Caractérisation d’antenne pour la recherche de vulnérabilité des systèmes électroniques

Des travaux de recherche menés conjointement par le centre CEA - DAM de Gramat et le Laboratoire d’analyse et d’architecture des systèmes (Laas) du CNRS, à Toulouse, ont permis d’étalonner des antennes utilisées pour la détection de vulnérabilité des cartes électroniques [1]. Aujourd’hui, la méthode de recherche sans contact permet non seulement d’identifier le composant défaillant, mais aussi de déterminer son seuil de défaillance.

Le centre CEA - DAM de Gramat évalue la réaction des systèmes ou cartes électroniques face aux agressions électromagnétiques intentionnelles. De cette manière, il vérifie la tenue des systèmes face à une arme électromagnétique et identifie leurs faiblesses afin de les corriger. Dès qu’un système présente une défaillance, les équipes de Gramat recherchent l’origine du défaut. Cependant, les cartes électroniques sont de plus en plus compactes et complexes, rendant la compréhension de leurs mécanismes de défaillance de plus en plus fastidieuse.

Pour rechercher d’éventuels défauts, une antenne millimétrique, voire micrométrique, est déplacée d’une extrémité à l’autre d’une carte électronique, à quelques millimètres au-dessus des composants ; elle crée sans contact une perturbation localisée, comme l’illustre la figure 1a. Elle permet ainsi de révéler les zones sensibles et de cibler le composant vulnérable, talon d’Achille de la carte. Toutefois, cette technique était encore récemment limitée à une observation qualitative ; aussi les équipes de Gramat ont-elles développé une procédure permettant d’étalonner l’antenne. Il est désormais possible non seulement d’identifier le composant vulnérable, mais aussi de déterminer la tension minimale, induite à ses bornes, qui engendre la défaillance.

Une onde électromagnétique est la combinaison d’un champ électrique et d’un champ magnétique se propageant dans l’espace. Pour comprendre le mécanisme de défaillance dû à une agression électromagnétique, nous devons étudier l’impact de ces deux composantes. Il existe principalement deux types d’antennes pour cette analyse, identifiables par leur géométrie et par le type de champ qu’elles rayonnent. Sur la figure 1b, les antennes Hy1 et Hy2 sont des antennes à boucle : elles rayonnent un champ magnétique lorsqu’elles sont parcourues par un courant. Les antennes Ez1 et Ez2 ont une géométrie qui leur permet de rayonner un champ électrique.

Pour quantifier la vulnérabilité d’un composant électronique, il est possible de déterminer le seuil de défaillance en tension appliquée à ses bornes. Pour cela, il faut au préalable étalonner l’antenne. À cette fin, nous utilisons un banc de caractérisation qui permet de positionner l’antenne à calibrer au­­­-dessus d’un capteur de référence, situé en lieu et place d’un composant électronique. Pour une puissance injectée dans l’antenne et à une fréquence données, ce capteur détermine le champ rayonné, à la position où il se trouve par rapport à l’antenne. En renouvelant la mesure pour différentes positions, on obtient le champ électromagnétique rayonné par l’antenne en tout point de l’espace. Reste à traduire ce champ en tension aux bornes d’un composant.

Pour concevoir une carte électronique, comprendre son fonctionnement ou le comportement d’un composant, la simulation numérique est un outil précieux. Plusieurs logiciels existent, comme Spice, un logiciel libre éprouvé. En prenant en compte les caractéristiques de l’antenne, de la carte et de ses composants, nous sommes capables de déduire de la valeur du champ et de la distance à laquelle se trouve un composant la valeur de la tension à ses bornes. Ainsi, nous pouvons, à la fréquence considérée, déterminer le seuil de défaillance en tension de ce composant. La figure 2 compare le champ simulé et mesuré : l’accord est excellent jusqu’à une distance entre l’antenne et le composant de 5 mm. Cette distance correspond à la limite jusqu’à laquelle l’antenne peut être utilisée pour que le seuil de défaillance soit déterminé.

Cette approche vient compléter les outils d’analyse utilisés pour identifier un composant vulnérable et déterminer le niveau de tension maximal, en fonction de la fréquence, qu’il peut supporter avant sa défaillance. Cependant, à cause de leur géométrie, les antennes actuelles sont limitées à une fréquence d’utilisation de 4 GHz (ordre de grandeur de la fréquence de la téléphonie mobile actuelle). La conception d’antennes optimisées à plus haute fréquence permettrait d’étendre l’exploitation de la méthode au-delà de cette limite.