Couverture ElectroniqueS n°127

Dans de nombreuses analyses concrètes de scénarios électromagnétiques impliquant des antennes complexes, une représentation complète de l'antenne physique est irréalisable, ou indisponible dans le format requis, pour une utilisation avec les logiciels de simulation. L'approche développée par le français Microwave Vision Group repose sur la technique de décomposition de domaines et sur la mesure du diagramme de rayonnement de l'antenne physique. LARS JACOB FOGED (MICROWAVE VISION GROUP) ET LUCIA SCIALACQUA (MICROWAVE VISION ITALIE) Lars Jacob Foged est directeur scientifique de Microwave Vision Group (MVG) et directeur associé de Microwave Vision Italie. Lucia Scialacqua est ingénieure scientifique Logiciels chez Microwave Vision Italie. A vant de placer un appareil rayon-nant sur une structure imposante, par exemple une antenne sur un satellite, un radar sur un avion ou un capteur sur une voiture, l'étude et l'optimisation des différentes possibilités sont nécessaires. Si des mesures complètes sont encore requises pour la validation finale des performances de l'antenne embarquée en raison de la justesse et de la haute fiabilité des données mesurées, la modélisation numérique est de plus en plus utilisée lors des phases initiales d'étude et d'optimisation du placement de l'antenne. Pour répondre à la complexité croissante des scénarios de test, les outils de simulation électromagnétique intègrent la technique de décomposition de domaines ( Domain Decomposition Technique ou DDT). Il peut arriver, dans certains cas, que les caractéristiques mécaniques et électroniques nécessaires à la représentation complète d'une antenne fournie par un tiers ne soient pas disponibles lors de sa mise en œuvre, en particulier dans le format requis par l'outil de simulation électromagnétique. Pour surmonter ce problème, l'antenne rayonnante peut être caractérisée par une véritable mesure des rayonnements. Une représentation en courants équivalents ( Equivalent Current ou EQC) de l'antenne source mesurée en champ proche peut être déterminée à partir du diagramme de rayonnement mesuré et être importée dans l'outil à des fins de simulations. Le modèle EQC ainsi obtenu est une représentation électromagnétique complète du diagramme de rayonnement de l'antenne, qui peut être utilisée comme une boîte noire équivalente avec une formulation de Huygens dans les simulations grâce à la technique DDT. Insight est un logiciel conçu par le français Microwave Vision Group (MVG) et qui crée des modèles électromagnétiques représentatifs et précis d'antennes mesurées, des modèles basés sur une représentation du champ mesuré à l'aide de courants équivalents. Définition du «chaînon manquant» Un modèle représentatif EQC peut être importé depuis Insight dans de nombreux logiciels de simulation électromagnétique du commerce pour effectuer des simulations et des tests de scénarios complexes complets. Ce logiciel fournit ainsi le «chaînon manquant », en associant la simulation numérique à la mesure des antennes pour étudier et optimiser les performances des antennes intégrées. Ce que l'on appelle «chaînon manquant» est l'interface entre l'équipement de mesure de l'antenne, la modélisation numérique de la simulation électromagnétique et un modèle EQC d'une mesure champ proche de l'antenne source pour le solutionneur de simulation électromagnétique. Pour illustrer la procédure, prenons l'exemple d'un système de réflecteur alimenté par un cornet. Ce système peut être divisé en deux parties ( voir figure 1 ) : le cornet, à savoir l'antenne source, et le réflecteur. Le diagramme de rayonnement (en champ proche et/ou en champ lointain) du cornet isolé doit tout d'abord être mesuré. Les données mesurées sont ensuite post-traitées pour obtenir une boîte noire équivalente avec une formulation de Huygens. La boîte noire équivalente peut alors être placée comme source du réflecteur dans différents logiciels de simulation électromagnétique. REPRÉSENTATION «BOÎTES NOIRES» DES APPAREILS RAYONNANTS > Alors que le développement de la représentation électrique sous forme de boîtes noires des composants hyperfréquences a révolutionné la conception des circuits intégrés, le développement d'une représentation sous forme de boîtes noires équivalentes des appareils rayonnant dans un environnement 3D, par exemple des antennes, a connu beaucoup moins de succès. > La représentation sous forme d'une boîte noire d'un appareil hyperfréquence est basée sur la définition de ports physiques sur l'appareil et sur la relation entre les ondes entrantes et sortantes définies par des paramètres S. Les détails de l'appareil sont le plus souvent inconnus de l'utilisateur, car la représentation des paramètres S, qui caractérisent entièrement l'appareil, peut être obtenue uniquement par des mesures ou des simulations, ou fournie par le revendeur. > Comme pour les paramètres S des composants hyperfréquences, un appareil rayonnant dans un environnement 3D peut être pleinement caractérisé par un ensemble de sources en champ proche. Dans ce cas, il est défini en tant que boîte noire équivalente avec une formulation de Huygens qui représente le diagramme de rayonnement de l'appareil. < Avant de placer un appareil rayonnant sur une structure imposante, l'étude et l'optimisation des différentes possibilités sont nécessaires. Si des mesures complètes sont encore requises pour la validation finale des performances de l'antenne embarquée, la modélisation numérique est de plus en plus utilisée lors des phases initiales d'étude et d'optimisation du placement de l'antenne. La représentation en courants équivalents de l'antenne source permet également d'obtenir des résultats précis lorsque les antennes sont situées à proximité de structures complexes ou montées directement sur ces dernières. La procédure est générale et peut être utilisée avec n'importe quelle antenne dans des environnements de formes et de complexités diverses. Différents types de mesures, en champ proche ou en champ lointain, du diagramme de rayonnement d'une antenne sur une surface de balayage sphérique, cylindrique ou plane peuvent être utilisés pour créer la représentation EQC à utiliser dans une simulation électromagnétique. Dans la plupart des cas, les mesures de l'antenne isolée ne requièrent pas néces-sairement beaucoup de matériel de mesure, et des bases de mesures en champ proche compactes peuvent être utilisées pour effectuer des mesures précises et efficaces de l'antenne source. Dans ce type de situation, les systèmes de mesure compacts et portables sont en fait pertinents, car, comme d'autres instruments du laboratoire d'électromagnétisme, ils peuvent être facilement utilisés à proximité et en association avec les plateformes sur lesquelles les simulations sont réalisées. De plus, s'il s'agit d'un sys-tème multisonde, le temps de mesure peut être réduit proportionnellement. Les mesures présentées dans cet article et uti-lisées pour la validation du «chaînon manquant» ont été réalisées par le système de mesure compact et portable StarLab de MVG. Figure 1.-Système de réflecteur alimenté par un cornet Dans cet exemple, il s'agit d'un système de réflecteur alimenté par un cornet. Ce système peut être divisé en deux parties: le réflecteur MVG SR40-A alimenté par le cornet MVG SH4000, à savoir l'antenne source. Modélisation de la source en champ proche Une représentation en courants équivalents de l'antenne isolée doit être proposée comme modèle de champ proche mesuré, pour représenter l'antenne source dans un logiciel de simulation électromagnétique. Les représentations en courants équiva-lents peuvent être calculées à partir de données mesurées par Insight, selon la méthode de la source inverse ou courant équivalent/source (EQC). L'avantage de cette méthode réside dans sa capacité à reconstituer les courants équivalents sur une surface en trois dimensions (3D), arbitraire ou générique, entourant l'antenne sous test ( Antenna Under Test ou AUT). C'est pourquoi la méthode de la source inverse peut s'appliquer à toutes les antennes, sans limitations de type ou de forme. Un exemple de reconstitution de courants équivalents pour un cornet est présenté à la figure 3. Les courants équivalents pouvant produire une représentation fidèle à la surface de l'antenne, l'antenne source peut être montée librement, dans n'importe quelle position et sur n'importe quelle structure de grande dimension (scénario final). Cette méthode est d'ailleurs recommandée contrairement à l'expansion en ondes sphériques. Avec cette méthode-ci, seul le champ rayonné en dehors de la sphère minimale entourant l'antenne source peut être calculé. Cette sphère de rayon minimal, qui entoure entièrement l'antenne source, ne doit pas être coupée par la structure. L'antenne source ne peut donc pas être installée trop près de la structure. En conséquence, cette approche ne peut s'appliquer qu'à un nombre limité de cas de test pratiques. Lorsqu'un calcul des courants équivalents est appliqué aux données mesurées afin d'être utilisé pour la modélisation numérique, une boîte noire équivalente avec formulation de Huygens, sur une surface entourant l'antenne, fournit une précision suffisante pour la procédure. Un exemple de représentation EQC du cornet comme boîte noire équivalente est présenté à la figure 4. Figure 2.-Diagramme de rayonnement en champ lointain simulé Il s'agit d'un exemple de diagramme de rayonnement en champ lointain simulé obtenu à l'aide du «chaînon manquant » entre des mesures, le logiciel Insight et un outil de simulation électromagnétique. Des résultats éprouvés pour le «chaînon manquant» Lorsque la boîte noire équivalente de l'antenne source a été créée dans Insight, elle peut être implémentée dans de nombreux outils de simulation électromagnétique. Le solutionneur de simulation électromagnétique la considère en effet comme une représentation complète de l'antenne dans tous les scénarios requis pour la simula-tion. Avec une approche de type « boîte noire », la simulation est effectuée sans informations supplémentaires. Les avantages sont doubles: aucune modification des fichiers sources n'est nécessaire, et la représentation en courants équivalents peut être utilisée dans n'importe quel scénario à tester, y compris les plus complexes. Le modèle de représentation en courants équivalents calculé dans Insight peut être importé par un certain nombre de solutionneurs de simulation électromagnétique disponibles dans le commerce. Un exemple de diagramme de rayonnement en champ lointain simulé obtenu à l'aide du «chaînon manquant» entre des mesures, le logiciel Insight et un outil de simulation électromagnétique ( voir figure 2 ) est présenté à la figure 5. Figure 3.-Exemple de reconstitution de courants équivalents pour un cornet Un exemple de reconstitution de courants équivalents pour un cornet: les courants équivalents pouvant produire une représentation fidèle à la surface de l'antenne, l'antenne source peut être montée librement, dans n'importe quelle position et sur n'importe quelle structure de grande dimension (scénario final). Pour valider le chaînon entre les mesures d'antennes et les simulations électromagnétiques, différents scénarios ont été testés ( voir figure 6 ). L'objectif premier était de prouver la précision de la technique, puis d'en démontrer la flexibilité d'utilisation avec plusieurs logiciels de simulation électromagnétique disponibles dans le commerce. Trois types de tests ont été pris en considération pour la validation: a) un réflecteur illuminé par une antenne cornet; b) une antenne monocône et un guide d'ondes à extrémité ouverte disposés sur une structure plate; c) une antenne unipolaire montée sur une structure courbe. Les représentations sous forme de courants équivalents des antennes précédemment mesurées isolément ont été fournies à six fournisseurs de logiciels de simulation électromagnétique. Des comparaisons ont été effectuées entre les résultats des différents fournisseurs et les mesures de référence du scénario final. Les mesures de référence sont composées des diagrammes de rayonnement d'antenne des scénarios finaux complets déterminés intégralement dans le système de mesure. Figure 4.-Représentation EQC du cornet comme boîte noire équivalente Lorsqu'un calcul des courants équivalents est appliqué aux données mesurées afin d'être utilisé pour la modélisation numérique, une boîte noire équivalente avec formulation de Huygens, sur une surface entourant l'antenne, fournit une précision suffisante pour la procédure. Les mêmes informations (une boîte noire équivalente avec formulation de Huygens modélisant l'antenne source) ont été fournies aux six fournisseurs de logiciels. Pour préserver l'esprit et l'efficacité de la campagne de validation, aucun résultat numérique des simulations n'a été échangé entre les fournisseurs de logiciels pendant toute la durée de la campagne. Seul l'exemple de l'antenne monocône montée sur une structure plate est présenté dans cet article. La structure de validation est composée d'une antenne monocône (SMC2200 de MVG) montée sur une structure plate. Une plaque de base simple de 300 x 600 mm a été choisie comme scénario de validation initial, pour réduire les erreurs qui ne sont pas directement liées à la validation du «chaînon manquant » entre mesure et simulation. L'antenne monocône dispose d'un diagramme de rayonnement peu directif avec une polarisation orthogonale au plan de sol, provoquant une interaction pertinente avec la plaque. L'antenne source est montée dans un coin de la plaque, à une distance de 1,5 et 2 des bords les plus proches (à la fréquence de validation). Simulation via la source en champ proche L'évaluation de la représentation en courants équivalents de l'antenne dans le cadre d'une application où la source est montée sur une structure est beaucoup plus complexe que l'évaluation d'un modèle où la source est détachée de la structure, qui peut être elle-même une source de diffusion –dans le cas présent, la plaque. La proximité de structures diffusantes modifie en effet la distribution des courants sur l'antenne elle-même. Une condition limite de plan de sol infini est une bonne approximation des conditions limites réelles, même si elle ne peut toutefois pas être obtenue directement dans un scénario de mesure réaliste. Cette condition peut se baser sur les mesures de l'antenne source installée sur un plan de sol limité, ainsi que sur le posttraitement des mesures. Figure6.-Trois types de tests pris en compte pour la validation Pour valider le chaînon entre les mesures d'antennes et les simulations électromagnétiques, différents scénarios ont été testés. Trois types de tests ont été pris en considération pour la validation: a) un réflecteur illuminé par une antenne cornet; b) une antenne monocône et un guide d'ondes à extrémité ouverte disposés sur une structure plate; c) une antenne unipolaire montée sur une structure courbe. Le posttraitement des données mesurées supprime les contributions diffractives des bords du plan de sol limité, créant ainsi les conditions limites de plan de sol infini souhaitées. Un plan de sol circulaire avec un rayon minimum de 2 est considéré comme suffisant pour la plu-part des antennes sources de mesure. Cette procédure est présentée à la figure 7. Dans l'exemple de validation, l'antenne a été mesurée sur un plan de sol circulaire d'un dia-mètre de 7 (à la fréquence de test de 5,28GHz). Lorsque le posttraitement pour l'élimination de la diffraction des bords a été effectué, la technique de courants équivalents d'Insight crée le modèle électromagnétique 3D. Il convient de noter que, comme on fait l'hypothèse d'un plan de sol infini, l'image de l'antenne source est initialement incluse dans le calcul des courants équivalents, puis supprimée lors de la détermination de la représentation de la boîte noire équivalente de la source mesurée. Figure 5.-Diagramme de rayonnement en champ lointain simulé Il s'agit d'un exemple de diagramme de rayonnement en champ lointain simulé obtenu à l'aide du «chaînon manquant » entre des mesures, le logiciel Insight et un outil de simulation électromagnétique. Le diagramme final de l'antenne mono-cône dans son scénario de test complet (défini sur la plaque rectangulaire) est le résultat de l'antenne monocône mesurée calculé en tant que boîte noire équivalente et importé dans le logiciel de simulation électromagnétique. Les directivités maximales mesurées et simulées à 5,28GHz de la plaque rectangulaire avec l'antenne monocône ont été rapportées dans le tableau de la figure 8, où «MEAS» est la mesure de référence. Les résultats des simulations ont été calculés par les différents outils de simulation via la même boîte de Huygens. Une très bonne corrélation entre les mesures et la simulation peut être observée. Efficacité prouvée du «chaînon manquant» Les directivités relevées sur les diagrammes de rayonnement des principaux plans de coupe à la fréquence étudiée sont présentées à la figure 8. La corrélation entre la simulation et les mesures est très bonne, malgré une approximation due à la représentation de l'alimentation et aux incertitudes résultant des mesures, de la fabrication et de la simulation. La validité du « chaînon manquant » entre les mesures et les simulations a été évaluée en termes d'écart pondéré entre les champs mesurés et simulés. Le champ lointain mesuré est considéré comme étant le champ de référence. Une superposition de la différence pondérée pour chaque logiciel de simulation avec les diagrammes mesurés à 0° et 90° dans l'hémisphère avant est présentée à la figure 9. La valeur moyenne de la différence pondérée a été calculée et représente la valeur unique de la corrélation, comme indiqué dans le tableau de la figure 9. La corrélation moyenne entre les simulations et les mesures est d'environ 30 dB, ce qui est similaire à ce qui peut être obtenu avec des simulations complètes classiques d'antennes. Ce résultat positif confirme la précision et la validité de la technique du chaînon entre les mesures et les logiciels de simulation électromagnétique. La validation du « chaînon manquant » entre mesures et simulations prouve l'exactitude de la représentation en sources du champ proche mesuré et son utilisation avec les différents outils et méthodes numériques de simulation électromagnétique. Les résultats démontrent également la remar-quable efficacité de ce chaînon pour la caractérisation des antennes rayonnantes dans des scénarios divers et complexes. Les applications pratiques de cette technique offrent donc davantage de flexibilité pour le test d'équipements importants ou complexes, plus particulièrement lorsque les caractéristiques des antennes sources ne sont pas connues. Il s'agit d'un élément utile qui vient s'ajou-ter à la boîte à outils du concepteur d'antennes et qui doit servir son objectif consistant à répondre aux exigences de tests dans un monde toujours plus tourné vers l'électronique. ¦ Figure 7.-Posttraitement des données mesurées dans Insight Le posttraitement des données mesurées dans Insight supprime les contributions diffractives des bords du plan de sol limité, créant ainsi les conditions limites de plan de sol infini souhaitées. Un plan de sol circulaire avec un rayon minimum de 2 est jugé suffisant pour la plupart des antennes sources. Figure 8.-Diagrammes de rayonnement Sont représentées, ici, les directivités relevées sur les diagrammes de rayonnement des principaux plans de coupe à la fréquence étudiée, avec une antenne monocône SMC2200 sur une plaque rectangulaire et à 5,28GHz ( 0°enhaut et 90° en bas). Figure 9.-Diagrammes de rayonnement simulé et mesuré La validité du «chaînon manquant» entre les mesures et les simulations a été évaluée en termes d'écart pondéré entre les champs mesurés et simulés, le champ lointain mesuré étant considéré comme le champ de référence. On retrouve ici une superposition de la différence pondérée pour chaque logiciel de simulation avec les diagrammes mesurés à 0°et 90° dans l'hémisphère avant.

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