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

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1 Prise en compte des contraintes de CEM dans la conception de modules d émission réception pour radars Romain Orange Soutenance de thèse 31 mai 2012 Directeur de thèse : Daniel Pasquet Encadrants : Stéphane Louis (Thales Air Systems) Fabrice Duval (IRSEEM)

2 2 Plan de la présentation. Introduction : Contexte et problématique de la thèse. I. Modélisation par une méthode numérique. II. Modélisation par le formalisme de Kron. III. Réduction de couplages par une piste chargée. Conclusion générale et perspectives.

3 3 Plan de la présentation. Introduction : Contexte et problématique de la thèse. 1. Contexte. Définition de la CEM. Architecture générale des radars. Exemple de module radar. 2. Problématique. Importance de la CEM pour les modules radars. Cahier des charges des outils à mettre en place. 3. Méthode de travail. Stratégie de travail. Présentation du cas d étude. I. Modélisation par une méthode numérique. II. Modélisation par le formalisme de Kron. III. Réduction de couplages par une piste chargée. Conclusion générale et perspectives.

4 Introduction : Contexte et problématique de la thèse Contexte (1/3). Définition de la Compatibilité Electro-Magnétique (CEM) : Aptitude d'un système à fonctionner de façon satisfaisante dans son environnement électromagnétique, sans produire lui-même des perturbations électromagnétiques intolérables pour tout ce qui se trouve dans cet environnement. Emission rayonnée Immunité rayonnée Composant ou système Emission conduite Immunité Conduite Composant ou système

5 Introduction : Contexte et problématique de la thèse Contexte (2/3). Thales Air Systems conçoit et produit des modules d émission réception pour radars. Voie réception Voie émission Fonction de génération de signal hyperfréquence pour émettre une onde radar. Fonction de réception et de traitement de l onde radar renvoyée par une cible.

6 Introduction : Contexte et problématique de la thèse Contexte (3/3). Exemple de module radar : Carte de distribution Signaux hyperfréquences (Etages amplificateurs, ) Signaux basses fréquences (Fréquence de découpage des convertisseurs DC/DC, ) Carte d alimentation HPA (High Power Amplifier) Signaux hyperfréquences et numériques (Composants multifonctions, ) Carte MFC (Multi-Function Chip) Carte de commande Signaux hautes fréquences et numériques (Horloge, )

7 Introduction : Contexte et problématique de la thèse Problématique (1/2). Système particulièrement concerné par la CEM : Cohabitation de signaux de nature différente. Couverture d une large gamme de fréquence (de quelques Hz à quelques GHz). Disparité des niveaux de puissance au sein du module. Nécessité de tenir compte de la CEM dès la phase de conception des modules. Besoin d outils pour : Anticiper les phénomènes électromagnétiques. Tester diverses solutions en réponse au problèmes rencontrés.

8 Introduction : Contexte et problématique de la thèse Problématique (2/2). Cahier des charges des outils à mettre en place : Modéliser le comportement électronique d un module associé aux phénomènes électromagnétiques mis en jeu. Prendre en compte les matériaux présents (substrat, absorbants, etc) et le conditionnement (boitier métallique, espace libre, etc). Accessibilité matérielle de l outil aux concepteurs de modules radars de Thales Air Systems. Facilité d utilisation pour des non-spécialistes de la CEM.

9 Introduction : Contexte et problématique de la thèse Méthode de travail (1/1). Stratégie de travail : Partir d un problème rencontré dans un module radar. Mettre au point une méthode de modélisation qui aurait permis de l anticiper puis de le résoudre. Vérifier le modèle obtenu par des mesures. Présentation du cas d étude (HPA) :

10 10 Plan de la présentation. Introduction : Contexte et problématique de la thèse. I. Modélisation par une méthode numérique. 1. Présentation de la méthodologie. Simulation des phénomènes électromagnétiques. Simulation du comportement électronique du système. Mise en place d un modèle global. 2. Application au cas d étude. Modélisation d un HPA simplifié. 3. Validation de la méthode par des mesures. Mesure des niveaux de couplage. II. Modélisation par le formalisme de Kron. III. Réduction de couplages par une piste chargée. Conclusion générale et perspectives.

11 I. Modélisation par une méthode numérique Présentation de la méthodologie (1/2). Simulation des phénomènes électromagnétiques sous un logiciel de type HFSS : Prise en compte : Des éléments rayonnants (pistes, composants, etc). Des matériaux présents (substrat, absorbants, plots ou écrans métalliques). Du conditionnement (boitier métallique, espace libre, etc). Simulation des couplages entre éléments rayonnants. Calcul des paramètres S.

12 I. Modélisation par une méthode numérique Présentation de la méthodologie (2/2). Modélisation sous un logiciel de type ADS : Prise en compte des composants électroniques. Insertion dans le logiciel des données rendant compte des couplages entre éléments rayonnants (paramètres S). Edition des paramètres S dans un fichier Touchstone Insertion dans une boite de données Simulation des paramètres S

13 I. Modélisation par une méthode numérique Application au cas d étude (1/6). Modélisation d un HPA simplifié : Dimensionnement du boitier en fonction de la fréquence du signal nominal du système.

14 I. Modélisation par une méthode numérique Application au cas d étude (2/6). Utilisation d un amplificateur large bande. Création volontaire de l oscillation du système. Vérifier que l on est capable d anticiper ce phénomène à l aide de la méthode de modélisation mise au point.

15 I. Modélisation par une méthode numérique Application au cas d étude (3/6). Simulation des couplages inter-pistes sans amplificateur : Le phénomène de résonance véhicule du couplage.

16 I. Modélisation par une méthode numérique Application au cas d étude (4/6). Carte du champ électrique à 3.15 GHz : Le mode de résonance 4, 1, 0 engendre un pic de couplage à 3.15GHz. Le couplage entre deux éléments est d autant plus important que ces éléments se trouvent au niveau de ventres d un mode de résonance.

17 I. Modélisation par une méthode numérique Application au cas d étude (5/6). Création du modèle du HPA simplifié sous ADS :

18 I. Modélisation par une méthode numérique Application au cas d étude (6/6). Simulation des paramètres S du HPA simplifié : Oscillation du système à 3.17 GHz.

19 I. Modélisation par une méthode numérique Validation par des mesures (1/5). Dispositif de mesure : Vérification : Des niveaux de couplage simulés. Du phénomène d oscillation du système.

20 I. Modélisation par une méthode numérique Validation par des mesures (2/5). Protocoles de mesure : Mesure des paramètres S à l analyseur de réseau vectoriel (cas sans amplificateur). Mesure du signal sur les ports E et S à l analyseur de spectre (cas avec amplificateur).

21 I. Modélisation par une méthode numérique Validation par des mesures (3/5). Mesure avec un VNA des couplages inter-pistes (sans amplificateur) :

22 I. Modélisation par une méthode numérique Validation par des mesures (4/5). Mesure avec un analyseur de spectre du signal en sortie du système (avec amplificateur) :

23 I. Modélisation par une méthode numérique Validation par des mesures (5/5). Mesure avec un analyseur de spectre du signal en entrée du système (avec amplificateur) :

24 I. Modélisation par une méthode numérique. 24 Conclusion (1/1). Confirmation par des mesures que la méthode de modélisation mise au point permet de simuler un système hyperfréquence en tenant compte des phénomènes électromagnétiques. Mise en évidence de l importance des couplages véhiculés par le phénomène de résonance intra-cavité. Les temps de simulation sont relativement longs (de l ordre de quelques jours). La méthode mise au point ne pousse pas l utilisateur à comprendre ce qu il modélise.

25 25 Plan de la présentation. Introduction : Contexte et problématique de la thèse. I. Modélisation par une méthode numérique. II. Modélisation par le formalisme de Kron. 1. Principe général de la méthode. Décomposition du système en sous-systèmes. Mise en place d un schéma électrique équivalent. Mise en équation et résolution du problème suivant le formalisme de Kron. 2. Application à un cas concret. Modélisation de couplages inter-pistes dans une cavité sans amplificateur. 3. Validation du modèle par des mesures. Mesure des niveaux de couplages. III. Réduction de couplages par une piste chargée. Conclusion générale et perspectives.

26 II. Modélisation par le formalisme de Kron Principe général de la méthode (1/4). Division du système en sous-systèmes élémentaires. Les sous-systèmes sont délimités par les milieux qui atténuent ou propagent le champ électromagnétique.

27 II. Modélisation par le formalisme de Kron Principe général de la méthode (2/4). Mise en place du schéma électrique équivalent de chaque sous-système. Exemples : Schéma équivalent d une ligne microstrip. Schéma équivalent d une cavité résonante.

28 II. Modélisation par le formalisme de Kron Principe général de la méthode (3/4). Choix de l espace topologique. Le champ électrique est matérialisé dans l espace des branches. Le champ magnétique est matérialisé dans l espace des mailles.

29 II. Modélisation par le formalisme de Kron Principe général de la méthode (4/4). Mise en équation de chaque sous-système par le formalisme de Kron : Mise en place de la matrice des fém, des courants et des impédances dans un espace adapté. Définition des interactions entre chaque sous-système dans l espace le plus judicieux par le biais d une matrice des impédances. Passage d un espace à un autre par une matrice de connectivité pour mettre en équation le système et le résoudre.

30 II. Modélisation par le formalisme de Kron Application sur un cas concret (1/7). Couplage entre deux pistes dans une cavité résonante. Cavité Piste 1 Piste 2 Décomposition du problème en sous-systèmes :

31 II. Modélisation par le formalisme de Kron Application sur un cas concret (2/7). Mise en place de schémas électriques équivalents : Les couplages engendrés par le phénomène de résonance intra-cavité sont exprimés par l intermédiaire d une matrice dite chaine.

32 II. Modélisation par le formalisme de Kron Application sur un cas concret (3/7). Expression de la matrice chaine : On définit t 11, t 12, t 21 et t 22 de la façon suivante : On exprime alors les couplages dans la matrice des impédances à l aide de l équation :

33 II. Modélisation par le formalisme de Kron Application sur un cas concret (4/7). Mise en équation du système. L équation générale du système dans l espace des mailles est : Avec : E m = Z m J m E m = 1 0 La matrice impédance dans l espace des branches s écrit : Z b = R L t 11 det (T) t 21 t t 22 t 21 t R L

34 II. Modélisation par le formalisme de Kron Application sur un cas concret (5/7). Mise en équation du système. Définition de la matrice connectivité : C = On exprime alors la matrice impédance dans l espace des mailles : Z m = C Z b C

35 II. Modélisation par le formalisme de Kron Application sur un cas concret (6/7). Mise en équation du système. On exprime ensuite les courants dans l espace des mailles : I m = E m Z m Le couplage entre les pistes 1 et 2 est exprimé par l intermédiaire du paramètre S 12. Ce paramètre S est exprimé par le rapport du courant de sortie sur le courant d entrée du système. Les calculs sont menés sous un logiciel de type Matlab.

36 II. Modélisation par le formalisme de Kron Application sur un cas concret (7/7). Simulation du couplage inter-piste.

37 II. Modélisation par le formalisme de Kron Validation par des mesures (1/3). Dispositif de mesure : Vérification des niveaux de couplage inter-piste modélisés par la méthode de Kron. Utilisation d un analyseur de réseau vectoriel.

38 II. Modélisation par le formalisme de Kron Validation par des mesures (2/3). Protocole de mesure :

39 II. Modélisation par le formalisme de Kron Validation par des mesures (3/3). Mesure des paramètres S entre l entrée et la sortie du système (ports 6 et 1):

40 II. Modélisation par le formalisme de Kron. 40 Conclusion (1/1). Les mesures confirment que le modèle mis en place à l aide de la méthode de Kron, permet de modéliser les couplages engendrés par le phénomène de résonance intra-cavité. Bien plus que de fournir un résultat final, la méthode de Kron permet d établir les équations régissant les phénomènes physiques mis en jeu. Cette méthodologie pousse l utilisateur à comprendre ce qu il modélise. La mise en place d un modèle simple et la résolution des équations associées ne nécessitent que quelques heures. Cette méthode nécessite de bien connaitre au préalable les propriétés du formalisme de Kron.

41 41 Plan de la présentation. Introduction : Contexte et problématique de la thèse. I. Modélisation par une méthode numérique. II. Modélisation par le formalisme de Kron. III. Réduction de couplages par une piste chargée. 1. Présentation de la méthodologie. Dimensions et placement de la piste dans la cavité. Optimisation des valeurs d impédance des ports de la piste. 2. Application sur un cas concret. Réduction de couplage inter-piste. Suppression d un phénomène d oscillation. 3. Validation de la méthode par des mesures. Vérification des niveaux de couplage. Vérification de la suppression d un phénomène d oscillation. Conclusion générale et perspectives.

42 III. Réduction de couplages par une piste chargée Présentation de la méthodologie (1/3). Dimensions et placement de la piste dans la cavité.

43 III. Réduction de couplages par une piste chargée Présentation de la méthodologie (2/3). Détermination des valeurs d impédance à appliquer aux ports de la piste sous un logiciel de type ADS : Simulation des couplages sous un logiciel de type HFSS.

44 III. Réduction de couplages par une piste chargée Présentation de la méthodologie (3/3). Détermination des valeurs d impédance à appliquer aux ports de la piste sous un logiciel de type ADS : Insertion des paramètres S dans une boite de données. Utilisation d un processus d optimisation.

45 III. Réduction de couplages par une piste chargée Application sur un cas concret (1/6). Cas d étude : le HPA simplifié. Réduire les couplages inter-pistes par une piste chargée : Mettre en place une piste de réduction de couplages. Simuler la réduction des couplages. Vérifier les simulations par des mesures.

46 III. Réduction de couplages par une piste chargée Application sur un cas concret (2/6). Dimensions et placement de la piste de réduction de couplages dans la cavité : Le mode 4, 1, 0 engendre le niveau de couplage maximum. Réduction du couplage engendré par le mode 4, 1, 0 (3.15 GHz).

47 III. Réduction de couplages par une piste chargée Application sur un cas concret (3/6). Détermination des valeurs d impédance optimales des ports de la piste :

48 III. Réduction de couplages par une piste chargée Application sur un cas concret (4/6). Simulation de la réduction du couplage ciblé : Réduction de 21dB du couplage engendré par le mode 4, 1, 0.

49 III. Réduction de couplages par une piste chargée Application sur un cas concret (5/6). Modélisation du système avec l amplificateur :

50 III. Réduction de couplages par une piste chargée Application sur un cas concret (6/6). Simulation de la suppression du phénomène d oscillation à 3.15 GHz:

51 III. Réduction de couplages par une piste chargée Validation par des mesures (1/5). Dispositif de mesure : Vérification de la réduction du couplage ciblé (cas sans amplificateur). Vérification de la suppression du phénomène d oscillation du système (cas avec amplificateur).

52 III. Réduction de couplages par une piste chargée Validation par des mesures (2/5). Protocoles de mesure : Mesure des niveaux de couplage à l analyseur de réseau vectoriel (cas sans amplificateur). Mesure du signal en entrée et en sortie du système par un analyseur de spectre (cas avec amplificateur).

53 III. Réduction de couplages par une piste chargée Validation par des mesures (3/5). Comparaison des valeurs optimales d impédance des ports de la piste de réduction de couplage :

54 III. Réduction de couplages par une piste chargée Validation par des mesures (4/5). Mesure du couplage inter-piste (sans amplificateur) : Réduction de 21dB du couplage engendré par le mode 4, 1, 0.

55 III. Réduction de couplages par une piste chargée Validation par des mesures (5/5). Mesure du signal en sortie du dispositif (avec l amplificateur) : Suppression du phénomène d oscillation.

56 III. Réduction de couplages par une piste chargée. 56 Conclusion (1/1). Confirmation par des mesures que la méthode visant à réduire des couplages à l aide d une piste chargée est efficace (réduction de l ordre de 20dB). La prévision du niveau de réduction du couplage par la simulation est également confirmée par les mesures. La méthode cible le couplage engendré par un mode de résonance donné. Dans le cadre d une implémentation en système embarqué, il peut être difficile d obtenir les valeurs d impédance obtenues par optimisation.

57 57 Plan de la présentation. Introduction : Contexte et problématique de la thèse. I. Modélisation par une méthode numérique. II. Modélisation par le formalisme de Kron. III. Réduction de couplages par une piste chargée. Conclusion générale et perspectives.

58 Conclusion générale et perspectives. 58 Conclusion générale (1/1). Deux méthodes complémentaires permettant d anticiper les phénomènes électromagnétiques au sein d un module radar sont proposées aux concepteurs de modules de Thales Air Systems. Devant le constat des niveaux de couplage engendrés par le phénomène de résonance intra-cavité, une méthode novatrice de réduction de couplage a été mise au point et peut être facilement implémentée au sein d un module radar dès la phase de conception.

59 Conclusion générale et perspectives. 59 Perspectives sur la méthode numérique de modélisation (1/1). La méthode pourrait être automatisée en mettant en place des macros afin d obtenir une co-simulation. Le rayonnement de composants pourrait être pris en compte en insérant des modèles comportant un ensemble de dipôles ou de boucles élémentaires dont les propriétés sont obtenues par des mesures en champ proche.

60 Conclusion générale et perspectives. 60 Perspectives sur la méthode de Kron (1/1). Des modèles pourraient être mis en place en tenant compte de la contribution de composants. Pour cela, il serait possible d introduire sous Matlab (ou Scilab) des fichiers de paramètres S que l on associerait aux calculs. Des modèles plus précis pourraient être mis en place en tenant compte de paramètres négligés dans le modèle présenté précédemment (pertes, rayonnement direct, etc). Il existe plusieurs façons de modéliser notre cas d étude. Ces différentes méthodes pourraient être comparées entre elles et on pourrait s assurer que des approches différentes aboutissent à des résultats similaires.

61 Conclusion générale et perspectives. 61 Perspectives sur la méthode de réduction de couplages (1/1). Les effets sur l efficacité de la réduction des couplages de paramètres tels que les dimensions, la géométrie et l orientation de la piste dans la cavité, pourraient être étudiés. Le processus d optimisation utilisé pour déterminer l impédance optimale des ports de la piste pourrait être lancé en faisant varier des valeurs de composants. Les valeurs obtenues pourraient ensuite être comparées à une banque de données de composants existants pour déterminer l association donnant l impédance la proche possible de la valeur d impédance optimale.

62 Merci beaucoup pour votre attention. Questions? Romain Orange Soutenance de thèse 31 mai 2012 Directeur de thèse : Daniel Pasquet Encadrants : Stéphane Louis (Thales Air Systems) Fabrice Duval (IRSEEM)