Thèse Métamatériaux Portables pour la Manipulation des Ondes Électromagnétiques H/F

Université de Lille

L'objectif de la thèse sera d'étudier par la simulation et expérimentalement le fonctionnement de
métamatériaux intégrables sur les textiles pour des applications en détection ou furtivité des personnes
(usagers vulnérables de la route ou fantassins) par les radars. Des techniques de conception de
métasurfaces pour la redirection de faisceau ou la réduction de SER utilisent principalement le
déphasage introduit par les cellules élémentaires qui sont ensuite réparties périodiquement,
aléatoirement, ou de manière hyperuniforme. La phase de la réflexion des résonateurs sera donc
particulièrement étudiée pour envisager ce type d'application. D'un autre côté, le module de la réflexion
pourra aussi être étudié pour obtenir une absorption des ondes par les métasurfaces.
Dans un premier temps, un fonctionnement autour de 60 GHz (bande 57-71 GHz libre pour les
dispositifs à courte portée, décision de l'arcep 2021-1589) sera visée notamment pour permettre la
caractérisation électromagnétique des structures. Néanmoins, la bande pourra être adaptée selon les
résultats de simulation et les dispositifs expérimentaux disponibles au laboratoire pour pouvoir aboutir
à la caractérisation des échantillons fabriqués. Dans ce cadre, des échantillons avec un nombre réduit de
résonateurs répartis périodiquement seront fabriqués puis caractérisés afin de valider les résultats de
simulation. Ces résultats expérimentaux préliminaires auront pour vocation de prouver leur
fonctionnement avant de poursuivre sur la conception, la fabrication, et la validation expérimentale des
métasurfaces plus compliquées visant les applications de protection et de furtivité des personnes par
des vêtements intelligents.

Les métamatériaux sont souvent considérés pour produire des matériaux artificiels présentant des
propriétés non conventionnelles comme un indice de réfraction négatif ou proche de zéro. Les
métasurfaces qui sont une version bidimensionnelle des métamatériaux ont permis par exemple de
confirmer expérimentalement les lois généralisées de la réflexion et de la réfraction de Snell-Descartes
avec des applications en focalisation, en redirection de faisceau ou pour réduire la surface équivalente
radar (SER) d'objets. Les métamatériaux et métasurfaces peuvent être fabriqués par différents procédés
notamment par gravure de circuit imprimé pour des applications microondes et millimétriques. Mais
d'autres procédés de fabrication sont couramment envisagés pour obtenir des structures plus
compliquées (par exemple par impression 3D) ou pour améliorer leur intégration. Pour des applications
impliquant le corps humain, il est judicieux d'envisager la fabrication de métamatériaux par des
procédés issus du domaine du textile afin d'obtenir une meilleure intégration dans les vêtements et les
rendre invisibles aux yeux des usagers finaux. Une autre solution peu invasive est l'utilisation de
substrats flexibles qui peuvent être fixés par la suite sur le textile. Différentes applications sont
concernées par les métamatériaux sur textiles comme la furtivité des fantassins ou de véhicules
militaires, ou encore la détection des usagers vulnérables de la route (piétons, cyclistes, ...) par les
radars anticollisions disponibles de plus en plus dans les véhicules. Les métamatériaux sont
généralement constitués de résonateurs diélectriques et/ou métalliques de taille inférieure à la longueur
d'onde. En électromagnétisme, une résonance peut se produire lors de l'apparition d'une boucle de
courant de déplacement dans un diélectrique (résonance de Mie), d'un courant de conduction dans une
boucle métallique, ou par une combinaison des deux types de courant dans certaines structures hybrides
Métal-Isolant-Métal (MIM). Le caractère résonnant des éléments constitutifs implique une bande de
fonctionnement étroite qu'il est souvent nécessaire d'élargir pour développer des applications pratiques
des métamatériaux. Avec cet objectif, deux solutions sont couramment envisagées dans la littérature :
l'utilisation de motifs de tailles différentes résonnants à des fréquences proches, et l'utilisation d'un
désordre ou d'une répartition hyperuniforme.