Hybridation de la FDTD à Double Grille (DG-FDTD) avec l'Optique Physique Itérative (IPO) - Application à la simulation d'antennes environnées positionnées sur des platesformes de grandes dimensions

Hybridization of the Dual-Grid FDTD (DG-FDTD) with the Iterative Physical Optique (IPO) - Application to the EM simulation of surrounded antennas on platforms

• Auteur / Autrice : Benoît Le Lepvrier
• Direction : Renaud Loison
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Electronique et télécommunications
• Date : Soutenance le 13/10/2014
• Etablissement(s) : Rennes, INSA
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mathématiques, télécommunications, informatique, signal, systèmes, électronique (Rennes)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut d'Électronique et de Télécommunications (Rennes) - Institut d'Electronique et de Télécommunications de Rennes
• Partenaire(s) de recherche : : Université européenne de Bretagne (2007-2016)
• Jury : Président / Présidente : Jean-Lou Dubard
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Renaud Loison, Jean-Lou Dubard, Élodie Richalot, Christine Letrou, Maxime Romier, Philippe Pouliguen, Raphaël Gillard
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Élodie Richalot, Christine Letrou

Mots clés

Mots clés contrôlés

Différences finies

Méthode asymptotique numérique

Antennes (électronique)

Simulation, Méthodes de

Mots clés libres

DG-FDTD

IPO

Méthode hybride

Antenna plateform

Résumé

Les travaux de cette thèse ont été consacrés à l'extension du domaine d'application de la FDTD à Grille Double (DG-FDTD) via son hybridation avec l'Optique Physique Itérative. Ces recherches ont été motivées par le besoin d'évaluer précisément et efficacement le diagramme d'antenne environnées installées sur des plates-Formes de grandes dimensions (satellite, véhicule, lanceur spatial). Lors du tour d'horizon consacré aux méthodes numériques pouvant intervenir dans la résolution de ce type de problème, la DG-FDTD a révélé des caractéristiques intéressantes en permettant des analyses large bande rapides et précises d’antennes avec un environnement proche complexe. Cependant, sa formulation rigoureuse entraîne des besoins importants en ressources informatiques pour analyser des problèmes de grandes dimensions électriques. Les travaux présentés dans ce manuscrit précisent les limites de son domaine d'application. Ils mettent finalement en avant son incapacité à résoudre seule des problèmes d'antenne sur plateforme. En réponse à cette limitation, un nouveau schéma hybride associant la DG-FDTD avec une méthode asymptotique est proposé. La méthode DG-FDTD/IPO ainsi créée décompose la simulation du problème complet en deux simulations successives. L'antenne et son environnement proche sont tout d'abord simulés rigoureusement avec la DG-FDTD puis la plateforme est analysée efficacement avec l'IPO. Les deux simulations sont interfacées en utilisant le principe d’équivalence. Après avoir validé cette nouvelle méthode sur un scénario canonique, elle est appliquée au calcul de rayonnement électromagnétique en champ lointain dans deux scénarios d’antenne environnée sur porteur (antenne sur véhicule notamment). Deux améliorations de la DG-FDTD/IPO sont finalement proposées dans ce manuscrit. La première est consacrée à la prise en compte grossière des couplages retours entre l'environnement proche de l'antenne et la plate-Forme. Cette amélioration repose sur la redescription grossière de l’environnement proche de l’antenne dans la simulation IPO. La seconde amélioration concerne la modélisation des courants sur les parties ombrées de la plate-Forme dans la simulation IPO. Cette amélioration est motivée par le besoin d'analyser précisément des scénarios de type antenne sur lanceur spatial. En effet, l'IPO ne calcule pas les courants sur les zones ombrées, or dans ce type de problème elles représentent la majeure partie de la plate-Forme. Une nouvelle méthode basée sur l'IPO, et appelée Traitement Séquentielle des Domaines (TSD), est donc proposée pour répondre au besoin exprimé plus haut. Après avoir validé cette nouvelle méthode sur un cas simple impliquant un cylindre, elle est appliquée avec succès à l'analyse d'une plate-Forme de type lanceur spatial.

This thesis aims at extending the Dual-Grid FDTD (DG-FDTD) application domain via its hybridization with the Iterative Physical Optics (IPO) method. This research was motivated by the need to evaluate accurately and efficiently the antenna pattern of surrounded antennas installed on large platforms (satellite, vehicle, space launcher). Overview on numerical method involved in this class of problem revealed DG-FDTD has interesting features. This method allows precise and efficient wide-Band simulations of surrounded antennas. However, this method remains costly for electrically large problems, especially because of its rigorous formulation. This thesis assessed the limitations of DG-FDTD and then put forward its inability to resolve antenna on platform problems. To answer this issue, a hybrid scheme combining DG-FDTD with IPO is proposed in this thesis. DG-FDTD/IPO divides the initial simulation into two successive simulations. The antenna and its vicinity are firstly analyzed with DG-FDTD, and then IPO is used to analyze the platform. The two simulations are interfaced using the equivalence principle. This new method is first validated using a canonical scenario. Then, it is applied to the computation of electromagnetic radiation pattern in two antenna on platform problems (antenna on vehicle especially). The method is then exploited to effectively analyze the radiation pattern of a surrounded antenna mounted on a platform. Two improvements are finely proposed in this thesis for DGFDTD/ IPO. The first one aims at taking into account for the backward coupling between the antenna region and the metallic platform. This improvement implies a coarse description of the antenna region in the IPO simulation. The second improvement concerns the modeling of the currents in the shadow areas of the platform. This improvement answers to the need to analyze precisely antenna-On-Launcher problems. Indeed IPO do not compute currents in shadow areas. Well, for this kind of problem, shadow areas represent almost all the platform. A new method based on IPO and called Domains Sequential Processing is proposed. This method is first validated using a canonical scenario involving a cylinder. Then it is successfully applied to the analysis of a spatial launcher.