Conception de sondes magnétiques pour les mesures du champ proches et le développement d'algorithmes pour la prédiction d'émissions rayonnées en CEM

Design of magnetic probes for near field measurements and the development of algorithms for the prediction of EMC

• Auteur / Autrice : Nimisha Sivaraman
• Direction : Fabien Ndagijimana
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Optique et radiofrequences
• Date : Soutenance le 05/12/2017
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale électronique, électrotechnique, automatique, traitement du signal (Grenoble ; 199.-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de microélectronique, électromagnétisme et photonique - Laboratoire d'hyperfréquences et de caractérisation (Grenoble)
• Jury : Président / Présidente : Christian Vollaire
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Sébastien Serpaud, Léonce Mutel, Zouheir Riah
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Daniela Dragomirescu, Eduardo Motta Cruz

Mots clés

Mots clés contrôlés

Champs électriques

Circuits électroniques -- Calcul

Circuits pour microondes

Mots clés libres

Compatibilité electromagnétique

Sondes magnétique

Champs proches

Aéronautique

Transmission line matrix

Electromagnetic compatibility

Magnetic probe

Near Fields

Aeronautic applications

Transmission line matrix

Résumé

Au fur et à mesure que le nombre de composants augmente, il existe une forte demande pour identifier les sources de rayonnement pour la prédiction de la compatibilité électromagnétique des circuits électroniques. Le balayage d’une sonde à proximité du circuit est une méthode générale d'identification des sources rayonnantes dans une PCB. La première partie de la thèse consiste à concevoir et à caractériser des sondes magnétiques à haute sensibilité et à haute résolution spatiale. Les sondes conventionnelles basées sur la ligne micro ruban et la configuration coplanaire sont étudiées. À mesure que la longueur de la ligne de transmission connectée à la sonde augmente, le bruit sur le signal de sortie augmente en raison de tensions de mode commun induites par le champ électrique. Afin de supprimer cette tension induite par le champ électrique, une sonde magnétique blindée est conçue et fabriquée à l'aide d'une technologie de circuit imprimé à faible coût (PCB). La performance de la sonde passive est validée dans la bande 1MHz - 1GHz. La sonde blindée est fabriquée sur un substrat FR4 d'une épaisseur de 0,8 mm et se compose de 3 couches avec le signal dans la couche intermédiaire et les couches supérieure et inférieure dédiées aux plans de masse. La taille d'ouverture de la boucle est de 800 μm x 800 μm, avec une résolution spatiale attendue de 400 μm. La haute sensibilité de la sonde est obtenue en intégrant un amplificateur à faible bruit à la sortie de la sonde, ce qui en fait une sonde active. La performance de la sonde blindée avec différentes longueurs de lignes de transmission est faite pour étudier. Une sonde à trois axes capable de mesurer les trois composantes du champ magnétique est également conçue et validée par un balayage en champs proches au-dessus d'une structure standard plan de masse.Dans la deuxième partie, la méthode de la matrice de la ligne de transmission inverse (Inv-TLM) est utilisée, pour reconstruire la distribution source à partir des champs proches (NFS) mesurés au-dessus d'un plan sur la carte PCB. Même si, la résolution de la reconstruction dépend de la longueur d'onde et des paramètres du maillage, la propagation inverse augmente la largeur de l'onde reconstruite. Comme cette méthode corresponde à un problème « mal posé» et entraîne des solutions multiples, nous avons développé une nouvelle méthode basée sur la corrélation croisée bidimensionnelle, qui représente les données de balayage en champ proche sous forme de de dipôles équivalents. Avec cette nouvelle méthode, nous avions pu identifier et de localiser les sources actuelles dans le PCB et est représenté avec des sources équivalentes. La méthode est validée pour les sources avec des orientations différentes. Les données simulées des champs proches utilisant le logiciel commercial CST sont utilisées pour valider les deux méthodes. Le champ lointain prédit à partir de ces sources équivalentes est comparé aux champs simulés.

As the number of components in a confined volume is increasing, there is a strong demand for identifying the sources of radiation in PCBs and the prediction of EMC of electronic circuits. Electromagnetic near field scanning is a general method of identifying the radiating sources in a PCB. The first part of the thesis consists of the design and characterization of printed circuit magnetic probes with high sensitivity and high spatial resolution. Conventional probes based on microstrip and coplanar configuration is studied. As the length of the transmission line connected to the probe increases, the probe output contains noise due to common mode voltages which is many induced by the electric field. In order to suppress the voltage induced due to the electric field, a shielded magnetic probe is designed and fabricated using low cost printed circuit board (PCB) technology. The performance of the passive probe is calibrated and validated from 1MHz – 1GHz. The shielded probe is fabricated on an FR4 substrate of thickness 0.8mm and consists of 3 layers with the signal in the middle layer and top and bottom layers dedicated to ground planes. The aperture size of the loop is 800µm x 800µm, with an expected spatial resolution of 400 µm. The high sensitivity of the probe is achieved by integrating a low noise amplifier at the output of the probe, hence making an active probe. The performance of the shielded probe with a different length of transmission lines is made to study. When the probe has to be operated above 100MHz, it is found that the transmission lines connected to the probe should be short (around 1.5cmm). For frequencies below 100MH, the length of the lines can be up to 12cm. A three-axis probe which is able to measure the three components of the magnetic field is also designed and validated by near field scanning above a standard wire over the ground structure.In The second part, the inverse transmission line matrix method (Inv-TLM) method is used reconstruct the source distribution from the near field scan (NFS) data above a single in plane on the PCB. Even though the resolution of reconstruction depends on the wavelength and the mesh parameter, the inverse propagation increases the width of the reconstructed wave. As this method is found to be ill posed and results in multiple solutions, we have developed a new method based on the two-dimensional cross-correlation, which represents the near field scan data in terms of the equivalent electric currents of the dipole. With the new method, we are able to identify and locate the current sources in the PCB and are represented by an equivalent source. The method is validated for the current sources with different orientations. The simulated near field data using CST microwave studio is used to validate both the methods. The radiated far field from these equivalent sources is compared with the simulated fields.