jour, les travaux sur ce sujet prévoient, théoriquement une réduction drastique de la rétrodiffusion d’une onde quel que soit la nature et la taille de l’objet à camoufler ainsi que la fréquence de travail. En revanche, du point de vue expérimental, les métamatériaux doivent être réalisés avec beaucoup de précision et sans dispersion fréquentielle. Cette restriction est relativement difficile à surmonter. Néanmoins,  quelques  réalisations  expérimentales  ont  été  publiées  dans  la  littérature  avec  des limitations notamment en bande passante. Des exemples concernent les fréquences statiques [Gömöry 2012], les micro-ondes et l’infrarouge et les fréquences du visible [Chen 2011].

Enjeux et objectifs

Pour la réalisation des capes d’invisibilité et/ou de camouflage, on peut distinguer principalement deux grandes familles de techniques. La première repose sur le principe de la transformation d’espace (transformée conforme) et la deuxième sur l’annulation de la rétrodiffusion. Chacune de ces techniques a ses propres avantages et inconvénients. Néanmoins le passage à la réalisation expérimentale est nettement plus aisé en s’appuyant sur l’annulation de la rétrodiffusion.

C’est sur cette technique que les travaux effectués sur ce sujet au LEOST ont porté jusqu’à présent. Une première solution basée sur les lignes de transmission a été évaluée sans que des résultats concluants ne soient obtenus. La seconde solution que nous avons considérée consiste en l’utilisation de micro-inclusions résonantes. Elle s’appuie sur une publication récente de Wang et al. [Wang 2013]. Les premiers résultats sont concluants et devraient nous permettre d’aller au delà de la proposition théorique de Wang et al. en proposant une réalisation expérimentale. Ces travaux ont fait l’objet d’un stage M2 financé conjointement par le projet CORRIDOR et la DS.

Référeneces bibliographiques

[Caloz  2005]  C.  Caloz,  T.  Itoh,  Electromagnetic  Metamaterials:  Transmission  Line  Theory  and  Microwave Applications, Wiley, New York, 2005.

[Eleftheriades 2005] G. V. Eleftheriades, K. G. Balmain, Negative-Refraction Metamaterials, Wiley, New York, 2005.

[Engheta 2006] N. Engheta, R. W. Ziolkowski, Metamaterials: Physics and Engineering Explorations, Wiley, New York 2006.

[Pendry 2006] J. B. Pendry, D. Schurig,D. R. Smith, “Controlling Electromagnetic Fields”, Science, Vol. 312 no. 5781 pp. 1780-1782, 2006.

[Leonhardt 2006] Ulf Leonhardt,"Optical Conformal Mapping”, Science, Vol. 312 no. 5781 pp. 1777-1780, 2006. [Alu 2009] Andrea Alù, Nader Engheta, “Cloaking a Sensor”, Phys. Rev. Lett. 102, 233901, 2009.

[Gömöry 2012] Fedor Gömöry, Mykola Solovyov, Ján Šouc,et al., “Experimental Realization of a Magnetic Cloak” Science 23 Vol. 335 no. 6075 pp. 1466-1468, 2012.

[Chen  2011]  X.  Chen,  Y.Luo,  J.  Zhang,  et  al.,  “Macroscopic  invisibility  cloaking  of  visible  light”,  Nature Communications, No. 176, 2011.

[Wang 2013] Jiafu Wang, Shaobo Qu, Zhuo Xu, et al., “Super-Thin Cloaks Based on Microwave Networks”, IEEE Trans on Antennas and Propag, Vol. 61, No. 2, Feb. 2013

Avancées scientifiques attendues

Les avancées scientifiques attendues concernent une nouvelle structure de métamatériaux basée sur les travaux de Wang et al. mais permettant d’aller vers une implémentation expérimentale.

Etape 1

Cette étape nécessite de concevoir des micro-inclusions résonantes sur un substrat diélectrique flexible. Les performances en rétrodiffusion et en terme de camouflage de la cape à métamatériaux seront ensuite évaluées d’abord numériquement puis expérimentalement en utilisant le scanner champ proche mis en place par Jean Rioult en se basant sur le principe du Gyroscanfield.

Etape 2

La seconde étape consiste à adapter la technique proposée pour le camouflage d’objet non métallique et à évaluer les performances en terme de rétrodiffusion

Etape 3

Il  s’agira  ensuite  de  faire  une  tentative  de  camouflage  d’une  antenne. L’exemple  que  nous considèrerons est une antenne embarquée sur un train en proximité des parois d’un tunnel.

Ce choix d’application ainsi que les résultats de recherche préliminaires qui seront dégagés par cette R2i devraient nous permettre, soit d’intégrer des consortiums de projets collaboratifs ou de proposer de nouveaux projets collaboratifs ou bilatéraux incluant notamment des industriels des antennes et des transports ferroviaires ou automobiles (Railenium, R5G, Vedecom). D’autres exemples d’applications tels que l’intégration de capteurs dans les ouvrages d’art pourront être considérées (Sense-city).

Programmation

Résultats attendus en 2014

  • Des   résultats   expérimentaux   sur   un   premier   prototype   de   cape   d’invisibilité   à métamatériaux liés à l’étape 1.
  • Publication scientifique sur les résultats numériques et expérimentaux
  • Publication vulgarisée dans la  presse scientifique si  les résultats obtenus à  l’aide du scanner champ proche du Gyroscanfield sont suffisamment convaincants du point de vue visuels.