Dans ce mémoire, nous présentons une stratégie basée sur une approche hybridedans le domaine temporel, couplant une méthode de résolution des équations de Maxwelldans le domaine 3D (FDTD) avec une méthode de résolution des équations de ligne detransmission, afin de pouvoir simuler des problèmes électromagnétiques de grande échelle. Lemémoire donne les éléments d’hybridation pour deux cadres d’utilisation de cette approche :une approche multi-domaine et une approche multi-résolution ou d’échelle.L’approche multi-domaine est une extension de la méthode FDTD 3D à plusieurs sousdomainesreliés par des structures filaires sur lesquelles on résout une équation de lignes detransmission par un formalisme FDTD 1D. La difficulté est d’abord d’avoir une définitionimplicite du champ électromagnétique dans la théorie des lignes de transmission, et d’autrepart de prendre en compte les effets du sol sur les courants induits au niveau des lignes etsur les champs électromagnétiques.L’approche multi-résolution ou d’échelle est conçue pour étendre les capacités de la méthodeFDTD au traitement du routage de câbles complexes ayant une section plus petite quela taille de la cellule. Ce mémoire présente différentes techniques pour évaluer les paramètresde la ligne, basées sur la résolution d’un problème de Laplace 2D, ainsi qu’une méthode decouplage champs/câbles basée sur le courant de mode commun.L’ensemble de ce travail nous a permis de proposer une méthode numérique efficace pourcalculer les effets électromagnétiques induits par une source (type onde plane ou dipolaire)sur des sites de grande dimension, composés de plusieurs bâtiments reliés entre eux par unréseau de câbles. Dans ce cadre une application à la foudre a été réalisée. / In this thesis, we present a strategy based on a hybrid approach in the timedomain, by coupling 3D method (FDTD) with a multi-conductors transmission line (MTL)method, in order to simulate complex large scale electromagnetic problems. This reportgives the theoretical and numerical elements for coupling these approaches for two kindof problems, which are the multi domains approach and the multi scale approach. Themultiple domains approach is an extension of the classical FDTD method taking into accountseveral 3D subdomains, interconnected by a wire network, on which a 1D transmission lineformalism is used. The main issues are, on one hand to have an implicit expression ofthe electromagnetic field in the transmission line approach, and on the other hand to beable to take into account the ground effects on the induced currents, on the transmissionline parameters and on the electromagnetic field. The multi scale approach is developed toextend the capabilities of FDTD to deal with complex cables routing. We assume that thecross section of the cables are smallest than the cell size, and in these problems, the 1Dtransmission line problem is physically included in the 3D global computational domain.The work done in this thesis leaded to a new field to transmission line coupling based onthe common mode current, and an evaluation of the transmission. line parameters basedon a Laplace equation resolution in 2D. In this work, we have elaborated and proposedefficient numerical strategies for the computation of electromagnetic induced effects on largeand complex sites, composed of several interconnected distant buildings. An application tolightning problems have been done.

An analysis using numerical methods can calculate electrical and construction characteristics parameters of microwave devices quite accurately. However, numerical methods require a lot of computation resources and time for calculations to be made. Rapid perfection of the computer technologies and software with implementation of the numerical methods has laid down the conditions to the rapid design of the microwave devices using computers. / Disertacijoje nagrinėjamos mikrobangų įtaisų analizės ir sintezės proble-mos, taikant lygiagrečiąsias kompiuterines sistemas. Pagrindiniai tyrimo objektai yra daugialaidės mikrojuostelinės linijos ir meandrinės mikrojuostelinės vėlinimo linijos. Šie objektai leidžia perduoti, sinchronizuoti bei vėlinti siunčiamus signalus ir yra neatsiejama dalis daugelio mikrobangų prietaisų. Jų operatyvi ir tiksli analizė bei sintezė sąlygoja įtaisų kūrimo spartinimą. Pagrindinis disertacijos tikslas – sukurti lygiagrečiąsias metodikas ir algoritmus, skirtus sparčiai ir tiksliai atlikti minėtų linijų analizę ir sintezę. Sukurtų algoritmų ir metodikų taikymo sritis – mikrobangų įtaisų modeliavimo ir automatizuoto projektavimo progra-minė įranga.

Disertacijoje nagrinėjamos mikrobangų įtaisų analizės ir sintezės proble-mos, taikant lygiagrečiąsias kompiuterines sistemas. Pagrindiniai tyrimo objektai yra daugialaidės mikrojuostelinės linijos ir meandrinės mikrojuostelinės vėlinimo linijos. Šie objektai leidžia perduoti, sinchronizuoti bei vėlinti siunčiamus signalus ir yra neatsiejama dalis daugelio mikrobangų prietaisų. Jų operatyvi ir tiksli analizė bei sintezė sąlygoja įtaisų kūrimo spartinimą. Pagrindinis disertacijos tikslas – sukurti lygiagrečiąsias metodikas ir algoritmus, skirtus sparčiai ir tiksliai atlikti minėtų linijų analizę ir sintezę. Sukurtų algoritmų ir metodikų taikymo sritis – mikrobangų įtaisų modeliavimo ir automatizuoto projektavimo progra-minė įranga. / An analysis using numerical methods can calculate electrical and construction characteristics parameters of microwave devices quite accurately. However, numerical methods require a lot of computation resources and time for calculations to be made. Rapid perfection of the computer technologies and software with implementation of the numerical methods has laid down the conditions to the rapid design of the microwave devices using computers.

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.

La modélisation numérique des réseaux de câbles est devenue une étape indispensable dans la phase de conception d’un projet afin de prédire les disfonctionnements dans les moyens de transport issus de l’augmentation des couplages électromagnétiques. La majorité des modèles repose sur des méthodes analytiques, qui sont certes rapides en comparaison avec les méthodes numériques 3D, mais en contrepartie sont limitées aux basses fréquences et aux géométries uniformes. De plus, des hypothèses concernant les conditions aux limites des conducteurs, comme les plans de masse infinis, sont souvent appliqués dans le but d’obtenir des formules analytiques simples C’est dans ce contexte, que nous avons envisagé l’amélioration de ces modèles en réduisant ces simplifications et ces hypothèses imposées au départ. A cet égard, nous avons développé dans un premier temps un modèle de ligne de transmission filaire qui consiste à prendre en compte les pertes par rayonnement en haute fréquence, la longueur finie et la géométrie non uniforme. Lors de cette étude, nous avons utilisé la théorie des lignes et deux méthodes numériques en l’occurrence les méthodes PEEC et TLST. Nous avons démontré pour le cas des risers que les coefficients de la méthode PEEC peuvent être obtenus analytiquement. Concernant notre deuxième axe de recherche, on s’est intéressé à la modélisation des conduits métalliques notamment les plans de masse finis et les goulottes. Ces derniers ont été modélisés avec un ensemble de câbles. Une étude expérimentale a été menée sur les effets induits par la goulotte sur la propagation des ondes électromagnétiques. Finalement, les résultats de nos modèles ont été validés expérimentalement avec des mesures. Une attention particulière a été portée sur l’effet des extrémités des lignes de transmission. / Considering the increasing awareness of the EM coupling issues inside aircraft and automotive engines, numerical modeling of cable harness networks is currently one of the most important steps in the design process of an engineering project. Most of the relevant softwares that deals with the cable topology simulation relies on the well-known analytical models such as the multiconductor transmission line theory. These techniques are better than the fullwave ones regarding the time calculation and the memory requirement. However, they are available only in the low frequency range because of the assumptions taken into account such as the uniform geometry and the infinite length of the wires. To overcome these restrictions and improve the existing solutions, we come up with a new high frequency model which is based on the transmission line theory and two numerical methods: PEEC and TLST. To keep the analytical approach of our model, we managed to get the analytical expressions of the PEEC’s partial elements. In this thesis, we were also interested by the cable raceways and cable trays. First of all, we developed a raceway model based on transmission line wires. Comparing our results with the FDTD ones, we noticed some differences especially in the high frequency range when the wire ends with the risers. Through an experimental study, we explained the behavior and the impact of these cables trays on the EM wave propagation. Finally, the results of our models have been validated with the measurements. Thanks to these experiments, we highlighted the fact that the termination of a wire has an important impact on the wave propagation.

Numerické metody inverzní Laplaceovy transformace (NILT) se staly důležitou částí numerické sady nástrojů praktikujících a výzkumných pracovníků v mnoha vědeckých a inženýrských oborech, zejména v aplikované elektrotechnice. Techniky NILT zejména pomáhají při získávání výsledků simulací v časové oblasti v různých aplikacích. Příkladem jsou řešení obyčejných diferenciálních rovnic, které se objevují např. při analýze obvodů se soustředěnými parametry, nebo řešení parciálních diferenciálních rovnic objevujících se v systémech s rozprostřenými parametry, např. při zkoumání problematiky integrity signálů. Obecně platí, že většina dostupných 1D NILT metod je velmi specifická, tj. funguje dobře na několika typech funkcí a tudíž na omezeném počtu aplikací; Cílem této práce je podrobně se věnovat těmto numerickým metodám, vývoji univerzálních metod NILT a jejich rozšíření na multidimenzionální NILT, které mohou pokrývat širokou oblast aplikací a mohly by poskytnout praktický mechanism pro efektivnější způsob analýzy a simulace v časové oblasti. Myšlenky výzkumu jsou prezentovány v rámci diskusí nad širokou škálou případových studií a aplikací; Například metody NILT se používají při řešení přenosových vedení, včetně vícevodičových, a dokonce i při řešení slabě nelinárních obvodů při použití NILT více proměnných. Pomocí metody NILT mohou být s výhodou uvažovány parametry prvků závislé na kmitočtu a prvky necelistvých řádů v jejich příslušných modelech mohou být zahrnuty velmi přesným a jednoduchým způsobem.