Nouveau composant hyperfréquences multi-fonctions reconfigurable à base de matériaux ferrites // New reconfigurable multi-functional microwave component based on ferrite materials

L'évolution des systèmes de communication, d'observation et de détection vers des architectures multifonctionnelles, reconfigurables et fortement intégrées impose aujourd'hui une rupture dans la manière de concevoir les composants hyperfréquences. Les approches actuelles reposent majoritairement sur l'association de fonctions élémentaires (déphasage, circulation, rayonnement) réalisées par des composants distincts, ce qui entraîne une augmentation de l'encombrement, des pertes, de la consommation énergétique et de la complexité d'intégration, en particulier dans les architectures à balayage électronique. Dans un contexte de miniaturisation et de performance accrue, ces approches atteignent leurs limites.
L'objectif de cette thèse est de proposer et de démontrer une nouvelle approche fondée sur la co-intégration de plusieurs fonctions hyperfréquences au sein d'un même dispositif électromagnétique. Le travail s'appuiera sur l'exploitation conjointe des propriétés non réciproques des matériaux ferrimagnétiques et des capacités d'accordabilité offertes par des diodes varactors. Le dispositif étudié reposera sur un substrat en ferrite fonctionnant dans un régime de perméabilité effective négative, permettant de générer un phénomène de déplacement de champ (« edge guided ») assurant la fonction de circulation. Les propriétés anisotropes et non réciproques du ferrite permettront également la génération d'une polarisation circulaire.
Les diodes varactors, intégrées au dispositif, permettront quant à elles d'ajuster dynamiquement le déphasage, offrant ainsi une reconfigurabilité du diagramme de rayonnement. L'originalité de l'approche réside dans la combinaison, au sein d'un même composant compact, des fonctions de circulation, de déphasage et de rayonnement, habituellement réalisées séparément. Le phénomène de déplacement de champ sera ici exploité de manière originale afin de convertir une partie de la puissance habituellement dissipée en puissance rayonnée, conférant au dispositif une double fonctionnalité de circulateur et d'antenne.
La thèse visera à concevoir, modéliser, fabriquer et caractériser expérimentalement un composant hyperfréquence multifonction reconfigurable opérant en bande S, avec une bande passante cible de l'ordre de 15 %. Ce composant constituera une cellule élémentaire destinée à être intégrée dans un réseau d'antennes reconfigurable, dans lequel chaque élément rayonnant intègre directement les fonctions nécessaires au pilotage du faisceau, permettant ainsi de simplifier considérablement l'architecture globale.
Une méthodologie de co-conception électromagnétique sera mise en œuvre, en rupture avec l'approche classique basée sur une adaptation systématique à 50 Ω. Le dispositif et le réseau d'antennes seront optimisés conjointement sur une impédance fonctionnelle commune, afin de réduire les pertes et d'améliorer la compacité et l'efficacité globale.
Les principaux verrous scientifiques concernent la maîtrise du fonctionnement en régime de perméabilité effective négative dans une structure rayonnante, l'intégration et le pilotage des diodes varactors dans un environnement ferrimagnétique, ainsi que le développement de méthodes de conception adaptées à ces architectures hybrides. Une attention particulière sera également portée à l'intégration en réseau de plusieurs cellules multifonctionnelles et à la gestion des interactions électromagnétiques entre éléments.
Les travaux devraient aboutir à la démonstration expérimentale d'un réseau d'antennes constitué de plusieurs cellules multifonctionnelles fonctionnant autour de 2,4 GHz, avec une capacité de dépointage du faisceau de l'ordre de 30°. Au-delà de la preuve de concept, cette thèse ambitionne de proposer un nouveau cadre de conception pour des dispositifs hyperfréquences co-fonctionnels, ouvrant la voie à une nouvelle génération de réseaux antennaires compacts, reconfigurables et fortement intégrés.
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The evolution of communication, sensing, and detection systems toward multifunctional, reconfigurable, and highly integrated architectures calls for a paradigm shift in the design of microwave components. Current approaches rely on the association of elementary functions (phase shifting, circulation, radiation) implemented using separate interconnected devices. While effective, this strategy leads to increased size, insertion losses, power consumption, and system complexity, especially in phased-array architectures. In a context of miniaturization and enhanced performance requirements, these approaches are reaching their limits.
The objective of this PhD thesis is to propose and demonstrate a novel approach based on the co-integration of multiple microwave functions within a single electromagnetic device. The work will rely on the combined exploitation of the non-reciprocal properties of ferrimagnetic materials and the tunability provided by varactor diodes. The proposed device will be based on a ferrite substrate operating in a regime of effective negative permeability, enabling the generation of a field displacement (“edge-guided”) phenomenon that ensures the circulation function. The anisotropic and non-reciprocal properties of the ferrite will also enable circular polarization.
Varactor diodes, integrated into the structure, will provide dynamic phase tuning, enabling reconfigurability of the radiation pattern. The originality of the approach lies in combining, within a single compact component, the functions of circulation, phase shifting, and radiation, which are traditionally implemented separately. In this context, the field displacement phenomenon will be exploited in an original way to convert part of the power typically dissipated into radiated power, thus providing the device with a dual functionality as both a circulator and an antenna.
The PhD work will focus on the design, modeling, fabrication, and experimental characterization of a multifunctional reconfigurable microwave component operating in the S-band, with a target bandwidth of approximately 15%. This component will serve as a unit cell to be integrated into a reconfigurable antenna array, where each radiating element directly embeds the required functions for beam steering, significantly simplifying the overall system architecture.
A co-design methodology will be developed, breaking away from the conventional 50-ohm matching approach. Instead, the device and the antenna array will be jointly optimized for a common functional impedance, reducing losses, minimizing interconnections, and improving compactness and overall efficiency.
The main scientific challenges include mastering the operation in the negative permeability regime within a radiating structure, integrating and controlling varactor diodes in a ferrimagnetic environment, and developing appropriate design methodologies for such hybrid architectures. Particular attention will also be paid to the integration of multiple multifunctional cells within an array and to the control of electromagnetic interactions between elements.
The expected outcomes include the experimental demonstration of an antenna array composed of several multifunctional cells operating around 2.4 GHz, with beam steering capabilities on the order of 30°. Beyond proof of concept, this PhD aims to establish a new design framework for co-functional microwave devices, paving the way for a new generation of compact, reconfigurable, and highly integrated antenna systems.
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Début de la thèse : 01/10/2026
WEB : https://inogyro.xlim.fr/

Public funding alone (i.e. government, region, European, international organization research grant)

Concours pour un contrat doctoral

Université de Limoges

653 Sciences et Ingénierie

Le candidat devra avoir des connaissances solides en hyperfréquences et une expérience dans l'utilisation de logiciels associés. Un plusserait des connaissances sur les matériaux ferrites, mais cette condition n'est pas nécessaire au recrutement du candidat. Il devra être autonome et force de proposition et devra s'intégrer dans l'équipe constituant le laboratoire commun.
The candidate should have a strong knowledge of microwave and experience in the use of associated software. Knowledge of ferritematerials would be an advantage, but is not a prerequisite for recruitment. He/she should be autonomous and have a strong sense of initiative, and should be integrated into the team that makes up the jointlaboratory.