Brevet FR2702278A1 — publié le 19940909

SIMULATEUR DE CHAMPS A PREDOMINANCE ELECTRIQUE, ET SON APPLICATION AUX ESSAIS D'EQUIPEMENTS La présente invention concerne, un simulateur de champs à prédominance électrique, et une application de ce simulateur aux essais d'équipements. Le domaine d'application visé plus particulièrement par la présente invention concerne les essais d'évaluation de recette ou de qualification d'équipements électriques ou électroniques destinés à être placés sur des structures conductrices présentant une grande dimension, du type aéronefs, missiles, bateaux ou véhicules terrestres De telles structures conductrices, lorsqu'elles sont exposées à une agression électromagnétique impuisionnelle, telle que la foudre, vont générer sur leur surface des distributions de courants et de charges Il en résulte la création de champs magnétiques et électriques plus ou moins importants selon l'endroit de la structure o l'on se place Par exemple, une structure de type avion, soumise à une agression électromagnétique impulsionnelle, va générer notamment des champs électriques prédominants en tête et en queue de l'avion, ainsi qu'à l'extrémité des ailes, alors que le milieu de la carlingue va être le siège de champs magnétiques prédominants. Ainsi, les équipements électroniques portés par les structures sont susceptibles d'être soumis à des champs électriques ou magnétiques intenses qui risquent de perturber leur fonctionnement ou de les endommager. On comprend par conséquent aisément la nécessité de pouvoir recréer le plus fidèlement possible les champs prédominants générés par les structures porteuses dans un certain environnement électromagnétique, de façon à pouvoir étudier le comportement des équipements. Nous nous intéresserons par la suite uniquement aux champs à prédominance électriques Les simulations notamment mathématiques ont déjà permis de connaître les caractéristiques de ces champs électriques: il s'agit de champs sinusoïdaux amortis dont la pseudo-fréquence et le coefficient d'amortissement dépendent complètement de la structure porteuse qui génère les champs Le niveau crête du champ électrique dépend quant à lui principalement de l'agression impulsionnelle extérieure à la structure. Pour générer de tels champs, il a déjà été proposé un simulateur dont on trouvera une description complète dans les Annales de Télécommunications, 47, N O 1-2, 1992, pages 73 à 84: "Nouvelle classe de simulateurs permettant la caractérisation de dispositifs embarqués sur des structures de grandes dimensions" Un tel simulateur est constitué d'une ligne d'excitation comprenant deux nappes filaires verticales en vis-à-vis, alimentées par un générateur haute tension, et délivrant la forme et le niveau de l'agression incidente, ainsi qu'une structure métallique représentative de la structure porteuse, que l'on introduit, du moins en partie, à l'intérieur du volume défini par les deux nappes verticales, grâce à deux ouvertures pratiquées dans ces nappes La structure métallique, qui se présente sensiblement sous la forme d'un parallélépipède allongé, est ainsi couplée à l'onde TEM créée par la ligne d'excitation, et génère des champs prédominants. Le simulateur précédent permet de générer de façon satisfaisante des champs proches de ceux qui existent dans la réalité Il présente cependant un certain nombre d'inconvénients: La structure métallique utilisée, bien que considérablement simplifiée par rapport à la structure porteuse réelle qu'elle est censée représentée, doit cependant posséder une dimension égale à celle de la structure réelle La ligne d'excitation doit alors présenter un volume suffisant pour accueillir cette structure métallique L'encombrement du simulateur devient donc important lorsqu'il s'agit d'essayer des équipements embarqués Cela entraîne nécessairement une mise en oeuvre lourde, longue De plus, le simulateur est difficilement transportable. En outre, un tel simulateur ne permet pas de faire varier simplement et rapidement les caractéristiques des champs électriques que l'on simule, notamment au niveau de la fréquence et du coefficient d'amortissement, puisqu'il est alors nécessaire de changer de structure métallique. Par ailleurs, pour générer les agressions électromagnétiques impulsionnelles qui reflètent la réalité et obtenir des niveaux de champs électriques de l'ordre de 500 k V/m, le générateur utilisé doit fournir une haute tension, typiquement supérieure ou égale à 1 MV, ce qui impose d'utiliser des composants électriques spéciaux ainsi que des étages multiplicateurs de tension représentant un investissement lourd En cas d'essais d'évaluation de recette d'un équipement, un tel générateur ne permet pas, du fait des hautes tensions mises en jeu, une incrémentation fine de son niveau de sortie. La présente invention a pour objectif de pallier les inconvénients précités en proposant un simulateur répondant beaucoup mieux, de par sa souplesse d'utilisation, aux besoins rencontrés notamment lors d'essais d'évaluation de recette et/ou de qualification d'équipements électriques ou électroniques destinés à être embarqués sur des structures conductrices de grande dimension, à savoir: un encombrement faible, même pour simuler des champs électriques prédominants engendrés par de grandes ou très grandes structures; une facilité et rapidité d'adaptation en vue de faire varier un ou plusieurs paramètres caractéristiques des champs électriques simulés. L'objectif précédent est atteint grâce à la présente invention, laquelle a plus précisément pour objet un simulateur de champs électriques prédominants de type sinusoïdal amorti dont les caractéristiques de fréquence, d'amplitude maximale et de coefficient d'amortissement sont prédéterminables, caractérisé en ce qu'il comporte: des moyens générant un signal électrique impulsionnel; un plan de masse conducteur; et une structure allongée résonante en matériau conducteur, qui s'étend sensiblement parallèlement à une distance d du plan de masse, sur une longueur total L, lesdits moyens injectant le signal électrique impulsionnel entre la structure et le plan de masse par l'intermédiaire de moyens d'injection, le matériau conducteur étant choisi et la distance d et la longueur L étant ajustées de manière à générer par résonance, à une extrémité libre de la structure, un champ électrique prédominant ayant lesdites caractéristiques. La présente invention a également pour objet une application du simulateur de champs électriques prédominants défini dans les revendications 1 à 10 aux essais d'équipement électrique ou électronique, caractérisée en ce que l'équipement est relié électriquement à proximité de l'extrémité libre de la structure allongée. Selon deux variantes de fonctionnement, l'injection du signal sur la structure résonante s'effectue galvaniquement ou par couplage magnétique. L'invention et les avantages qu'elle procure seront mieux compris au vu de la description suivante, faite en référence aux figures annexées: La figure la illustre une réalisation possible du simulateur selon l'invention, pour laquelle l'injection est galvanique et son application à l'essai d'un équipement; La figure lb illustre une seconde variante du simulateur selon l'invention, pour laquelle l'injection est effectuée par couplage magnétique; La figure 2 représente le schéma électrique équivalent du simulateur de la figure 1 a, pour lequel le générateur d'impulsion est un générateur double exponentielle; Les figures 3 a et 3 b sont des exemples de mesures de champs électrique et magnétique générés par le simulateur selon l'invention. Le simulateur objet de l'invention, et tel qu'illustré à la figure la dans un mode de réalisation possible, est constitué essentiellement de moyens 1 qui génèrent un signal électrique impulsionnel, d'un plan de masse conducteur 2, et d'une structure allongée résonante en matériau conducteur. Le fonctionnement d'un tel simulateur selon l'invention est le suivant: Le signal électrique impuisionnel délivré par les moyens 1 et représentatif d'une agression, est injecté galvaniquement sur la structure résonante 3, par exemple par l'intermédiaire d'un conducteur filaire 4 La structure 3 est placée à une distance d du plan de masse 2 et s'étend sensiblement parallèlement au plan de masse sur une longueur L La distance d est choisie notamment pour éviter que le plan de masse ne perturbe la résonance de la structure Lorsque la structure résonante 3 reçoit l'agression, un régime d'ondes oscillatoires amorties, dû à la résonance de la structure, va se créer Le champ électrique, mesuré à l'extrémité libre 30 de la structure est de forme sinusoïdale amortie La structure 3 étant en court-circuit du côté du générateur 1, et en circuit ouvert à son extrémité libre 30, la résonance s'effectue en X 14 si X est la longueur d'onde La fréquence f du champ électrique généré au niveau de l'extrémité libre de la structure résonante est ainsi donnée par la relation simplifiée: f 4 (L +d) ( 1) o c représente la vitesse de la lumière. L'équipement 5 que l'on veut essayer doit être relié galvaniquement à la structure 3, et être situé au plus proche de l'extrémité libre 30. Dans l'exemple de réalisation illustré à la figure la, la structure 3 présente une rigidité mécanique suffisante pour supporter directement l'équipement à son extrémité libre On peut utiliser par exemple un tube en acier pour réaliser la structure résonante 3. La figure 1 b illustre une seconde variante de réalisation du simulateur selon l'invention, pour laquelle l'injection du signal électrique impuisionnel généré par les moyens 1 dans la structure résonante 3 se fait non plus galvaniquement, mais par couplage magnétique On retrouve donc, sur la figure 1 b, les mêmes éléments que sur la figure la, à l'exception du conducteur filaire 4 Dans cette variante, les moyens d'injection sont réalisés par un tore d'injection 4 ' dont l'axe est confondu avec l'axe longitudinal de la structure 3, et entourant la structure résonante 3 Le tore 4 ' est dimensionné pour effectuer l'injection du signal électrique impulsionnel par couplage magnétique. Les moyens 1 générant l'impulsion électrique dépendent de l'agression à simuler Dans le cas de la foudre, l'agression se présente sous la forme d'une impulsion double exponentielle. La figure 2 illustre le schéma électrique équivalent du simulateur de la figure la pour lequel les moyens 1 sont constitués d'un générateur double exponentielle: Ce dernier est constitué d'une part, d'un circuit rebouclé comportant en série un condensateur 10, un éclateur 11 de tension d'amorçage donnée, et une résistance de charge 12 de valeur R 1, et d'autre part une alimentation 13 en tension continue VO Le fonctionnement d'un tel générateur est le suivant: La tension continue VO vient charger le condensateur 10 jusqu'à ce que la tension d'amorçage de l'éclateur 11 soit atteinte Le condensateur 10 va alors se décharger dans la résistance de charge R 1 et dans la structure résonante Des résistances 14 de forte valeur situées entre l'alimentation 13 et le condensateur 10 permettent de déconnecter électriquement l'alimentation au moment de la décharge du condensateur. Les valeurs des différents composants sont déterminées en fonction du niveau et de la forme de l'agression que l'on cherche à obtenir. Une alimentation VO de l'ordre de 100 k V permet d'obtenir, avec ce simulateur, des niveaux de champs électriques de l'ordre de 500 k V/m. Notons que le générateur double exponentielle peut également injecter l'impulsion par couplage magnétique, comme décrit en référence à la figure 1 b. Le simulateur proposé par l'invention présente l'avantage d'être variable par nature, en ce sens qu'il permet de faire varier facilement et rapidement les différentes caractéristiques des champs électriques que l'on désire simuler: En effet, il suffit de changer la longueur L de la structure résonante pour changer la fréquence du champ En utilisant la relation ( 1) donnée précédemment, et pour une distance d fixée arbitrairement à 1 mètre, il est facile de démontrer qu'une longueur L comprise entre 24 mètres et 1,5 mètre permet de balayer la bande de fréquence l 3 M Hz; 30 M Hzl. La longueur L de la structure et le matériau conducteur utilisé définissent quant à eux le coefficient d'amortissement du champ électrique. En outre, la forme de l'agression est fonction du générateur utilisé et peut par conséquent être facilement modifiée. Enfin, dans le cas de l'utilisation d'un générateur double exponentielle tel que décrit par exemple en référence à la figure 2, le niveau du champ électrique peut être finement modifié en utilisant un éclateur à tension d'amorçage variable, ou alors, si l'éclateur est remplacé par un interrupteur, en utilisant une alimentation de tension VO variable. Un deuxième avantage non négligeable du simulateur réside dans son faible encombrement par rapport aux simulateurs connus Le simulateur objet de l'invention permet un gain minimal de 50 % en longueur et de 90 % en volume par rapport aux simulateurs connus. Les figures 3 a et 3 b représentent à titre d'exemples la mesure en fonction du temps d'un champ électrique et celle d'un champ magnétique générés par le simulateur de la figure 2 pour une tension VO de 3,9 KV, et une injection de l'agression sur un tube de 11 mètres situé à 1 mètre au-dessus du plan de masse, les champs ayant été relevés selon l'axe X de la figure 1. La comparaison des courbes permet de conclure qu'il y a effectivement une forte prédominance de champ électrique par rapport au champ magnétique En effet, l'amplitude maximale relevée est d'environ k V/m pour le champ électrique, contre environ 1,3 Atm pour le champ magnétique, ce qui conduit à un rapport de l'impédance équivalente E/H de l'ordre de 15 k 9 l. D'autres mesures effectuées par la Demanderesse ont permis de montrer que les champs électriques prédominants obtenus par le simulateur selon l'invention étaient en outre homogènes dans l'espace Un équipement à essayer peut donc a priori être orienté d'une façon quelconque. Il est important de noter que le simulateur objet de l'invention peut présenter, sans sortir du cadre de l'invention, d'autres variantes de réalisations: Ainsi, au niveau de la structure résonante utilisée, nous avons précédemment indiqué l'utilisation préférentielle d'un tube suffisamment rigide, par exemple en acier, qui présente l'intérêt de pouvoir supporter directement l'équipement à essayer à son extrémité libre D'autres structures telles qu'un cylindre constitué de fils s'étendant sur toute la longueur, ou même un fil seul, peuvent également être utilisées L'équipement devra dans ce cas être supporté par d'autres moyens, comme des cales ou des supports adaptés et isolants. D'autre part, l'injection du signal électrique impulsionnel peut être effectuée en n'importe quel endroit de la structure résonante, notamment en son milieu. Enfin, bien que ce simulateur ait été développé principalement pour servir de moyens d'essais sur des équipements embarqués sur des structures conductrices de grande dimension soumises, à une agression impuisionnelle électromagnétique, il peut être également utilisé dans toute application nécessitant la création d'un champ électrique prédominant de type sinusoïdal amorti. REVENDICATIONS 1 Simulateur de champs électriques prédominants de type sinusoïdal amorti dont les caractéristiques de fréquence, d'amplitude maximale et de coefficient d'amortissement sont prédéterminables, caractérisé en ce qu'il comporte: des moyens ( 1) générant un signal électrique impuisionnel; un plan de masse conducteur ( 2); et une structure allongée résonante ( 3) en matériau conducteur, qui s'étend sensiblement parallèlement à une distance d du plan de masse ( 2), sur une longueur total L, lesdits moyens ( 1) injectant le signal électrique impulsionnel entre la structure ( 3) et le plan de masse ( 2) par l'intermédiaire de moyens d'injection ( 4; 4 '), le matériau conducteur étant choisi et la distance d et la longueur L étant ajustées de manière à générer par résonance, à une extrémité libre de la structure, un champ électrique prédominant ayant lesdites caractéristiques. 2 Simulateur de champs électriques prédominants selon la revendication 1, caractérisé en ce que le signal électrique impulsionnel est injecté à une extrémité de la structure ( 3). 3 Simulateur de champs électriques prédominants selon la revendication 1, caractérisé en ce que le signal électrique impulsionnel est injecté au milieu de la structure ( 3). 4 Simulateur de champs électriques prédominants selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que lesdits moyens ( 1) sont constitués d'un générateur double exponentielle. Simulateur de champs électriques prédominants selon la revendication 4, caractérisé en ce que le générateur double exponentielle comporte un circuit rebouclé constitué d'un condensateur ( 10) relié au plan de masse ( 2), d'un éclateur ( 11) de tension d'amorçage donnée et d'une résistance de charge ( 14) reliée à un extrémité à l'éclateur ( 1) et à l'autre extrémité au condensateur et au plan de masse ( 2), et une alimentation en tension continue ( 13) qui vient charger le condensateur ( 10) jusqu'à ce que la tension d'amorçage soit atteinte. 6 Simulateur de champs électriques prédominants selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que ladite structure ( 3) est un tube. 7 Simulateur de champs électriques prédominants selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que ladite structure ( 3) est un cylindre constitué de fils s'étendant parallèlement sur la longueur L. 8 Simulateur de champs électriques prédominants selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que ladite structure ( 3) est un fil. 9 Simulateur de champs électriques prédominants selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que lesdits moyens d'injection sont constitués d'un conducteur filaire ( 4) réalisant une injection galvanique du signal électrique impulsionnel dans la structure résonante ( 3). 10 Simulateur de champs électriques prédominants selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que lesdits moyens d'injection sont constitués d'un tore ( 4 ') entourant la structure et réalisant une injection du signal électrique impulsionnel dans la structure résonante ( 3) par couplage magnétique. 11 Application du simulateur de champs électriques prédominants défini dans les revendications 1 à 10 aux essais d'équipement électrique ou électronique, caractérisée en ce que l'équipement ( 5) est relié électriquement à proximité de l'extrémité libre de la structure allongée ( 3). 12 Application du simulateur de champs électriques prédominants selon la revendication 11, caractérisée en ce que la structure ( 3) est suffisamment rigide et supporte directement l'équipement ( 5) à essayer à son extrémité libre.