Brevet FR2710193A1 — publié le 19950324

Procédé et dispositif pour l'extension de la bande passante utile des cellules TEM. L'invention concerne un procédé permettant d'augmenter vers le haut la bande passante utile des cellules TEM utilisées notamment pour les essais d'immunité aux perturbations électromagnétiques rayonnées, cette augmentation de la bande passante résultant de la subdivision de la structure guidante au niveau des jonctions entre parties en guide conique et parties en guide cylindrique, ainsi qu'un dispositif pour la mise en oeuvre de ce procédé. Les spécialistes en compatibilité électromagnétique et en durcissement à l'impulsion électromagnétique nucléaire connaissent bien les cellules TEM, qui permettent de simuler une agression électromagnétique rayonnée, par la création d'une onde TEM guidée par la cellule TEM. La cellule TEM est normalement connectée à l'une de ses extrémités à une source qui peut produire des signaux impulsionnels ou bien des signaux entretenus, et à son autre extrémité à une charge d'impédance égale à l'impédance caractéristique de la cellule pour le mode TEM. Une utilisation de la cellule TEM est la suivante : on dispose un objet sous test à l'intérieur de la cellule TEM, et l'objet sous test voit une onde électromagnétique incidente, dont la structure est très semblable à celle d'une onde plane. On peut ainsi mesurer l'immunité électromagnétique de l'objet sous test à l'agression électromagnétique produite. Les cellules TEM peuvent être de deux types : les cellules TEM ouvertes et les cellules TEM fermées. Deux exemples de cellule TEM ouverte sont celui de la cellule à plaques parallèles, aussi connue sous le nom de cellule strip-line, (des versions de cette cellule étant décrites dans la norme 801-3 édition 1984 de la Commission Electrotechnique Internationale, figure 2, ou dans la norme militaire française GAM-EG-13 première partie, fascicule 63, juin 1986, figure 3 et figure 14), qui est une cellule symétrique, et celui de la cellule ouverte asymétrique (une version de cette cellule étant décrite dans la norme militaire américaine MIL-STD-462, 31 July 1967, page 90). Les cellules TEM ouvertes sont également parfois réalisées sous la forme de structures filaire, cette solution étant préférée à la réalisation à partir de plaques pour les cellules de grandes dimensions. Un exemple de cellule TEM fermée est celui de la cellule rectangulaire, également connue sous le nom de cellule de Crawford (des versions de cette cellule sont décrites dans la norme SAE J1448, janvier 1984, et dans la norme militaire française GAM-EG-13 première partie, fascicule 63, juin 1986, figure 4 et figure 15). Les dimensions des cellules TEM sont très variables : on trouve des réalisations dont la plus grande dimension se situe entre quelques centimètres et quelques centaines de mètres. On notera qu'une cellule TEM selon les exemples évoqués précédemment comporte différents tronçons de nature géométrique différente : un tronçon cylindrique, et deux tronçons coniques, le premier tronçon conique constituant une transition entre l'entrée de la cellule TEM (la partie de celle-ci reliée au générateur) et le tronçon cylindrique, le second tronçon conique constituant une transition entre le tronçon cylindrique et la sortie de la cellule TEM (la partie de celle-ci reliée à la charge). Dans certaines cellules TEM, il n'y a pas de tronçon cylindrique, les deux tronçons coniques étant directement reliés entre eux. Les différents tronçons sont bien entendu conçus pour présenter la même impédance caractéristique pour le mode TEM. On notera que les tronçons de nature géométrique différente sont conçus pour que s'y propagent des ondes de nature électromagnétique différente. Les tronçons coniques sont prévus pour être le siège d'ondes sphériques centrées sur le sommet du cône, tandis que les tronçons cylindriques sont prévus pour être le siège d'ondes planes. Au niveau des jonctions entre des tronçons de nature géométrique différente, la structure du champ est bien entendu plus complexe. Une cellule TEM de dimensions données souffre d'une limitation principale qui est sa fréquence maximale de fonctionnement. Souvent, on doit considérer que celle-ci est déterminée par la fréquence de coupure du premier mode d'ordre supérieur, dont la détermination est bien connue des spécialistes, et qui est d'autant plus basse que les dimensions transversales de la cellule sont plus grandes. Si on utilise la cellule au-delà de cette fréquence, des modes d'ordre supérieurs peuvent être excités, et si une proportion non négligeable de la puissance du générateur est prise par ces modes d'ordre supérieur au détriment du mode TEM, la structure du champ dans la cellule ne ressemble plus à celle d'une onde TEM, et l'adaptation avec la charge n'est généralement plus réalisée, d'où l'apparition de réflexions importantes. Des techniques ont déjà été imaginées pour limiter la proportion de puissance apparaissant dans les modes d'ordre supérieur. La première de ces techniques connues est d'installer des absorbeurs à l'intérieur de la cellule de façon à ce qu'ils absorbent préférentiellement les premiers modes d'ordre supérieur. La seconde de ces techniques connues est de créer une cellule TEM ne comportant qu'un tronçon conique, terminé par des charges résistives et des absorbeurs, ce type de cellule TEM étant généralement appelé cellule GTEM. Ces techniques sont toutefois imparfaites. La première technique connue ne permet que d'éliminer les premiers modes d'ordre supérieur, ce qui permet par exemple de doubler la fréquence maximale de fonctionnement. La seconde technique est assez onéreuse à mettre en oeuvre car elle nécessite une grande quantité d'absorbeurs ; si elle permet bien d'augmenter la fréquence d'utilisation de la cellule de façon spectaculaire, les performances sont en revanche médiocres aux fréquences intermédiaires où les absorbeurs cessent d'être efficaces, et où les charges résistives commencent à agir ; les cellules GTEM ne produisent d'autre part que des ondes sphériques, qui sont moins aisées à employer dans les mesures d'immunité électromagnétique. La réalisation de cellule GTEM de très grandes dimensions (par exemple 100 mètres de long) est difficile à envisager. Selon l'invention, le but de l'extension de la fréquence maximale de fonctionnement d'une cellule TEM est atteint par une subdivision transversale de la structure guidante, au niveau d'une ou plusieurs jonctions entre tronçons de nature géométrique différente de façon à ce que chaque élément de la subdivision transversale guide les ondes en préservant leur structure d'onde TEM jusqu'à des fréquences élevées, et de façon à ce que la subdivision transversale au niveau d'une jonction entre deux tronçons permette une transition progressive entre la structure électromagnétique prévue dans le premier tronçon et la structure électromagnétique prévue dans le second tronçon, la subdivision transversale devant être réalisée par un moyen ne risquant pas de produire lui-même de discontinuité électromagnétique préjudiciable. Un dispositif pour la mise en oeuvre du procédé selon l'invention comporte une structure métallique comprenant une ou plusieurs surfaces métalliques, cette structure métallique constituant une subdivision transversale de la structure guidante au niveau d'une jonction entre tronçons de nature géométrique différente, et est caractérisé en ce que chaque élément de la subdivision transversale guide les ondes en préservant leur structure d'onde TEM jusqu'à des fréquences élevées, et permet une transition progressive entre la structure électromagnétique prévue dans le premier tronçon et la structure électromagnétique prévue dans le second tronçon, la structure métallique devant être réalisée par un moyen ne risquant pas de produire lui-même de discontinuité électromagnétique préjudiciable. I1 est clair pour un spécialiste que les surfaces conductrices de la structure métallique devront en leurs extrémités dans un tronçon être orthogonales au vecteur champ électrique qui existerait dans ce tronçon s'il se propageait à l'infini, sans quoi elles constitueront des discontinuités provoquant notamment des réflexions. Le spécialiste sait également concevoir des structures métalliques permettant une transition progressive entre des ondes de structure électromagnétique différente, par exemple entre une onde sphérique, propagée par un guide conique, et une onde plane propagée par un guide cylindrique. Selon l'invention, on cherche donc à utiliser une cellule TEM comportant plusieurs tronçons de nature géométrique différente, au-delà de sa fréquence de coupure naturelle. L'invention repose sur l'observation que c'est au niveau des jonctions entre tronçons de nature géométrique différente que peut s'opérer le transfert de puissance entre le mode TEM et un mode d'ordre supérieur, le couplage résultant de ce que les modes d'ordre supérieur sont nécessairement excités au voisinage d'une discontinuité. Raisonnons par exemple sur une jonction entre un tronçon conique et un tronçon cylindrique. Pour des fréquences inférieures à la fréquence de coupure du premier mode d'ordre supérieur dans le tronçon cylindrique, les modes d'ordre supérieurs sont évanescents au voisinage de la jonction, et n'affectent plus la distribution des champs, à partir d'une distance suffisante de cette jonction. Pour des fréquences supérieures à la fréquence de coupure du premier mode d'ordre supérieur, un ou plusieurs de ces modes, s'ils sont excités par la discontinuité que constitue la jonction, vont pouvoir se propager et affecter défavorablement le fonctionnement de l'ensemble de la cellule. Le procédé selon l'invention consiste donc à limiter le couplage entre le mode TEM et les modes d'ordre supérieur au niveau des jonctions de la cellule TEM. Selon un mode de réalisation de l'invention, donné à titre d'exemple non limitatif, les surfaces métalliques de la structure métallique sont réalisées à partir d'une ou plusieurs plaques métalliques de forme convenable, maintenues en position par des entretoises diélectriques. Selon un autre mode de réalisation de l'invention, donné à titre d'exemple non limitatif, les surfaces métalliques de la structure métallique sont réalisées à partir de grillage métallique de maille suffisamment petite, maintenus en place par des pièces diélectriques. Les spécialistes savent déterminer la maille qui convient au domaine de fréquence dans lequel on souhaite faire fonctionner le dispositif selon l'invention. Selon un autre développement de l'invention, donné à titre d'exemple non limitatif, les surfaces métalliques de la structure métallique sont réalisées à partir de fils métalliques tendus, maintenus en place par des pièces diélectriques ou des fils en substance diélectrique. D'autres avantages et caractéristiques ressortiront plus clairement de l'exposé détaillé qui va suivre d'un mode particulier de réalisation de l'invention, donné à titre d'exemple non limitatif. La figure 1 représente une cellule TEM, un générateur, une charge et un équipement sous test, avant l'installation d'un dispositif selon l'invention. Le générateur (1) produit une onde électromagnétique qui serait, dans l'hypothèse d'un fonctionnement idéal, transmise au premier tronçon conique (2) de la cellule TEM, puis à son tronçon cylindrique (3), puis à son deuxième tronçon conique (4), pour être ensuite absorbé par la charge (5). L'équipement sous test (6) voit essentiellement une onde plane incidente. En réalité, les deux jonctions entre des tronçons de caractéristiques géométriques différentes produisent chacune un couplage avec les modes de propagation d'ordre supérieur dans le tronçon cylindrique, modes qui se propagent aisément aux fréquences supérieures à leurs fréquences de coupure respectives, et sont dans ce cas vus par l'équipement sous test au détriment de la précision des mesures. La figure 2 représente la même situation que dans la figure 1, sans l'équipement sous test, les repères (1) à (5) de la figure 2 ayant la même signification que dans la figure 1, après installation de deux dispositifs selon l'invention (7) et (8), comportant chacun cinq surfaces métalliques, et permettant la mise en oeuvre du procédé selon l'invention. Sur la figure 2, n'ont été représentées que les surfaces métalliques de (7) et (8), qui constituent les seules parties fonctionnelles de ces dispositifs. Ces surfaces métalliques sont représentées en trait gras. Les dispositifs (7) et (8) comportent également des supports diélectriques (non représentés). Au niveau de la partie du dispositif (7) la plus proche du générateur, les surfaces métalliques épousent la forme des équipotentielles des ondes sphériques se propageant dans le premier tronçon conique, tandis qu'au niveau de la partie du dispositif (7) la plus proche de la charge, les surfaces métalliques épousent la forme des équipotentielles dans le tronçon cylindrique. Ainsi, les surfaces métalliques ne risquent pas de produire elles-mêmes de discontinuité significative. Les spécialistes sachant déterminer la distribution des champs et donc la forme des équipotentielles dans des structures guidantes, la conception des surfaces métalliques ne posera pas de problème particulier. Les deux dispositifs (7) et (8) sont ici de constitutions identiques. Les cinq surfaces métalliques de chacun des dispositifs (7) et (8) réalisent donc une subdivision transversale de la structure guidante au niveau des deux jonctions entre tronçons de nature géométrique différente de la cellule TEM. Ces surfaces métalliques seront sans difficulté conçues par des spécialistes de façon à ce que chacune d'elle guide les ondes en préservant leur structure d'onde TEM jusqu'à des fréquences élevées, et de façon à permettre une transition progressive entre la structure électromagnétique prévue dans le premier tronçon et la structure électromagnétique prévue dans le second tronçon. Les modes de propagation d'ordre supérieur ne seront donc plus excités par la jonction. La fréquence maximale d'utilisation de la cellule TEM sera donc augmentée de façon très importante par l'adjonction des dispositifs (7) et (8). Dans la réalisation d'un dispositif selon l'invention, on pourra, à titre d'exemple non limitatif, utiliser une longueur du dispositif située entre le quart de la hauteur de la cellule TEM, et le double de cette hauteur. A titre d'exemples non limitatifs, des dispositifs selon l'invention peuvent être intallés sur des cellules TEM ouvertes asymétriques, ou bien sur des cellules TEM ouvertes symétriques, ou encore sur des cellules TEM fermées. Des dispositifs selon l'invention pourront par exemple être appliqués à l'amélioration de performances de cellules TEM de grandes dimensions pouvant être utilisées pour des essais d'immunité électromagnétique à des impulsions électromagnétiques rapides telles que l'impulsion électromagnétique nucléaire produite par une explosion exoatmosphérique, et en particulier lorsque l'on cherche à reproduire convenablement des fronts de montée de l'ordre de la nanoseconde. REVENDICATIONS 1. Procédé d'extension de la fréquence maximale de fonctionnement d'une cellule TEM grâce à une subdivision transversale de la structure guidante, au niveau dune ou plusieurs jonctions entre tronçons de nature géométrique différente, caractérisé en ce que chaque élément de la subdivision transversale guide les ondes en préservant leur structure d'onde TEM jusqu'à des fréquences élevées, et en ce que la subdivision transversale au niveau d'une jonction entre deux tronçons permet une transition progressive entre la structure électromagnétique prévue dans le premier tronçon et la structure électromagnétique prévue dans le second tronçon, la subdivision transversale devant être réalisée par un moyen ne risquant pas de produire lui-même de discontinuité électromagnétique préjudiciable. 2. Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé selon la revendication 1 comportant une structure métallique comprenant une ou plusieurs surfaces métalliques, cette structure métallique constituant une subdivision transversale de la structure guidante au niveau d'une jonction entre tronçons de nature géométrique différente, caractérisé en ce que chaque élément de la subdivision transversale guide les ondes en préservant leur structure d'onde TEM jusqu'à des fréquences élevées, et permet une transition progressive entre la structure électromagnétique prévue dans le premier tronçon et la structure électromagnétique prévue dans le second tronçon, la structure métallique devant être réalisée par un moyen ne risquant pas de produire lui-même de discontinuité électromagnétique préjudiciable. 3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que les surfaces métalliques de la structure métallique sont réalisées à partir d'une ou plusieurs plaques métalliques de forme convenables, maintenues en position par des entretoises diélectriques. 4. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que les surfaces métalliques de la structure métallique sont réalisées à partir de grillage métallique de maille suffisamment petite, maintenus en place par des pièces diélectriques. 5. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que les surfaces métalliques de la structure métallique sont réalisées à partir de fils métalliques tendus, maintenus en place par des pièces diélectriques ou des fils en substance diélectrique. 6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 2 à 5, caractérisé en ce que la longueur du dispositif est située entre le quart de la hauteur de la cellule TEM, et le double de cette hauteur. 7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 2 à 6, caractérisé en ce qu'il est installé sur une cellule TEM ouverte asymétrique. 8. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 2 à 6, caractérisé en ce qu'il est installé sur une cellule TEM ouverte symétrique. 9. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 2 à 6, caractérisé en ce qu'il est installé sur une cellule TEM fermée.