Modeling of VLF/LF antennas structures
Modélisation de structures antennaires VLF/LF
Résumé
The background of this study is the modeling of VLF/LF (Very Low frequency / Low Frequency) antenna structures. These antennas exhib the difficulty encountered by most of existing softwares when simulating large size systems (several hundreds of metres) with radiant cables have a radius not exceeding the dozen centimeters. A state of the art emphasizing the main methods used for the conception of VLF antennas and main tools of simulation confirms at first the choice of the Transmission Line Matrix (TLM) as the method of calculation. The second part presents the development of two thin-wires models to achieve the study of these antennas. The first model takes into account only the thin-wires directed according to the Cartesian axes whereas the second, more general, is spread to the case of thin-wires arbitrarily oriented in a cell. These models are validated by comparison with measurements and with results supplied by the Finite Difference in Time Domain method (FDTD). Some antennas VLF/LF among the most used are then modeled by studying the input impedance. The modeling of a T antenna allows us to validate our model. The simulation of an umbrella antenna allows to study the influence of oriented arms on the behavior of the input impedance. Finally, the influence of the ground is taken into account in the case of simple whip antenna.
Cette étude a pour trame de fond la modélisation des structures antennaires VLF/LF (Very Low frequency/Low Frequency). Ces antennes mettent en évidence la difficulté que rencontrent la plupart des logiciels lorsqu'il s'agit de simuler des systèmes de taille importante (plusieurs centaines de mètres) mais dont les câbles rayonnants ont un rayon ne dépassant pas la dizaine de centimètres. Un état de l'art mettant l'accent sur les principales méthodes employées pour la conception des antennes VLF et les principaux outils de simulation valide dans un premier temps le choix de la méthode TLM (Transmission Line Matrix) comme méthode de calcul. La seconde partie présente le développement de deux modèles de fils minces, nécessaire pour mener à bien l'étude de ces antennes. Le premier modèle ne prend en compte que les fils orientés selon les axes cartésiens tandis que le second, plus général, est étendu au cas des fils orientés de manière arbitraire dans une cellule. Ces modèles sont validés par comparaison avec des résultats de mesures et avec ceux fournis par la méthode FDTD (Finite Difference in Time Domain). Certaines antennes VLF/LF parmi les plus employées sont alors modélisées en basant notre raisonnement sur l'étude de l'impédance d'entrée. La modélisation de l'antenne en T nous permet de valider notre modèle. La simulation d'une antenne parapluie permet de juger de l'influence des bras orientés sur le comportement de l'impédance d'entrée. Enfin, l'influence du sol a pu être prise en compte dans le cas de l'étude d'une antenne fouet.