Analyse et validation expérimentale de la plus basse fréquence utilisable dans une chambre réverbérante à parois métamatériaux pour des tests de Compatibilité ElectroMagnétique (CEM)

Reverberation chamber is one of testing environments in Electromagnetic Interference/Electromagnetic Compatibility (EMI/EMC) domain. The reverberation chambers have been commonly used for several EMC tests such as the radiated immunity test, the radiated emission test, the measurement of the material shielding effectiveness, the evaluation of the permittivity of material and the antenna characterization. In the development of 4G/5G mobile communication system, the chamber can be used as the wireless channel emulator. To test a small-size electronic device operating at low frequency, small-size reverberation chamber is preferred. Despite its size and perhaps ability to be moved, its fabrication uses less construction material resulting in reduction of the fabrication cost compared to a larger chamber. For the conventional chamber, the operation frequency is ruled by its dimensions since the Lowest Usable Frequency (LUF) may be estimated from the frequency of the 60th resonant mode. This LUF is high for small reverberation chamber. Using metamaterials as walls of the reverberation chamber can lead to the chamber’s LUF reduction. However, the best choice of metamaterial is difficult to predict since these artificial materials are numerous. Furthermore, the optimization of the metamaterial walls in the chamber require large amount of times without any guarantee that an optimum can be reached. The main objective of this thesis is to study this new topology of reverberation chamber using metamaterial walls to conceive a small chamber operating at low frequency. In this work, firstly, the Modal Expansion Theory (MET) is proposed to define which anisotropic walls should be inserted. Various metamaterial unit cells are tested to find the unit cell’s impedance. Then, a unit cell structure is selected, modeled and inserted in an ideal reverberation chamber. Modes are computed thanks to an Eigen-mode simulation of rectangular cavity with metamaterial walls to observe the efficiency of the proposed unit cell. Secondly, the whole structure of the reverberation chamber which includes the stirrer, the excitation antenna and the two panels of metamaterial is constructed for the measurement validation. To achieve this purpose, the structure of the stirrer is selected, the excitation antenna and its position on the chamber wall are evaluated. The electric field strength data, from the 9 positions of the field probe in the working volume with the 36 step angles of stirrer rotation, are extracted to evaluate the LUF value. The LUF values, with and without the metamaterial walls, are compared to prove the advantage of the new topology of the chamber with metamaterial walls.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 nécessaire 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) peut être estimée à partir de 60ième mode. Cette LUF correspond à la fréquence à partir de laquelle les champs peuvent être considérés comme homogènes et isotropes 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 métamatériau est difficile à prévoir car ces matériaux artificiels sont nombreux. En outre, l'optimisation des parois métamatériaux de la chambre 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 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 métamatériaux à insérer, elles sont qualifiées comme des parois homogénéisées anisotropes appelées impédances de surface. Diverses impédances de surface sont testées pour connaitre la gamme la plus favorable à réduire la LUF. Puis, une cellule élémentaire 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 métamatériaux 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 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 métamatériaux, sont comparées pour prouver l'avantage de la nouvelle topologie de la chambre avec les parois métamatériaux et son usage à des fréquences plus basses que la chambre réverbérante conventionnelle