Thèse numérisée par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal.

Cette thèse s’inscrit dans le cadre de l’amélioration du comportement électrique des isolateurs de lignes haute tension ; l’objectif est d’assurer une meilleure fiabilité et qualité d’alimentation en énergie électrique. Ce travail a été motivé par la nécessité de répondre à trois questions liées au comportement des isolateurs verre en zone polluée. La première porte sur la recherche d’une méthode permettant de calculer la tension de contournement des chaînes polluées selon le type d’isolateur et ses caractéristiques. La deuxième question concerne la différence de comportement entre les isolateurs en verre et les isolateurs en porcelaine de type « outerrib » ; ce type d’isolateurs présente une forme spécifique adaptée aux environnements à forte pollution. Les tensions de contournement ainsi que les trajectoires de l’arc sur les isolateurs en verre sont très différentes de celles observées avec les isolateurs en porcelaine. Et la troisième question est relative à la défaillance des isolateurs recouverts de silicone lors des essais en chocs (des impulsions de tension) à front raide. En effet, les isolateurs recouverts d’une couche de 0.3 mm (ou plus) de silicone hydrophobe explosent lorsqu’ils sont soumis à des impulsions de tension à front raide d’amplitude très élevée pendant un temps très court. Différents mécanismes pouvant être à l’origine de l’explosion/éclatement des isolateurs recouverts d’une couche de silicone sont discutés. Il ressort des différents tests et analyses que le mécanisme le plus probable semble être la fragmentation par plasma. En effet, suite à l’application d’une tension à front raide, d’amplitude très élevée, des canaux (fissures) microscopiques prennent naissance là où le champ électrique est le plus intense. L’application répétitive des chocs de tension conduit au développement de décharges dans ces canaux (rupture diélectrique de l’air) c’est-à-dire des arcs (canaux de plasma) qui se développent/propagent dans le volume de l’isolateur. La puissance déchargée (c’est-à-dire l’énergie stockée dans les condensateurs du générateur en des temps très courts) dans ces canaux à chaque choc étant très élevée, elle conduit à l’explosion de l’isolateur après quelques chocs (parfois 5 ou 6 suffisent): c’est la fragmentation par plasma. / This thesis deals with the improvement of the electrical behavior of insulators of high voltage lines; the objective is to ensure better reliability and quality of power supply. This work was motivated by the need to answer three questions related to the behavior of glass insulators in polluted areas. The first one concerns the search for method for calculating the flashover voltage of polluted chains according to the type of insulator and its characteristics. The second question concerns the difference in behavior between glass insulators and "outerrib" porcelain insulators; this type of insulator has a specific shape adapted to environments with high pollution. The flashover voltages as well as the trajectories of the arc on glass insulators are very different from those observed with porcelain insulators. And the third issue is the failure of silicon-coated insulators during shock tests (pulses) with a steep front. Indeed, insulators coated with a layer of 0.3 mm (or more) of hydrophobic silicone explode when subjected to very high amplitude steep-edge voltage pulses for a very short time. Different mechanisms that may be responsible for the explosion / puncturing of insulators covered with a layer of silicone are discussed. It appears from the various tests and analyzes that the most probable mechanism seems to be plasma fragmentation (cracking). Indeed, following the application of a steep front voltage, of very high amplitude, microscopic channels (fissures) originate where the electric field is most intense. The repetitive application of impulse voltages (shocks) leads to the development of discharges in these channels (breakdown of the air), i.e.; arcs (plasma channels) which develop / propagate in the volume of the insulator. The discharged power (i.e.; the energy stored in the capacitors of the generator in a very short times) in these channels (cracks) at each shock being very high, leads to the explosion of the insulator after some shocks (5 to 6 sometimes): it is the fragmentation by plasma or plasma cracking.

La technologie CMOS SOI (« Silicon On Insulator ») a déjà montré son intérêt pour les circuits numériques par rapport à la technologie CMOS sur substrat massif (« bulk »). Avec l'entrée des technologies CMOS dans l'ère des dimensions nanométriques, les transistors atteignent des fréquences de coupures élevées, ouvrant la voie aux applications hyperfréquences et de ce fait à l'intégration sur la même puce des circuits numériques, analogiques et hyperfréquences. Cependant, la piètre qualité des éléments passifs reste le principal verrou des technologies CMOS pour y parvenir.<br />Les travaux effectués lors de cette thèse portaient sur l'étude des aptitudes de la technologie CMOS SOI 130 nm de ST-Microelectronics pour des applications hyperfréquences au-delà de 20 GHz. Ils consistaient plus précisément à concevoir des circuits de démonstration pouvant entrer dans la composition d'une chaîne d'émission/réception. Trois amplificateurs distribués en bande K ont d'abord été conçus et mesurés. Malgré des pertes élevées dans les lignes de transmission limitant ainsi la bande passante et le gain, les performances mesurées montrent l'intérêt de cette technologie pour les hyperfréquences. Ensuite, une nouvelle série de démonstrateurs – amplificateurs distribués, amplificateurs faible bruit et mélangeurs actifs – a été conçue en employant des lignes à plus faibles pertes que celles utilisées précédemment. Les résultats de simulation montrent que le produit gain-bande des amplificateurs distribués a doublé en conservant la même architecture. Les simulations des amplificateurs faible bruit et des mélangeurs actifs montrent des performances à l'état de l'art en CMOS.

Thèse numérisée par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal

Les performances des outils numériques de simulation électromagnétique de structures complexes, i.e., échelles multiples, sont souvent limitées par les ressources informatiques disponibles. De nombreux méso-centres, fermes et grilles de calcul, se créent actuellement sur les campus universitaires. Utilisant ces ressources informatiques mutualisées, ce travail de thèse s'attache à évaluer les potentialités du concept de grille de calcul (Grid Computing) pour la simulation électromagnétique de structures multi-échelles. Les outils numériques de simulation électromagnétique n'étant pas conçus pour être utilisés dans un environnement distribué, la première étape consistait donc à les modifier afin de les déployer sur une grille de calcul. Une analyse approfondie a ensuite été menée pour évaluer les performances des outils de simulation ainsi déployés sur l'infrastructure informatique. Des nouvelles approches pour le calcul électromagnétique distribué avec ces outils sont présentées et validées. En particulier, ces approches permettent la réalisation de simulation électromagnétique de structures à échelles multiples en un temps record et avec une souplesse d'utilisation.

De nos jours, la plupart des analyses CEM d’équipements et systèmes électroniques sont basées sur des approches quasi-déterministes dans lesquelles les paramètres internes et externes des modèles sont supposés parfaitement connus et où les incertitudes les affectant sont prises en compte sur les réponses par le biais de marges de sécurité importantes. Or, l’inconvénient de telles approches est qu’elles sont non seulement trop conservatives, mais en outre totalement inadaptées à certaines situations, notamment lorsque l’objectif de l’étude impose de prendre en compte le caractère aléatoire de ces paramètres via des modélisations stochastiques appropriées de type variables, processus ou champs aléatoires. Cette approche probabiliste a fait l’objet ces dernières années d’un certain nombre de recherches en CEM, tant au plan national qu’au plan international. Le travail présenté dans cette thèse est une contribution à ces recherches et a un double objectif : (1) développer et mettre en œuvre une méthodologie probabiliste et ses outils numériques d’accompagnement pour l’évaluation de la fiabilité et l’analyse sensibilité des équipements et systèmes électroniques en se limitant à des modélisations stochastiques par variables aléatoires ; (2) étendre cette étude au cas des modélisations stochastiques par processus et champs aléatoires dans le cadre d’une analyse prospective basée sur la résolution de l’équation aux dérivées partielles des télégraphistes à coefficients aléatoires.L’approche probabiliste mentionnée au point (1) consiste à évaluer la probabilité de défaillance d’un équipement ou d’un système électronique vis-à-vis d’un critère de défaillance donné et à déterminer l’importance relative de chacun des paramètres aléatoires en présence. Les différentes méthodes retenues à cette fin sont des adaptations à la CEM de méthodes développées dans le domaine de la mécanique aléatoire pour les études de propagation d’incertitudes. Pour le calcul des probabilités de défaillance, deux grandes catégories de méthodes sont proposées : celles basées sur une approximation de la fonction d’état-limite relative au critère de défaillance et les méthodes de Monte-Carlo basées sur la simulation numérique des variables aléatoires du modèle et l’estimation statistique des probabilités cibles. Pour l’analyse de sensibilité, une approche locale et une approche globale sont retenues. Ces différentes méthodes sont d’abord testées sur des applications académiques afin de mettre en lumière leur intérêt dans le domaine de la CEM. Elles sont ensuite appliquées à des problèmes de lignes de transmission et d’antennes plus représentatifs de la réalité.Dans l’analyse prospective, des méthodes de résolution avancées sont proposées, basées sur des techniques spectrales requérant les développements en chaos polynomiaux et de Karhunen-Loève des processus et champs aléatoires présents dans les modèles. Ces méthodes ont fait l’objet de tests numériques encourageant, mais qui ne sont pas présentés dans le rapport de thèse, faute de temps pour leur analyse complète. / Nowadays, most EMC analyzes of electronic or electrical devices are based on deterministic approaches for which the internal and external models’ parameters are supposed to be known and the uncertainties on models’ parameters are taken into account on the outputs by defining very large security margins. But, the disadvantage of such approaches is their conservative character and their limitation when dealing with the parameters’ uncertainties using appropriate stochastic modeling (via random variables, processes or fields) is required in agreement with the goal of the study. In the recent years, this probabilistic approach has been the subject of several researches in the EMC community. The work presented here is a contribution to these researches and has a dual purpose : (1) develop a probabilistic methodology and implement the associated numerical tools for the reliability and sensitivity analyzes of the electronic devices and systems, assuming stochastic modeling via random variables; (2) extend this study to stochastic modeling using random processes and random fields through a prospective analysis based on the resolution of the telegrapher equations (partial derivative equations) with random coefficients. The first mentioned probabilistic approach consists in computing the failure probability of an electronic device or system according to a given criteria and in determining the relative importance of each considered random parameter. The methods chosen for this purpose are adaptations to the EMC framework of methods developed in the structural mechanics community for uncertainty propagation studies. The failure probabilities computation is performed using two type of methods: the ones based on an approximation of the limit state function associated to the failure criteria, and the Monte Carlo methods based on the simulation of the model’s random variables and the statistical estimation of the target failure probabilities. In the case of the sensitivity analysis, a local approach and a global approach are retained. All these methods are firstly applied to academic EMC problems in order to illustrate their interest in the EMC field. Next, they are applied to transmission lines problems and antennas problems closer to reality. In the prospective analysis, more advanced resolution methods are proposed. They are based on spectral approaches requiring the polynomial chaos expansions and the Karhunen-Loève expansions of random processes and random fields considered in the models. Although the first numerical tests of these methods have been hopeful, they are not presented here because of lack of time for a complete analysis.

Les performances des outils numériques de simulation électromagnétique de structures complexes, i.e., échelles multiples, sont souvent limitées par les ressources informatiques disponibles. De nombreux méso-centres, fermes et grilles de calcul, se créent actuellement sur les campus universitaires. Utilisant ces ressources informatiques mutualisées, ce travail de thèse s'attache à évaluer les potentialités du concept de grille de calcul (Grid Computing) pour la simulation électromagnétique de structures multi-échelles. Les outils numériques de simulation électromagnétique n'étant pas conçus pour être utilisés dans un environnement distribué, la première étape consistait donc à les modifier afin de les déployer sur une grille de calcul. Une analyse approfondie a ensuite été menée pour évaluer les performances des outils de simulation ainsi déployés sur l'infrastructure informatique. Des nouvelles approches pour le calcul électromagnétique distribué avec ces outils sont présentées et validées. En particulier, ces approches permettent la réalisation de simulation électromagnétique de structures à échelles multiples en un temps record et avec une souplesse d'utilisation. / The numerical electromagnetic tools for complex structures simulation, i.e. multi-scale, are often limited by available computation resources. Nowadays, Grid computing has emerged as an important new field, based on shared distributed computing resources of Universities and laboratories. Using these shared resources, this study is focusing on grid computing potential for electromagnetic simulation of multi-scale structure. Since the numerical simulations tools codes are not initially written for distributed environment, the first step consists to adapt and deploy them in Grid computing environment. A performance study is then realized in order to evaluate the efficiency of execution on the test-bed infrastructure. New approaches for distributing the electromagnetic computations on the grid are presented and validated. These approaches allow a very remarkable simulation time reduction for multi-scale structures and friendly-user interfaces

Ce travail est une étude de caractérisation de différents composants du réseau basse tension (BT) français dans la bande de fréquence utilisée par les courants porteurs en ligne en bande étroite entre 9 kHz et 500 kHz. L’objectif est de permettre une compréhension approfondie de la propagation du signal CPL dans le réseau BT français. L’approche ascendante est choisie. Elle consiste en la caractérisation du réseau à partir de la caractérisation de chaque composant le constituant. Deux composants essentiels du réseau BT ont été caractérisés : les câbles d’énergie et les installations des clients. Dans la première partie, différentes technologies de câbles de distribution et de branchement ont été caractérisées expérimentalement. Deux modèles ont été choisis, un premier modèle dit ligne simple (LS) qui ne prend pas en compte le couplage et un deuxième modèle dit ligne couplée (LC) plus complet qui prend en compte le couplage inductif et capacitif entre les lignes de transmission des câbles. Dans la deuxième partie, on s’est intéressé à l’obtention des impédances d’entrée des installations des clients vues par le réseau BT. Ces impédances ont été obtenues à partir de la caractérisation du câble électrique domestique ainsi que celle de différents appareils domestiques parmi les plus présents dans les installations. Pour ces différentes caractérisations, trois méthodes expérimentales ont été conçues et mises au point. Une étude paramétrique a été réalisé pour évaluer l’influence des longueurs des câbles ainsi que les valeurs des impédances connectées aux extrémités des lignes de transmission de ces câbles sur l’atténuation, le couplage et l’impédance d’accès. / This work presents the characterization of different components of the French Low Voltage (LV) network in the frequency band used by the narrowband power line communication (PLC) between 9 kHz and 500 kHz. The aim of this work is to provide a deeper understanding of the propagation of the PLC signal in the French LV network. For this, the bottom-up approach is used. This approach consists in LV network characterization starting from the characterization of each component of this LV network. Two essential components of the LV network have been characterized: energy cables and customer installations. In the first part, different distribution and connection cable technologies have been experimentally characterized.Two models have been chosen: a first model called LS consisting on the characterization of cables without taking into account the coupling and a second one more complete called LC which, takes into account the inductive and capacitive coupling between the transmission lines of the cables. In the second part, the work focused on obtaining the input impedance of the customer installations seen by the LV network. These impedances were obtained from the characterization of the domestic electrical cable as well as various domestic appliances among the most present in the installations. Finally, the results of both parts allowed to make a parametric study of the influence of cable lengths and the impedance values connected to the ends of the transmission lines of these cables on attenuation, coupling and access impedances.

La technologie MID (Molded Interconnect Device), fait de leur performance électrique, la flexibilitédans les circuits RF, le potentiel de réduire le nombre de composants, les étapes du processus et laminiaturisation du produit final, a conduit à de nouvelles contraintes à la RF (Radio Frequency) et ledomaine des micro-ondes. Composants moulés sont interconnectées avec des substratsthermoplastiques et les pistes conductrices sont injectés sur la surface. L'objectif de cette thèse estd'étudier la compatibilité de MID pour les applications RF. Les avantages de la technologie MID dansle domaine RF est exploitée pour les lignes de transmission, filtres passifs, coupleurs directionnels etantennes réalisation. La caractérisation RF de différents matériaux de substrat MID et l'étude de laperformance des composants RF ci-dessus sur la base de différentes technologies de fabrication MIDsont inclus dans la thèse. Enfin, le concept d'une étude d'amélioration de la permittivité de certainsthermoplastiques sont également étudiés. / MID (Molded Interconnect Devices) technology, owing to their electrical performance,flexibility in RF circuits, its potential to reduce the number of components, process steps andminiaturization of the final product, has led to some new constraints to the RF (RadioFrequency) and microwave domain. Molded components are interconnected withthermoplastic substrates and conductive traces are injected on the surface. The objective ofthis thesis is to study the compatibility of MIDs for RF applications. The advantages of MIDtechnology in the RF domain is exploited for transmission lines, passive filters, directionalcouplers and planar and 3D antennas realization. The RF characterization of various MIDsubstrate materials and the study of the performance of the above RF components based onvarious MID fabrication technologies are included in the thesis. Finally, an permittivityimprovement study of some thermoplastics are also studied.

La technologie MID (Molded Interconnect Device), fait de leur performance électrique, la flexibilitédans les circuits RF, le potentiel de réduire le nombre de composants, les étapes du processus et laminiaturisation du produit final, a conduit à de nouvelles contraintes à la RF (Radio Frequency) et ledomaine des micro-ondes. Composants moulés sont interconnectées avec des substratsthermoplastiques et les pistes conductrices sont injectés sur la surface. L'objectif de cette thèse estd'étudier la compatibilité de MID pour les applications RF. Les avantages de la technologie MID dansle domaine RF est exploitée pour les lignes de transmission, filtres passifs, coupleurs directionnels etantennes réalisation. La caractérisation RF de différents matériaux de substrat MID et l'étude de laperformance des composants RF ci-dessus sur la base de différentes technologies de fabrication MIDsont inclus dans la thèse. Enfin, le concept d'une étude d'amélioration de la permittivité de certainsthermoplastiques sont également étudiés. / MID (Molded Interconnect Devices) technology, owing to their electrical performance,flexibility in RF circuits, its potential to reduce the number of components, process steps andminiaturization of the final product, has led to some new constraints to the RF (RadioFrequency) and microwave domain. Molded components are interconnected withthermoplastic substrates and conductive traces are injected on the surface. The objective ofthis thesis is to study the compatibility of MIDs for RF applications. The advantages of MIDtechnology in the RF domain is exploited for transmission lines, passive filters, directionalcouplers and planar and 3D antennas realization. The RF characterization of various MIDsubstrate materials and the study of the performance of the above RF components based onvarious MID fabrication technologies are included in the thesis. Finally, an permittivityimprovement study of some thermoplastics are also studied.