P RINCIPE GENERAL DU BANC DE MESURE

Nous disposons au laboratoire IES d’un banc de scan champ proche électromagnétique (EM). Ce banc, complètement réalisé au laboratoire, a fait l’objet d’étude de deux stages de Master et a été optimisé durant ce travail de thèse. Les sondes associées ont quant à elles faites l’objet d’une thèse [Nativel, 2002]. Ce banc s’articule principalement autour de deux dispositifs :

 une table de déplacement suivant les axes x et y,  une sonde de champ proche.

Suivant les appareils placés autour de ces deux structures, il est possible soit d’étudier les champs électromagnétiques rayonnés par un circuit sous test, soit d’étudier l’effet d’une perturbation électromagnétique sur ce circuit, par la réalisation de cartographies.

Le principe d’une cartographie est de balayer la sonde de champ proche au-dessus de la surface d’un dispositif (Figure 24).

Figure 24 : Principe de déplacement de la table sous la sonde de champ proche

La résolution spatiale de ces cartographies dépendra principalement de deux paramètres :  Du pas de déplacement minimal de la table.

 De la résolution spatiale de la sonde.

La table est équipée de trois moteurs, dont deux moteurs qui permettent la translation suivant les directions x et y. Les moteurs choisis ont un pas minimal de 1 µ𝑚 et une plage de déplacement totale de 10 𝑐𝑚, ce qui permet l’étude de cartes électroniques complètes intégrant des circuits intégrés de dimensions micrométriques.

Pas de mesure Sonde de champ proche Table de déplacement

Chapitre II : Banc de caractérisation électromagnétique champ proche et outils logiciels

33

La résolution spatiale de la sonde dépend de deux paramètres. D’abord, de ses dimensions dont nous parlerons par la suite, ensuite de la distance entre la sonde et le dispositif sous test. Afin d’avoir un réglage fin de la distance entre la sonde et le dispositif sous test (DST), la sonde est fixée par l’intermédiaire d’un bras à un moteur de déplacement suivant z. Ce moteur possède des caractéristiques identiques aux moteurs utilisés pour les translations x et y.

Les trois moteurs utilisés sont des moteurs à courant continu qui offrent par rapport à des moteurs pas à pas un déplacement plus rapide. Cette donnée n’est pas négligeable puisqu’elle influence directement le temps total de la réalisation d’une cartographie. Pour exemple, la durée totale d’une cartographie de 1600 points, c'est-à-dire une cartographie de 40 𝑚𝑚 ∗ 40 𝑚𝑚 par pas de 0.5 𝑚𝑚 prendra environ 1h30 de temps.

Le support de la sonde, fixé au moteur z et à la table de déplacement est réalisé en matériau POM. Le POM est un polymère inerte aux ondes électromagnétiques, permettant ainsi de minimiser l’influence du banc sur les champs électromagnétiques.

Ce type de banc présente plusieurs avantages. Il permet dans la gamme de fréquence allant de quelque 𝑀𝐻𝑧 à quelque 𝐺𝐻𝑧 :

- une caractérisation non destructive et non invasive du dispositif sous test, - une étude du DST (Dispositif Sous Test) en fonctionnement normal,

- une étude en zone de champ proche, pour déterminer avec précision les zones rayonnantes et les zones vulnérables du DST.

- une étude des champs électromagnétiques rayonnés par un DST, - une étude de la susceptibilité électromagnétique d’un DST.

Pour l’étude des champs électromagnétiques rayonnés par un circuit, la configuration du banc de mesure sera en mode réception et pour l’étude de susceptibilité, le banc sera configuré en mode agression. Nous détaillons maintenant ces deux modes.

1.1 CONFIGURATION DU BANC DE MESURE EN MODE RECEPTION

Pour la réalisation de cartographies en mode réception, la sonde est utilisée pour capter le rayonnement électrique ou magnétique du dispositif sous test. Un bloc détection permet de récupérer le signal capté (Figure 25).

Chapitre II : Banc de caractérisation électromagnétique champ proche et outils logiciels

34

Figure 25 : Banc de mesure pour la réalisation de cartographies en mode réception

Deux principaux systèmes de détection peuvent être utilisés pour la détection des signaux transmis par la sonde.

- Le premier système consiste en un analyseur de spectre. Sachant que le signal capté par la sonde peut être très faible, il est important que l’analyseur puisse détecter des signaux de très faibles puissances. Pour cela la caractéristique principale limitant la mesure est le niveau de bruit de l’appareil. Le deuxième paramètre important limitant la mesure est la dynamique de l’appareil. L’analyseur de spectre utilisé (Tektronix 2782) possède un niveau de bruit optimal de −140 𝑑𝐵𝑚 et une dynamique de 100 𝑑𝐵.

- Le deuxième système utilisable pour la détection est une diode de détection quadratique associée à un amplificateur connecté en amont et un multimètre connecté en aval. Ce système offre de moins bonnes performances en termes de niveau de bruit et de dynamique qu’avec l’analyseur. En effet, une diode de détection possède un niveau de bruit de l’ordre de −40 𝑑𝐵𝑚, ce qui oblige une pré-amplification pour des signaux de faibles amplitudes, et possède une dynamique de 40 𝑑𝐵. Cependant ce type de détection reste une alternative quand l’analyseur de spectre n’est pas disponible.

Lors de la réalisation d’une cartographie en mode réception, l’analyseur de spectre est directement banché à la sonde de champ proche. Il permet alors de visualiser le spectre du rayonnement du

Chapitre II : Banc de caractérisation électromagnétique champ proche et outils logiciels

35

DST. Dans le cas où le rayonnement est issu d’un signal purement sinusoïdal, une seule raie sera mesurée. Dans le cas où le rayonnement est issu d’un signal plus complexe, plusieurs raies seront mesurées. Quel que soit le spectre du signal rayonné, un programme en Labview relève la raie de plus forte puissance sur le span de l’analyseur. Il est généralement d’usage avant de réaliser une cartographie de régler le span afin que seule la raie à la fréquence d’étude désirée apparaisse à l’écran. Une fois lancé, le programme relève pour chaque position de la sonde au dessus du DST l’amplitude de cette raie. Lorsque la cartographie est terminée, on récupère une image en couleur ou en nuance de gris indiquant pour chaque position de la sonde, la puissance de la raie mesurée en 𝑑𝐵𝑚 à une fréquence donnée. La cartographie est présentée avec une unité que nous appellerons Eua, équivalente à un champ électrique (V/m) ou un champ magnétique (A/m). Nous définissons tout d’abord Eu qui se calcule de la façon suivante :

𝐸𝑢 = 10^{(𝑃𝑑𝐵𝑚}10 ) (Eq 8)

avec 𝑃𝑑𝐵𝑚 la puissance de la raie en 𝑑𝐵𝑚.

En normalisant 𝐸𝑢 par rapport à son maximum, 𝐸𝑢𝑎 devient proportionnel à un champ électrique ou magnétique.

𝐸𝑢𝑎 = ^𝐸𝑢

max(𝐸𝑢) ^{(Eq 9)}

Dans le cas d’un spectre composé de plusieurs raies, il est possible en une fois de réaliser une cartographie à la fréquence de chaque raie. Pour cela, le logiciel code la largeur de span sur 1000 points. Pour chaque point de fréquence, le programme réalise une cartographie. Lorsque le programme est terminé, il est possible par un curseur de visualiser pour chaque fréquence la cartographie associée.

1.2 CONFIGURATION DU BANC DE MESURE EN MODE AGRESSION

Dans cette configuration, la sonde injecte un signal d’agression électromagnétique en des endroits localisés du circuit sous test. Pour cela, un générateur haute fréquence suivi d’un amplificateur sont associés à la sonde. Les effets produits par le signal d’agression sur les paramètres clés du DST sont observés et mesurés via différents types d’appareils classiquement utilisés en électronique. La configuration du banc est présentée sur la Figure 26.

Chapitre II : Banc de caractérisation électromagnétique champ proche et outils logiciels

36

Figure 26 : Banc de mesure pour la réalisation de cartographies en mode agression

Le générateur haute fréquence utilisé permet de fournir un signal dont la fréquence peut varier de

100 kHz à 20 GHz et dont la puissance peut varier entre -20 dBm et 25 dBm. Lors de la réalisation

de cartographies en mode agression, un fort champ doit être rayonné par la sonde. A cause des pertes, un amplificateur est nécessaire. L’amplificateur utilisé est le ZHL-2800+30W de chez Mini-circuits. Il permet une amplification de 50 dBm dans la bande de fréquence allant de 500 MHz à

2.5 GHz et permet de fournir une puissance en sortie de 30 W soit 43 dBm.

Ce banc permet différents types d’analyse de susceptibilité.

Premièrement, grâce au générateur HF, différents signaux d’agression, tels que des signaux sinusoïdaux ou modulés peuvent être injectés. Deuxièmement, il est possible d’étudier la susceptibilité d’un DST en fonction des paramètres suivants.

 La fréquence et la puissance du signal d’agression. Pour cela, la sonde est placée à un endroit prédéfini et on mesure un des paramètres clé du DST en fonction de la fréquence ou de la puissance du signal d’agression.

 La position du point d’injection du signal d’agression. Dans ce cas, la sonde injecte un signal d’agression en différents points du circuit suivant le principe d’une cartographie. Pour chaque position de la sonde on mesure un des paramètres clé du DST. Lorsque la cartographie est terminée, on obtient une cartographie en couleur ou en nuance de gris permettant d’observer les zones sensibles du DST pour lesquelles le signal d’agression a provoqué un maximum de perturbation.

Ce banc permet ainsi la réalisation de mesures expérimentales. L’analyse de ces mesures est effectuée en partie grâce à des simulations. Celles-ci sont conduites grâce à deux logiciels présentés ci-dessous.

Chapitre II : Banc de caractérisation électromagnétique champ proche et outils logiciels

37