L'utilisation croissante d'appareils électroniques et la multiplicité des sources de perturbation ont conduit à l'étude de nouveaux moyens d'essais permettant d'améliorer la répétitivité des mesures en Compatibilité ElectroMagnétique (CEM), en particulier aux fréquences supérieures au GigaHertz. Dans ce contexte, la Chambre Réverbérente à Brassage de Modes (CRBM) représente un outil attractif, tant au niveau des mesures en immunité qu'en émission. Cependant, de nombreuses questions restent encore ouvertes quand au comportement des CRBM, en présence ou non de l'équipement sous test : les travaux représentés dans ce mémoire ont pour but d'apporter une contribution au volet probabiliste de l'étude du champ électromagnétique en CRBM

Thèse numérisée par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

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 coeur 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.

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

La croissance formidable des dispositifs sans fils et autonomes (réseaux de capteurs, objets connectés…) voit actuellement son développement limité par les batteries qui présente une durée de vie limitée et ainsi soulève des problèmes de maintenance. Afin de palier à cette limitation, l’utilisation de l’énergie directement disponible dans l’environnement immédiat du dispositif, conduisant au concept de « récupération d’énergie », est une voie fortement explorée depuis une dizaine d’années. Ainsi, l’objectif de cette thèse a été de développer de nouvelles techniques et/ou d’utiliser de nouveaux principes de conversion afin de proposer des alternatives aux techniques de récupération d’énergie classiques. Dans un premier temps, l’optimisation de récupérateurs électrostatiques a été étudiée. Les performances de ces systèmes étant fortement liées à la variation de capacité, une structure fractale, permettant un accroissement important des surfaces en regard entre deux électrodes (et donc de la capacité) lorsque ces dernières sont proches, a été proposée et modélisée. Il est ainsi montrer un accroissement significatif des possibilités de récupération d’énergie ; ces dernières étant étroitement liées à l’amplitude de vibration du système. Le second axe de recherche de cette thèse s’est attelé à développer un modèle haut niveau simple mais précis pour les structure utilisant des polymères électrostrictifs fonctionnant en flexion. Une analyse énergétique a permis de mettre en place un modèle électromécanique masse-ressort-amortisseur couplé avec une source de courant contrôlée par les excitations mécaniques et électriques du système, permettant ainsi une conception plus aisée du microgénérateur. Enfin, la dernière partie de cette thèse s’est intéressée à la conversion d’énergie thermique utilisant la variation de perméabilité des matériaux ferromagnétiques, ouvrant de nouvelles possibilités de conversion de l’énergie. En particulier, une technique simple et autonome consiste à créer un champ magnétique de polarisation à l’aide d’un aimant, permettant une variation du flux magnétique lors d’un changement de température, qui peut être converti sous forme électrique à l’aide d’un bobinage. / This thesis has been devoted to electrostatic mechanical energy harvesting based on capacitors inspired by fractal geometry, to mechanical energy harvesting based on beams with electrostrictive polymers, and to thermal energy harvesting based on ferromagnetic materials. For electrostatic energy harvesting without electrets, interdigitated capacitors are usually applied as in-plane overlap varying and in-plane gap closing electrostatic generators. In consideration of the limit of aspect ratio for fingers in the capacitor, we would like to improve the capacitor configuration by taking advantage of self-similarity patterns. The concept is to gradually add fingers of smaller widths between original ones to form a mountain-shape capacitor. According to the different width ranges of capacitors, they are classified as of different orders whose performances vary with the vibration amplitude. Harvested energy over one cycle for capacitors of order 1, 2 and 3 has been demonstrated by theoretical and FEM results. In application, the order of capacitor needs to be properly chosen to maximize the harvested energy. Electrostrictive polymer (polyurethane) has been utilized along with a beam to perform mechanical energy harvesting. Two models have been analyzed: clamped-free beam with a polymer film attached at the clamped end, clamped-free bimorph beam. The simple model for electrostrictive devices under flexural solicitation is set up on the base of analysis of energy conversion and it shows that the electrostrictive system can be reduced to a simple spring-mass-damper system with a quadratic dependence with the applied voltage on the mechanical side and to a current source controlled by the applied voltage with a capacitive internal impedance on the electrical side. Experiments based on the clamped-free beam with a polymer film attached to the clamped end have been carried out to evaluate the mechanical to electrical conversion. The thermal energy generator is based on a ferromagnetic material, a magnet and a coil. As the magnetic permeability of ferromagnetic materials encounters drastic variation around the Curie temperature, the concept of the generator is to take advantage of the permeability variation caused by temperature decrease to generate sharp variation in magnetic flux which induces a current in the coil. According to theoretical results, the generated current is closely related to the temperature variation and the variation velocity. Experiments have been carried out on Ni30Fe of which the Curie temperature is 55 ºC. When the temperature decreases from 20.5 ºC to -42.4 ºC, the maximum power is about 4×10^(-7)W with the load to be 2 Ω.

Dans cette thèse nous étudions le phénomène de la supraconductivité à haute température critique sur la base d'un modèle d'un gaz de bosons et d'électrons en interaction. Les bosons sont des paires électroniques localisées avec une forte répulsion à courte portée (coeur dur) alors que les fermions sont des électrons itinérants. En utilisant un développement en diagrammes de Feynman qui tient compte des fortes corrélations entre bosons, nous étudions le comportement du système en fonction du dopage. Nous traçons en particulier le diagramme de phase en mettant en évidence ses similitudes avec celui des supraconducteurs à haute température critique. La température d'ouverture du pseudogap T*, déterminée par l'apparition d'un creux dans la densité d'états électronique, varie en fonction du dopage (donné par la concentration totale des bosons plus les fermions) de façon opposée par rapport à la température critique T?. Cette dernière est estimée par l'échelle d'énergie de la rigidité de la phase liée à son tour au rapport entre le nombre de porteurs de charges superfluides et leur masse. L'importante variation de la masse à cause des corrélations électroniques qui deviennent de plus en plus importantes lorsque la concentration des bosons augmente, est responsable de l'augmentation de la température critique avec le dopage. Nous analysons dans ce contexte la transition graduelle entre un mécanisme de fluctuations de phase qui contrôle la supraconductivité pour des faibles dopages et un mécanisme de fluctuations d'amplitude qui détermine la transition vers la phase supraconductrice pour des dopages élevés.

Le travail de thèse s'intéresse aux effets liés aux agressions MFP et du chaos sur l'électronique. Après une étude théorique et expérimentale du couplage électromagnétique entre deux ports d'accès d'impédance 50 Ω réalisés dans une cavité complexe, un nouveau modèle est proposé pour étendre l'étude aux cas des impédances de rayonnements quelconques en s'appuyant sur le principe de Babinet. L'impact des agressions EM intentionnelles sur les circuits "front-end" des récepteurs comme par exemple les circuits limiteurs lorsque les antennes sont agressées en dehors de leur bande passante a été aussi étudié et validé sur plusieurs types d'antennes pour les applications 2,45 GHz et bande-X. Les résultats montrent que pour certaines conditions, il est possible que l'agression EM génère des signaux chaotiques à l'entrée du récepteur. Enfin, deux sources chaotiques ont été étudiées et caractérisées et la possibilité d'enrichir leur spectre est proposée. / The thesis focuses on the effects associated with HPM and Chaos aggressions on electronics. After a theoretical and experimental study of the electromagnetic coupling between two ports of 50 Ω impedance in a complex cavity, a new model based on Babinet principle is proposed to extend the study to the case of any radiation impedances. The impact of intentional EM attacks on the "front end" receiver circuits such as limiters at outside the antennas bandwidth was also studied and validated on several types of antennas for 2.45 GHz an X-band applications. The results show that for certain conditions, it is possible that EM aggression generates chaotic signals in the front end receivers. Finally, two chaotic sources have been studied and characterized. The opportunity to enhance their spectrum is also proposed.

Les vibrations aléatoires sont les sollicitations les plus représentatives à celles qui se trouvent dans l'environnement réel. Elles sont souvent rencontrées dans l'environnement de fonctionnement automobile, aéronautique, spatial, ferroviaire et d'autres. La particularité des vibrations aléatoires est l'utilisation de son analyse par fatigue. Grâce aux propriétés statistiques des signaux aléatoires que les méthodes spectrales permettent d'estimer la moyenne du dommage d'une façon efficace et économique mais avec certaines limitations. Une étude numérique sur un système électronique embarqué accompagnée des essais expérimentaux ont été mis en place dans cette thèse pour présenter une démarche complète d'une analyse spectrale des vibrations aléatoires. Une modélisation par éléments finis a été réalisée ainsi qu'une technique du 'zoom structural' en analyse spectrale des vibrations aléatoires a été proposée dans ce travail avec la présentation des équations de cette technique. Une application numérique a montré la validité de la technique proposée en appliquant une étude de l'endommagement par fatigue par l'approche temporelle et par l'approche spectrale. Les résultats numériques de cette application mènent à une estimation d'un temps à l'initiation de la fissure très proche du temps de défaillance observé dans les résultats des essais expérimentaux. Cette technique montre la performance et l'efficacité des méthodes spectrales dans l'estimation du dommage par fatigue aléatoire. Une étude de l'optimisation d'un système soumis aux sollicitations aléatoires a été développée. L'objectif de cette étude est de rechercher la conception optimale du système soumis aux vibrations aléatoires en posant des limitations sur le dommage qui en résulte. Ce dommage estimé par les méthodes spectrales de Dirlik et de Single Moment ne doit pas dépasser un dommage cible pour assurer la fiabilité du système étudié. / Random vibrations are the most representative excitations that can be found in the real environment. They are often encountered in the automotive, aeronautical, space, railway and other operating environments. The special feature of the random vibrations is their important role in damage fatigue analysis. The spectral methods allow to estimate efficiently and economically the mean of the damage using the statistical properties of the random signals. A numerical study on an embedded electronic system with experimental tests was set up in this thesis to present a complete spectral analysis of random vibrations methodology. A finite element model was performed as well as submodelling technique in spectral analysis of random vibrations with associated equations was proposed in this work. A numerical application has shown the validity of the proposed technique by applying the fatigue damage study using the time-domain approach and the spectral approach. The numerical results of this application lead to the estimation of a crack initiation time very close to the failure time observed in the experimental tests. This technique shows the performance and efficiency of spectral methods in the estimation of random fatigue damage. The optimization of a system subjected to random excitations has been developed in this work. The objective of this study is to retrieve the optimal design of the system subjected to random vibrations with limitations on the resulting damage. This damage estimated by Dirlik and Single Moment spectral methods must not exceed defined target damage in order to insure the reliability of the studied system.

La récupération d'énergie par élément piézoélectrique est une technique prometteuse pour les futurs systèmes électroniques nomades autoalimentés. L'objet de ce travail est d’analyser des approches simples et agiles d’optimisation de la puissance produite par un générateur piézoélectrique. D'abord le problème de l’optimisation de l’impédance de charge d’un générateur piézoélectrique sismique est posé. Une analyse du schéma équivalent global de ce générateur a été menée sur la base du schéma de Mason. Il est démontré que la puissance extraite avec une charge complexe adaptée puisse être constante quelle que soit la fréquence et que de plus elle est égale à la puissance extraite avec la charge résistive adaptée du même système sans pertes. Il est montré toutefois que la sensibilité de cette adaptation à la valeur de la réactance de la charge la rend difficilement réaliste pour une application pratique. Une autre solution pour améliorer l’énergie extraite est de considérer un réseau de générateurs positionnés en différents endroits d’une structure. Des simulations sont proposées dans une configuration de récupération d’énergie de type directe sur une plaque encastrée. Les générateurs piézoélectriques, associés à la technique SSHI, ont été reliés selon différentes configurations. Les résultats attestent que l’énergie produite ne dépend pas de façon critique de la manière dont sont connectés les éléments. Toutefois l’utilisation d’un seul circuit SSHI pour l’ensemble du réseau dégrade l’énergie extraite du fait des interactions entre les trop nombreuses commutations. Enfin une nouvelle approche non-linéaire est étudiée qui permet l’optimisation de l’énergie extraite tout en gardant une grande simplicité et des possibilités d’auto alimentation. Cette technique appelée S3H pour « Synchronized Serial Switch Harvesting » n’utilise pas d’inductance et consiste en un simple interrupteur en série avec l’élément piézoélectrique. La puissance récupérée est le double de celle extraite par les méthodes conventionnelles et reste totalement invariante sur une large gamme de résistances de charge. / Piezoelectric energy harvesting is a promising technique for battery-less miniature electronic devices. The object of this work is to evaluate simple and robust approaches to optimize the extracted power. First, a lightweight equivalent circuit derived from the Mason equivalent circuit is proposed. It’s a comprehensive circuit, which is suitable for piezoelectric seismic energy harvester investigation and power optimization. The optimal charge impedance for both the resistive load and complex load are given and analyzed. When complex load type can be implemented, the power output is constant at any excitation frequency with constant acceleration excitation. This power output is exactly the maximum power that can be extracted with matched resistive load without losses. However, this wide bandwidth optimization is not practical due to the high sensitivity the reactive component mismatch. Another approach to improve power extraction is the capability to implement a network of piezoelectric generators harvesting on various frequency nodes and different locations on a host structure. Simulations are conducted in the case of direct harvesting on a planar structure excited by a force pulse. These distributed harvesters, equipped with nonlinear technique SSHI (Synchronized Switching Harvesting on Inductor) devices, were connected in parallel, series, independently and other complex forms. The comparison results showed that the energy output didn’t depend on the storage capacitor connection method. However, only one set of SSHI circuit for a whole distributed harvesters system degrades the energy scavenging capability due to switching conflict. Finally a novel non-linear approach is proposed to allow optimization of the extracted energy while keeping simplicity and standalone capability. This circuit named S3H for “ Synchronized Serial Switch Harvesting” does not rely on any inductor and is constructed with a simple switch. The power harvested is more than twice the conventional technique one on a wide band of resistive load.