Pulse Compression with Superluminal Group Velocity in 1-D Photonic Bandgap Coplanar Waveguide

International audienceWe report on the analysis and design of a Photonic BandGap coplanar waveguide (CPW) that jointly exhibits pulse compression and superluminal group velocity in the so-called anomalous dispersion region for a Gaussian modulated signal. The coupling of an analytical analysis method with an optimization algorithm enables the design of a coplanar PBG to reach the specified function. Measurements confirm our simulation data and the relevance of our approach. Further to these experiments, a discussion on superluminal velocity fundamentals is proposed

Metamaterials

Editorial

From rejection to transmission with stacked arrays of split ring resonators

[EN] We report on free space transmission experiments carried out on stacked split ring resonator (SRRs) arrays operating at microwave frequencies. We start from the case of a single frequency selective surface which exhibits a rejection at the SRR resonance frequency. By stacking SRR arrays in the propagation direction, we then show experimentally the possibility to induce a transmission band just below this resonance frequency. Full wave analysis shows the role played by the longitudinal and transverse coupling effects in the electromagnetic properties of such bulk metamaterials, with the appearance of a transmission band resulting from an artificial magnetic activity.The authors acknowledge the assistance of Mr. Antonio Vila in the fabrication of the prototypes. J. C. acknowledges the financial support of MICINN, Spain (Contract numbers: TEC 2007-67239 and Consolider CSD2008-00066) and also USTL (France).Carbonell Olivares, J. (2011). From rejection to transmission with stacked arrays of split ring resonators. Progress In Electromagnetics Research. 112:215-224. https://doi.org/10.2528/PIER10121402S21522411

Metamaterials and wave control

Since the concept was first proposed at the end of the 20th Century, metamaterials have been the subject of much research and discussion throughout the wave community. More than 10 years later, the number of related published articles is increasing significantly. Onthe one hand, this success can be attributed to dreams of new physical objects which are the consequences of the singular properties of metamaterials. Among them, we can consider the examples of perfect lensing and invisibility cloaking. On other hand,metamaterials also provide new tools for the design of well-known wave functions

Métamatériaux à indice négatif de réfraction : des microondes aux fréquences térahertz

Ce travail s'inscrit dans le contexte général des métamatériaux. Les métamatériaux sont des structures artificielles qui peuvent être décrites comme des milieux moyens en raison de leurs dimensions propres, très inférieures à la longueur d'onde de travail. Les résultats présentés portent plus précisément sur les métamatériaux à indice de réfraction négatif obtenu par le recouvrement de plages fréquentielles de permittivité et de perméabilité effectives négatives. Le fil conducteur de cette étude est l'augmentation des fréquences de fonctionnement : des micro-ondes vers le spectre térahertz. Sur la base d'une représentation en termes de permittivité et de perméabilité, le premier chapitre propose un inventaire des milieux naturels et artificiels existants, en mettant l'accent sur leurs propriétés de dispersion. Par ailleurs, il fait état des différentes solutions disponibles pour synthétiser un métamatériau à permittivité et à perméabilité négatives. Enfin, il dégage les différentes applications possibles, comptes tenus des technologies mises en œuvre et du domaine de fréquence envisagé. Le second chapitre concerne les structures unidimensionnelles. La première partie porte sur l'analyse d'un milieu synthétisé à partir de la superposition d'un réseau de fils métalliques et de boucles de courant insérées dans un guide d'ondes rectangulaire. La seconde partie aborde le concept de ligne de propagation duale par l'étude d'un déphaseur gaucher accordable. Enfin, la troisième partie traite des réseaux de particules Ω interconnectées qui constituent une approche hybride permettant de tirer partie des atouts de la ligne duale sans les contraintes propres au support de propagation. Ces atouts sont les caractères large bande, faibles pertes et la possibilité de travailler en régime composite équilibré, autrement dit avec une contiguïté des bandes gauchère et droitière. Le dernier chapitre est consacré aux métamatériaux pour la propagation en espace libre. Un régime de propagation gaucher, présentant de faibles pertes d'insertion dans la bande de fréquence 75-110 GHz, a pu être démontré à l'aide d'un premier prototype basé sur un réseau de lettres Ω. Un second prototype, conçu pour les bandes X (8-12 GHz) et Ku (12-18 GHz), a permis l'observation de régimes de réfraction positive, négative ou nulle avec une contiguïté des domaines de fréquence. Enfin, la dernière partie de ce chapitre est consacrée à l'analyse expérimentale, aux fréquences térahertz, d'une structure gauchère conçue pour l'incidence perpendiculaire aux plans des motifs. Cette structure est constituée par l'empilement de réseaux métalliques percés par des ouvertures sous-longueur d'onde

Contrôle de la propagation et du rayonnement électromagnétiques par les métamatériaux

Ce travail de thèse répond à deux objectifs principaux. Le premier concerne la conception de métamatériaux électromagnétiques en vue de l'obtention de paramètres effectifs, et particulièrement d'indices de réfraction négatifs, dans des gammes de fréquences allant des micro-ondes à l'infrarouge. Le second objectif a trait à la conception de systèmes exploitant les possibilités offertes par les métamatériaux pour remplir des fonctions de contrôle de la propagation et du rayonnement électromagnétique. Pour la partie de conception de métamatériaux, nous présentons et analysons une série de résultats de simulation et de caractérisation expérimentale pour plusieurs prototypes à base de résonateurs métalliques de différents types, ainsi que des réseaux de grilles métalliques superposées. Des indices effectifs négatifs sont obtenus autour de 100 et 500 GHz, avec de remarquables performances en termes de pertes d'insertion et d'adaptation d'impédance, correspondant à l'état de l'art actuel. Pour la partie de conception de systèmes, nous présentons un ensemble de travaux exploitant la méthode dite d'optique de transformation . Une première étude a trait à l'implémentation sous forme de métamatériaux à résonateurs de Mie d'un dispositif d'invisibilité. Une seconde étude concerne un ensemble de dispositifs apparentés à des hyperlentilles, susceptibles de réaliser différentes fonctions sur des images de champ proche. Enfin, une dernière étude concerne une proposition de système de contrôle du diagramme de rayonnement d'une antenne exploitant les propriétés des espaces courbes pour la propagation des ondes.The objective of this thesis work is two-fold. Firstly, we design electromagnetic metamaterials in order to obtain specific effective parameters, and especially negative indices of refraction, in frequency bands ranging for the microwaves to the infrared. Secondly, we design systems exploiting the possibilities offered by metamaterials to control the propagation and the radiation of electromagnetic waves. In the metamaterial design part, we present and analyze a series of simulation and experimental results for several prototypes based on metallic patterns and subwavelength hole arrays in superimposed metallic plates. Negative effective indices are obtained around 100 and 500 GHz, with state-of-the-art performance in terms of insertion losses and impedance matching. In the metamaterial-based system design, we present different studies exploiting the transformation optics procedure. The first one deals with a Mie-resonator-based implementation of an invisibility device. The second one concerns a family of devices related to hyperlenses which can accomplish different functions on near field images. Lastly, we propose a device to control the radiation pattern of an antenna, exploiting the wave propagation properties of curved spaces.LILLE1-Bib. Electronique (590099901) / SudocSudocFranceF

Déphaseurs composites à base de métamatériaux accordables par films ferroélectriques

L essor des systèmes de télécommunication nécessite l utilisation de technologies innovantes pour concevoir des dispositifs toujours plus performants. Les technologies à base de métamatériaux et de films ferroélectriques paraissent les plus prometteuses. Ce mémoire est divisé en deux parties et décrit la conception, la fabrication et la caractérisation de structures hyperfréquences aux propriétés originales.Les métamatériaux sont des matériaux artificiels dont la structuration est petite devant la longueur d onde, permettant d accéder à des propriétés électromagnétiques souvent inexistantes dans la nature. La rétropropagation d une onde, qui se traduit par des vitesses de phase et de groupe de signes opposés, est probablement la caractéristique la plus importante.Après un état de l art des métamatériaux, la première partie traite de la conception d un métamatériau gaucher en technologie fin-line à basede motifs résonants telle que des anneaux fendus. La largeur de la bande passante est améliorée en utilisant des motifs de type Omega. Dans ces structures, nous avons pu démontrer expérimentalement l existence de bandes de transmission gauchères, conformément aux prédictions théoriques. La deuxième partie explore la possibilité d introduire l'accordabilité des métamatériaux à l'aide de films minces ferroélectriques. Une caractérisation large bande de la dispersion fréquentielle de la fonction diélectrique de films minces de BaSrTiO3 (50/50) est réalisée jusqu à 100 GHz. Enfin, nous montrons numériquement et expérimentalement que l'intégration de ces films permet la réalisation de lignes de transmission composites droitière et gauchère accordables.The development of telecommunication systems requires the use of innovative technologies to design ever more efficient devices. Ferroelectric films and metamaterials-based technologies appear most promising. This thesis is divided into two parts and describes the design, fabrication and characterization of microwave structures with original properties. Metamaterials are artificial materials whose structure is small compared to the wavelength, giving access to the electromagnetic properties often no existing in nature. The backward propagation of a wave, which results in phase and group velocities with opposite sign, is probably the most important feature. After a state of the art of metamaterials, the first part deals with the design of a left-handed metamaterial in fin-line technology loaded by resonant patterns such as split rings. The width of the passband is improved by using Omega-like patterns. In these structures, we have demonstrated experimentally the existence of left-handed transmission bands, according to theoretical predictions. The second part explores the possibility of introducing tunability of metamaterials using ferroelectric thin films. A characterization of broadband frequency dispersion of the dielectric function of thin films BaSrTiO3 (50/50) was achieved up to 100 GHz. Finally, we show numerically and experimentally that the integration of these films allows the realization of tunable right-handed and left-handed composite transmission lines.LILLE1-Bib. Electronique (590099901) / SudocSudocFranceF

Métasurface codée à haute diffusion basée sur l'algorithme d'optimisation “Pattern Search” pour la réduction de la section efficace radar à large bande

National audienceUne métasurface diffusante à large bande est conçue, fabriquée et caractérisée. En se basant sur un algorithme dit “Pattern Search” et sur la théorie des réseaux planaires, une configuration de diffusion optimale composée de 8 × 8 éléments binaires est rapidement obtenue. La simulation de la métasurface complète à l'aide du logiciel CST Microwave Studio et les résultats de mesure montrent une réduction de la section efficace radar (SER) en dessous de -10 dB par rapport à une plaque métallique de même taille sur une large bande de fréquences de 27,7 à 40 GHz, et avec une faible sensibilité à l'angle azimutal de l'onde incidente

RCS reduction by 1-bit coding metasurface

International audienc