Modélisation de grands réseaux périodiques d’antennes

Sujets de thèse 2014

Intitulé de la thèse
Modélisation de grands réseaux périodiques d’antennes
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
Site d’ESTER Technopôle, Limoges
Laboratoire d’accueil : XLIM/OSA

Présentation de l’équipe de recherche
Les travaux menés par l’équipe « antennes multifonctions » du département Ondes et Systèmes Associés 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 de réseaux d’antennes de grandes dimensions. Une première partie du travail de recherche consistera à développer une méthode efficace, fiable et précise pour extraire les paramètres électromagnétiques essentiels à la synthèse d’un réseau d’antennes. La seconde partie consistera à généraliser et intégrer ce(s) méthode(s) dans un simulateur électromagnétique pour concevoir des architectures d’antennes complexes. La conception, la réalisation et la mesure de différentes solutions d’antennes serviront de support de recherche expérimentale pour la mise au point de ces approches.

Résumé de la thèse en anglais
This thesis deals with the design of antenna arrays. The first section of the research work consists in developing an efficient, reliable and accurate method to access the main electromagnetic characteristics 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. A task dedicated to the development of prototypes will be performed to evaluate the capabilities and performances of the developed modeling approach.

Description complète du sujet de thèse
Présentation des antennes réseau:
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. Nous focaliserons dans un premier temps les travaux sur les structures périodiques.

Défis scientifiques
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.
Nous désirons utiliser 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 évaluerons et comparerons les performances de plusieurs simulateurs du marché. L’enjeu consiste au final à faire converger les calculs avec d’autres méthodes numériques bien plus robustes mais plus gourmandes et moins pratiques.
Une fois que ces méthodes seront maîtrisées et rendues fiables, nous envisagerons la généralisation de leur utilisation pour parfaire l’optimisation des antennes réseaux, passives ou agiles, ainsi que des panneaux réflecteurs à agilité de faisceau. Le potentiel de ces développements sera la représentation synthétique, car compressée, des propriétés des antennes à l’intérieur d’un réseau périodique. Cette représentation sous forme de coefficients de Fourier, contiendra toutes les lois de diffraction du réseau éclairé par une illumination extérieure (quelle que soit l’incidence et la polarisation) mais aussi le rayonnement de ce réseau et sa matrice [S]. Tout le comportement du réseau, quelle que soit sa taille devrait se réduire à l’utilisation des coefficients de Fourrier associés aux modes de Floquet d’une seule cellule. Ces modes de Floquet constitueront une base de données qui permettra la conception, à posteriori et de façon analytique de n’importe quel réseau d’antennes.

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 et de leur modélisation. Ces travaux de recherche l’auront également amené à travailler sur différentes architectures. 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 , réseau périodique, simulateur électromagnétique , Floquet.
Conditions restrictive de candidature (nationalité, âge, …) : NON

Expérience/profil souhaité(e)
Master en télécommunications/systèmes hautes fréquences,
Profil antennes, électromagnétisme.

Modalité de dépôt des candidatures
CV et lettre de motivation à transmettre 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 53

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

Recherche

Menu principal

Haut de page