Développement d’un modèle champ électrique-magnétique 2D

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La modélisation CEM

La CEM doit être vue sous deux approches :
• Normative ou légale. Dans ce cas, le dispositif électronique est considéré vis-à-vis de son environnement. Différentes normes ou directives ont été définies au niveau mondial, européen et français. Lorsqu’un produit est fabriqué, il doit passer différents tests pour évaluer sa conformité avant la mise sur le marché. S’il respecte les normes, il pourra avoir le marquage CE (Conformité Européenne).
• Fonctionnelle. D’un point de vue pratique, les appareils doivent fonctionner convenablement, c’est-à-dire, ils doivent accomplir les fonctions pour lesquelles ils ont été développés. Cela concerne la compatibilité interne de l’équipement et par là-même nous pouvons parler d’auto-compatibilité.
Dans ce contexte, les industriels concernés par les problématiques de CEM, c’est-à-dire, les constructeurs de composants électroniques, les fournisseurs de cartes électroniques et les utilisateurs d’électronique embarquée (principalement des secteurs automobile et aéronautique) ont intérêt à prévoir les interférences électromagnétiques avant même la fabrication des dispositifs pour des raisons économiques et de qualité.
La CEM est alors prise en compte au plus tôt de la phase de conception et elle est importante à tous les niveaux : composant, carte qui intègre les composants, sous-ensembles qui comportent plusieurs cartes, équipements qui regroupent les sous-ensembles (figure 6). La conformité à chaque échelon favorise le bon fonctionnement lors des phases d’intégration et la démarche CEM tend à décliner les exigences CEM au plus bas niveau, c’est-à-dire, jusqu’au composant.
Pour la prédiction des éventuelles perturbations électromagnétiques, les industriels utilisent de plus en plus les simulations électromagnétiques dès les premières étapes de la conception du système ([3]-[5]). Pour prévoir la CEM au niveau d’un système complet, les entreprises effectuent des simulations qui requièrent des modèles de composants. Ces modèles vont servir à la simulation des cartes électroniques et les modèles des cartes vont servir à leur tour à modéliser les équipements puis les systèmes complets.
Cette thématique intéresse les industriels mais aussi les divers laboratoires, et notamment notre institut IRSEEM (Institut de Recherche en Systèmes Electroniques Embarqués) qui développe ces thématiques depuis plusieurs années et a proposé différents modèles : sur les émissions rayonnées [6], sur l’immunité rayonnée [7] et sur l’immunité conduite [8].
L’objectif de ma thèse, comme nous le verrons plus précisément au paragraphe 1.5.2, est d’étudier les aspects de CEM au niveau des circuits électroniques (composants et cartes) du point de vue de l’émission et de développer des modèles de rayonnement qui puissent recréer le même champ électromagnétique que le système caractérisé. Cela doit permettre d’évaluer le rayonnement global d’une carte et d’estimer les couplages avec d’autres cartes ou composants.
Nous faisons, par la suite, un état de l’art sur les différents modèles d’émission rayonnée.

Modèles basés sur des sources équivalentes

Ces modèles représentent le dispositif à caractériser comme un ensemble de sources élémentaires équivalentes qui rayonnent le même champ électromagnétique (figure 8).
Le réseau de sources équivalentes est caractérisé par les éléments suivants : le nombre de sources, leur type (dipôle électrique ou magnétique, densité de courant électrique ou magnétique), leur position, leur orientation dans l’espace et leur courant. Ces paramètres sont soit fixés au préalable par l’utilisateur soit déterminés à l’aide de l’architecture du circuit ou à l’aide des cartes de champ magnétique et/ou électrique. La fréquence est également un paramètre à prendre en compte et souvent, un modèle construit ne correspond qu’à une activité spécifique du composant. La diversité des modèles basés sur des sources équivalentes est fonction des différents moyens d’obtention des variables. Ainsi, nous trouvons des méthodes de résolution basées sur des calculs mathématiques comprenant des inversions de matrices, des algorithmes d’optimisation (différentes techniques telles que les algorithmes génétiques ou la méthode de Levenberg Marquardt sont utilisées), des analyses de la topologie des circuits …
Pour le calcul et/ou validation du modèle, des cartographies du champ électromagnétique proche sont utilisées. Elles sont obtenues à l’aide de simulations ou de mesures en coordonnées cartésiennes ou sphériques.

Modèles développés à l’IRSEEM

Un modèle du champ magnétique a été développé dans notre laboratoire et est présenté dans [9]. Le réseau de sources équivalentes est composé uniquement de dipôles électriques distribués sur un plan XY. Le nombre et la position des sources est fixé au préalable ; restent comme inconnues du modèle les orientations et les courants qui parcourent les sources. Pour leur détermination, les cartographies des composantes tangentielles du champ magnétique (Hx et Hy) en champ proche sont nécessaires.
L’analyse mathématique de cette approche repose sur les équations du rayonnement magnétique d’un dipôle électrique placé sur un plan XY ([10]). Elles peuvent être écrites comme suit : H x H y
= I0 × ax × sin q
= I0 × a y × cos q (4)
= I0 ×az1 × sin q + az 2 × cos q
avec I0 le courant traversant le dipôle, l’orientation du dipôle dans le plan XY et  un paramètre dépendant de la fréquence et de la distance au dipôle.
Le champ total rayonné est dû à la contribution de tous les dipôles, le problème peut alors être exprimé sous forme matricielle : H x  I 0 sin q (5)

Table des matières

Introduction générale
Chapitre 1 : La modélisation CEM des composants électroniques
1.1. Introduction
1.2. La Compatibilité Electromagnétique (CEM)
1.2.1. Définition de la CEM
1.2.2. La modélisation CEM
1.3. Modèles de rayonnement existants
1.3.1. Modèles basés sur des sources équivalentes
1.3.1.1. Modèles développés à l’IRSEEM
1.3.1.2. Modèles développés dans d’autres laboratoires
1.3.2. Modèles mathématiques
1.4. Bilan des modèles
1.5. Contexte des travaux
1.5.1. Modules du projet
1.5.2. Work-Package 2 et objectifs de la thèse
1.6. Insertion des cartes des champs sous Microstripes
1.7. Conclusions
Chapitre 2 : Développement d’un modèle champ électrique-magnétique 2D
2.1. Introduction
2.2. Méthodologie de modélisation
2.3. Mesure en champ proche
2.3.1. Banc de mesure champ proche
2.3.2. Sondes de mesure
2.3.3. Chaînes de mesure et son calibrage
2.3.3.1. Composantes tangentielles du champ électrique
2.3.3.2. Composante normale du champ électrique
2.3.3.3. Champ magnétique
2.3.4. Validation du calibrage
2.3.5. Mesure de la phase pour les circuits actifs
2.4. Application du modèle sur des circuits passifs
2.4.1. Ligne microruban
2.4.2. Diviseur de puissance de Wilkinson
2.5. Application du modèle sur des circuits actifs
2.6. Insertion du modèle sous HFSS
2.6.1. Utilisation du modèle
2.6.1.1. Insertion d’un dipôle magnétique sous HFSS
2.6.1.2. Etude sur la validité de la représentation d’un dipôle magnétique comme une boucle électrique équivalente discrétisée
2.6.1.3. Algorithme d’insertion sous HFSS
2.6.2. Réduction du nombre des sources
2.6.3. Application de l’insertion du modèle sous HFSS
2.6.3.1. Circuit passif : diviseur de puissance de Wilkinson
2.6.3.2. Circuit actif : oscillateur
2.7. Discussion sur le modèle
2.7.1. Etude sur la normalisation des matrices à inverser
2.7.2. Etude de la robustesse du modèle face aux perturbations de mesure
2.8. Conclusions
Chapitre 3 : Applications CEM du modèle d’émission rayonnée et extension à un modèle 3D
3.1. Introduction
3.2. Prédiction du couplage induit sur une ligne de transmission
3.2.1. Etat de l’art
3.2.2. Etude du couplage à partir du modèle de rayonnement
3.2.2.1. Association du modèle de Taylor au modèle de rayonnement
3.2.2.2. Calcul du couplage par simulation numérique
3.2.2.3. Résumé des deux méthodes d’obtention du couplage
3.2.3. Couplage entre un diviseur de puissance de Wilkinson et un câble audessus d’un plan de masse
3.2.4. Couplage entre un oscillateur et un câble au-dessus d’un plan de masse
3.2.5. Bilan des deux méthodes pour estimer le couplage
3.3. Application du modèle de rayonnement en champ lointain
3.4. Modèle 3D
3.4.1. Prédiction des champs sur les côtés des dispositifs
3.4.2. Proposition d’un modèle 3D
3.4.2.1. Application de la méthode sur un cas simple
3.4.2.2. Application du modèle sur une self
3.5. Conclusions
Conclusion générale et perspectives
Bibliographie

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