With the enormously developing of the wireless communication technology, the electromagnetic environment exposing to the electrical devices is becoming more and more complex. Besides, the trends of designing high-speed digital computer systems are toward fast edge rates, high clock frequencies, and low voltage levels. The electromagnetic susceptibility (EMS) or immunity of the high-speed circuit has become an important issue today apparently. In this thesis, we will firstly establish the measurement environment and calibration technology for numerical validation. Then we employ the three-dimension finite-differential time-domain (3D-FDTD) numerical method compared to the finite element method (FEM) to simulate the EMS behavior of the power delivery network (PDN) and traces of the printed circuit boards (PCB). In addition to several types of layout of the traces studied in this thesis, we also explain the mechanism and phenomenon of the EMS of the power/ground planes of the PCB. Besides the EMS behavior research of the traditional solutions to suppress the power noise, we propose an electromagnetic bandgap structure (EBG) which has the broadband suppression of the power noise and is validated to be effective to improve the EMS problems. Finally, we also propose a novel concept to increase the signal integrity (SI) by shielding design.

Le travail de recherche présenté dans ce manuscrit contribue à une étude générale de la susceptibilité électromagnétique (EM) d'un transistor MOS (Metal Oxide Semiconductor) dans une gamme de fréquences allant de 10 MHz à 1 GHz. Ce composant est destiné à un usage général pour des applications analogiques et numériques. Le but principal de ce travail est d'apporter une compréhension fine des mécanismes physiques mis en jeu au sein du composant lorsque ce dernier est soumis à une agression EM injectée en mode conduit au niveau de sa grille. Notre étude porte sur l'élaboration d'un modèle physique, essentiellement basé sur les variations de charges au sein du composant électronique. Cette approche permet à la fois de comprendre le fonctionnement nominal du transistor et la modification de son comportement lors d'un dysfonctionnement. En effet, la compréhension des mécanismes physiques mis en jeu est la base de la compréhension de la susceptibilité EM. Pour mettre en œuvre ce type d'approche, nous avons choisi d'étudier un type de susceptibilité correspondant à la modification de son point de fonctionnement sous agression EM. Cette modification du point de fonctionnement peut induire un dysfonctionnement du circuit dans lequel est implanté le transistor. Le phénomène physique à l'origine duquel les signaux parasites EM modifient le point de fonctionnement d'un composant électronique est le phénomène de redressement. Ce phénomène apparaît lorsqu'une distorsion est créée au sein du composant. C'est aussi pourquoi les non-linéarités du dispositif sont directement responsables de son observation. Ainsi, pour comprendre finement et physiquement l'effet induit par une agression EM, il est nécessaire de mettre en place une méthode d'étude. Celle-ci est basée sur une mesure des formes d'onde des courants à tous les accès du transistor. En effet, la visualisation de ces courants renseigne sur l'évolution des charges au sein de la structure. De plus, une telle mesure donne accès à une large palette d'observables (valeurs moyennes des courants, distorsions des courants, valeurs crêtes des courants, etc..). Dans un premier temps, les différentes mesures des formes d'onde des courants ont été réalisées lorsqu'une impulsion de tension était appliquée sur la grille du composant avec des temps de montée variables et choisis par rapport au temps de réponse du transistor. Cela nous a permis d'approfondir la compréhension du fonctionnement transitoire fort signal du MOSFET. Dans un second temps, nous avons mesuré les courants lors de l'application d'un signal EM à la grille du composant. En support à ces mesures nous avons utilisé deux outils de calcul : analytique et numérique. La méthode analytique permet la prédiction et l'identification des grandeurs du composant mises en jeu dans le mécanisme de la modification du comportement du transistor. La méthode numérique par simulation électrique permet, quant à elle, de prédire les effets de l'agression EM. Une étape de caractérisation statique et dynamique du composant a également été nécessaire pour enrichir la compréhension des phénomènes observés et fournir les entrées au modèle. / The research work presented here contributes to an overall study of the electromagnetic (EM) susceptibility of Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistors (MOSFET's), in a frequency range from 10 MHz to 1 GHz. This device is used for general purpose: analog and digital applications. The main aim of this study is to provide a detailed understanding of the physical mechanisms involved in the device when the Radio-Frequency (RF) interference is superimposed on the gate terminal. Our study focuses on the development of a physical model, based essentially on the charge variations within the electronic device. This approach allows to understand its behavior with and without the RF interference. Indeed, the knowledge of the involved physical mechanisms is the basic understanding of EM susceptibility. When RF interference is superimposed on the MOSFET terminals, various susceptibility effects take place depending on RF power level, frequency and the transistor operation region. Due to the nonlinearity of the MOS current-voltage characteristics, RF excitations cause distorted drain current waveform which leads to a bias point shift. This modification of the average drain current is called rectification effect. So we developed a method to clearly understand the effect induced by the EM interference. This method is based on the measurement of the currents waveforms to all of the transistor access. In fact, these currents waveforms measurements give us information on the charge variations within the electronic device. Moreover, such a measurement provides access to a wide range of current information (average values, distortion, peak values, etc.). Initially, the different currents waveforms measurements were made when a voltage ramp was applied to the device gate with variable rise time in respect to the transistor response time. This allowed us to understand the large signal transient response of the MOSFET. Secondly, we measured the currents waveforms when an EM interference was injected to the gate terminal. In support of these measurements we used two computation tools: analytical and numerical. The analytical method allows prediction and identification of the quantities of the device involved in the modification of transistor's behavior. The numerical method allows electrical simulation to predict the effects of EM aggression. A static and dynamic characterization of the component was also necessary to understand the observed phenomenon and provide data to the electrical model.

Aujourd'hui les circuits intégrés commerciaux sont de plus en plus utilisés dans les satellites de télécommunication ou d'observation. En effet les contraintes économiques imposent l'usage de circuits non durcis aux radiations. Ceci, associé au fait que la technologie évolue entrainant une baisse de consommation et donc une diminution des marges de susceptibilité électromagnétique, les rendent plus sensibles à la fois aux interférences électromagnétiques et à la dose ionisante. Cet ensemble met en péril la mission des satellites. Ce travail de thèse est donc précurseur dans le domaine de la fiabilité combinée vis à vis de la dose ionisante et des signaux hautes fréquences (HF) sur des transistors bipolaires destinés aux applications basse fréquence. Nous avons tout d'abord observé la modification du comportement d'un transistor bipolaire discret lorsqu'il est soumis à une agression sinusoïdale continue (CW) dans la gamme 100 MHz - 5 GHz. Cette forme de signal nous a permis d'observer la réponse du transistor dans un régime établi. Il est important de noter que cette modification du comportement a lieu même pour des fréquences du signal d'interférence assez éloignées de la gamme de fréquence de fonctionnement du transistor. Nous avons pu alors mettre en évidence les différents mécanismes physiques mis en jeu. Ensuite nous avons étudié l'influence de différents paramètres : fréquence et puissance du signal d'interférence, boîtier du transistor, valeurs des éléments du circuit de polarisation, sur la réponse du transistor soumis à l'agression CW. Un critère simple permettant de prévoir le comportement du transistor sous agression CW est proposé. Nous avons ensuite étudié l'influence de la dose ionisante sur le comportement du transistor sous agression CW. Après avoir observé la modification du comportement statique du transistor suite à l'irradiation avec une source de cobalt 60, nous avons analysé l'évolution des grandeurs électriques du transistor sous agression HF, pour différentes valeurs de doses totales déposées. Nous avons donc pu monter que la dose ionisante influence effectivement le comportement du transistor sous agression. Enfin, nous avons soumis le transistor à une autre forme d'agression haute fréquence : un signal sinusoïdal modulé par un signal impulsionnel. Grâce à ce type de signal, nous avons pu faire une analyse du comportement transitoire du transistor, et mettre en évidence l'importance des capacités, à la fois internes et externes au composant. Ici encore la dose ionisante influence les comportements. / Nowadays, economic constraints push space and aeronautical industries to use Commercial Off The Shelf (COTS) components, even though natural space environment constitutes a real challenge for electronic reliability due to ionizing particles. In addition to this problem, technological advancements lead to a decrease in device consumption inducing smaller electromagnetic susceptibility margins. Hence, integrated circuits are more sensitive to both Electromagnetic Interferences (EMI) and ionizing dose, which may threaten satellite missions. This thesis reveals precursor work in the field of combined ionizing dose and high frequency (HF) interferences on bipolar transistors designed for low frequency applications. Classical discrete low frequency bipolar transistors biased at integrated-circuit level of currents are put under study. A change of the voltage output when the device is subject to a continuous sine aggression (CW) in the range 100 MHz - 5 GHz is observed. This CW waveform allows an analysis of the response of the transistor in a steady state. It is important to note that the change in behavior of the transistor occurs even for interference frequency bands way higher than the operating frequencies of the device. We identified the different physical mechanisms involved during high frequency interference injection: rectification and current crowding. Then we studied the influence on the behavior under interference of different parameters: frequency and power of the interference signal, low frequency and RF frequency package of the transistor, values of elements of the bias circuit. A simple criterion to predict the way of change in the output voltage of the transistor is proposed. The same experiments were conducted on the transistors irradiated with a cobalt 60 source. We highlighted the importance for high-frequency susceptibility of the change induced by ionizing dose near the emitter base junction. Hence the susceptibility must be considered for different bias operations for different ionizing dose rates. Finally, our interest focused on another type of HF interference: a sine wave modulated by a pulse signal. With this type of signal, the transient behavior of the transistor under interference is analyzed. It highlights the importance of internal and external capacitances of the device on its response. Here again ionizing dose influences the electromagnetic susceptibility of the transistor.

Électromagnétisme, sécurité et guerre électronique sont étroitement liés depuis des décennies. Leur association rassemble des applications de surveillance radar, de neutralisation de systèmes électroniques ou de détection d’électroniques cachées. Aujourd’hui, la multiplication des EEI (Engins Explosifs Improvisés) aussi bien sur les théâtres d’opération que dans les milieux urbains conduit à la nécessité de leur détection. Les travaux de cette thèse peuvent entrer dans cette thématique et proposent une nouvelle alternative qui permet de mettre en évidence la présence de récepteurs RF cachés. Le radar non-linéaire est particulièrement adapté à la détection de dispositifs contenant des métaux et des semi-conducteurs (électroniques). Une technique populaire consiste à transmettre une seule fréquence f1 et à recevoir la seconde harmonique générée par la cible. Une autre technique, moins courante, consiste à transmettre deux fréquences, f1 et f2, et à recevoir les produits d'intermodulation d’ordre 3 (2f1 - f2 et 2f2 - f1). Un état de l’art approfondi des systèmes radars non-linéaires est effectué dans un premier chapitre avec une comparaison de leurs caractéristiques. Dans un second chapitre, un banc de test en mode conduit est développé permettant la mesure de l’IM3 réfléchi d’une cible RF. Ainsi des analyses et des ordres de grandeurs seront connus aidant au développement du radar. Dans le chapitre 3, Le démonstrateur du radar à IM3 est développé. Un large panel de systèmes RF, commerciaux ou non, susceptibles d’être trouvé dans des milieux opérationnels est mis sous test. Leur détection va permettre de valider la technique de récupération de l’IM3. Un nouveau bilan de liaison réaliste du radar IM3 est mis en place afin d’estimer la portée de détection réelle du radar, pour différentes cibles RF. Dans le dernier chapitre les travaux s’orientent sur l’identification et la classification d’une cible RF. L’étude porte sur la possibilité d’extraire tous paramètres pouvant aider à une classification (évaluation du danger) de récepteurs RF dans un milieu opérationnel. Le travail de recherche présenté dans ce manuscrit contribue à l’amélioration des techniques de détection d’électroniques cachées. Un protocole de détection a été proposé décrivant les faits et gestes du radar IM3. Il inclut un balayage en fréquence puis en puissance. Les premiers tests ont été effectués sur un Talkie-Walkie démontrant la possibilité de détecter sa bande passante via la réémission d’IM3, à plus de 2 m. La répétabilité des tests sur un panel élargi de récepteurs RF valide le protocole de détection et l’intérêt du radar IM3. Une puissance d’émission du radar IM3 de 40 dBm, à une fréquence d’IM3 de 400 MHz, peut potentiellement détecter un récepteur à 80 m. Enfin dans un dernier travail exploratoire nous avons démontré que, par l’observation de la réponse de l’IM3 réfléchi suite à un balayage en puissance, le radar IM3 peut ajouter de nouveaux critères d’identification discriminant les récepteurs détectés entre eux. / Electromagnetism, security and electronic warfare have been closely linked for decades. Their association gathers applications of radar surveillance, neutralization of electronic systems or detection of hidden electronics. Today, the multiplication of IEDs (Improvised Explosive Devices) both in theatres of operation and in urban environments leads to the need for their detection. The works of this thesis can enter into this theme and propose a new alternative that allows to highlight the presence of hidden RF receivers. The nonlinear radar is particularly suitable for detecting devices containing metals and (electronic) semiconductors. A popular technique is to transmit a single frequency f1 and receive the second harmonic generated by the target. Another less common technique consists of transmitting two frequencies, f1 and f2, and receiving intermodulation products of order 3 (2f1 - f2 and 2f2 - f1). An in-depth state of the art of nonlinear radar systems is made in a first chapter with a comparison of their characteristics. In a second chapter, an inductive test bench is developed to measure the reflected IM3 of an RF target. Thus analyses and orders of magnitude will be known helping the development of radar. In chapter 3, the IM3 radar demonstrator is developed. A wide range of RF systems, commercial and non-commercial, that may be found in operational environments are being tested. Their detection will validate the IM3 recovery technique. A new realistic IM3 radar link budget is implemented to estimate the actual radar detection range for different RF targets. In the last chapter the work focuses on the identification and classification of an RF target. The study focuses on the possibility of extracting all parameters to assist in a classification (hazard assessment) of RF receptors in an operational environment. The research work presented in this manuscript contributes to the improvement of hidden electronic detection techniques. A detection protocol was proposed describing the actions of the IM3 radar. It includes a frequency scan and then a power scan. The first tests were carried out on a walkie-talkie demonstrating the possibility of detecting its bandwidth via IM3 retransmission, at more than 2 m. The repeatability of the tests on an extended panel of RF receivers validates the detection protocol and the interest of the IM3 radar. An IM3 radar transmission power of 40 dBm, at an IM3 frequency of 400 MHz, can potentially detect a receiver at 80 m. Finally in a final exploratory work, we demonstrated that by observing the IM3 response reflected following a power scan the IM3 radar can add new identification criteria that discriminate the hidden receivers detected between them.

The doctoral thesis deals with aspects of pre-certification tests of electromagnetic immunity in the automotive industry. The thesis analyses commonly used test methodology and mentions that standardized electromagnetic immunity tests performed by certified testing centres, which are extremely expensive and represents a considerable time load in the development of the vehicle. The thesis therefore proposes innovative ways for replacement of certification tests with an acceptable level of uncertainty. Key methods are seen in numerical simulations and modified test procedures when the vehicle is exposed by electromagnetic field. The proposed methods are deeply explored and their benefits are discussed and support by number of experiments. The results obtained with the pre-certification methods are objectively compared with the results of the certification measurements by FSV method. The work brings a proposal for a comprehensive test methodology including a discussion of risks and uncertainties with related issues.

La prolifération des composants électroniques fait que l'étude de leur vulnérabilité face à des agressions électromagnétiques intentionnelles ou non devient de plus en plus préoccupante. Notre étude s'inscrit dans ce contexte et s'oriente plus particulièrement vers les composants numériques. Ces derniers incorporent généralement, à toutes leurs interfaces d'entrée et de sortie, des éléments de protection contre les décharges électrostatiques permettant d'éliminer tout signal se présentant avec une amplitude élevée. Cependant, les signaux perturbateurs peuvent avoir des amplitudes moindres mais des formes d'onde complexes et capables de causer des dysfonctionnements à ces composants numériques sans activer les protections. Dans ce cas, les étages d'entrée se retrouvent au premier plan et leur comportement face à ces signaux perturbateurs peut altérer la fonctionnalité globale du circuit. Ainsi, nous nous sommes proposés d'étudier et de modéliser les comportements de ces étages d'entrée face à ces types d'agressions. Une première étape a consisté à définir une plateforme d'expérimentation pour les composants numériques. Une sélection des types de composants de test a d'abord été effectuée et le choix s'est porté naturellement sur l'inverseur CMOS, car il est présent sur la quasi-totalité des étages d'entrée, et sa structure est simple et connue. Le choix de cette technologie est également dicté par sa simplicité et son omniprésence dans les équipements électroniques actuels. Différents types de signaux perturbateurs ont été appliqués à ces inverseurs CMOS afin d'observer et de relever leurs comportements typiques et particuliers. Ensuite, à partir des résultats expérimentaux, un modèle SPICE comportemental et générique des inverseurs CMOS a été créé. Différents types de modèles de composants numériques existent mais le type SPICE est le seul à expliciter leur architecture complète. En effet, pour des raisons liées aux propriétés intellectuelles, les fabricants sont généralement discrets sur les structures internes de leurs circuits intégrés. Par contre, ces modèles SPICE ne sont à priori valables que dans des limites de fonctionnement définis par les fabricants. Nous avons apporté diverses modifications à ce modèle afin d'incorporer les comportements observés en dehors des limites de fonctionnement des inverseurs CMOS. Le besoin de trouver un modèle générique a imposé d'étudier un grand nombre d'échantillons d'inverseurs CMOS de différents fabricants et de différentes familles technologies. Enfin, une synthèse des résultats de simulations et des modèles, en fonction des fabricants et des familles technologiques, a été réalisée sous forme d'un tableau récapitulatif. / The proliferation of electronic components increases the interest of investigations about their vulnerability against electromagnetic interference intentionally emitted or not. Our study falls in this context and is specifically devoted to digital devices. These devices usually include, at their input/output ports, protection elements to prevent against electrostatic discharges and all kind of signals with very high amplitude. However, the perturbating signals can have low amplitude and complex waveforms that can cause trouble to these digital devices without triggering protection elements. In this case, first stages are the front, and their behaviors against these perturbation signals can alter the good operation of the device. Thus, we propose to study and model the behaviors of these first stages against such aggressions. First of all, an experimental platform was defined for the digital devices. A selection of devices is done and CMOS inverter was naturally chosen because of its presence in almost all of the first stages of digital devices, and because its structure is simple and well known. The choice of the CMOS technology is also due to its simplicity and omnipresence in current electronic equipments. Different perturbation signals were applied to these CMOS inverters to observe and record their typical and particular behaviors. Secondly, with the experimental results, a behavioral and generic SPICE model of CMOS inverters was developed. Different models exist for digital devices, but SPICE is the only one explicitly describing their complete architecture. But, for intellectual proprieties reasons, the manufacturers are usually reluctant to share information on their devices’ internals. However, the SPICE models are only valid within some operating limits defined by manufacturers. We have brought different modifications to this SPICE model to incorporate the observed behaviors of CMOS inverters inside and outside their normal operating conditions. The generic criterion of the final model imposed to study a large number of CMOS inverters of different manufacturers and different logic families. Finally, a synthesis of models and simulation results, by manufacturer and logic family, is produced.

This thesis is focused on a detailed analysis of the mechanisms of electromagnetic wave propagation in anechoic chambers. The analysis takes into account the influence of the measurement distance, setup of anechoic chamber and other parameters. Furthermore, the work deals with a validation of both types of anechoic chambers and examines the impact of selected parameters on the measurement results. Based on the theoretical analysis and practical measurement, the comparation between semi and fully anechoic chamber, or a three and ten meter measuring distance was made. This thesis also contains a detailed analysis of sources of the uncertainty.