Brevet FR2702295A1 — publié le 19940909

SIMULATEUR DE CHAMPS A PREDOMINANCE MAGNETIQUE, ET SON APPLICATION AUX ESSAIS D'EQUIPEMENTS La présente invention concerne un simulateur de champs à prédominance magnétique, 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 impulsionnelle, 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 magnétique Les simulations notamment mathématiques ont déjà permis de connaître les caractéristiques de ces champs magnétiques: 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 magnétique 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 et 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 magnétiques 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 magnétiques prédominants engendrés par de très grandes structures; une facilité et rapidité d'adaptation en vue de faire varier un ou plusieurs paramètres caractéristiques des champs magnétiques simulés. La présente invention a pour objet un simulateur de champs magnétiques prédominants dont les caractéristiques sont prédéterminables, caractérisé en ce qu'il est constitué d'un circuit comportant un condensateur de valeur C, des moyens de charge du condensateur, une inductance de valeur L, une résistance de valeur R et des moyens de commutation commandant la décharge du condensateur dans l'inductance, et en ce que l'inductance est réalisée par au moins une plaque de matériau conducteur repliée en forme de U dont les extrémités sont reliées électriquement respectivement au condensateur et aux moyens de commutation en série, ladite plaque formant un volume de confinement à l'intérieur duquel est généré un champ magnétique prédominant, les dimensions en longueur et en largeur de la plaque fixant la valeur L, la valeur C et la valeur R étant choisies de manière à obtenir lesdites caractéristiques prédéterminables. Avantageusement, le simulateur selon l'invention permet de générer non seulement des champs magnétiques de forme sinusoïdale amorie mais aussi de champs magnétiques apériodiques. 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 1 illustre une première mise en oeuvre d'un simulateur selon l'invention; La figure 2 est une première variante du simulateur de la figure 1 dans laquelle la résistance est placée en parallèle avec l'inductance; La figure 3 est une seconde variante du simulateur de la figure 1 dans laquelle l'inductance est réalisée par deux plaques; La figure 4 est une variante du simulateur de la figure 2 dans laquelle l'inductance est réalisée par deux plaques; Les figures 5 a et 5 b sont des exemples de mesures de champs respectivement magnétique et électrique générés par le simulateur selon l'invention. Le principe de fonctionnement du simulateur de champs magnétiques objet de l'invention repose sur la décharge d'un condensateur de valeur C dans une inductance de valeur L, la charge du condensateur étant effectuée par tous moyens connus, et la décharge étant commandée par des moyens de commutation placés en série avec le condensateur. Un tel circuit présente en outre une résistance de valeur R constituée soit par la somme des résistances parasites du circuit, soit par une résistance ajoutée au circuit en parallèle avec le condensateur ou en série avec l'inductance. Il est connu que la décharge d'un condensateur de valeur C dans une inductance de valeur L peut engendrer deux sortes de régimes, l'un sinusoïdal amorti, l'autre apériodique, selon la valeur de la résistance R par rapport à une valeur critique Rc Cette valeur critique dépend quant à elle de la position de la résistance R dans le circuit. Afin de créer un champ de nature magnétique, l'invention propose de réaliser l'inductance au moyen d'au moins une plaque en matériau conducteur, par exemple en cuivre, placée aux bornes du condensateur De cette façon, la décharge du condensateur génère une circulation de courants le long de la plaque, à l'origine d'un champ magnétique. Selon l'invention, des champs magnétiques de hauts niveaux sont obtenus grâce au fait que la plaque est repliée en forme de U, chaque extrémité de ce U étant reliée respectivement au condensateur et aux moyens de commutation Les champs magnétiques générés sont ainsi confinés à l'intérieur du volume délimité par la ou les plaques. La plaque ou l'ensemble de plaques a donc pour double rôle de fixer la valeur L de l'inductance, et de créer un volume de confinement à l'intérieur duquel sont générés des champs magnétiques de hauts niveaux. La figure 1 illustre une première mise en oeuvre d'un simulateur selon l'invention, appliquant le principe précédent: On a représenté sur cette figure un condensateur 1 de valeur C connecté en parallèle à une plaque 2 en matériau conducteur, jouant le rôle de l'inductance de valeur L Dans l'exemple de la figure 1, les moyens permettant la charge du condensateur comportent une alimentation 3 en tension continue VO qui vient charger le condensateur, et des résistances 5 de fortes valeurs qui déconnectent électriquement l'alimentation 3 du condensateur 1 lorsque ce dernier se décharge Des moyens de commutation 4 placé en série entre le condensateur et l'extrémité d'une des branches du U, viennent commander la décharge du condensateur 1 dans la plaque 2 De manière préférentielle, les moyens de commutation 4 sont réalisés au moyen d'un relais au mercure commandé électriquement par un interrupteur En effet, la fermeture d'un tel relais s'effectue pratiquement sans rebonds et ne perturbe pas le début du signal de résonance Le simulateur comporte en outre une résistance 8 de valeur R qui est placée en série avec l'inductance. On peut montrer que, dans un tel circuit RLC, la valeur critique Rc est égale à 2 J Si la résistance 8 possède une valeur R inférieure à Rc, le champ magnétique obtenu est de type sinusoïdal amorti dont la fréquence f et le coefficient d'amortissement Q sont donnés par les relations suivantes: f R C 2 i 1 JC 4 R La valeur L de l'inductance étant fixée par les dimensions de la plaque, ces dernières doivent être déterminées de façon à pouvoir couvrir une certaine gamme de fréquences avec un condensateur variable Les dimensions doivent en outre offrir un volume de confinement suffisamment grand pour accueillir les équipements dont on désire essayer le comportement vis-à-vis d'un champ magnétique de haut niveau. Les études de la Demanderesse ont montré par exemple que la gamme de fréquences 3 M Hz 30 M Hz est entièrement couverte avec une plaque unique de 180 cm de longueur et 40 cm de largeur, et un condensateur variant de 50 p F à 5 n F La plaque étant repliée à mi-longueur, le volume de essai disponible est alors d'environ 0,084 m 3, ce qui est généralement suffisant pour accueillir les équipements à essayer. On peut également faire varier, à fréquence quasi-constante, le coefficient d'amortissement du champ magnétique H obtenu, en changeant de résistance ou en utilisant une résistance 8 variable. Enfin, le niveau maximal du champ magnétique H peut être ajusté par la valeur de la tension continue VO. Si l'on fixe à présent une valeur R de résistance supérieure à Rc, on obtient un champ magnétique apériodique dont les caractéristiques sont également ajustables. La figure 2 illustre une première variante du simulateur de la figure 1, dans laquelle la résistance 8 ' de valeur R est placée en parallèle aux bornes de l'inductance 2 Cette nouvelle disposition change la valeur critique Rc qui détermine le régime obtenu On peut montrer que cette valeur est alors égale s 2 C Si la valeur R de la résistance R est supérieure à Rc, le régime généré par la décharge du condensateur 1 dans l'inductance 2 est une sinusoïde amortie dont les caractéristiques en fréquence f et en coefficient d'amortissement Q sont données par les relations suivantes: f= 2 z r L-c 1 4 RC ( 2) Q= 2,r R Cf Si, par contre, la valeur R est inférieure à Rc, le champ magnétique obtenu est apériodique. Selon une variante de réalisation du simulateur objet de l'invention, l'inductance peut être réalisée à l'aide de plusieurs plaques Les figures 3 et 4 illustrent cette variante, respectivement dans le cas o la résistance R est en série avec l'inductance, et dans le cas o cette résistance est en parallèle avec l'inductance: On peut voir sur ces figures que l'inductance est réalisée au moyen de deux plaques 2 a, 2 b, sensiblement identiques Les deux plaques sont repliées en forme de U et sont disposées côte à côte Elles sont reliées électriquement à leurs extrémités respectives par deux liaisons conductrices 9 auxquelles est relié symétriquement le reste du circuit Une telle disposition permet aux courants de décharge du condensateur de mieux se répartir sur toute la surface des plaques Il en résulte une amélioration de l'homogénéité du champ magnétique H dans tout le volume de confinement. La distance d séparant les deux plaques 2 a, 2 b est ajustée de manière à minimiser les fuites à l'extérieur du volume de confinement. Différents essais de validation du simulateur objet de l'invention ont permis de montrer que les champs obtenus à l'intérieur du volume de confinement délimité par la ou les plaques présentent une forte prédominance magnétique Les figures 5 a et 5 b illustrent, à titre d'exemple, les évolutions temporelles des champs magnétique H et électrique E mesurés à 10 M Hz selon un axe y parallèle à la largeur de la plaque, dans un simulateur possédant les dimensions données précédemment à titre d'exemples et avec une tension d'alimentation de 10 k V D'après la courbe 6 de la figure 5 a, l'amplitude maximale obtenue pour le champ magnétique est d'environ 340 A/m Sur la courbe 7 donnée à la figure 5 b, l'amplitude maximale du champ électrique mesurée est de 105 V/m Le rapport de l'impédance équivalente E/H est donc de l'ordre de 0,3 Q, traduisant une forte prédominance en champ magnétique. Par ailleurs, d'autres essais ont permis de montrer que le champ magnétique H généré par le simulateur objet de l'invention était sensiblement homogène dans tout le volume de confinement délimité par la plaque ou l'ensemble des plaques On peut donc disposer l'équipement à essayer a priori à n'importe quel endroit du volume. Par rapport aux simulateurs de l'art antérieur, le simulateur objet de la présente invention présente un certain nombre d'avantages: Il présente tout d'abord un encombrement très réduit et indépendant des champs magnétiques à générer. Par ailleurs, il permet de simuler toutes sortes de champs magnétiques, et notamment ceux générés par une structure conductrice de grande dimension soumise à une agression électromagnétique impulsionnelle sans qu'il soit nécessaire, dans ce cas précis, de simuler l'agression De forts niveaux de champs peuvent ici être obtenus avec une alimentation de quelques dizaines de k V, c'est-à-dire bien inférieure à celle qui serait nécessaire pour générer les agressions. Enfin, le simulateur objet de l'invention présente le grand avantage de permettre une variation rapide et simple des différentes caractéristiques des champs magnétiques générés, à savoir: La fréquence des champs que l'on change simplement en changeant de condensateur ou en utilisant un condensateur variable; Le niveau des champs que l'on ajuste par l'alimentation en tension VO; La forme des champs, qui peut être sinusoïdale amortie ou apériodique; Le coefficient d'amortissement qui peut être changé, à fréquence fixée, par l'ajustement de la valeur de la résistance. Bien que le simulateur objet de l'invention ait été principalement développé pour servir de moyens d'essais sur des équipements embarqués sur des structures conductrices de grande dimension soumises à une agression impulsionnelle électromagnétique, il peut être également utilisé dans toute application nécessitant la création d'un champ magnétique prédominant. REVENDICATIONS 1 Simulateur de champs magnétiques prédominants dont les caractéristiques sont prédéterminables, caractérisé en ce qu'il est constitué d'un circuit comportant un condensateur ( 1) de valeur C, des moyens ( 3, 5) de charge du condensateur ( 1), une inductance ( 2) de valeur L, une résistance ( 8; 8 ') de valeur R et des moyens de commutation ( 4) commandant la décharge du condensateur dans l'inductance, et en ce que l'inductance ( 2) est réalisée par au moins une plaque de matériau conducteur repliée en forme de U dont les extrémités sont reliées électriquement respectivement au condensateur ( 1) et aux moyens de commutation ( 4) en série, ladite plaque formant un volume de confinement à l'intérieur duquel est généré un champ magnétique prédominant, les dimensions en longueur et en largeur de la plaque fixant la valeur L, la valeur C et la valeur R étant choisies de manière à obtenir lesdites caractéristiques prédéterminables. 2 Simulateur de champs magnétiques prédominants selon la revendication 1, caractérisé en ce que la résistance ( 8) de valeur R est placée en série entre les moyens de commutation ( 4) et l'inductance ( 2). 3 Simulateur de champs magnétiques prédominants selon la revendication 2, caractérisé en ce que la résistance ( 8) a une valeur R inférieure à 2 L de manière à générer un champ magnétique apériodique. 4 Simulateur de champs magnétiques prédominants selon la revendication 2, caractérisé en ce que la résistance ( 8) a une valeur R supérieure à 2 j de manière à générer un champ magnétique sinusoïdal amorti de fréquence f donnée par la relation: 1 IR 2 C f = 2 zéILC 4 L Simulateur de champs magnétiques prédominants selon la revendication 1, caractérisé en ce que la résistance ( 8 ') de valeur R est placée en parallèle avec l'inductance ( 2). 6 Simulateur de champs magnétiques prédominants selon la revendication 5, caractérisé en ce que la résistance ( 8 ') a une valeur R inférieure à 2 J de manière à générer un champ magnétique sinusoïdal 2 ICW amorti de fréquence f donnée par la relation: 2 z I C 4 R 2 C 8 Simulateur de champs magnétiques prédominants selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les moyens de charge comprennent une alimentation ( 3) en tension continu VO chargeant le condensateur ( 1), et des moyens ( 5) pour déconnecter électriquement l'alimentation ( 3) lors de ladite décharge. 9 Simulateur de champs magnétiques prédominants selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les moyens de commutation ( 4) sont constitués d'un relais au mercure commandé électriquement par un interrupteur. Simulateur de champs magnétiques prédominants selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le condensateur ( 1) et les moyens de commutation ( 4) sont chacun reliés à une extrémité de la plaque, au milieu de la largeur de cette plaque. 11 Simulateur de champs magnétiques prédominants selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le condensateur est variable. 12 Simulateur de champs magnétiques prédominants selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la résistance est variable. 13 Simulateur de champs magnétiques prédominants selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'inductance est réalisée au moyen d'un ensemble de plaques ( 2 a, 2 b) sensiblement identiques, repliées en forme de U et placées côte à côte, les extrémités des différentes plaques parallèles à un même plan étant reliées électriquement par des liaisons conductrices ( 9). il 14 Application du simulateur de champs magnétiques prédominants défini dans les revendications 1 à 13 aux essais d'équipement électrique ou électronique, caractérisée en ce que ledit équipement est placé à l'intérieur du volume de confinement délimité par la plaque ( 2) ou l'ensemble de plaques ( 2 a, 2 b). Application du simulateur selon la revendication 14, caractérisée en ce que l'équipement repose sur l'une des branches du U.