Thèse Métasurfaces à Modulation Spatio-Temporelle pour une Architecture Radar Simplifiée de la Cellule au Démonstrateur Bistatique H/F - Doctorat.Gouv.Fr
- CDD
- Doctorat.Gouv.Fr
Les missions du poste
Établissement : Université Paris-Saclay GS Sciences de l'ingénierie et des systèmes École doctorale : Electrical, Optical, Bio-physics and Engineering Laboratoire de recherche : SONDRA/CENTRALESUPELEC Direction de la thèse : Mohammed SERHIR ORCID 0000000208044927 Début de la thèse : 2026-10-01 Date limite de candidature : 2026-11-22T23:59:59 En 2000, le concept de métamatériau, c'est-à-dire de matériaux dotés de propriétés dépassant celles des matériaux conventionnels, a fait son apparition. D'abord dans le domaine des micro-ondes, puis en optique, jusqu'à l'acoustique et même la mécanique. Au cours des 20 dernières années, ce concept a évolué à plusieurs reprises et a donné lieu à chaque fois à des inventions originales, telles que la lentille parfaite [1] ou la cape d'invisibilité [2]. Au cours des dix dernières années, la version 2D des métamatériaux, les métasurfaces, s'est imposée en raison d'une fabrication beaucoup plus aisée. Dans le domaine des micro-ondes, la recherche de propriétés non conventionnelles a conduit à une intégration croissante de l'électronique sur les métasurfaces. Les composants électroniques passifs ont été les premiers à apparaître, suivis par les composants actifs. Au départ, l'intégration de composants électroniques actifs visait à obtenir des propriétés contrôlables à l'aide d'une tension continue, en basculant globalement d'un état à l'autre [3]. Par la suite, l'intégration a progressé, permettant de basculer localement, au niveau de la maille élémentaire, d'un état à l'autre, c'est-à-dire la modulation spatiale [4]. Récemment, l'application d'une tension alternative, pouvant atteindre plusieurs MHz, a permis non seulement la commutation, mais aussi une variation continue, c'est-à-dire la modulation temporelle [5]. Aujourd'hui, la modulation spatio-temporelle, qui permet de modeler l'ensemble du spectre spatio-temporel, fait l'objet de recherches intensives pour les systèmes de communication ou de défense de nouvelle génération.
L'objectif de cette thèse est d'étudier une architecture radar basée sur les métasurfaces spatio-temporelles (STM), récemment proposée [6]. Dans ce radar bistatique, les chaînes de réception et d'émission peuvent toutes deux être remplacées par une métasurface spécifique. Côté récepteur, le traitement analogique du signal permet de réduire le recours à des convertisseurs analogiques-numériques (ADC) à haute vitesse, tandis que, côté émetteur, les formes d'onde peuvent être modifiées en temps réel. Les axes de recherche possibles comprennent, sans s'y limiter, les métasurfaces à polarisation complète, les formes d'onde de bruit et la pré-distorsion. Les principaux obstacles technologiques devront être identifiés afin d'évaluer les cas d'utilisation les mieux adaptés à cette technologie novatrice (véhicules, drones, etc.).
Références
[1] J. B. Pendry, « Negative refraction makes a perfect lens » (2000).
[2] D. Schurig et al., « Metamaterial electromagnetic Cloak at Microwave Frequencies » (2006).
[3] Y. Dong and T. Itoh, « Metamaterial-based antennas » (2012).
[4] T. J. Cui et al., « Coding metamaterials, digital metamaterials and programmable metamaterials » (2014).
[5] L. Zhang et al., « Space-time-coding digital metasurfaces » (2018).
[6] S. R. Wang et al., « Simplified radar architecture based on information metasurfaces » (2025).
Les métasurfaces programmables (Cui et al., 2014) commutent localement l'état de chaque cellule/atome : c'est la modulation spatiale. Zhang et al. (2018) ont ajouté la dimension temporelle : la métasurface à codage spatio-temporel contrôle direction et contenu harmonique de l'onde réfléchie. Depuis, ces surfaces servent aux communications sans fil, à la détection conjointe communication-capteur et plus récemment au radar (Wang et al., 2025).
Le passage du concept à un radar opérationnel reste ouvert. Les démonstrations reposent sur des modèles de cellule/atome simplifiés. Les performances radar classiques (résolution, dynamique, lobes secondaires, portée) sont rarement quantifiées face à une architecture conventionnelle. La thèse s'inscrit dans cette transition, au croisement de la modélisation électromagnétique, de la mesure et du traitement radar. 1. Construire un modèle électromagnétique full-wave de la métasurface STM : modélisation de réponse réelle des diodes, couplage entre cellules/atomes. Le valider en full-wave et en mesure.
2. Concevoir les formes d'onde à l'émission et le traitement analogique à la réception: chirp/déchirp, formes d'onde et bruit, pré-distorsion, codage.
3. Explorer la diversité de polarisation par une métasurface STM.
4. Réaliser et mesurer un démonstrateur radar bistatique en chambre anéchoïque.
5. Comparer ses performances à celles d'un radar conventionnel et définir les cas d'usage adaptés. 1. État de l'art et modèle de référence. Étude bibliographique. Reproduction du système de l'architecture de Wang et al. (2025). Conception d'une cellule unitaire et caractérisation full-wave (CST, HFSS) de ses états.
2. Modélisation réaliste et formes d'onde. Modèle multiport de la surface intégrant diodes et couplage. Calcul du spectre harmonique réel. Étude des formes d'onde chirp et impact du bruit.
3. Réalisation et mesure. Fabrication de prototypes émission et réception, commande par FPGA. Mesures en chambre anéchoïque : diagrammes par harmonique, spectre, réponse impulsionnelle. Confrontation modèle-mesure.
4. Évaluation radar et synthèse. Mesure de cibles calibrées. Résolution, dynamique, lobes secondaires, portée. Comparaison à une chaîne conventionnelle. Identification des cas d'usage. Rédaction.
L'objectif de cette thèse est d'étudier une architecture radar basée sur les métasurfaces spatio-temporelles (STM), récemment proposée [6]. Dans ce radar bistatique, les chaînes de réception et d'émission peuvent toutes deux être remplacées par une métasurface spécifique. Côté récepteur, le traitement analogique du signal permet de réduire le recours à des convertisseurs analogiques-numériques (ADC) à haute vitesse, tandis que, côté émetteur, les formes d'onde peuvent être modifiées en temps réel. Les axes de recherche possibles comprennent, sans s'y limiter, les métasurfaces à polarisation complète, les formes d'onde de bruit et la pré-distorsion. Les principaux obstacles technologiques devront être identifiés afin d'évaluer les cas d'utilisation les mieux adaptés à cette technologie novatrice (véhicules, drones, etc.).
Références
[1] J. B. Pendry, « Negative refraction makes a perfect lens » (2000).
[2] D. Schurig et al., « Metamaterial electromagnetic Cloak at Microwave Frequencies » (2006).
[3] Y. Dong and T. Itoh, « Metamaterial-based antennas » (2012).
[4] T. J. Cui et al., « Coding metamaterials, digital metamaterials and programmable metamaterials » (2014).
[5] L. Zhang et al., « Space-time-coding digital metasurfaces » (2018).
[6] S. R. Wang et al., « Simplified radar architecture based on information metasurfaces » (2025).
Les métasurfaces programmables (Cui et al., 2014) commutent localement l'état de chaque cellule/atome : c'est la modulation spatiale. Zhang et al. (2018) ont ajouté la dimension temporelle : la métasurface à codage spatio-temporel contrôle direction et contenu harmonique de l'onde réfléchie. Depuis, ces surfaces servent aux communications sans fil, à la détection conjointe communication-capteur et plus récemment au radar (Wang et al., 2025).
Le passage du concept à un radar opérationnel reste ouvert. Les démonstrations reposent sur des modèles de cellule/atome simplifiés. Les performances radar classiques (résolution, dynamique, lobes secondaires, portée) sont rarement quantifiées face à une architecture conventionnelle. La thèse s'inscrit dans cette transition, au croisement de la modélisation électromagnétique, de la mesure et du traitement radar. 1. Construire un modèle électromagnétique full-wave de la métasurface STM : modélisation de réponse réelle des diodes, couplage entre cellules/atomes. Le valider en full-wave et en mesure.
2. Concevoir les formes d'onde à l'émission et le traitement analogique à la réception: chirp/déchirp, formes d'onde et bruit, pré-distorsion, codage.
3. Explorer la diversité de polarisation par une métasurface STM.
4. Réaliser et mesurer un démonstrateur radar bistatique en chambre anéchoïque.
5. Comparer ses performances à celles d'un radar conventionnel et définir les cas d'usage adaptés. 1. État de l'art et modèle de référence. Étude bibliographique. Reproduction du système de l'architecture de Wang et al. (2025). Conception d'une cellule unitaire et caractérisation full-wave (CST, HFSS) de ses états.
2. Modélisation réaliste et formes d'onde. Modèle multiport de la surface intégrant diodes et couplage. Calcul du spectre harmonique réel. Étude des formes d'onde chirp et impact du bruit.
3. Réalisation et mesure. Fabrication de prototypes émission et réception, commande par FPGA. Mesures en chambre anéchoïque : diagrammes par harmonique, spectre, réponse impulsionnelle. Confrontation modèle-mesure.
4. Évaluation radar et synthèse. Mesure de cibles calibrées. Résolution, dynamique, lobes secondaires, portée. Comparaison à une chaîne conventionnelle. Identification des cas d'usage. Rédaction.
Le profil recherché
Diplôme d'ingénieur ou Master 2 en électromagnétisme, hyperfréquences, radar ou traitement du signal. Bases solides en ondes et antennes. Connaissance de l'électronique RF (diodes, circuits de commande). Pratique d'un outil de simulation full-wave (CST, HFSS ou équivalent) appréciée. Programmation en Python ou MATLAB. Goût pour l'expérimentation et la mesure. Anglais scientifique écrit et oral.
Compétences requises
- Python
- Anglais
- Traitement du signal
- RF
- MATLAB