Brevet FR2593329A1 — publié le 19870724

Des structures électromagnétiques à propagation, telles que des fils, câbles, composants tripôles ou quadripôles absorbants ont été décrits dans la littérature, voir par exemple: - Exposé Dr. F. MAYER a' New York en 1965 et sa publication dans IEEE Transactions on Electromagnetic Comptabillty, Vol. EMC-8, nX 3, Septembre, 1966 : Electromagnetic Comptability: Anti-lnterference Wires, Cables, and filters. - Exposé Dr.F. MAYER à Weshington (août 1983): IEEE-EMC Conference: Absorptive Low Pass Cables: State of the Art and an Outlook to the Future. L'effet d'absorption croissant avec la fréquence, confère à cas structures une fonction passe-bas: à la fois pour optimiser cet effet et pour "blinder" ces structures vis-à-vis de l'extérieur, un blindage extérieur, branché à la masse, étant prévu. Or, il y a des cas où un tel blindage est inopportun, que ce soit parce qu'on désire supprimer les inconvénients pour l'installation et les problèmes de fiabilité d'une tresse et d'une connexion de tresse, que ce soit perce qu'on désire avoir libre accès aux conducteurs tout au long de le structure ou qu'on ait besoin d'une grande flexibilité, telle que celle qui est nécessaire par exemple sur des câbles de mesure et de puissance en robotique. Le but essentiel de ce brevet est de décrire une structure "inversée", dans laquelle le conducteur de terre est au centre de le structure (âme), et le/les conducteurs chauds placés en hélice autour du conducteur terre. Dans une telle structure, l'absorption peut être obtenue en intercalant le milieu absorbant entre l'âme et le/les hélices (ou encore à l'extérieur), ou par la qualité même de l'âme conductrice. Dans une telle structure, la capacité quadripôle de la structure est essentiellement définie, c'est à dire que l'absorption est essentiellement insensible à la proximité d'une masse externe; de même que d'une façon générale, la structure sera insensible à des champs parasites extérieurs, malgré l'absence de blindage. Un autre but de ce brevet est de décrire une structure non blindés, mais insensible aux champs parasites externes (par exemple Impulsion Electromsgnétique), comme le signal utile couplé ou rayonné vers l'extérieur sera réduit (effet Tempest). Le conducteur de terre (âme) finalement peut être réalisé en toron d'acier, trés solide mécaniquement, et servir de fixation à la structure. Un autre but de ce brevet est de décrire une structure dans laquelle les conducteurs (chauds) ne sont pas sollicités par des déformations, vibrations, torsions. L'intérêt de l'invention apparaît par exemple dans le cas de l'utilisation sous formes de câbles pour engins balistiques, soumis à de fortes vibrations ou encore des flexions répétées, comme c'est le cas pour des câbles destinés à des robots électroniques. L'intérêt de l'invention apparaît encore pour les câbles pour capteurs électroniques automobiles, servant de liaison entre un point mobile (par exemple sur moteur) et un point fixe par exemple châssis). Une description détaillée de l'invention est faite plus bas en relation avec les dessins annexes sur lesquels: Les figures 1 à 7 sont des vues en perspectives, comportant un arraché, de divers modes de réalisation d'un cible à structure inversée selon l'invention; et, les figures 8 à 9 sont des graphes représentant l'atténuation en fonction de la fréquence pour les câbles a' structure inversée selon l'invention. Sur la figure 1, est représentée la "structure inversée". Un conducteur métallique central 1 constitué par un conducteur ou toron de Cuivre, un fil ou toron en fibres métallisées, un fil ou toron en acier, etc... constitue l'âme de la structure. Une couche d'isolant 2 sépare cette âme du conducteur métallique chaud 3 (isolé luimême) transportant le signal ou la puissance de la structure. Une couche externe 4 isole et protège l'ensemble. L'inductance linéique d'une telle structure est augmentée par la disposition du conducteur chaud en hélice, sa capacité linéique étant définie essentiellement par la capacité entre le conducteur 3 et l'âme 1, par opposition avec une présence de masse, (ou présence d'autres câbles) à l'extérieur : autrement dit, la structure est insensible du point de vue couplage capacitif avec l'extérieur ; il en est de même du point de vue magnétique, à cause de la structure en hélice. Dans la réalisation représentée sur la figure 1, comme dans les réalisations représentées sur les figures qui vont suivre, l'âme conductrice peut âtre en métal magnétique (acier, alliage Fer-Nickel etc..), cette réalisation augmentant encore l'inductance linéique de la structure. Il est évident aussi qu'une telle structure, comme celles des figures suivantes, peut comporter plusieurs conducteurs, pour une transmission symétrique ou polyphasée. L'âme 1 se comporte comme un noyau conducteur dans le solénoïde formé par le conducteur 3 : sa subdivision détermine des courants de Foucault (équivalents à des pertes magnétiques) qui s'ajoutent aux pertes diélectriques éventuelles de la couche isolante 2. Des pertes additionnelles peuvent être prévues, par absorption magnétique. Ainsi, sur la figure 2, une couche 5 en matériau composite magnétique absorbant, essentiellement non conducteur (tel que décrit par exemple dans le brevet français ne 7833385) est prévue: si l'âme 1 est un conducteur ferromagnétique, il se rajoute au noyau une partie ferromagnétique non conductrice, combinaison qui est très favorable dans les applications pesse-bes. (Diminution des effets de saturation, efficacité aux très hautes fréquences). Sur cette figure, on a symbolisé deux conducteurs parallèles Isolés 3' et 3": en fait une réalisation de ce type, en longueur, sous forme de câble flexible, constitue par excellence un câble capteur pwr signaux faibles en milieu parasite. L'âme en toron d'acier sert à l'accroehage mécanique (et à la mise à la masse), et la paire de conducteurs 3' et 3" sert de paire symétrique pour le signal : ce câble, selon l'invention, est insensible aux parasites extérieurs et, malgré l'absence de blindage, absorbe par effet de filtre passe-bas les parasites HF conduits et est d'une très haute fiabilité mécanique. Dans une réalisation typique, selon la figure 2, l'âme conductrice 1 est constituée par un toron de brins fins de cuivre, de diamètre extérieur d'environ 0,8 mm. La couche de matériau composite absorbant 5, constituée d'un mélange de poudre de ferrites incluse dons une matrice PVC, (décrite dans le brevet précité) est extrudée avec un diamètre extérieur de 2,5 mm. Deux conducteurs de cuivre 3' et 3" vernissés d'un diamètre de 0,3 mm ( qui peuvent être du type accolés tel que le "BIFILREX" de la Société THOMPSON), sont bobinés en parallèle au pas de 0,8 mm, cet écartement permettant une très grande flexibilité du câble. La couche extérieure 4 est réalisée en PVC spéclal, ou tout autre plastique ou élastomère et a un diamètre d'environ 4,5 mm. Un tel câble présente l'affaiblissement en fonction de la fréquence représentée sur le graphe de la figure 8. L'atténuation est donnée au mètre, en fonction de la fréquence1 la mesure étant faite sur une longueur de 0,21 m (ceci déterminant des maxima et minima aux fréquences plus basses, dus aux effets de desadaptation, comme on le verra plus loin). Le fait remarquable est que cet affaiblissement ne change pas, que le câble soit dans l'air (tracé a), qu'il soit posé sur une masse métallique (ou le long d'autres câbles), ou qu'il soit pratiquement entouré ü un bllndoge à la masse (tracé b). De telles caractéristiques sont extrémement favorables pour la transmission de signaux (de fréquences inférieuresàquelques0,1 MHz), en milieu très parasite comme c'est le cas des capteurs de position pour l'allumage des voitures, par exemple qui sont soumis aux parasites de l'allumage. Cette application est par ailleurs très défavorable aux câbles blindés classiques, avec leurs problèmes de fiabilité de connexions, du fait des vibrations et de l'environnement globalement difficile. Par ailleurs, la mise en place est facilitée du fait que ce câble peut être "strippé" comme n'importe quel fil de câblage Isolé. Dans une autre réalisation typique, l'âme conductrice est constituée par un toron de 7 brins de 0,25 mm de diamètre en acier doux, constituant une âme ( à la masse) ferromagnétique: elle est recouverte du même mélange magnétique absorbant extrudé 5 de 2,5 mm de diamètre extérieur. Ensuite deux conducteurs de cuivre vernissé 3' et 3" de0,75 mm de diamètre forment une hélice double, guipée au pas de 2,5 mm. Cette réalisation, avec son isolant extérieur 4, constitue un exemple type d'un câble de puissance à haute Immunité contre coups de foudre, IEM et TEMPEST. Sa caractéristique passe-bas est donnée par la figure 9, telle que mesurée sur 0,50 m de longueur. On remarque, plus particulièrement un premier maximum d'atténuation (dû aux réflexions interfaciales ; voir brevet français n 8313145) dans la gemme des quelques Mégahertz, gomme dens laquelle se trouve concentrée l'énergie de l'impulsion nucléaire (IEM). Ce premier maximum se déplace vers 1 ,7 MHZ pour un câble de 1 m de long, et vers 0,85 MIiz pour un câble de 2 m de longueur, cas longueurs correspondent à des longueurs typiques de câblage dens les engins balistiques et fusés. Dans le cas d'au moins deux conducteurs chauds, une immunité supplémentaire peut être réalisée, sl ces conducteurs sont eux-mêmes en torsade. On arrive de la sorte à une torsade double, dont la configuration la plus simple correspond à une paire torsadée autour de l'âme conductrice à la masse (avec éventuellement sa couche absorbante, comme sur la figure 2, ou encore avec les conducteurs de la paire eux-mêmes recouverts de la couche magnétique absorbante comme sur la figure 3). Dans la figure 4, l'âme conductrice 1 est constituée en réalité par le blindage extérieur d'une structure coaxiale composée d'un ou de plusieurs câbles coaxiaux, paires torsadées etc... non détaillés sur la figure. Cet exemple est destiné à montrer l'extension du concept d'une âme reliée à la masse, pouvant devenir celle, plus générale, d'un substrat conducteur, interne à l'hélice Selon les caractéristiques souhaitées, l'ensemble des réalisations décrites peut comporter, en plus, à l'extérieur, une couche en matériau composite magnétique absorbant, w encore une couche en matériau composite conducteur selon une technique classique pour absorber des courants de mode communs parasites extérieurs (tels que décrits dans le brevet français n 7833385 et le brevet français n' 7918065). Le cas particulier, où une couche magnétique absorbante interne à l'hélice ou aux hélices (voir figure 2) comporte ainsi également une couche externe à cette w à ces hélices, est représenté sur la figure 5. Il est évident que ce cas particulier peut être réalisé, avec les mêmes résultats, avec une couche d'absorbant magnétique entourant directement le ou les conducteurs (figure 6). Dans les différentes réalisations décrites, un écran bon conducteur (tresse, colaminé, etc.) peut être placé à l'extérieur, si l'on souhaite une insensibilité poussée vis-à-vis des influences externes: une telle réalisation est utile dens les applications contre IEM dens des applications aérospatiales. il est important de noter que les différentes réalisations schématiques décrites cldessus peuvent âtre réalises en longueur, sous forme de câbles, dont des exemples ont été décrits. Réalisées sous forme très ramassez, elles donnent lieu à des compossnts électroniques: dans ce cas évidemment, l'ensemble peut être rigide, au moins en partie, et, par exemple le composite absorbant 5 remplacé par du ferrite compact Il est essentiel de retenir ici que cas composants ont une structure quadripole (à propagation), et que, de ce fait, ils ont des effets filtres très large bande (en absence de tout effet de résennance propre). La figure 9 indique ainsi les affaiblissements atteints avec un petit composant typique réalisé par une âme en fer de 0,8 mm de diamètre, reliée a la masse, recouverte d'une couche de matériau composite absorbant de 2,3 mm de diamètre et de 15 mm de longueur (déterminant la longueur du composant), recouverte de spires jointives de fil cuivre vernissé de 0,05 mm de diamètre. Ce composant représente un filtre large bande typique pour circuits imprimés, avec un affaiblissement minimum de 20 dB de 3 MHz à 10 Mliz. Plus particulièrement, cas composants se prêtent à la réalisation sous forme de structure en continu (comme un câble) ; et l'on obtient le composant par découpage. Notons encore que, dans des besoins de câbles de flexibilité et résistance aux flexions alternées extremes, l'âme conductrice à la masse peut âtre elle-même réalisée par un conducteur en hélice, à l'intérieur ou parallèle au(x) conducteur(s) chaud(s) transmettant le signal à la puissance électrique. Un exemple de réalisation correspondant à la figure 10 équivaut à la réalisation du type de la figure 2. Avec plusieurs conducteurs chaude, enroulés autour d'une âme constituée elle-meme par une hélice conductrice de diamètre plus petit, il soit ici d'une réalisation type de câbles à fiabilité maximum, tels qu'ils sont demandés pour des robots électroniques par exemple. Finalement, les structures des conducteurs en hélice se prêtent aisément à l'introduction de l'effet de résonnances interfaciales (référence du brevet cité), par la variation du pas de l'hélice et/su encore la variation de la capacité de l'hélice par rapport au conducteur de masse. De telles structures, avec des variations de pas brusques, sur des longueurs définies, permettent d'obtenir des effets passe-bas vers les fréquences plus basses, et/ou d'égaliser la courbe d'affaiblissement en fonction de la fréquence, supprimant les effets de résonnances interfaciales décrites. REYENDICATIONS 1. Structure à propagation passe-bas à réalisation coaxiale inversée, caractérisée en ce qu'elle comporte: - un conducteur métallique central ( 1), connecté à la masse; - un ou plusieurs conducteurs métalliquesen hélice (3, 3', 3"), isolés, guipés autour du conducteur de masse et représentant les conducteurs de transfert de signal et/ou de puissance. 2. Structure à propagation passe-bas à réalisation coaxiale inversée, caractérisée en ce qu'elle comporte: - un conducteur métallique central ( 1), connecté à la messe ;- une couche de matériau composite absorbant magnétique (5) - un ou plusieurs conducteurs métalliques en hélice (3, 34, 3") isolés, guipés autour du conducteur de masse et représentant les conducteurs de transfert de signal et/ou de puissance. 3. Structure selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que le conducteur métallique central est ferromagnétique. 4. Structure selon une des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'un écran conducteur est placé à l'extérieur du (des) conducteur(s) chaud(s) en hélice. 5. Structure selon une des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'une couche supplémentalre en matériau composite absorbant magnétique est placée à l'extérieur. 6. Structure selon une des revendications précédentes caractérisée en ce que les couches absorbantes magnétiques à l'intérieur et à l'extérieur du (des) conducteur(s) chaud(s) sont remplacées par une couche concentrique entourant ce (ces) conducteur(s). 7. Structure selon une des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'une couche supplémentaire en matériau composite conducteur est placé à l'extérieur. 8. Structure comportant au minimum deux conducteurs chauds selon une des revendications précédentes caractérisée en ce que cas conducteurs sont eux-mêmes torsadés. 9. Structure selon une des revendicattons précédentes, caractérisée en ce que l'âme conductrice de masse est elle-même réalisée sous forme d'hélice interne ou guipée en parallèle au(x) conducteur(s) chaud(s). 10. Structure selon une des revendications précédentes, caractérisée en ce que l'ensemble des constituants est flexible, et en ce qu'elle est réalisée sous forme de câble par extrusion. 11. Structure selon une des revendications 1 à 9, caractérisée en ce que les constituants peuvent être au moins partiellement rigides, et en ce qu'elle est réalisée sous forme de composants électroniques. 12. Structure selon une des revendications précédentes, caractérisée en ce que l'âme conductrice de masse sert de support mécanique en traction, et de fixation mécanique de la structure. 13. Structure selon une des revendications là 3 et 5 à 12, caractérisée en ce que la préparation pour la fixation se fait par un simple strlpping de couches isolantes. 14. Structure selon une des revendications 1 à 3 et 5 à 13, caractérisée en ce que l'accès électrique, le long de la structure est facilité par l'absence externe d'un blindage métallique. 15. Structure selon une des revendications 1 à 3, 4 à 9 et 1 1 à 14, caractérisée en ce que tous efforts, flexions alternées, déformations, vibrations sont découplés mécaniquement des conducteurs chauds, donnant à la structure une grande fiabilité.