Modélisation numérique 3D de problèmes de compatibilté électromagnétique par la méthode TLM-TD

3D modelling of electromagnetic compatibility problems using TLM-TD

• Auteur / Autrice : Jony Laureano Silveira
• Direction : Lionel Pichon, Adroaldo Raizer
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique. Ingénierie électrique
• Date : Soutenance en 2002
• Etablissement(s) : Paris 11 en cotutelle avec Universidade federal de Santa Catarina (Brésil)

Résumé

Les contraintes de CEM (Compatibilité Electromagnétique) sont maintenant incontournables dans les phases de conception et de test d'un produit. Dans cet objectif la modélisation numérique peut devenir un outil puissant pour prévoir et minimiser des problèmes futurs liés à l'émission et à la susceptibilité des systèmes. Dans ce contexte, cette thèse présente la résolution de quelques problèmes liés à compatibilité électromagnétique par l'exploitation de modèles discrets tridimensionnels dans le domaine du temps. Le mémoire est organisé en deux parties. Premièrement, les méthodes numériques les plus couramment utilisées pour résoudre des problèmes de compatibilité électromagnétiques sont comparées et une attention spéciale est prêtée à la méthode TLM-TD (Transmission-line Modeling Method -Time Domain). Dans le chapitre 2, une description plus détaillée de la méthode TLM-TD pour le traitement de problèmes à trois dimensions est présentée. Une deuxième partie, explore l'application de la méthode décrite pour la résolution de problèmes liés à la compatibilité électromagnétique. Le chapitre 3 propose une validation du code de calcul qui a été développé. Le problème étudié concerne la propagation et la réflexion d'une onde plane dans des milieux homogènes (vide) et hétérogènes avec des pertes. Les résultats sont comparés avec ceux obtenus par des solutions analytiques. Les problèmes de compatibilité électromagnétique rappellent souvent d'autres études menées en l'électromagnétisme. C'est pourquoi de nombreux travaux en matière de modélisation exploitent les outils développés dans des domaines telles que les micro-ondes, les antennes, les lignes de transmission, etc. Cependant il existe des problèmes très spécifiques de compatibilité relativement peu étudiés jusqu'ici. C'est le cas par exemple des systèmes de protection contre les décharges atmosphériques, de mise à la terre, de protection contre les surtensions transitoires, et les systèmes de blindage électromagnétique. L'objectif de notre travail a été de proposer un modèle destiné aux analyses de perturbations électromagnétiques de nature transitoire. Le caractère tridimensionnel permet de prendre en compte au mieux les interactions des champs avec les structures complexes. L'approche temporelle permet de considérer directement les agressions transitoires et facilite également les analyses fréquentielles "large bande". Nous illustrons l'intérêt de notre modèle dans plusieurs situations caractéristiques de problèmes actuels de CEM. Le chapitre 4 montre les résultats obtenus pour l'analyse de l'efficacité du blindage d'une enceinte métallique dotée des plusieurs configurations de fentes et d'ouvertures. Finalement, le chapitre 5 est consacré à la modélisation de plusieurs configurations de systèmes de mise à la terre. Cette étude permet de mettre en évidence les potentialités de notre modèle 3D sur des cas réalistes. Les résultats numériques obtenus avec notre méthode sont toujours comparés à des valeurs issues d'autres références tirées de la littérature.

For EMC (Electromagnetic Compatibility) analysis numerical methods provide efficient tools both for conducted and radiated problems. The work presents the numerical modelling of some EMC problems with discrete models in the time domain. The report is divided in two parts. First common numerical methods for electromagnetics are described and the features of TLM-TD are underlined. This technique is introduced in its one dimensional approach. Then two- and three-dimensional versions are then studied. In particular, for the tri-dimensional case several problems are addressed stressing the inhomogeneous media, presence of loss and irregular meshes. Secondly a numerical algorithm based on the three-dimensional TLM-TD method is designed, validated and applied to some EMC problems. The validation is done by comparing the algorithm with analytical solutions of wave propagation in homogeneous and inhomogeneous lossy materials. Afterwards, the proposed algorithm is used for analyzing the shielding effectiveness of enclosures with multiple spots and apertures. Finally, several configurations of impulsive grounding systems are analysed taking into account the electric current and voltages on the surface of the soil and grounding conductors. These results are then compared with other approaches from the Electromagnetic Compatibility literature.