L'utilisation d'une chambre réverbérante pour modéliser un canal de communication sans fil a récemment été proposée. La chambre réverbérante est une cavité métallique fermée dans laquelle se trouve une pale mécanique en mouvement permettant de modifier les conditions aux limites et d'ainsi obtenir en moyenne une répartition uniforme des champs. Cette cavité métallique fermée présente de nombreux avantages pour modéliser un canal de communication. Citons principalement le fait que l'environnement est reproductible grâce au mouvement de la pale. L'étude détaillée du canal de communication sans fil à l'intérieur de cet environnement est le sujet de cette thèse. Nous développons à la fois une approche théorique et expérimentale (dans 3 chambres réverbérantes différentes). En particulier, on caractérise ce canal dans les dimensions temporelles, fréquentielles et spatiales afin de dériver ensuite un modèle de canal. Nous nous intéressons en particulier aux systèmes sans fil multi-antennes car ceux-ci exploitent les trois dimensions (temps, fréquence, position). Ensuite, nous comparons l'environnement en chambre réverbérante au cas d'un environnement confiné, à savoir une voiture. Nous testons également une chaîne complète de transmission OFDM et SC-FDE sur base du modèle de canal en chambre développé dans cette thèse. Enfin, nous présentons un nouveau système de test composé de deux chambres réverbérantes couplées à l'aide d'un guide d'ondes dont les dimensions transverses peuvent être changées. Grâce à ce guide d'ondes, le degré de liberté du canal multi-antennes peut être contrôlé. / The subject of this thesis is the evaluation of the wireless channel model inside a reverberation chamber. A reverberation chamber is a metallic cavity with a mechanical stirrer whose aim is to stir the electric and magnetic fields inside the chamber. The main advantage of a reverberation chamber for channel modelling purpose is its ability to create an unlimited number of channel realizations. A complete characterization of the channel model is investigated in the three main dimensions (time, frequency and position). A theoretical and experimental approach (in 3 different reverberation chambers) is provided. Then a channel model is proposed. The focus is on multiple antennas systems. Their main characteristic is to take advantage of the three dimensions (including space). A full MIMO channel model is thus proposed and validated. Then, a measurement campaign in a car is compared with the measurements and the theory of the reverberation chamber. An OFDM and SC-FDE transmission scheme are applied on the previously developed channel model inside a reverberation chamber. The results are compared with a classical channel model. Finally, a new testbed is discussed. It is made of two reverberation chambers coupled through a waveguide whose transverse dimensions can be changed. The main advantage of this testbed is its ability to control the degree of freedom of the channel.

L’utilisation d’une chambre réverbérante pour modéliser un canal de communication sans fil a récemment été proposée. La chambre réverbérante est une cavité métallique fermée dans laquelle se trouve une pale mécanique en mouvement permettant de modifier les conditions aux limites et d’ainsi obtenir en moyenne une répartition uniforme des champs. Cette cavité métallique fermée présente de nombreux avantages pour modéliser un canal de communication. Citons principalement le fait que l’environnement est reproductible grâce au mouvement de la pale. L’étude détaillée du canal de communication sans fil à l’intérieur de cet environnement est le sujet de cette thèse. Nous développons à la fois une approche théorique et expérimentale (dans 3 chambres réverbérantes différentes). En particulier, on caractérise ce canal dans les dimensions temporelles, fréquentielles et spatiales afin de dériver ensuite un modèle de canal. Nous nous intéressons en particulier aux systèmes sans fil multi-antennes car ceux-ci exploitent les trois dimensions (temps, fréquence, position). Ensuite, nous comparons l’environnement en chambre réverbérante au cas d’un environnement confiné, à savoir une voiture. Nous testons également une chaîne complète de transmission OFDM et SC-FDE sur base du modèle de canal en chambre développé dans cette thèse. Enfin, nous présentons un nouveau système de test composé de deux chambres réverbérantes couplées à l’aide d’un guide d’ondes dont les dimensions transverses peuvent être changées. Grâce à ce guide d’ondes, le degré de liberté du canal multi-antennes peut être contrôlé.

Nous montrons après une revue des modèles de canaux sans fil que le «room electromagnetics» est un modèle approprié pour aborder l'absorption humaine due aux ondes électromagnétique diffuses. Une méthode pour déterminer le temps de réverbération dans une chambre réverbérante est présentée et validée avec un algorithme à haute résolution. La section transversale d'absorption due aux champs diffus (ACSwb,dmc) est ensuite présentée. Une méthode expérimentale pour déterminer le ACSwb,dmc d'un fantôme est développée et validée par des simulations numériques. Les propriétés du temps de réverbération sont étudiées dans plusieurs environnements à Gand et Aalborg, en utilisant le sondeur de canal virtuel MIMO et le sondeur de canal réel. Les valeurs du temps de réverbération permettant ensuite la détermination du ACSwb,dmc. En outre, nous présentons pour la première fois une méthode expérimentale pour déterminer le débit d'absorption spécifique (SARwb) dans des conditions de propagation réalistes en environnements intérieurs. Plusieurs scénarii ont été envisagés et il s’avère que la contribution des champs diffus dans le débit d'absorption spécifique peut être importante et ne peut être systématiquement négligé.Par ailleurs, une simple formule (comme une alternative aux méthodes numériques et expérimentales) est proposée pour déterminer le SARwb d’humains en présence de champs diffus. La formule est validée par des simulations numériques de fantômes humains hétérogènes et peut être utilisée en dosimétrie pour évaluer rapidement et avec précision le SARwb,total des humains.Enfin, la conclusion et des futures possibilités de recherche concluent cette thèse. / We briefly review the modeling of wireless channels. We demonstrate that the room electromagnetics is a suitable channel model to address the human absorption due to diffuse fields. Next, an easy-to-implement methodology to determine the reverberation time in a reverberation chamber is presented and validated with a high-resolution algorithm. Then, we introduce the absorption cross section in diffuse fields (ACSwb,dmc). An experimental method to determine the ACSwb,dmc of a canonical phantom is developed and validated via numerical simulations. The reverberation time properties are investigated in several offices in Ghent (Belgium), and in Aalborg (Denmark), using the virtual Multiple-Input Multiple-Ouput channel sounder and the real channel sounder. Next, the reverberation time values allow us the measurement of the ACSwb,dmc of humans in a realistic office. We then address for the first time an experimental method to determine the whole-body averaged specific energy absorption rate (SARwb) of humans under realistic propagation conditions in indoor environments. Several scenarios have been considered and we show that the contribution of the diffuse fields in the absorption rate of humans may be prominent and cannot be systematically neglected. Moreover, a simple formula (as an alternative to numerical and experimental approaches) is proposed to determine the total SARwb of humans in presence of diffuse fields. The formula is validated via numerical simulations of four 3-D heterogeneous human models and can be used in dosimetry studies to assess accurately and rapidly the total SARwb of humans.Finally, a conclusion and future research opportunities end this thesis.

Ce travail de thèse porte sur l’étude des chambres réverbérantes à brassage de modes (CRBM), dispositifs de mesure en compatibilité électromagnétique (CEM) qui sont de plus en plus employés car moins onéreux que l’utilisation des chambres anéchoïques. La principale contribution de notre travail porte sur l’étude de méthodes alternatives pour la caractérisation de l’environnement électromagnétique d’une CRBM. La méthode développée dans la thèse est une autre approche permettant de vérifier certaines propriétés des champs (uniformité, lois statistiques) dans le volume de test (VDT) au moyen des monopoles électriquement petits installés sur les parois de la chambre. De ce fait, le VDT est libéré de l’antenne de référence utilisée dans les procédures normatives actuelles. L’avantage de tels capteurs (par rapport aux antennes et sondes de champ commerciales) est leur coût et leur encombrement insignifiants. En plus, leur interaction avec l’équipement sous test (EST) est pratiquement nulle.La thèse est organisée en deux grandes parties :Après avoir rappelé dans une première partie, les différentes études déjà réalisées sur les parois des CRBM, nous avons développé et validé expérimentalement un modèle théorique simplifié visant à décrire les propriétés du champ électromagnétique au voisinage des parois.Dans la deuxième partie, nous démontrons la faisabilité d’une détermination du champ électrique dans le VDT au moyen de ces monopoles sur parois et ce, sur une très large plage de fréquences. La bonne concordance de ces résultats avec ceux de capteurs conventionnels placés dans le VDT valide notre approche. / The work presented in this thesis deals with mode stirred reverberation chambers (MSRC), which are being increasingly used for electromagnetic compatibility (EMC) measurements because they are less expensive than anechoic chambers. Our main contribution is the study of alternative methods for characterizing the electromagnetic environment inside a MSRC.The method developed in the thesis enables to check some properties of the fields (statistical uniformity of the field) in the uniform working volume (UWV) with electrically small wall-mounted monopoles. The advantage of such sensors (compared to conventional antennas and field probes) is their low cost and their insignificant size. In addition, their interaction with the equipment under test (EUT) is practically null. The thesis is organized into two major parts:In a first part, after a short presentation of some studies already carried out on the walls of MSRC, we have developed and experimentally validated a simplified theoretical model to describe the properties of the electromagnetic fields near the walls.In the second part, we demonstrate the feasibility of determining the electric field inside the UWV by means of the monopoles installed on the walls in a large frequency range. The good agreement of the results with those of conventional sensors placed inside the UWV validates our approach.

Dans cette thèse nous proposons l'analyse par l'expérimentation de l'effet de la charge sur les propriétés statistiques du champ électromagnétique mesuré dans le volume utile de la chambre réverbérante à brassage de modes (CRBM) ; mais aussi, le développement d'une nouvelle application de la CRBM permettant de réaliser des tests d'immunité rayonnée en conjuguant le stress thermique à l'agression électromagnétique. Dans un premier temps, nous nous intéressons à l'évaluation des principaux paramètres de calibrage dans le cas d'une chambre vide ou en présence d'un ou de plusieurs objets dissipatifs. Une attention particulière a été réservée au nombre de positions d'antenne choisi pour le relevé des mesures. En effet, les normes en vigueur traitant des mesures en chambre réverbérante apportent très peu d'explications quant au nombre de positions d'antenne requis, et un minimum d'informations sur l'influence de la charge sur le comportement électromagnétique de la chambre. Les lois de distribution des mesures de champ et de puissance, relevées au sein du volume de travail, sont évaluées à l'aide de tests statistiques d'ajustement (goodness-of-fit tests). Nous mettons en évidence de manière expérimentale la dégradation de l'indépendance des échantillons relevés sur un tour de brasseur après introduction d'objets dissipatifs faisant paraitre un meilleur ajustement des distributions statistiques aux lois de distributions idéales. Cette confusion est la source d'interprétations erronées quant à l'amélioration des propriétés statistiques du champ en CRBM en dessous de sa fréquence minimale d'utilisation. Nous apportons également un éclaircissement sur le nombre minimal de positions d'antenne à respecter pour les mesures en CRBM. Dans un second temps, nous mettons en œuvre un protocole expérimental permettant une meilleure compréhension de la variation de la charge en fonction des paramètres physiques ou position spatiale des objets introduits dans la CRBM. Cette investigation apporte des réponses sur la façon dont un équipement sous test charge la chambre, et met en évidence la relation entre la charge et la section efficace d'absorption de l'objet au lieu de son volume. Les études scientifiques récentes, préconisant de ne pas dépasser le ratio de 8% du volume total de la chambre pour l'équipement sous test, s'avèrent incomplètes. En effet, le paramètre du volume uniquement est insuffisant pour déterminer la quantité de charge. Dans un troisième temps, nous présentons une application des mesures en CRBM dans un contexte CEM (compatibilité électromagnétique) et mesures multiphysiques. Le développement d'un banc de test intégrable à la CRBM sans modifier notablement les propriétés statistiques du champ électromagnétique généré, en se basant en partie sur les résultats issus de cette thèse, permet notamment d'adapter celle-ci aux essais multiphysiques répondant aux exigences de qualification d'équipements mécatroniques intégrés dans les véhicules. Nous montrons les résultats de mesures d'immunité rayonnée d'un équipement automobile soumis au stress thermique et l'investigation de l'influence de la température sur l'immunité rayonnée de cet équipement.

Ce document comporte la synthèse du parcours scientifique de Philippe Besnier depuis l'obtention de la thèse de doctorat en 1993. Les travaux concernent pour l'essentiel la compatibilité électromagnétiques des systèmes électroniques. ICette recherche recouvre les tentatives de modélisation de ces phénomènes, et de reproduction de ces phénomènes sur le plans expérimental. Une partie de nos travaux a également consisté à étudié la transposition de certaines techniques pour l'application mesure d'antennes. Le chapitre 1 introduit le document. Le chapitre 2 comporte les éléments essentiels de ce parcours et la liste des travaux réalisés. Le chapitre 3 est une synthèse des activités de recherches conduites et des principaux résultats scientifiques obtenus. Enfin, le chapitre 4 présente une perspective de recherche pour les années futures.

Ce travail porte sur les techniques de mesure des champs en cavité électromagnétique et plus précisément en chambre réverbérante. En raison de la perturbation induite sur la distribution du champ au sein d'une cavité résonante par la présence d'un objet, les techniques de mesure de champ classiques utilisant une antenne souffrent d'une précision limitée. Par conséquent, nous proposons une nouvelle technique de mesure de la distribution du champ électrique basée sur la théorie des perturbations. Elle consiste à mesurer les variations de la fréquence de résonance de la cavité pour chaque position de l'élément perturbateur introduit dans la cavité, puis à en déduire la variation de l'amplitude du champ électrique. Le choix de la forme de l'objet perturbateur, de ses dimensions et de son matériau constitutif est effectué à partir des résultats des simulations et des mesures dans un cas canonique, de façon à adapter le banc de mesure au cas étudié. Cette technique de mesure est ensuite appliquée avec succès au cas d'une chambre réverbérante équipée d'un brasseur de modes, ainsi qu'à des mesures de champ à l'intérieur d'un boitier inséré dans la cavité. Cette approche a permis, via un post-traitement basé sur l'utilisation de l'algorithme MUSIC, de déterminer avec une grande précision les directions d'arrivée des champs dans la chambre réverbérante / This work deals with field measurement techniques in large electromagnetic enclosures namely reverberation chambers. Due to the perturbation of the field distribution within a resonant cavity due to the presence of an introduced object, conventional field measurement techniques employing an antenna suffer from a limited accuracy. Therefore we propose a new measurement technique of the electric field distribution based on the perturbation theory; it consists of a measure of the cavity resonant frequency variation when displacing a small perturbing object within the cavity, and leads to the electric field distribution. The choice of the perturbing object shape, dimension and material is discussed with the help of simulation and measurement results in a canonical case in order to adapt the measurement setup to the studied case. This technique is then successfully employed in a reverberation chamber equipped with a mode stirrer, as well as to measure the field within a metallic box placed in the cavity. Using a post-processing based on MUSIC algorithm, this approach has permitted to determine accurately the field directions-of-arrival in the reverberation chamber

Cette thèse concerne la modélisation numérique de Chambres Réverbérantes à Brassage de Modes (CRBM). Cet outil est utilisé pour les tests en Compatibilité ElectroMagnétique (CEM) de systèmes électroniques variés. L'utilisation de modèles temporel, géométrique et électronique particuliers a été motivée en s'appuyant sur un maximun de paramètres réels. La prise en compte naturelle par la méthode des Volumes Finis dans le Domaine Temporel (VFDT) de géométries complexes autorise la modélisation conforme des équipements rencontrés en CRBM. L'intégration réaliste des pertes est assurée via un filtre temporel spécifique. Ces travaux ont permis de quantifier au mieux les effets de la dissipation numérique VFDT : une technique temporelle hybride Différences Finies/ Volumes Finis adaptée est ainsi proposée. Enfin, différentes améliorations numériques permettent d'optimiser les développements actuels des simulations temporelles en chambre réverbérante sont présentées.

Les mesures utilisées actuellement en chambres anéchoïque, pour la caractérisation de la surface équivalente radar (SER) sont généralement perturbées, en particulier en basse fréquence lorsque les parois de la chambre génèrent des trajets multiples. En basse fréquence l’épaisseur des matériaux absorbants devient faible devant la longueur d’onde et ceux-ci ne peuvent plus être considère comme parfaitement absorbants. Dans ce cas, le champ total incident sur la cible sous test est ainsi la somme du champ incident direct et des champs réfléchis par les parois. Basé sur le principe de retournement temporel qui permet de focaliser spatialement et temporellement une onde électromagnétique, l’objectif de la thèse est de présenter une nouvelle méthode d’imagerie microonde qui profite des degrés de liberté spatio-temporels de la propagation au sein d’un milieu diffusant afin de détecter une cible avec une haute résolution. / The currently used methods for radar cross section (RCS) measurements at low frequencies encounter several disturbing phenomena, such as the multipath propagation caused by reflections from the walls. Descending in frequency, the thickness of absorbent materials becomes small compared with the wavelength and they are no longer perfectly absorbent. Therefore, the total incident field on the target becomes the sum of the incident wave and the reflected waves from the walls of the chamber. Inspired by time reversal technique which allows spatial and temporal focusing of an electromagnetic wave, the objective of the thesis is to present a novel imaging method in the microwave range which benefits from the spatio-temporal degrees of freedom provided by the transmission through a random medium in order to detect a target with high resolution.

La chambre réverbérante à brassage de modes (CRBM) est une cavité métallique fermée surdimensionnée, équipée d’un brasseur de modes. Le brassage de modes rend le champ électromagnétique homogène et isotrope à l’intérieur de la CRBM (dans son volume utile). Cette thèse illustre tout d’abord une nouvelle méthode pour évaluer les performances d’un brasseur de modes (via le spectre Doppler). Ensuite, elle présente une nouvelle méthode permettant de mesurer la surface équivalente radar (SER) d’un objet canonique en utilisant la technique de fenêtrage temporel ou time-gating. Enfin, elle présente une nouvelle méthode permettant de mesurer le diagramme de rayonnement d’une antenne dans une cavité surdimensionnée via la technique de time-gating. / The reverberation chamber (RC) is an oversized closed metal cavity, equipped with a mode-stirrer. The mode stirring makes the electromagnetic field homogeneous and isotropic inside the RC (in its useful volume). This thesis illustrates firstly a new method for evaluating the performance of a mode-stirrer (via the Doppler spectrum). Then, it presents a new method for measuring the radar cross section (RCS) of a canonical object using the time-gating technique. Finally, it presents a new method for measuring the antenna radiation pattern in an oversized cavity via the time-gating technique.