Les différents types de SHI

De nombreux chercheurs se sont intéressés à ces métasurfaces et il en résulte une très grande variété allant des plus simples au plus exotiques. Ces structures sont généralement composées d’un matériau diélectrique sur lequel est imprimé, en face supérieure, un réseau périodique planaire de motifs unitaires et un plan de masse en face inférieure. Dans la suite, nous allons distinguer deux grandes catégories ; la première concerne les structures qui possèdent un contact électrique franc entre couches supérieures et inférieures et la seconde est composée de celles qui ne possèdent pas de via.

1.3.2.1 Les mushrooms

En 1999, un article majeur présentant une structure à bande interdite électromagnétique a été publié par Sievenpiper et Yablonovitch dans [80]. Après avoir été largement déclinée, celle-ci peut désormais être constituée d’un réseau 2D de pastilles métalliques carrées ou hexagonales , reliées au plan de masse par l’intermédiaire d’un via. Au choix, le motif périodique peut être placé dans l’air ou directement imprimé sur un support diélectrique.

(a)

(b)

Figure 1.40 – (a) Vue en coupe d’un « champ de champignons »(b) Vue de dessus d’un « champ de champignons ».

Lorsque les dimensions des inclusions et leur espacement sont très petites devant la longueur d’onde, leurs propriétés électromagnétiques peuvent être décrites en utilisant des éléments localisés (condensateurs et inductances). Cette structure se comporte comme un circuit LC parallèle résonant et peut ainsi être simplement modélisée.

Ce concept de matériaux équivalent à une surface à haute impédance a été introduit dans le but de supprimer les ondes de surface d’une antenne microruban pour augmenter son rendement. Cependant, des limitations en terme de largeur de bande existent. En effet, le caractère haute impédance n’agit que dans une bande limitée de fréquences et en dehors de cette bande de travail, la surface réagit comme une surface conductrice continue. De plus, la stabilité des propriétés de haute impédance avec l’incidence et la polarisation présente également des limitations [81]. 1.3.2.2 Les réseaux périodiques planaires

Une étude menée en 2005 par Feresidis et al. [82], a montré que des structures périodiques planaires peuvent afficher un comportement haute impédance. Ce phénomène n’est valide que sur une certaine plage de fréquence et seulement pour les ondes planes en incidence normale.

Par réseau périodique planaire nous entendons toute surface texturée qui ne comporte pas de via assurant la continuité électrique entre les motifs et plan de masse. L’absence de vias facilitant grandement la réalisation technologique de telles structures, un engouement sans précédent est né dans la communauté scientifique pour leur développement. Aujourd’hui un très grand nombre de motifs distincts ont été analysés, caractérisés et comparés. Dans ce paragraphe nous n’en donnerons qu’un bref aperçu sans s’attarder sur leurs avantages et inconvénients respectifs, cet exercice étant partiellement repris dans le troisième chapitre.

En premier lieu, nous pouvons présenter les surfaces constitueés d’un réseau de pastilles carrées qui, par leur simplicité de mise en oeuvre, s’imposent naturellement comme le réseau périodique planaire le plus répandu. Les réseaux métalliques périodiques planaires se comportent comme des conducteurs magnétiques artificiels lorsque qu’ils sont placé sur un substrat diélectrique au dessus d’un plan de masse.

La figure 1.41 présente des exemples de ce type de structure, aussi appelé surface capacitive en raison de son comportement capacitif, ou surface inductive, son dual, affichant un comportement inductif.

(a) (b)

Figure 1.41 – (a) Surface périodique de type capacitif (b) surface périodique de type inductif. Ces structures permettent d’assurer une des deux propriétés caractéristiques des surfaces à haute impédance. En effet, les structures proposées présentent les propriétés d’un PMC, elles introduisent notamment une phase du coefficient de réflexion de zéro degré aux ondes incidentes.

Une seconde structure bien connue, dénommée Uniplanar Compact-Photonic Bandgap (UC- PBG), a été publiée par Itoh et al. dans [83]. La structure est constituée de cristaux compacts périodiquement disposés dans deux dimensions (figure 1.42).

Figure 1.42 – (a) Schéma du motif métallique UC-PBG sur substrat diélectrique, (b) cellule unitaire.

Cette géométrie de motif unitaire a été largement étudiée par de nombreux auteurs et trouve aujourd’hui un grand nombre d’applications, notamment dans les domaines des circuits micro- ondes [84] et des antennes [85].

L’article [86] présente les caractéristiques de différents types d’AMC, dont, entre autres, celles des pastilles carrées. L’intérêt des auteurs porte sur la modélisation analytique de tels dispositifs et permet d’évaluer les bandes passantes respectives des différentes structures. En particulier, ils mettent en avant le fort potentiel des pastilles carrées à conserver la bande passante.

(a) (b)

Figure 1.43 – (a) Exemples de motifs élémentaires (b) phases des coefficients de réflexion respec- tives.

En vrac, la figure 1.44 présente une série d’exemples divers et variés proposée par [87]. Les auteurs s’attachent à montrer les différences majeures entre structures avec et sans via de mise à

la masse. Ils s’attardent notamment sur l’étude des largeurs de bande respectives. Est également présenté par les auteurs de [88], un arrangement périodique d’inclusions métalliques basées sur la courbe de Hilbert.

Figure 1.44 – Schémas de surfaces SHI/AMC : a. Mushroom-like EBG, b. UC-EBG, c. first-order Peano curve, et d. second-order Hilbert curve.

(a)

(b)

Figure 1.45 – (a) Cellule unitaire d’AMC basé sur la croix de Jerusalem (b) réponse fréquentielle pour la structure PBG compacte uniplanaire.

Par ailleurs, les auteurs des travaux présentés dans [89] proposent un modèle analytique pour prédire la fréquence de résonance et la bande passante d’un motif original inspiré de la croix de Jerusalem (cf figure 1.45 (a)). Enfin, la figure 1.45 (b) tirée des travaux de [90] illustre la réalisation d’un motif capable de produire de multiples fréquences de résonance à l’aide d’une structure complexe. En effet, nous observons chaque fréquence de résonance et la partie du motif élémentaire qui y est associée.