Les effets sur l'électronique induits par les IEMI sont donc multiples et ont été classés de la façon suivante par [Walling_a, 2000] ou encore [Benford_a, 2019]. La figure 104 présente ces deux classifications.

<table><caption>(a)</caption><thead><tr><td>Effet</td><td>Description</td></tr></thead><tbody><tr><td>Deny</td><td>Suppression de la fonctionnalité sans dommage physique</td></tr><tr><td>Degrade</td><td>Dysfonctionnement réversible de la cible</td></tr><tr><td>Damage</td><td>Dysfonctionnement de la cible nécessitant une intervention</td></tr><tr><td>Destroy</td><td>Destruction du système visé</td></tr></tbody></table>

<table><caption>(b)</caption><thead><tr><td>Effet</td><td>Description</td></tr></thead><tbody><tr><td>Jamming</td><td>Brouillage du système</td></tr><tr><td>Upset</td><td>Dysfonctionnement réversible du système</td></tr><tr><td>Burnout</td><td>Endommagement sévère de l'électronique</td></tr><tr><td>Deception</td><td>Piratage</td></tr></tbody></table>

<caption>Figure 104 : Classement des effets sur les systèmes électroniques.</caption>

Dans les deux cas, on retrouve toujours des effets qui vont du simple brouillage à la destruction physique du système, en passant par une perturbation temporaire.

Mes contributions aux domaines des interférences électromagnétiques intentionnelles sont multiples. La première concerne l'étude des effets d'interférence électromagnétique de type impulsionnelle modulée sur le fonctionnement des récepteurs de système radio. La deuxième concerne l'étude des effets d'interférence électromagnétique intentionnelle du type impulsionnel sur le fonctionnement des alimentations d'équipement électronique.

### 3.3.3 Les IEMI et les systèmes de communication

Les systèmes de communication sont des systèmes électroniques particulièrement sensibles aux IEMI. Du fait des applications qui leur sont liées, ils sont aussi des cibles privilégiées notamment en temps de guerre. En effet, la destruction des systèmes de communication désordonne l'armée adverse. Avec l'avènement des radar embarqués et des objets connectés, les systèmes de communications se sont multipliés et font maintenant partie de la liste des systèmes sensibles permettant le bon fonctionnement de beaucoup de gros systèmes tels que les voitures, les robots, les avions. Un système de communication ou de radiodétection décrit par le schéma de la figure 105 est généralement composé d'un émetteur et d'un récepteur.

<figure><img src="image_117.png" /><figcaption>Figure 105 : Illustration d'un système de communication.</figcaption></figure>
La particularité de ces systèmes est qu'ils sont équipés d'antenne pour l'émission et la réception des signaux contenant l'information à transmettre. Ces antennes sont des entrées privilégiées pour l'interférence électromagnétique (IEM) dans un scénario d'IEMI. Par nature, les émetteurs sont peu sensibles aux IEMI du fait de la présence de l'amplificateur de puissance (PA) développé pour travailler avec des signaux de fortes puissances. Par contre, les récepteurs sont des systèmes particulièrement sensibles puisqu'ils sont développés pour travailler avec des signaux de très faibles amplitudes.

Mes travaux sur la susceptibilité des systèmes de réception peuvent être scindés en deux parties dont la première s'est orientée sur l'effet d'IEM sur des boucles à verrouillage de phase constituant l'oscillateur local du récepteur. Ces travaux ont été réalisés lors de mon postdoctorat et se sont poursuivis lors des stages de master 2 de Matthieu Maures et Thomas Pallaro, financés par le CEA DAM. La deuxième partie concerne les effets sur l'amplificateur faible bruit (LNA) de l'étage d'entrée d'un module de réception et a été réalisée dans le cadre de la thèse de Maxime Girard, aussi financée par le CEA DAM.

### 3.3.3.1 Effet sur la boucle à verrouillage de phase (oscillateur local)

Mes travaux sur l'immunité des boucles à verrouillage de phase (PLL) fonctionnant dans le domaine hyperfréquence m'ont conduit à étudier la susceptibilité face à des interférences EM intentionnelles de ce type de circuit pour des systèmes de communication et plus particulièrement pour des systèmes de réception. Ces études ont été réalisées dans la cadre de mon postdoctorat [Dubois_a, 2011] financé par la DGA puis par le laboratoire Poly-Grames de Montréal au Canada.

La figure 106 rappelle le schéma de principe d'un récepteur ainsi que le trajet que peut prendre l'interférence électromagnétique une fois captée par l'antenne de réception. Comme le montre la figure 106, l'interférence est susceptible de traverser l'amplificateur faible bruit et de se coupler via le mélangeur sur la sortie de l'oscillateur local. Un signal d'amplitude de l'ordre de quelques dBm peut donc pénétrer dans la boucle à verrouillage de phase par sa sortie.

<figure><img src="image_118.png" /><figcaption>Figure 106 : Propagation d'une interférence électromagnétique vers l'oscillateur local d'un récepteur.</figcaption></figure>

Pour simuler ce scénario, un système d'injection champ proche a été utilisé permettant d'injecter sans contact le signal d'interférence sur la sortie de la PLL. La figure 107 présente le banc d'injection champ proche pour l'étude de la susceptibilité de la PLL.
<figure><img src="image_119.png" /><figcaption>Figure 107 : Système d'injection champ proche utilisé pour l'étude de la susceptibilité de la PLL.</figcaption></figure>

Lors de l'injection d'une interférence électromagnétique par la sortie de la PLL, différents phénomènes de perturbation particulièrement intéressants ont été observés. Ces phénomènes dépendent de la puissance et de la fréquence du signal d'interférence. Si la puissance est trop élevée, cela provoque un déverrouillage de la PLL et donc un non fonctionnement du récepteur qui en dépend. Si la puissance est plus faible, des phénomènes d'oscillation particuliers de la PLL sont observés faisant apparaître des raies indésirables sur le spectre de sortie de cette dernière. La figure 108 récapitule les différents phénomènes observés sur le spectre de sortie de la PLL. L'aspect déverrouillage n'apparaît pas sur ce graphique. Les phénomènes observés sont des phénomènes d'« injection pulling » ainsi que d'oscillations subharmoniques [Dubois a, 2014].

<figure><img src="image_120.png" /><figcaption>Figure 108 : Spectre de sortie du VCO de la PLL en fonction de la fréquence du signal d'interférence EM notée fp.</figcaption></figure>

Ces phénomènes d'« injection pulling » et d'oscillation sub-harmonique sont des phénomènes très fortement non-linéaires qui peuvent être observés aussi bien en mesure qu'en simulation à l'aide du logiciel ADS de Keysight par exemple, à condition d'utiliser des modèles non linéaires de composants. La figure 109(a) montre le schéma électrique simulé, utilisant un modèle de
VCO non-linéaire, permettant de simuler les phénomènes d'injection pulling et d'oscillation sub-harmonique. Les figures 109(b), (c) et (d) présentent les spectres de sorties de la PLL.

<figure><img src="image_121.png" /></figure>

<figure><img src="image_122.png" /><figcaption>Figure 109 : Simulation des phénomènes de pertubation observés sur le spectre de sortie de la PLL : (a) et (c) Phénomène d'injection pulling, (b) phénomène d'oscillation subharmonique.</figcaption></figure>

Ces phénomènes d'oscillations subharmoniques observés sur la figure 113 ont pu être expliqués théoriquement en modélisant les non-linéarités de la PLL. L'équation de la PLL en présence d'interférence électromagnétique, présentée sur la figure 110, illustre le type d'équation différentielle non-linéaire à considérer pour étudier ces phénomènes.

<figure><img src="image_123.png" /><figcaption>Figure 110 : Schéma et expression mathématique de la PLL permettant l'étude des phénomènes d'oscillations subharmoniques.</figcaption></figure>

Dans l'équation de la figure 110, $\Delta\omega$ correspond à la fréquence de battement entre la fréquence nominale d'oscillation de la PLL et la fréquence du signal d'interférence.
Les études de susceptibilité EM réalisées sur l'oscillateur local d'un récepteur QPSK ont ainsi permis de mettre en avant certains phénomènes de perturbation observés sur le signal de sortie du récepteur. La figure 111 présente la constellation du signal de sortie du récepteur sans et avec la présence de la perturbation au sein de l'oscillateur local [Dubois_b, 2014].

<figure><img src="image_124.png" /><figcaption>Figure 111 : Constellation du signal de sortie du récepteur QPSK (a) sans interférence EM, (b) avec interférence EM.</figcaption></figure>

Ces travaux ont été poursuivis à travers les stages de Master 2 de Matthieu Maures et de Thomas Pallaro. Dans le cadre de ces stages, nous nous sommes concentrés sur les phénomènes d'oscillation sub-harmonique, sur leur condition d'apparition et sur différentes méthodes pour les caractériser.

Concernant leur apparition, il a pu être observé des oscillations sub-harmoniques d'ordre 2 et d'ordre 3. L'apparition de ces sub-harmoniques dépend principalement de la marge de phase de la PLL ainsi que de la valeur de la fréquence de boucle. On note également que, plus la marge de phase est faible, plus les phénomènes sub-harmoniques d'ordre 2 et 3 apparaissent « facilement », c'est-à-dire à faible puissance d'injection, comme le montre la figure 112.

<figure><img src="image_125.png" /><figcaption>Figure 112 : Effet de la marge de phase sur l'apparition des phénomènes d'oscillation d'ordre 2 et 3.</figcaption></figure>
Enfin l'étude de ces phénomènes d'oscillation apparaissant dans les oscillateurs non linéaires, nous ont conduit aux méthodes d'analyse des systèmes dynamiques, tel que les diagrammes de phase. Ces diagrammes sont intéressants car ils permettent rapidement de définir le mode d'oscillation du système. La figure 113 présente le diagramme de phase du système PLL lors de l'apparition des sub-harmoniques d'ordre de 2.

<figure><img src="image_126.png" /><figcaption>Figure 113 : Diagramme de phase $d_{Vctrl}/dt$ en fonction de $Vctrl(t)$, lors de la présence d'oscillations subharmoniques d'ordre 2, $Vctrl(t)$ étant le signal d'entrée du VCO de la PLL.</figcaption></figure>

La figure montre que la présence des oscillations subharmoniques d'ordre 2 est caractérisée par l'apparition d'une boucle dans le plan de phase du système.

Cette représentation du plan de phase est particulièrement intéressante car elle permet rapidement de déterminer le mode d'oscillation dans lequel se trouve l'oscillateur. Beaucoup de travail reste encore à réaliser sur cette thématique. En effet, mieux comprendre les conditions d'apparition des phénomènes d'oscillation subharmonique permettrait de déterminer les paramètres prédominant sur l'apparition de phénomènes d'oscillation chaotique [Endo_a, 1988][Chu_a, 1990] particulièrement problématique pour le bon fonctionnement de l'oscillateur local et du récepteur qui en dépend.

### 3.3.3.2 Effet sur l'amplificateur faible bruit

L'étude de l'effet de perturbation électromagnétique intentionnelle sur l'amplificateur faible bruit de l'étage d'entrée des récepteurs a été réalisée à travers la thèse de Maxime Girard [Girard_b, 2018], financée par le CEA Gramat. Le but de cette thèse était de chercher les vulnérabilités d'un amplificateur faible bruit utilisé dans une chaîne de réception d'un système de radiolocalisation de type GPS, face à une interférence électromagnétique intentionnelle. A la différence des effets de perturbation observés sur la PLL, l'effet recherché sur le LNA était la destruction, due à la présence d'une interférence électromagnétique de forte puissance.
Le travail réalisé s'est divisé en trois parties. La première partie a eu pour but de concevoir un LNA représentatif des LNA utilisés dans les applications GPS, permettant de faciliter la compréhension des mécanismes de destructions observés. Le LNA qui a été réalisé et qui est présenté sur la figure 114 fonctionne à une fréquence de 1,575 GHz. Ces caractéristiques, comparables à des LNA du commerce, sont répertoriées dans le tableau de la figure 114.

<figure><img src="image_127.png" /><figcaption>Figure 114 : (a) LNA réalisé pour l'étude et (b) ses caractéristiques principales.</figcaption></figure>

Le LNA est conçu autour d'un transistor pHEMT GaAs, très classiquement utilisé dans les LNA du commerce. Le schéma électrique du LNA est présenté en figure 115.

<figure><img src="image_128.png" /><figcaption>Figure 115 : Schéma électrique du LNA réalisé.</figcaption></figure>

La deuxième partie du travail a consisté à développer un banc d'essai pour réaliser des tirs d'interférence électromagnétique d'amplitude suffisante pour causer la destruction du LNA. Le banc de mesure réalisé est inspiré du banc DPI. L'intérêt du banc est d'injecter le signal d'interférence de façon conduite afin d'optimiser la puissance transmise à l'élément sous test. Pour cela le signal d'interférence est injecté directement sur l'entrée d'un circuit à travers un condensateur. Dans notre cas d'étude, l'élément soumis à l'interférence est un LNA développé pour des applications hyperfréquences et donc présentant une impédance d'entrée « proche de 50 Ω ». L'utilisation du condensateur d'injection n'est donc pas nécessaire. Cependant, les amplitudes mises en jeu dans les essais sont telles que certains éléments de protection sont
nécessaires pour éviter la destruction du matériel. La figure 116 présente le banc de mesure développé dans le cadre de ce travail de thèse.

<figure><img src="image_129.png" /><figcaption>Figure 116 : Banc de mesure développé pour l'injection d'interférences électromagnétiques forts niveaux pour la destruction des LNA.</figcaption></figure>

Le banc d'essai est donc composé d'un générateur de signaux impulsionnels modulés associé à un amplificateur permettant de générer 200 W de puissance. Le signal d'interférence est ensuite injecté dans le LNA à travers un filtre et un coupleur. A travers des atténuateurs, un oscilloscope 26 GHz est utilisé pour visualiser, au moment du tir, les signaux incident, réfléchi et transmis. Un système de commutateur hyperfréquence mécanique est de plus utilisé pour mesurer les paramètres S du LNA avant et après les tir pour caractériser son état.

Enfin la dernière partie du travail a consisté à réaliser des tests de destruction sur les LNA et de les analyser afin de comprendre les mécanismes mis en jeu.

Les essais réalisés ont montré deux types de phénomènes dus à l'injection d'un signal d'interférence de fort niveau [Girard_a, 2018]. Le premier effet est la destruction du LNA. Le deuxième est un phénomène de dégradation et de guérison partielle.

### 3.3.3.2.1 Destruction du LNA

Le premier effet de susceptibilité recherché est la destruction du LNA. Pour cela, différents tir ont été réalisés en augmentant progressivement la puissance du signal d'interférence jusqu'à l'observation de la destruction par la mesure systématique après chaque tir des paramètres S du LNA. La figure 117 présente les paramètres S du LNA avant et après destruction. On constate, pour le LNA détruit, que les paramètres S11, S21 et S22 ont été très fortement dégradés, notamment à sa fréquence de fonctionnement (1,5 GHz), signe que l'élément est détruit.
<figure><img src="image_130.png" /><figcaption>Figure 117 : Paramètres S du LNA avant et après destruction.</figcaption></figure>

Afin de mieux comprendre et mieux définir le moment de la destruction, une analyse des signaux temporels des tensions incidente et réfléchie lors d'un tir de destruction a été réalisée.
La figure 118 présente le signal temporel de sortie du LNA pendant le « tire ».

<figure><img src="image_131.png" /><figcaption>Figure 118 : Réponse du circuit LNA soumis à une interférence électromagnétique de type impulsionnel : domaine temporel.</figcaption></figure>
Le seuil de destruction correspond à la fin de la phase B. Ces mesures temporelles nous ont permis de déterminer le seuil de destruction en puissance du LNA en fonction de la largeur de l'impulsion $\Delta t$ de l'interférence électromagnétique. La figure 119 présente l'évolution du seuil de destruction en fonction de la largeur d'impulsion. On observe alors que le seuil de destruction suit une loi de la forme :

$$P_d = \frac{a}{\sqrt{\Delta t + b}}$$

avec a et b des constantes.

<figure><img src="image_132.png" /><figcaption>Figure 119 : Seuil de destruction en fonction de la largeur d'impulsion.</figcaption></figure>

Par la suite, des études plus approfondies ont permis de montrer que la fonction suivait la loi de Wunsch et Bell [Wunsch_a, 1968], modélisant le mécanisme de destruction de jonctions PN due à une augmentation extrême de température par l'application d'impulsions de fortes tensions sur la jonction.

Afin d'aller plus loin dans la compréhension des mécanismes de destruction, des caractérisations électriques, de microscopie RX ainsi qu'optique après décapsulation du transistor du LNA ont été réalisées. La figure 120 présente une photo au microscope optique du transistor décapsulé. Les analyses électriques ont montré que la jonction Schottky du transistor était détruite. Les analyses par microscopie n'ont pas permis d'observer cette destruction mais ont permis d'estimer un champ électrique présent aux bornes de la jonction de grille lors du tir de l'ordre de 50 MV/m correspondant globalement à la tension de claquage du GaAs [Baliga_a, 1981].

<figure><img src="image_133.png" /><figcaption>Figure 120 : Vue agrandie de la photo optique du transistor après décapsulation. La grille est masquée par la structure en "ponts" de la source.</figcaption></figure>
### 3.3.3.2.2 Phénomène de dégradation et de guérison partielle du LNA

En plus de ce phénomène de destruction, un phénomène de dégradation progressive suivie d'une guérison partielle ont été observés sur les paramètres S du LNA comme le montre la figure 121. Ces phénomènes ont été observés lors de tirs avec des puissances inférieures au seuil de destruction du composant.

<figure><img src="image_134.png" /><figcaption>Figure 121 : Paramètres S du LNA pour différentes puissances d'injection inférieures au seuil de destruction du composant.</figcaption></figure>

La caractérisation de ce phénomène de dégradation s'effectue au travers d'un indicateur Q correspondant à l'erreur quadratique fréquence par fréquence entre deux mesures de paramètres S puis sommée selon l'axe fréquentiel. L'évolution de cet indicateur en fonction de la puissance d'injection permet ainsi d'observer une augmentation de l'écart des paramètres S par rapport aux paramètres S initiaux comme le montre la figure 122.
<figure><img src="image_135.png" /><figcaption>Figure 122 : Évolution de l'indicateur Q en fonction de la puissance d'injection à l'entrée du LNA montrant le phénomène de dégradation.</figcaption></figure>

Le phénomène de guérison/récupération partielle a été caractérisé à travers l'évolution de l'indicateur Q calculé à différents temps après le tir. La figure 123(a) montre les temps de « repos » après tir auxquels des mesures ont été réalisées ainsi que l'évolution de l'indicateur Q.

<figure><img src="image_136.png" /></figure>
<figure><img src="image_137.png" /><figcaption>(b)
Figure 123 : Évolution de l'indicateur Q en fonction du temps de repos après tir pour deux LNA.</figcaption></figure>

On observe, sur la figure 123(b) une décroissance de l'indicateur Q au cours du temps montrant une récupération progressive. Il est intéressant d'observer cependant que cette récupération n'est pas complète même après 55h de « repos ».

L'observation d'une récupération après le phénomène de dégradation a orienté l'explication de ce phénomène vers l'hypothèse d'un chargement de pièges profonds localisés dans le buffer du transistor HEMT par la présence du signal d'interférence. Pour valider cette hypothèse, le phénomène de récupération a été caractérisé pour deux températures différentes. En effet, le phénomène de dépiégeage et notamment la vitesse de dépiégeage est très sensible à la température. La figure 124 montre l'évolution de l'indicateur pour deux températures (25 °C et 70 °C).
<figure><img src="image_138.png" /><figcaption>Figure 124 : Évolution de l'indicateur Q noté ici Δx en fonction du temps de repos après tir pour deux LNA, pour deux températures.</figcaption></figure>

Il apparaît clairement que la température accélère le phénomène de guérison confortant ainsi l'hypothèse d'un phénomène de piégeage induit par l'injection d'une interférence de forte puissance à l'entrée du LNA suivit d'un phénomène de dépiégeage lent.

### 3.3.4 Les « HEMP » et l'électronique de puissance

#### 3.3.4.1 Les impulsions électromagnétiques de forte amplitude : IEMN-HA

Un autre système électronique cible de choix lors d'attaque électromagnétique intentionnelle est l'alimentation des systèmes électroniques du quotidien du type : écrans, ordinateurs, serveurs ... Ces systèmes électroniques que l'on utilise quotidiennement sont aujourd'hui au cœur du fonctionnement de structures sensibles telles que les banques, les hôpitaux, les centrales d'énergie, pour n'en citer que quelques-unes. Il est important de comprendre qu'une perturbation voire une destruction des alimentations des équipements permettant le bon fonctionnement de ces structures conduirait à un arrêt de leur fonctionnement.

Les impulsions électromagnétiques de fortes amplitudes sont des signaux pouvant être particulièrement néfastes pour les alimentations électroniques. Parmi les impulsions électromagnétiques les plus fortes en amplitudes, on trouve les impulsions électromagnétiques d'origine nucléaire haute altitude (IEMN-HA) qui résultent de l'explosion d'une charge nucléaire en haute altitude. La figure 125 illustre ce phénomène.
<figure><img src="image_139.png" /><figcaption>Figure 125 : Illustration des phénomènes électromagnétiques lors d'une explosion atomique haute altitude.</figcaption></figure>

Lors d'une explosion atomique en haute atmosphère (plusieurs centaines de km d'altitude), les rayons gamma émis par l'explosion interagissent avec les molécules d'air et le champ géomagnétique pour générer des forts champs électromagnétiques impulsionnels pouvant atteindre plusieurs milliers de V/m au niveau de la terre sur des surfaces pouvant atteindre celle d'un pays comme la France.

Lors d'un tel phénomène, trois impulsions électromagnétiques sont émises nommées E1(t), E2(t) et E3(t). L'impulsion E1(t) est celle dont l'amplitude est la plus élevée. Sa forme temporelle ainsi que son spectre fréquentiel sont présentés sur la figure 126.

<figure><img src="image_140.png" /><figcaption>Figure 126 : Caractéristique de l'onde E1(t).</figcaption></figure>

L'amplitude crête du champ électrique généré par E1(t) peut être de plusieurs millier de V/m et peut générer des signaux à des fréquences allant du continu à plusieurs centaines de MHz.

La conjugaison de la très grande zone couverte et du large spectre lui permet d'impacter de nombreux systèmes, en se couplant en particulier aux lignes aériennes de distribution en électricité. Le couplage de l'impulsion électromagnétique rayonnée sur les lignes aériennes engendre une contrainte (courant / tension) conduite sur ces dernières. Ces tensions conduites peuvent atteindre jusqu'à 1 MV en mode commun avec un temps de montée de quelques dizaines de nanosecondes et une largeur d'impulsion de quelques centaines de nanosecondes.

Le signal d'interférence électrique se propage ensuite jusqu'à l'intérieur des habitations à travers les câbles, les tableaux de protection électrique (compteurs, disjoncteurs, etc.). Les alimentations des équipements électroniques sont les premiers systèmes à être impactés par l'impulsion. Elle perturbe donc, voire détruit, de manière privilégiée les alimentations des équipements électroniques connectés sur le réseau de distribution. Un exemple de destruction d'une alimentation est présenté sur la figure 127.
<figure><img src="image_141.png" /><figcaption>Figure 127 : Destruction d'une alimentation soumise à une impulsion électrique de fort niveau.</figcaption></figure>

Mes contributions dans ce domaine concernent l'étude des effets d'impulsion fort niveau sur des alimentations de type « Flyback » ainsi que leur modélisation et leur simulation. Ces travaux rentrent dans le cadre d'une collaboration avec le CEA Gramat et dans l'encadrement des thèses de Guillaume Mejecaze [Mejecaze_a, 2019] et de Laurine Curos [Curos_a, 2022].

### 3.3.4.2 Effets des HEMP sur les alimentations électroniques de type Flyback : expérimentations

L'étude expérimentale des effets d'impulsion fort niveau sur des circuits électroniques est un travail complexe du fait des niveaux de tension et de courant mises en jeu. Les moyens expérimentaux de génération et de mesures sont ainsi très chers et complexes à mettre en œuvre. Il est donc nécessaire de développer des moyens de simulation et donc des modèles permettant de simuler et à terme de prédire les destructions d'alimentation lors d'un scénario d'IEMN-HA.

Le travail de thèse de Guillaume Mejecaze a donc consisté à développer une alimentation de type Flyback représentative des alimentations du commerce, de modéliser le moyen d'injection et de réaliser des essais de tir tout en mesurant les signaux électriques en différents points spécifiques de l'alimentation afin de comprendre les phénomènes de destruction. Le travail de thèse de Laurine Curos s'est quant à lui orienté vers la simulation de ces phénomènes de destruction. Ce travail de simulation à nécessité la modélisation, incluant la mesure des seuils de destruction, des différents composants constituant l'alimentation.

Le moyen expérimental utilisé lors de cette étude est une plateforme d'injection en courant développée au CEA Gramat capable de reproduire les signaux électriques d'interférence présents sur le réseau électrique d'un bâtiment lors d'un scénario IEMN. Cette plateforme se nomme PIC pour Plateforme d'Injection en Courant. La figure 128 présente le moyen d'essais.
<figure><img src="image_142.png" /><figcaption>(a)</figcaption></figure>

<figure><img src="image_143.png" /><figcaption>(b)</figcaption></figure>

Figure 128 : Schéma de description de la plateforme PIC.

De par sa conception, PIC est capable de générer une impulsion de fort niveau avec un temps de montée très court (quelques dizaines de ns).

Plusieurs sondes de courant et de tension spécifiques associées à un oscilloscope sont utilisées pour mesurer les différents courants et tensions en différent points de l'alimentation lors de sa destruction.

L'alimentation étudiée est une alimentation Flyback de puissance 45 W représentative des alimentations du commerce, spécifiquement développée pour l'étude afin de faciliter l'investigation de la compréhension des phénomènes de destruction. Le schéma électrique de l'alimentation Flyback est présenté sur la figure 129.
<figure><img src="image_144.png" /><figcaption>Figure 129 : (a) Schéma électrique et (b) photo de l'alimentation étudiée.</figcaption></figure>

Après avoir réalisé des essais en mode commun et en mode différentiel sur des alimentations du commerce, des essais ont été réalisés sur l'alimentation conçue [Mejecaze_b, 2019]. Dans la très grande majorité des essais, les mêmes composants ont été détruits, qui sont : le pont de diode, le transistor MOS, le driver, la diode D1 à travers laquelle le driver est alimenté ainsi que quelques résistances autour de transistor. Le travail réalisé par la suite a consisté à comprendre ces mécanismes de destruction ainsi que la chronologie de ces destructions afin de pouvoir les simuler.

Pour comprendre ces mécanismes, plusieurs expérimentations ont été entreprises :

- Des analyses physicochimiques pour caractériser à l'échelle du circuit intégré les destructions.

- Des mesures de tension et de courant aux bornes des composants détruits au moment de leur destruction.

- Des essais de destruction sur des composants unitaires afin de déterminer les seuils de destruction. Pour cela, un banc d'essais spécifique a été développé.

La figure 130 donne quelques exemples des destructions observées.
<figure><img src="image_145.png" /><figcaption>Figure 130 : (a) Photo RX du pont de diode détruit, (b) photo optique après décapsulation du driver détruit, (c) Photo EDX après décapsulation du transistor MOS détruit, (d) Photo RX de la diode D1 détruite. Les cercles rouges ou bleus montrent les dégradations.</figcaption></figure>

La figure 131 présente le banc de mesure développé pour des essais de destruction unitaire [Curos_a, 2020]. Les essais réalisés sur les différents composants de l'alimentation ont permis de déterminer des seuils de destruction pour chacun de ces composants afin de les intégrer à la simulation du scénario de destruction global d'une alimentation.

<figure><img src="image_146.png" /><figcaption>Figure 131 : Banc d'essais de destruction sur composants unitaires : (a) schéma électrique, (b) photo.</figcaption></figure>

Les études sur composants unitaires ont permis de reproduire les défaillances observées sur les composants de l'alimentation et ainsi comprendre plus précisément les mécanismes de
défaillance. Ces études ont de plus permis de définir les grandeurs électriques sur lesquelles on peut appliquer un seuil de destruction. Il a par exemple été montré que la destruction du pont de diode était dû à un niveau de puissance de l'agression trop élevé pendant un temps trop long et par conséquent pouvant être modélisé par la loi de Wunsch et Bell comme le montre la figure 132.

<figure><img src="image_147.png" /><figcaption>Figure 132 : (a) Formes d'onde de courant et de tension au moment de la destruction du pont de diode, (b) Seuil de destruction en puissance en fonction de la largeur d'impulsion + fit avec model « Wunsch et Bell » : $P= K_p t^{-1/2}, K_p UD4KB80 = A_j (\pi K_t \rho C_p)^{1/2} (T_c - T_0)$.</figcaption></figure>

La détermination des seuils de destruction est une information indispensable afin de pouvoir simuler le comportement en destruction de l'alimentation face à une impulsion électrique fort niveau. Ces travaux de modélisation et de simulation sont présentés dans la section suivante.

### 3.3.4.3 Effets des HEMPs sur les alimentations électroniques de type Flyback : modélisations et simulations

La simulation complète de l'effet d'une impulsion électrique sur le comportement en destruction de l'alimentation Flyback nécessite d'une part la modélisation du système d'injection (PIC) ainsi que de l'alimentation incluant les phénomènes de destruction des différents composants unitaires sensibles la constituant.

#### Modélisation du système d'injection PIC

La plateforme d'injection en courant que nous avons utilisé lors de ces études est un système complexe permettant de coupler, à travers une pince de couplage inductive, sur une ligne de distribution électrique indépendante une impulsion de courant pouvant atteindre plusieurs centaines d'ampères sur des temps de quelque ns. La modélisation d'un tel système implique deux caractéristiques importantes qui sont des amplitudes de courant importantes de plusieurs centaines d'ampère ainsi qu'une bande de fréquence étendue jusqu'à plusieurs dizaines voire centaines de MHz.

Après réflexion et vérification de la linéarité du système, un modèle équivalent de Thévenin a été construit pour modéliser le système d'injection global [Mejecaze_a, 2020]. Le modèle développé permet de plus de prendre en compte des injections en mode différentiel et en mode commun. La figure 133 montre le modèle de Thévenin de PIC pour une injection de mode commun.
<figure><img src="image_148.png" /><figcaption>Figure 133 : (a) Modèle de Thévenin de PIC pour une injection en mode commun, (b) comparaison simulation/mesure du courant de mode commun injecté sur l'étage d'entrée de l'alimentation.</figcaption></figure>

### 3.3.4.3.1 Modélisation de l'alimentation

La deuxième partie nécessaire à la simulation du scénario de destruction de l'alimentation a consisté à modéliser l'alimentation flyback incluant évidemment les phénomènes de destruction des différents composants. Pour permettre la modélisation comportementale de certains éléments, le logiciel « Simplorer » a été sélectionné pour développer ces modèles car il permet l'utilisation du code VHDL-AMS.

Du fait des niveaux de courant importants circulant dans l'alimentation lors de l'injection d'une perturbation impulsionnelle, différents phénomènes tels que la saturation magnétique des différents transformateurs et le comportement fréquentiel des différents composants ont été pris en compte [Curos_b, 2020] [Curos_c, 2020]. La figure 134 présente par exemple le modèle du transformateur de l'alimentation incluant le phénomène de saturation modifiant la valeur de l'inductance primaire en fonction du courant injecté.

<figure><img src="image_149.png" /><figcaption>Figure 134 : (a) Schéma électrique du modèle du transformateur de l'alimentation Flyback, (b) évolution de la valeur de l'inductance primaire en fonction du courant la traversant modélisant le phénomène de saturation.</figcaption></figure>

La modélisation des phénomènes de destruction des différents composants sensibles de l'alimentation a été réalisée via l'utilisation d'interrupteurs permettant, lors du dépassement du
seuil de destruction, de remplacer le composant initial par un composant se comportant comme
le composant détruit. La figure 135 présente le modèle utilisé pour le pont de diodes lorsque le
seuil en courant/durée d'impulsion a été dépassé. Le seuil est calculé par la loi de Wunsch et
Bell développée précédemment. Un deuxième seuil de destruction concernant la tension de
claquage des différentes diodes du pont a aussi été modélisé.

<figure><img src="image_150.png" /><figcaption>Figure 135 : Modèles de destruction du pont de diode (a) en courant/durée d'impulsion (Wunsch et Bell) (b) algorithme permettant de calculer le seuil de destruction décrit par la loi de Wunsch et Bell.</figcaption></figure>
Les modèles de destruction des composants unitaires ont été validés en comparant les formes d'onde mesurées et simulées aux bornes du composant unitaire testé. Les comparaisons ont donné de très bons résultats comme le montre par exemple la comparaison des formes d'onde lors de la destruction en courant du pont de diode sur la Figure 136.

<figure><img src="image_151.png" /><figcaption>Figure 136 : (a) Schéma électrique du dispositif de mesure et de simulation de destruction du pont de diode en courant, (b) comparaison des formes d'onde de tension et de courant mesurées et simulées autour du pont de diode lors de sa destruction.</figcaption></figure>

### 3.3.4.3.2 Validation de la modélisation de la destruction de l'alimentation

Une fois le générateur PIC modélisé ainsi que l'alimentation incluant les phénomènes de destruction de ses différents composants, une simulation du scénario de destruction globale de
l'alimentation a été réalisée. Le premier essai a montré que pour un même niveau de tension de consigne d'interférence, suffisant pour détruire l'alimentation expérimentalement, cela n'était pas suffisant pour la détruire en simulation. Suite à ce résultat, le niveau de tension a été augmenté en simulation jusqu'à l'apparition de la destruction de l'alimentation. Le niveau de tension fixé expérimentalement a donc dû être augmenté d'un facteur 1.6 pour observer la destruction de l'alimentation. Cette différence de niveau d'amplitude nécessaire pour induire une destruction de l'alimentation en simulation montre que la modélisation du chemin de couplage n'est pas encore parfaite. Cependant, cela montre qu'il est possible par simulation de reproduire la destruction d'une alimentation et donc d'envisager la possibilité de prédire les effets que pourraient avoir une IEMN-HA sur les alimentations des équipements électroniques.

Aussi bien en mesure qu'en simulation, la comparaison et l'analyse des formes d'onde de courant et de tension en différents points de l'alimentation au moment de sa destruction ont permis de proposer un scénario retraçant temporellement les destructions successives des composants conduisant à la destruction de l'alimentation. La Figure 137 présente ce scénario.

<figure><img src="image_152.png" /><figcaption>Figure 137 : (a) Schéma électrique de l'alimentation faisant apparaître l'ordre chronologique des destructions des composants de l'alimentation conduisant à sa destruction, (b) enchaînement des destructions avec les temps de destruction des différents composants de l'alimentation.</figcaption></figure>
### 3.3.5 Conclusion

Le domaine des interférences électromagnétiques intentionnelles (IEMI) est un domaine voisin de celui de la CEM, intégrant, du fait de la présence de phénomènes de destruction, les outils du domaine de la fiabilité. Les travaux réalisés dans ce domaine ont consisté d'une part à étudier l'effet de signaux de type hyperfréquence (CW et impulsionnel modulé) sur le fonctionnement de différents composants des récepteurs radiofréquences et hyperfréquences, et d'autre part à étudier l'effet de signaux de type impulsionnel forte amplitude sur le fonctionnement d'alimentation de type Flyback.

Les effets d'interférences non destructives observées notamment sur l'oscillateur local d'un récepteur, concernent généralement la modification du mode d'oscillation de l'oscillateur, induisant ainsi un mauvais fonctionnement de ce dernier et donc du récepteur qui en dépend. Ces modes d'oscillation, incluant les modes d'oscillation sub-harmoniques et chaotiques [Endo, 1988_a] [Endo, 1995_a] [Sarkar, 1999_a] [Wang_a, 2006], sont complexes à étudier aussi bien théoriquement que par simulation car très fortement non-linéaires. La compréhension de ces phénomènes passe donc par l'utilisation des outils d'analyse des systèmes non-linéaires tels que les plans de phase et diagrammes de bifurcation [Harb_a, 2003], plus généralement utilisés dans le domaine de l'automatique.

Les effets d'interférences destructives ont montré que les composants détruits étaient principalement des composants actifs de type diode et transistor, c'est-à-dire des composants à base de jonction de semi-conducteurs. Les mécanismes de destruction sont donc des destructions au niveau des jonctions de type claquage d'oxyde, ou phénomène d'avalanche pouvant être modélisés par une loi de type Wunsch et Bell. Bien que peu étudiés dans ces travaux, des phénomènes d'arc électrique peuvent aussi apparaître causant dans la plupart des cas la délamination de piste et la destruction de composants passifs de l'étage d'entrée des circuits. Enfin, la vraie difficulté des travaux sur les IEMI induisant des destructions est la compréhension et donc la modélisation de la chronologie des destructions des différents composants conduisant à la destruction du système global, ainsi que la mesure et l'interprétation des formes d'onde au moment du phénomène de destruction. Ce travail ne peut être réalisé qu'en passant par des études expérimentales complexes consistant à réaliser des mesures temporelles à l'aide de sondes spécifiques, au moment de la destruction, ainsi qu'en utilisant des méthodes d'analyse physique très souvent utilisées dans le domaine de la fiabilité.

Le Tableau 25 résume les publications que nous avons réalisées en lien avec le domaine des interférences électromagnétiques intentionnelles.

<table><caption>Tableau 25 : Bilan des communications réalisées sur la thématique IEMI.</caption><thead><tr><th>Revues Internationales</th><th>Conférences Internationales</th><th>Conférences Nationales</th><th>GDR</th></tr></thead><tbody><tr><td>[R15] [R14] [R12]<br>[R11] [R5] [R4] [R3]</td><td>[Ci37] [Ci35] [Ci33]<br>[Ci28] [Ci26] [Ci24]<br>[Ci20] [Ci5] [Ci3]</td><td>[Cf7] [Cf5] [Cf3]</td><td>[GDR9] [GDR8]<br>[GDR7] [GDR6]<br>[GDR5] [GDR4]</td></tr><tr><td>7</td><td>9</td><td>3</td><td>6</td></tr></tbody></table>

## 4 Conclusion

Mes travaux de recherche ont débuté en 2006 pendant ma thèse de doctorat au laboratoire IES et mon postdoctorat au laboratoire Poly-Grames, et se sont focalisés sur le domaine de la compatibilité électromagnétique (CEM) et les interférences électromagnétiques intentionnelles (IEMI). Ma première étude a eu pour but de mettre en place une technique de mesure champ
proche dans l'objectif de déterminer une méthode de test des systèmes. Ma seconde étude a concerné la détermination de la forme d'onde du signal d'interférence la plus perturbatrice pour les systèmes de type boucle à verrouillage de phase.

Depuis mon recrutement au laboratoire IMS en 2012, j'ai eu l'occasion de continuer à travailler dans le domaine des IEMI notamment avec le CEA Gramat ainsi que de travailler dans plusieurs projets industriels en CEM et en fiabilité électromagnétique (FEM), notamment avec l'IRT Saint-Exupéry, Stellantis (ex PSA) et NXP. Cela m'a permis d'une part d'acquérir des compétences sur les techniques de mesure CEM (chambre anéchoique, DPI, 150 ohms, GTEM/TEM, cellule capacitive/inductive, BCI, ...) et de modélisation (ICIM-CI, ...) au niveau composant et carte électronique mais aussi au niveau système (automobile). D'autre part, cela m'a permis de découvrir le domaine des impulsions électromagnétiques de forte puissance et d'élargir ma compréhension des effets des interférences électromagnétiques sur les systèmes électroniques aux phénomènes de destruction. Ces derniers effets ont permis de faire un lien avec le domaine de la fiabilité et de l'analyse de défaillance notamment par les équipements d'analyse physique utilisés (analyse RX, optique, électronique). Enfin le domaine de la fiabilité électromagnétique m'a permis aussi de développer des compétences en fiabilité via la mise en place de protocoles de mesure pour la réalisation des vieillissements accélérés et l'utilisation d'équipements tels que les enceintes climatiques.

Toutes ces études m'ont permis d'observer plusieurs tendances importantes. Premièrement, l'environnement électromagnétique des dispositifs est de plus en plus riche. Les fréquences des systèmes de communication augmentent et les signaux du domaine des interférences électromagnétiques intentionnelles viennent s'y ajouter avec toute la complexité qui les caractérise. Deuxièmement, les systèmes électroniques sont de plus en plus complexes et doivent accomplir des tâches à haute sûreté de fonctionnement. Garantir la sécurité électromagnétique de ces systèmes devient donc un enjeu majeur nécessitant des avancées importantes dans le domaine de la CEM et des IEMI. Il est en effet nécessaire d'explorer les effets d'interférences électromagnétiques hautes fréquences sur le fonctionnement des circuits électroniques et notamment pour les circuits de réceptions radiofréquences et les systèmes embarqués. Pour cela, il est indispensable de développer de nouveaux bancs de mesures permettant de réaliser des essais d'immunité à haute fréquence, en considérant aussi bien les signaux classiques de la CEM que des signaux du domaine des IEMI. De plus, les systèmes électroniques étant de plus en plus connectés, il est difficile de tester un système dans sa globalité. Aussi, il est important de mettre en place des méthodes, basées sur la mesure mais aussi la simulation, permettant de tester ces systèmes électroniques complexes afin d'en assurer le bon fonctionnement.
# Chapitre 3 : Projet de recherche – Vers la sécurité électromagnétique des objets électroniques communicants

## 1 Introduction

Un système embarqué est défini comme un système électronique et informatique autonome spécialisé dans une tâche précise. Il utilise généralement des microprocesseurs à basse consommation d'énergie ou des microcontrôleurs, embarquant un programme informatique. En fonction des tâches à réaliser, un système embarqué peut intégrer des capteurs très variés de type analogiques ou numériques, des actionneurs de type servomoteur, moteur pas à pas, électrovanne. Un système embarqué a aussi besoin d'être alimenté. Il peut être alimenté par le réseau électrique dans certain cas mais dans la plupart des cas, son alimentation provient de batteries, ce qui lui permet d'être mobile. Enfin, un système embarqué doit dans beaucoup de cas être en mesure de communiquer avec d'autres systèmes électroniques via des étages d'émission et de réception radiofréquence et hyperfréquence, voire du domaine des ondes millimétriques.

Un objet ou ensemble d'objets communicants représentent conceptuellement un effort pour maximiser l'utilisation d'un grand nombre de systèmes embarqués capables de communiquer ensemble, via différentes technologies. La figure 138 illustre la complexité de la structure d'un ensemble d'objets communicants.

<figure><img src="image_153.png" /><figcaption>Figure 138 : Architecture simplifiée d'un réseau d'objets communicants.</figcaption></figure>

Un objet connecté peut être de différentes natures. Il peut aussi bien être un véhicule qu'un avion ou une voiture, une montre, un robot ou encore, une gélule/pilule. Ces objets sont connectés directement ou indirectement entre eux, c'est-à-dire par l'intermédiaire de
passerelles, via des réseaux qui peuvent être filaires ou sans fils. Ces objets peuvent de plus être connectés à internet dans le cas de l'Internet des Objets (IoT), ce qui permet, entre-autres d'amasser d'importantes quantités de données.

L'émergence des objets connectés est relativement récente mais s'est développée très rapidement et devrait continuer à se développer encore pendant plusieurs années, notamment les IoTs, afin d'être utilisés dans des grands domaines d'application [Khanna, 2019] [Pekar a, 2020] tels que :

- Les habitats intelligents (développement de la domotique).

- La santé intelligente (objets connectés pour la santé).

- Les transports intelligents (véhicules autonomes aussi bien pour le domaine automobile qu'aéronautique et spatial).

- L'industrie 4.0 (robotique/cobotique...)

En 2020, le nombre d'objets connectés de type IoT, donc ceux connectés à internet, était de 20 milliards environ. D'après la littérature, ce chiffre devrait dépasser les 50 milliards d'ici 2030 [Cano a, 2018].

Les systèmes connectés seront au centre de ces grandes applications et leur sécurité électromagnétique est une préoccupation majeure, qui ne cesse de croître dans la communauté scientifique [Yang a, 2017] [Alshaikhli a, 2022] [Alqarawi a, 2022]. Cependant, éprouver la sécurité de systèmes aussi complexes d'un point de vue simplement de compatibilité électromagnétique (CEM) est déjà un véritable enjeu [Mynster a, 2016] [Wu a, 2020], cela devient particulièrement complexe lorsque l'on considère des interférences électromagnétiques intentionnelles (IEMI) [Grammatikis a, 2018] [Giechaskiel a, 2019].

Dans ce contexte et en considérant mon bilan scientifique, le projet de recherche que je propose a pour but de contribuer à améliorer la sûreté et la sécurité électromagnétique des objets électroniques autonomes et connectés.

## 2 Stratégie de recherche

Pour contribuer à améliorer la sécurité électromagnétique des systèmes électroniques embarqués communicants, je compte dans un premier temps m'investir sur quatre axes de recherche qui me semblent indispensables à considérer :

- La compatibilité électromagnétique des équipements électroniques à haute sûreté de fonctionnement.

- Le durcissement des systèmes électroniques contre les interférences électromagnétiques transitoires de forte amplitude.

- Les interférences électromagnétiques intentionnelles de type « piratage » et les systèmes embarqués.

- Les interférences électromagnétiques « hautes fréquences » et la vulnérabilité des systèmes de communication.

### 2.1 A court terme : (3 à 5 ans)

A court terme, je souhaite m'investir fortement sur les trois premiers axes précédemment mentionnés.
### 2.1.1 La compatibilité électromagnétique automobile et la sûreté de fonctionnement

La compatibilité électromagnétique automobile et la sûreté de fonctionnement est une thématique d'actualité [Di Napoli_a, 2011] [Nelson_a, 2012] [Campi_a, 2017] [ISO26262, 2011 & 2018] qui prend une place importante dans les thématiques de la communauté CEM, notamment avec les véhicules autonomes pour lesquelles certains organes critiques pour la sécurité du véhicule, généralement mécaniques sont remplacés par des systèmes électroniques. Un exemple concret est la mise en place du « steer-by-wire » qui consiste à remplacer la colonne de direction d'un véhicule par une liaison électrique composée de systèmes embarqués. Afin d'assurer le bon fonctionnement de ce système, une redondance interne des systèmes embarqués est mise en place. S'assurer du bon fonctionnement de ces organes critiques complexes redondés face à des interférences électromagnétiques est compliqué et des méthodologies ainsi que des essais spécifiques doivent être mis en place pour s'assurer que tous les scénarios de dysfonctionnement ont été envisagés et testés.

Dans ce contexte, je compte m'investir sur la mise en place d'une méthode permettant de démontrer la sûreté de fonctionnement des architectures électriques / électroniques redondées dans le cadre de la voiture autonome. Ce travail est complexe car il nécessite l'analyse exhaustive des mécanismes de perturbations des différents éléments constituant les chaines de traitement des fonctions à haute sûreté de fonctionnement, la formalisation mathématique pour estimer les probabilités d'occurrence et la réalisation d'outils d'analyse.

Ce travail devrait à terme permettre d'apporter un certain nombre de règles de conception CEM spécifiques à la sûreté de fonctionnement, règles inexistantes aujourd'hui dans l'état de l'art du secteur automobile, ainsi qu'une méthodologie permettant de proposer des mesures spécifiques CEM à appliquer aux futurs véhicules autonomes.

Cette thématique intéresse fortement Stellantis avec qui nous avons commencé, fin 2021, un projet de recherche à travers une thèse Cifre.

### 2.1.2 Les signaux impulsionnels transitoires de forte amplitude et la protection des systèmes électroniques

L'étude des effets des signaux impulsionnels transitoires de forte amplitude et la protection des systèmes électroniques face à ces signaux font aussi partie du domaine de la compatibilité électromagnétique et des interférences électromagnétiques. Ces signaux électriques transitoires peuvent être générés par des phénomènes d'origine humaine comme les impulsions électromagnétiques d'origine nucléaire par exemple mais aussi par des phénomènes naturels comme la foudre. La particularité de ces signaux est qu'ils sont transitoires, donc plus ou moins courts dans le temps, et de très fortes amplitudes, pouvant atteindre plusieurs centaines voire milliers de volts et d'ampères. De tels signaux provoquent, sans protection adéquate du circuit électronique, sa destruction immédiate comme cela a été montré dans les thèses de Guillaume Mejecaze et Laurine Curos.

Dans le domaine aéronautique, les contraintes de consommation de carburant ont poussé les concepteurs à diminuer le poids des avions. Un des efforts réalisés a été d'intégrer de plus en plus de matériaux composites à base de carbone dans leur structure, dégradant de fait sa capacité de blindage électromagnétique. Les niveaux de tenue des équipements électroniques à la foudre ont donc évolué, si bien que les circuits de protection de ces équipements ne sont plus optimisés, en termes d'efficacité de filtrage mais aussi de surface d'occupation des cartes électroniques. Un gros travail est donc nécessaire pour définir et évaluer de nouvelles solutions de protection foudre tout en réduisant leur surface d'occupation, ce qui permettra de réduire la taille des équipements et donc leur poids.
Dans ce contexte, je compte m’investir dans l’étude de ces nouvelles solutions. La stratégie que j’envisage consiste à utiliser une méthode équivalente à celle que nous avons utilisée pour les études sur les IEMN-HA. La première étape a pour but de développer un modèle permettant de simuler les effets de perturbations et de destruction des étages d’entrée des cartes électroniques des équipements avioniques soumis à une impulsion de courant/tension de type foudre. Cela nécessite la modélisation des phénomènes de propagation des signaux impulsionnels au sein des connecteurs d’entrée de l’équipement et des cartes électroniques le constituant, des effets de destruction des composants électroniques (notamment des circuits de protection constitués principalement de diode TVS (Transient Voltage Suppressior)) dus au passage d’un fort courant ou d’une forte tension ainsi que les phénomènes d’arcs électriques au niveau des connecteurs et interconnexions des étages d’entrée des équipements. La deuxième étape consistera à exploiter cet outil pour proposer des règles de conception permettant d’améliorer et d’optimiser les circuits de protection des équipements avioniques.

Cette thématique intéresse fortement Thales AVS avec qui nous avons commencé des études à travers différents stages proposés en 2022.

### 2.1.3 Les interférences électromagnétiques intentionnelles de type piratage et les systèmes embarqués.

Les effets d'une IEMI sur un système électronique communicant peuvent être multiples et aller du simple brouillage, à la destruction physique du système. Dans ces deux cas, le système victime ne fonctionne plus correctement. Les utilisateurs du système peuvent alors intervenir et donc éviter un problème plus global. Un dernier effet hautement plus problématique est le piratage, qui consiste à faire rentrer une information fausse dans le système victime. La particularité de ce type d'attaque est qu'il est difficilement détectable et qu'il permet de faire entrer des informations erronées, voire malveillantes dans le système, pouvant pousser celui-ci à réaliser des actions non souhaitées [Cottais a, 2018][Esteves a, 2018][Esteves a, 2019][Esteves b, 2019]. Si l'on considère que les protocoles de communication sont sécurisés et donc, que les informations transmises sont protégées par des algorithmes de cryptage, on peut en déduire que les sous-systèmes les plus vulnérables face à des attaques de type IEMI-P (interférence électromagnétique intentionnelle – piratage) sont le système embarqué incluant des capteurs et actionneurs, ainsi que ses circuits d'alimentation et ses systèmes d'émission / réception radiofréquence [Giechaskiel a, 2019].

Le but de ce travail est d'évaluer la possibilité de « pirater » électromagnétiquement un objet communicant en s'attaquant principalement aux systèmes embarqués le constituant. Le but étant de déterminer les formes d'ondes des signaux d'interférences nécessaires pour perturber « intelligemment » le système communicant.

Pour mener à bien ce travail, la première étape consistera à définir un objet IoT à étudier, incluant une variété importante de systèmes embarqués, de capteurs et d'actionneurs. La deuxième étape consistera à mettre en place une méthode de test d'immunité incluant un plan d'expérience, basée sur les différents effets de perturbation observés sur ces sous-systèmes répertoriés dans la littérature [Claudepierre a, 2019] [Lavau a, 2021]. Il s'agira ensuite de tester les différents sous-systèmes de l'objet IoT afin de mettre en avant des effets de dysfonctionnement ainsi que les zones sensibles associées. Pour cela, le banc de mesure scan champ sera fortement utilisé. Enfin, il s'agira de comprendre et d'exploiter les mécanismes de perturbation des étages d'entrée des circuits électroniques perturbés afin de définir les formes d'ondes des signaux d'interférences électromagnétiques permettant de faire entrer une mauvaise information dans le sous-système visé.
Cette thématique intéresse fortement le secteur industriel des communications. Nous avons actuellement un partenariat avec la société Thales SIX, avec qui nous encadrons un stagiaire de Master 2, et qui devrait donner lieu à une thèse Cifre fin 2022.

## 2.2 A plus long terme : (5 à 15 ans)

A plus long terme, je compte bien évidemment continuer mes recherches sur les trois axes précédents. Je compte de plus m'investir fortement sur le dernier axe proposé, c'est-à-dire les effets d'interférences électromagnétiques « hautes fréquences (20 GHz et 100 GHz) [Perdriau_a, 2011], notamment sur les systèmes de radiocommunication et radiodétection fonctionnant aussi dans ces gammes de fréquence [Payet_a, 2017] [Raoult_a, 2019].

Les systèmes fonctionnant dans le domaine RF et hyperfréquence embarquent dans la plupart des cas des étages de réception. Parmi les circuits qui composent l'étage d'entrée des récepteurs, l'oscillateur local est particulièrement intéressant d'un point de vue « perturbation ». En effet, son rôle est de fournir un signal haute fréquence très stable, indispensable à la démodulation correcte du signal reçu. Aussi une perturbation de ce circuit engendre automatiquement un mauvais fonctionnement du récepteur qui en dépend [Dubois_a, 2014].

La boucle à verrouillage de phase est un circuit fonctionnant en boucle fermée se comportant ainsi comme un oscillateur amorti. Il a été montré qu'en présence d'interférences électromagnétiques haute fréquence, des modes d'oscillation particuliers de type oscillation subharmonique [Dubois_b, 2014] voire même chaotique [Sarkar_a, 1999], pouvaient être induits, rendant ainsi le système non opérant. Bien qu'observées dans quelques études, les conditions d'apparition de ces modes d'oscillation en fonction des paramètres de la boucle à verrouillage de phase mais aussi, du signal d'interférence, restent encore mal comprises.

Le but de cet axe de recherche est donc de comprendre les conditions d'apparition de ces modes d'oscillation et de déterminer les formes d'ondes les plus à même de perturber les boucles à verrouillage de phase et donc les récepteurs qui en dépendent. Cela permettrait alors de définir des règles de conception visant à améliorer la robustesse électromagnétique des récepteurs radiofréquences.

La compréhension fine des conditions d'apparition de ces modes d'oscillation est cependant un travail difficile de par la complexité de la nature non linéaire des phénomènes observés. Cela nécessite l'association d'une approche expérimentale, théorique et par simulation. Des compétences en analyse des oscillateurs non linéaires sont aussi nécessaires pour mener à bien ce travail. De plus, dans la gamme de fréquence allant jusqu'à 100 GHz, les appareils de mesure nécessitent un apprentissage pour pouvoir les utiliser au mieux. Enfin, aucun banc de mesure CEM normalisé existe dans ces bandes de fréquence. Il est donc nécessaire de mettre en place de nouvelles techniques de mesure permettant de tester la susceptibilité des circuits électroniques « hautes fréquences ».

Enfin, l'utilisation d'une « boucle à verrouillage de phase », n'est pas la seule technique pour réaliser des oscillateurs locaux. D'autres structures telles que les synthétiseurs numériques DDS (Direct Digital Synthesizer) existent. Un travail intéressant consisterait à étudier le comportement de ces différentes structures de synthétiseur et donc des différentes technologies de récepteur radiofréquence/hyperfréquence face à des interférences électromagnétiques intentionnelles.

La sécurité électromagnétique des systèmes de communication étant un problème de sécurité nationale, un grand nombre d'agences gouvernementales françaises comme le CEA DAM et l'ANSSI, sont prêts à collaborer et même financer des projets.

Dans ce contexte, nous avons signé, fin 2021, avec le laboratoire XLIM, le laboratoire IES et le CEA Gramat un LRC (Laboratoire de Recherche Conventionné) nommé SPARTE pour
Susceptibilité Particulière Aux Rayonnements et Transitoires Électromagnétiques, dont le but est entre-autres de travailler sur cette problématique.

## 3 Conclusion

Mes recherches s'orientent vers la sécurité électromagnétique des objets électroniques connectés en considérant aussi bien le domaine de la compatibilité électromagnétique que celui des interférences électromagnétiques intentionnelles.

Contribuer à cet axe de recherche nécessite plusieurs connaissances sur des sources d'émission et donc des signaux d'interférence (basse et haute fréquence, modulé ou pas, impulsionnel), sur les mécanismes de couplage, sur la propagation des interférences électriques/électromagnétiques (couplage champ à câble/faisceau, champ à piste, phénomène de résonance, propagation de mode commun/différentiel) et sur le comportement des circuits électroniques victimes (brouillage, piratage, modification du comportement électronique, destruction...) face à des interférences électromagnétiques de formes d'ondes variées. Les circuits victimes sont multiples et multi-échelles et peuvent être des systèmes complexes comme une voiture, des équipements électroniques, des cartes électroniques ou encore des composants électroniques et circuits intégrés. De plus, il est important de considérer tous les types de composants, circuits et systèmes électroniques, qu'ils soient de type analogique ou numérique, programmable ou non programmable, basse fréquence ou haute fréquence, basse puissance ou forte puissance, ce qui demande une maîtrise poussée du domaine élargi de l'électronique.

De par son amplitude élevée et sa bande de fréquence étendue, une interférence électromagnétique intentionnelle peut induire dans un système des comportements non linéaires ce qui implique également une maîtrise des moyens de caractérisation expérimentale des phénomènes non linéaires basses et hautes fréquences, et de modélisation. Enfin, si l'amplitude de l'interférence est suffisamment importante, elle peut engendrer la destruction du système. Une connaissance des mécanismes de défaillance et des moyens d'analyses très souvent utilisés dans le domaine de la fiabilité sont donc nécessaires. C'est donc un domaine très complexe qui touche tous les domaines de l'EEA et de l'électromagnétisme qui va, pour compléter mon expertise, me demander de mettre en place des collaborations et des partenariats avec des experts d'autres domaines tels que la fiabilité, les systèmes embarqués, les ondes millimétriques et l'automatique entre-autres.

Pour terminer, la sécurité électromagnétique est un enjeu majeur pour assurer la sûreté de fonctionnement et la sécurité des informations circulant via les systèmes électroniques connectés. Cette thématique est assez large pour intéresser aussi bien les acteurs industriels que les acteurs académiques. Un grand nombre d'entreprises et d'agences gouvernementales françaises s'y intéressent et sont prêtes à collaborer dans des projets nationaux. De plus, cette thématique est aussi alimentée par une préoccupation européenne, qui vient notamment du désir de l'Europe de retrouver une souveraineté en matière de sécurité numérique, ce qui devrait me permettre de participer et de monter des projets d'envergure internationale.
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