Modélisation numérique du couplage Mécanique/Electromagnétisme pour l’étude de la sensibilité du comportement électromagnétique d’antennes patch aux déformations mécaniques

Numerical modelling of the Mechanical/Electromagnetism coupling for studying the sensitivity of the electromagnetic behaviour of patch antennas to mechanical deformations

• Auteur / Autrice : Nicolas Adnet
• Direction : Laurent Proslier
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique des solides et des structures
• Date : Soutenance en 2012
• Etablissement(s) : Paris 10
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Connaissance, langage, modélisation (Nanterre)
• Jury : Président / Présidente : Alain Priou
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Isabelle Bruant, Luc Duchesne, Frédéric Pablo, Jacques Renard
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Marc Bonnet, Odile Picon

Mots clés

Mots clés contrôlés

Éléments-frontières, Méthode des

Électromagnétisme

Antennes (électronique)

Déformations (mécanique)

Résumé

Ce travail présente une méthode numérique pour étudier l’impact des déformations mécaniques subies par une antenne patch sur son comportement électromagnétique. La formulation employée est basée sur un couplage faible bi-disciplinaire, portant sur la Mécanique et l'Électromagnétisme. Il est numériquement traité à l’aide de la méthode des éléments finis, couplée à une équation intégrale de frontière. Le calcul des champs mécaniques et électromagnétiques est réalisé à l’aide d’un élément fini 3D hexaédrique, ayant conduit au développement d’un outil numérique dédié au couplage traité et au calcul des caractéristiques d’une antenne patch suivant deux modes d’études distincts : à l’émission ou en réflexion. La formulation du couplage et l’implémentation de la méthode numérique ont été validées numériquement puis expérimentalement. Dans un premier temps, plusieurs tests numériques portant sur le comportement électromagnétique d’antennes patches planes et conformées ont été effectués. Les résultats obtenus sont en excellente adéquation avec ceux publiés dans la littérature électromagnétique, confirmant ainsi notre démarche. Ce type de validation n’a cependant pas pu être étendu au cas d’antennes subissant une déformation, aucune publication n’ayant été recensée. Des essais expérimentaux ont alors été effectués, afin de poursuivre nos validations lorsqu’une antenne est déformée. Les comparaisons entre les calculs et les mesures ont permis de conclure que l’approche numérique choisie permet de représenter très fidèlement le mécanisme « naturel », s’opérant entre les déformations de l’antenne testée et son comportement électromagnétique.

This study deals with a weak formulation of a bi-disciplinary coupling, involving Mechanical and Electromagnetic skills. This interaction is numerically modelled by coupling the Finite Element Method to a Boundary Integral Equation, used in order to take into account the infinite space in which electromagnetic waves are radiated or caught by a patch antenna. The mechanical and electromagnetic fields are computed through a 3D hexahedral finite element, having lead us to implement a numerical tool dedicated to the investigation of the coupling and the computations of some antennal properties, with respect to the emitting or backscattering cases. The formulation of the coupling and the numerical implementation were numerically and experimentally benchmarked. Numerical tests involving the electromagnetic behaviour of planar and conformal path antennas were achieved. The results computed through the coupling approach are in a good agreement with those mentioned in the electromagnetic literature. But such benchmarks have not been performed concerning deformed antennas, any reference related to the topic was found. Thus, few experimental tests were done in order to complete the validation of this work. A metamaterial-based antenna and a conventional patch antenna have been designed and measured when these are subjected to bending and twisting loads. With regard to the conventional patch antenna, the comparisons between computed and measured results allowed us to conclude that the chosen numerical approach successfully models the “natural” phenomenon that relates the electromagnetic characteristics of an antenna to its geometrical states