Etude et conception d'un LNA robuste face à une agression électromagnétique
Le CEA Gramat est le centre expert des effets des armes, notamment les armes électromagnétiques. Il réalise à ce titre des études de vulnérabilité et de susceptibilité de systèmes soumis à des agressions électromagnétiques (EM) diverses. Depuis plusieurs décennies la miniaturisation et l’intégration de l’électronique a permis de faire émerger des systèmes de radiocommunication très compacts et complexes mais également potentiellement plus vulnérables vis-à-vis d’une agression EM intentionnelle.
L’amplificateur faible bruit (LNA) constitue généralement le premier composant actif de l’étage d’entrée d’une chaîne de réception RF. C’est pourquoi il constitue l’élément dimensionnant face à une telle agression. Afin de limiter cette menace ou de s’en affranchir, une bonne connaissance des effets des agressions EM sur un LNA est essentielle et il s'agit d'identifier de potentielles architectures qui présenteraient une robustesse à ces effets.
L’objectif de la thèse est de proposer une nouvelle architecture de LNA capable de supporter différents types d'agressions EM impulsionnelles.
Le candidat devra étudier les effets d'une agression EM sur un LNA pour en connaître ses limites jusqu'à sa destruction. Une analyse de défaillance sera menée au LAAS Toulouse pour connaitre l'origine et la localisation de la zone endommagée. Il devra s'approprier l’architecture innovante de LNA « auto-adaptatif » disponible au LAAS et l'adapter pour concevoir un nouveau design de composant résilient à différents types d’agression EM. Enfin, une évaluation expérimentale des performances du LNA fabriqué par un partenaire industriel sera effectuée.
La première partie de la thèse sera consacrée à une étude bibliographique sur les LNA : principe, technologies GaAs et GaN, caractéristiques, effets d'une agression EM intentionnelle (AGREMI). On s'intéressera tout particulièrement à la dégradation permanente et non permanente de leurs performances (gain, facteur de bruit) en fonction du niveau et de la forme d'onde de l'agression EM. La seconde partie sera d'évaluer expérimentalement les seuils de dégradation jusqu'à la destruction de plusieurs types de LNA commerciaux et de laboratoire pour plusieurs types d'agressions EM typiques en mode conduit et de proposer une ou des stratégies de protection. La troisième partie sera de proposer un design original de LNA "auto-adaptatif" beaucoup plus robuste. Cette partie reposera sur la base d'une architecture innovante de LNA GaN issue de travaux antérieurs menés au LAAS. La fabrication de ces composants se fera dans le cadre d'une collaboration avec un fondeur européen. Enfin dans une dernière partie, on caractérisera, au niveau du wafer, leurs performances en régime nominal (facteur de bruit en particulier) puis au cours et après une agression EM. Les travaux de thèse se dérouleront entre le laboratoire universitaire LAAS - CNRS à Toulouse et le CEA à Gramat.
Propagation des incertitudes pour la mesure d'impulsions électromagnétiques
Le CEA Gramat réalise des études dans le domaine de la vulnérabilité et du durcissement des équipements et systèmes militaires vis-à-vis des agressions EM (électromagnétique). A ce titre, de nombreuses expérimentations sont menées notamment en ce qui concerne l’IEMN HA (Impulsion Electromagnétique d’origine Nucléaire Haute Altitude).
Les systèmes de mesure liés à cette activité, tels que les capteurs et les chaînes de mesures de champ EM sont généralement déployés dans des environnements sévères où les conditions de mise en oeuvre sont complexes. Ces contraintes imposent de prendre des marges de sécurité importantes quant aux résultats expérimentaux obtenus car les sources d’incertitudes ne sont pas toutes connues et/ou sont difficiles à maîtriser.
La thèse a pour objectif de mettre au point une méthode fiable de propagation des incertitudes dans le domaine impulsionnel IEMN HA. Le développement de cette méthode ou algorithme pourra s’effectuer en s’appuyant sur des travaux liés aux problématiques de propagation des incertitudes (équations différentielles multi-variables, méthode de Monte-Carlo, matrice de covariance). Cet algorithme sera ensuite utilisé et validé au CEA Gramat en utilisant les moyens disponibles en interne.
Le travail débutera par la prise en main des différents moyens métrologiques pour les mesures d’impulsions IEMN HA (capteurs, chaînes de mesures, oscilloscopes, analyseurs de réseau…) ainsi que par une étude bibliographique sur les techniques de propagation des incertitudes.
Une première partie du travail se déroulera au laboratoire de l'Institut Pascal de Clermont-Fd qui apportera son expertise théorique, numérique et expérimentale sur la propagation des incertitudes de mesure en électromagnétisme. Dans un second temps, les sources d’incertitudes environnementales et métrologiques devront être déterminées. Pour estimer l’incertitude de mesure, il faudra notamment tenir compte des erreurs liées aux désadaptations d’impédance, à l’étalonnage des instruments, aux imperfections dues à l’échantillonnage électro-optique des chaînes de mesure etc.
La seconde partie du travail de thèse consistera à partir des sources d’incertitudes de développer un algorithme de calcul pour remonter à la mesure temporelle d’une impulsion IEMN HA avec les dispersions associées. Enfin, cet algorithme devra être appliqué sur un grand simulateur expérimental du CEA Gramat en utilisant les moyens métrologiques du centre.
Modélisation de l'électronique face à une impulsion électromagnétique
Les systèmes électroniques embarqués peuvent être soumis à des menaces électromagnétiques sévères (naturelles comme la foudre, artificielles comme l’exposition à des champs radio / radar, ou agressives d’origine militaire ou malveillantes) qui peuvent détériorer leur fiabilité et compromettre leur mission. Les systèmes électroniques ont ainsi des spécifications de tenue à des menaces, telles que les impulsions électromagnétiques (IEM) d’origine nucléaire haute altitude (IEMN-HA), ou de potentielles agressions électromagnétiques non nucléaires mais intentionnellement malveillantes. L’évaluation de leur vulnérabilité, et des performances des mesures de protection destinées à y pallier, impose de connaître les niveaux de susceptibilité intrinsèque des composants électroniques sensibles. L’évaluation prédictive du comportement des systèmes face à ce type d'agressions est un enjeu majeur tant vis-à-vis de leur sécurité, que pour la compréhension des phénomènes de défaillance.
Optimisation de la conception de sondes électro-optiques
Dans le domaine de la vulnérabilité électromagnétique des systèmes, vis-à-vis de l’IEMN HA (Impulsion Electromagnétique d’origine Nucléaire Haute Altitude), des simulateurs expérimentaux générant de forts niveaux de champ électrique sont employés pour agresser les équipements sous test.
Cette agression peut se véhiculer dans les systèmes électroniques, engendrant l’utilisation d’une grande diversité de capteurs pour mesurer ces contraintes qui sont de natures différentes (courant, tension, champ électrique, champ magnétique). Si des produits commerciaux couvrent les besoins en dynamique et en bande passante pour les mesures de courant, il n’en est pas de même pour les mesures de champs électromagnétiques.
A l’heure actuelle, des mesures avec une dynamique de 50 dB voire plus et une résolution temporelle de l’ordre de la nanoseconde restent un verrou qui ne peut pas être levé avec les outils classiques de mesures à base d’antennes métalliques.
Par ailleurs, des solutions diélectriques existent, basées sur des composants électro-optiques, mais elles n’atteignent pas encore les performances ciblées, et la robustesse reste une problématique à adresser. Le laboratoire FEMTO-ST de Besançon développe deux types de sondes électro-optiques, soit à cristaux photoniques, soit à base de guides. Ces approches ont été testées au travers d'une première thèse avec le CEA Gramat ce qui a donné lieu à un prototype de capteur.
Désormais, l'objectif de la thèse est d'améliorer la dynamique de mesure ainsi que de travailler sur l'encapsulation du capteur dans un boitier afin de le rendre plus robuste.