Thèses soutenue par Romain ORANGE - Esigelec

Prise en compte des contraintes deCEM dans la conception de modulesd’émission – réception pour radarsRomain OrangeSoutenance de thèse – 31 mai 2012Directeur de thèse : Daniel PasquetEncadrants : Stéphane Louis (Thales Air Systems)Fabrice Duval (IRSEEM)

2Plan de la présentation.• Introduction : Contexte et problématique de la thèse.• I. Modélisation par une méthode numérique.• II. Modélisation par le formalisme de Kron.• III. Réduction de couplages par une piste chargée.• Conclusion générale et perspectives.Soutenance de thèse de Romain Orange – 31.05.2012

3Plan de la présentation.• Introduction : Contexte et problématique de la thèse.• 1. Contexte.▫ Définition de la CEM.▫ Architecture générale des radars.▫ Exemple de module radar.• 2. Problématique.▫ Importance de la CEM pour les modules radars.▫ Cahier des charges des outils à mettre en place.• 3. Méthode de travail.▫ Stratégie de travail.▫ Présentation du cas d’étude.• I. Modélisation par une méthode numérique.• II. Modélisation par le formalisme de Kron.• III. Réduction de couplages par une piste chargée.• Conclusion générale et perspectives.Soutenance de thèse de Romain Orange – 31.05.2012

Introduction : Contexte et problématique de la thèse.41. Contexte (1/3).• Définition de la Compatibilité Electro-Magnétique(CEM) :▫ Aptitude d'un système à fonctionner de façon satisfaisantedans son environnement électromagnétique, sans produirelui-même des perturbations électromagnétiquesintolérables pour tout ce qui se trouve dans cetenvironnement.EmissionrayonnéeImmunitérayonnéeComposantou systèmeEmissionconduiteImmunitéConduiteComposantou systèmeSoutenance de thèse de Romain Orange – 31.05.2012

Introduction : Contexte et problématique de la thèse.51. Contexte (2/3).• Thales Air Systems conçoit et produit des modulesd’émission – réception pour radars.Voie réceptionVoie émission▫ Fonction de génération de signal hyperfréquence pourémettre une onde radar.▫ Fonction de réception et de traitement de l’onde radarrenvoyée par une cible.Soutenance de thèse de Romain Orange – 31.05.2012

Introduction : Contexte et problématique de la thèse.61. Contexte (3/3).• Exemple de module radar :Carte de distributionSignaux hyperfréquences(Etages amplificateurs, …)Signaux basses fréquences(Fréquence de découpage desconvertisseurs DC/DC, …)Carte d’alimentationHPA (High PowerAmplifier)Signaux hyperfréquences etnumériques (Composantsmultifonctions, …)Carte MFC (Multi-FunctionChip)Carte de commandeSignaux hautes fréquenceset numériques (Horloge, …)Soutenance de thèse de Romain Orange – 31.05.2012

Introduction : Contexte et problématique de la thèse.72. Problématique (1/2).• Système particulièrement concerné par la CEM :▫ Cohabitation de signaux de nature différente.▫ Couverture d’une large gamme de fréquence (de quelquesHz à quelques GHz).▫ Disparité des niveaux de puissance au sein du module.• Nécessité de tenir compte de la CEM dès la phase deconception des modules.▫ Besoin d’outils pour :• Anticiper les phénomènes électromagnétiques.• Tester diverses solutions en réponse au problèmes rencontrés.Soutenance de thèse de Romain Orange – 31.05.2012

Introduction : Contexte et problématique de la thèse.82. Problématique (2/2).• Cahier des charges des outils à mettre en place :▫ Modéliser le comportement électronique d’un moduleassocié aux phénomènes électromagnétiques mis en jeu.▫ Prendre en compte les matériaux présents (substrat,absorbants, etc) et le conditionnement (boitier métallique,espace libre, etc).▫ Accessibilité matérielle de l’outil aux concepteurs demodules radars de Thales Air Systems.▫ Facilité d’utilisation pour des non-spécialistes de la CEM.Soutenance de thèse de Romain Orange – 31.05.2012

Introduction : Contexte et problématique de la thèse.93. Méthode de travail (1/1).• Stratégie de travail :▫ Partir d’un problème rencontré dans un module radar.▫ Mettre au point une méthode de modélisation qui auraitpermis de l’anticiper puis de le résoudre.▫ Vérifier le modèle obtenu par des mesures.• Présentation du cas d’étude (HPA) :Soutenance de thèse de Romain Orange – 31.05.2012

10Plan de la présentation.• Introduction : Contexte et problématique de la thèse.• I. Modélisation par une méthode numérique.• 1. Présentation de la méthodologie.▫ Simulation des phénomènes électromagnétiques.▫ Simulation du comportement électronique du système.▫ Mise en place d’un modèle global.• 2. Application au cas d’étude.▫ Modélisation d’un HPA simplifié.• 3. Validation de la méthode par des mesures.▫ Mesure des niveaux de couplage.• II. Modélisation par le formalisme de Kron.• III. Réduction de couplages par une piste chargée.• Conclusion générale et perspectives.Soutenance de thèse de Romain Orange – 31.05.2012

I. Modélisation par une méthode numérique.111. Présentation de la méthodologie (1/2).• Simulation des phénomènes électromagnétiques sous unlogiciel de type HFSS :▫ Prise en compte :• Des éléments rayonnants (pistes, composants, etc).• Des matériaux présents (substrat, absorbants, plots ouécrans métalliques).• Du conditionnement (boitier métallique, espace libre,etc).▫ Simulation des couplages entre éléments rayonnants.• Calcul des paramètres S.Soutenance de thèse de Romain Orange – 31.05.2012

I. Modélisation par une méthode numérique.132. Application au cas d’étude (1/6).• Modélisation d’un HPA simplifié :▫ Dimensionnement du boitier en fonction de la fréquence dusignal nominal du système.Soutenance de thèse de Romain Orange – 31.05.2012

I. Modélisation par une méthode numérique.142. Application au cas d’étude (2/6).• Utilisation d’un amplificateur large bande.• Création volontaire de l’oscillation du système.▫ Vérifier que l’on est capable d’anticiper ce phénomène à l’aide dela méthode de modélisation mise au point.Soutenance de thèse de Romain Orange – 31.05.2012

I. Modélisation par une méthode numérique.152. Application au cas d’étude (3/6).• Simulation des couplages inter-pistes sans amplificateur :▫ Le phénomène de résonance véhicule du couplage.Soutenance de thèse de Romain Orange – 31.05.2012

I. Modélisation par une méthode numérique.162. Application au cas d’étude (4/6).• Carte du champ électrique à 3.15 GHz :▫ Le mode de résonance 4, 1, 0 engendre un pic de couplage à3.15GHz.▫ Le couplage entre deux éléments est d’autant plusimportant que ces éléments se trouvent au niveau deventres d’un mode de résonance.Soutenance de thèse de Romain Orange – 31.05.2012

I. Modélisation par une méthode numérique.172. Application au cas d’étude (5/6).• Création du modèle du HPA simplifié sous ADS :Soutenance de thèse de Romain Orange – 31.05.2012

I. Modélisation par une méthode numérique.182. Application au cas d’étude (6/6).• Simulation des paramètres S du HPA simplifié :▫ Oscillation du système à 3.17 GHz.Soutenance de thèse de Romain Orange – 31.05.2012

I. Modélisation par une méthode numérique.193. Validation par des mesures (1/5).• Dispositif de mesure :▫ Vérification :• Des niveaux de couplage simulés.• Du phénomène d’oscillation du système.Soutenance de thèse de Romain Orange – 31.05.2012

I. Modélisation par une méthode numérique.203. Validation par des mesures (2/5).• Protocoles de mesure :▫ Mesure des paramètres S à l’analyseur de réseau vectoriel(cas sans amplificateur).▫ Mesure du signal sur les ports E et S à l’analyseur de spectre(cas avec amplificateur).Soutenance de thèse de Romain Orange – 31.05.2012

I. Modélisation par une méthode numérique.213. Validation par des mesures (3/5).• Mesure avec un VNA des couplages inter-pistes (sansamplificateur) :Soutenance de thèse de Romain Orange – 31.05.2012

I. Modélisation par une méthode numérique.223. Validation par des mesures (4/5).• Mesure avec un analyseur de spectre du signal en sortiedu système (avec amplificateur) :Soutenance de thèse de Romain Orange – 31.05.2012

I. Modélisation par une méthode numérique.233. Validation par des mesures (5/5).• Mesure avec un analyseur de spectre du signal en entréedu système (avec amplificateur) :Soutenance de thèse de Romain Orange – 31.05.2012

I. Modélisation par une méthode numérique.24Conclusion (1/1).• Confirmation par des mesures que la méthode demodélisation mise au point permet de simuler unsystème hyperfréquence en tenant compte desphénomènes électromagnétiques.• Mise en évidence de l’importance des couplagesvéhiculés par le phénomène de résonance intra-cavité.• Les temps de simulation sont relativement longs (del’ordre de quelques jours).• La méthode mise au point ne pousse pas l’utilisateur àcomprendre ce qu’il modélise.Soutenance de thèse de Romain Orange – 31.05.2012

25Plan de la présentation.• Introduction : Contexte et problématique de la thèse.• I. Modélisation par une méthode numérique.• II. Modélisation par le formalisme de Kron.• 1. Principe général de la méthode.▫ Décomposition du système en sous-systèmes.▫ Mise en place d’un schéma électrique équivalent.▫ Mise en équation et résolution du problème suivant le formalisme de Kron.• 2. Application à un cas concret.▫ Modélisation de couplages inter-pistes dans une cavité sans amplificateur.• 3. Validation du modèle par des mesures.▫ Mesure des niveaux de couplages.• III. Réduction de couplages par une piste chargée.• Conclusion générale et perspectives.Soutenance de thèse de Romain Orange – 31.05.2012

II. Modélisation par le formalisme de Kron.271. Principe général de la méthode (2/4).• Mise en place du schéma électrique équivalent de chaquesous-système.▫ Exemples :• Schéma équivalent d’une ligne microstrip.• Schéma équivalent d’une cavité résonante.Soutenance de thèse de Romain Orange – 31.05.2012

II. Modélisation par le formalisme de Kron.281. Principe général de la méthode (3/4).• Choix de l’espace topologique.▫ Le champ électrique est matérialisé dans l’espace desbranches.▫ Le champ magnétique est matérialisé dans l’espace desmailles.Soutenance de thèse de Romain Orange – 31.05.2012

II. Modélisation par le formalisme de Kron.291. Principe général de la méthode (4/4).• Mise en équation de chaque sous-système par leformalisme de Kron :▫ Mise en place de la matrice des fém, des courants et desimpédances dans un espace adapté.▫ Définition des interactions entre chaque sous-système dansl’espace le plus judicieux par le biais d’une matrice desimpédances.▫ Passage d’un espace à un autre par une matrice deconnectivité pour mettre en équation le système et lerésoudre.Soutenance de thèse de Romain Orange – 31.05.2012

II. Modélisation par le formalisme de Kron.302. Application sur un cas concret (1/7).• Couplage entre deux pistes dans une cavité résonante.CavitéPiste 1 Piste 2• Décomposition du problème en sous-systèmes :Soutenance de thèse de Romain Orange – 31.05.2012

II. Modélisation par le formalisme de Kron.312. Application sur un cas concret (2/7).• Mise en place de schémas électriques équivalents :▫ Les couplages engendrés par le phénomène de résonanceintra-cavité sont exprimés par l’intermédiaire d’une matricedite chaine.Soutenance de thèse de Romain Orange – 31.05.2012

II. Modélisation par le formalisme de Kron.322. Application sur un cas concret (3/7).• Expression de la matrice chaine :• On définit t 11 , t 12 , t 21 et t 22 de la façon suivante :• On exprime alors les couplages dans la matrice des impédances àl’aide de l’équation :Soutenance de thèse de Romain Orange – 31.05.2012

II. Modélisation par le formalisme de Kron.332. Application sur un cas concret (4/7).• Mise en équation du système.▫ L’équation générale du système dans l’espace des mailles est :▫ Avec :E m = Z m × J mE m = 1 0▫ La matrice impédance dans l’espace des branches s’écrit :Z b =R L 0 0 00t 11 det (T)t 21 t 21001 t 22t 21 t 2100 0 0 R LSoutenance de thèse de Romain Orange – 31.05.2012

II. Modélisation par le formalisme de Kron.342. Application sur un cas concret (5/7).• Mise en équation du système.▫ Définition de la matrice connectivité :C =1 01 00 10 1▫ On exprime alors la matrice impédance dans l’espace desmailles :Z m = C′ × Z b × CSoutenance de thèse de Romain Orange – 31.05.2012

II. Modélisation par le formalisme de Kron.352. Application sur un cas concret (6/7).• Mise en équation du système.▫ On exprime ensuite les courants dans l’espace des mailles :I m = E m ′Z m▫ Le couplage entre les pistes 1 et 2 est exprimé parl’intermédiaire du paramètre S 12 .▫ Ce paramètre S est exprimé par le rapport du courant desortie sur le courant d’entrée du système.▫ Les calculs sont menés sous un logiciel de type Matlab.Soutenance de thèse de Romain Orange – 31.05.2012

II. Modélisation par le formalisme de Kron.362. Application sur un cas concret (7/7).• Simulation du couplage inter-piste.Soutenance de thèse de Romain Orange – 31.05.2012

II. Modélisation par le formalisme de Kron.373. Validation par des mesures (1/3).• Dispositif de mesure :▫ Vérification des niveaux de couplage inter-piste modéliséspar la méthode de Kron.▫ Utilisation d’un analyseur de réseau vectoriel.Soutenance de thèse de Romain Orange – 31.05.2012

II. Modélisation par le formalisme de Kron.383. Validation par des mesures (2/3).• Protocole de mesure :Soutenance de thèse de Romain Orange – 31.05.2012

II. Modélisation par le formalisme de Kron.393. Validation par des mesures (3/3).• Mesure des paramètres S entre l’entrée et la sortie dusystème (ports 6 et 1):Soutenance de thèse de Romain Orange – 31.05.2012

II. Modélisation par le formalisme de Kron.40Conclusion (1/1).• Les mesures confirment que le modèle mis en place à l’aide dela méthode de Kron, permet de modéliser les couplagesengendrés par le phénomène de résonance intra-cavité.• Bien plus que de fournir un résultat final, la méthode de Kronpermet d’établir les équations régissant les phénomènesphysiques mis en jeu.• Cette méthodologie pousse l’utilisateur à comprendre ce qu’ilmodélise.• La mise en place d’un modèle simple et la résolution deséquations associées ne nécessitent que quelques heures.• Cette méthode nécessite de bien connaitre au préalable lespropriétés du formalisme de Kron.Soutenance de thèse de Romain Orange – 31.05.2012

41Plan de la présentation.• Introduction : Contexte et problématique de la thèse.• I. Modélisation par une méthode numérique.• II. Modélisation par le formalisme de Kron.• III. Réduction de couplages par une piste chargée.• 1. Présentation de la méthodologie.▫ Dimensions et placement de la piste dans la cavité.▫ Optimisation des valeurs d’impédance des ports de la piste.• 2. Application sur un cas concret.▫ Réduction de couplage inter-piste.▫ Suppression d’un phénomène d’oscillation.• 3. Validation de la méthode par des mesures.▫ Vérification des niveaux de couplage.▫ Vérification de la suppression d’un phénomène d’oscillation.• Conclusion générale et perspectives.Soutenance de thèse de Romain Orange – 31.05.2012

III. Réduction de couplages par une piste chargée.421. Présentation de la méthodologie (1/3).• Dimensions et placement de la piste dans la cavité.Soutenance de thèse de Romain Orange – 31.05.2012

III. Réduction de couplages par une piste chargée.431. Présentation de la méthodologie (2/3).• Détermination des valeurs d’impédance à appliquer auxports de la piste sous un logiciel de type ADS :▫ Simulation des couplages sous un logiciel de type HFSS.Soutenance de thèse de Romain Orange – 31.05.2012

III. Réduction de couplages par une piste chargée.441. Présentation de la méthodologie (3/3).• Détermination des valeurs d’impédance à appliquer auxports de la piste sous un logiciel de type ADS :▫ Insertion des paramètres S dans une boite de données.▫ Utilisation d’un processus d’optimisation.Soutenance de thèse de Romain Orange – 31.05.2012

III. Réduction de couplages par une piste chargée.452. Application sur un cas concret (1/6).• Cas d’étude : le HPA simplifié.▫ Réduire les couplages inter-pistes par une piste chargée :• Mettre en place une piste de réduction de couplages.• Simuler la réduction des couplages.• Vérifier les simulations par des mesures.Soutenance de thèse de Romain Orange – 31.05.2012

III. Réduction de couplages par une piste chargée.462. Application sur un cas concret (2/6).• Dimensions et placement de la piste de réduction decouplages dans la cavité :▫ Le mode 4, 1, 0 engendre le niveau de couplage maximum.▫ Réduction du couplage engendré par le mode 4, 1, 0 (3.15GHz).Soutenance de thèse de Romain Orange – 31.05.2012

III. Réduction de couplages par une piste chargée.472. Application sur un cas concret (3/6).• Détermination des valeurs d’impédance optimales desports de la piste :Soutenance de thèse de Romain Orange – 31.05.2012

III. Réduction de couplages par une piste chargée.482. Application sur un cas concret (4/6).• Simulation de la réduction du couplage ciblé :▫ Réduction de 21dB du couplage engendré par le mode 4, 1, 0.Soutenance de thèse de Romain Orange – 31.05.2012

III. Réduction de couplages par une piste chargée.492. Application sur un cas concret (5/6).• Modélisation du système avec l’amplificateur :Soutenance de thèse de Romain Orange – 31.05.2012

III. Réduction de couplages par une piste chargée.502. Application sur un cas concret (6/6).• Simulation de la suppression du phénomèned’oscillation à 3.15 GHz:Soutenance de thèse de Romain Orange – 31.05.2012

III. Réduction de couplages par une piste chargée.513. Validation par des mesures (1/5).• Dispositif de mesure :▫ Vérification de la réduction du couplage ciblé (cas sansamplificateur).▫ Vérification de la suppression du phénomène d’oscillationdu système (cas avec amplificateur).Soutenance de thèse de Romain Orange – 31.05.2012

III. Réduction de couplages par une piste chargée.523. Validation par des mesures (2/5).• Protocoles de mesure :▫ Mesure des niveaux de couplage à l’analyseur de réseauvectoriel (cas sans amplificateur).▫ Mesure du signal en entrée et en sortie du système par unanalyseur de spectre (cas avec amplificateur).Soutenance de thèse de Romain Orange – 31.05.2012

III. Réduction de couplages par une piste chargée.533. Validation par des mesures (3/5).• Comparaison des valeurs optimales d’impédance desports de la piste de réduction de couplage :Soutenance de thèse de Romain Orange – 31.05.2012

III. Réduction de couplages par une piste chargée.543. Validation par des mesures (4/5).• Mesure du couplage inter-piste (sans amplificateur) :▫ Réduction de 21dB du couplage engendré par le mode 4, 1, 0.Soutenance de thèse de Romain Orange – 31.05.2012

III. Réduction de couplages par une piste chargée.553. Validation par des mesures (5/5).• Mesure du signal en sortie du dispositif (avecl’amplificateur) :▫ Suppression du phénomène d’oscillation.Soutenance de thèse de Romain Orange – 31.05.2012

III. Réduction de couplages par une piste chargée.56Conclusion (1/1).• Confirmation par des mesures que la méthode visant àréduire des couplages à l’aide d’une piste chargée estefficace (réduction de l’ordre de 20dB).• La prévision du niveau de réduction du couplage par lasimulation est également confirmée par les mesures.• La méthode cible le couplage engendré par un mode derésonance donné.• Dans le cadre d’une implémentation en systèmeembarqué, il peut être difficile d’obtenir les valeursd’impédance obtenues par optimisation.Soutenance de thèse de Romain Orange – 31.05.2012

57Plan de la présentation.• Introduction : Contexte et problématique de lathèse.• I. Modélisation par une méthode numérique.• II. Modélisation par le formalisme de Kron.• III. Réduction de couplages par une pistechargée.• Conclusion générale et perspectives.Soutenance de thèse de Romain Orange – 31.05.2012

Conclusion générale et perspectives.58Conclusion générale (1/1).• Deux méthodes complémentaires permettant d’anticiperles phénomènes électromagnétiques au sein d’un moduleradar sont proposées aux concepteurs de modules deThales Air Systems.• Devant le constat des niveaux de couplage engendrés parle phénomène de résonance intra-cavité, une méthodenovatrice de réduction de couplage a été mise au point etpeut être facilement implémentée au sein d’un moduleradar dès la phase de conception.Soutenance de thèse de Romain Orange – 31.05.2012

Conclusion générale et perspectives.59Perspectives sur la méthode numérique demodélisation (1/1).• La méthode pourrait être automatisée en mettant en place desmacros afin d’obtenir une co-simulation.• Le rayonnement de composants pourrait être pris en compte eninsérant des modèles comportant un ensemble de dipôles ou deboucles élémentaires dont les propriétés sont obtenues par desmesures en champ proche.Soutenance de thèse de Romain Orange – 31.05.2012

Conclusion générale et perspectives.60Perspectives sur la méthode de Kron (1/1).• Des modèles pourraient être mis en place en tenant compte de lacontribution de composants. Pour cela, il serait possible d’introduiresous Matlab (ou Scilab) des fichiers de paramètres S que l’onassocierait aux calculs.• Des modèles plus précis pourraient être mis en place en tenantcompte de paramètres négligés dans le modèle présentéprécédemment (pertes, rayonnement direct, etc).• Il existe plusieurs façons de modéliser notre cas d’étude. Cesdifférentes méthodes pourraient être comparées entre elles et onpourrait s’assurer que des approches différentes aboutissent à desrésultats similaires.Soutenance de thèse de Romain Orange – 31.05.2012

Conclusion générale et perspectives.61Perspectives sur la méthode de réduction decouplages (1/1).• Les effets sur l’efficacité de la réduction des couplages deparamètres tels que les dimensions, la géométrie et l’orientation dela piste dans la cavité, pourraient être étudiés.• Le processus d’optimisation utilisé pour déterminer l’impédanceoptimale des ports de la piste pourrait être lancé en faisant varierdes valeurs de composants. Les valeurs obtenues pourraient ensuiteêtre comparées à une banque de données de composants existantspour déterminer l’association donnant l’impédance la prochepossible de la valeur d’impédance optimale.Soutenance de thèse de Romain Orange – 31.05.2012

Merci beaucoup pour votre attention.Questions ?Romain OrangeSoutenance de thèse – 31 mai 2012Directeur de thèse : Daniel PasquetEncadrants : Stéphane Louis (Thales Air Systems)Fabrice Duval (IRSEEM)