Brevet FR2704100A1 — publié le 19941021

PROCEDE ET DISPOSITIF D'ATTENUATION DES PERTURBATIONS ELECTROMAGNETIQUES APPARAISSANT AU NIVEAU D'UNE DISCONTINUITE GEOMETRIQUE D'UNE ANTENNE. La présente invention concerne le domaine des antennes du type guide d'ondes et plus particulièrement les simulateurs à ondes guidées par des lignes de transmission. Elle a pour objet un procédé, et un dispositif associé, d'atténuation voire de suppression des perturbations électromagnétiques apparaissant au niveau d'une discontinuité géométrique d'une antenne. Dans l'industrie, de nombreux types d'antennes sont utilisées. Aucune d'entre-elles ne rayonne de façon isotrope et chacune possède son propre diagramme de rayonnement dans lequel apparaissent des perturbations électromagnétiques, consistant en des lobes de rayonnement diffus, dues aux imperfections de réalisation. Dans le cas d'antennes du type guide d'ondes, on recherche généralement un mode de transmission de LECHER dans lequel le champ électrique dérive d'une fonction potentiel et pour lequel on définit une impédance caractéristique comme le rapport de la tension au courant sur une ligne infinie ou adaptée. Pour cela des structures de guidage ont été développées comme les lignes triplaques qui présentent un mode fondamental de LECHER. Leur utilisation est très répandue pour la réalisation de microlignes. Cependant, elles présentent des imperfections dues aux discontinuités c'est à dire aux modifications locales de géométrie ou de caractéristiques comme la permittivité ou la perméabilité. Ces imperfections conduisent à l'apparition de perturbations électromagnétiques consistant en des ondes de modes d'ordre supérieur qui se superposent à celles du mode fondamental. Afin de pouvoir prévoir le comportement d'un circuit global, l'une des techniques actuelles consiste à modéliser les discontinuités, et par voie de conséquence les perturbations électromagnétiques, en utilisant le modèle du guide d'ondes consistant, globalement, à substituer la discontinuité microligne par une discontinuité en guide d'ondes. Une telle discontinuité peut alors être étudiée à l'aide d'une technique de raccordement modal dans laquelle le champ électromagnétique est décomposé en la somme d'une combinaison linéaire des modes susceptibles de se propager. Cependant, dans certains cas, une modélisation de la discontinuité est insuffisante. Il en est ainsi lorsqu'on utilise un simulateur à lignes de transmissions pour la simulation d'effets naturels tel que la foudre, ou artificiels tel qu'une explosion nucléaire, et pour la détermination de la distribution et de la valeur des courants induits à la surface d'un objet conducteur. La présence d'une discontinuité modifie le contenu spectral du champ électromagnétique, et la distribution et la valeur des courants induits mesurés ne sont plus représentatifs de ceux résultants des effets naturels ou artificiels précédemment cités. L'un des buts de l'invention est de remédier au problème précédemment mentionné en proposant un procédé, et un dispositif associé, d'atténuation voire de suppression des perturbations électromagnétiques dues aux discontinuités géométriques des antennes du type guide d'ondes. Un procédé d'atténuation des perturbations électromagnétiques apparaissant au niveau des discontinuités géométriques d'une antenne du type guide d'ondes, est caractérisé en ce qu'il consiste à incorporer en série, à l'antenne, une impédance supplémentaire d'une valeur prédéfinie. selon une autre caractéristique de l'invention, la valeur de l'impédance supplémentaire est prédéfinie lors d'essais. Selon l'invention, un dispositif d'atténuation des perturbations électromagnétiques apparaissant au niveau des discontinuités géométriques d'une antenne du type guide d'ondes, est caractérisé en ce qu'il comporte une impédance d'une valeur prédéfinie incorporée en série à l'antenne. Selon une caractéristique avantageuse de l'invention, l'impédance supplémentaire est une résistance R selon une autre caractéristique de l'invention, l'impédance supplémentaire est une capacité C selon une autre caractéristique de l'invention, l'impédance supplémentaire est une inductance L selon une autre caractéristique de l'invention, l'impédance supplémentaire est une combinaison des éléments R,C et L. selon une autre caractéristique de l'invention, l'impédance supplémentaire est incorporée en amont de la discontinuité. selon une autre caractéristique de l'invention, l'impédance supplémentaire est incorporée à l'antenne de manière dispersée. Selon l'invention, un dispositif de simulation d'une impulsion électromagnétique comportant une source d'énergie, une terminaison et, entre eux, une antenne ayant une impédance caractéristique en mode TEM et présentant au moins une discontinuité géométrique, est remarquable en ce que l'antenne comporte un dispositif d'atténuation des perturbations électromagnétiques apparaissant au niveau des discontinuités géométriques. Selon une autre caractéristique, un dispositif de simulation d'une impulsion électromagnétique est remarquable en ce que le dispositif d'atténuation des perturbations électromagnétiques apparaissant au niveau des discontinuités géométriques comporte une impédance d'une valeur prédéfinie. D'autres avantages et caractéristiques de la présente invention apparaîtront dans la description d'une variante de réalisation appliquée à la simulation d'une impulsion électromagnétique d'origine nucléaire, en regard des figures annexées parmi lesquelles - la figure 1 présente l'évolution dans le temps de la structure des principaux dispositifs de simulation d'une impulsion électromagnétique d'origine nucléaire, - les figures 2a et 2b présentent deux schémas d'un dispositif de simulation d'une impulsion électromagnétique d'origine nucléaire, l'un comportant une polarisation horizontale et l'autre une polarisation verticale. - la figure 3 est un schéma d'un dispositif de simulation selon l'invention. - les figures 4 à 7 présentent des résultats d'essais. La figure 1 présente l'évolution des dispositifs de simulation d'une impulsion électromagnétique d'origine nucléaire, du plus ancien la à l'un des plus récents le, cette évolution ayant permis d'atténuer les perturbations dues aux réflexions d'ondes (la à lc) et d'atténuer la sphéricité de l'onde guidée (ld à le). Les principaux éléments représentés sur ces schémas sont, une source d'énergie 1, une antenne 20 de type guide d'ondes comprenant un cornet d'entrée 2, une ou plusieurs surfaces conductrices planes 3, un cornet de sortie 4 et une terminaison résistive 5, la référence 6 symbolisant le sol. Cette figure montre les discontinuités géométriques 7 et 7' qui correspondent aux changements de plan dans lesquels sont positionnés les éléments 2,3 et 4. La figure lc montre un dispositif de simulation de type cornet dans lequel le cornet d'entrée 2 et la surface plane 3 sont confondus, supprimant ainsi la discontinuité géométrique 7. La figure le montre un dispositif à structure biplaque dans lequel une surface conductrice supplémentaire 8 relie directement la source à la terminaison et ceci dans un plan quasi horizontal. Dans les simulateurs de faibles dimensions, les éléments 2,3 et 4 sont généralement des plaques. Dans les simulateurs de grandes dimensions les éléments 2,3 et 4 sont habituellement réalisés par des nappes filaires ou des grillages et l'adaptation de l'excitation est généralement obtenue en donnant une forme conique aux éléments 2 et 4. La figure 2 présente deux types de dispositif de simulation de grandes dimensions l'un, figure 2a, à polarisation horizontale et l'autre, figure 2b, à polarisation verticale. Ces dispositifs sont du type biplaque. La figure 2a montre un dispositif comprenant deux ensembles 10 et 11 de nappes maillées constituées respectivement par les éléments 2,3,4 et 2',3',4', ces ensembles étant positionnés verticalement et symétriquement par rapport à un plan vertical passant par les éléments 1 et 5. La figure 2b présente un dispositif de simulation à polarisation verticale comportant deux ensembles 10 et 11 de nappes maillées constituées respectivement des éléments 2,3,4 et 2',3',4', les éléments 3 et 3' étant positionnés horizontalement. La largeur de l'ensemble 11 est très supérieure à celle de l'ensemble 10 afin de limiter au maximum les réflexions sur le sol. La figure 3 présente un simulateur selon l'invention dans le cas d'un dispositif de simulation d'une impulsion électromagnétique d'origine nucléaire, de grandes dimensions et à polarisation verticale. Ce dispositif comporte, en plus des éléments 1 à 10 précédemment cités, une charge 12 incorporée en série à l'antenne légèrement en amont de la discontinuité 7 présente entre les éléments 2 et 3. En mode de transmission TEM, l'ensemble 10 a une impédance caractéristique indépendante de la fréquence et de la position le long de la direction de propagation. La charge 12 est une impédance, que l'on appelera impédance supplémentaire, dont la valeur a été prédéfinie lors d'essais et qui peut être soit une résistance soit une capacité soit une inductance soit une combinaison de ces composants. Cette figure présente aussi un repère orthonormé dextrogyre OXYZ dans lequel sera décomposé ultérieurement le champ électrique induit E. L'axe OX est l'axe de symétrie de l'élément 3, l'axe OZ définissant avec OX un plan vertical et l'axe OY définissant avec OX un plan horizontal. En fonctionnement, la source d'énergie, en général un générateur de Marx ou de Van de Graaf génère une tension crête de l'ordre du MV ou plus avec un temps de montée et un temps de descente de l'ordre de quelques ns, et un courant de très forte intensité débite alors dans les ensembles 10 et 11. Un champ magnétique H et un champ électrique E sont alors induits entre les ensembles 10 et 11. L'amplitude maximale de ces champs induits atteint plusieurs centaines de kV/m. Des essais ont été réalisés avec un simulateur d'échelle réduite, simulant lui même un simulateur de grandes dimensions. Pour cela la source d'énergie est un générateur transitoire fournissant une tension V dont l'allure temporelle est celle d'une double exponentielle du type V= V (e~at ~ e~sst) où Vo est normalisée à 1 Volt. Les nappes filaires 2,3 et 4 étaient constituées de 1 fil Les figures 4, 5 et 6 présentent des résultats d'essais, sous forme de courbes, simulant l'évolution de la composante verticale Ez du champ électrique E induit en fonction du temps, respectivement aux points A, B et C montrés sur la figure 3, les points A et C étant, respectivement, la limite inférieure et la limite supérieure de la zone de test, c'est à dire du volume dans lequel doit être positionné l'objet devant être testé. Sur chacune de ces courbes sont représentées, en (a) l'évolution idéale, en (b) l'évolution dans le cas d'un simulateur sans impédance supplémentaire 12 et en (c), l'évolution avec une impédance supplémentaire constituée par une résistance de 270 Ohm. Ces courbes montrent que la perturbation sur la valeur du champ électrique Ez provoquée par la transition atteint environ 10% au point A et 93% au point C. Cette amplification est due aux phénomènes de réflexions sur la partie plate. Ces courbes montrent aussi que lorsqu'une résistance de 270 Ohm est placée au niveau de la discontinuité géométrique situé à la transition des éléments 2 et 3, la perturbation est atténuée au minimum de 80% et la figure 4 montre que la perturbation, au point A est quasiment supprimée pendant toute la durée comprise entre les instants T1 et T2. Dans le cas ou l'atténuation minimum de 80%, en l'occurrence au point C, serait jugée insuffisante, une autre impédance supplémentaire 12' pourrait être incorporée en série à l'antenne à l'endroit à partir duquel une atténuation supplémentaire est souhaitée. Il est à noter que les valeurs des composantes horizontales Ex et Ey du champ électrique E sont très faibles par rapport à la composante Ez. Cependant, la présence de l'impédance supplémentaire réduit notablement les composantes suivant les axes OX et OY du repère présenté en figure 3. Des essais ont montré une réduction de la composante de la perturbation suivant OX de l'ordre de 50%. La courbe de la figure 7 présente la variation de la perturbation créée par la discontinuité géométrique des éléments 2 et 3 pour diverses valeurs de la résistance supplémentaire. Cette courbe montre qu'une valeur optimale de la résistance peut être choisie, en l'occurrence 270 Ohm. Cependant, cette valeur est optimale pour la configuration simulée et il évident qu'elle sera différente, sauf coïncidence, dans le cas d'un simulateur ayant des caractéristiques physiques différentes de celles qui ont été simulées. De nombreuses modifications peuvent être apportées, tout en restant dans le cadre de l'invention. Notamment, l'impédance supplémentaire pourrait être constituée par une capacité ou par une inductance. Il faut noter que dans ce cas, l'impédance est complexe et dépend de la fréquence donc du spectre de l'excitation (temps de montée et temps de descente). L'optimisation d'une telle impédance est alors difficile à obtenir. De plus, un dispositif selon l'invention peut aussi bien être utiliser pour changer le diagramme de rayonnement dans le cas d'un fonctionnement en ondes entretenues que pour modifier le contenu spectral dans le cas d'un fonctionnement impulsionnel. REVENDICATIONS 1. Procédé d'atténuation des perturbations électromagnétiques apparaissant au niveau des discontinuités géométriques (7,7') d'une antenne, caractérisé en ce qu'il consiste à incorporer en série, à l'antenne, une impédance supplémentaire (12) d'une valeur prédéfinie. 2. Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que la valeur de l'impédance supplémentaire est prédéfinie lors d'essais. 3. Dispositif d'atténuation des perturbations électromagnétiques apparaissant au niveau des discontinuités géométriques d'une antenne (20) du type guide d'ondes, caractérisé en ce qu'il comporte une impédance (12) d'une valeur prédéfinie incorporée en série à l'antenne. 4. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que l'impédance supplémentaire est une résistance R. 5. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que l'impédance supplémentaire est une capacité C. 6. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que l'impédance supplémentaire est une inductance L. 7. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que l'impédance supplémentaire est une combinaison des éléments R,C et L. 8. Dispositif selon l'une des revendications 3 à 7, caractérisé en ce que l'impédance supplémentaire est incorporée en amont de la discontinuité. 9. Dispositif selon l'une des revendications 3 à 7, caractérisé en ce que l'impédance supplémentaire est incorporée à l'antenne de manière dispersée. 10. Dispositif de simulation d'une impulsion électromagnétique comportant une source d'énergie (1), une terminaison (4) et, entre eux, une antenne (20) ayant une impédance caractéristique en mode TEM et présentant au moins une discontinuité géométrique (7), dispositif remarquable en ce que l'antenne comporte un dispositif d'atténuation des perturbations électromagnétiques apparaissant au niveau de la discontinuité géométrique selon l'une quelconque des revendications 3 à 9.