Conception d'une antenne réseau à patch multi-bande à polarisation circulaire et haut gain avec métasurface bi-couche
Étude de conception d’une antenne réseau de patchs à métasurface bi-couche à polarisation circulaire multi-bande à haut gain
Contexte académique et motivation de la recherche
La communication dans la bande térahertz (Terahertz, THz) a récemment attiré une attention considérable en raison de son potentiel pour élargir la bande passante dans les systèmes de communication sans fil. Cependant, l’application des systèmes térahertz fait face à plusieurs défis, dont l’atténuation du signal et le manque de bande passante sont les principaux problèmes. Pour résoudre ces problèmes, la conception d’antennes haute performance est devenue cruciale. Bien que les antennes micro-rubans traditionnelles aient une conception simple, leur faible largeur de bande et leur faible gain limitent leur application dans la bande térahertz. De plus, la technologie de polarisation circulaire (Circular Polarization, CP) peut efficacement réduire la dégradation entre les polarisations des émetteurs et des récepteurs, améliorant ainsi la qualité de la communication.
Pour relever ces défis, les chercheurs ont proposé un nouveau design combinant une antenne réseau de patchs à double alimentation et une métasurface bi-couche. Ce design vise à réaliser des caractéristiques de polarisation circulaire multi-bandes à haut gain et à améliorer les performances grâce à l’optimisation de la structure de l’antenne et du choix des matériaux. L’objectif de cette étude est de développer une antenne efficace capable de fonctionner sur plusieurs plages de fréquences afin de répondre aux besoins futurs des applications comme la communication 6G, la détection de drogues et les systèmes de sécurité.
Source de l’article et informations sur les auteurs
Cet article a été co-rédigé par Mona Pourhosseini, Saughar Jarchi, Pejman Rezaei et Zahra Ghattan Kashani. Les auteurs proviennent respectivement des institutions suivantes :
- Université internationale Imam Khomeini (Qazvin, Iran)
- Université de Semnan (Semnan, Iran)
- Université de technologie K.N. Toosi (Téhéran, Iran)
L’article a été publié en 2025 dans la revue Optical and Quantum Electronics, numéro d’article 155, DOI : 10.1007/s11082-025-08068-5.
Méthodologie de recherche et processus expérimental
a) Processus de recherche et conception expérimentale
Cette étude se divise en plusieurs étapes :
1. Conception de l’antenne réseau
La recherche commence par la conception d’une antenne réseau de patchs à double alimentation à large bande. Cette antenne est composée de deux patchs de tailles différentes, avec un patch central de dimensions 40 μm × 40 μm et des patchs latéraux mesurant la moitié de cette taille (20 μm × 20 μm). Cette conception permet à l’antenne de résonner à deux fréquences différentes. L’antenne utilise un substrat en silicium (épaisseur de 6 μm, constante diélectrique relative de 11,9) et a été simulée électromagnétiquement via le logiciel CST Microwave Studio.
Pour réaliser des caractéristiques de polarisation circulaire, la recherche a modifié les patchs :
- Une fente en croix (Cross Slit) et une découpe en forme d’arc (Crescent-shaped Arc) ont été appliquées au patch central.
- Une fente en croix a été réalisée sur les patchs latéraux.
Ces modifications géométriques aident à convertir la polarisation linéaire en polarisation circulaire, et la longueur des fentes ainsi que le rayon des arcs ont été optimisés par analyse paramétrique.
2. Conception de la métasurface bi-couche
Une structure de métasurface bi-couche a été conçue pour améliorer davantage les caractéristiques de polarisation circulaire de l’antenne. La métasurface est composée de deux couches :
- La couche inférieure est constituée de quatre unités carrées connectées.
- La couche supérieure forme un motif en “8”, composé de deux anneaux carrés interconnectés.
Les dimensions des cellules de la métasurface ont été optimisées avec les paramètres suivants : a = 4,5 μm, a1 = 2,5 μm, b = 1,6 μm, b1 = 1 μm, lm = 17,5 μm. Le matériau de la métasurface est en dioxyde de silicium (SiO₂), avec une épaisseur de 0,75 μm, pour obtenir une conception à faible profil.
3. Structure intégrée et tests
La structure finale place directement la métasurface bi-couche au-dessus de l’antenne réseau de patchs. L’ensemble du système d’antenne est composé de quatre couches : plan de masse, réseau de patchs, métasurface inférieure et métasurface supérieure. Les couches sont isolées par des substrats en silicium ou en dioxyde de silicium, sans espace d’air entre elles.
La recherche a utilisé la technique d’intégration finie (Finite Integration Technique, FIT) pour simuler numériquement les performances de l’antenne, évaluées à travers des paramètres S (comme S11), le rapport axial (Axial Ratio, AR) et le gain (Gain).
b) Résultats principaux de la recherche
1. Amélioration des performances de l’antenne réseau de patchs
En introduisant des fentes en croix et des découpes en arc, la bande passante d’impédance de l’antenne a significativement augmenté. L’antenne améliorée présente des performances exceptionnelles dans les bandes de fréquence 3,03–3,4 THz et 4,35–5,65 THz, avec des améliorations de bande passante respectives de 90 GHz et 190 GHz par rapport au modèle de réseau simple. De plus, l’antenne a réalisé des caractéristiques de polarisation circulaire dans trois bandes de fréquence (3,2–3,56 THz, 4,48–4,6 THz et 5,25–5,72 THz).
2. Amélioration des performances grâce à la métasurface bi-couche
Lorsque la métasurface bi-couche est appliquée à l’antenne réseau de patchs améliorée, les performances globales de l’antenne sont encore renforcées :
- La bande passante d’impédance s’étend de 3,24 THz à 5,44 THz, couvrant 50,7 %.
- La bande passante de rapport axial montre de bonnes caractéristiques de polarisation circulaire dans quatre bandes de fréquence (3,48–3,74 THz, 4,08–4,16 THz, 4,23–4,27 THz et 5,05–6 THz), avec une couverture totale de 17,2 %.
- Le gain maximal atteint 12 dBi, avec une efficacité d’ouverture maximale de 77 % à 4,32 THz.
3. Analyse comparative
La recherche compare l’antenne améliorée à des structures similaires issues de la littérature existante. Les résultats montrent que cette conception surpasse d’autres designs en termes de bande passante, de rapport axial et de gain. Par exemple, comparé à l’antenne proposée par Mabrouk et al. (2023), cette conception augmente la bande passante d’impédance de 39 % et la bande passante de rapport axial de 6,2 %.
Conclusion et valeur de la recherche
c) Conclusions et signification de la recherche
Cette étude a réussi à concevoir et à valider une antenne réseau de patchs à métasurface bi-couche à polarisation circulaire multi-bande à haut gain. L’antenne présente d’excellentes caractéristiques d’adaptation d’impédance dans la plage de 3,24 à 5,44 THz et réalise une polarisation circulaire dans quatre bandes de fréquence. Avec un gain maximal de 12 dBi, elle convient à diverses applications, y compris les communications 6G, la détection de drogues et les systèmes de sécurité.
Sur le plan scientifique, cette recherche montre comment combiner des réseaux de patchs et des structures de métasurface pour réaliser une conversion efficace de la polarisation circulaire, offrant de nouvelles idées pour la conception d’antennes térahertz. En termes d’applications, les caractéristiques multi-bandes et le haut gain de cette antenne en font un candidat idéal pour les futurs systèmes de communication sans fil.
d) Points forts de la recherche
- Conception innovante : La combinaison de la métasurface bi-couche et du réseau de patchs améliore considérablement les caractéristiques de polarisation circulaire et la bande passante de l’antenne.
- Caractéristiques multi-bandes : L’antenne réalise une polarisation circulaire dans quatre bandes de fréquence, augmentant son applicabilité dans différentes plages de fréquences.
- Performances élevées : Un gain maximal de 12 dBi et une couverture de bande passante de rapport axial de 17,2 %.
- Optimisation des matériaux : Utilisation de silicium et de dioxyde de silicium comme matériaux de substrat, réduisant les pertes de signal et permettant une conception à faible profil.
e) Autres informations précieuses
La recherche examine également l’efficacité de rayonnement et les caractéristiques dépendantes de la fréquence de l’antenne. Les résultats des simulations montrent qu’à 4,32 THz, le gain de pointe de l’antenne est de 12,26 dBi, avec une efficacité d’ouverture maximale de 77 %. Ces résultats prouvent davantage la capacité de conversion d’énergie efficace de l’antenne.
Résumé
Cet article propose une conception d’antenne réseau de patchs à métasurface bi-couche à polarisation circulaire multi-bande à haut gain. À travers un processus expérimental détaillé et des simulations numériques, la recherche met en évidence les performances exceptionnelles de cette antenne dans la bande térahertz. Son concept de conception innovant et ses indicateurs de performance élevés fournissent une référence importante pour le développement des technologies de communication sans fil futures.