Anisotropic Artificial Substrates for Microwave Applications

RÉSUMÉ Les matériaux anisotropes possèdent des propriétés électromagnétiques qui sont différentes dans différentes directions, ce qui résulte en des degrés de liberté supplémentaires pour la conception de dispositifs électromagnétique et mène à des applications. Certains matériaux anisotropes peuvent être trouvés dans la nature, comme les matériaux ferrimagnétiques, alors que d'autres peuvent être conçus artificiellement pour des applications spécifiques. Ces matériaux artificiels sont des structures composites qui sont faites d'implants métalliques insérés dans un médium hôte. Ces structures peuvent être considérées comme des matériaux effectifs nouveaux et peuvent posséder des propriétés que l'on ne retrouve pas dans la nature comme un indice de réfraction négatif, une chiralité ou une bi-anisotropie; ils sont donc appelés métamatériaux. Dû à la grande diversité d'implants qu'il est possible de concevoir, ces matériaux sont prometteurs pour la conception de dispositifs uniques et novateurs comme de nouvelles antennes, des antennes miniaturisées, des dispositifs non-réciproques, des analyseurs de signaux analogiques et des dispositifs de génie biomédical. Puisque dans les matériaux artificiels l'effet des implants dans le médium hôte n'est pas le même dans toutes les directions, ces matériaux ont la plupart du temps des caractéristiques anisotropes qui peuvent être contrôlées par les propriétés des implants. Cette propriété amène des degrés de liberté supplémentaires dans la conception de dispositifs nouveaux. L'effet d'anisotropie dans les structures artificielles est plus évident dans la plupart des substrats artificiels anisotropes à cause de leur structure planaire 2D. Une analyse électromagnétique rigoureuse des substrats artificiels anisotropes est requise afin de mieux comprendre leurs propriétés, ce qui est essentiel pour proposer des applications. L'insuffisance de l'analyse disponible dans la littérature a servi de motivation pour cette thèse dont l'objectif est d'effectuer l'analyse électromagnétique rigoureuse de substrats artificiels anisotropes dans le but d'explorer des applications. Afin de mieux comprendre les propriétés de l'anisotropie des substrats artificiels, leur méthode d'analyse et leurs applications, il peut être utile de d'abord mieux comprendre l'anisotropie de substrats naturels existant comme les matériaux ferrimagnétiques. Cette approche peut aussi mener à de nouvelles applications de ces matériaux anisotropes naturels. De plus, afin d'étudier certaines propriétés et applications des substrats anisotropes, certains aspects mal compris des matériaux isotropes doivent tout d'abord être éclaircis. Basée sur les objectifs et la méthodologie décrits ci-haut, la présente thèse contribue les réalisations et avancements suivants au domaine du génie micro-ondes. Le conducteur électromagnétique parfait (PEMC) comme condition frontière est un concept électromagnétique nouveau et fondamental. C'est une description généralisée des conditions aux frontières électromagnétiques incluant le conducteur électrique parfait (PEC) et le conducteur magnétique parfait (PMC). De par ses propriétés fondamentales, le PEMC a le potentiel de rendre possible plusieurs applications électromagnétiques. Cependant, jusqu'à maintenant le concept de condition frontière PEMC était demeuré un concept théorique et n'avait jamais été réalisé en pratique.----------ABSTRACT Anisotropic materials exhibit different electromagnetic properties in different directions and therefore they provide some degrees of freedom in the design of electromagnetic devices and enable many applications. Some kinds of anisotropic materials are available in the nature such as ferrimagnetic materials, while many others can be artificially designed for specific applications. The artificial materials are composite structures made of sub-wavelength metallic implants in a host medium, which constitute novel effective materials. These materials may exhibit properties not readily available in the nature, such as negative refractive index, chirality or bi-anisotropy, and therefore are called metamaterials. Due to the diversity of their possible implants, they have a great potential in unique and novel components, such as specific antennas, miniaturized antennas, non-reciprocal devices, analog signal processors, and biomedical engineering devices. Since in most of the artificial materials, the effect of the implants in the host medium is not the same in all the directions, these materials exhibit anisotropic characteristics which can be controlled by the properties of the implant. This characteristic provides some additional degrees of freedom in the design of novel devices. The anisotropy effect in the artificial structures is more evident in most of the anisotropic artificial substrates due to their 2D planar structure. Rigorous electromagnetic analysis of the anisotropic artificial substrates is required for gaining a better understanding of their properties which is essential for proposing novel applications. Insufficient available analysis in the literature has motivated this thesis whose objective is to perform rigorous electromagnetic analysis of the anisotropic artificial substrates towards exploring their applications. To acquire more insight into the anisotropic properties of artificial substrates, their analysis method, and their applications, it is useful to first better understand anisotropy of existing natural substrates such as ferrimagnetic materials. This approach may also lead to novel applications of the natural anisotropic materials. In addition, to investigating some of properties and applications of the anisotropic substrates, foremost we may need to clarify some unclear aspects regarding the isotropic materials. Based on the objectives and methodology of the thesis which were explained above, this thesis contributes to the following achievements and advances in microwave engineering. The perfect electromagnetic conductor (PEMC) boundary is a novel fundamental electromagnetic concept. It is a generalized description of the electromagnetic boundary conditions including the perfect electric conductor (PEC) and the perfect magnetic conductor (PMC) and due to its fundamental properties, it has the potential of enabling several electromagnetic applications. However, the PEMC boundaries concept had remained at the theoretical level and has not been practically realized. Therefore, motivated by the importance of this electromagnetic fundamental concept and its potential applications, the first contribution of this thesis is focused on the practical implementation of the PEMC boundaries by exploiting Faraday rotation principle and ground reflection in the ferrite materials which are intrinsically anisotropic. As a result, this thesis reports the first practical approach for the realization of PEMC boundaries

Recent Topics in Electromagnetic Compatibility

Recent Topics in Electromagnetic Compatability discusses several topics in electromagnetic compatibility (EMC) and electromagnetic interference (EMI), including measurements, shielding, emission, interference, biomedical devices, and numerical modeling. Over five sections, chapters address the electromagnetic spectrum of corona discharge, life cycle assessment of flexible electromagnetic shields, EMC requirements for implantable medical devices, analysis and design of absorbers for EMC applications, artificial surfaces, and media for EMC and EMI shielding, and much more

Metamaterial

In-depth analysis of the theory, properties and description of the most potential technological applications of metamaterials for the realization of novel devices such as subwavelength lenses, invisibility cloaks, dipole and reflector antennas, high frequency telecommunications, new designs of bandpass filters, absorbers and concentrators of EM waves etc. In order to create a new devices it is necessary to know the main electrodynamical characteristics of metamaterial structures on the basis of which the device is supposed to be created. The electromagnetic wave scattering surfaces built with metamaterials are primarily based on the ability of metamaterials to control the surrounded electromagnetic fields by varying their permeability and permittivity characteristics. The book covers some solutions for microwave wavelength scales as well as exploitation of nanoscale EM wavelength such as visible specter using recent advances of nanotechnology, for instance in the field of nanowires, nanopolymers, carbon nanotubes and graphene. Metamaterial is suitable for scholars from extremely large scientific domain and therefore given to engineers, scientists, graduates and other interested professionals from photonics to nanoscience and from material science to antenna engineering as a comprehensive reference on this artificial materials of tomorrow

Electric and Magnetic One- And Two-Dimensionally Tuned Parameter-Agile Substrate Integrated Waveguide Components and Devices

RÉSUMÉ Les composants micro-ondes et millimétriques accordables constituent des éléments importants rencontrés dans les systèmes de radiocommunications et radars. En effet, ils donnent la possibilité à ces derniers d’être adaptables et ajustables. Or, ces deux caractéristiques sont importantes puisqu’elles permettent aux systèmes de s’adapter à des changements de leurs spécifications sans avoir à changer leurs circuits. Il peut y avoir en effet plusieurs raisons qui amèneraient à procéder à des modifications de spécifications d’un système : des variations des conditions environnementales (liées à la température, l’humidité, ou encore aux vibrations), et des changements liés à des contraintes de nouveaux clients comme par exemple l’utilisation de nouvelles bandes de fréquence ou de canaux. Il serait vraiment peu efficace d’avoir à reconcevoir l’ensemble du système afin de satisfaire de nouvelles performances. Ainsi, il est important de concevoir le système de façon à ce qu’il puisse s’ajuster ou se corriger pour toutes modifications qui pourraient arriver. Par exemple, si la réponse fréquentielle d’un filtre passe-bas commence à glisser vers des fréquences plus basses avec une augmentation de la température, le système le mettant en oeuvre pourrait ne plus être en mesure de recevoir ou transmettre de l’information dans cette bande de fréquence. Cependant, si le même filtre peut être ajusté en fréquence, il sera alors possible de le corriger et de le refaire fonctionner dans ses spécifications d’origine. Dans la littérature, on trouve de nombreuses méthodes qui permettent de concevoir des éléments et composants ajustables aux fréquences micro-ondes. Les méthodes employées les plus populaires mettent en oeuvre : des composants semi-conducteurs (tels que des diodes varicaps, des diodes PIN et des transistors), des microsystèmes électromécaniques (ou MEMS pour microelectro- mechanical systems), des matériaux ferroélectriques et des matériaux ferromagnétiques. Dans certaines de ces conceptions, des combinaisons de ces différentes méthodes ont également été adoptées afin d’obtenir de meilleures performances. Ce travail présente de nouveaux types de composants micro-ondes ajustables basés sur les Guides d’onde Intégrés au Substrat (GIS). La technologie GIS peut être considérée comme une forme planaire de la technologie guide d’onde conventionnelle, dont elle hérite de la plupart des propriétés. Par exemple, comme pour les guides d’onde conventionnels, les guides GIS sont faibles pertes et peuvent être mis en oeuvre pour de fortes puissances. Bien que le GIS soit similaire au guide d’onde sur de nombreux aspects, il présente une taille et un coût plus réduit.----------ABSTRACT Microwave and millimeter wave tunable devices, circuits and components are one of the most important parts in any communication and radar system design. The tunable devices, circuits and components which are integrated into a system enable it to become more adaptive and flexible in nature. The adaptive and flexible system can be reconfigured to follow the changes that occur into its variable or adjustable specifications without changing its hardware design. There may be several reasons that could lead to the change in the system specifications: changes in the environmental conditions (related to temperature, humidity, and vibration), and changes due to new customer requirements, for example, the inclusion of a new operating frequency band or channel. It would be very impractical to re-design all the system components just to meet the new performance criteria. Hence, it is important to design the system in a way that it can adjust or correct itself for any changes that might occur. For example, if a band-pass filter frequency response begins to drift towards a lower frequency value with the increase in temperature, it might not be able to receive or transmit valuable information at this frequency band. However, if the same band pass filter can be made frequency tunable, it will be able to get self-corrected and bring its frequency response back to the original value. In literature, there are many methods that are used in realizing tunable microwave circuits and components. The most popular methods in the realization of tunable components make use of semiconductor elements and devices (including varactor diodes, PIN diodes, and transistors), micro-electro-mechanical systems (MEMS) switches and capacitors, ferroelectric materials, and ferromagnetic materials. In some of the designs to achieve a better tuning performance, even combinations of two different tuning methods have also been adopted. In this work, new types of microwave tunable devices, circuits and components based on substrate integrated waveguide (SIW) are presented. SIW technology can be considered as a synthesized planar form of rectangular waveguide, and inherits almost all of its properties. For example, similar to rectangular waveguide, SIW is lower in loss, it can be used for higher power applications compared to conventional planar counterparts, and it is lower in cost. Although SIW is similar to rectangular waveguide in many aspects, it holds a significant difference in terms of size. Rectangular waveguide is usually made of hollow metallic tube (rectangular or circular), therefore at a given frequency, its size is much larger than the conventional planar transmission lines (microstrip or coplanar). Thus, even though rectangular waveguide being capable of delivering outstanding RF performance cannot be directly used in realizing compact planar circuits. Since SIW technology inherits almost all the properties of rectangular waveguide and also it is planar in nature, it is an outstanding candidate in realizing microwave and millimeter wave planar integrated circuits. However, SIW is usually fabricated on dielectric substrate, thus its power handling capabilities and its performance in terms of losses are largely dependent upon substrate material used and structure topology. In this work, SIW-based microwave tunable devices, circuits and components using ferromagnetic materials are presented. Ferrites or ferromagnetic material permeability value can be controlled through the application of an external DC magnetic bias. Since the propagation constant of an RF signal is directly proportional to the square root of the material permittivity and permeability. Therefore, any change in the permeability component also changes the propagation constant of the electromagnetic wave. Thus, using ferrite materials allow the realization of very interesting reconfigurable devices. Another important characteristic of ferrite materials is that they display non-reciprocal behaviour. This means that RF signals, propagating in two different directions in the ferrite material can have different characteristic behaviours. This is a very interesting feature, which can be used not only to realize tunable microwave devices, but also devices that are non-reciprocal in nature. Some of the ferrite-based non-reciprocal devices include isolator, gyrator, and circulator. In literature, it can be observed that most of the nonreciprocal and tunable devices using ferrite materials are designed based on rectangular waveguide technology. The low loss and high power handling property of rectangular waveguide make them an attractive candidate in realizing ferrite based tunable devices. Moreover, for a rectangular waveguide operating with dominant TE10 mode, the maximum magnitude of its electric field occurs at the central region, whereas the maximum magnitude of its magnetic field occurs along the sidewalls. This distribution of electric and magnetic fields, allows placing the ferrite materials in the regions of the highest magnetic field without perturbing the electric field distribution. Since the ferrite materials interact strongly with magnetic field, they are usually placed in the regions where the magnetic field concentration is highest. Although rectangular waveguide is a very promising technology in realizing high power magnetically tunable devices, they cannot be readily integrated in a planar form

Reconfigurable Devices using Liquid Crystal at Microwave Frequencies in Substrate Integrated Waveguide

[ES] La cantidad de servicios de telecomunicación se ha incrementado signiticativamente en las últimas décadas. El uso de teléfonos inteligentes, así como el Internet de las Cosas, está generando una saturación del espectro electromágnetico. Por tanto, los requisitos de los sistemas de microondas han cambiado para adaptarse a estos nuevos avances. Para satisfacer estas necesidades, se busca el desarrollo de dispositivos de bajo coste, volumen, peso y consumo. Además, interesa que sean espectralmente eficientes y fácilmente integrables con otros dispositivos. Entre todos los dispostivos de microondas, los filtros son elementos clave dentro de los sistemas de comunicaciones móviles e inalámbricas. Es por ello que el diseño de filtros que cumplan con los requisitos mencionados se ha convertido en un tema de gran interés. Para dar respuesta a este problema ha surgido la tecnología de Guía de Onda Integrada en Sustrato (Substrate Integrated Waveguide (SIW)), que permite la implementación de filtros con un reducido tamaño y fácilmente integrables con otros dispositivos en tecnología planar. Dicha tecnología presenta unas prestaciones en cuanto a manejo de potencia y pérdidas mejores que la tecnología de circuito impreso (Printed Circuit Board (PCB)), aunque no llegan a ser iguales que las de la guía de onda clásica. Por otro lado, la saturación espectral también lleva al estudio de filtros con respuestas variables en frecuencia, es decir, que puedan cambiar su frecuencia central y ancho de banda con el fin de adaptarse a las necesidades del sistema. Por ello, el objetivo general de esta Tesis es el análisis y diseño de nuevos filtros reconfigurables en tecnología integrada. El trabajo empieza con el estudio de los fundamentos de los filtros de microondas hasta llegar al diseño de resonadores reconfigurables en tecnología SIW usando el cristal líquido como material de reconfiguración. En primer lugar, se ha estudiado la influencia que los cambios en el valor de la permitividad dieléctrica en el interior de las estructuras filtrantes pueden tener en la respuesta de las mismos. En particular, se desarrollan filtros alternando secciones de línea con y sin dieléctrico dentro de una SIW vacía, Empty Substrate Integrated Waveguide (ESIW). Una vez hecho esto, se procede al estudio de materiales que tengan un valor de permitividad dieléctrica variable de alguna forma. En concreto, se ha realizado la caracterización de diferentes mezclas de cristal líquido a la frecuencia de microondas. Dicho material cambia su valor de permitividad cuando se le aplica un campo eléctrico o magnético. Dado que para la reconfiguración de la respuesta de los filtros se requiere de una estructura desacoplada en baja frecuencia, es decir, con más de un conductor, se ha desarrollado una estrategia para el desacoplo de la estructuras ESIW, la tecnología Decoupled Empty Substrate Integrated Waveguide (DESIW). Por último, se han diseñado resonadores en dicha tecnología DESIW, que se han llenado de cristal líquido y aplicado unos campos de polarización, consiguiendo variar su respuesta en frecuencia. Dichos resonadores constituyen el elemento básico para el desarrollo de filtros de microondas. Es por ello que el conocimiento obtenido en la Tesis es una buena base para futuros trabajos esta tecnología que permitan conseguir filtros de altas prestaciones.[CA] La quantitat de serveis de telecomunicació s'ha incrementat significativament en les últimes dècades. L'ús de telèfons intel$\cdot$ligents, així com la internet de les coses, està generant una saturació de l'espectre electromagnètic. Per tant, els requisits dels sistemes de microones han canviat per a adaptar-se a aquests nous avanços. Per a satisfer aquestes necessitats, se cerca el desenvolupament de dispositius de baix cost, volum, pes i consum. A més, interessa que siguen espectralment eficients i fàcilment integrables amb altres dispositius. Entre tots els dispositius de microones, els filtres són elements clau dins dels sistemes de comunicacions mòbils i sense fil. És per això que el disseny de filtres que complisquen els requisits esmentats s'ha convertit en un tema de gran interès. Per a donar resposta a aquest problema ha sorgit la tecnologia de Guia d'Ona Integrada en Substrat (Substrate Integrated Waveguide (SIW)), que permet la implementació de filtres amb una reduïda grandària i fàcilment integrables amb altres dispositius en tecnologia planar. Aquesta tecnologia presenta unes prestacions quant a maneig de potència i pèrdues millors que la tecnologia de circuit imprès (Printed Circuit Board (PCB)), encara que no arriben a ser iguals que les de la guia d'ona clàssica. D'altra banda, la saturació espectral també porta a l'estudi de filtres amb respostes variables en freqüència, és a dir, que puguen canviar la seua freqüència central i l'amplada de banda amb la finalitat d'adaptar-se a les necessitats del sistema. Per això, l'objectiu general d'aquesta tesi és l'anàlisi i el disseny de nous filtres reconfigurables en tecnologia integrada. El treball comença amb l'estudi dels fonaments dels filtres de microones, fins a arribar al disseny de ressonadors reconfigurables en tecnologia SIW usant el cristall líquid com a material de reconfiguració. En primer lloc, s'ha estudiat la influència que els canvis en el valor de la permitivitat dielèctrica a l'interior de les estructures filtrants poden tenir en la resposta d'aquestes. En particular, es desenvolupen filtres que alternen seccions de línia amb dielèctric i sense dins d'una SIW buida, Empty Substrate Integrated Waveguide (ESIW). Una vegada fet això, es procedeix a l'estudi de materials que tinguen un valor de permitivitat dielèctrica variable d'alguna forma. En concret, s'ha realitzat la caracterització de diferents mescles de cristall líquid a la freqüència de microones. Aquest material canvia el seu valor de permitivitat quan se li aplica un camp elèctric o magnètic. Atès que per a la reconfiguració de la resposta dels filtres es requereix una estructura desacoblada en baixa freqüència, és a dir, amb més d'un conductor, s'ha desenvolupat una estratègia per al desacoblament d'estructures ESIW, la tecnologia Decoupled Empty Substrate Integrated Waveguide (DESIW). Finalment, s'han dissenyat ressonadors en aquesta tecnologia DESIW, que s'han omplit de cristall líquid i aplicat uns camps de polarització, i s'ha aconseguit variar la seua resposta en freqüència. Aquests ressonadors constitueixen l'element bàsic per al desenvolupament de filtres de microones. És per això que el coneixement obtingut en la tesi és una bona base per a futurs treballs d'aquesta tecnologia que permeten aconseguir filtres d'altes prestacions.[EN] The number of telecommunication services has increased significantly in recent decades. The use of smartphones, as well as the Internet of Things, is generating a saturation of the electromagnetic spectrum. Therefore, the requirements of microwave systems have changed to adapt to these new developments and related challenges. For achieving these needs, the development of devices with low cost, volume, weight and power consumption is sought. In addition, it interests to be spectrally efficient, to offer high performance, and to be easily integrated with other devices. Among all microwave devices, filters are key elements within mobile and wireless communication systems. In this context, the design of filters that meet the aforementioned requirements has become a topic of great interest. For solving this problem, Substrate Integrated Waveguide (SIW) technology has emerged, which allows the implementation of filters with a small size and to be easily integrated with other devices in planar technology. This technology has better power handling and loss performance than Printed Circuit Board (PCB) technology, although they do not have the performance of the classic waveguide counterpart. On the other hand, the spectral saturation also leads to the study of filters with tunable frequency response, that is, they can change their central frequency and bandwidth, in order to fulfil the changing system requirements. Therefore, the general objective of this PhD Thesis work is the analysis and design of new reconfigurable filters in integrated technology. The work begins with the study of the basics of microwave filters until the design of reconfigurable resonators in SIW technology, using Liquid Crystal (LC) as reconfiguration material. Firstly, the influence that the change of the dielectric permittivity value inside the filtering structures have on the frequency response has been studied. Particularly, filters have been obtained by alternating line sections with and without dielectric material inside an empty SIW (Empty Substrate Integrated Waveguide (ESIW)). Once this is done, it is proceed to the study of materials that have a variable dielectric permittivity value. Specifically, the characterization of different LC mixtures at microwave frequencies has been carried out. This material changes its permittivity value when an electric or magnetic bias field is applied. A low-frequency decoupled structure is required for the reconfiguration of filters, that is, structures with more than one conductor. For that, a strategy for decoupling ESIW structures has been developed, i.e, the Decoupled Empty Substrate Integrated Waveguide (DESIW) technology. Finally, some resonators have been designed in DESIW technology, which have been filled with LC. The use of LC allows to tune their frequency response. These resonators are basic elements for the development of microwave filters. So that, the knowledge obtained in this Thesis work is a good basis for future works in this technology that allow for achieving high performance filters.Sánchez Marín, JR. (2019). Reconfigurable Devices using Liquid Crystal at Microwave Frequencies in Substrate Integrated Waveguide [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/132183TESI

Tunable ferroelectric thin film devices for microwave applications

Ph.DDOCTOR OF PHILOSOPH

Advanced Electromagnetic Waves

This book endeavors to give the reader a strong base in the advanced theory of electromagnetic waves and its applications, while keeping pace with research in various other disciplines that apply electrostatics/electrodynamics theory. The treatment is highly mathematical, which tends to obscure the principles involved

Application of Space-and Time-Modulated Dispersion Engineered Metamaterials to Signal Processing and Magnetless NONRECIPROCITY

RÉSUMÉ Les métamatériaux sont des structures conçues pour intéragir avec les composantes électriques et magnétiques de la lumière d’une manière particulière qui n’est pas possible avec des matériaux naturels. Elles sont composées de méta-atomes, qui sont faits d’un ensemble d’éléments de taille plus petite que la longueur d’onde, réalisés à partir de matériaux composites tels que des métaux ou des diélectriques. Les métamatériaux acquièrent leurs propriétés de leur structure macroscopique plutôt que des propriétés microscopiques des élements qui les composent. Le mot « méta » provient du Grec dont la signification est au-delà, indiquant le concept d’une abstraction au-delà d’un autre concept. Les métamatériaux statiques conventionnels tirent profit de l’ingénierie spatiale de la dispersion pour présenter des propriétés exotiques non observées dans les matériaux usuels, tel qu’un indice de réfraction négatif. Un type plus sophistiqué de métamatériaux statiques, basé sur une structure dispersive modulée spatialement, peut être employé pour former un manteau d’invisibilité. Au cours de la dernière décennie, les métamatériaux dynamiques ont été présentés comme une nouvelle génération de systèmes électromagnétiques versatiles et ont rapidement acquis un grand intérêt de la part de la communauté scientifique. Les milieux modulés dans “l’espacetemps”, dont les paramètres constitutifs varient périodiquement dans l’espace et le temps, représentent une classe avancée de métamatériaux dynamiques non-réciproques. De tels milieux sont dotés de propriétés particulières telles que la capacité à générer des fréquences de façon non-réciproque. Contrairement aux métamatériaux périodiques statiques tels que les cristaux photoniques, les milieux modulés dans l’espace-temps présentent une dispersion asymétrique. D’ailleurs, par analogie avec les milieux en mouvement, où la vitesse du milieu est limitée à la vitesse de la lumière, les milieux modulés dans l’espace-temps peuvent acquérir des vitesses subluminales et superluminales. En conséquence, un éventail varié de bandes d’énergie orientées horizontalement, obliquement et verticalement sont accessibles dans les milieux modulés dans l’espace-temps, alors que dans les métamatériaux conventionnels ou les réseaux de Bragg, les bandes d’énergie sont seulement orientées horizontalement. Ces bandes d’énergie obliques et verticales apportent des degrés de liberté additionnels qui peuvent être utilisés pour la conception de différents systèmes électromagnétiques. La non-réciprocité basée sur la modulation dans l’espace-temps offre un chemin viable vers la conception de systèmes électromagnétiques non-réciproques intégrés.----------ABSTRACT Metamaterials are engineered structures which interact with the electric and magnetic components of light in a peculiar way that natural materials do not. These so-called meta-atoms are made of assemblies of subwavelengthly spaced elements fashioned from composite materials such as metals or dielectrics. Metamaterials acquire their properties from their macroscopic structure rather than the microscopic material of which they are made of. The word “Meta” originates from Greek whose meaning is beyond, indicating a concept as an abstraction beyond another concept. Conventional static metamaterials take advantage of spatial dispersion engineering to exhibit exotic properties not observed in bulk materials, such as for instance negative refractive index. A more sophisticated type of conventional static metamaterials based on a space-modulated (gradient-index) spatially dispersive structure, was used to form an invisibility cloak. Over the past decade, dynamic metamaterials, as a new generation of versatile electromagnetic systems, have been introduced and soon acquired a surge of scientific interest. “Spacetime modulated” media, whose constitutive parameters are periodically varying in space and time, represent an advanced class of nonreciprocal dynamic metamaterials. Such media are endowed with peculiar properties such as nonreciprocal frequency generation. In contrast to static periodic metamaterials such as photonic crystals, periodic space-time modulated media exhibit asymmetric dispersion. Moreover, by analogy with the moving media, where the velocity of the medium is limited to the speed of light, space-time modulated medium may acquire both subluminal and superluminal velocities. As a result, a diverse range of horizontally-, obliquely- and vertically-oriented electromagnetic band-gaps are accessible in space-time modulated media, compared to horizontal bandgaps in conventional metamaterials and Bragg structures. These oblique and vertical electromagnetic band-gaps offer extra degrees of freedom which may be leveraged for the design of different electromagnetic systems. Nonreciprocity based on space-time modulation grants a viable path towards integrated nonreciprocal electromagnetic systems. This addresses issues of conventional nonreciprocity techniques, such as for instance bulkiness and incompatibility with integrated circuit technology in magnet-based nonreciprocity, and signal power restrictions in nonlinear-based nonreciprocity. Space and time modulation combined with spatial and temporal dispersion engineering techniques offers a variety of unique electromagnetic properties to be discovered