Développement d’une méthode de conception pour réseaux d’antennes apériodiques

Sujets de thèse

Intitulé de la thèse
Développement d’une méthode de conception pour réseaux d’antennes apériodiques
Publication du sujet sur le site de l’ABG : OUI
Nature du financement : Financement institutionnel, Contrat Doctoral, Financement régional, Contrats université sur projets,)
Domaine de compétences principal (pour l’ABG) : Informatique, électronique
Domaine de compétences secondaire (pour l’ABG) : Sciences pour l’Ingénieur
Spécialité de doctorat : Electronique des hautes fréquences, Photonique et Systèmes

Lieu de travail
XLIM – OSA
Ester Technopôle
87069 Limoges cedex
Laboratoire d’accueil : XLIM/OSA

Introduction
Les réseaux d’antennes sont très largement utilisés pour obtenir des gains élevés ou des diagrammes formés pour éclairer une zone géographique (depuis un satellite). Ces antennes connaissent aussi des déclinaisons actives pour effectuer de la reconfiguration de couverture ou encore effectuer un balayage électronique.
Les solutions classiques reposent sur l’utilisation d’éléments rayonnants distribués périodiquement auxquels une loi d’alimentation spécifique (phase et/ou amplitude) est associée. Les méthodes de conception de ces antennes sont globalement maîtrisées même si les problématiques de couplages inter-éléments restent encore un frein au développement de ces technologies en dehors du domaine spatial ou militaire.
L’introduction d’une rupture de périodicité dans la distribution des éléments rayonnants du réseau est vue comme un degré de liberté qui pourrait permettre de satisfaire des exigences particulières, notamment en ce qui concerne les performances de formation des diagrammes de rayonnement ou la stratégie d’alimentation de ces éléments.

Présentation de l’équipe de recherche
L’institut de recherche XLIM est une unité mixte de recherche CNRS/Université de Limoges qui possède 6 départements, parmi lesquels le département OSA (Ondes et Systèmes Associés) est spécialisé dans le domaine des antennes, de la propagation et des réseaux sans fil. Le département OSA d’XLIM est acteur, coordinateur ou partenaire de nombreux projets nationaux ou Européen. Ce département mène des activités reconnues dans le domaine des antennes miniatures et des antennes à multi-éléments rayonnants. Il s’intéresse tout particulièrement aux systèmes multi-antennes, aux techniques de diversité, et à la façon d’améliorer leurs performances par une conception optimisée des antennes dans leur contexte d’utilisation.

Résumé de la thèse en français
Les réseaux d’antennes lacunaires ou apériodiques sont étudiés depuis quelques années dans la littérature. Cependant, la distribution des éléments sur une grille non périodique nécessite une approche de conception particulière étant donné que les approches classiques avec un facteur de réseau linéaire ne peuvent être appliquées. Il existe donc aujourd’hui plusieurs approches de synthèse, faisant appel à quelques hypothèses simplificatrices, mais il n’y a pas de méthode de conception donnant entière satisfaction. De plus, dans de telles antennes, la prise en compte systématique des couplages est un pré-requis indispensable. Si ces verrous propres à la modélisation étaient levés, il serait possible de viabiliser ces antennes dans le secteur spatial et militaire, mais aussi d’envisager de nouvelles applications, notamment dans le cadre des télécommunications grand public.

Résumé de la thèse en anglais
Aperiodic arrays are an attractive solution to overcome some limitations of classical array design. However, the distribution of radiating elements on an aperiodic lattice requires a particular approach. In fact, classical methods based on the array factor computation are difficult to implement because this function becomes non-linear. That’s why significant efforts have been led to develop optimization algorithms (Genetic Algorithm, Particle Swarm Algorithm). However, several problems remain and they must be tackled to efficiently develop these antennas. One of the most difficult problems to solve is the mutual coupling impact on the radiation performances. As the aperiodic lattice makes classical approximations of couplings inefficient, it is necessary to develop a new formalism linked to a design method. This is the first step to reach high performances allowing a development of aperiodic arrays in a wide range of applications, not only in the space and military domain but also in the telecommunication market.

Description complète du sujet de thèse
De façon à comprendre les enjeux de ce sujet de thèse, il est tout d’abord nécessaire de rappeler le principe et les limitations des réseaux d’antennes périodiques.
Les réseaux d’antennes périodiques font partie des systèmes privilégiés lorsqu’une application requiert une formation de faisceau complexe ou lorsqu’un balayage fin d’une zone est requis. Ces antennes existent depuis plusieurs dizaines d’années mais elles souffrent de limitations physiques qui les réservent à des applications exclusives dans le secteur spatial ou militaire. En effet, il est bien connu dans la théorie des réseaux que la distance entre les éléments distribués sur une grille périodique va imposer des contraintes à la fois sur les niveaux de couplages pouvant dégrader fortement le rayonnement et aussi sur l’apparition de lobes de réseaux dans les directions visibles. S’ajoute à cela de très fortes contraintes sur la complexité et les pertes associées au circuit de distribution auquel sont intégrés des amplificateurs et des déphaseurs.

Pour pallier aux limitations des réseaux périodiques, les réseaux d’antennes irréguliers reposent sur une rupture dans la régularité de la disposition des éléments rayonnants. Deux cas peuvent être envisagés:
– Le réseau est dit lacunaire: à partir d’une grille périodique d’un réseau «classique», certains éléments vont être supprimés.
– Le réseau est dit apériodique: les éléments rayonnants sont disposés suivant une loi non périodique, voire complètement aléatoire.
Cette irrégularité dans la distribution des éléments rayonnant révèle des atouts majeurs. Il est possible de s’affranchir de certaines limitations inhérentes aux lobes de réseaux car le facteur de réseau associé à l’antenne devient non linéaire. Par conséquent, des faisceaux très directifs sont envisageables avec de très faibles niveaux de lobes secondaires. De même, la matrice S] associée au couplage devient dissymétrique, ce qui présente un intérêt pour éliminer certains effets comme les directions aveugles (direction où le rayonnement est complètement détruit).
L’autre avantage capital de cette distribution irrégulière est de pouvoir réduire le nombre de contrôles du circuit de distribution à performances de rayonnement égales. Cet aspect motive aujourd’hui la plupart des recherches étant donné que le circuit de distribution représente une part significative du coût de fabrication.

De par leur complexité d’études, il existe néanmoins très peu de réalisation concrète de ce concept d’antenne. Par conséquent, le comportement physique détaillé et le potentiel de ces structures n’est pas acquis aujourd’hui. L’objectif des travaux de thèse consistera donc à mettre en évidence les critères majeurs impactant la conception des réseaux d’antennes apériodiques. A partir des conclusions établies, il sera ensuite nécessaire de mettre en place une méthode de conception et de l’appliquer à la réalisation d’un réseau apériodique.
Les différentes étapes sont résumées comme suit:
– Etude bibliographique pour établir un état de l’art sur: les méthodes de conception et leurs limitations, les réalisations de réseaux apériodiques pouvant servir d’étalon de comparaison et les travaux intégrant un formalisme de prise en compte des couplages dans la modélisation.
– Définition d’un formalisme de prise en compte des couplages adapté à une distribution d’éléments non périodique
– Définition d’une méthode de conception
– Développement et mise en oeuvre de la méthode
– Conception d’un réseau d’antennes apériodiques satisfaisant un cahier des charges fourni.
– Réalisation et mesures d’une preuve de concept

Objectifs scientifiques de la thèse
– Développer une méthodologie de conception donnant la priorité aux critères physiques impactant les performances d’un réseau d’antennes apériodique
– Valider cette méthodologie à travers une preuve de concept
– Proposer des architectures de réseaux apériodiques performantes et innovantes permettant de satisfaire des objectifs de cahier des charges

Compétences à l’issue de la thèse
– Conception d’antennes à multi-éléments rayonnants,
– Compétences dans la prise en compte du couplage dans la conception d’antennes
– Modélisation et simulation électromagnétique (CST MWS, ADS, Matlab)

Mots clés (séparés par des virgules)
réseaux d’antennes, couplages, réseaux apériodiques, modélisation électromagnétique, méthodes de conception
Conditions restrictive de candidature (nationalité, âge, …) : NON

Expérience/profil souhaité(e)
Profil antenne/électromagnétisme,
Compétences en développement.

Modalité de dépôt des candidatures
Dépôt d’un curriculum vitae et d’une lettre de motivation par voie électronique aux directeur et co-directeurs de thèse

Directeur de thèse
Thierry Monediere
Adresse mail du directeur de thèse : [thierry.monediere@xlim.fr

Téléphone Directeur de thèse : 05 55 42 60 50

Co-directeur de thèse
Marc Thevenot
Cyrille Menudier
Adresse mail du co-directeur de thèse : marc.thevenot@xlim.fr , cyrille.menudier@xlim.fr
Téléphone co-Directeur de thèse : 05 55 42 60 50
Cofinancement LABEX SigmaLIM demandé : NON
Thèse pour Action transverse : NON

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