a l`universite d`orleans docteur de l`universite d - Lpc2E

UNIVERSITE D'ORLEANS THESE
PRESENTEE
A L’UNIVERSITE D’ORLEANS
POUR OBTENIR LE GRADE DE
DOCTEUR DE L’UNIVERSITE D’ORLEANS
Discipline : Sciences et Technologies Industrielles
PAR
Frédéric SZEREMETA
Capteur de champ magnétique :
optimisation dans la bande 10kHz – 100MHz
pour applications spatiales
Soutenue le : 9 novembre 2001
MEMBRES DU JURY :
- M. R. Harba Directeur de Thèse, Professeur à l’Université d’Orléans
- M. F. Lefeuvre Président, Directeur de Recherche au CNRS (LPCE, Orléans)
- M. J. Juchniewicz Rapporteur, Directeur de Recherche au CBK (Varsovie, Pologne)
- M. M. Pyée Rapporteur, Professeur à l’Université Paris 7
- M. G. Clerc Examinateur, Docteur-Ingénieur CNRS, parrain CNES
- M. Y. Touré Examinateur, Professeur à l’Université d’Orléans
Cette thèse a été réalisée avec le concours de la Région Centre et du Centre National d’Etudes Spatiales

Résumé
La mesure du champ magnétique est essentielle dans l’étude des plasmas spatiaux, sièges d’une intense activité
électromagnétique. La connaissance complète des ondes électromagnétiques suppose la mesure in situ des
composantes électrique et magnétique, couplées différemment que dans le vide aux fréquences inférieures à la
fréquence plasma locale, qui approche 20MHz près de la Terre et 100MHz à un rayon solaire. Les missions spatiales
géophysiques ont embarqué jusqu’à présent des instruments mesurant les champs magnétiques depuis le continu
jusqu’au MHz, avec un seuil de sensibilité de HzfT1 dans la gamme 10kHz–1MHz. La mesure à proximité du
Soleil nécessite un magnétomètre étendant ces performances à plus haute fréquence, 100MHz idéalement. Nous
présentons l’étude d’un capteur adapté dans la bande 10kHz-100MHz devant avoir le même seuil de sensibilité, pour
satisfaire les besoins scientifiques sans accroître la masse et la consommation électrique, limitées à bord d’un satellite.
L’état de l’art de la magnétométrie montre qu’une boucle sans noyau est la mieux adaptée. A partir de la description
détaillée des constituants du capteur, l’antenne et le préamplificateur, nous modélisons sa fonction de transfert et son
seuil de sensibilité et définissons des critères d’optimisation. Nous comparons notre modèle au prototype réalisé,
mesurant son impédance, sa réponse au champ magnétique et son seuil de sensibilité. L’étude de la méthode de
bobinage permet de réduire les capacités parasites du transformateur torique. Nous appliquons une contre-réaction de
flux pour conserver le rapport signal à bruit du capteur en boucle ouverte. L’optimisation aboutit à un instrument
fonctionnant jusqu’à 30MHz et satisfaisant la spécification de seuil de sensibilité entre 700kHz et 20MHz. Il prolonge
d’une décade la gamme des instruments existants.
Abstract
Magnetic field measurement is important for the study of space plasmas, where an intensive electromagnetic activity
occurs. The full knowledge of electromagnetic waves needs in situ measurements of electric and magnetic components,
coupled differently from free space below plasma frequency. The latter approches 20MHz in the vicinity of Earth and
100MHz at one solar radius. In up-today geophysical space missions, magnetic sensors measured fields from DC to
1MHz, with a HzfT1 magnetic noise density between 10kHz and 1MHz. Measurement near the Sun necessitates a
magnetometer extending these performances to higher frequencies, 100MHz at best. We design a sensor in the 10kHz-
100MHz band, with the same noise level, to satisfy the scientific need without increasing mass and power consumption,
limited onboard satellites. Magnetometry state-of-the-art shows that a loop antenna is better. Describing sensor’s
antenna and preamplifier, we modelled its transfert function and its equivalent magnetic noise, thus obtaining
optimisation criteria. We compare this modelling to the prototyp realised by impedance, magnetic field response and
noise measurements. Studying winding method, we reduce the toroidal transformer parasitic capacitances. Using a flux
feedback, we keep the signal-to-noise ratio of the open loop sensor. The optimisation leads to an instrument working
upto 30MHz and satisfying noise specification between 700kHz and 20MHz, extending magnetic field measurement in
space.
Mots clefs
Capteur magnétique directionnel, Antenne cadre magnétique, Hautes fréquences, Magnétomètre, Application spatiale,
Bruit électrique, Contre-réaction de flux, Transformateur de courant, Modélisation, Etalonnage.

UNIVERSITE D'ORLEANS
THESE
PRESENTEE
A L’UNIVERSITE D’ORLEANS
POUR OBTENIR LE GRADE DE
DOCTEUR DE L’UNIVERSITE D’ORLEANS
Discipline : Sciences et technologies industrielles
PAR
Frédéric SZEREMETA
Capteur de champ magnétique :
optimisation dans la bande 10kHz – 100MHz
pour applications spatiales
Soutenue le : 9 novembre 2001
MEMBRES DU JURY :
- M. R. Harba Directeur de Thèse, Professeur à l’Université d’Orléans
- M. F. Lefeuvre Président, Directeur de Recherche au CNRS (LPCE, Orléans)
- M. J. Juchniewicz Rapporteur, Directeur de Recherche au CBK (Varsovie, Pologne)
- M. M. Pyée Rapporteur, Professeur à l’Université Paris 7
- M. G. Clerc Examinateur, Docteur-Ingénieur CNRS, parrain CNES
- M. Y. Touré Examinateur, Professeur à l’Université d’Orléans
Cette thèse a été réalisée avec le concours de la Région Centre et du Centre National d’Etudes Spatiales
CENTRE NATIONAL
DE LA RECHERCHE
SCIENTIFIQUE