Analyse et conception de surfaces à impédance à dispersion contrôlée
L'ingénierie de la dispersion (DE) désigne le contrôle de la propagation des ondes électromagnétiques dans une structure en modulant la relation entre la fréquence et la vitesse de phase. Grâce à des matériaux et des surfaces artificiellement conçus, il est possible d’ajuster cette relation afin d’obtenir des comportements de propagation non conventionnels, permettant ainsi un contrôle précis des effets dispersifs du système. Dans le domaine des antennes, le DE peut améliorer plusieurs aspects essentiels des performances en rayonnement, notamment la largeur de bande en gain, la précision de balayage du faisceau et, plus généralement, la réduction des distorsions inhérentes aux variations de fréquence. Il peut également permettre des fonctionnalités supplémentaires, telles que le fonctionnement multibande ou le comportement multifocal dans des antennes à lentilles ou réflecteurs.
Cette thèse vise à étudier les phénomènes physiques régissant le contrôle des vitesses de phase et de groupe dans des surfaces artificielles bidimensionnelles présentant des impédances effectives dépendantes de la fréquence. Une attention particulière sera portée aux architectures à alimentation spatiale, telles que les réseaux transmetteurs et réflecteurs, où la dispersion joue un rôle déterminant. L’objectif est d’établir des formulations analytiques permettant de contrôler simultanément le retard de groupe et le retard de phase, de développer des modèles généraux et d’évaluer les limites fondamentales de ces systèmes en termes de performances en rayonnement. Ce travail est particulièrement pertinent pour les antennes à très fort gain, domaine dans lequel l’état de l’art reste limité. Les conceptions actuelles basées sur le DE présentent généralement une bande passante étroite, et aucune solution compacte à très fort gain (> 35 dBi) ne parvient encore à surmonter les dégradations liées à la dispersion, telles que la baisse de gain ou le dépointage du faisceau.
Le doctorant développera des outils théoriques et numériques, étudiera de nouveaux concepts de cellules unitaires périodiques pour les surfaces d’impédance, et concevra des architectures d’antennes avancées exploitant des principes tels que le délai de temps réel, le fonctionnement multibande à ouverture partagée ou la focalisation en champ proche avec minimisation des aberrations chromatiques. Le projet explorera également des technologies de fabrication alternatives afin de dépasser les contraintes des procédés classiques de PCB et de libérer de nouvelles capacités de contrôle de la dispersion.
Modélisation d'éclateurs et de composants de protection du réseau énergie
Le CEA Gramat est le centre d’expertise du CEA DAM (Direction des Applications Militaires) dans le domaine de l’électromagnétisme. Il réalise à ce titre des études de vulnérabilité de matériels soumis à des agressions électromagnétiques diverses. De nos jours, les infrastructures critiques (médicales, financières, industrielles) sont dépendantes des systèmes électroniques pour fonctionner.
Avec l’expansion des sources électromagnétiques (EM) impulsionnelles, une réelle menace d’attaque EM est crédible et peut induire sur les systèmes électroniques des perturbations allant jusqu'à la destruction. Dans ce cadre, les systèmes critiques connectés au réseau énergie doivent être protégés face à ce type d'agression.
La modélisation de ces éléments de protection est donc un enjeu majeur afin de les dimensionner vis-à-vis de l'agression considérée et de l'équipement à protéger.
Etude expérimentale et numérique de plasmas produits par faisceaux d'électrons
De nombreuses études effectuées au CEA Gramat portent sur la conception et le développement de machines de hautes puissances pulsées pour générer des rayonnements électromagnétiques et / ou ionisants. Ces rayonnements sont utilisés pour irradier des systèmes électroniques afin de quantifier leur vulnérabilité.
Pour concevoir ces machines, des simulations Maxwell 3D sont mises en œuvre et nécessitent des modèles pour prendre en compte le fonctionnement de certains composants comme par exemple les éclateurs et les diodes, dont la maîtrise est essentielle pour assurer la stabilité et la fiabilité des machines.
Corrélation entre la vulnérabilité des systèmes champ proche et champ lointain
Le CEA Gramat est le centre expert des effets des armes, notamment les armes électromagnétiques du CEA DAM (Direction des Applications Militaires). Il réalise à ce titre des études de vulnérabilité et de susceptibilité de systèmes soumis à des agressions électromagnétiques diverses. Durant ces dernières décennies l’intégration de l’électronique a permis de faire émerger des systèmes compacts et complexes possédant une forte capacité de calcul. L’explosion du nombre de capteurs et de composants dans les équipements électroniques rend la compréhension des mécanismes de vulnérabilité fastidieuse.
Afin de réaliser les études de vulnérabilité, le centre de Gramat dispose de nombreux moyens d’essai qui ne cessent d’évoluer. La mise en œuvre de nouveaux bancs de test et d’une nouvelle méthodologie d’analyse de susceptibilité est nécessaire pour compléter notre expertise face à ces systèmes de plus en plus complexes.
Etudes du transport d’un faisceau d’électrons dans du gaz
Le Laboratoire Faisceaux et Electronique de Puissance utilise des faisceaux d’électrons relativistes pulsés intenses afin d’étudier la réponse thermo-mécanique des matériaux. Ces expériences sont réalisées sur l’installation CESAR du CEA CESTA, une installation délivrant un faisceau d'électrons très intense (800 keV, 300 kA) en un temps très bref (quelques dizaines de nanosecondes). Le faisceau doit être transporté sur une dizaine de centimètres, avant d’atteindre la cible, dans laquelle il sera soumis à un champ magnétique et interagira avec du gaz. L'ionisation du gaz par le faisceau limite les effets de charge d'espace et permet ainsi de transporter le faisceau jusqu'à la cible étudiée. La physique du transport du faisceau dans la chambre d'expérience est complexe, justifiant des études expérimentales et numériques pour donner une description pertinente du faisceau qui interagit avec les matériaux étudiés.
Une partie des expériences sur CESAR est dédiée à la caractérisation du faisceau d'électrons. Cependant, le nombre de tirs étant limité, une étude systématique de la physique mise en jeu n'est pas envisageable sur ce moyen. En revanche, l'installation RKA, délivrant un faisceau moins intense que CESAR, est adaptée pour la réalisation de tirs d'étude. RKA permet donc d’étudier le comportement d'un faisceau propagé dans un gaz et de mettre au point les techniques et diagnostics associés. En outre, un code suivant la méthode PIC (Particle In Cell) permet de simuler le transport d’un faisceau d’électrons dans du gaz est actuellement développé.
Les expériences serviront alors à valider le code de calcul dans les différents régimes de transport. Le(la) candidat(e) devra choisir ou proposer des diagnostics afin de comparer les grandeurs représentatives du faisceau ou du plasma issues de l'expérience aux résultats de la simulation.
La thèse se déroulera entièrement au CEA/CESTA, situé au BARP (33) au sud de Bordeaux.
Commande contrôle de générateurs impulsionnels à état solide
Le CEA et le laboratoire SIAME de l'Université de Pau et Pays de l'Adour mènent des recherches exploratoires dans le domaine de la commutation à l’état solide pour les Hautes Puissances Pulsées (HPP).
Cette technologie offre des perspectives prometteuses pour le développement de nouvelles machines allégées en servitudes et systèmes ancillaires, dans des architectures électrotechniques plus compactes et plus intégrées. Cette technologie est un atout au profit des programmes de durcissement, de radiographie éclair, des grands lasers de puissance ou des applications électromagnétiques de Défense.
Le candidat travaillera à Pau et se rendra régulièrement sur le site du CEA CESTA au Barp (33114) pour des réunions d’échange et des phases expérimentales.