Ce manuscrit présente les travaux de recherche qui concernent l'analyse et la synthèse de structures rayonnantes multidimensionnelles en utilisant une approche qui combine méthode des moments et la transformée de Fourier spatiale. La distribution source (courant électrique) et le diagramme de rayonnement sont liées par la transformée de Fourier spatiale - la théorie de la Relation de Fourier (FR). La distribution des courants est déterminée en utilisant une méthode d'analyse en électromagnétisme (EM), à savoir la Méthode des Moments (MoM). Des travaux antérieurs utilisant la théorie FR ont été réalisés par d'autres auteurs sur des réseaux linéaires - uniformément espacés ou non uniformes. Les sources radiantes élémentaires des dipoles électriques filaires. Les travaux actuels se développent en utilisant la théorie FR à deux et trois dimensions sur des structures réelles. En utilisant la méthode MoM nous pouvons prendre en compte le rayon du fil, sur n'importe quel point d'excitation (générateur de tension ou onde incidente) et le couplage mutuel entre les éléments, créant ainsi un modèle électromagnétique réaliste pour la structure d'antenne / This manuscript presents the research work in the analysis and synthesis of multidimensional radiating structures using an approach that combines Method of Moments and Spatial Fourier Transform. The source distribution (electric current) and radiation pattern are related by the spatial Fourier Transform - Fourier Relation theory (FR). Current distribution is determined using Computational Electromagnetics (CEM), namely Method of Moments (MoM). Previous work using FR theory was done by other authors on linear arrays – uniformly or nonuniformly spaced elemental radiators laid on a straight line. Present work expands FR theory to two and three dimensions on real-world structures. By using MoM we can take into account wire radius, excitation on any point (voltage generator or incident wave) and mutual coupling between elements, thus creating a realistic electromagnetic model for the antenna structure

Modélisation du couplage mutuel présent dans un réseau d'antennes : étude théorique, applications au radar MIMO et à un contexte RFID. Le couplage mutuel est un phénomène électromagnétique susceptible de se produire dans les réseaux d'antennes. Il est dû aux interactions électromagnétiques qui se produisent entre les éléments d'un réseau d'antennes et induisent une modification des paramètres intrinsèques des antennes. Lorsque la distance inter-élément diminue, les effets du couplage mutuel augmentent. La prise en compte du couplage mutuel dans les réseaux d'antennes, lors de leur conception ou dans les algorithmes de traitement d'antennes, permet d'avoir accès aux caractéristiques de rayonnement réel de chaque élément du réseau, ce qui peut par exemple permettre d'améliorer les performances de détection/localisation de cibles à l'aide d'un radar MIMO (Multiple Input Multiple Output). Dans un contexte RFID (Radio Frequency IDentification), modéliser le couplage mutuel permet de modéliser le système formé par un ensemble de tags et de statuer sur le comportement du système dans une configuration donnée. Cette thèse porte sur la modélisation du couplage mutuel présent dans un réseau d'antennes. Nous avons d'abord proposé une nouvelle méthode de modélisation du diagramme de rayonnement de l'élément actif basée sur la résolution de problèmes d'optimisation au sens des moindres carrés pour trouver les pondérations complexes qui modélisent les interactions électromagnétiques entre les éléments du réseau. Ces pondérations complexes peuvent être utilisées comme des lois d'excitation à appliquer à une antenne isolée décrivant les positions des éléments du réseau, afin d'étudier expérimentalement le comportement d'un réseau d'antennes. Cette modélisation du couplage mutuel est ensuite appliquée dans un contexte radar MIMO où nous montrons qu'il est possible de synthétiser le diagramme de rayonnement de l'élément actif sur une plateforme expérimentale de radar MIMO composée d'une seule antenne émettrice et d'une seule antenne réceptrice qui se déplacent sur des rails en des positions prédéfinies. A la réception, la matrice des signaux reçus est obtenue en appliquant le principe de superposition. Nous avons également cherché à modéliser le couplage mutuel en proposant une formulation théorique de l'impédance mutuelle entre les éléments d'un réseau de dipôles fins aléatoirement répartis dans un plan afin d'appliquer cette modélisation du couplage mutuel à un contexte RFID, où les tags, représentés par les dipôles, sont éparpillés dans un plan et éclairés par un lecteur. Nous avons également proposé une formulation théorique de l'impédance d'entrée du dipôle environné et avons étudié les effets du couplage mutuel sur les deux paramètres intervenant dans le bilan d'une liaison RFID : l'adaptation (la bande passante) et le diagramme de rayonnement du dipôle environné. Nous avons montré qu'il était possible de synthétiser le diagramme de rayonnement du dipôle environné et de trouver la modification de l'adaptation du dipôle environné, ce qui, à terme, permettrait de statuer sur le taux et/ou la distance de lecture d'une communication RFID dans un contexte haute densité / Modeling of the Mutual Coupling Present in an Antenna Array: TheoreticalStudy, Applications to MIMO Radar and RFID ContextMutual coupling is an electromagnetic phenomenon that can occur in antenna arrays. It is due to the electromagnetic interactions that occur between the elements of an antenna array and induce a modification of the intrinsic parameters of the antennas. Taking into account mutual coupling in antenna arrays, when designing them or in antenna processing algorithms, provides access to the real radiation characteristics of each array element which can, for example, improve target detection/localization performance using a Multiple Input Multiple Output (MIMO) radar. In an RFID (Radio Frequency IDentification) context, modeling mutual coupling makes it possible to model the system formed by a set of tags and to decide on the behavior of the system in a given configuration. This thesis focuses on the modeling of the mutual coupling present in an antenna array. We first new method for the active element pattern synthesis based on solving optimization problems in the least squares sense to find the complex weights that model electromagnetic interactions between network elements. These complex weights can be used as excitation laws to be applied to an isolated antenna describing the positions of the array elements, in order to experimentally study the behavior of an array of antennas. This mutual coupling modeling is then applied in a MIMO radar context where we show that it is possible to synthesize the radiation pattern of the active element on an experimental MIMO radar platform composed of a single transmitting and a single receiving antenna that moves on rails in predefined positions. On reception, the matrix of received signals is obtained by applying the principle of superposition. We also sought to model mutual coupling by proposing a theoretical formulation of the mutual impedance between the elements of an array of fine dipoles randomly distributed in a plane in order to apply this mutual coupling modeling to an RFID context, where the tags, represented by the dipoles, are scattered in a plane and illuminated by a reader. We also proposed a theoretical formulation of the input impedance of the surrounding dipole and studied the effects of mutual coupling on the two parameters involved in the balance of an RFID link: the adaptation (bandwidth) and the radiation pattern of the surrounding dipole. We have shown that it is possible to synthesize the radiation pattern of the surrounded dipole and to find the modification of the adaptation of the surrounded dipole, which, in the long term, would allow to decide on the read rate and/or the reading distance of an RFID communication in a high density context.

La technologie des antennes réseaux occupe une place croissante dans les applications aéroportées modernes militaires et civiles car elle offre des performances radioélectriques et des capacités d'intégration aux porteurs inenvisageables avec d'autres technologies. Ces performances sont couplées à des contraintes liées au couplage entre éléments rayonnants ou en termes d'intégration sur des petits porteurs. Ces deux contraintes peuvent être palliées à l'aide de surfaces à haute impédance (SHI) pouvant traduire le comportement d'un conducteur magnétique artificiel et/ou la capacité à interdire la propagation des ondes de surface dans une bande de fréquence. Les travaux présentés dans ce manuscrit ont pour objectif de présenter l'apport des SHI sur la conception de réseaux compacts et d'antennes réseaux ultra large bande. Après une introduction aux SHI, une présentation de modèles analytiques, numériques et expérimentaux a été présentée. Une partie des travaux est consacrée à l'étude du couplage mutuel entre deux antennes imprimées espacées l'une de l'autre d'une demi-longueur d'onde. Par la suite les différentes contributions apportées par les SHI, lorsqu'elles sont employées comme réflecteur, sur une antenne réseau ultra large bande sont montrées. Une modélisation analytique de l'antenne réseau placée au-dessus de réflecteurs à haute impédance est validée par des simulations numériques. Les SHI montrent qu'il est possible de créer des bandes passantes supplémentaires instantanées et agiles en fréquences permettant d'augmenter la bande passante initiale de l'antenne réseau. De plus elles permettent de réduire considérablement l'encombrement et d'obtenir une bande agile unique.

Un radar MIMO (Multiple Input Multiple Output) est un système radar qui utilise plusieurs antennes émettrices et réceptrices, dans lequel les formes d'ondes émises peuvent être indépendantes. Par rapport aux radars utilisant des antennes en réseaux phasés, les radars MIMO offrent davantage de degrés de liberté, ce qui permet d'améliorer les performances du système en termes de détection et localisation. La technique MIMO offre également la possibilité de synthétiser un diagramme de rayonnement désiré par une définition judicieuse des formes d'ondes émises. Dans la mesure où les paramètres des cibles (positions, vitesses, directions d'arrivée (DOA), ...) sont estimés à partir des échos des signaux émis, on comprend aisément que les formes d'ondes employées jouent un rôle clé dans les performances du système. Cette thèse porte sur l'estimation de DOA et sur la conception des formes d'ondes pour un radar MIMO. Le cadre d'étude est restreint au cas où les antennes sont colocalisées et les cibles sont immobiles et supposées ponctuelles. La plupart des travaux antérieurs (au commencement de la thèse) portaient sur le radar MIMO bande étroite et faisaient l'hypothèse d'émetteurs-récepteurs idéaux et indépendants. Cette thèse contribue à élargir le cadre d'étude en s'intéressant d'une part au passage en large bande et d'autre part à la modélisation et à la prise en compte de la non-indépendance des émetteurs-récepteurs et autres imperfections. Dans la mesure où le recours à des signaux large bande est nécessaire lorsqu'une résolution importante est souhaitée, nous nous sommes attachés dans cette thèse à adapter le modèle d'un système de radar MIMO au cas large bande et à proposer de nouvelles techniques visant à améliorer les performances d'estimation de DOA dans le cas de signaux large bande. Cette thèse analyse également l'influence de conditions non idéales comme l'impact des phénomènes de couplage électromagnétique sur les diagrammes de rayonnement dans un réseau d'antennes. Cette étude est menée dans le cas bande étroite. En particulier, nous étudions l'influence du couplage direct entre les réseaux d'antennes d'émission et de réception (appelé « crosstalk ») sur les performances des techniques proposées. Nous établissons un modèle du signal permettant de prendre en compte ce phénomène et proposons une technique de réduction du « crosstalk » qui permet une estimation efficace des DOA des cibles. Nous montrons par ailleurs comment améliorer les performances d'estimation de DOA en présence de diagrammes de rayonnement incluant le couplage entre antennes. Le dernier apport principal de cette thèse est la conception et réalisation d'une plateforme expérimentale comportant une seule architecture d'émetteur-récepteur, qui permet de simuler un système MIMO utilisant des antennes colocalisées en appliquant le principe de superposition. Cette plateforme nous a permis d'évaluer les performances des techniques proposées dans des conditions plus réalistes / A Multiple-Input Multiple-Output (MIMO) radar is a system employing multiple transmitters and receivers in which the waveforms to be transmitted can be totally independent. Compared to standard phased-array radar systems, MIMO radars offer more degrees of freedom which leads to improved angular resolution and parameter identifiability, and provides more flexibility for transmit beampattern design. The main issues of interest in the context of MIMO radar are the estimation of several target parameters (which include range, Doppler, and Direction-of-Arrival (DOA), among others). Since the information on the targets is obtained from the echoes of the transmitted signals, it is straightforward that the design of the waveforms plays an important role in the system accuracy. This document addresses the investigation of DOA estimation of non-moving targets and waveform design techniques for MIMO radar with colocated antennas. Although narrowband MIMO radars have been deeply studied in the literature, the existing DOA estimation techniques have been usually proposed and analyzed from a theoretical point of view, often assuming ideal conditions. This thesis analyzes existing signal processing algorithms and proposes new ones in order to improve the DOA estimation performance in the case of narrowband and wideband signals. The proposed techniques are studied under ideal and non-ideal conditions considering punctual targets. Additionally, we study the influence of mutual coupling on the performance of the proposed techniques and we establish a more realistic signal model which takes this phenomenon into account. We then show how to improve the DOA estimation performance in the presence of distorted radiation patterns and we propose a crosstalk reduction technique, which makes possible an efficient estimation of the target DOAs. Finally, we present an experimental platform for MIMO radar with colocated antennas which has been developed in order to evaluate the performance of the proposed techniques under more realistic conditions. The proposed platform, which employs only one transmitter and one receiver architectures, relies on the superposition principle to simulate a real MIMO system

Les propriétés thermiques exceptionnelles de l’hélium superfluide, ou He-II, sont mises à profit pour la réfrigération cryogénique d'installations de forte puissance, bien que les mécanismes physiques sous-jacents restent mal compris. L’He-II peut être décrit à l’échelle macroscopique comme la superposition de deux fluides en interaction : un fluide normal se comportant comme un liquide ordinaire, et un superfluide sans viscosité. En présence d’une source de chaleur, un contre-courant s’établit naturellement entre ces deux composantes. L’évacuation de la chaleur par ce contre-courant est limitée par l’apparition d’instabilités dans des conditions mal comprises ; la grande dispersion des données expérimentales ne permettant pas de discriminer les différents modèles théoriques. Cette thèse examine à l’aide de simulations numériques le rôle des conditions aux bords et du couplage mutuel entre les deux composantes de l’He-II dans le déclenchement des instabilités de contre-courant.Une approche originale de type Boltzmann sur réseau a été développée pour modéliser à l’échelle mésoscopique l'interaction entre les deux composantes de l’He-II. Un code reproduisant les écoulements de contre-courant en conduite 2d et 3d a été développé et validé. Les résultats obtenus indiquent des effets d’entrée de conduite amplifiés pour la composante superfluide, qui engendrent des pertes de charge anormalement élevées. Le mécanisme responsable de ces effets d’entrée a été étudié et il est montré qu'il peut fausser la détection du seuil de transition dans des conduites trop courtes ; ceci peut expliquer en partie la dispersion des données expérimentales.Pour illustrer la puissance de l'approche dans une géométrie complexe, le sillage d'un obstacle dans un écoulement de contre-courant a été simulé. La présence de zones de recirculation des deux côtés de l’obstacle, déjà observée expérimentalement, est retrouvée et expliquée par un mécanisme original de parois virtuelles. / The exceptional thermal properties of superfluid helium, or He-II, are exploited to the cryogenic refrigeration of high power installations, although the underlying physical mechanisms remain poorly understood. The He-II can be described macroscopically as the superposition of two fluids in interaction: a normal fluid behaves as an ordinary liquid, and a superfluid without viscosity. In the presence of a heat source, a counterflow established between these two components. The heat dissipation by this counterflow is limited by the occurrence of instabilities in misunderstood condition; the wide dispersion of experimental data does not allow to discriminate between the different theoretical models. This thesis examines using numerical simulations the role of boundary conditions and the mutual coupling between the two components of the He-II in triggering instabilities in counterflow.An innovative lattice Boltzmann type approach was developed to model the mesoscopic scale interaction between the two components of the He-II. A code reproducing counterflow in 2D and 3D conducts has been developed and validated. The results obtained indicate amplified entrance effects for superfluid component, which generate abnormally high pressure drops. The head of these entrance effects mechanism has been studied and it is shown that it can distort the detection of the transition threshold in too short pipes; This may partly explain the dispersion of experimental data.To illustrate the power of the approach in a complex geometry, the wake of an obstacle in a counterflow was simulated. The presence of recirculation areas on both sides of the obstacle, already observed experimentally, is found and explained by a new mechanism using "virtual walls".

Cette thèse se place dans le contexte général de la modélisation de réseaux d’antennes de grande taille, avec pour objectif d’atteindre un niveau de précision suffisamment élevé pour permettre une optimisation complète des performances et en particulier une amélioration de l’efficacité énergétique. Partant du constat que l’optimisation électromagnétique de grands réseaux représente un verrou si les couplages doivent être modélisés efficacement, cette thèse propose la mise en œuvre d’une méthode permettant la modélisation fine de grands réseaux d'antennes tout en réduisant les temps de calcul et en conservant un haut degré de précision. L'objectif est de montrer qu'une approche dérivée des formalismes périodiques infinis connus de la littérature permet d'obtenir une matrice [S] complète d'un réseau depuis l'étude d'une cellule unitaire. Après avoir présenté un état de l'art sur les réseaux d'antennes et leurs méthodes d'analyse, l'approche de modélisation proposée est détaillée. Des véhicules de test numériques et expérimentaux, permettant de valider cette méthode de modélisation, sont ensuite réalisés. L'approche est enfin utilisée avec succès pour deux types d'application. / This thesis is organized in the general context of modeling a large antenna arrays with the aim of achieving a high level of precision. This modeling allows a complete optimization of the performances and an enhancement of the energy efficiency. Given that the electromagnetic optimization of large arrays still represents a challenge if the mutual coupling is not efficiently modeled. This work offers the implementation of a method allowing the precise modeling of large antenna arrays while reducing the computation time and maintaining a high degree of precision. The aim is to demonstrate that the derived approach from the infinite periodic formalisms makes it possible to obtain a full [S] matrix of an array based on the study of a unit cell. After presenting a state of the art of antenna arrays and their methods of analysis, the proposed modeling approach is explained. Numerical and Experimental demonstrators are then made for the validation. Finally, this method is successfully used for two types of applications.

En électromagnétisme les structures périodiques suscitent un grand intérêt. Ces structures agissent ainsi comme des filtres fréquentiels et permettent la fabrication de méta-matériaux, composites et artificiels. Elles présentent des propriétés électromagnétiques inédites pour les matériaux naturels telles que des bandes interdites. On a ainsi pu fabriquer de nouveaux dispositifs permettant de guider, de focaliser ou de stopper la propagation. C'est par exemple utile pour éviter le couplage entre différents éléments rayonnants notamment via la caractérisation des ondes de surface qui se propagent à l'interface entre l'air et la structure périodique. Ce travail de thèse s'inscrit dans ce contexte et propose une description de la méthode des éléments finis dédiée à la caractérisation des structures périodiques. La modélisation numérique aboutit à des problèmes de valeurs propres de grandes tailles. Elle implique la résolution de systèmes linéaires composés de matrices creuses. Une méthode est abordée pour résoudre ce type de problème, en optimisant et combinant différents algorithmes. Avant d'aborder les différents aspects de la méthode développée, nous établissons une liste exhaustive de l'ensemble des méthodes qui existent en énonçant leurs avantages et leurs inconvénients. Nous constatons notamment que la méthode des éléments finis permet de traiter un large éventail de structures périodiques en trois dimensions sans limitation sur leur forme géométrique. Nous présentons alors les différentes formulations de cette méthode. Ensuite les aspects algorithmiques de la méthode sont détaillés. Nous montrons notamment qu'une analyse des paramètres de résolution permet de préciser les interprétations physiques des résultats obtenus. Finalement nous présentons les performances de notre outil sur des cas d'applications issus de la littérature et nous abordons la caractérisation des ondes de surface. Pour cela, l'étude d'un réseau d'antennes patchs insérées dans des cavités métalliques est conduite. Notons pour conclure que les études conduites au cours de cette thèse ont abouti à la production d'un code utilisable dans un environnement de calcul initialement présent à l'ONERA.