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Domaines d’application des réseaux d’antennes
Les réseaux d’antennes sont utilisés principalement dans des applications nécessitant une directivité élevée (télécommunications, radar …) afin de répondre au mieux à des contraintes de gain et de filtrage spatial et angulaire du diagramme de rayonnement. Par ailleurs, l’intelligence des antennes réseaux est contenue non pas dans leur géométrie mais dans le traitement du signal reçu appelé traitement d’antennes. Les caractéristiques de rayonnement du réseau dépendent du nombre d’éléments rayonnants, de la géométrie du réseau et de l’excitation en amplitude et phase de chaque source. Les réseaux de dernière génération possèdent l’avantage de pouvoir effectuer un balayage électronique du faisceau rayonné. On peut donc, par commande électronique, pointer successivement plusieurs directions ou modifier de manière dynamique le diagramme de rayonnement.
Le Tableau I-1 présente les principales applications des antennes réseaux dans les domaines des télécommunications et du radar.
Radiogoniométrie
Principe de radiogoniométrie
Un radiogoniomètre est un dispositif capable d’estimer la direction d’arrivée d’une onde électromagnétique incidente sur un réseau d’antennes par rapport à une direction de référence [DL12]. La Figure I-1 présente la structure générale d’un système de goniométrie composé d’un réseau de plusieurs capteurs illuminé par une source sous un angle d’incidence θ.
L’algorithme de goniométrie utilise la réponse du réseau au front d’onde pour estimer la direction d’arrivée du signal. La réponse du réseau appelée « vecteur directeur », doit être unique pour chaque direction d’incidence angulaire afin d’éviter les ambigüités. En général, l’angle d’azimut est seulement recherché mais il existe des applications (ex. modélisation du canal) où les deux angles sont recherchés (azimut et élévation).
Algorithmes de goniométrie
Les goniomètres mettent en œuvre des techniques de traitement d’antennes permettant d’extraire l’information d’azimut du signal incident. On peut distinguer deux grandes familles d’algorithmes de goniométrie : les radiogoniomètres à résolution simple et les radiogoniomètres à haute résolution.
Radiogoniomètres à résolution simple
Radiogoniométrie d’amplitude utilisant directement le diagramme de rayonnement de l’antenne du goniomètre [DL12] :
Le repérage d’un maximum d’amplitude est effectué au moyen d’une antenne directive. La direction de pointage correspondant au maximum fournit l’estimation de la direction d’arrivée.
La radiogoniométrie en azimut à cadre tournant repérant un minimum d’amplitude. Un récepteur à deux voies synchrones est relié à une antenne cadre associé à un monopôle ou dipôle omnidirectionnel. La sommation des signaux d’antennes fournit un diagramme omnidirectionnel et la différence fournit un diagramme dipolaire en sin(θ). La somme des deux diagrammes donne une cardioïde. La rotation de la cardioïde permet de réaliser une modulation d’amplitude permettant d’estimer la direction d’arrivée.
La formation de faisceaux est une technique issue du radar et basée sur une pondération en phase des signaux reçus par les antennes. Pour une direction d’arrivée donnée θ, les pondérations des antennes permettent de donner la même référence de phase sur les signaux et donc d’obtenir un diagramme d’antenne représentant un maximum dans cette direction.
Radiogoniométrie Watson-Watt à antennes cadres et Adcock : Un radiogoniomètre Watson-Watt exploite deux antennes perpendiculaires et de faible ouverture. Le front de l’onde électromagnétique reçue génère deux signaux dont le rapport des amplitudes est très proche de la tangente de l’azimut θ. L’inconvénient de cette méthode est que la faible ouverture limite la précision instrumentale du système en présence des trajets multiples de propagation.
Radiogoniométrie Doppler : Dans ce procédé, un effet doppler par rapport à la source est obtenu par une rotation d’une antenne à une vitesse donnée autour d’un axe central. Le principe consiste à détecter l’angle pour lequel la fréquence instantanée du signal reçu est maximale.
Radiogoniométrie par interférométrie : L’interférométrie utilise la mesure de la différence de phase délivrée par deux antennes proches illuminées par la même onde électromagnétique. L’algorithme utilisé pour déterminer l’azimut et l’angle d’élévation est la technique des « minimums de modules » qui utilise la comparaison entre le vecteur mesuré à la fréquence f pour un azimut θ0 et un angle d’élévation Δ0 et le vecteur calculé pour θ variant entre 0° et 360° et Δ de 0° à 90°.
Radiogoniométrie par Corrélation Vectorielle : La corrélation vectorielle utilise les courants induits sur chaque antenne (en amplitude et phase). L’algorithme de corrélation vectorielle est basé sur la recherche du vecteur calibré le plus proche du vecteur mesuré.
Radiogoniomètres à super résolution et haute résolution
Les techniques de goniométrie classique précitée sont fondamentalement mono-sources. Elles nécessitent des récepteurs à fort rapport signal sur bruit et elles ne sont généralement pas capables de traiter simultanément des sources présentes dans le même canal.
Les méthodes à haute résolution et celles à super-résolution ont été introduites depuis une trentaine d’années pour améliorer la résolution spatiale des méthodes mono-sources comme la formation de faisceaux ou l’interférométrie.
Les méthodes à Super Résolution permettent la séparation angulaire de deux sources.
Filtre spatial CAPON [CAP69] : Cette méthode met en œuvre le concept du filtre adapté spatial. Ce filtre consiste à optimiser le rapport signal sur bruit (RSB) et les interférences dans la direction d’arrivée θ. Dans le cas de plusieurs sources la méthode de CAPON est biaisée asymptotiquement et le biais est d’autant plus important que le RSB est faible.
Les méthodes à Haute Résolution consistent à travailler dans l’espace des directions propres à chaque signal. Ces méthodes ont un pouvoir séparateur potentiellement illimité [MMC98]
La plus connue est la méthode MUSIC (Multiple Signal Classification) qui est basée sur l’exploitation de la matrice de covariance en utilisant le modèle de superposition des signaux en présence d’un bruit additif. Cet algorithme peut être utilisé pour des réseaux avec une géométrie arbitraire connue pour estimer des paramètres de sources multiples. En théorie l’algorithme MUSIC permet une estimation des paramètres asymptotiquement non biaisé.
Effet des perturbations sur la performance de l’antenne
La radiogoniométrie vise à estimer la direction d’arrivée d’une onde électromagnétique radiofréquence en utilisant un algorithme de traitement d’antennes. La plupart de ces algorithmes nécessitent la connaissance de la table d’étalonnage du réseau contenant la réponse du réseau à toutes les directions d’arrivée des signaux. Cette table est obtenue en calibrant l’antenne dans un environnement nominal. En pratique, ce calibrage est susceptible d’être perturbé par plusieurs phénomènes ce qui va conduire à une incertitude dans l’estimation de la direction d’arrivée. Les sources de perturbations [LMM93, AHM11] peuvent être classifiées en deux grandes catégories comme le montre le Tableau I-2:
Défauts sur le réseau
Effet du couplage mutuel
En première approximation, le vecteur directeur issu du calibrage et utilisé pour l’estimation de la direction d’arrivée du signal suppose des réseaux d’antennes idéaux. En d’autres termes aucune interaction entre les éléments du réseau n’est considérée. Cependant, dans les réseaux réels le rayonnement de chaque élément interagit avec les autres éléments en provoquant un transfert de puissance entre les éléments qu’on appelle le couplage mutuel [EAH10]. Le couplage mutuel augmente lorsque l’espacement entre les éléments diminue. Le couplage entre les éléments les plus proches ou consécutifs est le plus fort. Il entraîne un changement du diagramme de rayonnement de l’antenne, de la réponse du réseau à un signal, et des conditions d’adaptation [BAL05]. La Figure I-2 montre le couplage mutuel entre deux antennes en mode réception. Le front d’onde incident venant de l’espace libre (0) génère un courant induit sur l’antenne A. Le courant induit re-rayonne une partie de la puissance (2) tandis que le reste de la puissance est transférée vers la charge de l’antenne A. Si l’antenne n’est pas adaptée une partie de la puissance est réfléchie et rayonnée. Une partie de cette dernière est captée par l’antenne B.
Influence de l’environnement
Dans la partie précédente, nous avons montré que la compensation du couplage mutuel est nécessaire pour éliminer ses effets dans l’estimation de la direction d’arrivée. Cependant, les erreurs éliminées par cette compensation appartiennent à la classe des défauts présents lors du premier calibrage comme le montre le Tableau I-2 , et qui suppose implicitement que l’antenne se trouve en espace libre. Or, une fois sur le terrain, la présence d’obst acles dans le champ proche du réseau rend l’hypothèse d’espace libre invalide à cause des interactions qui peuvent se produire entre les deux.
Un nombre limité de travaux ont abordé la problématique de la présence des obstacles non permanents dans le champ proche de l’antenne, surtout pour des applications de goniométrie.
Dans [FP95], les effets de la présence d’un obstacle dans le champ proche de l’antenne sont modélisés. Des pics parasites sont observés dans le spectre d’estimation de la direction d’arrivée en cas de présence d’obstacles non considérés lors du calibrage. La plupart des algorithmes d’estimation de direction d’arrivée suppose que les ondes incidentes sur le réseau d’antennes sont des ondes planes. Or, cette hypothèse est valide seulement en champ lointain.
La présence d’obstacles produit des ondes sphériques qui viennent s’ajouter à l’onde plane ce qui modifie l’estimation de la direction d’arrivée comme le montre la Figure I-3.
Plusieurs techniques sont proposées dans la littérature pour surmonter cette difficulté. La plupart de ces méthodes sont spécifiques d’une géométrie donnée du réseau d’antenne et d’un environnement donné. D’autres méthodes considèrent juste les objets 2D et ne parviennent pas à garantir une solution globale et optimale.
Dans [HA09], le nombre de colonnes de la matrice de couplage est augmenté pour tenir compte des signaux incidents rétrodiffusés par l’obstacle. Cette méthode exige la connaissance de la géométrie de l’obstacle. Cela limite son application à un réseau d’antenne fixe avec un environnement inchangé.
Une méthode d’optimisation, utilisant un algorithme des moindres carrés non conventionnel, est proposée dans [BSZS07] pour exploiter la table de calibrage et estimer la direction d’arrivée en présence des objets perturbants. Cette méthode est limitée à une géométrie fixe (réseau linéaire de dipôles). Lorsque la position de l’obstacle change, l’étalonnage ne peut plus contribuer à une réduction de l’erreur d’estimation.
Technique de traitement d’antennes
Une approche déterministe utilisant la distribution en module et phase du champ proche pour déterminer la position et le nombre des éléments défectueux dans un réseau de géométrie arbitraire est proposée dans [BD12]. Cette méthode est basée sur une technique d’estimation spectrale. Les propriétés orthogonales des sous espaces signal et bruit sont exploitées. Les espaces ‘Signal’ et ‘Bruit’ sont supposés non corrélés. L’élément défectueux est localisé lorsque son vecteur propre contient une valeur propre nulle et donc appartient au sous espace bruit. Les résultats obtenus confirment la précision, la faisabilité et la robustesse vis-à-vis du bruit de cette méthode mais le principal inconvénient est la complexité des calculs et le temps de mesure (plusieurs heures) nécessaire pour récupérer les données de champ proche.
Techniques partielles de suivi de zéros de rayonnements
Dans [BR12], une étude sur les différentes causes qui peuvent produire l’apparition des lobes secondaires dans un sous-réseau est présentée. Le but étant de fournir un outil de diagnostic du premier ordre pour les concepteurs d’antennes avant l’intégration du sous-réseau dans le réseau final. Il est démontré que le type d’excitation joue un rôle important dans la détection de la nature de l’erreur. Suivant le type d’excitation et en observant les zéros du sous-réseau (« Null-Walk Off » ou « Null Fill in ») on peut savoir si l’erreur provient de l’amplitude ou la phase de l’excitation.
Ainsi il apparait qu’il existe de nombreuses techniques de diagnostic de rayonnement d’antennes. La plupart de ces techniques sont basées sur des calculs complexes à partir de mesures de champs proches relativement longues et non compatibles avec un système de mesure en temps réel. Dans ce contexte, les techniques d’imagerie infrarouge offrent des mesures rapides et peu perturbantes in-situ en un temps de réponse compatible avec la mesure en quasi temps réel. Par contre, l’antenne doit être à l’émission et cette catégorie de technique ne peut tenir compte de la phase ce qui peut être rédhibitoire dans le cas de diagnostic des réseaux d’antennes pour certaines applications (goniométrie, traitement d’antennes, formation de faisceaux…). De plus la majeure partie de ces techniques considère que les anomalies sont localisées sur la partie guidée du réseau (excitation, défauts électriques et mécaniques, câblage, amplification, problèmes de fabrication…), mais aucune ne considère les anomalies sur la partie rayonnée (environnement proche variable de l’antenne). Ces méthodes peuvent donc être utilisées pour détecter les défauts sur le réseau dans un environnement contrôlé pour lequel les perturbations externes sont négligeables.
Mesure d’antennes
Les mesures des réseaux d’antennes sont normalement effectuées dans le but de caractériser l’antenne ainsi que son diagramme de rayonnement dans un environnement contrôlé.
Cependant lors de leur mise en place sur le terrain, ils peuvent être soumis à des perturbations non prédictibles ce qui change leurs performances nominales. Dans ce qui suit les techniques de mesures en champ proches sont présentées.
Différentes zones de champ rayonné par une antenne
Dans les domaines des radiocommunications, de la télédétection et des systèmes de radiolocalisation, l’antenne est un élément important dans la chaine d’émission ou de réception. On constate qu’il existe plusieurs zones de champ liées à la distance à l’antenne.
Conception d’un montage d’imagerie en champ proche pour la détection du cancer de sein
Cette thèse [TEH10] a porté sur la conception et la mise en œuvre d’un système de mesures en champ proche qui utilise la TDM. Le système (Figure I-12) est composé de plusieurs sondes OMS. Chaque sonde est optimisée pour la fréquence de 2,45 GHz (bande ISM). La discrétion électromagnétique des fibres optiques utilisées pour les sondes OMS aux signaux micro-ondes a été étudiée et vérifiée. Cette sonde permet une mesure presque sans perturbation du champ. Le comportement de la sonde est vérifié en l’utilisant pour mesurer la distribution des champs proches des différents objets sous test. La mise en œuvre d’un réseau de sonde OMS, permet d’augmenter la vitesse des mesures par un facteur 14 comparé à des systèmes disponibles sur le marché qui utilisent des commutateurs opto-mécaniques. Pour augmenter la précision des résultats de mesures avec le réseau, les données brutes sont corrigées pour permettre de compenser certaines déviations de la réponse des sondes. Le système d’imagerie et le fantôme construit ont été testés et validés.
Mesure d’antennes in-situ
Pour obtenir de bonnes performances, les réseaux d’antennes sont généralement étalonnés dans un environnement contrôlé (chambre anéchoïque) après leur fabrication. Un calibrage en chambre permet de mesurer les caractéristiques de l’antenne dans une configuration nominale.
En outre, dans certains cas (Figure I-16) les radiogoniomètres sont installés sur un porteur mobile (hélicoptère, bateau, véhicule …). Pour prendre en compte les interactions du rése au d’antennes avec la structure, un étalonnage en présence du porteur est nécessaire. Cependant ces phases d’étalonnage sur porteur sont souvent très coûteuses et difficiles à mettre en place surtout lorsque le porteur est de très grande dimension et/ou placé dans un environnement difficile d’accès (bateau, avion). Dans la plupart des cas, l’étalonnage ne peut plus se faire en chambre ce qui nécessite de mettre en place des méthodes d’étalonnage in-situ.
Apport d’un système de mesure in-situ à un goniomètre
Historiquement, les goniomètres ont été utilisés comme un équipement d’aide à la navigation, tant pour les avions que pour les navires. Aujourd’hui, les radiocommunications sont devenues essentielles aussi bien dans le domaine civil que militaire. Les progrès des technologies de transmission numériques, les volumes transmis, la variabilité des formes d’ondes et des protocoles d’accès radio se sont fortement accélérés ces vingt dernières années, accroissant, non seulement l’hétérogénéité des signaux, mais aussi la densité d’émetteurs, la complexité et l’in-stationnarité des environnements de propagation. Ces contraintes ont amenés les constructeurs a développé des radiogoniomètres de plus en plus performants.
Lors de leur mise en place sur le terrain, les réseaux d’antennes peuvent être soumis à des perturbations non prédictibles au moment de la phase d’étalonnage de leur rayonnement.
Dans certaines applications comme la goniométrie, le traitement d’antennes est sensible aux erreurs de modèle de l’antenne. Or, les évolutions des goniomètres, comme l’intégration plus poussée au porteur, et l’utilisation d’antennes plus efficaces, ont tendance à augmenter ce type de perturbations. Dans ce chapitre, le bénéfice d’un système de mesure in-situ permettant de détecter et de compenser les perturbations du rayonnement des antennes est évalué.
L’influence d’obstacles permanents d’une part et variables d’autre part (trappe, porte ouverte…) est évaluée à l’aide d’un modèle combinant des simulations électromagnétiques et des simulations de l’ensemble du radiogoniomètre.
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Table des matières
Liste des figures
Liste des tableaux
Glossaire
Introduction Générale
Chapitre I. Etat de l’art
I.1. Domaines d’application des réseaux d’antennes
I.2. Radiogoniométrie
I.2.1. Principe de radiogoniométrie
I.2.2. Application de la radiogoniométrie
I.2.3. Algorithmes de goniométrie
I.3. Effet des perturbations sur la performance de l’antenne
I.4. Défauts sur le réseau
I.4.1. Effet du couplage mutuel
I.4.2. Influence de l’environnement
I.5. Techniques de diagnostic d’antennes
I.5.1. Diagnostic en champ proche
I.5.2. Techniques d’imagerie Infra-Rouge (IR)
I.5.3. Technique de traitement d’antennes
I.5.4. Techniques partielles de suivi de zéros de rayonnements
I.6. Mesure d’antennes
I.6.1. Différentes zones de champ rayonné par une antenne
I.6.2. Mesures en champ proche
I.6.3. Technique directe de mesure de champ
I.7. Technique de perturbation par sonde modulée
I.7.1. TDM
I.7.2. Modulation de la diffusion de la sonde
I.8. Applications de la TDM
I.8.1. Conception d’un montage d’imagerie en champ proche pour la détection du cancer de sein
I.8.2. Caractérisation d’antennes
I.8.3. Système de tomographie utilisant la TDM
I.8.4. Estimation de la localisation de sources
I.9. Mesure d’antennes in-situ
I.10. Références du chapitre I
Chapitre II. Apport d’un système de mesure in-situ à un goniomètre
II.1. Caractéristiques principales des radiogoniomètres
II.1.1. Principe de la radiogoniométrie
II.1.2. Borne de Cramer Rao (BCR)
II.1.3. Précision de mesure angulaire
II.1.4. Sensibilité
II.2.Traitement d’antennes : Algorithme MUSIC (Multiple Signal Classification)
II.3. Modèle de calcul de performance de goniométrie
II.4. Etude des performances sur véhicule porteur
II.4.1. Effet d’une intégration poussée
II.4.2. Effet des obstacles variables
II.5. Influence de l’efficacité des antennes
II.5.1. Conception d’une antenne adaptée en basse fréquence
II.5.2. Performances de goniométrie en utilisant l’antenne ULB
II.5.3. Comparaison des deux types d’antennes en termes de sensibilité
II.6. Etapes du procédé de surveillance
II.7. Conclusion
II.8. Références du chapitre II
Chapitre III.Dimensionnement du banc de mesure OMS
III.1. Bilan de liaison OMS pour une configuration bi-statique
III.1.1. Bilan de liaison en champ lointain
III.1.2. Bilan de liaison en champ proche
III.2. Dimensionnement du banc de mesure OMS sous CST
III.2.1. Choix de la dimension de la sonde
III.2.2. Discrétion électromagnétique de la sonde
III.3. Amélioration de la sensibilité de la sonde
III.3.1. Réseau d’adaptation du premier ordre
III.3.2. Réseau d’adaptation du second ordre
III.3.3. Amélioration du bilan OMS par la technique de modulation à des fréquences microondes
III.4. Conclusion
III.5. Références du Chapitre III
Chapitre IV.Caractérisation du banc de mesure OMS
IV.1. Fabrication de la sonde OMS
IV.1.1. Choix du modulateur
IV.1.2. Conception du circuit du laser contrôlable
IV.2. Mesure guidée OMS
IV.2.1. Mesure statique d’impédance (guidée)
IV.2.2. Coefficient de réflexion pour une modulation optique
IV.2.3. Mesure dynamique guidée
IV.3. Caractérisation expérimentale dynamique du banc OMS
IV.3.1. Sonde OMS
IV.3.2. Mesure dynamique rayonnée
IV.4. Réglages du laser
IV.4.1. Influence de la tension du signal modulant
IV.4.2. Influence de la fréquence du signal modulant
IV.5. Validation expérimentale du bilan de liaison
IV.5.1. Configuration de simulation statique
IV.5.2. Configuration de mesure statique
IV.5.3. Configuration de mesure dynamique
IV.6. Validation du bilan de liaison OMS
IV.6.1. Comparaison des trois configurations
IV.6.2. Analyse des courbes
IV.7. Effet d’un obstacle sur la rétrodiffusion de la sonde
IV.8. Mode de conversion directe de la photodiode
IV.8.1. Avantages de la conversion directe par rapport à la technique OMS
IV.8.2. Configuration de mesure
IV.8.3. Mesure de stabilité
IV.8.4. Comparaison OMS/Conversion directe
IV.9. Conclusion
IV.10. Références du chapitre V
Chapitre V.Relations entre les sensibilités du mode diagnostic et du mode goniométrie
V.1. Configurations simulées
V.1.1. Dimensionnement du réseau de sondes
V.1.2. Classement des obstacles
V.2. Grandeurs observées
V.2.1. Mode diagnostic
V.2.2. Mode goniométrie
V.3. Estimation des performances de goniométrie
V.3.1. RSB minimal pour obtenir une précision donnée
V.3.2. Erreur quadratique moyenne
V.3.3. Proportion du nombre d’azimuts corrects
V.4. Relation entre le diagnostic et la goniométrie pour garantir une précision donnée
V.4.1. Relation entre le mode diagnostic et le mode goniométrie
V.5. Dimensionnement du système
V.6. Conclusion
V.7. Références du Chapitre V
VI. Conclusion générale et Perspectives
VII. Annexes
VII.1. Annexe 1 : Algorithme MUSIC
VII.1.1. Modèle du signal reçu par un réseau circulaire
VII.1.2. Méthode de calcul de la direction d’arrivée θ
VII.2. Annexe 2 : Conception de l’antenne ULB
VII.3. Extraits de la documentation constructeur de la photodiode, diode laser et lien optique Enprobe
VII.3.1. Photodiode
VII.3.2. Diode laser
VII.3.3. Lien optique Enprobe
VII.4. Annexe 4 : Système de surveillance de pointage d’antenne (Synthèse du stage encadré)
VII.5. Annexe 5 : Discrétion électromagnétique de la sonde OMS
VII.5.1. Mesure de la discrétion électromagnétique d’un réseau de sondes
VII.5.2. Différentes longueurs de sondes
VII.6. Mesure de la photodiode non alimentée
Publications et Brevets
Résumé
Abstract
