Synthèse conjointe EM/circuit pour la réalisation efficace d’antennes actives de grande dimension

Sujets de thèse

Intitulé de la thèse
Synthèse conjointe EM/circuit pour la réalisation efficace d’antennes actives de grande dimension
Publication du sujet sur le site de l’ABG : NON
Nature du financement : Financement institutionnel, Contrat Doctoral, Financement régional, Contrats université sur projets,)
Domaine de compétences principal (pour l’ABG) : Sciences pour l’Ingénieur
Domaine de compétences secondaire (pour l’ABG) : Informatique, électronique
Spécialité de doctorat : Electronique des hautes fréquences, Photonique et Systèmes

Lieu de travail
Laboratoire XLIM (site de Limoges)
Date Limite de candidature : 22/06/2012
Laboratoire d’accueil : XLIM/C2S2

Introduction
Les antennes actives ont pour particularité d’associer à l’émission des modules actifs RF placés au plus près d’éléments rayonnants dont la mise en réseau offre de nombreux avantages pour la formation de faisceau. Le dimensionnement d’un tel système est particulièrement difficile de par la taille du problème mathématique à considérer (plusieurs milliers d’éléments unitaires mis en jeu) mais également par le caractère hétérogène de sa structure (structure de rayonnement électromagnétique d’un coté et circuit actif non linéaire de l’autre). L’interaction entre la structure rayonnante (antenne) et le circuit actif (commande) est un problème complexe qui nécessite une maîtrise parfaite pour assurer le contrôle du diagramme de rayonnement. Cette maîtrise est aujourd’hui plus ou moins assurée par l’insertion de circulateurs, cependant son coût élevé et son encombrement représentent un facteur limitatif important dans la mise au point de nouvelles architectures d’antennes plus intégrées, de faible coût et dimension.
A ce jour le dimensionnement d’une antenne active chez les industriels du domaine, tels que Thales systèmes aéroportés, se base sur des savoir-faire plus ou moins empiriques au prix de caractérisations physiques et de calculs électromagnétiques très longs et coûteux.
La mise au point d’architectures nouvelles, plus intégrées, de faible coût et dimension passe par la possibilité d’une optimisation globale de la structure antennaire; c’est-à-dire une conception conjointe des éléments rayonnants et circuits actifs pris comme une entité unique. Cela nécessite le développement de modèles comportementaux paramétrés et prédictifs précis permettant de réduire considérablement les temps de simulation. Ceci ouvrirait la possibilité de réaliser une véritable optimisation des paramètres physiques du système afin de satisfaire le cahier des charges RF de l’antenne. Ces modèles permettraient ainsi un dimensionnement plus efficace qui conduirait de fait à une réduction importante des coûts pour envisager l’application des techniques antennaires utilisés aujourd’hui uniquement dans le domaine militaire de par leur coût aux applications civiles et grand public, et donc un potentiel de marché plus important.

Présentation de l’équipe de recherche
C2S2 / projet « Simulation avancée »

Le projet antennes multifonctions porte sur la recherche de solutions originales d’antennes fonctionnant dans les bandes microondes, millimétrique voire Terahertz. Ses domaines d’expertises vont de la modélisation électromagnétique (FDTD, logiciel de synthèse de réseaux….) à la mesure en chambre anéchoïde en passant par la conception des structures telles que des antennes à multiples éléments rayonnants (réseaux, Reflect Arrays,…) aux performances optimisées, de nouvelles architectures d’antennes à base de matériaux BIE ou de métamatériaux ou d’antennes miniatures, mono ou multi bande éventuellement agiles.

OSA / projet « Antennes multifonctions »

Le projet antennes multifonctions porte sur la recherche de solutions originales d’antennes fonctionnant dans les bandes microondes, millimétrique voire Terahertz. Ses domaines d’expertises vont de la modélisation électromagnétique (FDTD, logiciel de synthèse de réseaux….) à la mesure en chambre anéchoïde en passant par la conception des structures

Résumé de la thèse en français
Les antennes actives ont pour particularité d’associer à l’émission d’amplificateurs de puissance à proximité d’éléments rayonnants. Leur mise en réseau offre beaucoup d’avantages pour la chaîne d’émission, comme la formation de faisceau, la création de zéros de rayonnement, de faisceaux dépointés avec augmentation de directivité, mais le couplage entre antennes entraîne leur désadaptation et la dégradation du rayonnement du réseau. Ce travail présente un ensemble de démarches adaptées afin de permettre la synthèse efficace d’antennes de grande dimension. La première partie est consacrée à la problématique du couplage au sein des réseaux d’antennes et sa macromodélisation. La deuxième partie concerne la modélisation comportementale du module RF (fréquence, auto-échauffement, dispersions technologiques…) La troisième partie cible une méthode de synthèse conjointe de sous-réseaux permettant d’accéder au diagramme de rayonnement.

Résumé de la thèse en anglais
Active antennas have the distinctive feature of having, for transmission mode, high power amplifiers located at the vicinity of the radiating elements. An active array of antennas offers lots of advantages to TX systems, such as beamforming, nulling patterns, beam steering and directivity enhancement, but coupling between antennas leads to output impedance mismatching and degradation of the radiation pattern. This work will develop a set of methods to allow an efficient synthesis of large Active antennas.
The first part will be devoted to the mutual coupling problem in antenna arrays and it’s macro modelling process. A second part will concern the behavioural modelling of RxTx modules (self heating, technological dispersions, ageing…). A third part will focus on a mutual synthesis of sub-arrays in order to obtain the radiation pattern of the full antenna using a scaling process.

Description complète du sujet de thèse
Récemment un travail de thèse réalisé au laboratoire vient de se terminer qui a permis d’ébaucher une première démarche de conception conjointe antenne-circuit et mis au point un modèle de synthèse d’élément rayonnant en présence de module actif. Ce modèle permet à partir d’une direction de rayonnement privilégiée de remonter aux paramètres de charges et de commande des modules actifs. Ce modèle de synthèse permet ainsi de déterminer les valeurs nominales des paramètres du système. La deuxième étape que nous visons maintenant consiste à mettre au point une démarche d’analyse qui permettrait, étant donnés les paramètres du système qui n’ont pas nécessairement les valeurs nominales (défauts de fabrications, dispersions technologiques, vieillissement, …) de renseigner sur le diagramme de rayonnement, avec le meilleur compromis entre les temps de calcul et la précision prédictive. Ceci constituera donc l’objectif principal de cette thèse.

Ce travail de thèse s’intégrera dans le cadre de deux projets actuellement en cours au laboratoire, dont l’un est un plan d’étude amont (PEA) de la DGA (Direction générale de l’armée) consiste à mettre au point une plateforme de modélisation comportementale pour antenne radar, et l’autre un projet européen piloté par Thales Systèmes Aéroportés qui consiste à étudier les nouvelles technologies d’intégration d’antennes actives pour applications civiles.
Le doctorant devra dans un premier temps se familiariser avec la conception d’antennes actives réseau. Il devra concevoir des sous-réseaux d’antennes patch 2×2, 4×4, 8×8, 16×16, élaborer à partir de simulations électromagnétiques rigoureuses (CST, HFSS, …) une stratégie de modélisation du réseau permettant l’obtention du diagramme de rayonnement des différents éléments et de l’ensemble pour une gamme de fréquence. Il devra ensuite réfléchir sur des lois de similarité permettant le passage du modèle d’une échelle à l’autre, 2×2 -> 4×4 -> 8×8 ->16×16 …
En parallèle il devra se familiariser avec la conception, la caractérisation et la modélisation des amplificateurs de puissance (HPA) permettant la commande des antennes. En s’aidant de la plateforme de modélisation du projet DGA, il devra ensuite s’attacher à la modélisation d’un module RF complet intégrant la puce de contrôle en Amplitude phase (MFC) l’amplificateur de puissance à l’émission (HPA), l’amplificateur de puissance faible bruit (LNA) et le limiteur à la réception. Ces composants seront disponibles dans le cadre du projet européen indiqué ci-dessus. Les modèles devront prendre en compte la variation fréquence d’utilisation, l’auto-échauffement et les dispersions technologiques.
L’ensemble des démarches de modélisation devra pouvoir être programmé sous la forme d’une méthodologie re-exécutable en Matlab ou autre environnement de programmation

Objectifs scientifiques de la thèse
L’objectif principal est l’élaboration d’un modèle de synthèse d’antennes actives de grande dimension qui permettra à partir des paramètres du système nominaux ou pas (dispersions technologiques, vieillissement, pannes…) d’accéder au diagramme de rayonnement avec un compromis temps de calcul / précision prédictive) et de dispersion.

Compétences à l’issue de la thèse
1°) Règles de conception d’antenne réseau
2°) Expertise en simulation EM, Circuit et Système
3°) modélisation de modules RF et d’antennes réseaux
4°) caractérisation EM et RF microondes
5°) dimensionnement d’antennes agiles

Mots clés (séparés par des virgules)
Antenne active, Panneau rayonnant, Module RF, Amplification de puissance, Couplage EM, Désadaptation, Auto échauffement, Dispersions technologiques, Simulation EM, Simulation système
Conditions restrictive de candidature (nationalité, âge, …) : NON

Expérience/profil souhaité(e)
1°) Electronique Haute Fréquence (paramètres S, adaptation d’impédance, amplificateur de puissance, distorsions harmoniques …)
2°) Modélisation mathématique (Algèbre linéaire, résidus et pôles, polynômes orthogonaux et à mémoire, séries de Volterra, filtres FIR et IIR, analyse statistique…)
3°) logiciel de traitement mathématique (Matlab, scilab)
4°) logiciels de simulation circuit RF (Agilent, …) et système (Simulink, …)
5°) logiciel de simulation EM (CST, HFSS)
6°) Principes de mesures RF
7°) Aptitudes à la programmation (C/C++)

Modalité de dépôt des candidatures
CV détaillé + lettre de motivation

Directeur de thèse
Edouard Ngoya
Adresse mail du directeur de thèse : edouard.ngoya@xlim.fr
Téléphone Directeur de thèse : 05-55-45-72-98

Co-directeur de thèse
thierry Monedière
Adresse mail du co-directeur de thèse : thierry.monediere@xlim.fr
Téléphone co-Directeur de thèse : 05-55-45-72-44
Cofinancement LABEX SigmaLIM demandé : NON
Thèse pour Action transverse : OUI

Action transverse concernée et justification
Ce travail de thèse s’intègre dans le cadre de l’axe transverse CAO; il fait suite au travail de thèse précédent, de G. Zaka El Nashef, entre les départements OSA et C2S2 qui vise à développer des compétences à l’interface des antennes et du circuit, afin d’apporter des solutions innovantes en co-conception des systèmes radar et télécom.
Fichier annexe (pdf) : SujetThese2012

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