Résumé :

Les absorbants électromagnétiques ont été largement utilisés depuis la seconde guerre mondiale dans diverses applications : réduction de la signature radar d’avion, atténuation des effets d’interférence entre antennes proches ou prévention de la réflexion des signaux parasites dans les chambres anéchoïques. Depuis ces vingt dernières années, beaucoup d’études ont été consacrées aux absorbants de type métamatériaux. En effet ils sont très compacts, peuvent satisfaire simultanément de multiples contraintes et présenter de très hautes performances en termes de fenêtre d’absorption très large bande ou de grande robustesse angulaire. Cependant, l’accroissement actuel de la densification des éléments dans les systèmes, notamment rayonnants, ainsi que leur utilisation sur une très large gamme de fréquences, demande la recherche de nouvelles structures absorbantes innovantes capable de faire face à ces défis futurs. Dans le cadre de ce travail de thèse, des métasurfaces absorbantes sont étudiées en visant trois objectifs : i) l’obtention d’un niveau d’absorption proche de l’unité, ii) donner des directives pour développer de nouveaux matériaux absorbants ayant les propriétés RF souhaitées et iii) le contrôle du niveau d’absorption. La première étude a trait à l’obtention d’un niveau d’absorption de l’énergie de l’onde incidente supérieur à 90% sur une bande très large (supérieure à une octave) pour différents états de polarisation et angles d’incidence. Dans ce but, des structures multi-matériaux de forme pyramidale en marches d’escalier, ont été analysées. La deuxième étude porte sur les absorbeurs basse fréquence qui utilisent des métamatériaux aux propriétés magnétiques. Pour obtenir une absorptivité quasi unitaire, diverses solutions sont proposées, comme la combinaison de résonateurs diélectriques avec des matériaux magnétiques ou la conception d’un absorbeur aux propriétés électromagnétiques non encore développées par les industries. La troisième étude a pour but d’obtenir un niveau d’absorption quasi-constant dans la bande de fonctionnement entre quelques pourcents et 100%. Ces structures à réflexion partielles nous permettront de concevoir un profil graduel d’absorption dans les directions transversales à la direction de propagation de l’onde incidente, réduisant les effets de diffraction aux bords d’éléments métalliques. Pour ces études sur les structures à réflexions partielle et totale, les aspects conception électromagnétique et de caractérisation, en particulier pour les mesures des spectres de réflectance en espace libre sont présentés et discutés.

Abstract :

Electromagnetic absorbers have been widely used since World War II in various applications: reduction of aircraft radar signature, mitigation of interference effects between nearby antennas or prevention of reflection of spurious signals in anechoic chambers. For the last twenty years, many studies have been devoted to metamaterial absorbers. Indeed, they are very compact, can simultaneously satisfy multiple constraints and present very high performances in terms of very wide band absorption window or high angular robustness. However, the current increase in the densification of elements in systems, especially radiating systems, as well as their use over a very wide range of frequencies, requires the search for new innovative absorbing structures able to face these future challenges. In this thesis, absorbing metasurfaces are studied with three objectives: i) to obtain an absorption level close to unity, ii) to give guidelines to develop new absorbing materials with the desired RF properties and iii) to control the absorption level. The first study deals with the achievement of an absorption level of the incident wave energy higher than 90% over a very wide band (greater than one octave) for different polarization states and incidence angles. For this purpose, multi-material structures with a pyramidal staircase shape have been analyzed. The second study deals with low frequency absorbers using metamaterials with magnetic properties. In order to obtain a quasi-unity absorptivity, various solutions are proposed, such as the combination of dielectric resonators with magnetic materials or the design of an absorber with electromagnetic properties not yet developed by the industries. The third study aims at obtaining a quasi-constant absorption level in the operating band between a few percent and 100%. These partial reflection structures will allow us to design a gradual absorption profile in directions transverse to the direction of propagation of the incident wave, reducing the effects of diffraction at the edges of metallic elements. For these studies on partial and total reflection structures, the electromagnetic design and characterization aspects, in particular for free space reflectance spectra measurements are presented and discussed.