Étude d’une antenne vectorielle UHF multibande appliquée à la goniométrie 3D

Study of a multiband UHF vector sensor applied to the 3D direction finding

• Auteur / Autrice : Jimmy Lominé
• Direction : Hervé Aubert, Christophe Morlaas
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Micro-ondes, Électromagnétisme et Optoélectronique
• Date : Soutenance le 27/11/2014
• Etablissement(s) : Toulouse, INPT
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Génie électrique, électronique, télécommunications et santé : du système au nanosystème (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'Analyse et d'Architecture des Systèmes (Toulouse ; 1968-....) - Équipe de recherche en Télécommunications (Toulouse)
• Jury : Président / Présidente : Xavier Begaud
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Hervé Aubert, Christophe Morlaas, Xavier Begaud, Anthony Bellion, Christophe Imbert
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Xavier Begaud, Mohamed Himdi

Mots clés

Mots clés libres

Antenne vectorielle

Antenne multibande

Radiogoniométrie 3D

Diversité de polarisation

Diversité spatiale

Vector sensor

Multiband antenna

3D direction finding

Polarization diversity

Spatial diversity

Résumé

De nos jours, il existe de nombreuses antennes de radiogoniométrie UHF large bande ou multibandes, néanmoins très peu d’entre elles permettent une couverture angulaire 3D. A notre connaissance, la première antenne de radiogoniométrie 3D fût étudiée dans les années 1960, par une équipe de l’université du Michigan. Composée de 17 capteurs positionnés sur une surface hémisphérique, sa taille et son nombre d’éléments en font un dispositif encombrant et complexe à utiliser. De récentes études ont proposé une autre approche basée sur la mesure multicomposante du champ électromagnétique, permettant de réduire la taille des antennes et le nombre d’éléments tout en conservant une couverture angulaire 3D. Cependant, à ce jours, seul des systèmes HF (3MHz-30MHz) ou bande étroite ont été abordés. Cette thèse porte donc sur l’étude et le développement d’une antenne vectorielle UHF multibande appliquée à la radiogoniométrie 3D pour des ondes transverses magnétiques. Tout d’abord, deux techniques de goniométrie adaptées à cette approche sont confrontées : une nouvelle technique basée sur la décomposition en harmonique sphérique du rayonnement de l’antenne qui permet de recomposer le champ électromagnétique reçu à partir d’échantillons mesurés et un algorithme bien connu, MUSIC. Une méthodologie de conception est proposée, en identifiant les critères physiques des antennes vectorielles qui influent sur leurs performances à savoir la précision d’estimation, la sensibilité, le nombre d’éléments et l’encombrement. Cette méthode est utilisée pour développer et réaliser une première antenne vectorielle monobande. La caractérisation de cette antenne réaliste permet d’écarter la première technique de traitement dont les performances sont trop sensibles aux perturbations de rayonnement. Une antenne vectorielle bibande compacte, d’un rayon de λ/4 et d’une hauteur de λ/5.5 à la fréquence la plus basse, composée de seulement six éléments rayonnants couvrant chacun les bandes de fréquences GSM [890MHz-960MHz] et [1710MHZ-1880MHz] est ensuite développée en se basant sur cette méthode de conception. Les capteurs électriques et magnétiques constituant l’antenne sont étudiés séparément puis assemblés selon une répartition spatiale planaire pour restreindre l’encombrement. Les structures rayonnantes sont communes pour les deux bandes de fréquences ce qui permet réduire le nombre d’éléments ainsi que les éventuelles perturbations de rayonnement. Après la caractérisation de l’antenne bibande au travers de simulations numériques, un prototype est réalisé et ses performances d’estimation sont mesurées en chambre anéchoïque afin de valider l’approche par simulation. La sensibilité obtenue est de -110dBW/m² (85μV/m) pour une précision de 5° RMS. Enfin l’étude est élargie au cas général d’antennes multibandes en illustrant le processus d’extension de la couverture fréquentielle par l’ajout d’une troisième bande, [400MHz-430MHz]. Six nouveaux éléments sont donc développés et intégrés aux capteurs GSM existants afin d’obtenir une antenne tribande d’un rayon de λ/3.2 et d’une hauteur de λ/12.5 à 400MHz. Malgré une légère augmentation de l’erreur d’estimation, causée par la présence de ces nouveaux éléments, la caractérisation de cette nouvelle antenne tribande montre de bonnes performances d’estimation avec une sensibilité de -105dBW/m² (155μV/m) pour une précision de 5° RMS.

Nowadays, a lot of wideband or multiband direction finding antennas operating in the UHF band exist. Nevertheless, only few of them allow to estimate the direction of arrival in the full 3D space. At the author’s knowledge, the first 3D direction finding antenna was studied in the 1960s, at the University of Michigan. Composed of 17 sensors, located on a large hemispherical surface, this antenna is bulky and complex to use. Recently, some studies have proposed another approach based on the multicomponent measurement of the electromagnetic field that allows to decrease the antennas size and the number of radiating elements without reducing the 3D angular coverage. However, only HF (3-30MHz) or narrowband systems have been reported. The objective of this PhD is to study and to develop an UHF multiband vector sensor applied to the estimation of the direction of arrival of transverse magnetic waves in the full 3D space. Firstly, two signal processing techniques adapted to this approach are compared : a new technique based on the spherical harmonic decomposition of the antenna radiation which allows to recompose the received electromagnetic field from the measured samples and a well-known high resolution algorithm called MUSIC. A design methodology allowing to identify the physical criteria of vector sensors related to the antenna performances such as the estimation accuracy, the sensitivity, the number of elements and the antenna size is proposed. This method is used for developing and designing a first single-band vector sensor. The results obtained from numerical simulations allow to rule out the first signal processing technique which is too sensitive to the radiation perturbations. Then, a compact dual-band vector sensor operating in the GSM frequency band, [890MHz-960MHz] and [1710MHZ-1880MHz], is developed by using the same design methodology. The antenna size is λ/4 in radius and λ/5.5 in height at the lowest frequency. The electric and magnetic elements which compose the vector sensors are designed separately and then combined according to a planar spatial distribution to retain a compact antenna size. The same radiating structures are used for operating in the two frequency bands in order to reduce the number of elements and the eventual radiation perturbations. After the performances assessment through numerical simulations in each band, a prototype is manufactured and its estimation performances are measured for a validation purpose. The sensitivity is -110dBW.m−2 (85μV.m−1) for a 5◦ RMS angular accuracy. Finally, the study is extended to the general case of multiband antennas by adding a third band, [400MHz-430MHz]. New elements are developed and incorporated into the dual-band GSM sensors to obtain a tri-band vector sensor. The size of this new antenna is λ/3.2 in radius and λ/12.5 in height at 400MHz. Despite a slight increase of the angular errors in the estimation of the direction of arrival caused by the presence of the new antenna elements, the characterization of the tri-band sensor performances by simulation show a good accuracy with a sensitivity valued at -105dBW.m−2 (155μV.m−1) for a 5◦ RMS angular accuracy.