Modélisation 3D des émissions rayonnées et étude des couplages entre composants et interconnexions

• Auteur / Autrice : Hanen Shall
• Direction : Moncef Kadi
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Electronique
• Date : Soutenance en 2014
• Etablissement(s) : Rouen
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale sciences physiques mathématiques et de l'information pour l'ingénieur (Saint-Etienne-du-Rouvray, Seine-Maritime....-2016)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de recherche en systèmes électroniques embarqués (Saint-Étienne-du-Rouvray, Seine-Maritime2001-...)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Conducteurs électriques

Câbles électriques

Mesures électroniques

Sources de rayonnement

Ondes

Rayonnements

Compatibilité électromagnétique

Résumé

L’augmentation de la densité d’intégration dans les équipements électroniques et la cohabitation de l’électronique de puissance et de l’électronique de signal dans l’espace limité des systèmes électroniques engendrent des nouvelles contraintes de compatibilité électromagnétique (CEM). Cette thèse, effectuée au sein de l’IRSEEM, s’inscrit dans le cadre du projet E-CEM (Compatibilité ElectroMagnétique des systèmes d’Energie). L’objectif principal de ces travaux de recherche est le développement d’une approche de modélisation permettant une meilleure prédiction des interférences électromagnétique (IEMs) entre les éléments les plus perturbateurs d’une carte électronique et les interconnexions en champ proche. La méthodologie proposée est divisée en deux principales tâches: la modélisation des émissions rayonnées 3D et la prédiction du couplage électromagnétique (EM) entre les structures rayonnantes et les interconnexions (ou lignes de transmission) de types conducteurs au-dessus d’un plan de masse et lignes microrubans. Le modèle d’émission rayonnée 3D est basé sur un réseau de sources équivalentes (dipôles électriques et magnétiques) distribuées sur les surfaces délimitant les dimensions géométriques du dispositif sous test (DST). Les paramètres de ces sources sont déterminés à partir des cartographies des composantes tangentielles du champ EM rayonné, issues soit d’une simulation EM soit d’une mesure champ proche. Ce modèle 3D est ensuite utilisé pour la prédiction du couplage EM avec les lignes de transmission voisines. Pour ce faire, le modèle a été associé avec des formalismes de couplage analytiques (modèles de Taylor, Agrawal et Rachidi) pour prédire les tensions induites aux extrémités de la ligne victime. Cette procédure de modélisation, appliquée pour des cas de test (couplages EM entre un « arceau 3D »/self torique et un conducteur au dessus d’un plan de masse), offre une meilleure précision pour la prédiction du couplage. Ensuite, une nouvelle démarche de modélisation du couplage induit sur les lignes microrubans a été proposée. Cette dernière est principalement inspirée de la première approche. L’idée principale est suscitée du principe d’équivalence de la structure PCB pour s’affranchir du calcul lourd des coefficients associés aux réflexions successives à l’interface air/diélectrique. Les résultats de modélisation ont été validés par des simulations et des mesures champ proche.

The large scale integration of embedded electronic equipments in the limited space of electric systems (electric vehicles) generates new constraints in terms of ectromagnetic compatibility (EMC). This thesis is performed in IRSEEM under the E-CEM Project (Electromagnetic Compatibility of Power Systems). Its main objective is the development of an accurate modeling approach for electromagnetic interferences (IEMs) prediction between distrurbing electronic components and interconnections in the near field region. The proposed methodology is divided into two main steps: 3D modeling of radiated emissions and prediction of electromagnetic coupling (EM) between radiating structures and transmission lines: wires above a ground plane and microstrip lines. The 3D radiated emission model is based on a set of equivalent sources (electric and magnetic dipoles) distributed on the surfaces of a volume surrounding the geometrical dimensions of the device under test (DST). The dipoles parameters are calculated referring to the tangential cartographies of EM radiated field components, obtained from either an EM simulation or a near field measurement. The 3D model is then used to predict the EM coupling onto transmission lines. In fact, this model is associated with analytical coupling formulations (Taylor, Agrawal and Rachidi models) to compute the induced voltages at the victim line terminals. This modeling procedure, applied to real test cases (EM coupling between a small arch above a ground plane/toroidal inductor and a wire over a ground plane), provides a much better accuracy for EMI prediction. A novel modeling approach of EM coupling onto microstrip lines has been also proposed. This latter is mainly inspired from the first approach. The main idea is based on the microstrip line equivalence model to avoid the complex computation of the successive reflections and refractions in the two inhomogeneous regions: air region and substrate region. Comparison between modeled, numerical and measured results enables us to validate the proposed model.