During the last three decades, electronic devices have conquered the railway domain, taking the place previously held by electromechanical devices, thanks to higher performances and lower costs. The price of this "revolution" is the fact that, in order to work properly and reliably, electronic systems must be fairly immune to the effect of external interferers, while, at the same time, they are not to electromagnetically pollute the environment they work in. These issues are dealt with by electromagnetic Compatibility (EMC) whereas several international EMC standardization committees work on the definition of tests and rules the manufacturers must comply with. In the European Union, the reference for EMC issues in the railway domain is set by the CENELEC standard EN 50121, which deals with several aspects of a generic railway system, from the power-supply infrastructure to rolling stocks and signalling circuits. The introduction of this standard in 1996 has had a strong impact on rolling stock manufacturers, who are now required to test their products for EMC compliancy. As opposed to the automotive domain, the testing of trains cannot be performed in standard facilities, such as anechoic chambers, so that they have to be tested on actual railway lines, typically on the customer's. Industrial experience has shown that results obtained in this way are usually site-dependent, something that is against the very idea of a standard. The aim of this work is to prove the importance of the infrastructure in radiated emission tests, showing that the test results are site-dependent, thus subject to misunderstandings and misinterpretations. To this end, the features of a generic railway system are briefly described, pointing out the great variability in actual configurations, together with the absence of standard solutions. Subsequently, the electromagnetic modelling of a railway system is introduced, dealing with both propagation and radiation phenomena; in particular, the main topic here addressed is the modelling of supply-lines, through a quasi-TEM approach. The finite conductivity of the soil is taken into account by means of a closed-form formulation, thus avoiding numerical methods, and overcoming the limitations of Carson's model. Moreover, special attention is paid to discontinuities that would increase the model complexity, proposing approximated descriptions supported by numerical results. Results obtained with this model are then validated through several measurement campaigns carried out on actual railway lines, proving the effectiveness of the approach here pursued. The model is then employed in order to prove that some criteria in the standard EN 50121, specifically introduced in order to avoid site-dependency, are not realistic, thus leaving this issue unresolved. To this end, numerical examples are considered, assessing the impact of the infrastructure by comparing results obtained with realistic site configurations and with the ideal one envisaged by the standard. These comparisons are at the base of a tentative procedure that would allow to avoid the misinterpretations that triggered this work. Unfortunately, this approach requires an accurate description of the test-site. Since this is hardly the case, an alternative experimental characterization of the site is proposed, based on magnetic field measurements. This approach, involving the solution of an inverse problem, is shown to be feasible through a numerical validation, though its practical utilization requires efficient optimization techniques.

La particularité des systèmes xDSL (Digital Subscriber Line) et CPL (Courants Porteurs en ligne) est de réutiliser des supports de transmission existants, à savoir l'infrastructure téléphonique et le réseau électrique domestique. Ces deux techniques présentent ainsi l'avantage d'optimiser l'utilisation de ces media de communication. Néanmoins les supports filaires utilisés n'étaient pas initialement destinés à la transmission d'informations à haut débit et des problèmes de Compatibilité Electromagnétique (CEM) se posent inévitablement. Dans ce contexte, ce travail de thèse étudie les problèmes de CEM dans les réseaux filaires supports des hauts débits, à partir des caractéristiques physiques des supports de transmission. Des solutions innovantes sont proposées pour la réduction de la diaphonie dans les réseaux téléphoniques multifilaires transportant les signaux xDSL; puis pour l'amélioration de la fonction de transfert du réseau électrique domestique, support des CPL.

Dans le contexte de développement de produits sans-contact communiquant à très haut débit, dît systèmes VHBR (Very High Bit Rate), il s’avère que les cartes ou passeports VHBR, télé-alimentés à partir du lecteur qui communique avec eux, sont contraints de fonctionner avec une alimentation bien plus faible que les produits communiquant à des débits standards. Pour répondre à cette problématique de manque de puissance d’alimentation, il a été nécessaire de commencer par reprendre la théorie des lignes en l'orientant de manière à ce qu'elle permette de quantifier les transferts de puissance entre une source et une charge séparées par un média quelconque. Ensuite, ce nouveau moyen de quantification des transferts de puissance a été utilisé pour faire de l'aide à la conception des lecteurs VHBR. Ensuite, ce travail de recherche se concentre sur les cartes ou passeports VHBR. En effet, pour permettre à un tel système sans contact de fonctionner de manière télé-alimentée dans un environnement où la puissance disponible est réduite, il faut optimiser sa conception. Les solutions proposées ici consistent à déterminer la géométrie des antennes inductives qui optimisent la récupération d'énergie et le transfert de puissance vers la puce d'une carte VHBR. Ainsi, les travaux présentés dans ce manuscrit apportent des solutions globales à cette problématique de récupération d'énergie dans les objets connectés que sont les systèmes sans contact, en décrivant des méthodes de conception qui permettent d'une part de limiter les pertes de puissance au sein des lecteurs VHBR, et d'autre part d'optimiser la récupération d'énergie au sein des cartes VHBR. / The research work presented in this thesis provides solutions to help industrials to better design RFID readers and RFID tags that implement VHBR (Very High Bit Rate) protocols. Indeed, VHBR technology has a large drawback on the functionning of RFID tags as it lowers the energy available to supply the tag. First, this research work focuses on RFID reader design, and especially matching networks design. After describing a new way of assessing power transfer in Radio Frequency systems, it is shown that T matching networks as thoses proposed in ISO/IEC 10373-6 give the best results in terms of power transfer and signal integrity. Thus, a design method is proposed to correctly choose the three T matching network components that will optimize the power transfer and still meet the signal integrity requirements.Second, this thesis will focus on the design of RFID tags, by describing a new tag's antenna design method that optimize the energy harvested by the antenna and meanwhile reduce the power reflections between the antenna and the tag's chip. This design method is based on new explicit formula that compute a rectangular planar antenna inductance as a function of its geometric characteristics. This method showed very accurate results, and can become an interesting tool for industrials to speed up and optimize their antenna design procedure.Finally, a platform that measures RFID chip's impedance in every state of the chip has been designed, even during load modulation communication. The accuracy of this tool and its importance in order to achieve a good antenna design confer it a great usefulness.

Le travail de recherche proposé dans ce manuscrit consiste à modéliser le rayonnement électromagnétique de conducteurs filaires. En effet l'estimation du rayonnement est un enjeu majeur et l'utilisation de modèles exacts nous semble nécessaire. On propose donc dans ce mémoire une approche analytique qui permet de quantifier les niveaux de champs électromagnétiques rayonnés par les systèmes filaires. Dans un premier temps nous proposons un modèle analytique du calcul du champ électromagnétique rayonné par un système filaire basé sur un développement approfondi des équations de Maxwell. Ce formalisme est issu de la formulation intégrale du potentiel vecteur émis par une antenne filaire dont on supposera connu la distribution de courant. Le modèle analytique ainsi obtenu permet d'estimer aisément les champs sans avoir besoin de discrétiser ni le support de transmission ni l'espace d'observation. Pour enrichir notre modèle nous avons ensuite envisagé les cas où la distribution du courant le long des conducteurs était issu, soit de la théorie des lignes soit d'une simulation numérique basée sur la théorie des antennes, soit de mesures. Dans le cas où c'est la théorie des lignes qui est à la base de la détermination des courants distribués, nous proposons un formalisme analytique du champ électromagnétique rayonné basé uniquement sur la seule connaissance des courants et de leurs dérivées aux extrémités des conducteurs. Nous avons également montré que ce formalisme s'extrapole aisément au cas d'un réseau multifilaire. Dans le cas où la théorie des antennes ou des mesures sont à la base de la connaissance des courants distribués, on identifie ce courant par quelques pôles et résidus grâce à la méthode d'identification Matrix Pencil (MP). Le champ électromagnétique rayonné s'exprime alors par une série finie de termes intégrales. Ce formalisme reste analytique et présente l'avantage d'être adapté aux approches paramétriques et d'optimisations. Nos travaux de recherche ouvrent des perspectives de reconstruction de la distribution du courant par Matrix Pencil à partir de la connaissance du courant et de ses premières dérivées spatiales aux seules extrémités des conducteurs. Le champ électromagnétique rayonné sera alors déduit de notre modèle.

Le travail de recherche proposé dans ce manuscrit consiste à modéliser le rayonnement électromagnétique de conducteurs filaires. En effet l’estimation du rayonnement est un enjeu majeur et l’utilisation de modèles exacts nous semble nécessaire. On propose donc dans ce mémoire une approche analytique qui permet de quantifier les niveaux de champs électromagnétiques rayonnés par les systèmes filaires. Dans un premier temps nous proposons un modèle analytique du calcul du champ électromagnétique rayonné par un système filaire basé sur un développement approfondi des équations de Maxwell. Ce formalisme est issu de la formulation intégrale du potentiel vecteur émis par une antenne filaire dont on supposera connu la distribution de courant. Le modèle analytique ainsi obtenu permet d’estimer aisément les champs sans avoir besoin de discrétiser ni le support de transmission ni l’espace d’observation. Pour enrichir notre modèle nous avons ensuite envisagé les cas où la distribution du courant le long des conducteurs était issu, soit de la théorie des lignes soit d’une simulation numérique basée sur la théorie des antennes, soit de mesures. Dans le cas où c’est la théorie des lignes qui est à la base de la détermination des courants distribués, nous proposons un formalisme analytique du champ électromagnétique rayonné basé uniquement sur la seule connaissance des courants et de leurs dérivées aux extrémités des conducteurs. Nous avons également montré que ce formalisme s’extrapole aisément au cas d’un réseau multifilaire. Dans le cas où la théorie des antennes ou des mesures sont à la base de la connaissance des courants distribués, on identifie ce courant par quelques pôles et résidus grâce à la méthode d’identification Matrix Pencil (MP). Le champ électromagnétique rayonné s’exprime alors par une série finie de termes intégrales. Ce formalisme reste analytique et présente l’avantage d’être adapté aux approches paramétriques et d’optimisations. Nos travaux de recherche ouvrent des perspectives de reconstruction de la distribution du courant par Matrix Pencil à partir de la connaissance du courant et de ses premières dérivées spatiales aux seules extrémités des conducteurs. Le champ électromagnétique rayonné sera alors déduit de notre modèle. / The research presented in this thesis is focused on the modelling of electromagnetic radiation from thin-wire configuration. The radiation assessment is one of the most important issues which strongly requires an accurate modelling. In this work, an analytic approach to evaluate electromagnetic field radiated from thin-wire structure sis proposed. In the first part, we propose an analytical model for calculation of the electromagnetic fields from wire structure derived from the Maxwell equations. This formalism arises from the integral formulation of the magnetic vector potential due to a known current distribution along a wire antenna. The analytical model enables one to readily calculate the fields without requirement of wire structure discretization or involving the propagation effect over the domain of interest. In order to improve the model, we subsequently analyze cases where the current distribution along the conductors is known, either obtained by using the transmission line theory, by numerical simulations based on the antenna theory, or by measurements. On the basis of the known current and its derivative at the ends of a two-wire configuration, obtained by using the transmission line theory, the proposed approach yields an analytical formalism for determination of the radiated electromagnetic field. This analytical formalism is readily extended to multiple wires structures, as well. Once the current distribution is determined by using the antenna theory, the proposed method extracts the corresponding poles and residues by using the Matrix Pencil Method (MPM). In this case, the radiated electromagnetic field is formulated just by few integral terms. The main advantage of the analytical formulation within the framework of the proposal approach is that the method is very suitable for parametric and optimisation studies. This research should be considered as an opener to the subject related to reconstruction of the current distribution by using the Matrix Pencil method (MPM) only based on the current and its first derivative at the wire structure ends. Consequently the radiated electromagnetic field may be subsequently readily calculated by using theproposed analytical model.

Cette thèse présente, dans un premier temps, une nouvelle approche pour traiter les lignes de transmission, appelée la Théorie des Lignes de Transmission Améliorée et Modifiée (TLTAM). Cette extension du formalisme classique de la théorie des lignes de transmission est directement dérivée des équations de Maxwell et ne se limite pas à la seule prise en compte du mode transverse électromagnétique (TEM). Tout en conservant la simplicité du formalisme classique, cette extension aboutit à la définition de paramètres linéiques évolués et associés au mode antenne de la ligne de transmission. Cette solution présente l’avantage d’être compatible avec les noyaux de calcul existants, tout en palliant certaines limitations de la théorie des lignes de transmission (TLT) classique. LA TLTAM est tout d’abord définie pour le cas élémentaire d’une ligne de transmission à conducteur unique. Elle est ensuite généralisée au cas d’un nombre quelconque de conducteurs. Les matrices de paramètres linéiques correspondants sont alors définies. Les capacités de cette nouvelle théorie sont démontrées et validées au moyen de confrontations avec la solution directe des équations de Maxwell et de résultats de mesure. Dans un deuxième temps, le traitement d’une ligne de transmission multiconducteur située à distance d’un plan de référence conducteur est effectué au moyen d’une nouvelle approche désignée sous le nom de Théorie des Lignes de Transmission à Double Référence Intégrée (TLTDRI). Cette approche permet de simplifier l’évaluation des paramètres linéiques du faisceau en scindant le problème initial en deux sous-ensembles de lignes de transmission couplées. Le premier sous-ensemble est composé d'un fil conducteur du faisceau choisi arbitrairement et le plan de référence et constitue le sous-ensemble externe. Le deuxième sousensemble est composé uniquement des fils conducteurs du faisceau, en l’absence du plan de référence et constitue un sous-ensemble interne dont la référence locale est le fil choisi précédemment. On montre alors que seul le sous-ensemble externe nécessite le calcul de paramètres linéiques évolués associés à TLTAM. Le calcul des paramètres linéiques dans le système à référence unique constituée par le plan de référence, est reconstitué à partir de formules de passage permettant leur expression à partir des paramètres linéiques des deux sousensembles. Cette approche est validée et ses résultats sont en très bon accord avec ceux fournis par un calcul numérique direct des équations de Maxwell ainsi que ceux de la TLTAM. Elle permet une simplification très significative du traitement de l’interaction entre le faisceau de câble et la structure conductrice de référence. / This thesis presents, in a first step, a new approach to deal with transmission lines called the Modified Enhanced Transmission Line Theory (METLT). This extension of the classical formalism of the transmission line theory (TLT) is directly derived from Maxwell's equations without the restriction to the transverse electromagnetic (TEM) mode. This extension leads to the definition of enhanced per-unit-length (p.u.l.) parameters taking into account the antenna mode of the transmission line, while it keeps the simplicity of the classical formalism. This solution presents the advantage of being compatible with the existing TLT solvers while overcoming some limitations of the classical TLT. The METLT is firstly developed for the simple case of a single conductor transmission line. It is then generalized to the case of any number of conductors. The corresponding matrices of the p.u.l. parameters are then calculated. The capabilities of this new theory are demonstrated and validated by the means of comparisons with results obtained through a rigorous resolution of Maxwell's equations and measurements results. In a second step, a multi-conductor transmission line sufficiently far from the reference ground plane is assessed through a new approach called: Embedded Double Reference Transmission Line Theory (EDRTLT). This approach allows the simplification of the calculation of the harness p.u.l. parameters by splitting the first set of wires above a ground plane into two subsets of coupled transmission lines. The first subset consists in a conducting wire chosen arbitrarily and the reference ground plane and forms the external subset. The second subset consists only in the conducting wires of the harness, in the absence of the ground plane, and forms an internal subset which local reference is the wire chosen previously. We show that only the external subset requires the calculation of the enhanced p.u.l. parameters with the METLT. The calculation of the harness p.u.l. parameters in the system with a single reference, which is the ground plane only, is made through transformation formulae that allow their extraction from the p.u.l. parameters of the two subsets. This approach is validated and its results are in a very good agreement with those obtained by a rigorous resolution of Maxwell's equations and those of the METLT. It allows a great simplification to assess the interaction between the harness and the reference conducting structure.

Pour répondre aux exigences réglementaires de plus en plus sévères au regard des émissions de CO2, l'industrie automobile voit poindre l'émergence des chaînes de traction électrique dans des structures véhicules en matériaux composites. Dans ce manuscrit, le point de vue du constructeur automobile est considéré. En effet, pour répondre aux exigences automobiles en compatibilité électromagnétique (CEM) pour l'homologation et la protection de la santé des personnes vis-à-vis des champs électriques et magnétiques, le blindage électromagnétique est l'une des solutions de conception les plus utilisées. Afin d'évaluer les meilleurs concepts à moindre coût et réduire autant que possible les délais de prototypage, la modélisation et la simulation numérique doivent encore se développer et être déployées. Les chapitres de ce manuscrit illustrent, étape par étape, la modélisation, la simulation et la validation expérimentale du blindage d'une architecture de chaîne de traction électrique. Dans un premier temps,l'influence d'un matériau composite à savoir l'époxy renforcé en fibres de carbone est étudié sur les émissions conduites et rayonnées en présence d'un câble blindé. Dans un deuxième temps, une méthodologie de modélisation des câbles blindés et des raccords de masse est proposée dans un environnement électromagnétique où la théorie des lignes de transmission classique ne s'applique pas. Pour valider les deux précédentes parties, des bancs de mesure sont proposés et développés. Les résultats expérimentaux sont comparés à la simulation numérique. La dernière partie considère une chaîne de traction électrique simplifiée en présence de boîtiers métalliques, de câbles de puissance blindés, de raccords de blindage et de raccords de masse dans une structure multi-matériaux dans la bande de fréquences 10 kHz - 300 MHz. Les émissions conduites et rayonnées sont analysées en portant une attention particulière à la perturbation de la réception radio. / To reach the increasingly stringent regulatory requirements for CO2 emissions, the automotive industry is improving the electric powertrains in car bodies with composite materials. In this thesis report, the point of view of the car manufacturer is considered. The electromagnetic shielding is one of the most important design solutions to respect the electromagnetic compatibility (EMC) requirements for the homologation and the protection of human health with respect to electrical and magnetic fields. In order to evaluate the best concepts at lower costand to minimize prototyping delays, modeling and numerical simulation still need to be developed and deployed.The chapters of this thesis report illustrate, step by step, the modeling, the simulation and the experimentalvalidation of the shielding applied to an electric powertrain. In a first step, the influence of a composite material such as the carbon fiber reinforced epoxy is studied on the conducted and the radiated emissions in presence of a shielded cable. In a second step, a methodology to model shielded cables and the grounding connectionsis proposed in an electromagnetic environment where classical transmission line theory cannot be applied. Tovalidate the two previous parts, measurement setups are proposed and developed. The experimental results arecompared with the numerical simulation. The last part considers a simplified electric powertrain with metal housings, shielded power cables, shielding connections and grounding connections in a multi-material structurein the 10 kHz - 300 MHz frequency band. The conducted and radiated emissions are analyzed with a particular attention to the disturbance of the radio reception.

Dans ce mémoire de thèse, nous présentons de nouvelles approches dans le domaine de la détection et de la localisation des défauts non-francs dans les réseaux filaires. Dans le domaine de la détection, l’idée est d’adapter le signal de test au réseau à tester, donc celui-là dépendra de la configuration du système sans devoir être prédéfini, comme c’est le cas des méthodes standard de réflectométrie. Nous prouvons que cette approche MP est plus bénéfique lorsque le système est plus complexe, c’est-à-dire lorsque sa réponse est plus riche en échos, ce qui est contraire aux méthodes existantes. L’étude de la MP est menée à travers une étude mathématique, et les résultats de simulation et d’expérimentation valident l’approche proposée. Dans le domaine de la localisation des défauts, et en se basant sur les propriétés de la DORT, nous développons une méthode distributive non-itérative capable de synthétiser des signaux de test se focalisant directement sur la position du défaut. Une étude statistique nous permet d’analyser quelques-uns des paramètres les plus influents sur la performance de la méthode, puis les résultats de simulation et expérimentaux montrent la capacité de la méthode à synthétiser des signaux se focalisant directement sur la position du défaut non-franc, sans avoir besoin d’algorithmes tératifs. / In this thesis we present new approaches in the domains of soft fault detection and location in complex wire networks, based on the properties of time reversal. When addressing the detection of soft faults, the idea is to adapt the testing signal to the network under test, instead of being predefined for all the tested networks, as opposed to standard reflectometry techniques. We prove that this approach, which we name the Matched Pulse approach (MP), is beneficial whenever the system is more complex, i.e., its response is richer in echoes, which is opposed to common understanding. The MP analysis is conducted via a formal mathematical analysis, followed by simulation and experimental results validating the proposed approach. In the domain of soft fault location, and based on the DORT (Décomposition de l’Opérateur de Retournement Temporel) properties, we derive a distributive non-iterative method able to synthesize signals that focus on the fault position. Through a statistical study we analyze some of the influencing parameters on the performance of the method, and then simulation and experimental results show that the method is able to synthesize signals directly focalizing on the soft fault position, without the need for iterations.

Le déploiement d'une infrastructure de supervision permet une gestion plus intelligente des réseaux de distribution d'électricité comparé à un renforcement traditionnel pour répondre aux nouveaux enjeux de la maitrise de l'énergie (Consommations, EnR, VE, ...). Pour acheminer les données, les Courants Porteurs en Ligne (CPL) possèdent un atout majeur. En effet, cette technologie permet de superposer un signal de plus haute fréquence au signal électrique 50/60 Hz. Toutefois, le support de transmission est difficile et non maîtrisable. Ces travaux de recherche ont pour objectif d'apporter une contribution à cette problématique par l'élaboration d'une plateforme de simulation des réseaux pour des fréquences allant jusqu'à 1 MHz dans un but de transmission de données. Des éléments clés des réseaux sont traités de façon séparés puis assemblés pour estimer les performances des CPL « Outdoor » actuels. La variation du comportement des réseaux en fonction du temps et de la fréquence, en particulier des perturbations en tête d'installation clients sur 24h est étudiée. Les transformateurs entre les réseaux HTA et BT sont modélisés sous la forme d'un « modèle à constantes localisées » et d'un « modèle boite noire ». Les deux modèles sont appliqués sur un transformateur H61 100 kVA. Par la suite, une modélisation des câbles de distribution est proposée sous forme d'un « modèle cascadé ». Celle-ci est appliquée sur un câble souterrain BT. Chaque modèle est obtenu à l'aide de mesures d'impédances, et validé par des mesures de transmissions. Pour compléter, une étude préliminaire sur les communications radio mobile est réalisée pour la supervision des réseaux de distribution. / Establishing a supervisory infrastructure allows a better smart management than an expensive strengthening of distribution network to respond to new constraints at the energies control (Consumption, REN, EV ...). To transmit data, Power Line Communication (PLC) technologies present an advantage in this context. In fact, it enables a superposition of High Frequency (HF) signals on electrical signal 50/60 Hz. However, electric networks have not been developed to this application because of difficult propagation conditions. This research work makes a contribution to develop a simulation platform in objective to transmit data to 1 MHz. In first time, each network element is studied singly and in second time, together, to estimate "Outdoor PLC" transmission performance. The first element studied is the networks variation in function of frequency and time. Several 24h disturbance measurements on LV customers are presented. The second element is the transformers which established connection between Medium Voltage (MV) and Low Voltage (LV). The proposed modeling method is based on a "lumped model" and a "black box model". These models are applied to a 100 kVA H61 transformer most commonly used by French distribution system operator in rural and suburban networks. The third element is the power line used in MV and LV networks. The proposed modeling method is based on a "cascaded model" from the theory of transmission line. This model is applied to one power line used in LV underground network. Each model is obtained from various impedance measurements. To complete, an introductory study on mobile radio communication is performed to remote network distribution.