Summary:

Le but principal de cette thèse a été de contrôler dynamiquement la réflectivité d’une métasurface par cristaux liquides. Les métasurfaces, dont les propriétés électromagnétiques sont contrôlées électriquement par l’orientation des molécules LC, fonctionnent en réflexion et présentent un très fort contraste entre une absorption quasi-totale et un faible niveau de réflexion, dans le but de réaliser un modulateur d’amplitude. Des réseaux périodiques de type ‘patchs’ ont été optimisés par simulation numérique de type ‘ full wave’ et à l’aide d’une approche analytique de type lignes de transmission. Leurs propriétés électromagnétiques ont ensuite été validées expérimentalement par des mesures de spectres de réflectivité, sans ou avec tension de commande, dans la bande 26-40 GHz. Un décalage fréquentiel de la fréquence de résonance du réseau de plus de 5.8 GHz, correspondant à une agilité en fréquence de 17 %, à l’origine d’un contraste de plus de 30 dB, a ainsi pu être démontré par l’infiltration d’un cristal liquide de forte anisotropie avec des valeurs de permittivité longitudinale de 4 et transversale de 2. 6. Pour le travail de conception, une attention particulière a été portée à la condition de résonance des réseaux qui dépend principalement de la dimension latérale des patchs et à celle de couplage critique qui correspond à l’égalité des coefficients de radiation et de dissipation. Au plan expérimental, deux contributions essentielles ont été apportées avec d’une part la caractérisation des propriétés diélectriques des LC dans la bande 26-40 GHz à l’aide d’une cellule guides d’onde, les cristaux liquides étant orientés sous champ magnétique et la mise en oeuvre d’un banc bi-statique de mesure en espace libre des paramètres de la matrice de répartition dans cette même bande. L’ingénierie de phase par le contrôle de l’argument du coefficient complexe ainsi que l’introduction de variations locales grâce à des métasurfaces pixélisées, en vue de contrôler en temps réel les diagrammes de rayonnement, à l’aide de métasurfaces, constituent les prochaines étapes de ce travail.

Abstract:

The main goal of this thesis was to dynamically control the reflectivity of a liquid crystal metasurface. The metasurfaces, whose electromagnetic properties are electrically controlled by the orientation of the LC molecules, operate in reflection and present a very strong contrast between a quasi-total absorption and a low level of reflection, in order to realize an amplitude modulator. Periodic arrays of the ‘patch’ type were optimized by full wave numerical simulation and by an analytical approach of the transmission line type. Their electromagnetic properties were then experimentally validated by reflectivity spectra measurements, without or with control voltage, in the 26-40 GHz band. A frequency shift of the resonant frequency of the grating of more than 5.8 GHz, corresponding to a frequency agility of 17%, resulting in a contrast of more than 30 dB, was demonstrated by the infiltration of a liquid crystal of high anisotropy with longitudinal permittivity values of 4 and transverse permittivity of 2. In the design work, particular attention has been paid to the resonance condition of the gratings which depends mainly on the lateral dimension of the patches and to the critical coupling condition which corresponds to the equality of the radiation and dissipation coefficients. At the experimental level, two essential contributions have been made with the characterization of the dielectric properties of LCs in the 26-40 GHz band using a waveguide cell, the liquid crystals being oriented under magnetic field and the implementation of a bi-static bench for free space measurement of the parameters of the distribution matrix in this same band. Phase engineering by controlling the argument of the complex coefficient as well as the introduction of local variations thanks to pixelated metasurfaces, in order to control in real time the radiation patterns, with the help of metasurfaces, are the next steps of this work.