La miniaturisation des composants telle qu’elle est décrite par la loi de Moore se heurte à de nouvelles problématiques liées notamment aux échelles visées, dans le domaine nanométrique. En effet, cette miniaturisation nécessite des investissements en recherche considérables indispensables à la mise en place de nouveaux procédés de fabrication en adéquation avec les dimensions mises en jeu. Associés à ces nouveaux besoins, il convient aussi de développer des moyens d’observation et de caractérisation des dispositifs réalisés à ces échelles. Le travail proposé dans ce mémoire concerne principalement le domaine de la caractérisation. En effet, les travaux menés sont destinés à apporter des solutions pour la caractérisation de nano-dispositifs aux fréquences microondes pour lesquelles il n’existe pas encore un outil permettant la mesure directe et précise. L’une des raisons réside dans le fait que les nano-objets possèdent en régime dynamique une impédance de référence élevée (supérieure au kilo-ohms) comparativement à l’appareillage de mesure usuel que représente l’analyseur de réseaux (50 ohms). Plusieurs dispositifs reposant sur une nouvelle architecture et offrant une impédance de référence élevée sont conçus, réalisés et validés. Les potentialités de cette nouvelle instrumentation sont illustrées au travers de la mesure de charges passives hautes impédances. / As described by Moore’s law, the miniaturization of devices is facing important issues related to nanometric domain. Indeed, this miniaturization involves considerable investments in scientific research which is essential in developing new manufacturing processes adapted to nanometric scale. Also, it is necessary to develop new instruments to observe and characterize at such a scale.The work proposed in this thesis mainly concerns the field of device characterization. Indeed, this work is carried out to provide solutions for the characterization of nano-devices at microwave frequencies at which nowadays no tool is available for the direct and accurate measurement. Actually, the issue lies in the fact that nano-devices present high reference impedances (higher than the kilo-ohms) compared to that of typical measurement instruments such as the network analyzer (50 ohms). Several devices using a new architecture and offering a high impedance of reference are conceived, realized and validated. The potentialities of this new instrumentation are illustrated through the measurement of high impedance passive loads.

L'objectif de cette thèse concerne l'optimisation d'un banc de mesure CEM destiné à la caractérisation in vitro de l'immunité des stimulateurs cardiaques aux perturbations électromagnétiques de basse fréquence ainsi que l'aspect modélisation numérique. Dans une première partie, après avoir présenté les bases théoriques du bioélectromagnétisme, nous abordons le fonctionnement électrique du cœur et une description fonctionnelle des stimulateurs cardiaques. Une revue de la littérature consacrée aux interactions entre stimulateurs cardiaques et sources d'interférences est exposée. L'optimisation du banc de mesure concerne la source de champ magnétique et le modèle équivalent tissu qui permet les essais in vitro. La source de champ magnétique réalisée est une structure originale constituée de quatre bobines contenues dans une enveloppe sphérique qui permet de produire un champ magnétique homogène à l'ordre 4. Le modèle équivalent tissu est réalisé sur la base d'une solution saline. Dans le quatrième chapitre, après une revue des différentes méthodes de simulation numérique utilisées en dosimétrie électromagnétique, nous présentons une méthode numérique originale basée sur la méthode des impédances qui permet de déterminer les potentiels induits dans un milieu soumis à un couplage galvanique. Le dernier chapitre concerne la mesure et la simulation de tension induite, in vitro, aux bornes d'un stimulateur soumis à des perturbations conduites et rayonnées. La démarche proposée permet ensuite de déterminer, par simulation numérique, le niveau d'immunité d'un stimulateur cardiaque soumis à des perturbations électromagnétiques en fonction de ses caractéristiques électriques, des caractéristiques géométriques d'implantation ainsi que du milieu de couplage.

Ce travail est le résultat d'une collaboration entre le laboratoire LAPLACE, la "Seconda Università degli Studi di Napoli" (SUN) et la Société National des Chemins de fer Français SNCF. Le sujet de recherche concerne l'utilisation de dispositifs électroniques de puissance dans les sous stations ferroviaires 25kV/50Hz afin d'améliorer la qualité de l'énergie électrique. Dans le transport ferroviaire, le système d'électrification monophasé 25kV/50Hz est largement diffusé en particulier pour les lignes ferroviaires à grande vitesse. Bien qu'aujourd'hui les systèmes d'alimentation en courant continu soient encore largement utilisés, l'adoption du courant alternatif monophasé offre des avantages économiques pour les infrastructures d'environ 30% en termes d'investissement, d'exploitation et d'entretien. Initialement, compte tenu de la simplicité du circuit, il n'y avait aucune nécessité d'intégrer de l'électronique de puissance dans les sous stations. Toutefois, au cours de la décennie passée, l'intérêt pour ces équipements est apparu car ils peuvent apporter une solution d'optimisation du réseau lorsque le trafic augmente ou lorsqu‟une nouvelle sous station est envisagée. Deux principaux types de dispositifs sont installés aujourd'hui sur le réseau ferré français : les compensateurs de puissance réactive et les compensateurs de déséquilibre de tension. Cette thèse présente de nouvelles topologies de compensateurs basées sur le concept d'impédances contrôlées par gradateur MLI. Comparées aux solutions existantes, ces topologies ont des caractéristiques particulièrement intéressantes en termes de pertes dans les semi-conducteurs et de volume des composants réactifs. Le manuscrit contient trois parties principales: La première partie présente le principe de l'électrification en 25kV/50Hz et souligne l'intérêt d'installer des moyens de compensation statique dans les sous stations. Après une description des solutions actuellement utilisées, le concept d'impédance contrôlée par gradateur MLI (CCI : Chopper Controlled Impedance ) est ensuite présenté. La deuxième partie du travail concerne l'utilisation du concept de CCI pour la compensation de puissance réactive. La sous-station SNCF de Revest est considérée comme cas d'étude. Celle-ci est équipée d'un transformateur monophasé de 60MVA dont le primaire est connecté à une ligne de transport 225kV. Deux topologies de compensateur de puissance réactive, basées sur des montages abaisseur ou élévateur de tension sont présentées. Le dimensionnement des gradateurs est effectué sur la base d'une campagne de mesures réalisée à la sous station. Des simulations numériques utilisant des formes d'ondes réelles de courant et de tension sont présentées. Des résultats expérimentaux effectués à la plateforme de test de la SNCF sur un prototype de 1,2MVAR permettent de valider le concept de CCI. La dernière partie du travail concerne le problème du déséquilibre de tension en amont de la sous station. Un circuit de Steinmetz " actif ", toujours basée sur des gradateurs MLI, est présenté et étudié. La sous station SNCF d'Evron est alors considérée comme cas étude. Celle-ci comporte un transformateur de 32MVA et est connectée à une ligne de transmission 90kV. Les mesures effectuées sur le site permettent le dimensionnement du compensateur ainsi que 'utilisation des formes d'onde réelles de courant et de tension dans les simulations numériques. Une comparaison avec des solutions classiques basées sur des onduleurs 2 niveaux et 3 niveaux souligne les avantages de la solution proposée. Ainsi, les résultats des calculs et des simulations montrent que l'énergie stockée dans les éléments réactifs est réduite 'un facteur six et que les pertes dans les semi-conducteurs sont réduites de 40%. Des résultats expérimentaux obtenus sur une maquette de 1.5 kVA permettent de valider le principe du circuit de Steinmetz actif.

Dans le contexte du bruit intérieur des avions, ce travail de thèse étudie l'intérêt acoustique de l'utilisation de patchs viscoélastiques. La masse de ces traitements est aujourd'hui considérée comme pénalisante. Une optimisation en termes de taille et de placement est donc envisagée. La stratégie adoptée est choisie analytique pour couvrir une large gamme de fréquences avec des temps de calcul performants. Ce mémoire de thèse propose une approche originale calculant le rayonnement acoustique de plaques amorties localement. Cette approche présente les intérêts suivants : s'absoudre des difficultés de calcul des impédances de rayonnement et être particulièrement adaptée aux structures complexes de l'avion. L'apport scientifique de cette thèse en terme de modélisation réside d'une part dans une approche de calcul vibroacoustique basée sur la minimisation de l'erreur de vérification de l'équation de mouvement sur un échantillonnage spatial et, d'autre part, dans un formalisme par fonctions Dirac mis en œuvre pour simuler les hétérogénéités aux limites d'un patch amortissant localisé. Ce modèle analytique est appliqué à des plaques planes finies non raidies où un traitement amortissant localisé, une plaque multicouche ou une plaque à épaisseur variable peuvent être considérés. Une validation numérique pour les excitations mécanique, acoustique et aérodynamique ainsi qu'une validation expérimentale sous excitation champ diffus démontrent une très bonne précision du modèle développé : le couplage fluide-structure et l'amortissement localisé sont correctement modélisés. Les effets de taille et de placement du patch sont finalement étudiés sur un cas particulier sous excitation aérodynamique en conditions réalistes. Le comportement non linéaire observé de l'effet de taille par rapport à la masse ajoutée permet de définir un optimum. L'apport scientifique de cette thèse offre un outil prédictif performant et adapté à la problématique du bruit interne des avions.

Tout matériau conducteur électrique exposé à un champ magnétique variable développe des courants de Foucault, donc s'échauffe par effet Joule. La répartition des courants de Foucault dépend de la forme de ce matériau, de celle de l'inducteur, de la fréquence et de l'amplitude du champ, ainsi que des propriétés physiques des matériaux. Le chauffage par induction est une technique bien adaptée aux traitements thermiques en métallurgie. Cependant il est nécessaire de bien dimensionner les inducteurs afin d'avoir un processus optimal. Vu le nombre de paramètres à prendre en compte pour cette étude, il semble adéquat et nécessaire d'avoir recours à des techniques numériques. Dans ce travail, après avoir décrit les phénomènes physiques et principes mathématiques, les méthodes d'analyse numériques adaptées aux problèmes magnétodynamiques et thermiques, on présente un modèle pour le couplage magnéto-thermique appliqué aux problèmes de chauffage par induction pour la trempe superficielle. Ce couplage fait appel aux méthodes intégrales de frontière associées aux impédances de surface, linéaire ou non linéaire, pour la partie électromagnétique, et aux méthodes d'éléments finis volumiques pour la partie thermique. Un problème industriel et 3D de chauffage par induction est résolu à titre d'illustration, en utilisant les logiciels PHI3D (magnétodynamique, modifié) et FLUX-EXPERT (thermique) pilotés par un superviseur qui automatise le processus.