Prise en compte des contraintes de CEM dans la conception de modules d'émission-réception pour radars

• Auteur / Autrice : Romain Orange
• Direction : Daniel Pasquet
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Electronique
• Date : Soutenance en 2012
• 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-Maritime ; 2001-...)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Calcul tensoriel

Radar

Modélisation tridimensionnelle

Ondes électromagnétiques

Cavités résonnantes (microondes)

Compatibilité électromagnétique

Résumé

L’objectif des travaux présentés dans cette thèse a été de prendre en compte les contraintes de compatibilité électromagnétique (CEM) dans la conception de modules d’émission-réception radars. Nous nous sommes particulièrement concentrés sur la partie de ces modules responsable de l’amplification de signaux hyperfréquences. En effet, plusieurs voies amplifient un signal hyperfréquence afin d’obtenir en sortie un signal maitrisé en puissance et en phase, puis les signaux issus des voies d’amplifications sont combinés pour générer l’onde radar via une antenne. Pour prendre en compte les contraintes de compatibilité électromagnétique dès la phase de conception des modules radars, des outils de modélisation sont nécessaires. Deux outils complémentaires ont ainsi été développés. Le premier est une méthode numérique de modélisation faisant appel à deux logiciels utilisés en co-simulation. Cette méthode permet de modéliser un circuit électronique hyperfréquence et ses interactions avec les champs électromagnétiques créés par ce dernier. Les couplages entre éléments rayonnants sont premièrement modélisés par un logiciel 3D de simulation de champs électromagnétiques tel que HFSS d’Ansoft. Puis, les paramètres S rendant compte de ces couplages sont insérés dans une boite de données sous un logiciel de conception de circuit électronique hyperfréquence tel qu’ADS d’Agilent. ADS dispose alors de toutes les données nécessaires pour simuler un circuit hyperfréquence en tenant compte des champs électromagnétiques et des couplages entre éléments rayonnants. Cette méthode a été validée par des mesures sur un dispositif reproduisant une voie d’amplification de module radar. Les mesures montrent que le conditionnement de la voie d’amplification dans un boitier métallique peut être vu comme un conditionnement en cavité. En fonction de la fréquence des signaux utilisés et des dimensions de la cavité, un phénomène de résonance est mis en jeu. Ce phénomène peut véhiculer des couplages pouvant engendrer des dysfonctionnements majeurs au sein du système. La deuxième méthode de modélisation de couplages entre éléments rayonnants fait appel au formalisme de Kron. D’un point de vue général, cette méthode permet de modéliser des phénomènes physiques complexes comportant des variables de nature physique différente. Pour le cas de la voie d’amplification de module radar, le formalisme de Kron a été utilisé pour prévoir le niveau des couplages entre éléments rayonnants. Cette méthode a été validée par des mesures et rejoint les résultats fournis par les logiciels de simulation pour montrer l’importance des couplages engendrés par le phénomène de résonance intra-cavité. Afin de réduire les couplages créés par le phénomène de résonance intra-cavité, une méthode novatrice a été développée. Cette méthode fait appel à une ligne microstrip conçue pour absorber l’énergie du mode de résonance responsable de couplages problématiques. Pour être efficace cette ligne d’absorption doit être positionnée au niveau d’un ventre du mode de résonance ciblé et l’impédance des ports de cette piste doit être choisie de sorte à absorber le plus de couplage possible. La meilleure position de la ligne d’absorption de couplage est déterminée par un logiciel de type HFSS et les valeurs optimales d’impédance à attribuer aux ports de cette piste sont déterminées à l’aide d’un processus d’optimisation mis en place sous un logiciel de type ADS. Cette méthode a également été validée par des mesures.

The goal of this work has been to take into account the EMC constraints in designing Transmitter-Receiver radar modules concentrating on the radar microwave amplifying channel part. Several channels amplify a microwave signal in order to obtain a power and phase controlled signal, then the signals from all the channels are combined to generate the radar wave. To take EMC constraints into account in designing an amplifying channel, modelization tools are needed. Two complementary methods have been developed. The first one is a software modelization method that uses two software programs in co-simulation. This method modelizes a microwave electronic circuit and its interaction with the EM fields it creates. First, the couplings between radiating elements are modelized by using a 3D full-wave electromagnetic field software program like HFSS. Then the S-parameters that debrief the couplings are introduced into a data box in a 2D electronic design software program like ADS. Then, ADS simulates a microwave circuit taking EM fields and couplings into account. This method has been validated by measurements on a device that reproduces an amplifying channel. The measurements show that the amplifying channel housing can be seen as a cavity and according to the signal frequencies used, a resonance phenomenon occurs. This phenomenon can cause couplings which may result in malfunctions or damages. For instance, the signal in the radar microwave amplifying channel has critical disturbances due to the resonant phenomenon in the housing. The second method to modelize couplings between radiating elements uses the Kron formalism. From a general point of view this method modelizes complex multi-scale and multi-variable systems. In the radar amplifying channel case, the Kron formalism has been used to foresee coupling levels. This method has been validated by measurements and show as well as the software modelization method that the resonance phenomenon creates high level couplings. In order to reduce couplings created by the resonance phenomenon in a cavity, a new method has been developed. The method uses an absorption line designed to absorb the energy of the resonance mode responsible for problematic couplings. To be efficient, the absorption line has to be located at the level of an anti-node of the targeted resonance mode and the impedance values at each port of the line have to be chosen in order to absorb the maximum amount of coupling energy possible. The best position of the absorption line in the cavity is determined by using HFSS and the best impedance values at the ports of the line is determined by ADS through an optimization process. This method has been validated by measurements.