Brevet FR2630262A1 — publié le 19891020

On connait depuis longtemps la distorsion d'impulsions se propageant dans des cables coaxiaux : avec la dégradation des temps de montée rapides (inférieures à la sec: par exemple) dus à l'atténuation accrue des composantes très haute fréquence du signal. Ainsi, par exemple, a été étudié l'effet peau des conducteurs de tels cables, où aux fréquences élevées apparaissent des effets de pertes (par augmentation de la partie réelle de l'effet peau. la résistance série) et des effets d'augmentation d'inductance (par augmentation de la partie imaginaire de cet effet peau).(Références : Transient Analysis of Coaxial Cables. considering Skin Effect" - R.L. Wigingtonand N.S.Nahman -Proceedings IRE - February 1957 - p.166-174 "Trans@ient Analysis of Coaxial Gables, using the Skin Effect Approximation A + BlrS" - N.S Nahman and D. Hoît IEEE Transactions on Circuits Theory --Vol. 19 September 1972 - p. 443-451) Dans une telle structure à propagation (avec un diélectrique à faibles pertes) la constante de propagation d'une onde (pour une longueur de propagation 1) peut s'écrire : où les termes &alpha;(w) et et ss(w) sont respectivement les pertes et le déphasage le long de la ligne, fonctions de la pulsation =2 tf (où f est la fréquence). dus aux deux effets décrits : on retiendra le point important que cette attenation et ce déphasage sont fonction de la fréquence - en d'autres mots, la forme de l'impulsion , composée d'une multitude de composantes spectrales, va etre modifiée avec en particulier la disparition du temps de montée rapide, la diminution de la valeur crête, et l'étalement de la forme d'onde (Dispersion). Le terme T-représente le déphasage de l'onde le long de la structure, indépendante de w (Filtre passe-tout). Ainsi par exemple, on a étudié plus récemment (Référence "Pulse Behavior of Transmission Lines wí+h Dielectric Losses" - 11. Curtins and A.V. Shah - IEEE Transactions on Circuits and Theory - Vol. CAS32 - N0 8 - Avgust 1985 p. 819-825), l'effet additionnel d'un diélectrique représentant l'isolant dans une structure à propagation de type câble électrique, dont les pertes diélectriques (par conductance, en analogie avec l'effet peau) sont variables avec la fréquence. On obtient encore l'effet de dispersion décrit, c'est à dire la diminution de l'amplitude et l'étalement de l'impulsion. Or, ces deux effets, nuisibles pour la transmission optimum de ces impulsions, peuvent devenir favorables pour la suppression d'impulsions non désirées, telles que des parasites transitoires, se propageant le long de la structure. Il est un des buts de la présente invention de décrire de telles structures, où l'effet de dispersion ss (S) est augmenté, par l'utilisation d'un diélectrique à faibles pertes, où une dispersion est introduite dans la permittivité diélectrique, c'est â dire où (contrairement à toute pratique classique), au moins une partie de l'isolant de la structure, définissant ses caractéristiques de propagation par rapport â une autre partie de la structure, ou la masse, est constituée par un diélectrique à constante diélectrique variable, avec la fréquence. d'une façon notable. I1 est un autre but de la présente invention, de décrire de telles structures, où une dispersion p (M) est augmentée par l'utilisation d'un milieu magnétique à faibles pertes, où une dispersion est introduite dans la perméabilité magnétiques, c'est à dire ou (contrairement à toute pratique classique), au moins une partie de l'isolant de la structure, définissant ses caractéristiques de propagation par rapport à une autre partie de la structure, ou la masse. est constituée par un milieu magnétique à perméabilité variable avec la fréquence, d'une façon notable. Ces effets diélectriques et magnétiques à dispersion peuvent bien entendu être superposés , comme la dispersion magnétique "externe " ci-dessus peut etre groupée avec une dispersion magnétique "interne" accrue. due à l'effet peau normal ou un effet peau artificiel du ou des conducteurs eux-memes, selon le brevet "effet peau artificiel" France n 1.514.178. par exemple. Du fait des "faibles pertes" décrites ci-dessus, en dehors de l'effet peau normal (qui introduit une absorption seulement aux fréquences les plus élevées). de telles structures sont essentiellement dispersives, c'est à dire. une impulsion qui s'y propage va trouver son temps de montée Augmentéet sa forme générale étalée au fur et à mesure de la diminution des valeurs de crête de ces impulsions transitoires : un équipement électronique branché ou positionné à la sortie de la structure, sensible aux valeurs de tension (ou champ em crête), ou encore à des fronts d'onde raides, va donc être protégé (cas typique de l'application anti-radar).Par contre, si l'équipement électronique est sensible à l'énergie de ces impulsions transitoires, la structure à dispersion ne réduira pratiquement pas l'exposition , en effet, le long d'une telle structure, l'intégrale voltage-temps (ou encore champ em-temps) ne varie que peu, l'atténuation de la tension (ou champ électromagnétique) étant compensée par la durée étalée de l'impulsion. Il est un autre but de l'invention, de combiner les effets de dispersion diélectriques et/ou magnétiques décrits ci-dessus, avec des absorptions diélectriques et/ou magnétiques dissipant, en plus, au moins une partie de l'énergie des transitoires. et où ces aborptions sont elles-mêmes dispersiveS (correspondant au terme (S) ). Dans ce cas. outre l'effet décrit ci-dessus, l'énergie dissipée par pertes diélectriques et /ou magnétiques, va diminuer l'intégrale tension-temps (champ em-temps). Il est un autre but de l'invention, d'appliquer ces concepts â toutes structures classiques à propagation, tels que fils électriques, câbles coaxiaux, câbles électriques mul ticonducteurs, avec application interne (mode différentiel entre conducteurs), et/ou application externe (mode commun, par rapport à la masse), bandes et joints d'étanchéité d'équipements électriques. câbles droits, en hélice, en méandre, etc, circuits imprimés composants électroniques, tels qu'inductance sous forme d'hélice par exemple. guides d'ondes, milieux à propagation libre. circuits intégrés microondes (IC), matériaux radar dispersif Dans le cas particulier des isolants magnétiques à pertes, les brevets et demande de brevets France n"s 7.827.880, 7.833.385, 2.327.613, 7.918.065. 4.506.235, 4.5l0468. 6.313.145, 8.600.617 et 8.613.093 donnent des exemples de structures à propagation, pouvant utiliser les principes selon l'invention. Dans un autre but, selon l'invention, les effets dispersifs réactifs et absorptifs décrits, sont optimisés par le choix des matériaux, pour couvrir une gamme de fréquence donnée, avec, le cas échéant, une dispersion faible ou nulle dans une certaine gamme (signaux utiles à transmettre) et une dispersion (réactive et/ou absorptive) importante dans une autre gamme (transitoires parasites â supprimer). Dans un but final, selon l'invention, la dispersion réactive est utilisée pour couvrir une certaine gamme de fréquences et la dispersion résistive (absorptive) pour couvrir une gamme de fréquence complémentaire. A l'aide de quelques exemples, pour les cas extremes ci-dessus,- et des cas intermédiaires, l'invention va être décrite plus en détails, exemples correspondant d'abord à deux. structures à propagation typiques, celle d'un câble coaxial de signal et celle d'un câble de distribution de puissance multiconducteur monophasé. Dans un premier exemple. la figure I représente un câble coaxial comportant un conducteur central en cuivre plein(1) de diamètre 1 mm, une couche d'isolant "dispersif" (2) d'épaisseur 0.3 mm, et finalement, une tresse de blindage externe (3), ou encore toute autre présence de masse, définissant une structure quadripole. Dans une telle structure habituellement, le diélectrique 2 est choisi pour être bon isolant d'abord, pour représenter ensuite une "constante" diélectrique variant le moins possible dans la gamme des fréquences à considérer, et à faibles pertes. enfin. Dans le cadre de l'invention, pour la réalisation de la dispersion en permittivité, on choisira un diélectrique 2 (partiellement ou en totalité) dans la gamme de certains diélectriques représentant une forte variation dans la constante diélectrique, dans la gamme de fréquences considérée, diélectriques connus en soi (voir par exemple la Table des diélectriques, A von appel - "Dielectric Materials and Applications" - Edit.J. Wiley & Sons Par exemple. les diélectriques suivants Certains Formqldehydes (Bakclite, bakelite chargée) Certains Polychlorure5de Vinyl (péon, Koronal, Vinylite,...) Certains Polyvinylalcoolacetates Pyraline Polyvinylidene fluoride (Kynar, Floralon,...) Amiante Certains Neoprenes Certains Epoxys (Araldite,...) Certains verres (verre-Lime, verre Soude-Silice...) qui peuvent etre utilisés, tels quels (purs ou mélangés) ou encore sous forme de charge dans une matrice flexible, extrudable etc, et ont une variation de la permittivité supérieure du double au simple, quand la fréquence augmente. Ils sont isolants, et donc, des candidats de choix pour la réalisation de l'effet de dispersion. On remarque que la dispersion de la constante diélectrique fait que l'impédance caractéristique de ce câble varie avec la fréquence, pouvant varier du simple au triple, pour certains des isolants mentionnés ci-dessus. Pour la réalisation du câble selon la Fig. 1, on prendra par exemple le fluoride de polyvinylidene, bon isolant, dont la constante diélectrique est de 8,4 à 100 Hz 7 , 5 à 1 kHz 6,1 à 1 MHz 4 à 10 MHz 2.8 à 1 GHz La Fig. Il montre l'évolution d'une impulsion rectangulaire de 100 nsec de durée le long de ce câble. avec des relevés à 0 . 50 m, 100 m. 150 et 200 m. On constatera d'abord l'effet retard de la propagation (T, plus haut). de l'ordre de 400 nsec pour chaque longueur de 50 m ensuite, l'augmentation du temps de montée de l'impulsion de long de la ligne, la diminution de l'amplitude crête, et l'étalement progressif. Avec les valeurs précises, on vérifie aisément que la surface sous chaque forme d'onde (l'intégrale voltage-temps citée) reste à peu prés constante, c 'est-â-dire. l'éner- gie du transitoire n'est pas absorbée. I1 est clair, que l'amplitude de crête se réduisant au fur et à mesure le long de la ligne. constitue ici le facteur de protection recherché, selon l'invention. Dans l'exemple ci-dessus, les pertes par conduction de l'isolant étaient faibles ou nulles. la dispersion diélectri que étant due à des effets Maxwell Wagner au niveau microscopique. On peut, dans un deuxième exemple. créer des matériaux composites présentant ces effets de dispersion de la per mittivité, liée à une absorption marquée. dû à une structure macroscopique, telle que par exemple, des grains plus ou moins conducteurs, de forme et granulométrie déterminées, dans une matrice plus ou moins isolante. On peut citer, comme exemples. des poudres de carbone, noir de fumée. etc dans du polysulfide organique (Thiokol, etc) (Réf. citée). des poudres d'oxydes métalliques faiblement conductrices dans le polychlorure de vinyl, silicone, ou autres matériaux matrice, et d'une façon générale, les matériaux à structure hétérogène, avec au moins deux phases électriques dissemblables.. De tels composites présentent de fortes pertes diélectriques variant avec la fréquence. joint à une forte dispersion diélectrique : par exemple. le Thiokol FA a une constante diélectrique qui varie de 2260 (à 1 kHz), à 110 (à 1 NHz), à 30 L'utilisation de tels matériaux, selon l'invention, peut nécessiter une couche d'isolant mince additionnel (interne ou externe à l'isolant dispersif), isolant de bonne qualité, pour réaliser l'isolation et la rigidité diélectrique nécessaire à un tel câble ou structure. Dans un troisième exemple, on considérera l'addition d'effets dispersifs magnétiques, avec des pertes magnétiques, avec une démonstration de l'effet de séparation des bandes de fréquences, citées plus haut. ainsi que de l'absorption des impulsions, c 'est-à-dire. la dissipation effet Joule. Les figures III schématisent un autre câble coaxial. selon l'invention, mettant en oeuvre ces combinaisons. Dans la figure Illa, le conducteur central 1 est entouré d'un tel milieu dispersif magnétique 4, l'ensemble étant recouvert d'une tresse 3, ou de tout autre blindage. ou toute autre présence de masse . définissant une structure quadripole. Comme on verra par la suite. le milieu dispersif magnétique (comme le milieu diélectrique absorbant par conduction vu plus haut)} a de mauvaises caractéristiques de tenue de tension, et peut nécessiter une couche additionnelle d'un bon isolant. Les figures IIIb et IIIc décrivent les réalisations analogues, avec une couche externe ou interne en isolant 4 (dispersif ou non). dont l'utilité pour la tenue diélectrique et l'isolation en courant continu est évidente, si le milieu dispersif magnétique est mauvais isolant. Des réalisations analogues sont évidentes, dans le cas des pertes diélectriques par effet Maxwell Wagner, cité plus haut. où l'isolant et la tenue au claquage sont fournis par un diélectrique peu ou pas chargé. Dans la figure IV. on reproduit l'évolution d'une impulsion rectangulaire de 100 nsec de durée. le long de ce câble. avec des intervalles de relevé de50 m. Outre les effets de dispersion, dus à la dispersion réactive diélectrique t(u) et à la dispersion réactive magné tique (f En d'autres mots. les composantes à fréquence élevée (spectre Fourier) dans l'impulsion sont absorbées. On retiendra ici les relations fondamentales entre la représentation dans le domaine temps et dans le domaine fréquence : si le comportement en amplitude (diminution) des structures selon l'invention est le résultat final recher chié, la connaissance seule du comportement en amplitude de ces structures, dans le domaine fréquence (réf. brevets cités), ne permet pas de conclure sur leur comportement en amplitude dans le domaine temps (pour les impulsions transitoires considérées), qui mettent en jeu, non seulement la variation en amplitude des diverses composantes Fourier, mais également, leur dispersion respective (phases différentes). En considérant ainsi. un temps de montée (et de descente) d'impulsion dans la figure III. td = t ~ 10 nsec.. et r la durée t. de 100 nsec., la densité spectrale s'écrit dont l'enveloppe dans le domaine fréquence. peut être approximée par trois segments de droites, dans le diagramme log-log du spectre (Référence : H.L Rehkopf - Proceedings IEEE 8th National Symposium EMC San Francisco - 1966 Dr R.J. White. N. Mardiguian - Proceedings 5 th Symposium ENC Zurich - March 1983 - p. 497). La figure V indique un tracé pour l'impulsion utilisée, pour ces deux fréquences l'affaiblissement mesuré (réf. citées) sur ce câble est respectivement (1=50 m) de 7,5 dB et de 62 dB. Ces valeurs démontrent, très grossièrement, l'influence de l'absorption sur l'amplitude et le temps de montée de cette impulsion : on comprendra aisément que l'absorption sera d'autant plus forte. que l'impulsion est de courte durée. Il en est de même pour la dispersion : le contenu spectral f1 et f2 est caractéristique de l'impulsion transitoire en jeu (ou train d'impulsions), et décrit ainsi. la "gamme de fréquences en considération". Un tel milieu 2 peut être réalisé. selon le deuxième exemple. en incorporant des grains magnétiques (plus ou moins conducteurs) dans une matrice plus ou moins isolante. sous forme d'un matériau composite (à structure macroscopique). ou sous forme rigide compacte. à structure microscopique selon les règles de l'effet Maxwell Wagner cité, pour obtenir l'hétérogénéité macroscopique nécessaire. On donne, comme exemple, l'incorporation de grains de ferrites relativement conducteurs dans une matrice quasiisolante réalisée par un matériau matrice (flexible, dans ce cas) mauvais isolant. ou rendu tel par l'adjonction de poudre de carbone. de grains métalliques conducteurs, etc. On cite comme autre exemple. ou le diélectrique actif est sous forme rigide compacte, des matériaux de ferrites frittés intrinsèquement, relativement conducteurs (au niveau cristallite), c'est à dire, des domaines magnétiques séparés par des interfaces isolants (réalisés par des oxydes métalliques isolants. tels que le Si, Ti. etc secrétés dans les interstices, ou encore des matériaux ferrites frittés intrinsè-quement peu conducteurs. séparés par des interfaces bon conducteurs (réalisés par des coprécipitations de composés métalliques, aux interfaces cristallins). Un exemple de composite magnétique à dispersion, en vue de ses caractéristiques d'absorption, est décrit dans le brevet France n 2.327.613 Cet exemple montre l'utilisation d'un diélectrique 4 avec de l'effet dispersif en combinaison avec l'effet absorbant. dissipant les impulsions transitoires. Cet exemple montre encore la possibilité de combiner les régions fréquentiellesMdes différents effets dtÇpersifs et/ou absorbants par le choix des différents effets. On peut ainsi, par exemple. obtenir essentiellement 1 'affai- blissement de l'impulsion (par dispersion) aux fréquences plus basses, sans absorption, tandis que l'affaiblissement de l'impulsion aux fréquences élevées est obtenue par dispersion et absorption. Le graphique montre l'allure type des dispersions et absorptions obtenues avec le mélange décrit de poudre de ferrite (assez conducteur), qui est ici, un ferrite de Mn-Zn, avec excès de fer, dans une matrice flexible, type plastique. silicone ou caoutchouc, etc, ou encore. toute autre matière thermoplastique ou thermodurcissable. On peut ainsi. en sens inverse. supprimer l'affaiblissement et la déformation de l'impulsion (par dispersion) aux fréquences basses, décrivant la bande passante de ia structure pour l'impulsion, par le choix de diélectriques/ di électromagnétiques sans dispersion dans cette bande de fréquence, tandis que l'affaiblissement et la dispersion de l'impulsion sont obtenus aux fréquences élevées, hors du spectre utile, décroissant les transitoires parasites. Dans le cas d'implémentation de type figure IIIb et IIIc, on choisira ainsi un "bon isolant" sans dispersion Comme dernier exemple. on indique une application, selon 7'inventioni à une onde à propagation libre. avec reflexion. Dans la figure une surface métallique réfléchissante 5 (avion, char, structures métallique, etc). fait partie d'un objet à détecter par radar. Elle est recouverte d'une couche dispersive-ou dispersive et absorbante 6. selon l'invention (RDAJ, ou RDW-RAM). L'impulsion, frappant cette couche 7. est partiellement réfléchie à la surface. partiellement transmise vers le. métal 5, où après réflexion quasi totale. elle repart en sens inverse. pour être renvoyée partiellement vers l'origine et partiellement retournée vers la couche métallique, etc. Les multiples reflexions, ainsi que les trajets de propagation dans le milieu 6. sont soumises à dispersion, ou dispersion-absorption : ce qui est essentiel c'est que la valeur crête du signal réfléchi va être réduite : la surface équivalente radar, ainsi que donc la détectabilité de l'objet, vont être réduites en conséquence. Selon l'esprit de l'invention, les différents effets de dispersion/absorption peuvent s'appliquer à toutes sortes de structures à propagation électromagnétique, telles que décrites en préambule : elles permettent d'étaler ou supprimer des impulsions transitoires parasites. et ceci d'autant mieux que leur durée est réduite. grâce à l'accroissement du temps de montée de ces impulsions. Il s'agit donc d'un procédé de choix pour réaliser des fils, câbles,/guides d'ondes. circuits imprimés, couches antiradar (RDM-RAM), etc, laissant passer des impulsions utiles (signaux digitaux), mais supprimant, dans la transmission, les impulsions parasites plus rapides. et nocives. par le. choix ad hoc des paramètres de l'implémentation des effets dispersifs et dispersifs et absorbants utilises. et de la longueur de la structure à propagation considérée. I1 est évident, que les différents effets de dispersion/ absorption peuvent s'appliquer à des strucutres fermées ou quasi fermées (câbles, guides d'ondes. mode symétrique pour câbles multiconducteurs. etc) ou structures ouvertes (circuits imprimés. à simple ou multiconducteurs, circuits intégrés microondes (MIC), mode commun pour câbles blindés avec le diélectrique dispersif extérieur au blindage. mode commun pour câbles multiconducteurs, avec le diélectrique dispersif entre conducteur et masse. etc). Finalement, il est évident que les différents effets de dispersion/absorption décrits et mis en oeuvre dans les structures ci-dessus. peuvent être associés à des éléments d'interface, à impédance de tension/courant ou impédance d'onde différente, réalisant des systèmes plus complexes. à réflexion de tension/courant ou d'onde : on se reportera au brevet France nO 2.550.657 (8.313.145) pour la description détaillée de tels systèmes. Ici, on met additionnellement en oeuvre le fait que la structure est adaptée pour certaines gammes de fréquences et a réflexions pour d'autres, à cause de la variation, mentionnée ci-dessus, de l'impédance caractéristique ou impédance d'onde, avec la fréquence. Ainsi. par exemple, l'application d'un câble dispersif ou dispersif et absorbant, en combinaison avec des inductances et/ou cpacités localisées, branchées au bout d'une longueur de ce câble, par les multiples réflexions d'onde obtenues sur le système d'impédance ainsi introduite, permet la réduction d'amplitude des impulsions transitoires, avec ou sans dissipation de l'énergie parasite. Il est évident, que dans l'esprit de l'invention, des structures mixtes sont comprises, ou par exemple. dans un faisceau de câbles. ou encore dans une ligne plate à conducteurs multiples. une partie des fils (destinés par exemple à la transmission de signaux digitaux) sont isolés normalement, et une autre partie des fils (destinés à l'alimentation, etc) sont isolés avec un matériau à dispersion. Revendications 1) Structure à propagation d'onde électromagnétique comprenant au moins un conducteur entouré d'un milieu de propagation, dans laquelle le milieu de propagation est un diélectrique (2,6) à variation importante de la permlttivité diélectrique et/ou de la perméabilité magnétique, sur un spectre de fréquences considéré, dans le domaine desradiofréquences et des microondes, de quelques KHz à quelques GHz, et où la dispersion ainsi obtenue dans le domaine temps, provoque une augmentation du temps de montée et diminution concom mitante de l'amplitude d'impulsions transitoires se propageant le long de cette structure. 2) Structure selon la revendication 1, dans laquelle la variation de la permittivité diélectrique ou de la perméabilité magnétique, ou encore la variation du produit des deux, varie de plus du double au simple sur un spectre de propagation considéré. 3) Structure selon une des revendications 1 et 2, avec des pertes diélectriques et/ou magnétiques addition nelles, rajoutant à la dispersion dans le domaine temps, une absorption électromagnétique où se rajoute , à l'augmentation du temps de montée et de la réduction de l'amplitude, une réduction d'énergie de ces impulsions transitoires, par dissipation Joule. 4) Structure selon une des revendications 1, 2 et 3, avec des effets dispersifs et absorbants additionnels obtenues sur le ou les conducteurs de la structure, tels que l'effet peau, l'effet peau artificiel, l'effet de proximité, etc. 5) Structure selon une des revendications précédentes, dans laquelle les effets de dispersion ou dispersion et absortion sont coordonnés, dans le domaine fréquence, pour obtenir des effets sélectifs souhaités. 6) Structure selon une des revendications précédentes, appliquée à des structures fermées ou semi fermées, telles que les câbles électriques, lignes de transmission, circuits imprimés, autant pour le mode différentiel que pour le mode commun. 7) Structure selon une des revendications 1 a 5 appliquée à des structures ouvertes ou semi ouvertes telles que fils et assemblage de fils électriques, circuits inté grés microondes (MIC), structures à propagation libre, couches antiradar (RDM-RAM).. 8) Structure selon une des revendications précédentes, as sociée avec des éléments d'interface à discontinuité d'impédance de tension/courant ou d'impédance d'onde, pour la réalisation de structures à réflexions mul tiples de tension, courant ou d'onde.