La chambre réverbérante est l'un des environnements d'essai dans le domaine des Interférences ElectroMagnétiques et de la Compatibilité ElectroMagnétique (IEM/CEM). Les chambres réverbérantes ont été couramment utilisées pour plusieurs essais CEM tels que les essais d'immunité rayonnée, les essais d'émission rayonnée, les mesures d'efficacité de blindage. Dans le cadre du développement des systèmes de communication mobile 4G/5G, cette chambre peut être utilisée comme émulateur de canal pour les liaisons sans fil.
Pour tester un appareil électronique de petite taille fonctionnant à basse fréquence, il ne devrait pas être néecssaire d'utiliser une chambre de grande taille. Réduire la taille de la chambre a plusieurs avantages : sa fabrication utilise moins de matériaux de construction, ce qui permet de réduire le coût de fabrication par rapport à une chambre plus grande; elle pourrait également être déplacée. Pour une chambre conventionnelle, donc complètement métallisée, la fréquence de fonctionnement est déterminée par ses dimensions puisque la fréquence la plus basse utilisable (LUF) correspond à la fréquence de résonance du 60ieme mode. Cette LUF correspond à la fréquence à partir de laquelle les champs sont homogènes dans le volume où le dispositif sous test peut être positionné. Cette LUF est donc nécessairement élevée pour les chambres réverbérantes métalliques de petite taille. L'utilisation de métamatériaux comme parois de la chambre réverbérante peut permettre de réduire cette LUF. De plus, le choix du meilleur métamatériaux est difficile à prévoir car ces matériaux artificiels sont nombreux. En outre, l'optimisation des parois de la chambre en métamatériaux nécessite un temps de calcul important sans aucune garantie qu'un optimum puisse être atteint. L'objectif principal de cette thèse est d'étudier cette nouvelle topologie de chambre réverbérante utilisant des parois en métamatériaux pour concevoir une chambre de taille réduite mais fonctionnant aux fréquences basses.
Dans ce travail, la Théorie Modale Elargie (TME) est proposée pour définir les parois en métamatériaux à insérer, ils sont qualifiés comme des parois homogénéisées anisotropes appelées impédances de surface. Diverses impédances de surface sont testées pour connaitre la gamme la plus favorable à réduire le LUF. Puis, une cellule élementaire correspondant à ces impédances de surface est déterminée et insérée sur les parois de la chambre réverbérante. Les modes sont calculés grâce à une simulation de modes propres d'une cavité rectangulaire avec des parois en métamatériau afin d'observer l'efficacité de la cellule unitaire proposée. Dans un second temps, l'ensemble de la structure de la chambre réverbérante, qui comprend la cage de Faraday, le brasseur, l'antenne d'excitation et les parois en métamatériaux, est construit pour validation par des mesures. Les données relatives à l'amplitude du champ électrique pour 9 positions de la sonde dans le volume dédié aux mesures du dispositif sous test, suivant les 3 polarisations orthogonales, pour 36 angles de rotation du brasseur sont extraites pour évaluer la LUF. Les valeurs des LUF de deux cas, avec et sans les parois en métamatériaux, sont comparées pour prouver l'avantage de la nouvelle topologie de la chambre avec les parois en métamatériaux et son usage à des fréquences plus basses que la chambre réverbérante conventionnelle. |
The reverberation chamber is one of the test environments in the field of ElectroMagnetic Interference and ElectroMagnetic Compatibility (EMI/EMC). Reverberation chambers have been commonly used for several EMC tests such as radiated immunity tests, radiated emission tests, shielding effectiveness measurements. In the development of 4G/5G mobile communication systems, this chamber can be used as a channel emulator for wireless links.
To test a small electronic device operating at low frequencies, it should not be necessary to use a large chamber. Reducing the size of the chamber has several advantages: it uses less construction material, which reduces the manufacturing cost compared to a larger chamber; it could also be moved. For a conventional chamber, completely metallized, the operating frequency is ruled by its dimensions since the lowest usable frequency (LUF) corresponds to the resonance frequency of the 60th mode. This LUF corresponds to the frequency at which the fields are homogeneous in the working volume where the device under test can be placed. This LUF is therefore necessarily high for small metallic reverberation chambers. The use of metamaterials as walls of the reverberation chamber can reduce this LUF. Moreover, the choice of the best metamaterial is difficult to predict because there are many such man-made materials. In addition, the optimization of the metamaterial chamber walls requires a significant amount of computational time with no guarantee that an optimum can be achieved. The main objective of this thesis is to study this new reverberation chamber topology using metamaterial walls to design a chamber of reduced size but operating at low frequencies.
In this work, the Modal Extended Theory (MET) is proposed to define the metamaterial walls to be inserted, they are qualified as anisotropic homogenized walls called surface impedances. Various surface impedances are tested to know their range to reduce the LUF. Then, an elementary cell corresponding to these surface impedances is determined and inserted on the walls of the reverberation chamber. The modes are calculated using an eigenmode simulation of a rectangular cavity with metamaterial walls in order to observe the efficiency of the proposed unit cell. In a second step, the whole structure of the reverberation chamber, which includes the Faraday cage, the stirrer, the excitation antenna and the metamaterial walls, is built for validation by measurements. The electric field amplitude data for 9 positions of the probe in theworking volume in the 3 orthogonal polarizations, for 36 angles of rotation of the stirrer are extracted to evaluate the LUF. The LUF values of two cases, with and without the metamaterial walls, are compared to prove the advantage of the new topology of the chamber with the metamaterial walls and its use at lower frequencies than the conventional reverberation chamber. |