Analyse multi-échelle de structures antennaires VLF/LF dans leur environnement
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Abstract EN:
The Frequency range of Very Low Frequency/Low Frequency (VLF/LF, 3-300 kHz), is devoted to long distance transmissions. It is mainly used for military communications with Sub-Surface Ballistic Nuclear. The VLF/LF antennas in operation today has been designed several decades ago on the basis of empirical studies. Thus, in order to improve the performance of such antennas and to design new radiating structures, more accurate analysis using electromagnetic simulation tools are being investigated. The, the objective of this work is to develop a software simulation tool based on the TLM (Transmission Line Matrix) method to simulate realistic VLF/LF antennas in their environment (ground plane, surrounding infrastructure, isolators…). First, the huge multi-scale problem posed by VLF/LF antennas (wire’s diameter very small compared to the wavelength) is solved by an arbitrary oriented thin wire model incorporated in the Cartesian TLM mesh. In addition, to take into account soils with frequency dependent characteristics, it was necessary to develop a TLM numerical scheme for dispersive media. Finally, in order to simulate unbounded soils, it was necessary to extend the modelling of dispersive media in the absorbing boundaries conditions limiting the computational domain. Several simulations involving “umbrella” antennas with radial ground plane buried in different soils validate the proposed technique.
Abstract FR:
La gamme de fréquences Very Low Frequency/Low Frequency (VLF/LF, 3-300kHz), est utilisée pour les liaisons longue distance. Son application principale concerne les communications militaires avec les Sous-marins Nucléaires Lanceurs d’Engins. Le réseau d’antennes VLF/LF actuellement en service date de plusieurs dizaines d’années et a été conçu sur la base d’études empiriques. Aussi, afin d’améliorer les performances de ces antennes et de pouvoir concevoir de nouvelles structures rayonnantes, des analyses plus précises au moyen d’outils de simulation électromagnétique sont envisagées. L’objectif de ce travail est donc de développer un logiciel de simulation numérique basé sur la méthode TLM (Transmission Line Matrix) afin de modéliser de manière réaliste des antennes VLF/LF en tenant compte de leur environnement (plan de masse, infrastructures environnantes, isolateurs…). Dans un premier temps, le problème multi-échelle que présente ces antennes (fils de diamètre très inférieur devant la longueur d’onde) est résolu par un modèle de fil mince arbitrairement orienté au sein du maillage cartésien TLM. Afin de pouvoir prendre en compte les caractéristiques dépendantes de la fréquence des milieux environnants (sols, végétation,…), il s’est avéré nécessaire de développer également un schéma numérique TLM pour les milieux dispersifs. Enfin, pour pouvoir simuler des sols aux dimensions infinies, il a fallu étendre la modélisation des milieux dispersifs dans les parois absorbantes limitant le volume de calcul. Des simulations d’antennes « parapluie » avec plan de masse radial enterré dans différents types de sols valident l’approche proposée.