Analyse et conception de surfaces à impédance à dispersion contrôlée // Analysis and design of dispersion-engineered impedance surfaces

L'ingénierie de la dispersion (DE) désigne le contrôle de la propagation des ondes électromagnétiques dans une structure en modulant la relation entre la fréquence et la vitesse de phase. Grâce à des matériaux et des surfaces artificiellement conçus, il est possible d’ajuster cette relation afin d’obtenir des comportements de propagation non conventionnels, permettant ainsi un contrôle précis des effets dispersifs du système. Dans le domaine des antennes, le DE peut améliorer plusieurs aspects essentiels des performances en rayonnement, notamment la largeur de bande en gain, la précision de balayage du faisceau et, plus généralement, la réduction des distorsions inhérentes aux variations de fréquence. Il peut également permettre des fonctionnalités supplémentaires, telles que le fonctionnement multibande ou le comportement multifocal dans des antennes à lentilles ou réflecteurs.

Cette thèse vise à étudier les phénomènes physiques régissant le contrôle des vitesses de phase et de groupe dans des surfaces artificielles bidimensionnelles présentant des impédances effectives dépendantes de la fréquence. Une attention particulière sera portée aux architectures à alimentation spatiale, telles que les réseaux transmetteurs et réflecteurs, où la dispersion joue un rôle déterminant. L’objectif est d’établir des formulations analytiques permettant de contrôler simultanément le retard de groupe et le retard de phase, de développer des modèles généraux et d’évaluer les limites fondamentales de ces systèmes en termes de performances en rayonnement. Ce travail est particulièrement pertinent pour les antennes à très fort gain, domaine dans lequel l’état de l’art reste limité. Les conceptions actuelles basées sur le DE présentent généralement une bande passante étroite, et aucune solution compacte à très fort gain (> 35 dBi) ne parvient encore à surmonter les dégradations liées à la dispersion, telles que la baisse de gain ou le dépointage du faisceau.

Le doctorant développera des outils théoriques et numériques, étudiera de nouveaux concepts de cellules unitaires périodiques pour les surfaces d’impédance, et concevra des architectures d’antennes avancées exploitant des principes tels que le délai de temps réel, le fonctionnement multibande à ouverture partagée ou la focalisation en champ proche avec minimisation des aberrations chromatiques. Le projet explorera également des technologies de fabrication alternatives afin de dépasser les contraintes des procédés classiques de PCB et de libérer de nouvelles capacités de contrôle de la dispersion.

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Dispersion engineering (DE) refers to the control of how electromagnetic waves propagate in a structure by shaping the relationship between frequency and phase velocity. Using artificially engineered materials and surfaces, this relationship can be tailored to achieve non-conventional propagation behaviors, enabling precise control of dispersive effects in the system. In antenna design, dispersion engineering can enhance several key aspects of radiation performance, including gain bandwidth, beam-scanning accuracy, and in general the reduction of distortions that arise when the operating frequency changes. It can also enable additional functionalities, such as multiband operation or multifocal behavior in lens- and reflector-based antennas.

This thesis aims to investigate the underlying physics governing the control of phase and group velocities in two-dimensional artificial surfaces with frequency-dependent effective impedance properties. A particular emphasis will be placed on spatially fed architectures, such as transmitarrays and reflectarrays, where dispersion plays a crucial role. The objective is to derive analytical formulations within simultaneously control of both group and phase delay, develop general models, and assess the fundamental limitations of such systems in radiation performance. This work is especially relevant for high-gain antenna architectures, where the state of the art remains limited. Current dispersion-engineered designs are mostly narrowband, and no compact high-gain solution (> 35 dBi) has yet overcome dispersion-induced degradations, which lead to gain drop and beam squint.

The student will develop theoretical and numerical tools, investigate new concepts of periodic unit cells for the impedance surfaces, and design advanced antenna architectures exploiting principles such as true-time delay, shared-aperture multiband operation, or near-field focsuing with minimized chromatic aberrations. The project will also explore alternative fabrication technologies to surpass the constraints of standard PCB processes and unlock new dispersion capabilities.
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Pôle fr : Direction de la Recherche Technologique
Pôle en : Technological Research
Département : Département Systèmes (LETI)
Service : Service Technologies Sans Fils
Laboratoire : Laboratoire Antennes, Propagation, Couplage Inductif
Date de début souhaitée : 01-10-2026
Ecole doctorale : Mathématiques, Télécommunications, Informatique, Signal, Systèmes, Electronique (MATISSE)
Directeur de thèse : CLEMENTE Antonio
Organisme : CEA
Laboratoire : DRT/DSYS/STSF/LAPCI
URL : http://www.leti-cea.fr/cea-tech/leti/Pages/recherche-appliquee/plateformes/plateforme-telecommunications.aspx

Public/private mixed funding

Pôle fr : Direction de la Recherche Technologique
Pôle en : Technological Research
Département : Département Systèmes (LETI)
Service : Service Technologies Sans Fils