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

236 Pages·2017·12.29 MB·French

by  Jimmy Lominé

Étude d’une antenne vectorielle UHF multibande
appliquée à la goniométrie 3D
Jimmy Lominé
To cite this version:
Jimmy Lominé. Étude d’une antenne vectorielle UHF multibande appliquée à la goniométrie 3D.
Electromagnétisme. Institut National Polytechnique de Toulouse - INPT, 2014. Français. ￿NNT:
2014INPT0096￿. ￿tel-01117288￿
HAL Id: tel-01117288
https://theses.hal.science/tel-01117288
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Délivré par :
Institut National Polytechnique de Toulouse (INP Toulouse)
Discipline ou spécialité :
Micro-ondes, Électromagnétisme et Optoélectronique
Présentée et soutenue par :
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le jeudi 27 novembre 2014
Titre :
ETUDE D'UNE ANTENNE VECTORIELLE UHF MULTIBANDE
APPLIQUEE A LA GONIOMETRIE 3D
Ecole doctorale :
Génie Electrique, Electronique, Télécommunications (GEET)
Unité de recherche :
Laboratoire d'Analyse et d'Architecture des Systèmes (L.A.A.S.)
(cid:47)(cid:68)(cid:69)(cid:82)(cid:85)(cid:68)(cid:87)(cid:82)(cid:76)(cid:85)(cid:72)(cid:3)(cid:71)(cid:72)(cid:3)(cid:55)(cid:112)(cid:79)(cid:112)(cid:70)(cid:82)(cid:80)(cid:80)(cid:88)(cid:81)(cid:76)(cid:70)(cid:68)(cid:87)(cid:76)(cid:82)(cid:81)(cid:86)(cid:3)(cid:11)(cid:55)(cid:40)(cid:47)(cid:40)(cid:38)(cid:50)(cid:48)(cid:12)(cid:3)(cid:71)(cid:72)(cid:3)(cid:79)(cid:10)(cid:40)(cid:49)(cid:36)(cid:38)
Directeur(s) de Thèse :
M. HERVE AUBERT
M. CHRISTOPHE MORLAAS
Rapporteurs :
M. MOHAMED HIMDI, UNIVERSITE RENNES 1
M. XAVIER BEGAUD, TELECOM PARISTECH
2 Membre(s) du jury :
2 M. XAVIER BEGAUD, TELECOM PARISTECH, Président
2 M. ANTHONY BELLION, CENTRE NATIONAL D'ETUDES SPATIALES CNES, Membre
2 M. CHRISTOPHE IMBERT, ROCKWELL COLLINS STE, Membre
M. CHRISTOPHE MORLAAS, ECOLE NATIONALE DE L'AVIATION CIVILE, Membre
M. HERVE AUBERT, INP TOULOUSE, Membre
Remerciements
Ce travail de recherche a été financé par la société Rockwell Collins France en collaboration
avec deux laboratoires : le laboratoire TELECOM de l’École Nationale de l’Aviation Civile
(ENAC)et leLaboratoired’Analyseetd’Architecturedes Systèmes(LAAS-CNRS).
Je remercie M. Christian PARPET, ancien directeur du département technique et Mme Nadia
AMMOUR, ancienne responsable des départements DF/PLS et Radar chez Rockwell Collins
France, dem’avoirfait confiancepourcetravailderecherche.
Jeremercieégalementl’ancienresponsable,M.RobertBAUDRAINetl’actuelresponsable,M.
Mathy GONON, du département Sciences et Ingénierie de la Navigation Aérienne (SINA) de
l’ENAC, M. Christophe MACABIAU, responsable du laboratoire TELECOM, M. Alexandre
CHABORY, responsabledu groupeÉlectromagnétismeet Antenne(EMA)et M.Jean ARLAT,
directeurduLAAS-CNRS dem’avoiraccueilli au seindeleurséquipes.
Je remercie M. Xavier BEGAUD, professeur de l’Université Télécom ParisTech et M. Moha-
med HIMDI, professeur de l’Université de Rennes 1, d’avoir accepté d’être rapporteurs de ce
manuscrit.
Je tiens également à remercier, M. Thierry MONEDIERE, professeur de l’Université de Li-
moges, M. Anthony BELLION, Ingénieur au Centre National d’Études Spatiales et M. Cyrille
LE MEINS, Ingénieur chez Thales Communications& Security d’avoir accepté de faire partie
demonjurydethèse.
Mes plus sincères remerciements vont à mes directeurs de thèse. Tout d’abord, M. Hervé AU-
BERT, professeur de l’Université de Toulouse, pour la confiance qu’il m’a accordée ainsi que
pour toute l’aide et les conseils qu’il m’a apportés durant ces travaux. Je remercie également,
M. Christophe MORLAAS, enseignant/chercheur de l’ENAC, qui a dû me supporter au quo-
tidien. Ses conseils, sa disponibilitéet sa gentillesse m’ont permis de mener à bien cette thèse
dans un contexte agréable. Je remercie aussi mon encadrant et collègue, M. Christophe IM-
BERT, responsable de l’équipe Radar de la société Rockwell Collins France, pour ses conseils
etsabonnehumeurmaiségalementl’ensembledespersonnesdugroupeEMAetdugroupeSI-
GNAV du laboratoire TELECOM de l’ENAC, à savoir, Rémi, Olivier, Anaïs, Antoine, Paul,
Marie-Christine, Axel, Carl ainsi que l’ensemble des doctorants, Ludovic, Alizé, Enik, JB,
Quentin, Giuseppe, Philippe, Myriam, Amani, Andréas, Enzo, Jade et Yiping pour les bons
momentspassésaveceux,toutaulongdeces troisannées. Jen’oubliepas nonplusles anciens
doctorants:Daniel, Sébastien, Kévin,Leslie,Jérémy et Marion.
Jetiens aussià remercier M. MichelPAONESSA et M. GillesTHOMINE, ingénieurset ensei-
gnants au département ELS de l’ENAC, pour l’aide qu’ils m’ont apportée lors de la réalisation
desantennesainsiqueXavierDOLLATetAlexandreRUMEAU,assistantsingénieurauLAAS-
CNRS,pourlaréalisationdusupportd’antennesetlamiseàdispositiondesmoyensdemesure.
JeremercieégalementmescollèguesdeRockwellCollinsFrance,FredM,FredG,Lê,Valérian,
Emmanuel,Coralie, Raph, Jérôme,Vincent etVirgile.
Mes pensées vont à mes parents et beaux-parents, à mon frère et Valérie, à Marc et Marion (la
secondepièce rapportée), à Carole mais égalementà tous mes oncles, tantes, cousins,cousines
et amis.J’ai aussiunepenséetouteparticulièrepourmongrand-pèreArsène.
Pourfinir, jenesauraisoublierderemercier macompagne,Anaïs,quiatoujourscru en moi.
Composition du jury
Membres du jury
MXavierBEGAUD ProfesseurdeTélécom ParisTech
Télécom ParisTech
COMELEC-RFM, UMRCNRS 5141
46, rueBarrault
F-75634 Paris Cedex13 [email protected]
M. MohamedHIMDI Professeurdel’UniversitédeRennes 1
UniversitédeRennes 1 -Campus deBeaulieu
IETR, UMRCNRS 6164
263, avenuedu Général Leclerc- CS74205
35042RENNES Cedex [email protected]
M. ThierryMONEDIÈRE Professeurdel’UniversitédeLimoges
XLIM, UMRCNRS 7252
123, avenueAlbert Thomas
87060LIMOGESCedex [email protected]
M. AnthonyBELLION Ingénieur-CNES
CNES, CentreSpatial deToulouse
18, avenueEdouard Belin
31401TOULOUSE Cedex 9 [email protected]
M. Herve´ AUBERT Professeurdel’INPdeToulouse
LAAS-CNRS, UMRCNRS 8001
7, avenueduColonelRoche
31031TOULOUSE Cedex 4 [email protected]
M. ChristopheMORLAAS Enseignantchercheur -ENAC
Écolenationaledel’aviationcivile
7, avenueEdouardBelin, BP54005
31055Toulousecedex 4 [email protected]
M. ChristopheIMBERT Ingénieur-Rockwell CollinsFrance
Rockwell CollinsFrance
6, avenueDidierDaurat
[email protected]
Membre invité
M. CyrilleLE MEINS Ingénieur-Thales
THALESCommunications&Security
110, avenuedu Maréchal Leclerc
49300CHOLET [email protected]
Liste des Publications
Revues internationales
J. Lomine´, C. Morlaas, H. Aubert, “Novel Vector Sensors Design With Three Co-located or
Distributed Elements For the 3D DoA Estimation”, Progress in Electromagnetics research B,
vol.57,pp.207– 220,2014.
J. Lomine´, C. Morlaas, H. Aubert, “Dual-band Vector Sensor for Direction of Arrival Estima-
tion of Incoming Electromagnetic Waves”, submitted to IEEE Transaction on Antennas and
Propagationinnovember2014.
Congrès internationaux
J. Lomine´, C. Morlaas, H. Aubert, “Method for Vector Sensor Design based on a Spherical
Mode Approach for 3D DoA Estimation”, 7th European Conference on Antennas and Propa-
gation,EuCAP, pp.237 – 241,2013.

Table des matières
Introduction 1
I Contexte du travailde thèse 5
1 Laradiogoniométrie. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.1 Définitionet applications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.2 Architecturegénérale d’unradiogoniomètrenumérique . . . . . . . . . 7
1.2.a L’antenne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
1.2.b Lerécepteur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
1.2.c L’unitédetraitement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
1.2.d L’interfacehomme/machine . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
1.3 Techniques detraitementdegoniomètrie . . . . . . . . . . . . . . . . 9
1.3.a Goniométried’amplitude . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
1.3.b GoniométrieWatson-Watt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
1.3.c Goniométriepar interférométrie . . . . . . . . . . . . . . . . 11
1.3.d Goniométrieà super-résolutionet àhaute-résolution . . . . . 12
1.4 Caractéristiques d’un radiogoniomètre . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
1.4.a Laprécisionangulaire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
1.4.b Lasensibilité . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
1.4.c Risqued’ambiguïtésangulaires . . . . . . . . . . . . . . . . 17
1.4.d Robustesseface aux multitrajets. . . . . . . . . . . . . . . . 18
1.4.e Couvertureangulaire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
1.4.f Couverturefréquentielle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
1.5 État del’art desantennes deradiogoniométrie . . . . . . . . . . . . . . 20
2 Motivationset objectifdu travaildethèse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
2.1 Couvertureangulairedesradiogoniomètresetantennes associées . . . . 24
2.2 Couverturedel’espace3D àpartird’antennesvectorielles . . . . . . . 27
2.3 Objectifdutravaildethèse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
II Antennes vectorielles ettechniques detraitement de goniométrieadaptées 31
1 Lesantennes vectorielles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
1.1 Principegénéral . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
1.2 Caractéristiques d’uneantennevectorielle . . . . . . . . . . . . . . . . 33
1.2.a Largeurdebande . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
1.2.b Diagrammederayonnement. . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
1.2.c Directivitéet Gain . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
1.2.d Surface effective . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
1.2.e Polarisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
1.3 Les antennes multibandes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
1.3.a Combinaisondeplusieursélémentsrayonnants . . . . . . . . 38
i
ii TABLE DESMATIÈRES
1.3.b Utilisationdetrappes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
2 Modélisationdes observationsàpartird’antennesvectorielles . . . . . . . . . . 40
2.1 Modèled’observationgénéral . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
2.2 Ledipôleélémentaire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
2.3 Modèled’observationdel’antennevectoriellemesurantlessixcompo-
santes duchamp EM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
2.4 Rapport signalàbruit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
3 Techniques detraitementadaptéesaux antennes vectorielles . . . . . . . . . . 45
3.1 Estimateur par produit vectoriel basée sur une approche par décompo-
sitionen harmoniquessphériques-DHS . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
3.1.a Représentationdu champEM en modessphériques . . . . . 46
3.1.b OpérateurderayonnementC+ . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
3.1.c OpérateurderayonnementC− . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
3.1.d Recompositiondu champEM . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
3.1.e Impactdelarépartitionspatialedescapteursdel’antennesur
lesperformances d’estimation . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
3.2 Techniquedetraitementhaute-résolution-MUSIC . . . . . . . . . . . 54
3.2.a Matricedecovariancedes observations . . . . . . . . . . . . 54
3.2.b Déterminationdes sousespaces signalet bruit . . . . . . . . 55
3.2.c FonctionMUSIC àpartird’uneantennenon polarisée . . . . 55
3.2.d FonctionMUSIC àpartird’uneantennevectorielle . . . . . 56
3.2.e Impactdelarépartitionspatialedesélémentsdel’antennesur
lesperformances d’estimation . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
3.2.f Analysedu risqued’ambiguïtésen radiogoniométrie3D . . . 58
4 Antennes vectoriellesàcomposanteslimitées . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
4.1 Antennesvectoriellesàtroiscomposantes . . . . . . . . . . . . . . . . 61
4.2 AdaptationdelatechniqueDHS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
4.3 AdaptationdelatechniqueMUSIC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
4.4 Impact surlaprécisiond’estimation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
5 Conclusiondu chapitre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
III Choix du traitement d’antennes vectorielles à composantes limitées 69
1 Développementd’uneantennevectorielleàtroiscapteurs colocalisés . . . . . . 70
1.1 Dimensionsdel’antenne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
1.2 Les capteurs électriqueetmagnétiques. . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
1.2.a Les capteursmagnétiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
1.2.b Lecapteurélectrique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
1.3 Couplageentrecapteurs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
1.4 Diagrammesderayonnement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
2 Simulationdesperformances d’estimationdel’antenneCloc . . . . . . . . . . 76
2.1 Conditionsdel’estimation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
2.2 Risqued’ambiguïtés . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
2.3 Précision d’estimationaveclatechniquedetraitementMUSIC . . . . . 78
2.4 Précision d’estimationaveclatechniquedetraitementDHS . . . . . . 79
3 Mesuredes performances d’estimationdel’antenneCloc . . . . . . . . . . . . 82
3.1 Réalisation d’unprototype . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
3.2 Conditionsd’estimation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
3.3 Précision d’estimationaveclatechniquedetraitementMUSIC . . . . . 85
3.4 Précision d’estimationaveclatechniquedetraitementDHS . . . . . . 86
4 Répartition spatialedes capteurs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
4.1 Topologieproposée . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
4.2 Analysedurisqued’ambiguïtésthéorique . . . . . . . . . . . . . . . . 88