Etalonnage de réseau d’antennes par reconstruction in-situ de sources

Commencez votre carrière par une expérience à la pointe de la recherche technologique au CEA Grenoble, au sein d’une équipe R&D de renommée internationale dans le domaine des antennes.

Sujet de thèse :
Dans de nombreuses applications avancées (radar, goniométrie, surveillance du contexte électromagnétique - EM), la connaissance précise des rayonnements d’antennes, gouverne la précision du traitement (direction angulaire, polarisation des signaux reçus). Or l’intégration d’antennes miniatures sur des objets ou véhicules de quelques longueurs d’onde perturbe largement leur rayonnement. Dans les bandes de fréquences basses, l’étalonnage des antennes ne suffit pas à atteindre les meilleurs niveaux de performances et encore moins leur robustesse dans le temps.
Le challenge de cette thèse est de pouvoir mettre à jour in-situ (c’est-à-dire en quasi temps réel) la table d’étalonnage du champ lointain de réseau d’antennes. Pour ce faire, une 1ère partie théorique EM s’appuiera sur l’exhaustivité d’une analyse des modes/sources équivalentes induits sur la structure du porteur via la simulation EM dans le but d’extraire les modes présents et leur rayonnement. Une 2nde partie plus instrumentale, dimensionnera le réseau de sondes d’échantillonnage installées sur la structure du porteur, qui mesureront in -situ les pondérations de ces modes. Enfin la dernière partie opèrera l’hybridation des deux parties précédentes afin de reconstruire le rayonnement champ lointain en pondérant les modes simulés par les points mesurés.
La dernière année, une mise en oeuvre expérimentale permettra de valider la méthode et d’analyser sa performance.
Ce sujet complet (simulation EM d’antennes, analyses EM, mesures RF) sera encadré par une équipe expérimentée s’appuyant sur des outils et instruments d’exception (http://www.leti-cea.fr/cea-tech/leti/Pages/recherche-appliquee/plateformes/plateforme-telecommunications.aspx).

Candidat recherché : Ecole d’ingénieur ou Master 2 spécialisé en Antenne, Electromagnétisme, instrumentation RF

Cadre : CEA Grenoble, au coeur des Alpes
(http://www.youtube.com/watch?v=bCIcNJOzYZY)
Le CEA est un acteur majeur de la recherche, au service de l’Etat, de l’économie et des citoyens. Il apporte des solutions concrètes à leurs besoins dans quatre domaines principaux : transition énergétique, transition numérique, technologies pour la médecine du futur, défense et sécurité. Le CEA s’engage depuis plus de 75 ans au service de la souveraineté scientifique, technologique et industrielle de la France et de l’Europe pour un présent et un avenir mieux maîtrisés et plus sûrs. Implanté au coeur des territoires équipés de très grandes infrastructures de recherche, le CEA bénéficie d’un large éventail de partenaires académiques et industriels en France, en Europe et à l’international. Les 20 000 collaboratrices et collaborateurs du CEA partagent trois valeurs fondamentales :
- La conscience des responsabilités
- La coopération
- La curiosité

Conception d'un système de transmission de puissance inductif haute fréquence à base de GaN, robuste au désalignement

Le laboratoire LAIC du Département Systèmes du CEA-LETI à Grenoble est spécialisé dans le développement de systèmes électroniques et mécatroniques innovants, avec une prise en compte des problématiques liées à la récupération / gestion / transmission de l’énergie et l’intégration de capteurs dans des environnements variés. Dans le cadre du développement de ses activités de R&D, le LAIC propose une thèse sur la transmission de puissance sans fil par couplage inductif résonant à base de GaN.

Les technologies de transmission de puissance sans fil sont en plein essor avec des applications dans les domaines du spatial, de l’électronique grand public, du médical, de l'automobile ou encore de la défense. La technologie de transmission de puissance par couplage inductif résonant semble la plus prometteuse en terme d’efficacité en champ proche.

Les travaux de thèse envisagés feront suite au développement au sein du laboratoire d’un système incluant un coupleur électromagnétique à couplage fixe et une première électronique HF basée sur une topologie classe E à base de transistor GaN. Dans ce contexte, l’objectif de la thèse est de développer un système robuste au désalignement des bobines du coupleur. Il s’agira alors d’étudier, développer et tester les performances d’un nouveau coupleur et d’une électronique de pilotage adaptative. Le/la candidat(e) sera amené(e) à développer des modèles analytiques et numériques pour optimiser l’électronique, à comparer les performances des systèmes existants de la littérature, ainsi que proposer, développer et tester les performances de topologies innovantes à base de GaN assurant une bonne robustesse à une variation de couplage électromagnétique.

Un profil pluridisciplinaire orienté électronique de puissance et physique est recherché pour cette thèse. En plus de solides bases théoriques et de fortes compétences en simulation, le doctorant devra posséder des capacités à travailler en équipe, une aptitude à l’expérimentation et un attrait aux réalisations concrètes.

Antennes miniatures Super-gain à polarisation circulaire et dépointage électronique de faisceau

Le contrôle du rayonnement (forme, polarisation) des antennes est un élément clé pour les systèmes de communications actuels et du futur. Focaliser le rayonnement de l’antenne dans une direction privilégiée permet notamment d’adresser des applications qui nécessitent du filtrage spatial. Dans le contexte particulier de l’internet des objets (IoT) où plusieurs systèmes ou objets communicants peuvent cohabiter, le filtrage spatial amené par les antennes directives permet de favoriser la communication avec des objets sélectionnés sans perturber les systèmes environnants, puisque l’énergie est focalisée uniquement dans la direction de l’objet d’intérêt. Egalement, focaliser l’énergie rayonnée dans un secteur angulaire réduit permet de limiter les pertes d’énergie dans les autres directions et ainsi limiter la consommation et favoriser l’autonomie des batteries des objets communicants. Cependant, les techniques classiques pour améliorer la directivité du rayonnement conduisent généralement à une augmentation significative de la taille de l’antenne. Par conséquence, l’intégration d’antennes directives dans les objets communicants compacts reste limitée. Cette difficulté est particulièrement critique pour les gammes de fréquences inférieures à 3 GHz lorsqu’on vise une intégration dans des objets dont les dimensions sont de l’ordre de quelques centimètres. Des antennes avec une directivité et un gain importants, multi-bandes ou large bande, une taille réduite, à polarisation linéaire ou circulaire et avec la possibilité de dépointage électronique du faisceau sont nécessaires pour le développement de nouvelles applications dans le domaine des objets communicants. Les études récentes réalisées par le CEA ont permis la démonstration des potentialités des réseaux compacts d’antennes à élément parasites super directifs et le développement conjoint d’une expertise spécifique dans ce domaine. Les travaux de thèse se dérouleront au CEA Leti Grenoble au sein du Laboratoire Antennes Propagation et Couplage Inductif (LAPCI). Les principaux objectifs de ce travail de thèse sont : 1. Contribution au développement d’outils numériques pour la conception et l’optimisation de réseaux compacts et super directifs, super gain ou à formation de faisceau ; 2. Le développent de nouvelle sources élémentaires pour les réseaux d’antennes compacts ; 3. La réalisation d’un réseau à polarisation circulaire compact super gain et avec dépointage de faisceau. Les travaux à mener combineront études théoriques, développements de modèle et outils logiciels, conceptions par simulation électromagnétique 3D et expérimentations sur prototypes en laboratoire de métrologie des champs électromagnétiques.

Conception et caractérisation d’un amplificateur de puissance implémentée sur une technologie GaN

Le développement de la technologie GaN, ces dernières années, ouvre la voie au développement de circuits aux performances améliorées. L’utilisation de cette technologie en environnement sévère semble prometteuse et présente un intérêt pour une utilisation en milieu radiatif et avec des excursions de températures étendues. Outre les performances offertes par la technologie, une connaissance du comportement en fonction de ses conditions d’utilisation et de l’environnement est nécessaire pour accompagner l’utilisation de cette technologie.

Cette thèse s’appuiera sur les outils commerciaux de conception micro-électronique (Cadence VIRTUOSO) et sur les outils de simulation traditionnels (Keysight ADS). Le travail de thèse commencera par une étude bibliographique sur les amplificateurs de puissance en général et l’application à la technologie GaN en particulier. Ces fonctions feront, dans un premier temps, l’objet de simulations pour évaluer le circuit, en tenant compte de l’impact de l’encapsulation et de la thermique. Plusieurs amplificateurs et motifs de test seront ensuite conçus pour valider les principes de fonctionnement obtenus en simulation et réaliser des démonstrateurs mesurés en étuve et en milieu radiatif. Ces résultats seront utilisés pour aboutir à un démonstrateur associé à un modèle comportemental.

Modélisation par fonctions des alimentations soumises à des impulsions électriques forts niveaux

Les interférences électromagnétiques intentionnelles intenses sont capables de générer des perturbations électriques transitoires, analogues à celles produites par la foudre, se propageant sur les réseaux de distribution en électricité jusqu’aux alimentations des équipements électroniques. Des travaux de recherche doivent être mis en œuvre dans le but de prédire, en utilisant la simulation numérique, les effets des impulsions électriques intenses sur des alimentations à découpage.
L’objectif de la thèse est d’élaborer une modélisation prédictive de la destruction d'alimentations à découpage lorsqu’elles sont soumises à des courants impulsionnels de forts niveaux.
Le travail de thèse se décompose en trois grandes étapes :
o La première étape est l’élaboration d’un état de l’art sur : les effets d’impulsions électriques de forts niveaux sur les alimentations à découpage, les types de modélisation existants, les différentes fonctions des alimentations à découpage et leurs topologies représentatives, les moyens d’essais permettant d’extraire les paramètres nécessaires à la modélisation ;
o La deuxième étape aborde une approche expérimentale, envisagée pour : caractériser le comportement hors spécifications et extraire les paramètres électriques nécessaires à la modélisation de chaque fonction, prendre en compte, au travers d'une approche statistique, l'influence de la variabilité des caractéristiques des alimentations sur leur susceptibilité dans le but de généraliser les résultats;
o La troisième étape porte sur le choix de la modélisation pour chaque fonction et l'assemblage de ces modèles pour rendre compte du comportement d’alimentations et prédire leur seuil de destruction.

Evaluation probabiliste des contraintes sur un réseau électrique vis-à-vis d’une agression conduite

La vulnérabilité des systèmes électroniques aux agressions électromagnétiques intentionnelles est une question extrêmement sensible au regard des évolutions technologiques et du déploiement de nombreux équipements électroniques pour la gestion de processus critiques. Les effets d’une contrainte couplée sur un réseau électrique basse tension et de sa propagation dans une installation, à travers le circuit de distribution électrique jusqu’aux équipements terminaux, est un sujet actuel d’intérêt vis-à-vis de ces menaces. La détermination des niveaux de contrainte à l’entrée des équipements est une donnée fondamentale pour l’analyse de cette vulnérabilité, et elle est fonction de nombreuses données d’entrée (position et nombre de câbles d’alimentation, impédances de charge terminales), peu précisément connues et très variables d’une installation à l’autre. Une approche stochastique est donc proposée pour estimer les incertitudes et leurs propagations dans un modèle de réseau électrique.

Modélisation de la dynamique des faisceaux d’électrons dans les accélérateurs linéaires à induction

La Direction des Applications Militaires du CEA utilise la radiographie éclair pour « caractériser l’état de la matière soumise à des chocs forts ou à une densification importante sous l’effet d’explosifs ». Dans de telles conditions extrêmes, le succès des expériences de radiographie éclair nécessite des sources de rayonnement X impulsionnelles de faibles dimensions spatiales (quelques mm), brèves (environ 60 ns), fortement pénétrantes (quelques MeV) et intenses (plusieurs rads). De telles sources sont produites à partir du rayonnement de freinage créé par une impulsion brève et intense d'électrons (plusieurs kA) de haute énergie dans un matériau cible.

Filtre CEM hybride générique

Dans le domaine des applications embarquées, les spécifications des convertisseurs de puissance sont cruciales. Ils doivent non seulement être efficaces et compacts, mais aussi respecter des normes strictes en matière de compatibilité électromagnétique (CEM). Comprenez que ces convertisseurs peuvent être sensibles à leurs propres interférences (auto-immunité), causer des ou subir des perturbations dans leur environnement, principalement à cause des courants de mode commun.
Même les convertisseurs de puissance à basse puissance peuvent générer des émissions électromagnétiques à haute fréquence, ce qui peut interférer avec d'autres équipements à proximité ou même perturber les signaux radio.
Traditionnellement, pour répondre aux exigences de la CEM, nous avons recours à des techniques de blindage et de filtrage passif, ce qui ajoute du poids, du volume et des coûts significatifs au système. Environ 20 % de ces coûts et de ces contraintes sont imputés aux filtres CEM passifs.
Nous notons l’arrivée de nouveaux convertisseurs (basés sur des composants grand Gap SiC/GaN) dont les fréquences de commutation s’approchent, voire empiètent sur les gammes de fréquences des normes CEM. Afin de mieux tenir compte de cette problématique, une nouvelle alternative émerge : les filtres CEM actifs. Ces derniers offrent des performances au moins similaires tout en réduisant considérablement l'encombrement et le poids.
Dans le cadre de cette thèse, nous allons explorer ces filtres actifs CEM à travers différentes étapes. Nous commencerons par un état de l'art, suivi de l'estimation du bruit en mode commun et en mode différentiel des composants de commutation. Ensuite, nous simulerons et comparerons les solutions les plus pertinentes, qu'elles soient actives ou passives. Nous passerons également à la pratique en réalisant des tests de compatibilité électromagnétique sur des filtres et des convertisseurs courants.
Enfin, nous concevrons et testerons un prototype de filtre actif pour un convertisseur spécifique. Pour mener à bien cette thèse, il est nécessaire de maîtriser à la fois l'électronique analogique et numérique, ainsi que les logiciels de simulation électronique (LTspice, Pspice ou PSIM) et les outils de conception de circuits imprimés (Altium). De plus, une connaissance de la programmation embarquée serait un atout précieux.

Convertisseur de puissance d’interface avec les réseaux MVAC et MVDC

Dans ce sujet de thèse, nous proposons un convertisseur de puissance d’interface avec les réseaux MVAC et MVDC. Les stratégies de contrôle GI-PC pour fournir des services système et faciliter la gestion et la protection du réseau seront étudiées (ex : support du plan de tension, étude des résonances, MVRT : Medium Voltage Ride Through, etc...). Un prototype numérique de GI-PC au niveau MV sera proposé mettant en œuvre les algorithmes de contrôle. La validation du prototype comprendra la régulation du bus MVDC selon différents scénarios. Le GI-PC peut contribuer pour :
• Fournir une interface connectée au réseau pour divers systèmes MVAC tels que le routeur de puissance
• Fournir une interface de distribution pour différents niveaux de systèmes DC
• Améliorer la qualité de l'énergie des systèmes de distribution MVAC
• Fournir une interface connectée au réseau pour les sources DC de haute puissance telles que les stations de recharge de véhicules électriques, les systèmes de stockage d'énergie par batterie, l'H2, les parcs photovoltaïques et éoliens.
• Autres fonctionnalités : prise en charge des défauts (pare-feu), réduction des déséquilibres, auto-reconfiguration (redondance), adaptation de la mise à la terre, isolation galvanique…

Résolutions de problèmes inverses par deep learning appliqués à l'interférométrie

Dans la continuité des travaux de thèse de Benoît Rougier et de Jérémi Mapas appliqués à l'interférométrie radiofréquence sur la compréhension de la propagation d’une onde électromagnétique à travers une onde de choc pour l'étude à coeur des propriétés de matériaux innovants, cette thèse vise à exploiter les signaux bruts du radio-interféromètre pour déterminer simultanément la vitesse d’un choc et la vitesse matérielle dans des solides inertes ou énergétiques soumis à un choc soutenu ou non-soutenu. Un modèle de propagation des ondes millimétriques dans un milieu dissipatif présentant deux couches diélectriques séparées par des interfaces en mouvement a été élaboré pour adresser le cas du choc soutenu. Une résolution du problème inverse du modèle à deux couches avec pertes a été proposée avec l'apport du deep learning et des réseaux convolutifs. Un modèle multicouche sans pertes diélectriques a été également initié pour le cas du choc non soutenu.

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