Electromagnetic propagation in complex medium: from near field to far field.
Propagation électromagnétique en milieu complexe: du champ proche au champ lointain
Abstract
With the expansion of wireless communications the need for electromagnetic (EM) propagation models is increasing. Antenna's environments are more and more complex and require to distinguish the near field zone and the far field zone.
Concerning the far field zone, high frequencies asymptotic methods based on ray tracing are the most widely used. The uniform theory of diffraction (UTD) has been used to develop ICARE-EM, an EM version of an acoustic software developed by CSTB.
Regarding the near field zone, numerical or experimental methods are the most efficient. The method of moment (MoM) has been applied for resolving EM propagation's problem. We have also used near field technics developed by Supélec.
To obtain a tool for global prediction, we introduce an integral formulation for EM field. This formulation enables to combine asymptotic methods and numerical or experimental methods. By using a
specific boundary condition we obtain a compact form. Dyadic Green's function associated with the outside of the coupling surface is computed by ICARE-EM. Primary source and its near environment are
characterized by near field measurements or MoM computation.
This coupling approach has been validated in the canonical case of diffraction by a metallic sphere and in the main case of two metallic plates illuminated by an electric dipole or a base station antenna. Different configurations have been characterized by
measurements in Supélec's anechoïc room.
Concerning the far field zone, high frequencies asymptotic methods based on ray tracing are the most widely used. The uniform theory of diffraction (UTD) has been used to develop ICARE-EM, an EM version of an acoustic software developed by CSTB.
Regarding the near field zone, numerical or experimental methods are the most efficient. The method of moment (MoM) has been applied for resolving EM propagation's problem. We have also used near field technics developed by Supélec.
To obtain a tool for global prediction, we introduce an integral formulation for EM field. This formulation enables to combine asymptotic methods and numerical or experimental methods. By using a
specific boundary condition we obtain a compact form. Dyadic Green's function associated with the outside of the coupling surface is computed by ICARE-EM. Primary source and its near environment are
characterized by near field measurements or MoM computation.
This coupling approach has been validated in the canonical case of diffraction by a metallic sphere and in the main case of two metallic plates illuminated by an electric dipole or a base station antenna. Different configurations have been characterized by
measurements in Supélec's anechoïc room.
Le contexte d'intensification du déploiement de tout type de réseau de communication sans fil motive la mise au point d'outils de prédiction électromagnétique de plus en plus précis.
Par ailleurs, la complexité environnementale grandissante des antennes nous amène à dissocier les zones de champ proche et lointain.
D'un côté, dans la zone de champ lointain, les méthodes asymptotiques hautes fréquences basées sur le concept de rayon sont privilégiées. Nous avons utilisé la théorie uniforme de la diffraction (TUD) pour mettre au point ICARE-EM, version électomagnétique d'un logiciel préalablement développé pour l'acoustique au CSTB.
De l'autre côté, dans la zone de champ proche, ce sont les méthodes rigoureuses ou expérimentales qui sont les plus pertinentes. Nous avons appliqué la méthode des moments (MoM) au problème de la
propagation électromagnétique. Mais nous avons également utilisé les techniques de champ proche développées à Supélec. Nous avons appliqué ces
méthodes au système de coordonnées cylindriques.
Puis, afin de disposer d'un outil global de prédiction, nous proposons une formulation intégrale du champ électromagnétique.
Cette formulation permet de faire le lien sur une surface de couplage entre les méthodes asymptotiques utilisées dans la zone de champ lointain et les méthodes rigoureuses ou expérimentales adaptées à la zone de champ proche. Une condition aux limites spécifique permet d'obtenir une forme compacte de cette représentation intégrale. La fonction de Green dyadique associée à
l'extérieur de la surface de couplage est estimée par ICARE-EM. La source et son environnement proche sont quand à eux caractérisés par une mesure en champ proche ou un calcul numérique exact par la MoM.
La validité de cette méthode de couplage a été montrée dans le cas canonique de la diffraction par une sphère métallique et dans le cas plus général de deux plaques métalliques éclairées par un dipôle
électrique ou par une antenne de station de base. Des mesures dans la chambre anéchoïque de Supélec ont permis de caractériser expérimentalement les différentes configurations.
Par ailleurs, la complexité environnementale grandissante des antennes nous amène à dissocier les zones de champ proche et lointain.
D'un côté, dans la zone de champ lointain, les méthodes asymptotiques hautes fréquences basées sur le concept de rayon sont privilégiées. Nous avons utilisé la théorie uniforme de la diffraction (TUD) pour mettre au point ICARE-EM, version électomagnétique d'un logiciel préalablement développé pour l'acoustique au CSTB.
De l'autre côté, dans la zone de champ proche, ce sont les méthodes rigoureuses ou expérimentales qui sont les plus pertinentes. Nous avons appliqué la méthode des moments (MoM) au problème de la
propagation électromagnétique. Mais nous avons également utilisé les techniques de champ proche développées à Supélec. Nous avons appliqué ces
méthodes au système de coordonnées cylindriques.
Puis, afin de disposer d'un outil global de prédiction, nous proposons une formulation intégrale du champ électromagnétique.
Cette formulation permet de faire le lien sur une surface de couplage entre les méthodes asymptotiques utilisées dans la zone de champ lointain et les méthodes rigoureuses ou expérimentales adaptées à la zone de champ proche. Une condition aux limites spécifique permet d'obtenir une forme compacte de cette représentation intégrale. La fonction de Green dyadique associée à
l'extérieur de la surface de couplage est estimée par ICARE-EM. La source et son environnement proche sont quand à eux caractérisés par une mesure en champ proche ou un calcul numérique exact par la MoM.
La validité de cette méthode de couplage a été montrée dans le cas canonique de la diffraction par une sphère métallique et dans le cas plus général de deux plaques métalliques éclairées par un dipôle
électrique ou par une antenne de station de base. Des mesures dans la chambre anéchoïque de Supélec ont permis de caractériser expérimentalement les différentes configurations.
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