This thesis describes the development of antennas suitable for mobile coinmunication systems based on a dielectric rod antenna fed from circular waveguide. Pattern control of the antenna is implemented using a combination of Frequency Selective Surface (FSS) elements and metallic endcaps placed on the antenna Both linear and circular polarised feeds have been made for these antennas to ensure they are suitable for a wide range of applications. The suitability of the dominant and next, higher order, waveguide mode were investigated and conclusions drawn as to their suitability for this type of antenna. The antennas were extensively modelled using a commercial TLM based solver and the results of these simulations were compared to the comprehensive set of antenna pattern measurements and S-parameter measurements obtained for the prototype antennas.

Il existe aujourd'hui un enjeu sociétal majeur à s'intéresser à la propagation du son en milieu extérieur et notamment, dans notre contexte, à diminuer l'incertitude sur l'estimation des niveaux sonores et améliorer ainsi la précision des diverses analyses, du bureau d'étude à l'institut de recherche. Dans le cadre de l'acoustique environnementale, l'influence des conditions météorologiques sur la propagation acoustique en milieu extérieur peut être importante. Il est donc nécessaire d'appréhender et de quantifier les phénomènes météorologiques de micro-échelles que l'on observe dans la couche limite atmosphérique. Dans ce but, le modèle météorologique de recherche de Météo-France (Meso-NH) a été utilisé. Après avoir comparé les résultats de ce modèle à très fine résolution (de l'ordre du mètre) à l'aide des bases de données de deux campagnes expérimentales (Lannemezan 2005 et la Station de Long Terme), il s'est avéré nécessaire de développer cet outil en intégrant la prise en compte de la force de traînée des arbres. Dès lors, les résultats issus de Meso-NH sur les champs de vent, de température et d'énergie cinétique turbulente aparraissent satisfaisants. Ces informations sont par la suite utilisées en données d'entrée du modèle de propagation acoustique. Le modèle acoustique temporel utilisé est basé sur la méthode Transmission Line Matrix (TLM). Son développement a été effectué dans le but d'être appliqué à la propagation acoustique en milieu extérieur : prise en compte du relief, de différents types de sol, des conditions atmosphériques, etc. La validation numérique de la méthode TLM, par comparaison avec d'autres modèles (analytique et numérique de type Equation Parabolique), a permis de montrer la pertinence de son utilisation dans le cadre de l'acoustique environnementale. Enfin, à l'aide de ces modèles, des niveaux sonores simulés sous différentes conditions de propagation (favorables, défavorables, homogènes) ont été comparés aux mesures in-situ réalisées lors de la campagne expérimentale de Lannemezan 2005. Les résultats se sont avérés très satisfaisants au regard de la variabilité des phénomènes observés. Cependant, l'utilisation des champs issus d'un modèle micrométéorologique de type Meso-NH reste délicate du fait de la forte sensibilité du niveau sonore aux profils verticaux de célérité du son. L'étude de faisabilité sur une expérience plus complexe (la Station de Long Terme) est encourageante et, à condition de disposer d'importants moyens de calculs, elle permet de considérer la TLM comme une nouvelle méthode de référence et ainsi, d'envisager d'élargir son domaine d'utilisation à d'autres applications.

Il existe aujourd'hui un enjeu sociétal majeur à s'intéresser à la propagation du son en milieu extérieur etnotamment, dans notre contexte, à diminuer l'incertitude sur l'estimation des niveaux sonores et améliorer ainsi laprécision des diverses analyses, du bureau d'étude à l'institut de recherche. Dans le cadre de l'acoustiqueenvironnementale, l'influence des conditions météorologiques sur la propagation acoustique en milieu extérieurpeut être importante. Il est donc nécessaire d'appréhender et de quantifier les phénomènes météorologiques demicro-échelles que l'on observe dans la couche limite atmosphérique.Dans ce but, le modèle météorologique de recherche de Météo-France (Meso-NH) a été utilisé. Après avoircomparé les résultats de ce modèle à très fine résolution (de l'ordre du mètre) à l'aide des bases de données de deuxcampagnes expérimentales (Lannemezan 2005 et la Station de Long Terme), il s'est avéré nécessaire de développercet outil en intégrant la prise en compte de la force de traînée des arbres. Dès lors, les résultats issus de Meso-NH surles champs de vent, de température et d'énergie cinétique turbulente aparraissent satisfaisants. Ces informationssont par la suite utilisées en données d'entrée du modèle de propagation acoustique.Le modèle acoustique temporel utilisé est basé sur la méthode Transmission Line Matrix (TLM). Sondéveloppement a été effectué dans le but d'être appliqué à la propagation acoustique en milieu extérieur : prise encompte du relief, de différents types de sol, des conditions atmosphériques, etc. La validation numérique de laméthode TLM, par comparaison avec d'autres modèles (analytique et numérique de type Equation Parabolique), apermis de montrer la pertinence de son utilisation dans le cadre de l'acoustique environnementale.Enfin, à l'aide de ces modèles, des niveaux sonores simulés sous différentes conditions de propagation(favorables, défavorables, homogènes) ont été comparés aux mesures in-situ réalisées lors de la campagneexpérimentale de Lannemezan 2005. Les résultats se sont avérés très satisfaisants au regard de la variabilité desphénomènes observés. Cependant, l'utilisation des champs issus d'un modèle micro-météorologique de type Meso-NH reste délicate du fait de la forte sensibilité du niveau sonore aux profils verticaux de célérité du son. L'étude defaisabilité sur une expérience plus complexe (la Station de Long Terme) est encourageante et, à condition de disposerd'importants moyens de calculs, elle permet de considérer la TLM comme une nouvelle méthode de référence etainsi, d'envisager d'élargir son domaine d'utilisation à d'autres applications.

Dans le contexte des Sciences de l’Information et de la Technologie, un des challenges est de créer des systèmes de plus en plus petits embarquant de plus en plus d’intelligence au niveau matériel et logiciel avec des architectures communicantes de plus en plus complexes. Ceci nécessite des méthodologies robustes de conception afin de réduire le cycle de développement et la phase de prototypage. Ainsi, la conception et l’optimisation de la couche physique de communication est primordiale. La complexité de ces systèmes rend difficile leur optimisation notamment à cause de l’explosion du nombre des paramètres inconnus. Les méthodes et outils développés ces dernières années seront à terme inadéquats pour traiter les problèmes qui nous attendent. Par exemple, la propagation des ondes dans une cabine d’avion à partir des capteurs ou même d’une antenne, vers le poste de pilotage est grandement affectée par la présence de la structure métallique des sièges à l’intérieur de la cabine, voir les passagers. Il faut, donc, absolument prendre en compte cette perturbation pour prédire correctement le bilan de puissance entre l’antenne et un possible récepteur. Ces travaux de recherche portent sur les aspects théoriques et de mise en oeuvre pratique afin de proposer des outils informatiques pour le calcul rigoureux de la réflexion des champs électromagnétiques à l’intérieur de très grandes structures . Ce calcul implique la solution numérique de très grands systèmes inaccessibles par des ressources traditionnelles. La solution sera basée sur une grille de calcul et un supercalculateur. La modélisation électromagnétique des structures surdimensionnées par plusieurs méthodes numériques utilisant des nouvelles ressources informatiques, hardware et software, pour dérouler des calculs performants, représente le but de ce travail. La modélisation numérique est basée sur une approche hybride qui combine la méthode Transmission-Line Matrix (TLM) et l’approche modale. La TLM est appliquée aux volumes homogènes, tandis que l’approche modale est utilisée pour décrire les structures planaires complexes. Afin d’accélérer la simulation, une implémentation parallèle de l’algorithme TLM dans le contexte du paradigme de calcul distribué est proposé. Le sous-domaine de la structure qui est discrétisé avec la TLM est divisé en plusieurs parties appelées tâches, chacune étant calculée en parallèle par des processeurs différents. Pour accomplir le travail, les tâches communiquent entre elles au cours de la simulation par une librairie d’échange de messages. Une extension de l’approche modale avec plusieurs modes différents a été développée par l’augmentation de la complexité des structures planaires. Les résultats démontrent les avantages de la grille de calcul combinée avec l’approche hybride pour résoudre des grandes structures électriques, en faisant correspondre la taille du problème avec le nombre de ressources de calcul utilisées. L’étude met en évidence le rôle du schéma de parallélisation, cluster versus grille, par rapport à la taille du problème et à sa répartition. En outre, un modèle de prédiction a été développé pour déterminer les performances du calcul sur la grille, basé sur une approche hybride qui combine une prédiction issue d’un historique d’expériences avec une prédiction dérivée du profil de l’application. Les valeurs prédites sont en bon accord avec les valeurs mesurées. L’analyse des performances de simulation a permis d’extraire des règles pratiques pour l’estimation des ressources nécessaires pour un problème donné. En utilisant tous ces outils, la propagation du champ électromagnétique à l’intérieur d’une structure surdimensionnée complexe, telle qu’une cabine d’avion, a été effectuée sur la grille et également sur le supercalculateur. Les avantages et les inconvénients des deux environnements sont discutés. / In the context of Information Communications Technology (ICT), the major challenge is to create systems increasingly small, boarding more and more intelligence, hardware and software, including complex communicating architectures. This requires robust design methodologies to reduce the development cycle and prototyping phase. Thus, the design and optimization of physical layer communication is paramount. The complexity of these systems makes them difficult to optimize, because of the explosion in the number of unknown parameters. The methods and tools developed in past years will be eventually inadequate to address problems that lie ahead. Communicating objects will be very often integrated into cluttered environments with all kinds of metal structures and dielectric larger or smaller sizes compared to the wavelength. The designer must anticipate the presence of such barriers in the propagation channel to establish properly link budgets and an optimal design of the communicating object. For example, the wave propagation in an airplane cabin from sensors or even an antenna, towards the cockpit is greatly affected by the presence of the metal structure of the seats inside the cabin or even the passengers. So, we must absolutely take into account this perturbation to predict correctly the power balance between the antenna and a possible receiver. More generally, this topic will address the theoretical and computational electromagnetics in order to propose an implementation of informatics tools for the rigorous calculation of electromagnetic scattering inside very large structures or radiation antenna placed near oversized objects. This calculation involves the numerical solution of very large systems inaccessible by traditional resources. The solution will be based on grid computing and supercomputers. Electromagnetic modeling of oversized structures by means of different numerical methods, using new resources (hardware and software) to realize yet more performant calculations, is the aim of this work. The numerical modeling is based on a hybrid approach which combines Transmission-Line Matrix (TLM) and the mode matching methods. The former is applied to homogeneous volumes while the latter is used to describe complex planar structures. In order to accelerate the simulation, a parallel implementation of the TLM algorithm in the context of distributed computing paradigm is proposed. The subdomain of the structure which is discretized upon TLM is divided into several parts called tasks, each one being computed in parallel by different processors. To achieve this, the tasks communicate between them during the simulation by a message passing library. An extension of the modal approach to various modes has been developped by increasing the complexity of the planar structures. The results prove the benefits of the combined grid computing and hybrid approach to solve electrically large structures, by matching the size of the problem with the number of computing resources used. The study highlights the role of parallelization scheme, cluster versus grid, with respect to the size of the problem and its repartition. Moreover, a prediction model for the computing performances on grid, based on a hybrid approach that combines a historic-based prediction and an application profile-based prediction, has been developped. The predicted values are in good agreement with the measured values. The analysis of the simulation performances has allowed to extract practical rules for the estimation of the required resources for a given problem. Using all these tools, the propagation of the electromagnetic field inside a complex oversized structure such an airplane cabin, has been performed on grid and also on a supercomputer. The advantages and disadvantages of the two environments are discussed.

Les performances des outils numériques de simulation électromagnétique de structures complexes, i.e., échelles multiples, sont souvent limitées par les ressources informatiques disponibles. De nombreux méso-centres, fermes et grilles de calcul, se créent actuellement sur les campus universitaires. Utilisant ces ressources informatiques mutualisées, ce travail de thèse s'attache à évaluer les potentialités du concept de grille de calcul (Grid Computing) pour la simulation électromagnétique de structures multi-échelles. Les outils numériques de simulation électromagnétique n'étant pas conçus pour être utilisés dans un environnement distribué, la première étape consistait donc à les modifier afin de les déployer sur une grille de calcul. Une analyse approfondie a ensuite été menée pour évaluer les performances des outils de simulation ainsi déployés sur l'infrastructure informatique. Des nouvelles approches pour le calcul électromagnétique distribué avec ces outils sont présentées et validées. En particulier, ces approches permettent la réalisation de simulation électromagnétique de structures à échelles multiples en un temps record et avec une souplesse d'utilisation. / The numerical electromagnetic tools for complex structures simulation, i.e. multi-scale, are often limited by available computation resources. Nowadays, Grid computing has emerged as an important new field, based on shared distributed computing resources of Universities and laboratories. Using these shared resources, this study is focusing on grid computing potential for electromagnetic simulation of multi-scale structure. Since the numerical simulations tools codes are not initially written for distributed environment, the first step consists to adapt and deploy them in Grid computing environment. A performance study is then realized in order to evaluate the efficiency of execution on the test-bed infrastructure. New approaches for distributing the electromagnetic computations on the grid are presented and validated. These approaches allow a very remarkable simulation time reduction for multi-scale structures and friendly-user interfaces

The purpose of this thesis is to present solutions to overcome several key difficulties that limit the application of numerical modelling in communication cable design and analysis. In particular, specific limiting factors are that simulations are time consuming, and the process of comparison requires skill and is poorly defined and understood. When much of the process of design consists of optimisation of performance within a well defined domain, the use of artificial intelligence techniques may reduce or remove the need for human interaction in the design process. The automation of human processes allows round-the-clock operation at a faster throughput. Achieving a speedup would permit greater exploration of the possible designs, improving understanding of the domain. This thesis presents work that relates to three facets of the efficiency of numerical modelling: minimizing simulation execution time, controlling optimization processes and quantifying comparisons of results. These topics are of interest because simulation times for most problems of interest run into tens of hours. The design process for most systems being modelled may be considered an optimisation process in so far as the design is improved based upon a comparison of the test results with a specification. Development of software to automate this process permits the improvements to continue outside working hours, and produces decisions unaffected by the psychological state of a human operator. Improved performance of simulation tools would facilitate exploration of more variations on a design, which would improve understanding of the problem domain, promoting a virtuous circle of design. The minimization of execution time was achieved through the development of a Parallel TLM Solver which did not use specialized hardware or a dedicated network. Its design was novel because it was intended to operate on a network of heterogeneous machines in a manner which was fault tolerant, and included a means to reduce vulnerability of simulated data without encryption. Optimisation processes were controlled by genetic algorithms and particle swarm optimisation which were novel applications in communication cable design. The work extended the range of cable parameters, reducing conductor diameters for twisted pair cables, and reducing optical coverage of screens for a given shielding effectiveness. Work on the comparison of results introduced ―Colour maps‖ as a way of displaying three scalar variables over a two-dimensional surface, and comparisons were quantified by extending 1D Feature Selective Validation (FSV) to two dimensions, using an ellipse shaped filter, in such a way that it could be extended to higher dimensions. In so doing, some problems with FSV were detected, and suggestions for overcoming these presented: such as the special case of zero valued DC signals. A re-description of Feature Selective Validation, using Jacobians and tensors is proposed, in order to facilitate its implementation in higher dimensional spaces.