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EP-4189772-B1 - METASURFACE DEVICE

EP4189772B1EP 4189772 B1EP4189772 B1EP 4189772B1EP-4189772-B1

Inventors

  • CHAZELAS, JEAN
  • Tripon-Canseliet, Charlotte

Dates

Publication Date
20260506
Application Date
20210720

Claims (10)

  1. Metasurface device comprising: - a substrate (2) having a rear surface (21) and a front surface (22), - a transmission and/or receiving device which is capable of transmitting and/or receiving an electromagnetic wave, the transmission and/or receiving device being configured and arranged so that the wave is capable of being propagated in the form of a surface wave on the front surface (22) of the substrate (2), - an antenna element (3) which comprises a two-dimensional network (2) of conductive wafers which are arranged on the front surface of the substrate remote from each other and which have dimensions less than the operating wavelength of the transmission and/or receiving device, - the substrate (2) comprising an earthing structure (7) which is capable of being in an insulating state in which the earthing structure prevents the propagation of the surface wave on the front surface of the substrate, from the transmission and/or receiving device as far as the conductive wafers, in order to prevent the antenna element (3) from radiating, or vice versa, and in a conductive state, in which the earthing structure acts as an earthing plane which enables the propagation of the surface wave on the front surface of the substrate, from the transmission and/or receiving device as far as the conductive wafers, the earthing structure being capable of changing from the insulating state to the conductive state by means of illumination of the earthing structure at a wavelength called the commutation wavelength.
  2. Metasurface device according to the preceding claim, comprising a commutation source (8) which is capable of changing from a state in which it does not illuminate the earthing structure (7), so that the earthing structure (7) is in the insulating state, to a state in which it illuminates the earthing structure (7) so that the earthing structure acts as an earthing plane.
  3. Metasurface device according to claim 2, wherein the substrate (2) comprises an earthing layer (7) and an intermediate layer (9) which insulates the earthing plane of the conductive wafers when the earthing structure (7) acts as an earthing plane, the earthing structure (7) comprising a photo-conductive central portion (PC) and a conductive peripheral portion (PF) which surrounds the photo-conductive central portion (PC), the photo-conductive central portion (PC) being in an insulating state when it is not illuminated, in which it prevents the propagation of the surface wave from the transmission and/or receiving device as far as the conductive wafers (4) or, vice versa, the photo-conductive central portion (PC) being capable of being in a conductive state when it is illuminated at the commutation wavelength, in which the photo-conductive central portion (PC) is conductive so that the earthing structure acts as an earthing plane.
  4. Metasurface device according to claim 3, wherein, the earthing structure (7) being an earthing layer, the intermediate layer (9) being interposed between the conductive wafers (4) and the earthing layer (7).
  5. Metasurface device according to claim 3, wherein the intermediate layer is a photo-conductive semi-conductor material which is capable of being in a conductive state when it is illuminated at the commutation wavelength , the intermediate layer being interposed between the conductive wafers (4) and the conductive peripheral portion, the conductive central portion comprising a central portion of a rear face of the intermediate layer, the rear face of the intermediate layer being in direct physical contact with the conductive peripheral portion.
  6. Metasurface device according to any one of claims 3 to 5, comprising several commutation sources, the earthing structure (7) comprising several photo-conductive central portions and a commutator (COM) which allows only one of the photo-conductive central portions from the photo-conductive central portions to be selectively illuminated and/or which allows several photo-conductive central portions to be selectively illuminated simultaneously.
  7. Metasurface device according to either claim 1 or 2, wherein the earthing structure is a first photo-conductive layer (212) which is made from a single photo-conductive semi-conductor material, the photo-conductive material being insulating when it is not illuminated and conductive when it is illuminated at the commutation wavelength.
  8. Metasurface device according to the preceding claim, wherein the photo-conductive semi-conductor material which forms the first photo-conductive layer (212) is selected in such a manner that the first photo-conductive layer (212) has a penetration depth less than the thickness of the first photo-conductive layer (212) at the commutation wavelength so that, when the whole of a rear face of the first photo-conductive layer (212) is illuminated at the commutation wavelength by the commutation source (8), the first photo-conductive layer (212) comprises: - a conductive portion (215) which forms the earthing plane and which extends from the rear face (225) of the semi-conductor layer (212) over a thickness less than the thickness of the first semi-conductor layer (212) and - an insulating portion (216) which extends over the remainder of the thickness of the semi-conductor layer so that the conductive portion (215) is insulated from the conductive wafers (4) by the insulating portion (216).
  9. Metasurface device according to any one of the preceding claims, comprising an intermediate semi-conductor layer (213), the metasurface device comprising an optical reconfiguration device (DR) comprising a source called the reconfiguration source (SR) which transmits an optical beam and a diffractive optical device (DIFF) which is capable of illuminating a group of at least one zone, called the illumination zone, of the intermediate layer (213) so that the intermediate layer (213) is conductive only in the group of at least one illuminated zone (ZE) so as to electrically connect in pairs the metal wafers of the antenna element which are separated and connected by a continuous zone of the semi-conductor intermediate layer (213) which is located completely in an illuminated zone (ZE) of the group of at least one illuminated zone (ZE) in order to form at least one group (G) of conductive wafers (4) which are electrically connected to each other.
  10. Metasurface device according to the preceding claim, wherein the intermediate layer is interposed between the conductive wafers (4) and the earthing layer or wherein the intermediate layer is the earthing layer.

Description

Le domaine de l'invention est celui des dispositifs à métasurface, par exemple des antennes à métasurfaces. L'invention s'applique aux dispositifs hyperfréquences. De tels dispositifs peuvent être utilisés dans différentes applications telles que les applications radar dans l'avionique et l'aérospatiale, la communication haut débit, les télécommunications spatiales. La demande de brevet WO2019219708 divulgue un dispositif d'antenne comprenant un substrat, un plan de masse formé sur une surface arrière du substrat et un élément d'antenne formé sur la surface avant du substrat et comprenant un premier réseau de pastilles conductrices séparées par des interrupteurs disposés entre les pastilles conductrices. Le dispositif d'antenne comprend une source d'ondes électromagnétiques configurée et disposée pour générer une onde de surface sur la face avant du substrat. L'onde de surface est transformée par le réseau bidimensionnel de pastilles conductrices en ondes de fuite émises selon une direction présentant une composante perpendiculaire à la surface avant du substrat. La connexion électrique de certaines pastilles conductrices entre-elles permet de former un réseau de groupes de pastilles connectées entre elles. Cette solution permet, sans utiliser de déphaseurs, de contrôler la direction principale du diagramme d'émission de l'antenne et donc de réaliser des antennes à balayage électronique à bas coût. Il existe un besoin de proposer de tels dispositifs à métasurface présentant une bonne précision temporelle de façon, par exemple, à permettre de mesurer des distances avec une bonne précision lorsque le dispositif à métasurface est utilisé en radar. Un but de l'invention est de proposer un dispositif d'antenne à métasurface permettant d'obtenir une bonne précision temporelle. A cet effet, l'invention a pour objet un dispositif à métasurface comprenant : un substrat ayant une surface arrière et une surface avant;un dispositif d'émission et/ou de réception apte à émettre et/ou recevoir une onde électromagnétique, configurée et disposée de façon que l'onde soit apte à se propager sous forme d'une onde de surface sur la surface avant du substrat, un élément d'antenne comprenant un réseau bidimensionnel de pastilles conductrices disposées sur la surface avant du substrat, distantes les unes des autres et présentant des dimensions inférieures à la longueur d'onde de fonctionnement du dispositif d'émission et/ou de réception,le substrat comprenant une structure de masse apte à avoir une fonction de plan de masse, la structure de masse étant apte à être alternativement dans un état isolant dans lequel elle empêche la propagation de l'onde de surface sur la surface avant de substrat, depuis le dispositif d'émission et/ou de réception jusqu'aux pastilles conductrices, ou inversement, et dans un état conducteur dans lequel la structure de masse a la fonction de plan de masse permettant la propagation de l'onde de surface sur la surface avant du substrat, depuis le dispositif d'émission réception jusqu'aux pastilles conductrices, ou inversement, la structure de masse étant apte à passer de l'état isolant à l'état conducteur par éclairement de la structure de masse à une longueur d'onde dite de commutation. Lorsque la structure de masse à un plan de masse autorisant l'onde de surface à se propager depuis le dispositif d'émission réception jusqu'aux pastilles conductrices ou inversement, l'élément d'antenne est apte à réfléchir ou transformer l'onde de surface pour rayonner selon une direction présentant une composante perpendiculaire à la surface avant du substrat (en mode émission) ou à réfléchir ou transformer une onde reçue sur la surface avant du substrat pour la transformer en une onde de surface (en mode réception). Avantageusement, le dispositif à métasurface comprend une source de commutation apte passer d'un état dans lequel elle n'éclaire pas la structure de masse de sorte que la structure de masse soit dans l'état isolant, à un état dans lequel elle éclaire la structure de masse de façon que la structure de masse soit à l'état conducteur. Dans un premier mode de réalisation, le substrat comprend une couche de masse et une couche intermédiaire isolant le plan de masse des pastilles conductrices lorsque la structure de masse a la fonction de plan de masse, la structure de masse comprenant une partie centrale photoconductrice et une partie périphérique conductrice entourant la partie centrale photoconductrice, la partie centrale photoconductrice étant dans un état isolant, lorsqu'elle n'est pas éclairée, dans lequel elle empêche la propagation de l'onde de surface depuis le dispositif d'émission et/ou de réception jusqu'aux pastilles conductrices, ou inversement, la partie centrale photoconductrice étant apte à être dans un état conducteur, lorsqu'elle est éclairée à la longueur d'onde de commutation, dans lequel la partie centrale photoconductrice est conductrice de sorte que la structure de masse a la fonction de p