Antenne dipôle double programmable à base de graphène

Contexte académique

La bande térahertz (THz) (0,1 à 10 THz) a suscité un intérêt croissant dans divers domaines tels que les communications sans fil, l’imagerie haute résolution et les communications centrées sur le corps en raison de ses caractéristiques distinctives. Cependant, le principal inconvénient des fréquences plus élevées est la communication à courte portée causée par la perte de propagation substantielle des ondes THz dans l’atmosphère. De plus, la conception et la fabrication de dispositifs pour les applications THz rencontrent des défis dus à la robustesse des sources de signal capables de fournir un gain élevé et une couverture adéquate. Malgré ces défis, la plage sub-THz offre des opportunités sans précédent pour les systèmes de communication sans fil de prochaine génération, y compris des capacités de canal inégalées avec des débits de données théoriques dépassant 100 Gbps, une miniaturisation significative des géométries d’antennes et une meilleure résolution spatiale.

Pour surmonter ces limitations, les antennes reconfigurables (RAs) sont devenues un sujet de grand intérêt dans la recherche sur les communications sans fil. Les antennes reconfigurables traditionnelles utilisent généralement des diodes PIN ou des commutateurs MEMS, mais ces technologies ne conviennent pas aux bandes THz. Le graphène, en tant que matériau bidimensionnel, est devenu un choix idéal pour développer des dispositifs électromagnétiques réglables grâce à sa conductivité de surface ajustable et son intégration transparente avec d’autres composants. Cependant, les antennes reconfigurables à base de graphène souffrent encore d’une faible efficacité de rayonnement, surtout lorsque le potentiel chimique du graphène s’approche de 0 eV.

De plus, les antennes optiquement transparentes ont récemment attiré beaucoup d’attention car elles permettent de nouvelles fonctionnalités telles que des écrans transparents avec antennes intégrées et des stations de base cachées. Cependant, les modèles existants d’antennes transparentes présentent des problèmes tels que des décalages de fréquence, un faible gain, une faible efficacité et une faible reconfigurabilité. Par conséquent, le développement d’une antenne THz transparente et performante est devenu une question cruciale.

Source de l’article

Cet article intitulé « Graphene-based programmable dual dipole antenna with parasitic elements » a été rédigé par Sana Ullah, Ilaria Marasco, Antonella D’Orazio et Giovanni Magno du département d’ingénierie électrique et d’information de l’université polytechnique de Bari en Italie. Il a été publié en 2025 dans la revue « Optical and Quantum Electronics », avec le DOI : 10.1007/s11082-025-08050-1.

Détails de la recherche

a) Processus de recherche

Cette étude présente une antenne dipôle double programmable transparente à base de graphène conçue pour réaliser la formation de faisceaux dans la plage sub-THz. Le processus de recherche comprend les étapes suivantes :

1. Conception de l’antenne
   L’antenne utilise un substrat en polyimide, comportant deux dipôles orthogonaux en graphène et huit éléments parasites en forme de secteur. En ajustant le potentiel chimique du graphène, la distribution du courant de l’antenne peut être modifiée pour former différents motifs de rayonnement (par exemple, faisceau simple, double ou quadruple).

   • Objets expérimentaux : Les paramètres de conception incluent la longueur des bras des dipôles ((l)), leur largeur ((w)), l’écart ((g)), ainsi que les rayons internes et externes des éléments parasites ((r_i, r_o)) et la largeur angulaire ((\theta)).
     
   • Méthodes expérimentales : Des simulations électromagnétiques ont été réalisées avec le logiciel CST Microwave Studio, et une optimisation itérative a permis de déterminer la meilleure combinaison de paramètres.
     
   • Innovation : Utilisation de la technologie de grille coplanaire latérale pour ajuster le potentiel chimique du graphène et permettre un basculement dynamique.

2. Optimisation des paramètres
   L’équipe de recherche a systématiquement optimisé plusieurs paramètres géométriques, notamment la plage de fréquence (180 GHz à 220 GHz), les dimensions des dipôles ((l = 135-160 \mu m, w = 15-35 \mu m)), les rayons internes et externes des éléments parasites ((r_i = 220-260 \mu m, r_o = 600-680 \mu m)) et la largeur angulaire ((\theta = 10^\circ-60^\circ)). Les paramètres finalement optimisés sont : (r = 680 \mu m, r_i = 240 \mu m, r_o = 610 \mu m, l = 155 \mu m, w = 27 \mu m, g = 25 \mu m, h = 150 \mu m, \theta = 40^\circ).

3. Analyse des motifs de rayonnement
   L’équipe a généré divers motifs de rayonnement en changeant les schémas de codage (activation d’éléments parasites spécifiques). Ces motifs comprennent des configurations à faisceau unique, double et quadruple, avec une analyse approfondie de la directionnalité, du gain et de la bande passante.

b) Résultats principaux

1. Adaptation d’impédance et réponse spectrale
   L’étude montre que différents schémas de codage ont peu d’impact sur l’adaptation d’impédance et la réponse spectrale de l’antenne. La bande passante à -10 dB s’étend de 187 GHz à 214 GHz, tandis que la fréquence de résonance varie légèrement entre 196 GHz et 203 GHz.

2. Gain et efficacité
   Dans la bande passante à -10 dB, le gain de l’antenne varie de -1,2 dBi à 2,3 dBi. Pour les configurations à faisceau unique, double et quadruple, les gains maximums atteints sont respectivement de 2 dBi, 1,3 dBi et 0,7 dBi. L’efficacité totale dépasse 27 %, atteignant plus de 45 % près de la fréquence d’adaptation d’impédance.

3. Symétrie des motifs de rayonnement
   L’étude a montré qu’en effectuant des rotations ou des réflexions des schémas de codage, il est possible de contrôler de manière flexible les motifs de rayonnement. Par exemple, les schémas de codage “h15”, “h35” et “h345” peuvent générer un balayage complet de faisceau à 360° via des opérations symétriques.

c) Conclusions et signification

Cette recherche a réussi à concevoir une antenne dipôle double transparente à base de graphène capable de réaliser une formation de faisceau programmable dans la plage sub-THz. Son principal avantage réside dans sa transparence et ses performances élevées, ce qui la rend adaptée aux communications intérieures, aux bâtiments intelligents, aux transports, à l’électronique flexible et aux technologies portables. De plus, cette conception met en avant le potentiel du graphène pour les antennes hautes fréquences, offrant des références importantes pour les recherches futures.

d) Points forts de la recherche

1. Conception innovante : Première antenne transparente avec capacité de balayage de faisceau à 360° dans la plage THz.
   
2. Multifonctionnalité : Commutation dynamique entre les modes à faisceau unique, double et quadruple via l’ajustement du potentiel chimique du graphène.
   
3. Efficacité : L’antenne optimisée présente une efficacité et un gain élevés à la fréquence d’adaptation d’impédance.
   
4. Transparence : Utilisation de substrat en polyimide et de matériaux en graphène pour garantir la transparence optique de l’antenne.

e) Autres informations précieuses

L’équipe de recherche prévoit d’explorer davantage de schémas de codage pour générer des motifs de rayonnement plus complexes. De plus, ils examineront également les effets d’interférence entre les dipôles horizontaux et verticaux afin d’étendre les fonctionnalités de l’antenne.

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Conclusion

Cet article propose une antenne dipôle double transparente à base de graphène, résolvant les insuffisances des antennes actuelles en termes de transparence, de reconfigurabilité et de performance. Grâce à une optimisation paramétrique détaillée et une analyse des motifs de rayonnement, l’équipe de recherche a démontré le potentiel d’utilisation de cette antenne dans la plage sub-THz. Ce travail non seulement fait avancer la technologie des antennes transparentes, mais fournit également de nouvelles solutions pour les futurs systèmes de communication sans fil.