Conception de grandes antennes réseau

Sujets de thèse 2013

Intitulé de la thèse
Conception de grandes antennes réseau
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
Date Limite de candidature : 01/07/2013
Laboratoire d’accueil : XLIM/OSA

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 réseau. Une première partie du travail de recherche consistera à développer une méthode efficace, rapide et précise pour extraire la matrice de couplage des réseaux d’antennes. La seconde partie consistera à intégrer ces méthodes dans un simulateur électromagnétique pour concevoir des panneaux d’éléments rayonnant pour antennes réseau et réseaux réflecteur.

Résumé de la thèse en anglais
This thesis deals with the design of array antennas. The first section of the research work consists in developing an efficient, fast and accurate specific method which permits accessing the scattering matrix of the antenna array. In the second section of the work, the PHD student will integrate the method in an antenna simulator for designing optimised array antennas and reflect arrays.

Description complète du sujet de thèse
La mise en réseau d’antennes élémentaires sert à combiner les rayonnements de chaque antenne élémentaire pour synthétiser un diagramme de rayonnement à faisceau formé, généralement directif. Pour cela chaque antenne élémentaire est soumise à une excitation radiofréquence, portée par un couple courant; tension. Une synthèse de diagramme de rayonnement s’obtient en affectant aux courants des distributions d’amplitudes et de phases qui mettent en cohérence, pour une direction choisie, les rayonnements de chaque antenne élémentaire. Les antennes réseau sont très répandues: on les trouve par exemple dans les stations de base utilisées pour la téléphonie mobile, dans les radars, dans les antennes à panneau réflecteur et elles entrent dans l’architecture de toutes les antennes agiles. Pour ces dernières, afin de limiter le nombre de contrôles actifs (déphaseurs, atténuateurs) une nouvelle tendance se dessine: les réseaux lacunaires et les réseaux apériodiques. Les travaux de la thèse se limiteront dans un premier temps aux réseaux périodiques d’antennes.
Pour optimiser ces antennes, nous avons besoin de la modélisation électromagnétique. Les défis que nous désirons relever dans les prochaines années portent sur une modélisation fine, précise et efficace des grands réseaux d’antennes. Les études produites jusqu’à présent grâce aux simulateurs électromagnétiques ne donnent pas totalement satisfaction: soit les calculs sont trop consommateurs de ressources numériques (ce qui limite le nombre d’antennes dans le réseau), soit les méthodes n’offrent pas la précision et la fiabilité indispensable aux investigations de laboratoire.
Les enjeux de cette thèse portent sur donc sur la mise en œuvre de nouvelles méthodes de conception qui utiliseront les performances des calculateurs et complèteront l’ergonomie des simulateurs électromagnétiques pour aboutir à la synthèse de grands panneaux rayonnants moyennant des ressources numériques mesurées pour des niveaux de précision importants.
Un intérêt particulier portera sur la capacité à définir précisément les matrices de couplage de ces grands réseaux afin d’anticiper avec précision les impédances actives des éléments du panneau. La connaissance à priori de ces grandeurs permettra d’envisager la conception d’antennes agiles et de reflect-arrays. Nous utiliserons les décompositions en modes de Floquet (adaptées aux structures périodiques) pour extraire la matrice S] des antennes dans le réseau périodique. Ces décompositions sont des concepts établis de longue date et a priori jalonnés de supports théoriques solides. Nous avons néanmoins noté des faiblesses dans l’utilisation de ces moteurs de calculs. Nous nous attacherons à identifier les éventuels problèmes afin d’y remédier. Nous devrons parvenir à faire converger les calculs avec d’autres méthodes numériques plus robustes mais plus gourmandes et moins pratiques. Une fois validés, ces décompositions en modes de Floquet pourront être associées à nos outils de synthèse pour réaliser des conceptions optimisées d’antennes réseau et de réseaux réflecteurs.
En plus des simulateurs électromagnétiques dédiés à l’étude des antennes le doctorant utilisera un banc de caractérisation pour antenne multiports couplé à une base de mesure d’antenne qui lui permettra d’étalonner ses développements conceptuels par des confrontations avec l’expérience. Pour cela le doctorant réalisera plusieurs prototypes d’antennes et de panneaux rayonnants.

Objectifs scientifiques de la thèse
Les objectifs premiers portent sur la modélisation des grandes antennes réseau. Cette thèse contribuera au développement d’un nouveau simulateur dédié à une conception optimisée des grands panneaux d’éléments rayonnants. Cet outil comblera les lacunes des actuels simulateurs. La mise en œuvre et la validation des méthodes introduites ouvriront de nouvelles voies pour la conception des antennes agiles, des réseaux lacunaires et des reflect arrays.
Le sujet permettra à l’étudiant de développer des compétences dans les domaines suivants:
1/ implication dans le développement d’un nouveau simulateur électromagnétique pour grandes antennes réseau
Le candidat aura à travailler sur les méthodes d’optimisation et de synthèse pour les réseaux périodiques d’antennes. Ces méthodes devront être rapides, efficaces et fiables.
2/ la conception de plusieurs véhicules de test, la gestion de leur fabrication et leur caractérisation
Les méthodes d’investigation développées seront validées par des mesures d’antennes. Le doctorant initiera les conceptions des véhicules de test, choisira les technologies de réalisation et en organisera les fabrications.
3/ l’utilisation d’équipements de mesures d’antenne et de caractérisation de dispositifs hyperfréquence
Un banc expérimental sera à la disposition du doctorant: il est destiné à l’aide à la conception, la caractérisation électromagnétique. Il peut être utilisé pour piloter les antennes réseaux agiles.

Compétences à l’issue de la thèse
A l’issue de sa thèse le docteur sera un expert des antennes réseaux. Ces travaux de recherche l’auront également amené à travailler sur les panneaux réflecteurs (reflect-arrays). 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 des dispositifs hyperfréquence et aux bases de mesure d’antennes du laboratoire.

Mots clés (séparés par des virgules)
Antennes réseau , reflect array , réseau périodique, simulateur électromagnétique , Floquet.
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 : 0555426047
Cofinancement LABEX SigmaLIM demandé : NON
Thèse pour Action transverse : NON

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