Filtres à base des surfaces sélectives en fréquences inspirées des métamatériaux dédiées à la 5G

  1. C’est quoi une surface selective en fréquence FSS ?

Les surfaces sélectives en fréquences, mieux connus par le terme anglais FSS (Frequency Selective Surface) sont des surfaces constituées d’un arrangement périodique dans un plan d’éléments passifs électriquement conducteurs. Lorsque cet arrangement d’éléments est soumis à une onde plane incidente, celle-ci est en parti transmise et en parti réfléchie. Sous certaines conditions de résonnance, l’amplitude de l’onde transmise est égale à 0, l’énergie étant réfléchie ou diffusée du côté de l’onde incidente. Ce type de surface se comporte comme un filtre coupe-bande. Ainsi, il est possible de filtrer certaines fréquences choisies tout en laissant les autres. Ceci est un avantage indéniable pour un phénomène de blindage. Nos travaux de recherche résident dans la conception et la caractérisation de tels filtres à base des FSSs.

  1. FSS miniatures pour applications de filtrage

En fonction de leurs propriétés sélectives en fréquence, les structures des FSS peuvent être divisées en filtres passe-bas, passe-bande, coupe-bande et passe-haut. Nous sommes concentrés sur cette caractéristique spécifique dans nos recherches tout en tenant compte de certaines exigences : la faible dépendance de la FSS à l’angle d’incidence et la polarisation de l’onde excitante, le faible contenu harmonique de la réponse en fréquence, la capacité de fonctionner à proximité d’une source de rayonnement. Nous avons proposé dans ce contexte un FSS passe bande en  2-D miniature fonctionnant à une fréquence de résonance de 3.5 GHz (figure 1) contenue dans la bande 5G déclarée en France par Orange (3.4GHz – 3.8 GHz). La cellule FSS miniature est de taille <λ0/8 où λ0 est la longueur d’onde dans l’espace libre correspondante à la fréquence 3.5 GHz. Un filtre de  5 × 5 cellules FSSs (figure 2) peut fournir une réponse passe-bande de premier ordre avec une large bande passante de 2.3 GHz. De plus, cette structure démontre une excellente stabilité de résonance pour les deux modes de polarisations différentes (Transverse Électrique (TE), Transverse Magnétique (TM)) et aussi pour différents angles d’incidence jusqu’à 45◦.

Cellule FSS miniature
Figure 1 : Cellule FSS miniature
filtre FSS proposé sur 3D
Figure 2 : filtre FSS proposé sur 3D.
  1. Filtres intégrées proche de l’antenne pour des applications des objets connectés

Le but de cette recherche est de développer des filtres spatiaux pour les systèmes de communication sans fil dédiés pour la 5G. Ces filtres FSS peuvent fournir des fonctionnalités et des performances améliorées à l’antenne qui représente un facteur clé dans un tel système. Nos travaux de recherche dans ce contexte sont détaillés ci-dessous :

  • Conception d’un filtre FSS réflecteur cylindrique pour les applications de communications véhiculaires

De nos jours, le trafic routier devient de plus en plus lourd, de sorte que la communication intelligente entre les véhicules en mouvement est très importante. D’où la nécessité d’améliorer la sécurité routière et d’optimiser la fluidité du trafic. La communication véhiculaire est une technologie sans fil émergente dont l’objectif majeur est de permettre aux véhicules d’interagir entre eux et partager des informations sur certains problèmes routiers. Le système de communication entre véhicules (V2V) est basé sur le protocole IEEE 802.11p où la bande de fréquence dédié à courte portée (DSRC) de 5.875–5.925 GHz, est utilisé pour les échanges d’informations entre les véhicules. Or, les accès sans fil dans les environnements véhiculaires sont réalisés par des antennes installées sur les véhicules (toits, …) et la performance des systèmes de communication dépend principalement de la configuration de ces antennes. Généralement, pour les appareils sans fil, un environnement simple est nécessaire pour assurer leur bon fonctionnement. Mais, ce n’est pas le cas dans l’environnement électromagnétique des véhicules. Dans ce cas la compatibilité électromagnétique (CEM) devient une solution pour protéger les circuits et les appareils de réception radio des effets de perturbations. Notre solution pour garantir cette fonctionnalité est de concevoir un filtre FSS résonnant à 5.9 GHz appliqué à l’antenne pour améliorer ses performances et filtrer les signaux hors bande (figures 3 et 4 ci-dessous).

Cellule FSS réflecteur
Figure 3 : Cellule FSS réflecteur.
Filtre FSS réflecteur intègre avec une antenne monopole
Figure 4 : Filtre FSS réflecteur intègre avec une antenne monopole.

                                                                                                        

  • Conception d’un filtre FSS transmetteur planaire conforme pour les applications de des objets connectés de la 5G

Des surfaces sélectives en fréquences (FSS) correctement conçues peuvent potentiellement améliorer les caractéristiques de rayonnement des antennes ultra-large-bande (ULB) imprimées et assurer en mémé temps un blindage de l’électronique en dessous. Nous avons proposé dans ce contexte un filtre 2D pour les applications ULB. Ce filtre est conçu pour être transmetteur à une fréquence de 3.5 GHz. Il est constitué d’un réseau de cellules FSS. Ce filtre est intégré avec une antenne elliptique à une distance proche de λ0/8 (λ0 la longueur d’onde correspondante à la fréquence 3.5 GHz) afin d’améliorer ses performances de rayonnement en termes de gain, de directivité et de bande passante (figures 5-7 ci-dessous).

cellule FSS transmetteur.
Figure 5: cellule FSS transmetteur.
filtre de 3*3 cellule FSS.
Figure 6: filtre de 3*3 cellule FSS.
filtre transmetteur pour intègre avec une antenne elliptique.
Figure 7: filtre transmetteur pour intègre avec une antenne elliptique.

Auteurs : DAGHARI Marwa & SAKLI Hedi

Publications :

[1] Marwa Daghari, Chafai Abdelhamid and Hedi SAKLI, ”High Isolation With Defected Ground Structures For MIMO Elliptical Multi-Antennas,” 16th International Multi-Conference on Systems, Signals & Devices (SSD’19), March 21 – 24, 2019 in Istanbul, Turkey, pp. 509-513, (978-1-7281-1820-8/19/$31.00 ©2019 IEEE).

[2] Marwa Daghari, Chafai Abdelhamid, Hedi SAKLI and Divitha Seetharamdoo, ”Design And Simulations Of Stable Pass-Band Filtering Response Using Miniaturized Element Frequency Selective Surface (MEFSS), ”15th International Wireless Communications & Mobile Computing Conference (IWCMC), Maroc, pp. 821-825, 24-28 Jun 2019. (978-1-5386-7747-6/19/$31.00 ©2019 IEEE).

[3] Marwa Daghari, Hedi SAKLI, ”Antenna Radiation Performance Enhancement Using Metamaterial Filter for Vehicle to Vehicle Communications Applications,” Advances in Science, Technology and Engineering Systems Journal ASTESJ, vol. 5, no. 2, pp. 344-350, March 2020.

[4] Marwa Daghari, Hedi SAKLI, ”Radiation Performance Enhancement Of An Ultra Wide Band Antenna Using Metamaterial Band-Pass Filter,” International Journal of Electrical and Computer Engineering, April 2020 (in publication).