Description des étapes du ot de conception

La méthode consiste à d'obtenir les caractéristiques de rayonnement recherchées par l'as- sociation de plusieurs éléments rayonnants élémentaires en applicant le principe de su- perposition des champs. Une représentation en schéma-bloc à la gure 4.1 donne une vue générale de la méthode. Trois types de logiciels diérents sont utilisés. Ils sont illustrés par des fonds de couleurs diérentes.

Les étapes du ot de conception sont détaillées ci-dessous :

1. Constitution d'une bibliothèque de champ lointain d'élements rayonnants Diérentes structures élémentaires simples, physiquement réalisables et suceptibles de pouvoir être combinées à d'autres, sont préalablement identiées. Il s'agit typi- quement de dipôles, de boucles, d'antennes IFA, de patchs, etc.

Elles constituent une bibliothèque de structures de base.

Les caractéristiques de rayonnement de ces structures doivent être déterminées en champ lointain dans tout l'espace.

a) Pour des structures simples, les caractéristiques de champs lointain peuvent être déterminées analytiquement. C'est par exemple le cas pour un dipôle élec- trique ou une boucle de courant.

4. Conception et réalisation de structures isotropes

Optimisation

Simulation électromagnétique type FITD ou FDTD ou EF Conception du réseau d’alimentation par simulation circuit Eléments rayonnants

Simulation électromagnétique complète {Structure rayonnante + réseau

d’alimentation} Combinaison des champs lointains des éléments rayonnants

Combinaison d’éléments + alimentation adéquate Réseau d’alimentation Structure rayonnante Cosimulation Réalisation du prototype Optimisation Optimisation Optimisation Simulation circuit Matlab Simulation électromagnétique 3D Réalisation physique

Phase 1 & 2

Phase 3

Phase 4

Phase 6

Phase 5

4.2. Méthode de conception d'antennes par association d'éléments rayonnants b) Pour des structures plus complexes, une simulation électromagnétique complète est réalisée an d'en extraire les caractéristiques de rayonnement en champ lointain. Plusieurs simulations peuvent être réalisées pour diérentes variantes ou dimensions physiques de la structure. C'est par exemple le cas de l'antenne IFA présentée à la section 2.1.4.

c) Les champs lointains peuvent également être synthétisés par diérentes mé- thodes numériques : Expansion d'harmoniques sphériques, synthèse à partir d'une distribution de courant idéalisée (Voir B.1), ou provenir de mesures de structures réelles réalisées par exemple en chambre anéchoïde.

2. Recherche d'une superposition de champs lointains

En vertu du thèorème de superposition [33], les champs lointains de ces structures élémentaires peuvent être superposés après avoir subi des rotations, translations ou symétries.

Il s'agit d'expérimenter diverses associations an d'obtenir le champ lointain recher- ché. (Phase 2 de la gure 4.1).

a) Les angles de rotation et les vecteurs de translation des diérentes structures sont déterminés an de s'approcher au mieux du rayonnement recherché. b) Les amplitudes et phases d'alimentation des diérents élements sont également

optimisées lors de cette phase.

c) Cette recherche est eectuée en utilisant un logiciel de calcul numérique. Nous avons utilisé Matlab. Les optimisations peuvent être réalisées soit par une re- cherche heuristique de type essai-erreur, soit via un algorithme d'optimisation après avoir déni une fonction de coût.

d) L'intéret pratique de cette méthode réside dans la rapidité d'exécution des calculs par rapport à l'utilisation de logiciels de simulation électromagnétique. Un très grand nombre de possibilités d'association peuvent être calculées en très peu de temps.

e) L'inconvénient majeur de la méthode provient du fait que les phénomènes de couplage en champ proche ainsi que les impossibilités de réalisations physiques (Par exemple lorsques deux structures physiques se chevauchent) ne sont pas pris en compte. Il s'agit donc d'une aide à la conception qui ne peut pas être totalement systématisée et qui doit être complétée par une étude de ces aspects. f) Dans notre méthodologie, cette phase joue un rôle important car elle se situe en amont de la conception. C'est au cours de cette phase que le principe de fonctionnement de base dont découlera toute la suite est identié. La section suivante (Voir 4.2.2) lui est consacrée. L'annexe B présente quelques routines de manipulation du champ lointain qui ont été développées spécialement pour cette phase de la conception.

Enn, à l'issue de cette phase, une première ébauche de structure est obtenue. Il s'agit d'une combinaison d'éléments dont la disposition et les alimentations en terme d'amplitude et de phase sont déterminées.

3. Simulation électromagnétique de la structure rayonnante

On passe ensuite à la simulation électromagnétique. A partir de la combinaison d'élé- ments issue de la phase 1, une structure réaliste est conçue et simulée intégralement (Phase 3 de la gure 4.1).

4. Conception et réalisation de structures isotropes

a) L'inuence du couplage entre les éléments est déterminé.

b) Le rayonnement, la taille et l'ecacité de la structure peuvent être optimisés. c) L'adaptation d'impédance sur chaque port de la structure est optimisé. d) Si le principe de fonctionnement n'est pas validé à ce niveau, en particulier

en raison du couplage perturbant le fonctionnement propre des éléments, on retourne à la phase 2.

A l'issue de cette phase, une structure dont le rayonnement est conforme aux objec- tifs est obtenue. Le fonctionnement électromagnétique complet est validé. Elle est alimentée par un ou plusieurs ports internes idéaux.

4. Conception d'un réseau d'alimentation

L'objectif est maintenant la réalisation d'un réseau d'alimentation pour la structure rayonnante. (Phase 4 de la gure 4.1).

a) Celui-ci est conçu initialement à partir des positions et des spécications des ports internes alimentant la structure et des espaces disponibles compte tenu de la géométrie de la structure rayonnante.

b) Le réseau et la structure sont, si nécessaires, optimisés par simulation conjointe dans les deux simulateurs. En eet, des modications mineures sur la structure peuvent entrainer des améliorations ou des dégradations importantes au niveau du réseau d'alimentation.

A l'issue de cette phase, un réseau d'alimentation adapté à la structure rayonnante a été mis au point. Tous deux sont optimisés pour fonctionner conjointement. 5. Validation par simulation électromagnétique complète

Finalement une simulation électromagnétique complète de l'ensemble {Partie rayon- nante + réseau d'alimentation} est réalisée.

Cette simulation est destinée à valider complètement le fonctionnement de l'an- tenne. En eet, les couplages entre les lignes du réseau d'alimentation ainsi que les couplages entre réseau d'alimentation et structure rayonnante ne sont pas prise en compte par la simulation conjointe de la phase 4.

6. Prototypage

Enn un prototype est réalisé et mesuré à partir des côtes et spécications de l'an- tenne simulée en phase 5 (Phase 6 de la gure 4.1).

4.2.2. Transformation, superposition et caractérisation du champs