Conception de systèmes antennaires omnidirectionnels et directifs favorisant les ondes de surface comme vecteur de propagation dans la bande HF

Antenna design improving the surface waves propagation in the HF band

• Auteur / Autrice : Mathilde Bellec
• Direction : Franck Colombel
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Traitement du signal et télécommunications
• Date : Soutenance le 09/10/2015
• Etablissement(s) : Rennes 1
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mathématiques, télécommunications, informatique, signal, systèmes, électronique (Rennes)
• Partenaire(s) de recherche : PRES : Université européenne de Bretagne (2007-2016)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut d'Électronique et de Télécommunications (Rennes)
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Michèle Lalande, Marc Lesturgie, Pierre-Henri Jezequel, Philippe Pouliguen
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Marc Hélier

Mots clés

Mots clés contrôlés

Antennes miniatures

Ondes de surface

Ondes décamétriques

Mots clés libres

Bande HF

Ondes de surface

Antennes miniatures

Propagation ionosphérique

HF Band

Surface-Waves

Miniaturized Antennas

Sky Wave Propagation

Résumé

Les ondes de surface se propagent le long de la surface terrestre par-delà l'horizon et ces propriétés de propagation sont des atouts pour diverses applications industrielles (civiles ou militaires) opérant dans la bande HF. C'est le cas notamment des radars transhorizon, des systèmes de communications, de la détection de tsunami, ou encore l'étude de la courantologie. Actuellement, les aériens utilisés dans ce contexte ne sont pas optimisés pour privilégier la propagation par ondes de surface. C'est dans ce contexte que TDF, la Direction Générale de l'Armement (DGA) et l'Institut d'Electronique et de Télécommunications de Rennes (IETR) se sont associés pour proposer cette thèse. L'objectif principal de la thèse est de concevoir des antennes en bande HF de dimensions réduites (<3 mètres) réduisant le rayonnement vers le ciel afin favoriser l'onde de surface. Une première approche a permis de concevoir deux antennes élémentaires, l'une omnidirectionnelle et l'autre directive, permettant de réduire le rayonnement vers le ciel pour les sites compris entre -45° et +45°. Les solutions proposées sont de tailles très réduites grâce à l'utilisation d'une antenne à polarisation verticale électriquement courte dans le plan vertical et de parasites horizontaux alimentés par couplage EM. Les études expérimentales réalisées à échelle réelle sont en bon accord avec les performances théoriques obtenus à l'aide de logiciels d'analyse électromagnétique commerciaux. Une seconde approche a permis de concevoir des réseaux d'antennes électriquement courtes dans le plan vertical selon une disposition linéaire des aériens. La réduction du rayonnement vers le ciel est réalisée grâce aux réseaux de type Endfire/Broadside. Enfin, une troisième étude a permis de concevoir deux systèmes antennaires agiles en diagrammes tout en conservant les propriétés de réduction de rayonnement vers le ciel. Le premier système à l'aide d'antennes électriquement courtes dans le plan vertical chargées par des réactances, et le second en appliquant une pondération en amplitude et en phase d'un réseau à deux dimensions.

The surface-waves propagate beyond the horizon. This phenomenon is an attractive feature for many applications operating in the HF band both in civil or military field. By example, we can quote the High Frequency Surface Waves Radar (HFSWR), communicating systems, or the study of the currentology. Currently, the antennas used in the field of surface-waves propagation are not fully optimized and radiate also in sky wave. In order to optimize the radiation pattern of the antennas used in these systems, the company TDF, the Direction Générale de l’Armement (DGA) and the Institute of Electronic and Telecommunications of Rennes (IETR) have proposed this projetct. The main objective of this work is to design electrically small antennas in the vertical plane (< 3 meters) in the HF band while reducing the radiation toward the sky. The first concept is based on vertically polarized antennas electrically small in the vertical plane coupled to horizontally radiators placed above the antenna. As a result, the radiation pattern in the horizontal plane is omnidirectional or directive with a radiation toward the sky reduced for the elevations range from -45° to +45°. Prototypes have been realized and validated by measurements. Then, in the second study we have developed antennas array in order to reduce the radiation toward the sky with another way that the horizontal radiators. This method allows reducing significantly the radiation toward the sky according to the number of elements in the array. Finally, in the third study we have studied electronically scanning antennas while maintaining the reduction of the radiation toward the sky. The first system is based on an array of radiator loaded by reactance, and the second is based on a planar array with an appropriate feeding.