Les systèmes sans fil de prochaine génération (XG) envisagent une densification sans précédent des réseaux et une utilisation efficace du spectre proche des ondes millimétriques (mmW). Des concepts disruptifs sont nécessaires pour minimiser le nombre de systèmes d'antennes et leur consommation d'énergie. Les surfaces intelligentes reconfigurables (RIS) peuvent fournir une formation de faisceaux à haut gain à l'aide de dispositifs simples (par exemple, des diodes p-i-n) pour contrôler les propriétés de diffusion de leurs cellules unitaires. Cependant, l'efficacité d'une RIS et les fonctions sans fil qu'elle peut réaliser simultanément sont limitées par sa linéarité et sa réciprocité inhérentes.
Les métasurfaces modulées espace-temps (STMM) ont récemment émergé comme une solution de formation de faisceaux permettant de dépasser les limites fondamentales des systèmes linéaires invariants dans le temps. En tirant parti d'une variation temporelle supplémentaire de la réponse des cellules unitaires, par rapport aux RIS, une STMM peut ajuster simultanément les spectres angulaire et fréquentiel des champs rayonnés, sans recourir à de multiples circuits actifs comme dans les systèmes actuels.
La plupart des modèles de conception des STMM sont simplifiés et considèrent des modulations 1-D dans un régime temporel quasi-statique. L'impact de la discrétisation spatiale et de la quantification de phase est souvent négligé. Les rares prototypes rapportés sont souvent de petite taille électrique, avec une période grossière (demi-longueur d'onde). La plupart des démonstrateurs fonctionnent en réflexion, à des fréquences inférieures à 17 GHz, et ne permettent qu'une résolution de phase d’un bit. Une commande indépendante des faisceaux dans le champ lointain à plusieurs fréquences a été prouvée dans un seul plan de balayage.
Cette thèse de doctorat vise à modéliser, concevoir et démontrer des antennes STMM transmissives de grande taille électrique et multifonctionnelles, avec une résolution de phase et des capacités de formation de faisceaux améliorées. Des modèles numériques efficaces permettront de calculer les champs diffusés par une STMM dans les régions de champs lointain et proche, pour des périodes spatiales et temporelles arbitraires. Des techniques holographiques et de détection compressive seront proposées pour optimiser conjointement le profil de phase de la métasurface et les formes d'onde de modulation temporelle, permettant une mise en forme harmonique des faisceaux. Une étude approfondie de l'effet de la résolution de phase, de la période STMM et de la fréquence de modulation temporelle sur les performances, la consommation d'énergie et la complexité des électroniques de contrôle sera fournie.
Un prototype STMM transmissif basé sur des diodes p-i-n et permettant une résolution de phase de 2 bits sera réalisé pour la première fois, en s'appuyant sur les travaux du labo sur les antennes à lentilles plates électroniquement reconfigurables modulées dans l'espace. Il fonctionnera dans une gamme de fréquences adaptée aux réseaux terrestres et satellitaires (17-31 GHz). Plusieurs fonctionnalités d'antennes seront caractérisées expérimentalement à l'aide du même prototype, telles que : (i) une formation de faisceaux 2D simultanée et non réciproque à différents harmoniques des signaux de modulation temporelle, dans les régions de champ lointain ou proche ; (ii) une mise en forme de motif à la fréquence fondamentale, en utilisant des séquences temporelles optimisées pour augmenter la résolution effective de phase.
Les contributions fondamentales et expérimentales de cette recherche élargiront la compréhension physique des métasurfaces modulées dans le temps et augmenteront la maturité de cette technologie pour des antennes intelligentes économes en énergie, avec des applications aux réseaux sans fil et aux systèmes intégrés de communication et de détection. Une activité intense de diffusion dans des revues scientifiques à fort impact en électronique et physique appliquée est attendue, compte tenu de la nouveauté du sujet et de l'intérêt croissant qu'il suscite dans plusieurs communautés scientifiques.

La conception et le développement de surfaces rayonnantes pour la formation électronique de faisceau, la modulation spatio-temporelle, la détection et la conversion de fréquence est un enjeu important pour des nombreuses applications aux fréquences sub-THz (0.1-0.6 GHz). Parmi ces applications on peut mentionner l’imagerie médicale et le contrôle industriel, l’observation de la terre et de l’espace profond, ainsi que les radars et les systèmes futurs de télécommunication très large bande. Dans ce contexte, les (Meta)Surfaces Intelligentes et Reconfigurables (RIS) sont une technologie de rupture. Leur utilisation permet de contrôler et former le rayonnement aux fréquences sub-THz de manière hybride analogique / numérique. Pour démocratiser la technologie RIS, il sera crucial de réduire sa consommation d'énergie de deux ordres de grandeur. Cependant, l'état de l'art ne répond pas aux exigences d'intégration, de modularité, de bande passante large et de haute efficacité.
Sur la base de nos résultats de recherche récents, l'objectif principal de ce projet de thèse sera de démontrer des nouvelles architectures de RIS à base de silicium à 140 GHz et 300 GHz. L'amélioration des performances du RIS THz découlera d'un choix judicieux de la technologie de fabrication et de nouvelles conceptions de méta-atomes (également appelées cellule unitaire ou élément) à large bande avec des commutateurs intégrés de type PCM (materiaux à changement de phase). La possibilité de contrôler dynamiquement l'amplitude des coefficients de transmission des méta-atomes, en plus de leur phase, sera également étudiée. Un éclairage en champ proche sera introduit pour obtenir un profil ultra-compact. A notre connaissance, cela constitue une nouvelle approche pour la conception d'antennes à gain élevé dans la gamme de fréquence sub-THz.

Contexte:
La vision des futurs réseaux de communication sans fil envisage des services de positionnement et de localisation extrêmement précis dans des environnements intérieurs et extérieurs, en parallèle avec les services de communication (Joint Communication and Sensing- JCAS). Avec l'utilisation généralisée des technologies radar, le concept de Simultaneous Localization and Mapping (SLAM) a récemment été adapté aux applications en radiofréquences. Les premières démonstrations de faisabilité ont été réalisées en environnements intérieurs, produisant des cartes 2D basées sur des signaux rétrodiffusés aux ondes millimétriques (mmWave) ou en THz. Ces mesures permettent de fournir des données de détection, ouvrant la voie au développement de modèles complexes qui détaillent l'emplacement précis, la taille et l'orientation des objets cibles, ainsi que leurs propriétés électromagnétiques et leur composition matérielle.
Au-delà de la simple reproduction de cartes, l'intégration de la reconnaissance et du positionnement d'objets dans l'environnement peut ajouter une couche sémantique à ces applications. Bien que le SLAM sémantique ait été exploré avec des technologies basées sur des capteur vidéo, son application aux radiofréquences reste un domaine de recherche émergent nécessitant des modèles électromagnétiques précis des signatures des objets et de leurs interactions avec l'environnement. Des études récentes ont développé des modèles basés sur l'optique physique itérative et des courants équivalents pour simuler la signature multistatique en espace libre d'objets proches.

Thèse de doctorat:
L'objectif de cette thèse est d'étudier et de modéliser la rétrodiffusion des objets dans un scénario à trajets multiples, afin d'obtenir une imagerie précise et une reconnaissance des objets (y compris leurs propriétés matérielles). Le travail consistera à développer un modèle mathématique pour la rétrodiffusion des objets détectés dans l'environnement, à l'appliquer au SLAM 3D et à atteindre des objectifs de reconnaissance et de classification des objets. Ce modèle devra intégrer les effets en champ proche et en champ lointain tout en prenant en compte l'impact de l'antenne sur le canal radio global.
L'étude soutiendra la conception conjointe des systèmes d'antennes et des techniques de traitement associées (filtrage et imagerie) nécessaires à l'application.
Le doctorant fera partie du Laboratoire Antennes, Propagation et Couplage Inductif du CEA-LETI, à Grenoble (France). Il bénéficiera d'installations de pointe (sondeurs de voies, émulateur, logiciel OTA et simulateur électromagnétique).
La thèse se déroulera en partenariat avec l'Université de Bologne.

Application:
Le poste est ouvert aux étudiant.e.s exceptionnels titulaires d’un Master of Science, d’une école d’ingénieur ou équivalent. Le/la étudiant.e doit avoir une spécialisation dans le domaine des télécommunications, des micro-ondes et/ou du traitement du signal. Le dossier de candidature doit obligatoirement comprendre un CV, une lettre de motivation et les notes des deux dernières années d'études.