Direction scientifique
Transfert de connaissances vers l'industrie

Nos Thèses par thème

Conception d'antenne directive miniature et agile sur plusieurs octaves

Département Systèmes

Laboratoire Antennes, Propagation, Couplage Inductif

Master 2 , école d'ingénieurs en électronique (Antenne, Hyperfréquences)

01-09-2019

SL-DRT-19-0423

serge.bories@cea.fr

Dans le sillage du «New Space », les prochaines générations de constellation de micro-satellites nécessitent de revoir l'agencement des antennes disposées sur la face ?Terre' des satellites d'observation. Au regard des contraintes de poids et d'encombrement, la stratégie d'une unique antenne à rayonnement directif unidirectionnel et très large bande (2.5 octaves à partir des bandes VHF) est fortement attractive. Le défi technique consiste à concevoir des structures rayonnantes électriquement petites dans les bandes les plus basses puis de maitriser la qualité et la stabilité du rayonnement à double polarisation circulaire sur le reste de la bande. Concernant les antennes directive très large bande, la réduction de l'épaisseur contraint fortement les performances en terme de bande passante. L'objectif ambitieux est d'atteindre un facteur de miniaturisation de 4 en surface et de 2 en épaisseur par rapport à l'antenne de type dipole magnéto électrique (DMEC) [1]. La stratégie innovante proposée par le CEA LETI vise à contourner le problème des limites physiques des antennes électriquement petite en tirant profit du compromis miniaturisation/bande passante/efficacité [2]. En effet les récepteurs couvrant une très large bande, ne fonctionnent instantanément que sur une sous-bande passante bien plus étroite. L'innovation majeure de la thèse exploite cette réduction de la bande instantanée pour miniaturiser fortement des sources de type Huygens (naturellement uni-directionnelles [3]) par chargement capacitif. En intégrant des composants pilotables (de type banc de capacités commutées développé au CEA LETI [4]) à même la structure rayonnante de l'antenne, on démontrera que l'antenne peut adresser une excursion de plusieurs octaves. L'enjeu scientifique est de dégager une solution générique de type double source de Huygens agile en fréquence et d'en étudier les performances en fonction de la largeur de bande instantanée, des caractéristiques des composants pilotables (excursion, pertes). Des développements seront menés pour optimiser le chargement de la structure antennaire, limiter les phénomènes de pertes. Des analyses viseront à développer des modèles permettant de dégager des stratégies de conception et de se confronter aux limites théoriques bande passante/miniaturisation et efficacité [5]. Une attention sera portée à la sensibilité au contexte de ce genre d'antenne miniature et des solutions pour atténuer cet effet seront suggérées. Enfin plusieurs prototypes fonctionnels seront réalisés et caractérisés expérimentalement dans la grande chambre anéchoïde au CEA LETI ou au CNES pour démontrer par la mesure les avancées réalisées en matière d'antennes miniatures directives agiles en fréquence. Références: [1] A. Kaddour, S. Bories, A. Bellion and C. C. Delaveaud, "3D Printed Compact Wideband Magneto-Electric Dipoles with Circular Polarization," in IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters. [2] J. S. McLean, "A re-examination of the fundamental limits on the radiation Q of electrically small antennas," in IEEE Transactions on Antennas and Propagation, vol. 44, no. 5, pp. 672-, May 1996. [3] P. Alitalo, A. O. Karilainen, T. Niemi, C. R. Simovski and S. A. Tretyakov, "A linearly polarized huygens source formed by two omega particles," Proceedings of the 5th European Conference on Antennas and Propagation (EUCAP), Rome, 2011, pp. 2302-2305. [4] D. Nicolas et al., "SOI CMOS tunable capacitors for RF antenna aperture tuning," 2014 21st IEEE International Conference on Electronics, Circuits and Systems (ICECS), Marseille, 2014, pp. 383-386. [5] Morteza Shahpari, David V. Thiel, "Fundamental limitations for antenna radiation efficiency", accepted for publication in IEEE TRANS. ANTENNAS PROPAG. VOL. 66, NO. X, 2018 1

Etude de nouvelles solutions pour la sécurité des systèmes embarqués

Département Systèmes

Laboratoire Sécurité des Objets et des Systèmes Physiques

Systèmes embarqués, cybersécurité

01-09-2019

SL-DRT-19-0426

pierre-henri.thevenon@cea.fr

Depuis quelques années, le nombre de systèmes connectés augmente de façon exponentielle et devrait atteindre plusieurs dizaines de milliards d'ici 2020. Une majorité de ces dispositifs n'intègrent pas ou peu de sécurité et peuvent permettre de créer des attaques massives impliquant un nombre important d'objets. Dans les systèmes embarqués IOT et I-IOT, ils existent maintenant des solutions hardware et software fournissant des primitives cryptographiques permettant de sécuriser une interface de communication ou le stockage de données. Cependant, ces solutions ne permettent pas de traiter la problématique de la sécurité dans sa globalité. A partir de l'étude de scénario d'attaques existants, des normes et textes réglementaires, cette thèse devra définir les besoins en sécurité d'un système embarqué tout au long de son cycle de vie. Une attention particulière devra être portée à la détection de menaces, l'intégrité hardware et logicielle, la résilience du système, et à la définition d'une nouvelle interface de commissioning. De nouvelles solutions seront étudiées et développées afin de répondre aux problématiques précédemment définis et non traitées dans les solutions existantes. L'implémentation de ces nouvelles briques technologiques sera les prémices du développement d'un nouveau composant appelé superviseur de sécurité. Ce composant pourrait, à terme, être intégré dans la majorité des systèmes embarqués afin de renforcer leur défense en profondeur.

Etude de l'apport de l'intelligence artificielle dans la conception de systèmes de communications sans fils

Département Systèmes

Laboratoire Sans fils Haut Débit

Master 2, traitement du signal

01-09-2019

SL-DRT-19-0430

jean-baptiste.dore@cea.fr

Les systèmes de communications modernes sont conçus suivant des modèles statistiques permettant la définition simple d?algorithmes de transmission et de réception. Cependant, en pratique, un système subit de nombreuses imperfections qui ne sont pas forcément prises en compte par les modèles. L'utilisation de nouvelles techniques telles que l'intelligence artificielle (IA) pourrait modifier notre façon de concevoir ces systèmes. Plus précisément, il est possible que des traitements à base d'IA apportent des gains par rapport aux techniques classiques. Le premier objectif du projet de recherche est d'évaluer la pertinence de l'utilisation de ces techniques pour la conception de chaînes de transmission numérique (pour des conditions de propagation et des caractérisations en ligne des imperfections). Le second objectif sera de développer des méthodes d'apprentissage exploitant des bases de données afin de permettre la définition de nouveaux systèmes de communication auto configurables et auto adaptables à l'environnement.

Matrice de nanocapteurs flexibles pour mesures d'impact sur surfaces tactiles

Département Systèmes

Laboratoire Autonomie et Intégration des Capteurs

Ecoles d'ingénieurs / Master 2 en électronique, architectures électroniques et programmation, avec composantes en nanotechnologies, physique du solide, expérimentation et simulations (COMSOL).

01-09-2019

SL-DRT-19-0434

elise.saoutieff@cea.fr

Le CEA a mis au point un nanocapteur piézoélectrique apte à restituer des efforts mécaniques selon les 3 axes. Ce capteur est composé de nanofils de GaN obtenus par croissance organisée, lesquels présentent des propriétés piézoélectriques. Un des objets de la thèse est de développer l'électronique d'interrogation d'une matrice de capteurs, tactile et déformable, obtenue par l'assemblage et l'intégration d'une multitude de ces capteurs dans un substrat souple. Cette surface tactile doit permettre de restituer les efforts/déformations appliqués en chacun de ses points par une structuration particulière de la surface et une électronique de lecture dédiée. Cette technologie a fait l'objet de plusieurs développements, dont une thèse, en interne CEA et avec des collaborations extérieures. Le candidat concevra l'électronique d'interfaçage avec la matrice de capteurs (multiplexage des signaux lignes / colonnes, filtrage, amplification, rapport signal/bruit, consommation) pour la détection et la reconstruction en temps réel des signaux piézoélectriques (transitoires) émis par les capteurs. Il s'appuiera sur une première version de l'électronique développée au laboratoire et sur l'expérience de ses encadrants pour définir une architecture originale, rapide et faible consommation, pour le système global. Concernant les questions de recherche, des efforts de compréhension et d'optimisation sont encore à poursuivre, notamment pour modéliser la physique aux différentes interfaces (fonctions de transfert), la physique des nanofils (couplage fort piézoélectrique / semiconducteur), les modes de détection statique / dynamique ou encore traction / compression. Pour cela le candidat pourra s'appuyer sur les compétences du laboratoire et sur des outils de simulations multi-physique mis à sa disposition. Les résultats de la modélisation doivent notamment permettre d'orienter les choix technologiques pour le dimensionnement de la matrice « idéale » en fonction de l'application visée. A partir de ce dimensionnement, et à l'aide de l'équipe du laboratoire, il fabriquera un prototype qui permettra notamment de confronter les simulations avec les résultats expérimentaux. Enfin, les effets de la température ou du couplage piézoélectrique/pyroélectrique sur le comportement physique (et électronique) du capteur pourront être étudiés. Les applications visées sont typiquement la peau électronique pour la robotique, la reconnaissance de texture, de forme, de geste, de posture, les interfaces tactiles intégrant notamment la mesure d'effort multipoints et multi-directions et la mesure des efforts en glissement.

Systèmes électroniques d'adaptation en fréquence pour la récupération d'énergie vibratoire large bande

Département Systèmes

Laboratoire Autonomie et Intégration des Capteurs

Ecole d'ingénieur en électronique/automatique + Master recherche (ou stage de dernière année réalisé dans un laboratoire de recherche)

01-10-2019

SL-DRT-19-0436

pierre.gasnier@cea.fr

La récupération d'énergie est une thématique dont le but est l'alimentation de n?uds de capteurs sans fil communicants par le remplacement de la source d'énergie électrique (pile, câbles) ou par l'augmentation de l'autonomie énergétique. La récupération d'énergie vibratoire notamment, permet d'exploiter l'énergie mécanique d'un environnement et de la convertir en électricité afin d'alimenter le système électronique. La thèse portera sur l'exploitation du principe piézoélectrique pour convertir l'énergie vibratoire en électricité. Un des problèmes majeurs de ces récupérateurs est leur sélectivité en fréquence : l'exploitation de résonateurs mécaniques permet d'amplifier les vibrations ambiantes, mais la puissance récupérée chute drastiquement lorsque le récupérateur et l'environnement ne sont plus accordés en fréquence, ce qui dégrade l'opérabilité du système et donc sa fiabilité. Pour l'adoption de ce type de système par l'industrie, un des verrous majeurs est donc cette sélectivité fréquentielle. Ce verrou peut être levé par le moyen de récupérateurs dits « large bande » et/ou possédant la capacité à être accordés dynamiquement par un système électronique. En effet, couplé à une électronique intelligente, un récupérateur dit « fortement couplé » voit son comportement mécanique modifié (changement de sa raideur par exemple) ce qui permet de 1) suivre l'évolution de la fréquence d'entrée (un moteur dont la fréquence de rotation ralentit, ?) et/ou 2) compenser une propre modification de son comportement (une fréquence de résonance qui diminue avec la température, un vieillissement?). Le c?ur de cette thèse se focalise donc sur les circuits de gestion et de récupération d'énergie adaptant le comportement mécanique des tels récupérateurs en fonction des sollicitations vibratoires. Le CEA et l'Université Savoie Mont-Blanc (Laboratoire SYMME) ont récemment proposé des techniques performantes pour réaliser ce tuning. Cependant, la partie ajustement automatique de ces circuits n'a pas été étudiée. L'objectif de la thèse est de proposer, dimensionner, simuler, réaliser et tester des architectures électroniques innovantes permettant de réaliser le tuning automatique et la recherche du point de puissance maximum de récupérateurs piézoélectriques. Après un état de l'art sur les moyens et techniques d'ajustement de fréquences, une étude système et des simulations électromécaniques devront être réalisées, ce qui permettra de sélectionner les implémentations pertinentes (Full analogique, ou mixte numérique-analogique). Un soin particulier sera apporté à la faible consommation et l'encombrement du circuit proposé puisque le but, à terme, est de réaliser un circuit autonome en énergie et consommant une partie négligeable de l'énergie électrique récupérée. En fin de thèse, la ou les architectures sélectionnées seront alors proposées au département conception de circuits intégré en vue d'une miniaturisation. Un démonstrateur complet (récupérateur + technique de tuning + circuit d'ajustement) est ciblé pour la fin de la thèse.

Amélioration de protocoles de communication déterministes robustes et à faible latence (URLLC) par opportunisme

Département Systèmes

Laboratoire Sans fils Haut Débit

01-09-2019

SL-DRT-19-0442

mickael.maman@cea.fr

Les réseaux mobiles cellulaires de cinquième génération devront prendre en charge des services de communication à faible latence et ultra fiables (URLLC). Les exigences des applications URLLC sont : - Latence de bout en bout jusqu'à 1ms - Déterminisme (c.à.d. si la latence est stable) jusqu'à 1µs - Fiabilité (c.à.d. probabilité de succès de la transmission d'un nombre d'octets en un certain délai) entre 99,999% et 1-10^-9 - Disponibilité (c.à.d. le pourcentage de temps pendant lequel le service de communication de bout en bout est fourni conformément à une QoS convenue) supérieure à 99.99% - Densité de connexion (c.à.d. le nombre d'appareils atteignant une QoS cible par zone) de 10^6/km² pour un déploiement massif ou 100/m² dans certaines zones - Durée de vie de l'ordre de 15 ans Toutes ces exigences peuvent difficilement être satisfaites ensemble. Durant la thèse, nous nous focaliserons sur le compromis entre la fiabilité et la latence. Certaines propositions proposent d'exploiter la diversité temporelle, fréquentielle, spatiale, d'antenne ou d'interface pour repousser les limites de latence/fiabilité. Or pour certaines applications URLLC, les exigences strictes de latence peuvent exclure les protocoles qui reposent sur de la retransmission. Durant cette thèse, nous proposons d'étudier une nouvelle méthode de transmission et d'allocation (PHY/MAC) offrant un compromis flexible entre fiabilité et latence. Nous proposons d'améliorer les protocoles déterministes URLLC (fournissant la QoS minimale) par l'opportunisme. Considérant que certaines exigences peuvent prendre des valeurs dans une certaine fenêtre (en termes de fiabilité et de latence), notre approche combinera réservation de ressources et utilisation opportuniste du spectre. D'une part, nous exploiterons les protocoles déterministes de littérature qui apportent la meilleure réponse en terme de latence et nous proposerons un protocole déterministe afin d'assurer une faible maximale et des communications fiables. Cette approche bornera la performance. Or certaines applications ont des QoS plus strictes (ultra-fiabilité ou ultra-faible latence). Nous proposerons ainsi dans un second temps d'améliorer la QoS grâce à une approche opportuniste. Ce protocole complémentaire partagera des ressources limitées (partagées/inutilisées) pour des services URLLC hétérogènes et améliorera la fiabilité en exploitant les diversités spatiales et de fréquence et proposera une meilleure latence (mais avec jitter). Grâce à cette approche, nous serons autorisés à surbooker les ressources partagées et nous pourrons naturellement assurer la gestion de l'hétérogénéité.

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