Essais & Simulations n°108

Compatibilité

Compatibilité électromagnétique Préface CEM : Une meilleure maîtrise des champs forts et des techniques prédicatives plus adaptées Avec le développement de l’électronique dans tous les secteurs de l’industrie, la CEM a pris une part plus importante lors de la conception et de l’intégration des systèmes. Il est donc important que les normes et spécifications intègrent des exigences qui sont en phase avec les niveaux de sensibilité des équipements et les niveaux émis par les perturbateurs potentiels utilisés lors des essais de qualification. Les travaux récents de la normalisation ont permis une accentuation des phénomènes de perturbations plus adaptés avec, pour la plupart de ces systèmes, une répercussion sur les cahiers des charges constructeurs (automobile, aéronautique ou militaire). Leur respect doit garantir la tenue des équipements vis-à-vis des contraintes CEM et foudre spécifiques, en intégrant tous ces aspects dans le développement des équipements. En matière de champs forts, les nouvelles contraintes applicables notamment en aéronautique et dans l’automobile requièrent la mise en place de moyens spécifiques comme les cages réverbérantes afin d’atteindre les amplitudes de champ électromagnétique exigées qu’il est difficile d’obtenir avec des moyens conventionnels utilisés en cage anéchoïde. Depuis quelques années, l’apport des techniques de simulation a permis une meilleure appréhension des phénomènes de CEM. Cela s’est ressenti d’une part au niveau des techniques de génération de champ électromagnétique (cage réverbérante ou anéchoïde) et, d’autre part, lors de la conception et protection des équipements vis-à-vis des agressions électromagnétiques (champs forts et foudre). Philippe Sissoko* Dans ce dossier consacré à la CEM, le premier article s’intéresse à l’art de générer du champ fort par une combinaison de deux chambres réverbérantes afin d’atteindre les niveaux de champ les plus sévères requis par la norme RTCA DO160G catégorie L, pouvant aller jusqu’à 7200 V/m. L’auteur met l’accent sur le fait que les chambres réverbérantes restent l’une des solutions optimales pour générer du champ fort grâce à une technique bien éprouvée appelée par la normalisation dans les secteurs automobile, aéronautique et militaire. Avec le développement des outils de simulation de plus en plus présents dans de nombreux secteurs, la tendance prédicative est choisie lors de la conception des cages anéchoïdes par un outil de simulation modélisant les absorbants avec des modèles rigoureux. Ces cages anéchoïdes doivent être conformes aux normes CISPR 16 ou ANSI 63.4 en termes d’atténuation de site pour les émissions rayonnées par une validation qui ne peut être faite qu’une fois la cage livrée. Les résultats obtenus avec le solveur « CST Microwave Studio (CST MWS) » ainsi que les techniques utilisées sont essentiels pour optimiser dès la conception les performances de ces cages semi-anéchoïdes. Pour mieux appréhender les techniques de protections vis-à-vis de la foudre, la simulation permet également de modéliser les effets de la foudre et d’optimiser les protections qui ont pu être appliquées par le passé de façon plus ou moins empirique ou par retour d’expérience ; citons à ce titre la mise en place du conducteur de protection. Les courants induits et conduits sur une structure complexe soumise à un impact foudre sont caractérisés en utilisant un code de calcul basé sur la méthode des différences finies dans le domaine temporel. Les différentes simulations réalisées dressent une cartographie de la répartition des courants dans la structure et ainsi de déterminer l’efficacité des différents systèmes de protection. L’importance de l’influence de certains paramètres « terrain » sur la répartition des courants au sein de la structure et sur le câble est également traitée. Enfin, bien que de nombreux documents de normalisation de câblage traitent de la mesure de l’impédance de transfert par la méthode triaxiale ou du fil, une technique de mesure de l’efficacité d’écran est proposée, en pratique, jusqu’à 100 MHz environ. C’est dans ces gammes de fréquences que les perturbations se couplent efficacement sur les câbles. La protection apportée par les câbles et leurs caractérisations sont donc primordiales et améliorées en caractérisant l’efficacité d’écran dans ces gammes de fréquences quelque soit la nature du blindage ● * Philippe Sissoko est actuellement au sein du LCIE Bureau Veritas, responsable des départements dans lesquels les activités CEM et Foudre sont présentes. E S S A I S & S I M U L AT I O N S ● O C TO B R E , N OVEMBRE, D É C E M B R E 2 0 1 1 ● PAG E 1 5

Compatibilité électromagnétique Champ fort L’Art de générer du champ fort : une combinaison de deux chambres réverbérantes En compatibilité électromagnétique, les normes automobiles, aéronautiques et militaires tendent de plus en plus à faire croître les limites des fréquences hautes et les niveaux de champs forts. Les normes automobiles et les spécifications constructeurs (norme B21 de PSA par exemple) prescrivent généralement des essais entre 200 MHz et 3,2 GHz jusqu’à 150 V/m. La norme RTCA DO160 et les spécifications des constructeurs aéronautiques prescrivent des niveaux variant selon la catégorie de 1 V/m à 7200 V/m. Les normes militaires Mil- Std461F et Mil-Std464A exigent parfois des niveaux encore plus élevés. Nous allons présenter dans cet article les moyens d’essais les plus simples et les moins coûteux pour y parvenir. Les chambres réverbérantes à brassage de modes (CRBM) s’imposent de plus en plus face à ces évolutions des essais. Une chambre réverbérante couvrant la bande de fréquence 400 MHz à 18 GHz Nous prendrons pour exemple les niveaux de champ requis les plus sévères de la norme RTCA DO160G catégorie L (figure 1). Il est bien évident qu’en chambre anéchoïque de tels niveaux requièrent des puissances RF gigantesques. Les CRBM permettent d’atteindre des niveaux de champs forts avec des puissances réduites. De plus l’usage de l’aluminium sur les parois permet d’accroître la réflectivité de celles-ci. La figure 2 montre les niveaux de champs mesurés Figure 2 : Mesure du niveau de champ selon la norme RTCA DO160 pour 1 Watt au niveau du connecteur de l’antenne dans une EOLE400 aluminium. Figure 3 : EOLE400 dimensions extérieures L x l x H : 3.46 x 2.52 x 2.9 m dans une chambre réverbérante en aluminium de dimensions L x l x H : 3.46 x 2.52 x 2.9 m dont la fréquence basse de respect de l’uniformité statistique (LUF : Lowest Usable Frequency) selon les critères de la normalisation est inférieure à 400 MHz. Cette CRBM est appelée EOLE400 (figure 3). Cette EOLE400 est équipée des antennes de génération de champ suivantes (tableau 1). Il est porté une attention toute particulière au niveau des liaisons coaxiales et guidées entre les amplificateurs et les antennes de génération de champ afin de réduire au minium les pertes et transmettre les fortes puissances RF. Les liaisons de puissance sont équipées de filtres d’harmoniques et de coupleurs pour maîtriser la puissance injectée. Pour la clarté de cet article on a pris en compte une perte globale de 1 dB pour l’ensemble des pertes entre la sortie de l’amplificateur et l’antenne de génération de champ. On peut alors calculer la puissance nécessaire à la sortie des amplificateurs pour générer le champ requis lorsque la chambre est vide (courbe rouge de la figure 4). Fréquence en MHz Antennes Connectiques 400 à 1000 Log périodique 7/16 Figure 1 : Niveau de champ pulsé requis durant les tests de susceptibilité selon la catégorie L de la norme RTCA DO160G. 1000 à 7500 Cornet double ridge 7/16 7500 à 18000 Cornet double ridge WRD750 Tableau 1. E S S A I S & S I M U L AT I O N S ● O C TO B R E , N OV E M B R E , D É C E M B R E 2 0 1 1 ● PAG E 1 6