Menée en partenariat avec Thales Alenia Space et le Centre National d’Etudes Spatiales (CNES), cette thèse s’inscrit dans un contexte international très actif sur une nouvelle technologie de systèmes antennaires : les réseaux réflecteurs (RA). Combinant les atouts des réflecteurs classiques et ceux des réseaux, les RA pourraient remplacer, à terme, les réflecteurs formés utilisés aujourd’hui. Ils sont constitués d’une source primaire placée en regard d’un réseau de cellules contrôlant les propriétés du champ électromagnétique réfléchi. Si de nombreuses études portent déjà sur la caractérisation des cellules, une des problématiques consiste à les sélectionner judicieusement pour réaliser l’antenne finale : c’est l’étape de synthèse.Un tour d’horizon consacré aux différentes méthodes de synthèse a révélé toute la complexité d’obtenir rapidement de bonnes performances simultanément sur les polarisations directes et croisées, pour une large bande de fréquences et pour la réalisation de diagrammes formés. La cellule Phoenix est sélectionnée dans ce travail pour ses bonnes propriétés puisqu’elle fournit l’ensemble de la gamme de phase suivant un cycle continu de géométries.Parce qu’une des contraintes dans la conception de RA est de maintenir des variations de géométries continues entre deux cellules juxtaposées à la surface du RA, un outil de représentation sphérique permettant de classer l’ensemble des cellules d’étude est proposé. Il répertorie judicieusement toutes les cellules sur une surface continue, fermée et périodique.Une nouvelle étape est franchie avec la conception de modèles comportementaux à l’aide de réseaux de neurones (ANN). Ces modèles permettent une caractérisation électromagnétique très rapide des cellules en termes de phase et d’amplitude des coefficients directs et croisées de la matrice de réflexion.L’originalité de l’algorithme de synthèse proposé dans ce travail se base sur l’utilisation combinée de la représentation sphérique et de la caractérisation rapide par ANN. Un outil d’optimisation de type min / max est utilisé pour améliorer les performances globales du panneau RA. Il est ensuite appliqué à un cas concret dans le cadre d’une mission de télécommunication. / In collaboration with Thales Alenia Space and the French Space Agency (CNES), this PHD takes part in a very active international context on a new antenna: the reflectarrays (RA).Combining the advantages of conventional reflectors and those of networks, RA could eventually replace the currently used shaped reflectors. They consist of a primary source placed in front of a network of cells controlling the properties of the reflected electromagnetic field. Although many studies already focus on the characterization of cells, one of the issues is to carefully select them to achieve the final antenna: this is the synthesis step.An overview of different synthesis methods revealed the complexity to quickly obtain good performance simultaneously on the co- and cross-polarizations, for a wide frequency band and for the realization of shaped radiation pattern. The Phoenix cell is selected in this work for its good properties since it provides the entire phase range following a continuous cycle of geometries.Because one of the constraints in the design of RA is to maintain continuous geometry variations between two juxtaposed cells on the layout, a spherical representation tool made it possible to classify all the studied cells. It judiciously lists all the cells on a continuous, closed and periodic surface.A new step is reached with the design of behavioral models using Artificial Neural Networks (ANN). These models enable to a fast electromagnetic characterization of cells in terms of phase and amplitude of the direct and cross coefficients of the reflection matrix.The originality of the synthesis algorithm proposed in this work is the combined use of the spherical representation and a rapid cell characterization by ANN. A min / max optimization tool is used to improve the overall performance of the RA panel. It is then applied to a concrete case as part of a telecommunication mission.

Ces dernières années, le LEAT a travaillé sur des systèmes radars d'aide à la conduite (automobile) ou pour la détection de câbles haute tension (sécurité en vol pour hélicoptères) en bande millimétrique. Classiquement, les antennes utilisées sont des réflecteurs paraboliques offrant de très bonne performances mais coûteux. Une alternative en circuit imprimée faible coût a été développée ces dernières années: les reflectarrays. Nous nous sommes attachés à développer un programme de modélisation permettant d'obtenir rapidement une bonne approximation du diagramme de rayonnement des antennes réflecteurs. Cet outil permet de simuler et de prévoir le comportement des réflecteurs de grande taille contrairement aux logiciels commerciaux qui nécessitent des ressources informatiques importantes. Les antennes à grand gain sont souvent destinées à effectuer du balayage. Dans ce cas, il est important de minimiser les premiers lobes secondaires. La solution que nous avons proposée consiste à développer une source primaire possédant un diagramme qui permette de concentrer 99% de l'énergie dans le lobe principale du diagramme et ainsi permettre de fortement diminuer les lobes secondaires par rapport aux sources classiquement utilisées (diminution de près de 15 dB). Afin d'améliorer les performances des reflectarrays en terme de gain et de dépointage, nous avons utilisé une taille de cellules réduite offrant ainsi une meilleure correction de phase. Sur des réflecteurs de petite taille, on constate une amélioration de 3 dB sur le gain et une perte de gain de 1 dB contre 3 pour un dépointage de 60° avec des cellules classiques.

Cette thèse, effectuée au Laboratoire d'Electronique, Antennes et Télécommunications, a pour objectif la conception d'un système de détection en bande millimétrique dans le cadre de deux projets. Le projet INFRADAR en collaboration avec des partenaires industriels (ATE et Opéra Ergonomie) vise à développer un système d'aide au pilotage d'hélicoptère par la réalisation d'un système anticollision capable de détecter des obstacles comme les lignes à hautes tensions ou les pylônes électriques à longue portée. Le projet Sakura en collaboration avec un institut étranger (Electronic Navigation Research Institute, ENRI, of Tokyo) se focalise sur la détection d'objets et de débris sur piste d'aéroport. Le premier chapitre est un état de l'art des radars et antennes millimétriques. L'antenne retenue pour notre application est un réseau réflecteur(reflectarray). Le deuxième chapitre est consacré à l'étude de cellules élémentaires originales qui permettent la conversion de polarisation et la stabilité en fréquence. Le chapitre trois décrit les 3 réseaux réflecteurs développés avec pour objectif l'obtention d'une polarisation circulaire, d'un réseau réflecteur multi-lobes, d'un réseau réflecteur bas bruit. Le chapitre quatre illustre les différentes campagnes de mesures réalisées à Tokyo et Sendaï lors du Projet Sakura. Les résultats sont confrontés à un modèle théorique afin de comprendre les limites du système. Enfin nous discutons dans le chapitre cinq des mesures réalisées à Aix en Provence et Sophia Antipolis dans le cadre du Projet INFRADAR. Le projet commençant à peine, les premiers résultats présentés permettent d'entrevoir le potentiel de notre système pour l'aide au pilotage.

De nos jours, les antennes sont de plus en plus complexes en raison notamment de la nécessité de réaliser une reconfigurabilité en fréquence et/ou en diagramme. Les réseaux réflecteurs et les surfaces sélectives en fréquence sont des candidats particulièrement intéressants pour couvrir les besoins actuels. Cependant, en raison de leur grande taille et de la complexité géométrique croissante de leurs cellules élémentaires, l‘analyse électromagnétique complète de ces structures rayonnantes nécessite énormément de ressources informatiques (mémoire) et exige des temps de calcul prohibitifs, notamment lorsque des éléments de commande tels que des MEMS-RF sont intégrés au sein des cellules. Les techniques numériques classiques basées sur un maillage (spatial ou spectral) systématique ne parviennent pas à simuler de manière efficace de telles structures multi-échelles et nécessitent souvent des ressources informatiques difficiles d’accès pour le concepteur d'antennes. Une technique originale baptisée « Scale Changing Technique (SCT) » tente de résoudre ce problème en segmentant le réseau en de multiples domaines imbriqués les uns dans les autres et présentant divers niveaux d'échelle. Le multi-pôle par changement d’échelle, appelé « Scale Changing Network (SCN) », modélise le couplage électromagnétique entre deux niveaux d’échelle successifs. Ce multi-pôle peut être calculé en résolvant les équations de Maxwell à partir d’une Formulation par Equations Intégrales. La mise en cascade des multi-pôles par changement d’échelle permet alors le calcul de la matrice impédance (ou admittance) de surface du réseau complet. Cette matrice peut à son tour être utilisée pour simuler la diffusion électromagnétique d’une onde incidente par le réseau. Le calcul des différents multi-pôles par changement d’échelle peut être effectué séparément de sorte que le temps de simulation du réseau complet peut être considérablement réduit en parallélisant le calcul. Par ailleurs, la modification de la géométrie de la structure à une échelle donnée, lors de la phase de conception, nécessite seulement le calcul de deux multi-pôles par changement d’échelle et ne requiert pas une nouvelle simulation de toute la structure. Cette caractéristique fait de la SCT un outil de conception modulaire. Dans le cadre de cette thèse, la SCT a permis de tenir compte de la taille finie des réseaux et de modéliser efficacement les couplages électromagnétiques entre les cellules élémentaires. Des réseaux réflecteurs uniformes et non uniformes ont été simulés par la SCT et les performances numériques de la méthode ont été analysées. / Future antenna architectures especially for space applications are becoming more and more complex due to the need of reconfigurability. This reconfigurability is needed in terms of frequency, reliability, radiation pattern and power consumption. In this context, reflectarrays and frequency selective surfaces (FSSs) are particularly the hottest domains of RF design. The accurate analysis of electromagnetic (EM) scattering from such type of complex finite-sized reflectarray antenna structures is of great practical interest. However due to their large electrical size and complex cellular patterns specially when tuning elements such as RF-MEMS are also integrated within the array elements, conventional full-wave EM analysis of such multiscale structures either fail or require enormous amount of computational resources to resolve prohibitively large number of unknowns. Moreover the characterization of large structures would normally require a second step for optimization and fine-tuning of several design parameters, as the initial design procedure assumes several approximations. Therefore a full-wave analysis of the initial design of complete structure is necessary prior to fabrication to ensure that the performance conforms to the design requirements. A modular analysis technique which is capable of incorporating geometrical changes at individual cell-level without the need to rerun the entire simulation is extremely desirable at this stage. An indigenous technique called Scale Changing Technique (SCT) addresses this problem by partitioning the cellular reflectarray geometry in numerous nested domains and subdomains defined at different scale-levels in the array plane. Multi-modal networks, called Scale Changing Networks (SCNs), are then computed to model the electromagnetic interactions between any two successive partitions by method of moments (MoM) based integral equation approach. The cascade of these networks allows the computation of the equivalent surface impedance matrix of the complete array which in turn is utilized to compute far-field radiation patterns. Full-wave analysis of both passive and active (electronically tunable by RF-MEMS) reflectarrays has successfully been performed by the SCT while utilizing very small amount of computational resources as compared to conventional full wave methods. Moreover, to speed up the SCT modeling of the reflectarrays, equivalent electrical circuit models have been extracted and applied for individual design and optimization of the reflectarray phase shifter elements.

Les antennes réseaux réflecteurs (reflectarrays) combinent les atouts des antennes réflecteurs (efficacité de la source, faible coût de fabrication) et des antennes réseaux (profil plat, possibilité de former et dépointer le faisceau). Le diagramme de rayonnement des reflectarrays est contrôlé par la loi de phase produite par les éléments constituant le réseau. Ce concept d'antenne fait l'objet de nombreuses études visant à obtenir des antennes à la fois large bande, faibles pertes et faible coût. Le contexte de cette étude est la réalisation de reflectarrays passifs bipolarisés pour des applications de télécommunications satellite dans la bande Ku. Le comportement d'une cellule déphaseuse de type patch microruban chargé par des fentes est analysé. De nombreux paramètres définissent la géométrie de cette cellule offrant de multiples solutions pour réaliser une phase particulière. Cette diversité implique qu'une très grande quantité de layouts différents peuvent théoriquement être générés. Dans ce travail, un processus de synthèse tirant profit de la diversité des cellules déphaseuses est proposé. Il est basé sur l'utilisation de stratégies de sélection de cellule. L'intérêt est d'aboutir au choix d'un seul layout qui respecte les spécifications en termes de couverture, pertes et bande. Dans cette thèse, quatre stratégies de sélection de cellule sont présentées et comparées par la mesure de quatre reflectarrays de 22 lambda x 22 lambda à 14,25 GHz. Ces quatre reflectarrays ont permis de valider le processus de synthèse développé, et les règles de conception obtenues sont ensuite appliquées à un reflectarray de taille réaliste. Ses performances simulées semblent très prometteuses.