La fusion nucléaire contrôlée par confinement magnétique avec les réacteurs de type Tokamaks et les applications spatiales ont en commun d’utiliser des composants Haute-Fréquence (HF) sous vide à forte puissance. Ces composants peuvent être sujets à l’effet multipactor qui augmente la densité électronique dans le vide au sein des systèmes, ce qui est susceptible d’induire une dégradation des performances des équipements et de détériorer les composants du système. Ces recherches consistent à améliorer la compréhension et la prédiction de ces phénomènes. Dans un premier temps nous avons réalisé une étude de sensibilité de l’effet multipactor au rendement d’émission électronique totale (noté TEEY). Cette étude a permis de montrer que l’effet multipactor est sensible à des variations d’énergies autour de la première énergie critique et dans la gamme d’énergies entre la première énergie critique et l’énergie du maximum. De plus, les composants HF utilisés dans les réacteurs Tokamak et dans le domaine du spatial peuvent être soumis à un champ magnétique continu. Nous avons donc développé un nouveau dispositif expérimental afin d’étudier ce phénomène. Le fonctionnement du dispositif et la méthode de mesure ont été analysées et optimisées à l’aide de modélisations numériques avec le logiciel PIC SPIS. Une fois que l’utilisation du dispositif a été optimisée et que le protocole de mesures a été validé, nous avons étudié l’influence d’un champ magnétique uniforme et continu sur le TEEY du cuivre. Nous avons démontré que le rendement d’émission électronique totale du cuivre est influencé par la présence d’un champ magnétique et par conséquent également l’effet multipactor. / Space communication payload as well as magnetic confinement fusion devices, among other applications, are affected by multipactor effect. This undesirable phenomenon can appear inside high frequency (HF) components under vacuum and lead to increase the electron density in the vacuum within the system. Multipactor effect can thus disturb the wave signal and trigger local temperature increases or breakdowns. This PhD research aims to improve our understanding and the prediction of the multipactor effect. The multipactor phenomenon is a resonant process which can appear above a certain RF power threshold. To determine this power threshold, experimental tests or/and simulations are commonly used. We have made a study to evaluate the multipactor power threshold sensitivity to the TEEY. Two particular critical parameters have been found: first cross-over energy and the energies between the first cross-over and the maximum energies. In some situations, the HF components are submitted to DC magnetic fields which might affect the electron emission properties and hence the multipactor power threshold. Current multipactor simulation codes don’t take into account the effect of the magnetic field on the TEEY. A new experimental setup specially designed to investigate this effect was developed during this work. Our new experimental setup and the associated TEEY measurement technique were analysed and optimized thanks to measurements and SPIS simulations. We used the setup to study the influence of magnetic field perpendicular to the sample surface on the TEEY of copper. We have demonstrated that the magnetic field affects the copper TEEY, and hence multipactor power threshold.

Le système électrique ferroviaire est composé d'un ensemble de conducteurs métalliques de différentes natures et ayant, pour la plupart d'entre eux, la particularité d'avoir une longueur très importante par rapport aux dimensions transversales. Cet ensemble de conducteurs est inséré dans un environnement complexe composé de plusieurs autres éléments, tel que le réseau de transport d'énergie à haute tension, le réseau de gaz, le réseau des télécommunications, ainsi que des habitations, des passagers, des rivières, des fermes, etc. Pour assurer sa bonne compatibilité électromagnétique avec l'environnement, il est important de limiter les niveaux d'émissions électromagnétiques provenant du système ferroviaire qui pourraient perturber les éléments extérieurs ou mettre en danger des personnes. En même temps, il est important que le système ferroviaire soit suffisamment immunisé contre des éventuelles perturbations externes, de façon à assurer le bon fonctionnement des installations ferroviaires et la sécurité des passagers et du personnel. Parmi les types de perturbations électromagnétiques existant, les Élévations de Potentiel de Sol (EPS) méritent une attention particulière. Le sol naturel est un milieu conducteur de très grande taille. Il est souvent utilisé pour drainer des excès de charges électriques d'un système quelconque, ainsi comme un milieu d'échange de courant électrique entre des systèmes qui sont à des potentiels électriques différents.Des protections sont alors systématiquement installées de sorte à limiter l'impact des EPS sur les éléments voisins. Ces protections ont souvent un coût d'installation et de maintenance très élevé pour le système ferroviaire; elles doivent être optimisées au cas par cas, de façon à garantir la sécurité des personnes et le bon fonctionnement des équipements, et en même temps rester financièrement accessibles. La majorité des méthodes existantes aujourd'hui pour le calcul des EPS ne permet pas la prise en compte de tous ces facteurs. Elles se limitent à intégrer le sol de façon passive, et en général en le modélisant de nature homogène ou quasi-homogène.Dans cette optique, nous proposons une nouvelle méthode pour le calcul des EPS, plus complète et par conséquent plus précise que celles existantes aujourd'hui. Cette méthode permet d'intégrer dans la modélisation la présence d'un sol hétérogène multicouche, construit à partir de mesures réalisées sur le terrain et spécifiques à chaque contexte de sol. La présence de conducteurs enterrés dans la région de l'EPS est tenue en compte dans un modèle multiconducteur qui permet intégrer en même temps tous les conducteurs de la zone. La méthode développée est particulièrement dédiée au calcul des EPS en contexte ferroviaire. Cette approche s'appuie sur une méthode hybride qui prend en compte les phénomènes d'induction et de conduction dans un système multiconducteurs et qui intègre la présence d'un sol multicouche. Ce type d'approche s'est déjà avéré pertinent dans le cadre de l'étude des interactions entre des perturbations électromagnétiques générées par une ligne à haute tension et des canalisations enterrées. Notre méthode est dans un premier temps validée dans des configurations académiques puis mise en œuvre dans l'étude de sites ferroviaires où des comparaisons avec des mesures sont présentées. / The railway electrical system is composed of multiple metallic conductors of different kinds and having, for most of them, the particularity of being very long in comparison with its perpendicular dimensions. This set of conductors is integrated in a complex environment composed of many other elements, such as power transmission lines, pipelines, telecommunication lines, but also houses, people, rivers, farms, etc. To assure its electromagnetic compatibility with its environment, it is important to restrict the level of hazardous electromagnetic emissions coming from railway system that could disturb neighboring systems or risk people’s safety. At the same time, it is important that railway system is immunized against electromagnetic emissions coming from its neighbor, in order to assure the correct functioning of railway installations and the safety of passengers and staff. Among the different kinds of electromagnetic perturbations, the Ground Potential Rising (GPR) deserves a special treatment. The natural ground is a conductor environment of great size. It is often used to drain excessive electric charges from systems, and also as an environment allowing electrical charges exchange between systems in different electrical potential.Protections are then systematically deployed in order to limit the impact of GPR on neighboring elements. In the case of railway system, these protections have a very high cost of installation and maintenance. They must be optimized on a case to case basis, in order to assure security of people and equipments but also to be affordable.The majority of methods to calculate GPR don’t allow the integration of the complex electric environment of the ground. Most of them integrate the ground in a passive way, most of the time being a homogeneous ground.In this regard, we propose a new method of GPR calculation, more complete so more precise than what is used today. This method allows the integration into the model of a heterogeneous multilayer ground, built after measurements that have to be done on a case to case basis. The presence of buried conductors in the area of the GPR is also taken into account in a multiconductor model, which integrates at the same time all the conductors inside the zone.The method that we developed gets its full meaning when applied to GPR in railway context, thanks to the presence of many buried cables in the same environment. This approach is based on a hybrid method that takes into account induction and conduction phenomena in a multiconductor system and integrating a multilayer ground. This kind of approach has already been used in the calculation of electromagnetic induction between a power line and a pipeline. We first validated our method by calculating GPR in simple configurations. We then applied our calculations in order to calculate GPR in a railway context, which was then compared with measurements.

Nous présentons dans cette thèse les évolutions apportées au solveur Galerkin Discontinu Teta-CLAC, issu de la collaboration IRMA-AxesSim, au cours du projet HOROCH (2015-2018). Ce solveur permet de résoudre les équations de Maxwell en 3D, en parallèle sur un grand nombre d'accélérateurs OpenCL. L'objectif du projet HOROCH était d'effectuer des simulations de grande envergure sur un modèle numérique complet de corps humain. Ce modèle comporte 24 millions de mailles hexaédriques pour des calculs dans la bande de fréquences des objets connectés allant de 1 à 3 GHz (Bluetooth). Les applications sont nombreuses : téléphonie et accessoires, sport (maillots connectés), médecine (sondes : gélules, patchs), etc. Les évolutions ainsi apportées comprennent, entre autres : l'optimisation des kernels OpenCL à destination des CPU dans le but d'utiliser au mieux les architectures hybrides ; l'expérimentation du runtime StarPU ; le design d'un schéma d'intégration à pas de temps local ; et bon nombre d'optimisations permettant au solveur de traiter des simulations de plusieurs millions de mailles. / In this thesis, we present the evolutions made to the Discontinuous Galerkin solver Teta-CLAC – resulting from the IRMA-AxesSim collaboration – during the HOROCH project (2015-2018). This solver allows to solve the Maxwell equations in 3D and in parallel on a large amount of OpenCL accelerators. The goal of the HOROCH project was to perform large-scale simulations on a complete digital human body model. This model is composed of 24 million hexahedral cells in order to perform calculations in the frequency band of connected objects going from 1 to 3 GHz (Bluetooth). The applications are numerous: telephony and accessories, sport (connected shirts), medicine (probes: capsules, patches), etc. The changes thus made include, among others: optimization of OpenCL kernels for CPUs in order to make the best use of hybrid architectures; StarPU runtime experimentation; the design of an integration scheme using local time steps; and many optimizations allowing the solver to process simulations of several millions of cells.

Nous étudions la faisabilité de la détection du sillage de navires en imagerie radar, éventuellement bistatique, afin d'obtenir des paramètres tels que le cap et la vitesse du navire. Dans un premier temps, on décrit la chaîne d'acquisition radar bistatique ainsi que l'environnement maritime, en particulier les modèles de diffusion des ondes électromagnétiques sur des surfaces océaniques et la manière d'obtenir une carte des hauteurs des vagues de sillage de Kelvin d'un navire. On décrit ensuite un simulateur de signaux radars bruts en configuration bistatique, en validant les résultats obtenus avec des données radar monostatiques disponibles dans la littérature. La seconde partie de la thèse est dédiée à l'étude de la détectabilité du sillage de navires. On traite tout d'abord du cas de la détection du sillage d'eau morte, en réalisant un test comparatif de quatre chaînes de référence représentatives. On traite ensuite la détectabilité du sillage de Kelvin dans des images radar de haute résolution, en commençant par discuter le choix d'une configuration radar optimisant la visibilité du sillage, puis en présentant un algorithme de détection et de traitement basé sur la théorie du filtrage adapté stochastique. Cet algorithme fonctionne également sur des données d'imagerie spatiale optiques haute résolution.

Cette thèse s'inscrit dans le domaine de l'imagerie non-destructive en électromagnétisme. L'originalité du travail réside, tout d'abord, dans sa forte connotation expérimentale. Celle-ci a abouti à la construction d'un prototype RADAR capable d'acquérir des données multisources-multistatiques dans la gamme de fréquence [2-4] GHz. De plus, ce système implémente la formation de voies au moyen d'un réseau d'atténuateurs/déphaseurs commandé numériquement.Les expériences menées relèvent, d'une part, de l'imagerie qualitative. Le Retournement Temporel, ainsi que les méthodes DORT et TR-MUSIC, ont été appliqués afin de détecter et localiser des cibles diffractantes. Le cas des milieux réverbérants a notamment été abordé.D'autre part, le prototype a été utilisé dans le cadre de la diffraction inverse quantitative sur des données très limitées en ouverture. Un algorithme itératif non-linéarisé prenant en compte l'aspect multi-fréquentiel des données a été adapté à la configuration expérimentale notamment grâce à une procédure de calibration performante.Enfin, la possibilité de greffer les avantages du Retournement Temporel sur ces techniques quantitatives a été étudiée. L'objectif est l'amélioration des résultats dans des milieux aléatoires proches de ceux rencontrés notamment en imagerie médicale (détection de tumeurs) ou en sondage du sous-sol (détection de mines, de nappes de pétrole).

Le bioélectromagnétisme, domaine de recherche se situant au carrefour de la biologie et de l'électromagnétisme, s'intéresse à l'étude des interactions entre les ondes électromagnétiques et le vivant. La finalité de ces travaux de thèse concerne le développement d'un capteur optique dédié à la mesure simultanée du champ électrique et de la température au sein de milieux biologiques exposés à un rayonnement radiofréquence. Il s'agit donc, plus spécifiquement, de réaliser une sonde électro-optique répondant aux différents besoins métrologiques des applications dosimétriques et qui soit, de plus, compatible avec les milieux d'étude. Une campagne de mesure préliminaire a été dédiée à la caractérisation les propriétés optiques, thermo-optiques et électro-optiques des cristaux d'intérêt (éléments de transduction de ces sondes). Un capteur fibré a ensuite été réalisé. Ce dernier a permis d'effectuer des mesures simultanées de champ électrique et de température dans le cadre d'expérimentations en dosimétrie radiofréquence, permettant ainsi une caractérisation duale inédite du Débit d'Absorption Spécifique (DAS). Cette sonde, entièrement diélectrique, a également rendu possible une première discrimination du profil temporel d'impulsions nanosecondes de fortes amplitudes au sein d'une solution biologique, dans le cadre d'expérimentations en électroporation cellulaire.

Les nouveaux services de télécommunication accessibles en mobilité entraînent une demande croissante de débit et amènent aux limites de capacités des réseaux actuels. Pour répondre à cette demande, les opérateurs cellulaires déploient de nouvelles technologies et densifient leurs réseaux en ajoutant des petites cellules, où les stations de base sont plus proches des utilisateurs. Compte tenu de la visibilité directe et de la faible hauteur des antennes, le canal de propagation des petites cellules est différent de celui des macro-cellules et les modèles stochastiques de canal existants ne sont plus adaptés. C'est dans ce contexte que se situe cette thèse, qui explore les problématiques de dynamique dans le canal de propagation et dans l'utilisation des ressources radio. Nous proposons dans une première partie de caractériser les dynamiques dans le canal de propagation de petite cellule en milieu extérieur. Cette caractérisation se base sur des prédictions déterministes, où une partie de l'environnement est généré de manière aléatoire afin de procéder à des études statistiques. Pour cela, nous mettons en place une plateforme de simulation, capable de générer des objets statiques, de les déplacer et de les prendre en compte dans des outils de prédiction de propagation adaptés aux petites cellules. Une phase de mesures de l'impact du trafic de véhicules sur la puissance du signal permet de valider les outils de propagation développés dans la plateforme. L'objectif de la deuxième partie de la thèse est d'évaluer l'impact de ces nouvelles topologies sur les performances des réseaux hétérogènes. Nous présentons un modèle hybride de propagation qui prend en compte les variations de signal dues au trafic de véhicules en combinant les approches déterministes et statistiques, pour avoir les avantages de résultats précis et d'un temps de calcul rapide. Ce modèle hybride est utilisé par la suite dans un processus de simulation de réseau cellulaire 3G LTE au niveau système, où nous évaluons l'impact du trafic de véhicules sur le débit maximal, la consommation d'énergie et le respect de la qualité de service.

Le thermo-photovoltaïque (TPV), conversion du rayonnement thermique par des cellules photovoltaïques (PV), est un dispositif qui a suscité un intérêt croissant depuis deux décennies, notamment pour son efficacité supérieure à celle de la conversion photovoltaïque classique. Ceci est essentiellement dû à l'accord entre le spectre du rayonnement de la source thermique et le spectre de conversion de la cellule PV. Les rendements maximaux sont obtenus pour des sources thermiques cohérentes, émettant dans une gamme spectrale étroite, énergétiquement au-dessus de l'énergie de la bande interdite de la cellule PV. On propose dans ce travail d'appliquer une méthode d'optimisation stochastique, en l'occurrence l'optimisation par essaims de particules, pour concevoir et optimiser de telles sources. On aboutit alors à des structures unidimensionnelles simples, à base de films minces de diélectriques, métaux et de semi-conducteurs. Les propriétés radiatives de ces sources, stables pour des températures allant jusqu'à 1000 K, sont aisément contrôlables à l'aide de paramètres simples comme les épaisseurs des films ou la concentration de dopage. Finalement, on propose une étude d'optimisation paramétrique des propriétés optiques des matériaux susceptibles de maximiser l'échange radiatif en champ proche entre deux milieux plans semi-infinis. Cette étude aboutit à un outil pratique, sous forme d'abaques, permettant de guider le choix des matériaux pertinents afin de maximiser les puissances au même temps que l'efficacité des systèmes TPV nanométriques.

Le but de cette thèse est d'établir une modélisation électromagnétique du détecteur bolométrique térahertz (THz). Ce travail aide à faciliter la conception de bolomètre THz dont la structure est basée sur celle de bolomètre infrarouge à température ambiante. Le contexte de la thèse est l'imagerie THz active. Nous avons étudié le comportement électromagnétique d'un bolomètre à antenne de bande spectrale 1 - 5 THz. Deux modes de simulation ont été réalisées : l'une est en mode de réception et l'autre est d'émission. La combinaison de ces modes de simulation constitue un outil important pour concevoir le bolomètre THz. La technique de spectroscopie par transformée de Fourier a été utilisée pour caractériser expérimentalement le comportement électromagnétique du détecteur. Nous avons mesuré la réflectivité de la surface du plan focal de détecteur ainsi que la réponse spectrale du détecteur. Les deux sont confrontées avec la simulation et elles se trouvent en bon accord. Avec les connaissances obtenues des résultats théorique et mesuré, la recherche aide à améliorer des performances du détecteur actuel. Nous avons aussi proposé un design pour le bolomètre de faible fréquence (850 GHz). Ce dernier ouvre la perspective d'emmener la technologie de bolomètre d'infrarouge vers la bande sous-térahertz où l'imagerie est beaucoup plus favorable.

En électromagnétisme les structures périodiques suscitent un grand intérêt. Ces structures agissent ainsi comme des filtres fréquentiels et permettent la fabrication de méta-matériaux, composites et artificiels. Elles présentent des propriétés électromagnétiques inédites pour les matériaux naturels telles que des bandes interdites. On a ainsi pu fabriquer de nouveaux dispositifs permettant de guider, de focaliser ou de stopper la propagation. C'est par exemple utile pour éviter le couplage entre différents éléments rayonnants notamment via la caractérisation des ondes de surface qui se propagent à l'interface entre l'air et la structure périodique. Ce travail de thèse s'inscrit dans ce contexte et propose une description de la méthode des éléments finis dédiée à la caractérisation des structures périodiques. La modélisation numérique aboutit à des problèmes de valeurs propres de grandes tailles. Elle implique la résolution de systèmes linéaires composés de matrices creuses. Une méthode est abordée pour résoudre ce type de problème, en optimisant et combinant différents algorithmes. Avant d'aborder les différents aspects de la méthode développée, nous établissons une liste exhaustive de l'ensemble des méthodes qui existent en énonçant leurs avantages et leurs inconvénients. Nous constatons notamment que la méthode des éléments finis permet de traiter un large éventail de structures périodiques en trois dimensions sans limitation sur leur forme géométrique. Nous présentons alors les différentes formulations de cette méthode. Ensuite les aspects algorithmiques de la méthode sont détaillés. Nous montrons notamment qu'une analyse des paramètres de résolution permet de préciser les interprétations physiques des résultats obtenus. Finalement nous présentons les performances de notre outil sur des cas d'applications issus de la littérature et nous abordons la caractérisation des ondes de surface. Pour cela, l'étude d'un réseau d'antennes patchs insérées dans des cavités métalliques est conduite. Notons pour conclure que les études conduites au cours de cette thèse ont abouti à la production d'un code utilisable dans un environnement de calcul initialement présent à l'ONERA.