Etude de composants focalisants à retournement temporel.

Sujets de thèse

Intitulé de la thèse
Etude de composants focalisants à retournement temporel.
Publication du sujet sur le site de l’ABG : NON
Nature du financement : Financement institutionnel, Contrat Doctoral, Financement régional, Contrats université sur projets,)
Spécialité de doctorat : Electronique des hautes fréquences, Photonique et Systèmes

Lieu de travail
XLIM Département OSA
Parc d’Ester Technopole
87069 LIMOGES CEDEX

Date Limite de candidature : 20/07/2012
Laboratoire d’accueil : XLIM/OSA

Introduction
L’objectif de cette thèse est de concevoir un composant à base de méta-matériaux, adapté à la mise en œuvre du retournement temporel des ondes électromagnétiques. Les propriétés de focalisation spatio-temporelle de cette technique permettront de concevoir un répartiteur passif, contrôlé uniquement par la forme d’onde émise. Un tel dispositif pourra être utilisé pour remplacer les systèmes de formation de faisceau actuels des antennes à balayages.

Présentation de l’équipe de recherche
L’équipe «réseaux sans fil» du département OSA d’XLIM, crée en 2006, regroupe 9 personnes, dont 4 enseignants chercheurs, 1 post doctorant et 4 doctorants (6 thèses ont été soutenues depuis 2006).
Les thèmes de recherches développés dans son équipe concernent:
– La Caractérisation du canal de propagation, par le développement de sondeurs spatio-temporels originaux, et de simulateurs des phénomènes de propagation large bande en milieu urbain pour des applications RADAR.
– Les Systèmes de transmissions multi-antennes (MIMO) pour les communications, les radars (Algorithmes d’élimination d’images fantômes en environnement complexe), ainsi que transmissions ULB par retournement temporel.
– La mise en œuvre de plateformes expérimentales multivoies permettant la caractérisation active d’algorithmes liés aux traitements multi-antennes (codages MIMO, formation de faisceau, imagerie radar, …), en environnement maîtrisé (chambre réverbérante à brassage de mode) et en environnement réel.
Les travaux menés au sein cette équipe ont donné lieu (Depuis 2006) à 10 thèses, dont 4 sont en cours et 6 soutenues, 13 publications en revue internationale, et 30 communications internationales.

Résumé de la thèse en français
L’amélioration des techniques de traitement numériques du signal, tant au niveau des algorithmes que de la performance des composants, a permis ces dernières années d’augmenter la capacité des systèmes par l’exploitation de la richesse du canal de propagation (systèmes MIMO) ou par les techniques de formation de faisceau (SDMA).
Cependant, pour autoriser un maximum de souplesse, ces techniques nécessitent l’utilisation de plusieurs chaînes de transmissions simultanées, ce qui complexifie le système et engendre une contrainte supplémentaire sur la consommation de puissance.
Dans ce contexte des systèmes multi-antennes, l’objectif de cette thèse est de concevoir un nouveau type de répartiteur passif 1 voie vers N, dont la commande se ferait directement par le signal transmis, sans avoir recours à des composants actifs d’aucune sorte. Le simple choix de la forme d’onde appliquée à l’entrée du composant permettra d’obtenir le signal désiré sur un ou plusieurs des ports de sortie, avec les pondérations voulues. Ce fonctionnement particulier, en rupture avec les systèmes existants, sera obtenu par l’utilisation du principe du retournement temporel dans un milieu spécialement conçu et adapté, qui constituera la base du répartiteur. Afin d’obtenir un composant d’une taille raisonnable, la thèse s’orientera sur des structures à base de méta-matériaux 2D ou 3D, ainsi que vers des diélectriques de forte permittivité. Un tel dispositif trouvera une application directe au niveau des systèmes de formation de faisceau entièrement passifs pour les antennes à balayage, en permettant un gain de complexité par rapport aux solutions existantes.
L’utilisation d’une forme d’onde adaptée au niveau du signal d’entrée autorisera donc un contrôle simple et souple des pondérations sur les voies de sortie tout en utilisant une seule voie d’émission. D’autre part, la complexité du système restera indépendante du nombre d’antennes en sortie. Il sera alors envisageable d’améliorer conséquemment la résolution spatiale des radars impulsionnels à balayage, ou les systèmes d’imagerie dans le domaine millimétrique et ce, sans surcoûts. Concernant les applications télécoms, ce nouveau concept pourrait être envisagé pour réaliser des systèmes MIMO n’utilisant qu’une seule voie d’émission/réception. En effet, le composant focalisant à retournement temporel jouera le rôle de multiplexeur passif au niveau de l’émetteur (en focalisant les signaux appropriés vers chacune des antennes), et de démultiplexeur passif en réception.
Les principaux verrous à lever pour parvenir à ces objectifs résident donc dans le développement de répartiteurs miniaturisés, possédant des réponses impulsionnelles décorrélées entre chaque voie, avec un étalement temporel important. Parallèlement, un autre challenge consistera à développer des algorithmes performants nécessaires à la mise en forme des signaux en bande de base.
Différentes solutions de composants focalisant à retournement temporel de types planaires ou 3D seront explorées durant la thèse, à travers la réalisation de prototypes sur des gammes de fréquences inférieures à 10 GHz d’une part, mais également dans le domaine millimétrique.
Finalement, les résultats obtenus seront valorisés grâce à la mise en place de démonstrateurs complets en lien direct avec des applications concrètes (radar à balayage, scanner millimétrique, communications ULB).

Résumé de la thèse en anglais
In recent years, the improvement of digital signal processing techniques, both in terms of algorithms and analog or digital components performances, has allowed to increase systems capacity, by exploiting the richness of the propagation channel (MIMO) or by beam-forming techniques (SDMA).
However, to allow maximum flexibility, these techniques require the use of multiple RF transmissions chains, which increases the system complexity and creates an additional constraint on the power consumption.
In this context of multi-antenna systems, the objective of this thesis is to design a new type of 1xN passive beamformer, in which the control signals (weightings) are contained in the input signal. This operation will be performed without any further modification of the system, and without the need of active components or external control signal. The simple choice of the input waveform will indeed focus the signal (with the appropriate weightings) on each output port simultaneously. This technological breakthrough will be achieved by using the time reversal technique in a device specifically designed, which will constitute the primary element of the beamformer. In order to obtain a component of a reasonable size, this thesis will focus on the design of 2D or 3D metamaterial devices, with high dielectric permittivity. Such a system will find direct applications for entirely passive beamforming antennas, by improving their simplicity compared to others existing solutions.
The shaping of the input signal will allow a simple and flexible control of the weights on each output ports, while using a single transmission channel. On the other hand, the complexity of the system will remain independent of the number of output antennas. It will therefore be possible to improve the spatial resolution of pulsed radar imaging or millimeter scanning systems without additional costs. Regarding telecom applications, this new concept could be used to achieve MIMO systems using only one channel on transmitter and receiver sides. Indeed, the time reversal device will play the role of passive multiplexer on the transmitter side (by focusing appropriates signal on each antennas), and passive de-multiplexer on the receiver side.
The main difficulty to be overcome to achieve these objectives would be to develop miniaturized beamformers, with uncorrelated impulse responses between each channel, with a significant delay spread. Meanwhile, one of the challenges will be to develop efficient algorithms for the shaping of the baseband signals.
Different kinds of time-reversal focusing component (planar or 3D) will be explored through prototyping during the thesis, for frequency bands below 10 GHz and higher in the millimeter band.
Finally, the manufactured devices will be tested through the conception of realistic demonstrators, directly related to practical applications (beamforming radar, UWB communications).

Description complète du sujet de thèse
L’objectif consiste dans un premier temps à concevoir un composant passif dont les N réponses impulsionnelles (réponses entre une des voies de sortie et la voie d’entrée) sont parfaitement maîtrisées. En considérant que ces réponses possèdent les propriétés adéquates (étalement temporel, décorrélation entre les différentes voies), l’émission de la ième réponse impulsionelle retournée temporellement permettra de focaliser une impulsion uniquement sur la voie i en sortie. Pour réaliser un répartiteur en amont d’un réseau d’antenne, le signal à émettre à l’entrée du système sera donc constitué de la somme de toutes les réponses impulsionelles retournées, chacune étant décalée temporellement. De cette manière, il sera possible de focaliser simultanément une impulsion sur chacune des voies de sortie, avec une combinaison linéaire de retards correspondant à la direction de pointage désirée. L’association d’une pondération en amplitude offrira, de plus, la possibilité d’optimiser le diagramme de rayonnement total.
La mise en forme du signal d’émission étant réalisée de manière numérique, il devient facilement envisageable de convoluer ce signal par n’importe quelle forme d’onde à émettre (modulations IQ par exemple), avant de le transposer en fréquence et de l’injecter à l’entrée du répartiteur.
Ce type de dispositif constituerait donc un nouveau type de répartiteur RF complètement passif, en rupture avec les systèmes de formation de faisceaux existants. On peut d’autre part envisager de réaliser une formation de faisceau tridimensionnelle, avec un nombre important d’éléments rayonnants, sans pour autant complexifier le système.
Le répartiteur passif qui constitue le cœur du projet demandera un important travail de recherche. L’utilisation d’une cavité surdimensionnée peut constituer une première approche pour valider le principe puisqu’ elle génère un étalement temporel suffisant des réponses impulsionnelles. Cependant, cette solution n’est pas viable à des fins d’intégration pour des fréquences de fonctionnement inférieures à la dizaine de GHz.

Les principaux verrous à lever consisteront donc à:
• développer un répartiteur miniaturisé, possédant un étalement temporel important, ou une forte sélectivité fréquentielle (revenant à générer un canal aléatoire fortement multitrajets en cavité réverbérante).
• générer des réponses impulsionnelles décorrélées entre chaque voie.
• minimiser la bande passante, intrinsèquement nécessaire, des signaux transmis.
• développer des algorithmes performants sur la mise en forme des signaux en bande de base.

Les solutions envisagées pour parvenir aux résultats escomptés dépendront de la fréquence de fonctionnement.
Pour des fréquences inférieures à 10 GHz, deux voies seront explorées:
– La première s’orientera vers des composants qualifiés de «chaotiques», où l’objectif sera de concevoir des structures planaires ou 3D à base de multiples éléments parasites permettant de créer un environnement miniaturisé très sélectif en fréquence.
– La seconde constituera une approche plus «rigoureuse», à base de métamatériaux ou de Surfaces Sélectives en Fréquences, afin d’atteindre le même objectif de sélectivité.
En bande millimétrique, il sera envisageable d’utiliser une cavité surdimensionnée, tout en conservant des dimensions réalistes en terme d’intégration.

Concernant les traitements numériques, des algorithmes seront développés pour compenser les éventuels déséquilibres entre voies, tout en respectant les pondérations désirées en sortie du composant. Ils devront d’autre part permettre d’optimiser le rapport signal à bruit des signaux focalisés, grâce par exemple à des techniques de pré-distorsion, ou des processus itératifs.

Pour être mené à bien, cette thèse bénéficiera d’un contexte favorable au sein du département OSA d’XLIM qui possède une forte expertise théorique et expérimentale dans les systèmes multi-antennes, que ce soit sur les aspects traitement du signal (MIMO, diversité d’antennes) ou antennes à balayages (répartiteur à base de matrices de Butler, circuits d’alimentations pour antennes agiles ou reconfigurables), en lien étroit avec de nombreux partenaires académiques et industriels.

Objectifs scientifiques de la thèse
Le développement d’un répartiteur une voie vers N à retournement temporel est un objectif complexe et ambitieux, qui nécessitera un certain nombre d’étapes préliminaires.
La première phase de la thèse consistera à vérifier la faisabilité du concept, en quantifiant notamment les performances du procédé du retournement temporel (RT) appliqué au balayage de faisceau. Dans ce but, des expérimentations seront menées au sein d’une chambre réverbérante qui offre des conditions particulièrement propices à la mise en œuvre du RT, avec notamment un étalement temporel important, et des niveaux de puissance satisfaisants. L’objectif de cette première étape est de définir l’ensemble des paramètres permettant d’influer sur la qualité de la focalisation et l’équilibrage des différentes voies.
La seconde étape concernera la conception du composant miniaturisé à retournement temporel proprement dit, en se basant sur les enseignements tirés de l’étape 1. Le but est d’arriver à réduire la taille du dispositif, tout en conservant les mêmes propriétés que la cavité surdimensionnée en termes de focalisation par RT.
Parallèlement à la conception du composant sera mené le développement d’un démonstrateur correspondant au système complet d’antenne à balayage. Cette troisième étape aura pour but d’apporter des solutions à l’ensemble des difficultés techniques ne relevant pas du composant proprement dit. La conception d’une application concrète permettra de mettre en évidence le gain apporté par le composant, ainsi que ses limitations, par rapport à des solutions plus classiques.

Compétences à l’issue de la thèse
Modélisation Circuit
Modélisation RF
Traitement numérique du signal
Instrumentation RF

Mots clés (séparés par des virgules)
Retournement temporel,Antennes,
Traitement du signal, Formation de faisceau ,Métamatériaux, Radar

Directeur de thèse
Thierry Monedière
Adresse mail du directeur de thèse : thierry.monediere@xlim.fr
Téléphone Directeur de thèse : 0555426050

Co-directeur de thèse
Cyril Decroze
Adresse mail du co-directeur de thèse : cyril.decroze@xlim.fr
Téléphone co-Directeur de thèse : 0555426059
Cofinancement LABEX SigmaLIM demandé : NON

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