Quelques partenariats : CEA, DGA, CNES, DASSAULT AVIATION, THALES, ORANGE LABS, EADS ASTRIUM, CNES, LEGRAND, GERAC, IEEA, AXESSIM, CISTEME, ALGOTEC…

Programmes de recherche nationaux et internationaux : ANR ASTRID (Programme DGA),  ANR (Agence Nationale de la Recherche),  PEA (Programme d’étude Amont de la DGA).

Pôle de compétitivité : ELOPSYS

Programmes européens : ESA, EUROSTAR
 

Axes de recherche

CEM Foudre

Parmi tous les sujets de recherche en CEM, la foudre est l’une des thématiques d’étude la plus ancienne puisqu’elle est apparue dès l’avènement des réseaux de télécommunication par câble. L’analyse théorique des effets de la foudre sur les équipements, les bâtiments et les aéronefs est menée au sein de notre laboratoire depuis près d’une trentaine d’année. La foudre perturbe les systèmes électriques et électroniques de deux façons :

• Le coup de foudre direct : le canal foudre se forme avec un attachement direct à la structure ou l’équipement contenant des systèmes électriques. Elle fait l’objet d’une certification sur dans le domaine de l’aéronautique car elle génère des courants importants sur les parties plus ou moins conductrices (présence de composites) de la structure et sur les câbles. Ce courant peut atteindre 200kA.
• L’effet indirect du coup de foudre : il s’agit de regarder les effets produits par le rayonnement du canal foudre. Cette problématique est plus récente et d’intérêt grandissant. Cela s’explique par l’accroissement des dispositifs électroniques  transportant des signaux à faibles niveaux  raccordés aux réseaux électriques.

Domaine d’application : Aéronautique, structures enterrées, bâtiment, transport…
Thématiques :

• Couplage onde – structure, attachement courant sur structure (Méthode FDTD, logiciel TEMSI-FD)
• Traitement d’une topologie complexe de câble in situ au sein de la simulation 3D FDTD,
• Modèles diverses de câbles applicables dans les milieux à pertes (sol, béton…)
• Plans d’expérience appliqués à l’aéronautique : par exemple prise en compte de l’incertitude sur les pertes résistives et de reprise de blindage des câbles.
• Calcul massivement parallèle avec le simulateur TEMSI-FD.

CEM basse fréquence des panneaux solaires

Susceptibilité des systèmes hautes fréquences

Les systèmes hautes fréquences (bande hyperfréquence ou fréquences micro-onde) ont connu une croissance quasiment exponentielle lors des deux dernières décennies pour toucher aujourd’hui tous les équipements grand public ainsi que tous les véhicules qui intègrent toujours plus de fonctions électroniques et de câblages. Se pose alors la question de l’émissivité et de la susceptibilité des systèmes cohabitant avec des sources d’onde E.M. multiformes, aux puissances faibles (quelques watt) mais avec un maillage serré en particulier en milieu urbain. Les conséquences de cette pollution électromagnétique se posent de manière très insistante aujourd’hui d’autant que l’on cherche aussi à réduire le blindage des systèmes pour des raisons de coût et/ou de masse du système lorsque ce dernier est embarqué. D’autre part, de nouvelles menaces sont envisagées et se rajoutent à celle de l’IEMN, il s’agit des ondes de type MFP (Micro-onde de Forte Puissance) et ULB (Ultra Large Bande). Elles visent effectivement les systèmes hyperfréquences. L’étude de la vulnérabilité des systèmes (étude des risque de dysfonctionnement voir de destruction) face aux AGREMs (Agression ElectroMagnétiques) est un axe de recherche qui est actuellement privilégié. Il s’agit tout d’abord de développer des outils permettant d’analyser efficacement le cheminement de l’onde à partir des voies de pénétration de la structure, du couplage avec les câbles et les équipements jusqu’à la carte électronique. Le dernier maillon est le composant. En particulier, les éléments les plus sensibles sont les composants non-linéaires. Cette problématique complexe est fortement multi-échelle et fait appel à des techniques diverses pour résoudre les problèmes de propagation en cavité avec des ouvertures, le couplage avec les cartes électroniques et le fonctionnement hors bande des composants. Ces approches vont des formulations topologiques à des modélisations numériques.

• Analyse Multi-échelle par la méthode de KRON (analyse tensorielle des réseaux) résolue en utilisant  la Diakoptic (découpage topologique) et la définition de modèles de connexion spécifiques pour traduire la physique (cordes et cordes virtuelles pour traduire les couplages champ lointain et proche)
• Calcul couplage onde - structure
• Vulnérabilité des cartes électroniques dans leur environnement
• Modèle CEM des composants (modèle SPICE du composant hors bande évalué par méthode mixte alliant banc de caractérisation et modèle théorique dont les caractéristiques résultent d’une phase d’optimisation non linéaire.

CEM des Câbles

L’étude des réseaux de câblages embarqués dans des systèmes complexes tels qu’un aéronef ou un véhicule automobile revêt en CEM un intérêt fondamental : de par le nombre de fils et leurs grandes longueurs, ils constituent une gigantesque antenne d’émission et de réception des parasites électromagnétiques.
Notre équipe travaille sur les points suivants :

• Développement de la « méthode du faisceau équivalent » permettant de simplifier les réseaux de câblages réels pour la simulation numérique (+ ajout d’une image)
• Simulation numérique des courants induits sur les câbles dus à une injection foudre directe sur un aéronef (collaboration DASSAULT-AVIATION)
• Développement de modèles de câbles obliques au sein de la méthode FDTD (câble isolé, blindé, toron de câbles).
• Développement du logiciel de théorie des lignes de transmission multiconducteur dans le domaine temporel (simulateur LAMLIM).

Études expérimentales et Mises au point de bancs de mesure

Chambre réverbérante à brassage de modes (CRBM)

La chambre réverbérante à brassage de modes (CRBM) s’est imposée progressivement au cours de la dernière décennie comme l’environnement de référence pour les tests d’immunité des systèmes (norme 2003 CEI 61000-4-21). En outre, celle-ci permet aussi d’évaluer l’émissivité d’un système par l’évaluation de la puissance totale rayonnée.
La CRBM peut être vue comme une cage de Faraday surdimensionnée. Un nombre très important de modes de cavité peut ainsi être généré sur une bande de fréquence étroite. Le brasseur de modes est constitué de plusieurs pales dont chacune possède une orientation unique. La rotation des pales autour d’un axe produit des décalages en fréquence des modes. Ce qui permet de répondre à l’objectif : obtenir dans une zone de test un champ statistiquement homogène et isotrope sur une très large bande de fréquence résultant de la superposition de tous les modes. En outre, pour une puissance émise donnée, la puissance disponible dans la zone de test est plus importante que celle que l’on peut appliquer en chambre anéchoïque puisque les pertes sont faibles.
Avec ces caractéristiques, le test d’immunité en champ fort et dans une ambiance où les ondes agressent le système de toutes les directions peut être mené dans une CRBM.
Les sujets de recherche portent sur :

• Procédure d’optimisation des CRBM afin de diminuer la fréquence minimale d’utilisation (+ ajout d’une image)
• Analyse de la statistique des champs dans une CRBM
• Investigations sur la possibilité d’utiliser des hangars aéronautiques à ouvertures comme CRBM
• Expertise et mesures en CRBM
• Modélisation électromagnétique de la CRBM

Caractérisation CEM des composants non-linéaires en transitoire

Mesure de champ proche

Banc de caractérisation de champ proche

Développement et expertise sur les méthodes de calcul et de simulation E.M.

L’expertise CEM par la modélisation des systèmes est une activité prépondérante de l’équipe. Ainsi, toutes les activités CEM exposées plus haut montrent que les études menées reposent sur la simulation numérique et le développement soit de nouvelles méthodes répondant à une problématique spécifique ou de nouveaux modèles dans le cadre d’un solveur existant afin de réaliser des modélisations d’un système plus précis. Cette forte orientation de l’étude CEM par la simulation offre l’avantage de réaliser des économies considérables en réduisant les essais sur banc de mesure et en donnant accès aussi à un nombre illimité d’observables sur un système en un laps de temps limité. En outre, l’évolution du parc informatique vers des performances qui se comptent aujourd’hui en « TéraFlops » et « PétaFlops » permet de traiter efficacement de grandes structures (voitures, bâtiment, avion) jusqu’aux fréquences WIFI avec une finesse du maillage inférieure au centimètre.
Nos recherches et nos développements s’articulent donc autour de solveurs maison éprouvés qui résolvent les équations de Maxwell (TEMSI) d’une part et les équations du modèle de ligne de transmission multiconducteurs (LAMLIM) pour des applications concernant les conducteurs.
Parallèlement, des méthodes plus spécifiques sont étudiées afin de traiter des systèmes dans des bandes de fréquence pour lesquels les méthodes dites rigoureuses ne peuvent être appliquées :

• Calcul analytique dérivée de l’équation de Sommerfeld pour la propagation très basse fréquence (quelques centaines de hertz)
• Méthode PEEC pour réaliser des modèles circuits basses fréquences de structures (par exemple, le panneau solaire)
• Méthode de KRON pour l’analyse multi-échelle et multi-physique
• Méthode FDTD-3D
• Méthode MTL (Multiconductor Transmission Lines), Logiciel LAMLIM
• Etudes amont et réalisation de démonstrateur sur les méthodes des volumes finis (FVTD) et Galerkin Discontinue (DGTD) dans le domaine temporel pour faire de la géométrie conforme avec un maillage non-structuré.

Simulateur TEMSI-FD

Le logiciel TEMSI-FD (Time Electromagnetic Simulateur – Finite Difference method) repose sur la méthode de résolution FDTD (Finite Difference Time domain) appliquée au système d’équations vectorielles de Maxwell. Entièrement écrit en fortran 90/95 standard, il a été initié en 2002 et a fait depuis l’objet de nombreux développement.
Une version Open-Source de TEMSI-FD existe sous licence CECILL-C. Elle a pour objectif entre autre de favoriser les collaborations autour d’un même solveur et d’éviter le développement répété de solveurs électromagnétiques équivalents. Téléchargement ci-dessous :

/sites/default/files/opentemsi.tar.gz

Contact christophe.guiffaut@xlim.fr.

Simulateur LAMLIM

De l'expérience acquise avec la conception de TEMSI-FD, nous avons développé un logiciel basé sur la méthode numérique de la théorie des lignes de transmission multiconducteurs en temporel. Par sa rapidité et sa précision, cet outil se révèle complémentaire de TEMSI-FD pour l’analyse des problèmes de couplage sur des cartes de circuits électroniques, pour l’étude de la susceptibilité face à la pollution électromagnétique ou aux AGREMs (AGRession ElectroMagnétiques) et pour la réalisation d’études sur les groupes de câbles conducteurs tels que l'on peut en rencontrer dans les véhicules de transport (terrestre ou aérien).
L'originalité de nos développements réside premièrement dans la réalisation de modules permettant de coupler le champ électromagnétique avec la carte. En outre, il sera possible grâce à la cohérence des codes d'hybrider efficacement les solveurs TEMSI-FD et LAMLIM afin de fournir à ce dernier un couplage en champ des plus réalistes. Deuxièmement, ce simulateur est doté de trois moteurs distincts mais cascadés automatiquement pour le calcul : il s’agit d’un mailleur linéique 2D à pas adaptatif pour les conducteurs et les interfaces entre substrats qui fourni une segmentation adaptée pour le deuxième moteur qui est un solveur par la méthode des moments 2D et qui permet de calculer les matrices de couplage entre les conducteurs. Enfin, le solveur des équations des lignes de transmission basé sur la méthode numérique FDTD calcule la solution au problème modélisé.