Design of a Fast Antenna Characterization Method Exploiting Echoes

par Mouad Djedidi

Thèse de doctorat en Génie Electrique

Sous la direction de Andrea Cozza.

Soutenue le 17-10-2016

à Paris Saclay , dans le cadre de École doctorale Electrical, optical, bio-physics and engineering (Orsay, Essonne) , en partenariat avec Université Paris-Sud (établissement opérateur d'inscription) et de Laboratoire Génie électrique et électronique de Paris (Gif sur Yvette) (laboratoire) .

Le président du jury était Jean-Yves Dauvignac.

Le jury était composé de Andrea Cozza, Jean-Yves Dauvignac, Susana Loredo Rodriguez, Ala Sharaiha, Florian Monsef, Lars Foged.

Les rapporteurs étaient Susana Loredo Rodriguez, Ala Sharaiha.

  • Titre traduit

    Développement d'un Concept de Caractérisation Rapide d'Antennes Exploitant les Echos


  • Résumé

    Les techniques de mesure de diagramme de rayonnement d’antenne actuelles partagent un paradigme commun qui stipule que l’information utile est exclusivement portée par le signal de test généré. Cela implique un effort mécanique fastidieux en faisant tourner l'antenne sous test ou en déplaçant le système de sondes afin de couvrir des angles de mesure différents jusqu'à ce qu'une caractérisation complète soit effectuée ; une limitation qui est généralement surmontée en utilisant des systèmes multisondes coûteux. En outre, toute réflexion provenant du site de mesure et des équipements de test est considérée comme parasite perturbant le signal de test et est ainsi minimisée.Dans cette thèse, un concept de mesure du diagramme de rayonnement d'antenne remettant en cause ce paradigme commun est présenté comme un moyen d'accélérer le processus de caractérisation en utilisant des systèmes économiques. Le paradigme proposé consiste en la génération d'un ensemble d'échos contrôlées, en utilisant des configurations impliquant des plaques réfléchissantes, qui contribueraient directement à la mesure en couvrant différents angles, et récupérer les informations portées par l'ensemble des signaux générés simultanément. Une diversité fréquentielle est introduite afin de générer un système d'équations équilibré où le vecteur inconnu contenant les valeurs du diagramme de rayonnement est récupéré en inversant un problème matriciel. Par conséquent, une attention considérable est accordée au conditionnement du modèle mathématique afin d'assurer la stabilité et la robustesse du systèmeTrois configurations de différents niveaux de complexité en termes d'échos contrôlés sont étudiées, en mettant l'accent sur la configuration la plus simple impliquant un seul écho contrôlé. Des modèles ont été mis au point, avec des contraintes de conception des configurations proposées en termes de dimensionnement et de bandes passante de fonctionnement, mettant en évidence la viabilité mathématique du concept. Les aspects pratiques ont également été évalués en étudiant la tolérance des modèles développés vis-à-vis des erreurs systématiques, ainsi qu’à l'impact de l’application d'un ensemble d’hypothèses simplificatrices. La faisabilité du concept ainsi que son utilité pour accélérer le processus de caractérisation par rapport aux techniques classiques ont été mises en évidence par des simulations numériques. Ce travail ouvre la porte à l'exploitation des échos, généralement considérés comme perturbateurs, dans un contexte de mesure d’antennes.


  • Résumé

    Current antenna radiation pattern measurement techniques share a common paradigm which states that useful information is exclusively carried by the generated test signal. This implies an excessive, time consuming, mechanical effort by rotating the antenna under test or displacing the probe system in order to cover different measurement angles until a complete scan is performed; a limitation that is typically overcome using costly multi-probe systems. Moreover, any reflection from the measurement site and test equipment is considered spurious as it perturbs the test signal and thus is minimized.In this thesis, an antenna radiation pattern measurement concept challenging this common paradigm is introduced as a mean of accelerating the characterization process using cost-efficient systems. The proposed paradigm consists in the generation of a set of controlled echoes, using set-ups involving highly-reflective plates, which would directly contribute to the measurement alongside the line-of-sight signal by covering different measurement angles, and retrieving the ARP information carried by the set of all generated signals concurrently. Frequency diversity is used in order to generate a balanced system of equations where the unknown ARP vector is retrieved by inverting a matrix problem. Consequently, a considerable attention is paid into the conditioning of the mathematical model in order to ensure the system stability and accuracy.Three configurations of different complexity levels in terms of controlled echoes are studied, with focus on the simplest configuration involving a single controlled echo. Models have been developed with design guidelines for the proposed configurations in terms of set-up dimensions and operating frequency bandwidth highlighting the mathematical viability of the concept. Practical issues were also assessed by studying the tolerance of developed models to systematic practical errors, as well as to the impact of an applied set of simplifying assumptions. The feasibility of the concept as well as its usefulness in accelerating the measurement process with respect to classical techniques were highlighted via numerical simulations. This thesis opens the door for exploiting echoes, generally regarded as a nuisance, in an antenna measurements context.


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