Modèle électromagnétique et fabrication de la sonde

La simulation des dipôles obtenus à l’aide d’un logiciel de simulation électromagnétique permet une validation plus précise du modèle de la sonde. Elle tient compte des caractéristiques non idéales des différents matériaux des éléments constituant la sonde. Parmi ces caractéristiques, la taille de sonde et du plan de masse peuvent être introduite, la permittivité et la complexité des isolants peuvent être considérées de même que les altitudes et la forme réelles de chaque inductance.

III.2.2.2.1 Choix de la technologie

Le modèle électromagnétique de la sonde à réaliser dépend fortement des caractéristiques physiques réelles des matériaux qui seront utilisés pour la fabriquer. Il est donc impératif de choisir la technologie dans laquelle la sonde sera fabriquée avant même de démarrer l’étape de simulation électromagnétique.

La technologie doit être choisie en fonction du résultat souhaité, c’est à dire des fréquences mises en jeu et de la puissance que devra supporter la sonde. Il est également nécessaire de prendre en compte la durée et le coût de réalisation de la sonde.

Si l’on choisit de fabriquer la sonde avec un circuit imprimé standard double face, il n’est pas possible de paramétrer l’épaisseur d’isolant qui sépare les deux couches de métal. Dans le logiciel de simulation FEKO [FEKO] cette épaisseur est fixe. Il existe toutefois sur le marché des circuits imprimés de différentes épaisseurs. De même la permittivité de l’isolant, la conductivité et l’épaisseur du cuivre sont fixes. Si on désire changer l’un de ces paramètres, il faut changer de type de circuit imprimé. Une fois que le circuit imprimé est choisi, la réalisation proprement dite de la sonde présente également ses contraintes. La plus forte étant la précision sur la largeur des pistes que l’on veut réaliser. Quelque soit la technologie choisie, des limites existent : en dessous d’une certaine largeur de pistes, la précision ne peut plus être garantie. Plus on prend connaissance de ces limites tôt, plus on gagne du temps.

Lorsque la technologie est choisie, la simulation électromagnétique de la sonde peut débuter. Elle se fait en deux étapes : le dessin puis la simulation. Chaque résultat de simulation doit être comparé à la mesure du composant afin d’être validé.

III.2.2.2.2 Dessin et simulation électromagnétique du modèle de la sonde

Le dessin de la sonde se fait en utilisant un ou plusieurs simulateurs. En effet, l’utilisation de plusieurs simulateurs permet d’obtenir rapidement les caractéristiques de la sonde à réaliser. Le but étant d’évaluer les caractéristiques de la sonde selon les contraintes qui sont fixées. Dans une situation où seule la répartition spatiale du champ doit être corrélée à celle du circuit intégré à émuler, seule une simulation de l’émission champ proche peut être faite. Cependant cette simulation doit se faire dans les mêmes conditions que pour la mesure. En particulier, il ne faut pas négliger l’impédance de la source et celles des appareils de mesure. Il ne faut pas non plus négliger l’effet des câbles qui sont utilisés, surtout si l’on travaille à plusieurs dizaines mégahertzs voire au-delà.

Il existe deux approches de modélisation de la sonde. La première correspond à la situation où le plan de masse peut être considéré comme étant infini. C’est le cas lorsque la taille de l’ensemble des dipôles rayonnants est très petite devant le plan de masse. La deuxième consiste à attribuer des dimensions finies au plan de masse. Concrètement, c’est la taille réelle que l’on donne au plan de masse de la sonde.

Dans tous les cas, le modèle doit s’approcher le plus possible du résultat final que l’on souhaite atteindre. Les conducteurs et les isolants doivent avoir les mêmes caractéristiques et

la même géométrie que ceux de la technologie choisie. En plus, le modèle doit respecter les contraintes liées à la réalisation technique de la sonde.

Une fois le dessin de la sonde réalisé, le modèle électromagnétique de la sonde est prêt à être simulé. Le respect des contraintes technologiques et de réalisations techniques permet d’avoir un modèle proche de la réalité. A cela s’ajoute les exigences du simulateur que l’on utilise. Un modèle qui ne respecte pas les règles du simulateur peut être impossible à simuler. Dans certaines conditions, cela oblige l’utilisateur à faire des concessions. Les ports d’entrées/sorties du modèle doivent être correctement définis. Les signaux fournis en entrée et les charges doivent êtres bien connus.

III.2.2.2.3 Méthode de comparaison de deux cartographies

Une méthode de comparaison de cartographies est utile pour valider un résultat de simulation. Il faut en effet être capable d’estimer l’erreur que l’on fait, entre la mesure effectuée et la simulation, à chaque fois qu’une simulation est menée à son terme. En fonction de cette erreur, on choisit de modifier ou non certains paramètres de simulation. Dès que l’erreur devient acceptable, on arrête et on passe à la fabrication de la sonde.

Caractéristiques d’une cartographie :

En plus des valeurs de champ mesuré en chaque point de l’espace, une cartographie est caractérisée par (Figure III–38):

• sa surface, autrement dit par sa longueur x(mm) et sa largeur y(mm).

• le nombre de pixels nx et ny respectivement sur les axes x et y.

Il faut connaître toutes ces caractéristiques pour pouvoir comparer deux cartographies.

nx (pisels) ny (pisels) x_step y_step x (mm) y (mm)

Figure III–38 : Description des caractéristiques d’une cartographie

Le pas de la mesure caractérise également une cartographie et il est facilement obtenu à partir de la surface et du nombre de points. Généralement, x_step et y_step sont identiques.

Comparaison de deux cartographies :

Pour comparer deux cartographies pixel par pixel, elles doivent avoir les mêmes caractéristiques. De plus, le repère d’origine de la cartographie doit être le même sur les deux. Lorsque le repère d’origine n’est pas au même endroit sur les deux cartographies, il en résulte un décalage des zones à comparer (Figure III–39).

image 2 image 3 image 1

Figure III–39 : Illustration du décalage entre deux cartographies

On calcule l’erreur pour chaque pixel suivant l’algorithme ci-dessous décrit à la Figure III– 40. A chaque itération, on compare les pixels mesuré pmi et simulé psi. On calcul ensuite la

différence de champ entre la mesure et la simulation. L’algorithme prend fin lorsque tous les points ont été analysés.

Cartographie mesurée {pm1, pm2, …, pmn} Ei = H(Pmi)- H(Psi) FIN i = i+1 Initialisation de l’analyse <i=0> i=n ? non oui Cartographie simulée {ps1, ps2, …, psn} Liste des erreurs

{E1, E2, …, En}

Figure III–40 : Comparaison de deux cartographies, calcul d’erreur par pixel

A la fin, on obtient l’erreur correspondant à chaque pixel. On peut calculer l’erreur globale si on le souhaite à partir de ce résultat ou présenter une cartographie de l’erreur.

Difficultés d’une telle comparaison :

Si les deux images ont les mêmes pas en x et en y, il est nécessaire de caler les zones à comparer afin d’avoir le même point de repère. Puis il faut supprimer les parties qui débordent sur chaque image.

Si les deux images ont des pas différents, il faut extrapoler celle qui a le plus petit pas pour qu’elles aient le même pas. Ensuite caler les zones à comparer afin d’avoir le même point de repère puis découper les parties qui débordent sur chaque image.

III.2.2.2.4 Fabrication de la sonde

Lorsque la simulation est valide, on peut envisager la fabrication proprement dite de la sonde.

Sur circuit imprimé, la sonde est fabriquée de façon standard. Il faut faire un routage en utilisant un logiciel de CAO, réaliser le typon et graver le circuit. Une difficulté majeure s’ajoute à toutes celles qui ont jusqu’à présent été rencontrées : elle est liée aux connecteurs utilisés. En effet, la taille des connecteurs n’est plus négligeable lorsque la sonde est de petite taille. Même si il en existe de différentes tailles, les connecteurs deviennent très vite une limite à la miniaturisation des sondes. Une solution simple consiste à connecter directement le

câble coaxial sur la sonde (Figure III–41). Ainsi la seule limite à la réduction de la taille d’une sonde est le diamètre du câble.

Utilisation d’un connecteur Connexion directe

du câble coaxial

câble coaxial

Figure III–41 : Illustration de l’impact de l’utilisation d’un connecteur.

Enfin, la sonde doit être dimensionnée pour supporter la puissance maximale qui lui sera fournie. Elle ne doit pas chauffer sous cette puissance. Un échauffement important peut entrainer une destruction prématurée de la sonde.

III.3. Méthodologie de l’étude du couplage entre deux