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La mesure de la puissance moyenne de signaux électriques de haute fréquence est primordiale dans plusieurs domaines majeurs dont la sécurité civile, le secteur militaire et l'industrie en général. Cette thèse est destinée à la conception et à la réalisation d'une sonde de transfert pour la mesure de puissance moyenne permettant d’assurer sa traçabilité au SI dans la bande de fréquence D, entre 110 GHz et 170 GHz. L’étalonnage par rapport à un étalon primaire d’une sonde de puissance de transfert permet de déterminer les deux paramètres suivants : son efficacité et son facteur d’étalonnage, ce dernier dépendant de l’efficacité et du coefficient de réflexion de la sonde. La sonde de puissance thermoélectrique développée par simulations numériques, se compose de trois parties : la partie haute fréquence (HF), la partie thermique et la partie tension continue.

La partie HF est formée d’un guide d’ondes rectangulaire, d’une transition entre ce dernier et une ligne coplanaire se terminant par une charge résistive. La partie thermique comprend une série de thermocouples destinés à mesurer l’échauffement de la charge. La partie tension continue permet d’effectuer une transposition de puissance entre HF et continu afin de déterminer la puissance HF.

Pour la sonde développée, les résultats de simulation obtenus sont un coefficient de réflexion inférieur à -15 dB, une efficacité supérieure à 0,85 et une sensibilité comprise entre 0,08 et 0,09 mV/mW. Ces résultats sont très encourageants et témoignent d'une conception réussie de la sonde. Nous avons réalisé le boîtier de la sonde, fabriqué la puce, ainsi que le circuit de mesure. Nous avons également préparé l'assemblage des composants dans le boîtier de la sonde et l’installation des connecteurs requis pour l'étalonnage de la sonde en vue de sa caractérisation ultérieure.

bande D, coefficient de réflexion, efficacité, métrologie, sensibilité, simulations électromagnétiques et thermiques, sonde de puissance thermoélectrique

Consulter la thèse (FR) : TEL-04935745

Cette thèse se focalise sur l’établissement d’une métrologie des mesures de propriétés électriques à l’échelle submicrométrique. La technique Scanning Microwave Microscopy (SMM), qui permet d’accéder aux propriétés électriques d’un échantillon (impédance, permittivité électrique, et concentration de dopants), répond à ces critères. Il s’agit d’un microscope à force atomique interfacé à un analyseur de réseaux vectoriel (VNA). Si la métrologie associée au VNA est bien établie, ce n’est pas le cas pour les configurations SMM. Un VNA permet, s’il est étalonné, d’extraire des propriétés électriques à partir de la mesure du paramètre de réflexion. Pour une configuration SMM, la méthode la plus commune est dérivée de la méthode d’étalonnage Short-Open-Load utilisant trois impédances connues sur un échantillon de référence.

L’un des résultats clés de cette thèse est l’établissement du bilan d’incertitude associé à la mesure d’impédance par SMM. Pour ce faire, une caractérisation de l’échantillon de référence démontre que l’incertitude associée aux valeurs des impédances présentes (0,3 fF – 9,8 fF) est inférieure à 2,8 %. Fort de ce bilan d’incertitude, un second échantillon de référence est proposé et caractérisé avec une incertitude associée inférieure à 1,9 %. L’incertitude sur la mesure des capacités de référence par le SMM étalonné est inférieure à 3 %.

Un cas d’application est proposé : l’extraction de la permittivité d’échantillons piézoélectriques avec une incertitude inférieure à 11 %. L’incertitude due à l’humidité relative (RH) sur l’étalonnage du SMM a été étudiée empiriquement et par simulation numérique. Cette dernière impacte la calibration à hauteur de 0,4 % pour les capacités de 0,3 fF et devient négligeable pour les capacités au-dessus de 4 fF. Enfin, des courbes dC/dz ont été acquises par microscopie à force électrostatique (EFM) sur un matériau diélectrique connu afin d’assurer la traçabilité de la mesure de constante de raideur de la sonde employée.

microscopie à force atomique, mesure électrique à l’échelle submicrométrique, métrologie électrique, structure de référence capacitive

Consulter la thèse (EN) : TEL-04748080

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Le système de mesure HPPNS développé est constitué de quatre composants : le diviseur de tension, la charge de terminaison, les connecteurs haute tension et les cônes de transition. Le diviseur de tension est le composant central de ce système de mesure car il permet l'analyse des formes d'onde HPPNS à l’aide d’un oscilloscope calibré en abaissant les amplitudes de tension des formes d'onde HPPNS à des valeurs qui peuvent être mesurées à l’aide d’un oscilloscope sans déformation de forme d'onde. Le diviseur de tension conçu par calcul analytique et numérique a une valeur élevée du rapport de division, qui est relativement constante en fonction de la fréquence jusqu'à au moins 2 GHz, ainsi qu’une réponse en phase linéaire. Cependant, ses performances en termes de mesure exacte et précise des formes d'onde HPPNS incidentes dépendent également des caractéristiques de la charge de terminaison de ligne de transmission puisque les réflexions d'une charge de terminaison de ligne insuffisamment adaptée pourraient conduire à une mauvaise interprétation de la forme d'onde mesurée à la sortie du diviseur. Une charge de terminaison de ligne de 50 Ω est développée et caractérisée. Elle possède des propriétés d'isolation élevée pour des amplitudes de tension jusqu'à 500 kV et un coefficient de réflexion maximum de –27 dB en fonction de la fréquence, jusqu'à 2 GHz.

La caractérisation du système de mesure HPPNS complet a été réalisée en deux étapes. Premièrement, le système de mesure HPPNS a été caractérisé à de faibles valeurs de puissance d'entrée par deux méthodes différentes, à savoir la caractérisation au VNA et la caractérisation par une méthode de mesure d'atténuation de haute fréquence, traçable au SI. Les résultats obtenus à partir de ces deux méthodes ont été comparés aux résultats de la modélisation CST et tous ces résultats se sont avérés en bon accord les uns avec les autres. Ces caractérisations ont démontré que le système de mesure HPPNS développé possède un rapport de division élevé d'environ 85 dB, une bande passante de 2 GHz et une réponse linéaire en phase.

De plus, un atténuateur du commerce, ayant une bande passante de 7 GHz, a été ajouté en sortie du diviseur et tout ce système a été caractérisé par les deux méthodes en basse puissance. Les résultats obtenus sont les suivants : près de 110 dB de rapport de division, une bande passante de 2 GHz et une réponse linéaire en phase. Dans la deuxième étape de caractérisation, ce système a été testé à des valeurs élevées de puissance via un générateur de Marx. Différentes formes d'onde de haute tension dont le maximum peut atteindre 300 kV et de temps de montée très court jusqu’à 420 ps ont été caractérisées avec succès grâce à ce système de mesure et le bilan d'incertitude a été établi. L’incertitude de mesure de ces signaux de haute tension a été évaluée à 3,4 % pour le maximum de tension et à 87 ps pour les paramètres temporels.

haute puissance pulsée, étalon de mesure, diviseur de tension, étalonnage, incertitude de mesure

Consultez la thèse (EN) : HAL-04032644

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Cette thèse traite de la caractérisation du diagramme de rayonnement des antennes afin d’améliorer l’utilisation des systèmes de mesure existants. Deux approches sont proposées en vue d'accélérer la mesure du diagramme de rayonnement des antennes en diminuant le nombre d'échantillons requis. La première exploite la décomposition parcimonieuse du champ rayonné par les antennes dans la base des ondes sphériques et nécessite seulement la connaissance de la dimension électrique maximale de l'antenne. La seconde approche utilise les dimensions externes de l'antenne et la surface de mesure afin de construire numériquement une base adaptée au problème de mesure d'antenne. Pour ces deux techniques, le nombre minimal d'échantillons du champ requis et une estimation du gain en temps de mesure à l'IETR sont donnés, montrant ainsi leur intérêt. En complément, une stratégie permettant d'optimiser le positionnement de l'antenne en post-traitement au sein de la base de mesure a été proposée afin d'améliorer la qualité du diagramme de rayonnement reconstruit. Toutes les procédures de mesure et traitements associés ont été validés sur des données numériques et expérimentales provenant d'antennes de types variés, opérant dans diverses bandes de fréquence et mesurées dans plusieurs chambres anéchoïdes, démontrant ainsi leur caractère général.

électromagnétisme, métrologie, antennes, reconstruction parcimonieuse, éléments finis

Consultez la thèse : https://ged.univ-rennes1.fr/nuxeo/site/esupversions/ad3fc9b2-ff37-45b8-b5f3-e214766d8928?inline