Thèse Nouveau Composant Hyperfréquences Multi-Fonctions Reconfigurable à Base de Matériaux Ferrites H/F - Doctorat.Gouv.Fr

Établissement : Université de Limoges École doctorale : Sciences et Ingénierie Laboratoire de recherche : XLIM Direction de la thèse : Laure HUITEMA ORCID 0000000276653943 Début de la thèse : 2026-10-01 Date limite de candidature : 2026-06-08T23:59:59 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 oeuvre, en rupture avec l'approche classique basée sur une adaptation systématique à 50 . 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. Les systèmes de communication et de détection évoluent vers des architectures reconfigurables, compactes et multifonctionnelles. Les approches conventionnelles reposent sur l'assemblage de composants distincts (circulateurs, déphaseurs, antennes), conduisant à des systèmes volumineux, dissipatifs et complexes, en particulier dans les réseaux à balayage électronique.

Des travaux récents ont montré que l'exploitation de la zone de perméabilité effective négative des ferrites permet de générer un phénomène de déplacement de champ conduisant à des fonctions non réciproques. Par ailleurs, les diodes varactors offrent une solution robuste et mature pour le contrôle électrique du déphasage dans les dispositifs hyperfréquences.
Dans ce contexte, la thèse propose de combiner ces deux approches au sein d'un même dispositif, en remplaçant les solutions ferroélectriques complexes par des composants électroniques accordables, afin de proposer une architecture plus simple, robuste et compatible avec des technologies de fabrication standards. L'objectif principal de la thèse est de concevoir, modéliser, fabriquer et caractériser un composant hyperfréquence multifonction compact intégrant simultanément les fonctions de circulation, de déphasage et de rayonnement.

Plus précisément, il s'agit de :

Exploiter le régime de perméabilité effective négative dans un substrat ferrite pour réaliser une fonction de circulation non réciproque.
Intégrer des diodes varactors afin d'assurer un contrôle dynamique du déphasage.
Démontrer la reconfigurabilité du diagramme de rayonnement d'un dispositif antennaire intégrant ces fonctions.
Développer une approche de co-conception électromagnétique permettant d'optimiser conjointement le composant et l'antenne.
Valider expérimentalement une cellule élémentaire et son intégration en réseau d'antennes reconfigurable. La thèse adoptera une méthodologie progressive combinant modélisation électromagnétique, conception de dispositifs et validation expérimentale par prototypes. L'objectif est de maîtriser les phénomènes physiques d'un composant innovant associant ferrites et éléments accordables (diodes varactors), en validant chaque brique technologique avant leur intégration complète.
Les travaux se concentreront sur la bande S (autour de 2,4 GHz) avec une bande passante cible d'environ 15 %, pertinente pour des applications en télécommunications, radar et capteurs. Les substrats ferrites seront sélectionnés pour leur reproductibilité industrielle et leurs propriétés électromagnétiques (aimantation, pertes, homogénéité).
Les simulations seront réalisées à l'aide de CST Studio Suite, permettant une modélisation précise des phénomènes non réciproques et des effets d'intégration des composants reconfigurables.
Le travail sera structuré de manière progressive selon les étapes suivantes :
1- Développement d'un circulateur sur substrat ferrite exploitant la zone de perméabilité effective négative.
2 - Conception et optimisation d'une antenne fonctionnant dans ce régime particulier.
3 - Co-développement du dispositif combinant circulateur et antenne.
4 - Intégration de la fonction de déphasage via diodes varactors et co-conception multiphysique (électromagnétique et électronique).
5 - Mise en réseau de plusieurs cellules multifonctionnelles et démonstration de la reconfigurabilité du diagramme de rayonnement.

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.