Synthèse et mise au point d’antennes à éléments parasites intelligentes

Sujets de thèse

Intitulé de la thèse
Synthèse et mise au point d’antennes à éléments parasites intelligentes
Publication du sujet sur le site de l’ABG : OUI
Nature du financement : Non connu à ce jour
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 OSA
Ester Technopole
87069 Limoges cédex
Laboratoire d’accueil : XLIM/OSA

Introduction
Une antenne à élément parasite ressemble à une antenne réseau car elle est formée de plusieurs éléments rayonnants ou «motifs élémentaires» (de petite taille). A la différence d’une antenne réseau qui nécessite d’exciter chaque motif élémentaire par un circuit de distribution ou par des circuits actifs associés (1 déphaseur +1 amplificateur + 1 circulateur par motif), l’antenne à élément parasite ne présente qu’un seul port d’excitation. Ainsi tous les autres motifs non alimentés doivent permettre de perturber suffisamment le rayonnement du motif excité pour agir intelligemment sur le rayonnement global de l’ensemble des motifs (alimenté + non alimentés). Pour fonctionner efficacement ces antennes nécessitent que les motifs élémentaires soient très fortement couplés (couplages de proximité capacitif et inductif ainsi que par rayonnement direct).
La formation du diagramme final dépend de la manière dont les éléments parasites (motifs élémentaires non alimentés) interagissent avec les puissances couplées. Il est démontré que ces interactions sont maîtrisables par l’intégration de charges réactives discrètes (de type composants cms) dans l’architecture même de l’antenne. Si ces charges discrètes sont des composants agiles (diodes actionnées par un niveau de polarisation, matrice de mems …) alors il est théoriquement possible de concevoir des antennes agiles à faible coût.

Présentation de l’équipe de recherche
L’équipe «antenne multifonctions» du laboratoire XLIM se compose de 6 personnels encadrants (professeurs, chercheurs et ingénieur) et d’une dizaine de doctorants. Chaque année, entre 3 et 5 thèses sont soutenues. Les travaux menés portent sur la conception de systèmes antennaires innovants pour relever les défis fonctionnels qui nous sont posés par nos partenaires industriels et institutionnels. Ces défis peuvent porter sur des stratégies d’intégration, sur de la miniaturisation mais aussi sur de la formation de faisceau, ou bien encore sur des antennes à multiples bandes passantes ou large bande. Une partie de nos activités consiste à investiguer des voies plus en amont telles que l’intégration de matériaux aux propriétés singulières dans la structure même des dispositifs rayonnants pour en améliorer les performances. Nous développons également des compétences dans les domaines des reflect arrays et des antennes actives.

Résumé de la thèse en français
La thèse portera sur la conception d’antennes agiles à élément parasites. Une première partie du travail de recherche consistera à développer les méthodes de synthèse et de conception qui permettront d’accéder à des fonctions de rayonnement évoluées (diagrammes de polarisation, bande passante…). La seconde partie du travail portera sur l’intégration de composants discrets et actifs au sein même des éléments structurants de l’antenne.

Résumé de la thèse en anglais
This thesis deals with the design of agile antennas with parasitic elements. The first section of the research work consists in developing synthesis and design methods which permit accessing advanced radiating functions (polarization patterns, bandwidth…).The second section of the work carries on the integration of discrete and active components within the structural elements of the antenna.

Description complète du sujet de thèse
Les antennes à éléments parasites sont des structures très intéressantes car elles sont d’apparences très simples et peuvent être fabriquées à faible coût. L’antenne à éléments parasites la plus répandue est l’antenne Yagi qui équipe l’ensemble de nos foyers pour capter la télédiffusion. A l’image de cette antenne Yagi, les antennes à éléments parasites peuvent offrir des propriétés remarquables pour de très faibles prix de revient. Enormément d’architectures peuvent être imaginées, mettant en œuvre des éléments de toutes natures (motifs imprimés, brins rectilignes, boucles …). Pendant très longtemps, la mise au point de ces antennes est restée plus ou moins empirique, voire expérimentale. L’antenne Yagi est l’exemple qui montre à la fois le potentiel d’optimisation des ces antennes et les limitations des outils de conception qui ont longtemps restreint les développements à des alignements de brins rectilignes et parallèles entre eux. Aujourd’hui les performances des calculateurs et l’ergonomie des simulateurs électromagnétiques permettent de développer des méthodes de conception rigoureuses qui autorisent à imaginer des distributions quelconques (2D non périodiques) des motifs constituants l’antenne à éléments parasites.
Les enjeux de cette thèse portent sur la définition de méthodes d’optimisation permettant d’associer des éléments de différentes natures (motifs imprimés aux géométries variées, brins conducteurs, vias, résonateurs diélectriques…) et d’intégrer au sein même de chacun de ces éléments parasites des composants discrets participant, d’une part à l’optimisation des lois de couplage (permettant de former le rayonnement) et permettant d’autre part d’intégrer le l’agilité (diagramme, fréquence, polarisation) par l’utilisation de composants au comportement électrique contrôlé (diodes, transistors, mems …). Le doctorant aura en charge de construire des méthodologies pour la prise en compte de la bande passante et de la polarisation comme objectifs d’optimisation des antennes à éléments parasites. Ses travaux l’amèneront également à proposer des solutions d’implantation de composants actifs qui permettront la fonction d’agilité. Ces travaux s’appuieront sur des développements technologiques et sur la mise en œuvre d’un banc de tests qui permettra la mise au point expérimentale de ces structures. Cette mise au point sera destinée à évaluer la dispersion de fonctionnement introduite par les composants et par les procédés de réalisation (dispersions mécaniques de fabrication et de positionnement, propriétés des substrats, dispersions liées à la numérisation du problème électromagnétique…). Le candidat pourra également s’intéresser au développement de motifs évolués: chaque motif élémentaire (parasite) de l’antenne pourra disposer d’une agilité basique pour par exemple commuter entre deux modes de polarisation ou deux diagrammes; les couplages et les interactions entre les éléments parasites seront ensuite gérés comme précédemment par des composants actifs.

Objectifs scientifiques de la thèse
Les enjeux et défis qui seront à relever pendant la thèse portent sur la modélisation, sur la synthèse et la capacité à intégrer dans l’architecture de l’antenne des composants technologiques bas coût. L’objectif est de concevoir des antennes à éléments parasites à agilité de faisceau.
Le sujet permettra à l’étudiant de développer des compétences dans les domaines suivants:
1/ la conception électromagnétique d’antennes
Le candidat aura à travailler sur les méthodes d’optimisation et de synthèse pour les adapter aux antennes à éléments parasites. Ces méthodes devront être rapides, efficaces et fiables et adaptées pour l’étude de systèmes intégrant un grand nombre d’éléments parasites.
2/ l’intégration à l’architecture des antennes de composants agiles discrets
Le travail consiste à faire un inventaire des solutions technologiques disponibles pour concevoir des charges réactives justement dimensionnées pour nos antennes. Ainsi conçues, ces charges seront réalisées et caractérisées.
3/ le développement et l’exploitation d’un banc expérimental
Ce banc est destiné à l’aide à la conception, la caractérisation électromagnétique et l’optimisation expérimentale des consignes d’adressage destinées aux nombreux composants intégrés à l’antenne. Il sera développé en collaboration avec le centre de transfert CISTEME.

Compétences à l’issue de la thèse
A l’issue de sa thèse le docteur sera un expert des antennes à multiples éléments rayonnants. Ces travaux de recherche l’auront amené à travailler aussi bien sur les antennes réseau de conception classique que des structures plus innovantes: les antennes à éléments parasites intégrants des fonctions évoluées au sein même de la structure antennaires (fonctions passives et/ou actives distribuées). L’expérience acquise portera sur la conception des antennes et sur leur caractérisation expérimentale. Ainsi le docteur deviendra familier de l’exploitation de simulateurs électromagnétiques largement diffusés dans la communauté scientifique et industrielle. Il s’agit de simulateurs destinés à la modélisation des antennes mais aussi à l’optimisation des circuits hyperfréquence. La phase expérimentale du sujet confrontera le candidat à l’utilisation des instruments de caractérisation et au développement d’un banc d’adressage de consigne de pilotage qui sera couplé aux bases de mesure d’antennes du laboratoire.

Mots clés (séparés par des virgules)
Antennes agiles , antennes à éléments parasites , réseau d’antennes , simulateur électromagnétique , méthode de synthèse.
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
Pr Thierry Monediere
Adresse mail du directeur de thèse : thierry.monediere@xlim.fr
Téléphone Directeur de thèse : 0555426053

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 : 0555426050
Cofinancement LABEX SigmaLIM demandé : NON
Thèse pour Action transverse : NON

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