L'étude de la compatibilité électromagnétique (CEM) est devenue un passage obligé pour les concepteurs de circuits d'électronique de puissance. La complexité des phénomènes qui entrent en jeu lors de cette étude fait de plus en plus sentir le besoin d'un outil CAO de prédiction des perturbations électromagnétiques conduites et rayonnées. Le présent travail est consacré à la modélisation du rayonnement électromagnétique des circuits d'électronique de puissance. La première méthode proposée est basée sur une approche analytique du problème, où les couplages dans le circuit sont quantifiés de manière approximative. Dans le cas de circuits complexes, ces approximations ne sont plus suffisantes et il devient indispensable d'utiliser une méthode numérique afin de tenir compte de tous les couplages. L'état de l'art en matière de méthodes numériques nous montre qu'en l'état actuel des choses, aucune méthode n'est complètement adaptée à notre application. Néanmoins, notre choix s'est fixé sur la méthode des moments qui répond le plus à notre cahier des charges. Etant donnée que celle-ci ne résout pas les systèmes non linéaires, et sachant que notre résolution doit tenir compte de la présence de composants non linéaires, nous proposons un couplage avec un simulateur de circuits afin de linéariser notre problème. La méthode est mise en oeuvre pour permettre la résolution de problèmes avec structures filaires en trois dimensions. Ensuite, elle est appliquée pour calculer le rayonnement d'un circuit de type hacheur. Les résultats de calcul sont complétés par une évaluation expérimentale du rayonnement. Afin d'améliorer les résultats numériques, nous examinons la validité de l'hypothèse "fil fin" adoptée pour modéliser les pistes de circuits imprimés. Finalement, nous proposons une hypothèse plus précise qui permet de tenir compte de l'effet de peau et de l'effet de proximité dans les pistes.

La nanotechnologie est un domaine en voie d'expansion qui a attiré l'attention de la recherche en raison de ses applications potentielles illimitées. La technologie des ondes millimétriques est un autre domaine intéressant qui joue un rôle de premier plan dans le développement des systèmes de communications sans fil. La combinaison de ces deux champs de recherche avancée, donne naissance à l'innovation du Dispositif Ratchet qui est une nouvelle application qui représente un vrai défi. Ce dispositif est de taille nanométrique et son concept d'opération consiste à générer une tension DC lorsque le dispositif, basé sur le gaz d'électron bidimensionnel, est rayonné par l'énergie des micro-ondes. L'objectif de cette thèse est d'essayer d'améliorer la réponse du dispositif, ce qui ouvre de nouvelles perspectives dans la fabrication des détecteurs de champ à haute fréquence et à l'échelle nanométrique. Malheureusement, les Dispositifs Ratchet actuels, basés sur des hétérostructures de semiconducteurs, réalisés jusqu'à présent fonctionnent à basse température pour assurer une grande mobilité électronique. Cette condition nécessite l'utilisation d'un setup expérimental complexe qui a un grand impact sur la tension induite et sur la reproductibilité du phénomène Ratchet observé. Dans ce contexte, le travail effectué dans le cadre de cette thèse a abordé ce problème en deux parties. La première partie concerne l'analyse électromagnétique du setup expérimental. Ceci a été réalisé par la mise en oeuvre des simulations électromagnétiques intenses. D'autre part, différentes solutions ont été proposées afin d'optimiser le setup et ainsi améliorer la tension Ratchet produite. Outre l'étude électromagnétique, certaines mesures de modulation ont été réalisées pour tester la faisabilité du Dispositif Ratchet comme un démodulateur d'amplitude. La deuxième partie de cette thèse traite l'étude de la matière qui compose le Dispositif Ratchet. Récemment, le graphène commence à envahir le monde scientifique et technologique avec ses fascinantes propriétés électroniques, tels que sa mobilité d'électrons élevée à température ambiante, où les matériaux conventionnels sont en train de confronter des obstacles. En conséquence, l'idée de fabriquer un Dispositif Ratchet à base de graphène au lieu des hétérojonctions de semiconducteurs, a été introduite. Plusieurs modèles de conception, caractérisation et mesures RF ont été accomplis en vue d'obtenir un Dispositif Ratchet fiable approprié pour de nombreuses applications pratiques à la température ambiante, dans la gamme de fréquences micro-ondes et pourraient s'étendre à la bande térahertz. / Nanotechnology is a growing field that has attracted significant research attention due to its unlimited potential applications. Millimeter wave technology is another interesting field that plays a leading role in the development of wireless communications systems. Combining these two advanced research fields together, has given rise to the innovation of the Ratchet Device which is now a new challenging application. This device has a nanoscale size and its concept of operation consists of generating a DC voltage when radiating a two-dimensional electron gas based device with microwave energy. The aim of this thesis is in trying to improve the device response and hence opening new perspectives in the fabrication of high frequency field detectors on the nanoscale level. Unfortunately, the current Ratchet Devices, based on semiconductor heterostructures, realized till now, operate at low temperatures to ensure high electron mobility. This condition necessitates the use of a complex experimental setup that has a great impact on the induced voltage and on the reproducibility of the observed Ratchet phenomenon. In this context, the work performed within the framework of this thesis has addressed this problem in two parts. The first part concerns the electromagnetic analysis of the experimental setup behavior. This has been achieved by implementing intensive full wave electromagnetic simulations. Different solutions have been proposed to optimize the setup and thus enhance the Ratchet voltage produced. In addition to the electromagnetic study, some modulation measurements have been performed to test the feasibility of the Ratchet Device as an amplitude demodulator. The second part of this thesis deals with the study of the material composing the Ratchet Device. Recently, graphene has started to invade the scientific and the technological world with its fascinating electronic properties, such as its high electron mobility at room temperature, which distinguishes it from conventional materials that typically collide with obstacles. As a result, the idea of fabricating a Ratchet Device based on graphene instead of semiconductor heterojunctions has been introduced. Several design models, characterizations and RF measurements have been performed in order to obtain a reliable Ratchet Device suitable for many practical applications at room temperature. This has been done in the microwave frequency range and can also extend to the terahertz band.

Ce travail s'inscrit dans le cadre de la compatibilité électromagnétique et de la caractérisation des sources de perturbations d'origine naturelle, dont fait partie la foudre. Notre objectif était, pour notre part, de caractériser aussi précisément que possible le rayonnement engendré par une décharge de foudre afin de constituer des modèles utilisables pour prévoir les effets induits. A ces fins, notre travail s'est décomposé de la façon suivante :<br />* Tout d'abord, nous nous sommes attachés à constituer une base de données en réalisant, lors de la campagne de foudre déclenchée de Saint-Privat-d'Allier, des mesures de champ électromagnétique et de courant induit sur une ligne triphasée moyenne tension expérimentale de transport. Cependant, la lourdeur de ce type d'expérimentation nous a amenés à l'étude du phénomène en laboratoire.<br />* Nous avons donc utilisé ensuite l'analogie partielle qui existe entre la foudre et les grandes étincelles de laboratoire pour définir un moyen d'essais moins contraignant. Il est apparu que les simulations en laboratoire haute tension sont satisfaisantes dans la mesure où elles permettent l'étude de certaines phases de la décharge pratiquement inaccessibles en foudre naturelle ou déclenchée, telles que la propagation du précurseur vers le sol. Cependant, il existe quelques limites à ce type d'expérimentation qu'il ne faut pas négliger et qui rendent complémentaires ces deux moyens de mesures.<br />* Enfin, nous nous sommes intéressés à l'aspect modélisation du rayonnement de la foudre en recensant les principaux modèles existants et en les testant dans le cadre des champs proches (distance à la décharge inférieure à 500 mètres). Cette étude numérique a permis de préciser les limites de ces modèles et leur sensibilité par rapport à certains paramètres de la décharge ou de la modélisation.

Le contrôle électromagnétique d'écoulements en eau de mer permet de modifier l'écoulement à l'aide d'un champ de force de Lorentz-Laplace, produit par des actionneurs électromagnétiques affleurants à la paroi. Ces actionneurs sont constitués d'aimants permanents et d'électrodes pariétales, qui peuvent être associés en réseau et excités périodiquement, dans le temps et dans l'espace. Dans le cadre de ce travail, nous avons mené une étude expérimentale et numérique sur l'effet du forçage électromagnétique sur un écoulement initialement au repos et sur un écoulement en tunnel hydrodynamique. Les deux types d'actionneurs étudiés, normal et parallèle, ont montré que l'écoulement est largement modifié par le forçage, voire même qu'il résulte entièrement de celui-ci. Les résultats obtenus ont permis de caractériser ces modifications et démontrent, en particulier pour des écoulements initialement au repos, la grande sensibilité de la réponse de l'écoulement à la géométrie des actionneurs. Un ensemble de critères objectifs basés sur des bilans intégraux a été proposé. Celui-ci permet de fixer objectivement les échelles du forçage électromagnétique en terme de longueur, de temps, d'accélération et de vitesse, mais aussi celles de l'écoulement, comme la zone d'action et les bilans propulsifs locaux. Les résultats expérimentaux, obtenus à l'aide de techniques de visualisation et de vélocimétrie par image de particules, ont permis de valider les modèles analytiques utilisés pour le calcul du champ de forces. Cette validation repose sur l'excellent accord obtenu entre les simulations numériques et les expériences, pour les cas d'écoulements initialement au repos.

Dans divers procédés, comme lors de l'affinage de l'acier, ou bien, dans le retraitement des déchets nucléaires, les interfaces entre deux phases liquides sont le siège de transferts de masse. Ces derniers nécessitent la mise en oeuvre de moyen de brassage pour accélérer la cinétique du transfert des polluants d'une phase vers l'autre.<br /> Cette thèse s'intéresse à l'utilisation des forces électromagnétiques pour agiter, sans contact matériel, le cœur du bain et l'interface afin de contrôler voire d'augmenter la cinétique de ces transferts. Pour cela, deux installations expérimentales complémentaires ont été utilisées :<br />La première a permis de mesurer le transfert d'Indium initialement dissous dans du mercure vers un électrolyte de couverture et le champ des vitesses dans le mercure. Les expériences réalisées ont permis, d'une part de déterminer la topologie des champs de vitesses des écoulements dans le bain de mercure, et d'autre part de compléter les lois d'évolution de la cinétique de transfert en fonction de l'intensité du champ magnétique. Cette évolution est corrélée aux comportements dynamiques de la surface du mercure.<br />La seconde installation a permis de caractériser le transfert d'un élément (Pb, Zr ou Ce) initialement contenu dans un sel fluoré vers une matrice d'antimoine contenant du lithium. Il apparaît que les cinétiques des transferts sont toutes très rapides. Le dispositif proposé est particulièrement efficace lors de transfert du Cérium (limité par l'interface) mais sans action lors de transfert de Zirconium.

Le développement de nouveaux alliages pour l'industrie aéronautique nécessite la connaissance de leurs propriétés thermophysiques en phase liquide. Nous étudions ici la mesure de capacité calorique et de conductivité thermique par calorimétrie modulée sur des échantillons lévités en microgravité ou non. Une partie expérimentale décrit une expérience de lévitation sous rayons X permettant la visualisation de l'écoulement dans un échantillon métallique liquide. Les résultats d'une première série de mesure sont analysés et commentés. Puis une stratégie de simulation numérique est élaborée. Fondée sur une étude systématique des phénomènes physiques mis en jeu, elle est utilisée pour identifier les limitations des techniques de mesure actuelles. Une nouvelle technique de mesure, inspiré du génie des procédés, est proposée. Elle présente l'avantage de supprimer l'étape de calibration. Sa validité est démontrée par simulation numérique. Des recommandations pour son implémentation physique sont proposées.

Ce travail porte sur la modélisation électromagnétique des circulateurs à jonction-Y polarisé non-uniformément en vue de concevoir et de réaliser des structures ultraminiatures. L'originalité de cette étude repose sur l'approche théorique permettant de mieux décrire le comportement électromagnétique de la structure. Cette approche tient compte de la non-uniformité des différents champs apparaissant dans la structure (champ statique de polarisation, champs démagnétisants et champ interne) ainsi que de l'état d'aimantation du matériau ferrite. La réalisation de circulateurs microruban en bande X a permis de confronter des résultats expérimentaux aux réponses théoriques obtenues à partir de notre approche théorique et d'observer la dégradation des performances du dispositif due à la non-uniformité des champs statiques. A l'aide de modifications apportées à l'analyse électromagnétique, les réponses de dispositifs à base d'hexaferrites autopolarisés fonctionnant à la rémanence sont obtenues.

De nos jours, les systèmes de communication sans fil et d'imagerie sont devenus indispensables. Ces applications, tant civiles que militaires, doivent avoir une sûreté de fonctionnement éprouvée, et ce dans tous les domaines dont celui de la compatibilité électromagnétique. Pourtant les circuits électroniques complexes au cœur de ces systèmes voient leur seuil de susceptibilité électromagnétique diminuer. Cette diminution est causée premièrement par une augmentation de la fréquence de fonctionnement des circuits et deuxièmement par la réduction de leurs tensions d'alimentation. Dans ce contexte, ce travail de thèse a pour but de mettre en avant les effets d'agressions électromagnétiques sur un système électronique hyperfréquence complexe en suivant une méthode de test. Le principe consiste à étudier chaque circuit du système indépendamment les uns des autres. Ces différents circuits sont ensuite associés pour former une boucle à verrouillage de phase (PLL). La susceptibilité du système global est alors étudiée. Pour ces études de susceptibilité, nous utilisons un banc de caractérisation électromagnétique en zone de champ proche. Les sondes à base de câbles coaxiaux sont caractérisées. Nous avons d'abord étudié l'effet d'un signal d'agression hyperfréquence sur le comportement d'une diode Schottky. Nous avons mis en évidence sur le système diode - ligne, des phénomènes de résonance sur les pistes du circuit imprimé. L'ensemble de cette étude nous sert d'approche préliminaire pour l'analyse de la susceptibilité de la boucle à verrouillage de phase. En suivant la méthodologie décrite précédemment nous avons pu montrer plusieurs effets d'agressions électromagnétiques sur des circuits électroniques actifs du type oscillateur, amplificateur et comparateur de phase. L'élaboration d'une hiérarchie de ces effets a permis de déterminer la contribution de chacun de ces circuits sur la susceptibilité électromagnétique du système PLL.

La nanotechnologie est un domaine en voie d'expansion qui a attiré l'attention de la recherche en raison de ses applications potentielles illimitées. La technologie des ondes millimétriques est un autre domaine intéressant qui joue un rôle de premier plan dans le développement des systèmes de communications sans fil. La combinaison de ces deux champs de recherche avancée, donne naissance à l'innovation du Dispositif Ratchet qui est une nouvelle application qui représente un vrai défi. Ce dispositif est de taille nanométrique et son concept d'opération consiste à générer une tension DC lorsque le dispositif, basé sur le gaz d'électron bidimensionnel, est rayonné par l'énergie des micro-ondes. L'objectif de cette thèse est d'essayer d'améliorer la réponse du dispositif, ce qui ouvre de nouvelles perspectives dans la fabrication de générateurs de courant et des détecteurs de champ à haute fréquence et dans l'échelle nanométrique. Malheureusement, les Dispositifs Ratchet actuels, basés sur des hétérostructures de semiconducteurs, réalisés jusqu'à présent fonctionnent à basse température pour assurer une grande mobilité électronique. Cette condition nécessite l'utilisation d'un setup expérimental complexe qui a un grand impact sur la tension induite et sur la reproductibilité du phénomène Ratchet observé. Dans ce contexte, le travail effectué dans le cadre de cette thèse a abordé ce problème en deux parties. La première partie concerne l'analyse électromagnétique du setup expérimental. Ceci a été réalisé par la mise en oeuvre des simulations électromagnétiques intenses. D'autre part, différentes solutions ont été proposées afin d'optimiser le setup et ainsi améliorer la tension Ratchet produite. Outre l'étude électromagnétique, certaines mesures de modulation ont été réalisées pour tester la faisabilité du Dispositif Ratchet comme un démodulateur d'amplitude. La deuxième partie de cette thèse traite l'étude de la matière qui compose le Dispositif Ratchet. Récemment, le graphène commence à envahir le monde scientifique et technologique avec ses fascinantes propriétés électroniques, tels que sa mobilité d'électrons élevée à température ambiante, où les matériaux conventionnels sont en train de confronter des obstacles. En conséquence, l'idée de fabriquer un Dispositif Ratchet à base de graphène au lieu des hétérojonctions de semiconducteurs, a été introduite. Plusieurs modèles de conception, caractérisation et mesures RF ont été accomplis en vue d'obtenir un Dispositif Ratchet fiable approprié pour de nombreuses applications pratiques à la température ambiante, dans la gamme de fréquences micro-ondes et pourraient s'étendre à la bande térahertz

L’aluminium et ses alliages sont très largement exploités en industrie car ils sont légers, peu sensibles à la corrosion et parfois ont une dureté comparable à celle de l’acier. Souvent, le matériau est utilisé brut de fonderie, dans ce cas, la composition, la macro et microstructure de matériau issues de la solidification, définissent son comportement suivant les conditions d’utilisation. Cependant, au cours des procédés d’élaboration sur terre, l’écoulement convectif apparaît à cause de la gravité et modifie les conditions locales de la solidification, la distribution du soluté et influe sur les propriétés de matériau. Afin d’analyser et contrôler ces phénomènes, des études expérimentales et numériques ont été réalisés.Deux fours de type Brdigman ont été construits à l’Université de Miskolc par MTA-ME Materials Science Research Group dans le cadre du ESA-MAP MICAST pour étudier l’effet de l’écoulement convectif lors de la solidification des alliages. Ces fours ont été équipés de systèmes électromagnétiques permettant de générer des champs magnétiques rotatif et glissant .Des modèles multiphases développés à SIMAP/EPM, Grenoble, France, ont été utilisés pour la simulation numérique de la solidification d’alliages binaire et ternaire en présence d’un écoulement convectif créé par des forces électromagnétiques. La modélisation de la solidification d’un alliage Al-Si avec un brassage rotatif a été réalisée pour des configurations 2D et 3D avec un couplage entre un modèle macroscopique de transport et des modèles à l’échelle mésoscopique, l’un basé sur la règle de levier et l’autre sur une moyenne d’ensemble Euler-Euler. De plus, les effets de deux modes de brassage par champs glissants sur la solidification d’un alliage ternaire ont été étudiés dans une géométrie 3D à l’aide d’un modèle macroscopique basé sur la règle de levier. Les résultats des modélisations numériques permettent d’expliquer la ségrégation observée sur les échantillons expérimentaux. / Aluminium and aluminium-based alloys are widely in industry due to the corrosion passivity, lighter weight, yet – in several cases – comparable strength with steel. Often, the material is used “as-cast“, that means that composition, macro- and microstructure of the material emerged during the casting defines its behaviour under different loads. Yet, convective flows generally arise in casting processes performed on-ground because of gravity and modify local solidification conditions, and, consequently, solute distribution and affect properties of material. To understand and to be able to control such phenomena, detailed experimental and numerical work has been needed.Two Bridgman-type furnaces were constructed in the University of Miskolc, Hungary, by MTA-ME Materials Science Research Group in the framework of the ESA funded MICAST project for experimental study of the effect of convective flow in solidification of alloys. These facilities were equipped with electromagnetic systems capable to generate rotating and travelling magnetic fields of various intensities.Multiphase models developed at SIMaP/EPM, Grenoble, France, were applied for numerical study of the solidification of binary and ternary aluminium alloys under electromagnetically generated convective flow. Solidification of a binary Al-Si alloy under RMF stirring was done with Euler-Euler ensemble averaging and lever rule mesoscale models coupled with the macroscale transport both in 2D and 3D geometries. Further, effect of various modes of TMF stirring during solidification of a ternary alloys was studied in 3D geometry with lever rule based macroscopic model. Results of numerical simulations well explain the segregation observed in the experimental samples.