Comment façonner les ondes électromagnétiques à l'aide de matériaux intelligents

Contrôlées ou pas, les ondes ont des conséquences très différentes. En témoigne l’exemple du culot de bouteille abandonné dans une forêt : la lumière du soleil, habituellement inoffensive, peut provoquer un redoutable départ d’incendie lorsque le morceau de verre la concentre sur une feuille morte. Mais dompter les ondes est loin d’être toujours dangereux. Ainsi, dans le secteur médical, on utilise depuis de nombreuses années des faisceaux focalisés ultrasonores afin d’imager le corps humain. Pour ce faire, on a recours à des matrices de transducteurs capables de transformer un signal électrique en onde ultrasonore, ainsi qu’à une électronique à multiples voies d’émission permettant de former les signaux. Ces techniques de contrôle des ondes, dites de formation de voies, sont particulièrement adaptées aux ultrasons : les fréquences y étant relativement faibles (entre 1 et 10 MHz), elles ne nécessitent que des composants électroniques relativement bon marché.

1. Radiofréquences  - contrôler pour optimiser

Les choses s’avèrent très différentes lorsque l’on s’intéresse au domaine des ondes radiofréquences, dont les fréquences typiques vont de 100 MHz pour la radio à quelques gigahertz pour la téléphonie cellulaire, et jusqu’à plus de 100 GHz pour des applications radar. Si le bas du spectre regorge de composants à bas prix, il est de plus en plus difficile, à mesure que la fréquence augmente, de réaliser des circuits radiofréquences permettant de mesurer et générer des ondes électromagnétiques de façon contrôlées pour des montants raisonnables.

Contrôler efficacement et intelligemment les ondes radiofréquences devient pourtant de plus en plus important. Dans le secteur des communications sans fil cellulaires, la seule solution qui s’offre aux opérateurs pour accroître encore les débits (les bandes passantes) sans augmenter les puissances est d’émettre à plus haute fréquence. Or plus on monte en fréquence, moins les ondes pénètrent dans les bâtiments. Par conséquent, il est crucial d’optimiser la transmission depuis les stations de base vers les téléphones en focalisant les ondes. À la clé, des débits plus importants, des économies d’énergie, une utilisation plus efficace du spectre. Mais aussi une moindre émission d’ondes électromagnétiques à même de répondre à un principe de précaution quant à leurs potentiels effets sur le vivant.

Loin d’être limitées aux communications cellulaires, ces approches de contrôle des ondes radiofréquences touchent une multitude d’applications, du Wi-Fi aux radars pour véhicules autonomes, de la digitalisation du magasin avec la RFID à la thérapie par ondes électromagnétiques pulsées, de l’internet des objets dans l’industrie 4.0 au four à micro-ondes. Chacune de ces applications nécessite de plus en plus une maîtrise fine de la propagation des ondes, qui est généralement obtenue à l’aide de systèmes contenant de multiples antennes.

Un tel système (fig. 1) est un ensemble de nombreuses voies radiofréquences, elles-mêmes constituées de nombreux composants radiofréquences : câbles, filtres, amplificateurs d’émission, déphaseurs, amplificateurs de réception, antennes, connecteurs… Évidemment, plus on requiert un contrôle précis des ondes, plus le nombre de composants augmente. Ceci implique un système de plus en plus complexe et un coût prohibitif. D’autant plus que l’on monte en fréquences. Ces systèmes atteignent donc leur limite, et il est nécessaire de changer de paradigme.

2. Révolution optique - une source dont on maîtrise les réflexions

Dans les fréquences élevées de l’optique, les composants capables de générer ou mesurer des signaux et des ondes très complexes n’existent pas. Les chercheurs ont dû trouver d’autres solutions pour dompter la lumière : les matrices de micro-miroirs, ou modulateurs spatiaux de lumière (SLM, pour spatial light modulators), d’abord utilisés en astronomie avec l’optique adaptative. Si l’observation des astres demande de coûteux miroirs contrôlés mécaniquement, des SLM bien meilleur marché sont apparus sous la forme de matrices de millions de cellules micrométriques de cristaux liquides. Chaque cellule pouvant modifier à l’aide d’une tension de contrôle la phase ou l’amplitude d’une onde en réflexion ou en transmission. En une décennie, ces SLM ont révolutionné la façon dont les opticiens utilisent la lumière.

Les expériences pionnières d’Allard Mosk, aux Pays-Bas, en 2007, ont démontré la possibilité de focaliser sur un point de quelques centaines de nanomètres de diamètre de la lumière issue d’un laser et ayant traversé une couche de peinture très opaque. Le principe est le suivant : on illumine le modulateur spatial de lumière à l’aide du laser, la lumière réfléchie traverse ensuite une lame optique couverte par une couche de peinture (fig. 2).

En l’absence de réglage du modulateur spatial, on observe à la sortie de ce milieu un champ optique dont la distribution d’intensité est aléatoire et faible. En effet, la lumière incidente a été réfléchie de nombreuses fois, au sein de la couche de peinture, par un très grand nombre de particules très petites et placées aléatoirement, résultant en une infinité d’interférences aléatoires. Mais si l’on ajuste le modulateur spatial de lumière à l’aide d’un algorithme visant à maximiser la lumière en un point donné de sortie, celle-ci s’y concentre. Le modulateur spatial a dressé le front d’ondes incident sur la couche de peinture pour que la lumière focalise de l’autre côté.

Par la suite, de nombreuses équipes dans le monde, notamment la nôtre, à l’Institut Langevin à Paris, se sont passionnées pour ces petits outils magiques. Plusieurs démonstrations ont été proposées pour contrôler la lumière de façon très efficace dans ou au travers de milieux très complexes, tels que des échantillons diffusants, des fibres optiques multimodes et des tissus biologiques. La boîte de Pandore était ouverte. Pour dompter la lumière, pas besoin d’un ensemble ultra-complexe de lasers indépendants et maîtrisés, il suffit d’une unique source de lumière et d’un jeu de miroirs intelligents !

3. De l’optique aux RF - des cavités résonnantes pour miroirs

Nous sommes en 2012 lorsque l’un d’entre nous, Mathias Fink, en vacances en Bretagne dans une maison typique aux murs épais, s’agace de la connexion ridiculement mauvaise que son téléphone portable lui procure. Il tente alors de l’améliorer en jouant avec des feuilles d’aluminium pour dévier les ondes, mais sans succès. S’ensuit au sein de l’équipe une discussion de plusieurs mois sur la façon la plus élégante et la plus efficace de contrôler simplement et à moindre coût les ondes électromagnétiques. L’idée est née : plutôt que de subir les réflexions des ondes électromagnétiques, nous allons rendre l’environnement intelligent, capable de s’ajuster en temps réel pour maximiser la qualité des communications sans fil. Pour cela, nous allons utiliser de nouveaux matériaux : des miroirs intelligents radiofréquences, similaires à ceux que nous avons utilisés dans le domaine de l’optique.

Prenons une plaque de métal, qui constitue un excellent réflecteur pour les ondes électromagnétiques jusqu’à de très hautes fréquences. Et disons que celle-ci réfléchit une onde incidente sans la déphaser (sans la « retarder »). Si on place, quelques millimètres au-dessus de cette plaque de métal, un carré de cuivre, très fin et de 6 cm de côté, l’ensemble se met à piéger les ondes pendant un certain temps, à condition que leur fréquence respecte certains paramètres (leur demi-longueur d’onde doit être commensurable avec la dimension du carré).

On a en réalité créé, à l’aide de méthodes issues du monde des antennes, une cavité (ou résonateur) pour les ondes électromagnétiques. Une onde incidente peut l’exciter et y résonner un certain temps. Or, tout phénomène résonant étant associé à un changement de phase, l’onde réfléchie par cet ensemble repart avec un déphasage (l’équivalent d’un décalage temporel) qui dépend de la fréquence de résonance du résonateur, donc de ses dimensions. Il suffit d’ajuster ces dimensions pour que le résonateur réfléchisse les ondes avec un déphasage donné, pouvant varier continûment de 0 à 360°.

Une matrice de carrés de cuivre de dimensions différentes et positionnés quelques millimètres au-dessus d’une plaque de cuivre permet donc de sculpter, de façon statique, la phase d’un front d’ondes en réflexion : c’est le principe des reflect-arrays (antennes à réseau de réflexion) développées par l’armée américaine dans les années 1970, et des métasurfaces plus récemment (re)découvertes, notamment à Harvard, par Federico Capasso.

4. Dynamique - un modulateur spatial de micro-ondes

Comment passer d’un outil qui sculpte les ondes de façon statique à quelque chose de dynamique ? Il suffit de faire appel cette fois à l’électronique. En ajoutant une capacité ou une inductance à notre carré de cuivre, c’est-à-dire en modifiant son impédance électrique. Celui-ci est en effet vu par les ondes électromagnétiques comme étant de dimension un peu plus grande ou un peu plus petite. C’est le principe qui est utilisé dans les vieux postes radio pour changer de fréquence de réception en modifiant les propriétés de l’antenne. Or il existe des composants électroniques qui peuvent présenter des capacités variables lorsqu’on les polarise avec une tension de contrôle : les diodes et les transistors par exemple. Connecter le carré de cuivre à la plaque métallique via une diode permet par exemple, en jouant sur la différence de potentiel aux bornes de la diode, de faire basculer sa fréquence de résonance d’une valeur à une autre, selon que la diode est passante ou bloquante.

Autrement dit, de faire basculer le déphasage, qu’il induit à une onde qui s’y réfléchit, d’une valeur à une autre. En optimisant un peu ce principe, on obtient un réflecteur contrôlable en phase à deux états (fig. 3). En utilisant une capacité variable, on peut avoir accès à beaucoup plus d’impédances distinctes, donc à des réflecteurs reconfigurables avec de nombreuses phases différentes. Enfin, des recettes similaires s’appliquent pour réaliser des réflecteurs contrôlables en amplitude, mais aussi des résonateurs reconfigurables en transmission, en phase et en amplitude.

Partant de ce design, il suffit de réaliser une matrice de ces cellules unités ou pixels, chacune possédant leur propre tension de contrôle, pour obtenir l’équivalent de cet outil formidable imaginé par les opticiens : un modulateur spatial de micro-ondes, sous forme de matériau quasi surfacique intelligent, capable de façonner un front d’ondes électromagnétiques en temps réel (fig. 3). L’un des grands avantages de cette approche est que, d’un point de vue industriel, tous les outils nécessaires à la fabrication de ces matériaux sont disponibles. Ainsi, on peut dès à présent utiliser les méthodes usuelles de fabrication de circuits imprimés pour réaliser ces surfaces intelligentes, et il sera très bientôt possible de passer à l’électronique imprimée. De même, les composants sont disponibles en quantité et à des prix imbattables.

Par exemple, une diode permettant de contrôler un pixel de ces modulateurs coûte de l’ordre du centime aux fréquences typiques utilisées en communications cellulaire, et de l’ordre de l’euro aux très hautes fréquences. Ceci est à comparer au prix du moindre composant d’un système d’émission à ces mêmes fréquences, c’est-à-dire de l’ordre de l’euro jusqu’à la centaine d’euros. Parallèlement, du point de vue du contrôle, de nombreux objets sur étagère sont disponibles, de l’Arduino pour du do-it-yourself au FPGA pour des systèmes ultra-rapides, en passant par une infinité de microcontrôleurs. Enfin, ces dispositifs intelligents étant passifs d’un point de vue électromagnétique, leur consommation électrique est très faible. Dès lors, il est envisageable de fabriquer et utiliser ces surfaces intelligentes en très grande quantité.

5. Horizon - un environnement intelligent

Quand on communique avec une station de base, celle-ci émet de l’énergie partout autour d’elle, et nous n’en récupérons qu’une infime partie, le reste étant perdu pour toujours. Tout mur devient un obstacle à la communication et tout objet un potentiel perturbateur, car l’un et l’autre réfléchissent les ondes de façon non maîtrisée. Il existe pourtant des environnements faits pour mieux se servir des ondes. Le confessionnal pour lépreux du Moyen Âge en est l’exemple parfait pour les ondes acoustiques. Il a la forme d’une ellipse d’une dizaine de mètres de longueur et quelques mètres de largeur, aux foyers de laquelle sont placés le malade et son confesseur. Par construction géométrique, les ondes sonores émises par une personne convergent vers l’autre, et réciproquement. Ceci maximise la quantité de son reçue par chacun et par là même la communication entre les deux personnes, leur permettant ainsi de s’entendre tout en étant loin l’une de l’autre, sans avoir à hurler et donc à s’ouvrir à tout le bâtiment… Peut-on obtenir le même résultat pour les ondes électromagnétiques, et de façon dynamique, à l’aide de nos matériaux intelligents ? C’est ce que nous avons tenté de faire à l’Institut Langevin en 2013.

Le concept est assez simple : nous avons reproduit l’expérience d’Allard Mosk et sa couche de peinture, mais dans un bureau et pour des ondes aux fréquences Wi-Fi. On choisit donc un bureau d’une vingtaine de mètres carrés, dont une partie des murs (moins de 1 %) va être couverte de surfaces intelligentes (fig. 4). Celles-ci sont constituées de 140 pixels très simples capables de réfléchir les ondes autour de 2,45 GHz avec une phase nulle ou de 180° selon la tension de contrôle. Chaque pixel consomme moins de quelques centaines de microwatts.

On positionne du côté gauche du bureau une unique antenne d’émission, omnidirectionnelle, c’est-à-dire qui émet de façon équivalente dans toutes les directions. De l’autre côté, on place une antenne de réception identique, les deux étant reliées par un analyseur de réseau, équipement de laboratoire permettant de mesurer la fonction de transfert entre les deux antennes. Nous disposons également d’une antenne motorisée afin de cartographier le champ électromagnétique autour de l’antenne de réception. Enfin, un ordinateur relié à l’ensemble permet de contrôler les modulateurs spatiaux de micro-ondes, de mesurer la puissance transmise entre les deux antennes et de manœuvrer le banc motorisé.

On réalise d’abord une carte du champ, sans avoir modifié l’état des surfaces intelligentes. Le champ y est d’une part aléatoire à cause des réflexions dans la pièce et d’autre part relativement faible au point de réception (fig. 4). On utilise alors un algorithme itératif qui contrôle les pixels de la surface intelligente pour maximiser le signal reçu par l’antenne de réception, pour différentes configurations des éléments contrôlables. Après une centaine d’itérations, c’est-à-dire quasiment en temps réel, le champ électromagnétique est concentré par les murs devenus intelligents sur l’antenne de réception : la puissance reçue y est multipliée par dix. Les résultats ont été reproduits à l’identique pour de nombreuses positions de réception dans la pièce, et nous avons montré qu’avec de plus grandes surfaces, les gains sont encore plus impressionnants.

Cette expérience prouve qu’il est possible de faire participer intelligemment l’environnement (les murs, les objets, les tissus) aux communications sans fil, en modifiant en temps réel leurs propriétés électromagnétiques tout en ne consommant quasiment pas d’énergie, pour multiplier les débits d’information tout en abaissant les puissances émises. Depuis deux ou trois ans, diverses équipes dans le monde, aux États-Unis, en Chine, à Singapour, au Japon, étudient cette piste comme un candidat sérieux pour la 6e génération de communications sans fil cellulaires, sur laquelle la communauté académique et de grands acteurs du secteur planchent déjà. Le concept s’appelle Large intelligent surfaces ou Reflecting intelligent surfaces.

Toutefois, cette technologie ne pourra être adoptée qu’à condition qu’elle fasse partie de l’infrastructure réseau ou, à défaut, que les opérateurs de réseaux et les fabricants de circuits donnent accès à certains paramètres qu’ils gardent jalousement pour eux, tels que la qualité des communications ou le rapport signal à bruit de réception, en temps réel. En effet, avec la fondation de notre entreprise Greenerwave, nous avons tenté de transformer cette idée en un produit, capable de façon quasi passive d’optimiser le Wi-Fi en un endroit oublié d’une maison. Mais si l’expérience fut concluante en laboratoire, les paramètres utilisés dans nos algorithmes de rétroaction, extraits brutalement d’une carte Wi-Fi, étaient de bien trop mauvaise qualité pour imaginer en faire un produit commercialisable.

Rendre l’environnement intelligent permet de dépasser de très loin le cadre de l’optimisation des communications sans fil. Par exemple, nous avons pu démontrer qu’il est possible, en modulant très légèrement le champ électromagnétique émis par une borne Wi-Fi, de localiser avec une très grande précision un récepteur Wi-Fi dans un grand bâtiment. Cette espèce de super GPS d’intérieur a donné des précisions de l’ordre de quelques centimètres quand les techniques usuelles sont limitées à environ 1 m. Autre exemple, une équipe chinoise a équipé une partie des murs d’une pièce de telles surfaces intelligentes et a utilisé l’intelligence artificielle couplée à un système de communication dans la bande du Wi-Fi. Grâce à leurs algorithmes, ils ont pu détecter la présence de personnes marchant dans la pièce, les dénombrer, avoir accès à leur gabarit et même reconnaître certains gestes qu’ils faisaient avec leurs mains !

Les possibilités d’un environnement intelligent vis-à-vis des ondes électromagnétiques semblent donc illimitées. Son adoption irait dans le sens de l’histoire, après l’utilisation de matériaux intelligents pour le son, la chaleur, l’électricité, voire la lumière. Mais cette profonde transformation prendra du temps. En attendant, certaines applications de la technologie de façonnage du front d’ondes radiofréquences s’avèrent plus immédiates.

6. Applications - RFID intelligente et antennes agiles

Il est possible de rendre l’environnement intelligent à l’aide de matériaux dont les propriétés électromagnétiques sont modifiées en temps réel pour contrôler efficacement les ondes électromagnétiques. Un tel contrôle suppose cependant de pouvoir disposer d’informations précises sur le signal reçu par les terminaux. Ce qui est le cas pour une technologie en pleine révolution : la RFID. Celle-ci, qui permet d’identifier à distance, à l’aide d’ondes électromagnétiques, des objets pourvus d’un tout petit dispositif sans fil, est très utilisée dans le commerce et l’industrie. Elle remplace par exemple le code-barres dans les magasins et les entrepôts et permet des inventaires bien plus rapides, car le lecteur RFID n’a pas besoin de « voir » l’étiquette RFID pour la lire, contrairement à un lecteur optique.

Dans l’industrie, elle est massivement utilisée pour inventorier les pièces détachées, mais aussi et de plus en plus pour interroger à distance des capteurs autonomes en énergie. Or la RFID étant une technologie très ouverte, le simple accès à un lecteur donne toute l’information nécessaire pour contrôler les ondes de façon intelligente. De plus, les ondes étant relativement difficiles à dompter par les méthodes classiques, la RFID souffre d’un gros problème de fiabilité qui en limite grandement l’adoption. Enfin, pour montrer le bien-fondé de la technologie, une simple armoire suffit.

Il existe en effet de plus en plus d’armoires équipées de lecteurs RFID et d’un accès au cloud. Ces armoires, dites intelligentes, sont capables de faire, sans action extérieure, l’inventaire de tout objet qui y est placé, pour peu que celui-ci possède une étiquette RFID. De telles armoires peuvent servir à ranger les outils d’un industriel, mais également à distribuer des articles dans la grande distribution ou des livres en bibliothèque. L’idée est simple : l’utilisateur s’identifie, ouvre la porte, prend un objet, et l’armoire sait ce qui est parti et qui l’a pris.

Problème : on ne souhaite pas détecter tout objet qui serait en dehors de l’armoire, sous peine de réaliser un inventaire erroné. L’armoire doit donc être blindée aux ondes électromagnétiques. Or dans ce type de boîtes scellées, les ondes électromagnétiques deviennent assez sauvages et refusent d’aller à certains endroits : elles créent des nœuds où l’énergie est nulle et la lecture RFID impossible. Rendre l’armoire intelligente à l’aide de surfaces reconfigurables (fig. 5) permet de discipliner de nouveau ces ondes et de les forcer à explorer toute l’armoire, assurant ainsi une fiabilité du système pour un coût peu significatif. De même, on peut rendre intelligent un véhicule, une étagère de vente, une caisse enregistreuse, un entrepôt… et ainsi garantir une lecture RFID optimale en dressant les ondes avec des matériaux reconfigurables. Autant de projets sur lesquels nous travaillons.

Si les basses fréquences peuvent permettre une adoption très rapide de la technologie, c’est dans les plus hautes fréquences, dites millimétriques, que celle-ci est la plus prometteuse. En effet, dans cette partie du spectre électromagnétique, le moindre composant radiofréquence nécessaire pour générer des ondes est très coûteux. Il ne fait cependant aucun doute que le futur des systèmes de communication passe par ces fréquences-là, les besoins en débit croissant de façon exponentielle. La 5G, les communications satellites, le Wi-Fi, tous ces standards vont vers le millimétrique pour des raisons de bande passante. Mais ces fréquences pénètrent très peu les bâtiments et s’atténuent très vite : elles nécessitent des systèmes d’émission directifs, capables de focaliser le signal sur un récepteur éventuellement mobile, et de le suivre. Reste à savoir quelle technologie permettra de réaliser les antennes de ces systèmes. Le façonnage de fronts d’ondes par des surfaces intelligentes est un candidat de choix. Ses avantages : le prix, la puissance et l’efficacité.

Prenons le cas d’une antenne tant recherchée par la société OneWeb, qui veut lancer des centaines de satellites dans l’espace mais n’a toujours pas le récepteur idéal au sol. À la fréquence à laquelle les systèmes émettent, entre 10 et 15 GHz, il faut au sol des antennes d’une surface de l’ordre du mètre carré, qui soient capables de focaliser en temps réel sur des satellites allant à toute allure dans le ciel. Avec une approche classique, il faudrait 10 000 petits émetteurs contrôlables en phase et en amplitude pour espérer obtenir les performances souhaitées. Dans ce domaine, le petit émetteur en question peut facilement coûter 20 euros, soit au minimum 200 000 euros par antenne. Ajoutons à cela que chaque élément consomme de l’ordre d’un quart de watt, cela donne une antenne qui consommerait 2,5 kW, soit deux fois plus qu’un aspirateur à pleine puissance.

Une approche fondée sur le façonnage de fronts d’ondes, sur laquelle nous sommes très avancés, consiste à n’utiliser qu’une unique source et à l’enfermer dans une boîte avec une surface intelligente développée spécifiquement pour ces fréquences. À l’aide de notre matériau intelligent, on dresse alors, de façon passive mais très efficace, les ondes dans la cavité, cette dernière étant ouverte vers l’extérieur sur l’une de ses faces pour pouvoir émettre des ondes de façon directive vers le récepteur visé. Pour des performances égales, cette approche permet de remplacer des circuits à 20 euros pièce par de simples diodes, divisant ainsi le coût en composants par 20 et la puissance dissipée par au moins autant.

Conclusion - une technologie en évolution

Le façonnage des ondes radiofréquences, rendu possible par des matériaux intelligents et des algorithmes issus du monde de la physique, est une approche très prometteuse du contrôle des ondes, contrôle qui devient de plus en plus nécessaire à mesure que l’on monte en fréquences et que l’on se place dans des environnements complexes du point de vue électromagnétique. S’il existe des barrières significatives à l’adoption de la technologie au niveau global pour rendre les maisons, les immeubles et les villes intelligents aux ondes électromagnétiques, certaines applications sont déjà très avancées et presque au stade du produit commercialisé. Ces approches passives permettent en effet une utilisation bien plus optimale des ondes, pour une moindre consommation d’énergie, des émissions plus faibles et à des coûts plus intéressants.

La technologie évoluera sans nul doute, avec par exemple des surfaces intelligentes constituées de cellules unités indépendantes, autonomes en énergie, contrôlables par les ondes, et imprimées sur du papier, rendant le concept encore plus applicable à une échelle massive, et donc évident d’un point de vue technologique. Gageons que le façonnage de fronts d’ondes s’imposera au cœur des systèmes antennaires intelligents dans toutes les applications à très hautes fréquences nécessitant des débits colossaux. Et qu’il deviendra un ingrédient clé d’un internet des objets moins énergivore, en permettant une distribution idéale des ondes électromagnétiques basse fréquence. C’est en tout cas dans cette direction que nous travaillons. ?