Conception d'antennes enterrées dédiées à la surveillance des infrastructures béton et asphalte

par Nadia Kari (----)

Projet de thèse en Electronique, Optronique et Systèmes

Sous la direction de Jean-Marc Laheurte.

Thèses en préparation à Paris Est , dans le cadre de École doctorale Mathématiques, Sciences et Technologies de l'Information et de la Communication (Champs-sur-Marne, Seine-et-Marne ; 2015-....) , en partenariat avec ESYCOM - Electroniques, Systèmes de Communication et Microsystèmes (laboratoire) depuis le 01-10-2018 .


  • Résumé

    Le développement de technologies de détection et de communication telles que les réseaux de capteurs sans fil WSN permettent de surveiller nos villes et nos milieux de vie en collectant les données des capteurs à distance. Si une alimentation autonome basée sur la récupération d'énergie et un dispositif de stockage d'énergie sont configurés pour la mesure et la transmission, les capteurs peuvent être installés dans des endroits où aucune alimentation électrique n'est disponible. De plus, en raison de la petite taille des nœuds de capteurs et de leurs capacités de transmission de données à distance, ils peuvent être déployés à des emplacements difficiles d'accès ou inaccessibles. Par exemple, les WSN installés dans les infrastructures urbaines existantes (ponts, tunnels, bâtiments, routes) peuvent être utilisés pour surveiller leur santé structurelle. La détection en temps réel des distorsions et des vibrations permet d'évaluer la réponse de l'infrastructure, de prédire sa durée de vie, d'anticiper les changements futurs et de prévenir les événements catastrophiques. Le cadre général de cette thèse est le suivi de la santé structurelle des infrastructures sous risques d'eau à l'aide de WSN en mettant l'accent sur la détérioration des piles de ponts en béton et des routes asphaltées. Plus spécifiquement, la thèse consistera à concevoir les antennes des nœuds de capteurs WSN dédiés à la surveillance des infrastructures de béton et d'asphalte. Ces antennes doivent être miniaturisées et efficaces simultanément. Comme les règles générales existent pour rendre une antenne aussi efficace que possible dans l'espace libre pour un volume donné, la compréhension et l'optimisation des antennes intégrées dans des environnements à pertes (béton, bitume ou sol souterrain) sont encore limitées. Cependant, l'encapsulation de l'antenne dans un matériau sans perte est fortement recommandée [1, 2]. Un premier objectif de cette thèse sera d'étudier l'encapsulation optimale (volume, matériau, forme) de l'antenne et de sa radio en termes de taille globale et d'efficacité. Les travaux antérieurs relatifs aux antennes intégrées dans les tissus humains [1], au câble électrique [2], aux murs de béton et au sol [3] seront étendus aux scénarios visés dans la thèse. La théorie des modes caractéristiques ainsi que d'autres analyses modales élaborées (basées sur des modes cylindriques et des méthodes d'expansion singulières) seront considérées pour évaluer les performances des antennes et introduire des métriques pertinentes pour ce contexte d'intégration. Sur la base de ces mesures, l'utilisation de métamatériaux peut être envisagée pour l'atténuation. Les résultats existants [4] pour l'amélioration de l'efficacité de l'antenne miniature basée sur l'énergie stockée [5] seront étendus et appliqués à ce cas d'utilisation. Une nouvelle approche systématique basée sur des théories modales sera proposée pour l'atténuation au cours de l'intégration de l'antenne et de l'encapsulation. Le travail inclura des développements théoriques autour des thèmes "Antennas in lossy matter" et "Théorie des modes caractéristiques appliquée aux antennes encapsulées". En outre, l'utilisation de simulateurs électromagnétiques commerciaux tels que HFSS et CST est prévue pour l'optimisation des conceptions d'antenne. Des mesures in-situ de l'antenne, à savoir la détermination expérimentale des paramètres principaux de l'antenne (gain, efficacité, impédance, diagramme de rayonnement) à l'intérieur de la matière (béton ou bitume) sont également prévues (chambre réverbérante, chambre anéchoïque, chambre CEM ) du laboratoire ESYCOM. [1] D. Chrissoulidis, J-M Laheurte, "Radiation From an Encapsulated Hertz Dipole Implanted in a Human Torso Model ", IEEE Transactions on Antennas and Propagation, Volume 64, Issue 12, pp.4984-4992, December 2016. [2] J.-M. Laheurte, S. Protat, A. Louzir, "Performance Analysis of UHF RFID Tags Dedicated to Power Supply Cords", IEEE Transactions on Antennas and Propagation, Volume 63, Issue 11, pp. 5241–5245, November 2015. [3] Laheurte, J.-M., Kabalan, A., Retima, H., Piedallu, E., Michelis, F. and Lebental, B. (2016) Embedded UHF RFID Tag for Durability Monitoring in Concrete. Wireless Sensor Network, 8, 137-144. http://dx.doi.org/10.4236/wsn.2016.8701 [4] H. Rabah, D. Seetharamdoo, A. de Lustrac, M. Berbineau, "New Metrics for Artificial Magnetism from Metal-dielectric Metamaterial Based on The Theory of Characteristic Modes", IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters, 10.1109/LAWP.2015.2452269, Vol. 15, pp. 460-463, 2016. [5] H. Rabah, D. Seetharamdoo, H. Srour, M. Berbineau, "Procédé d'amélioration de l'efficacité d'une antenne électriquement petite", Brevet N° FR16 5569, 2017.

  • Titre traduit

    Design of buried antennas dedicated to the monitoring of concrete and asphalt infrastructures


  • Résumé

    The development of sensing and communication technologies such as Wireless Sensor Networks (WSNs) are making it possible to monitor our cities and living environments by collecting sensor data remotely. If a stand-alone power supply based on energy harvesting and a power storage device are set up for measurement and transmission, sensors can be installed at locations where no power supply is available. Moreover, due to the small size of the sensor nodes, and their capabilities of transmitting data remotely, they can be deployed at locations at that are difficult or impossible to access. For example, WSNs installed in existing urban infrastructures (bridges, tunnels, buildings, roads) can be used to monitor their structural health. The real-time detection of distortions and vibrations allows evaluating the infrastructure response, predicting its lifetime, foreseeing future changes and preventing catastrophic events. The general framework of this thesis is the monitoring of the structural health of infrastructures under water risks using WSNs with emphasis put on the deterioration of concrete bridge piers and asphalt roads. More specifically, the thesis will consist in designing the antennas of WSN sensor nodes dedicated to the monitoring of concrete and asphalt infrastructures. These antennas must be miniaturized and efficient simultaneously. As general rules exist to make an antenna as efficient as possible in free space for a given volume, the understanding and optimization of antennas embedded in lossy environments (such as concrete, bitumen or underground soil) are still limited. However, the encapsulation of the antenna into a lossless material is highly recommended [1, 2]. A first objective of this thesis will be to investigate the optimal encapsulation (volume, material, shape) of the antenna and its radio in terms of overall size and efficiency. Previous works related to antennas embedded in human tissues [1], electrical cable [2], concrete walls and soil [3] will be extended to the scenarios aimed in the thesis. Characteristic mode theory as well as other elaborate modal analysis (based on cylindrical modes and singular expansion methods) will be considered to evaluate antenna performances and introduce relevant metrics for this integration context. Based on these metrics, the use of metamaterials can be considered for mitigation. Existing results [4] for the efficiency enhancement of miniature antenna based on stored energy [5] will be extended and applied to this use case. A novel systematic approach based on modal theories will be proposed for mitigation during antenna integration and encapsulation. The work will include theoretical developments around the topics “Antennas in lossy matter” and “Characteristic mode theory applied to encapsulated antennas”. Also, the use of commercial electromagnetic simulators such as HFSS and CST is planned for the optimization of the antenna designs. In-situ measurements of the antenna, i.e., experimental determination of the main antenna parameters (gain, efficiency, impedance, radiation pattern) inside the matter (concrete or bitumen) is also foreseen using the facilities (reverberation chamber, anechoic chamber, CEM chamber) of the ESYCOM Lab. [1] D. Chrissoulidis, J-M Laheurte, "Radiation From an Encapsulated Hertz Dipole Implanted in a Human Torso Model ", IEEE Transactions on Antennas and Propagation, Volume 64, Issue 12, pp.4984-4992, December 2016. [2] J.-M. Laheurte, S. Protat, A. Louzir, "Performance Analysis of UHF RFID Tags Dedicated to Power Supply Cords", IEEE Transactions on Antennas and Propagation, Volume 63, Issue 11, pp. 5241–5245, November 2015. [3] Laheurte, J.-M., Kabalan, A., Retima, H., Piedallu, E., Michelis, F. and Lebental, B. (2016) Embedded UHF RFID Tag for Durability Monitoring in Concrete. Wireless Sensor Network, 8, 137-144. http://dx.doi.org/10.4236/wsn.2016.8701 [4] H. Rabah, D. Seetharamdoo, A. de Lustrac, M. Berbineau, "New Metrics for Artificial Magnetism from Metal-dielectric Metamaterial Based on The Theory of Characteristic Modes", IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters, 10.1109/LAWP.2015.2452269, Vol. 15, pp. 460-463, 2016. [5] H. Rabah, D. Seetharamdoo, H. Srour, M. Berbineau, "Procédé d'amélioration de l'efficacité d'une antenne électriquement petite", Brevet N° FR16 5569, 2017.