Les systèmes sans fil de prochaine génération (XG) envisagent une densification sans précédent des réseaux et une utilisation efficace du spectre proche des ondes millimétriques (mmW). Des concepts disruptifs sont nécessaires pour minimiser le nombre de systèmes d'antennes et leur consommation d'énergie. Les surfaces intelligentes reconfigurables (RIS) peuvent fournir une formation de faisceaux à haut gain à l'aide de dispositifs simples (par exemple, des diodes p-i-n) pour contrôler les propriétés de diffusion de leurs cellules unitaires. Cependant, l'efficacité d'une RIS et les fonctions sans fil qu'elle peut réaliser simultanément sont limitées par sa linéarité et sa réciprocité inhérentes.
Les métasurfaces modulées espace-temps (STMM) ont récemment émergé comme une solution de formation de faisceaux permettant de dépasser les limites fondamentales des systèmes linéaires invariants dans le temps. En tirant parti d'une variation temporelle supplémentaire de la réponse des cellules unitaires, par rapport aux RIS, une STMM peut ajuster simultanément les spectres angulaire et fréquentiel des champs rayonnés, sans recourir à de multiples circuits actifs comme dans les systèmes actuels.
La plupart des modèles de conception des STMM sont simplifiés et considèrent des modulations 1-D dans un régime temporel quasi-statique. L'impact de la discrétisation spatiale et de la quantification de phase est souvent négligé. Les rares prototypes rapportés sont souvent de petite taille électrique, avec une période grossière (demi-longueur d'onde). La plupart des démonstrateurs fonctionnent en réflexion, à des fréquences inférieures à 17 GHz, et ne permettent qu'une résolution de phase d’un bit. Une commande indépendante des faisceaux dans le champ lointain à plusieurs fréquences a été prouvée dans un seul plan de balayage.
Cette thèse de doctorat vise à modéliser, concevoir et démontrer des antennes STMM transmissives de grande taille électrique et multifonctionnelles, avec une résolution de phase et des capacités de formation de faisceaux améliorées. Des modèles numériques efficaces permettront de calculer les champs diffusés par une STMM dans les régions de champs lointain et proche, pour des périodes spatiales et temporelles arbitraires. Des techniques holographiques et de détection compressive seront proposées pour optimiser conjointement le profil de phase de la métasurface et les formes d'onde de modulation temporelle, permettant une mise en forme harmonique des faisceaux. Une étude approfondie de l'effet de la résolution de phase, de la période STMM et de la fréquence de modulation temporelle sur les performances, la consommation d'énergie et la complexité des électroniques de contrôle sera fournie.
Un prototype STMM transmissif basé sur des diodes p-i-n et permettant une résolution de phase de 2 bits sera réalisé pour la première fois, en s'appuyant sur les travaux du labo sur les antennes à lentilles plates électroniquement reconfigurables modulées dans l'espace. Il fonctionnera dans une gamme de fréquences adaptée aux réseaux terrestres et satellitaires (17-31 GHz). Plusieurs fonctionnalités d'antennes seront caractérisées expérimentalement à l'aide du même prototype, telles que : (i) une formation de faisceaux 2D simultanée et non réciproque à différents harmoniques des signaux de modulation temporelle, dans les régions de champ lointain ou proche ; (ii) une mise en forme de motif à la fréquence fondamentale, en utilisant des séquences temporelles optimisées pour augmenter la résolution effective de phase.
Les contributions fondamentales et expérimentales de cette recherche élargiront la compréhension physique des métasurfaces modulées dans le temps et augmenteront la maturité de cette technologie pour des antennes intelligentes économes en énergie, avec des applications aux réseaux sans fil et aux systèmes intégrés de communication et de détection. Une activité intense de diffusion dans des revues scientifiques à fort impact en électronique et physique appliquée est attendue, compte tenu de la nouveauté du sujet et de l'intérêt croissant qu'il suscite dans plusieurs communautés scientifiques.