Brevet FR2707399A1 — publié le 19950113

"Dispositif de simulation de champ électromagnétique intense en espace libre" DESCRIPTION DOMAINE TECHNIQUE La présente invention concerne un dispositif de simulation de champ électromagnétique intense en espace libre, du type cellule GTEM ("gigahertz transverse électromagnetic"). ETAT DE LA TECHNIQUE ANTERIEURE On demande souvent aux laboratoires d'essais de simuler des champs électromagnétiques dus par exemple à des présences de radars, de sources naturelles telles que la foudre ou de sources artificielles telles que les explosions nucléaires. Ces laboratoires doivent alors mettre en oeuvre des systèmes simulant cet environnement sous tous ses aspects: forme du signal, bande passante, homogénéité du champ simulé. Ils sont, ainsi, amenés à simuler des champs électromagnétiques forts sur les équipements d'un avion, ou d'une fusée, pour reproduire la situation que connaîtrait un tel mobile soumis à un faisceau radar. Pour simuler un champ électromagnétique en espace libre, on utilise en général une ligne, parcourue par un courant, tendue au-dessus d'un plan de masse au potentiel zéro. Entre cette ligne et ce plan de masse se développe un champ électromagnétique dont l'homogénéité dépend de la forme de la ligne. Les lignes les plus connues sont de type "strip line" ou des cellules TEM, mais ces moyens ont des limitations en fréquence, dues à leur forme, à environ 150 MHz. Depuis quelques années, est commercialisée une nouvelle famille de cellules TEM appelées GTEM (cellule "giga transverse électromagnetic") présentant de bonnes performances sur toute la gamme de fréquences allant du continu aux Gigahertz. De nombreux documents de l'art connu décrivent les caractéristiques des cellules TEM, et celles des cellules GTEM, et par exemple les documents suivants: - un article intitulé: "Electromagnetic susceptibility measure- ments of vehicle components using TEM cells 14 kHz - 200 MHz" (SAE Information report, J 1448, Janvier 1984), - un article intitulé: "A new family of TEM-cells with enlarged bandwidth and optimized working volume" de D. Kônigstein et D. Hansen (Proc. 7th Int. Zurich Symp. and Tech. Exh on EMC, pages 127-132, Mars 1987), - un article intitulé: "Simulating open area test site emission measurements based on data obtained in a novel broadband TEM-cell" de P. Wilson, D. Hansen et D. Kônigstein (1989, IEEE, pages 171-177), - un article intitulé: "Vehicle electromagnetic radiated susceptibility testing using a large TEM-cells" (SAE Information Report, J 1407, Mars 1988), - un article intitulé: "The GTEM-cell concept; application of this new EMC test environment to radiated emission and susceptibility measurements" de H. Garbe, D. Hansen (pages 152 à 156), - les brevets CH-670 174 et US-4 837 581. Un article intitulé:"Comparison of analysis of a WTEM cell with standard TEM cells for generating EM fields" de Lorenzo Carbonini (IEEE Transactions on Electronic Compatibility, volume 35, numéro 2, mai 1993) décrit une cellule WTEM qui utilise un réseau de fils parallèles (dans le sens longitudinal) et arrondi (dans le sens transverse) à la place du septum métallique plat des cellules TEM et GTEM. Un article intitulé: "Conformal mapping analysis of a modified TEM- cell de Changhua Wan (IEEE Transactions on Electromagnetic Compatibility, volume , numéro 1, février 1993) décrit une cellule TEM modifiée, qui comprend un conducteur central (septum) entouré d'un blindage de forme rectangulaire, dans lequel le septum est remplacé par un conducteur ayant la forme d'un H pour produire un champ uniforme juste au-dessus et au-dessous de la surface interne du blindage de la cellule et non dans la partie centrale entre le septum et le blindage comme dans les cellules TEM classiques. Une telle modification peut également être réalisée dans une cellule GTEM, mais des cellules TEM ou GTEM de ce type ne peuvent pas passer des hautes tensions: En effet, pour de telles tensions, il y a apparition de pointes de champs locales pouvant entraîner un claquage. La présente invention a pour objet d'améliorer le rendement de telles cellules GTEM en proposant une zone utile de plus grande dimension dans laquelle le champ électrique est constant et peut être plus intense. Exposé de l'invention L'invention propose un dispositif de simulation de champ électromagnétique intense en espace libre, de type cellule GTEM, comprenant une cellule de forme pyramidale à section rectangulaire et à parois latérales métalliques reliées à la terre, reposant sur l'une de ses parois latérales, une plaque métallique ou septum située dans un plan intermédiaire passant par le sommet de la pyramide et chargée en son extrémité par une charge de 50 Q, une paroi absorbante fermant cette cellule, et une source, située au sommet de la pyramide, connectée à la plaque intermédiaire, permettant de générer un champ électromagnétique entre la plaque intermédiaire et les parois latérales de la cellule, caractérisé en ce que la plaque intermédiaire comporte, dans le sens transverse, une partie médiane plane et des parties latérales inclinées vers le bas d'un angle a par rapport à cette partie médiane de telle façon que l'impédance vue de la source soit une impédance de 50 Q. Avantageusement, cet angle a est de l'ordre de . L'angle au sommet de la pyramide 0 est tel que: 0 Dans une réalisation particulièrement avantageuse, la partie médiane et les deux parties latérales de la plaque intermédiaire sont séparées par des zones intermédiaires incurvées. Les extrémités libres des parties latérales se terminent par des éléments arrondis, qui sont des cylindres ou des cônes. La source de tension délivre un signal entretenu ou un signal impulsionnel. Le plan médian entre la plaque intermédiaire et la paroi inférieure de la cellule est un plan horizontal. La porte d'accès dans la cellule est placée dans le fond de la cellule. Une telle invention présente de nombreux avantages: - la modification de forme du septum permet d'obtenir une zone homogène de champ électrique constant plus grande dans le sens transverse: on obtient un rendement élevé de la cellule en agrandissant la zone de champ; - la modification de la position de la cellule de l'invention, par rapport à celle des cellules de l'art antérieur, permet d'obtenir une meilleure homogénéité dans le sens longitudinal; - l'adjonction d'éléments arrondis permet d'utiliser ce dispositif en haute tension pulsée; - l'amélioration de la géométrie de ce dispositif permet d'avoir une zone de champ électrique constant et plus grand. Brève description des dessins - Les figures 1 et 2 illustrent une cellule GTEM de l'art connu respectivement dans une vue en perspective partiellement arrachée et une vue en coupe transversale, avec représentation des lignes isoniveaux de champ électrique; - la figure 3 illustre le dispositif de l'invention dans une vue en coupe transversale, avec représentation des lignes isoniveaux de champ électrique; - les figures 4 à 6 illustrent différentes variantes de réalisation du dispositif de l'invention respectivement dans des vues en coupe transversale, avec représentation des lignes isoniveaux de champ électrique. Exposé détaillé de modes de réalisation La figure 1 illustre une cellule GTEM 10 de l'art connu qui a une forme pyramidale à section rectangulaire, une source 11 est placée au sommet de la pyramide, une connexion permettant d'établir en ce point le passage du courant entre cette source et une plaque métallique 12 dite "septum". Le champ se développe entre cette plaque 12 et la structure rectangulaire de la cellule 10. L'ensemble a une impédance caractéristique de 50 Q. Cette cellule GTEM est fermée par une paroi 15 recouverte sur sa face interne par des absorbeurs haute fréquence ayant la forme de pyramides contiguës qui forment entre elles une paroi absorbante pour éviter la transmission d'une onde réfléchie dans le volume de la cellule. Cette paroi absorbante est incurvée à la manière d'un segment sphérique dont le centre serait situé dans la région du sommet de la pyramide. La nécessité d'effectuer les essais dans une zone de champ homogène (plus ou moins 10 %) limite la zone de travail au rectangle 17 représenté sur la figure 2, qui est une vue en coupe selon le plan P du dispositif de l'invention, avec représentation des lignes isoniveaux de champ électrique dont les valeurs en volts/mètre correspondent à une tension de 1 volt sur le septum. Pour cette zone de travail 17 on a une différence maximum de 0,30 volts/mètre. En absence d'objet on arrive à obtenir une impédance caractéristique de 47,3 f. On constate que la zone utile est petite devant les dimensions de la cellule: environ le tiers de la hauteur et le cinquième de la largeur. Sachant que ces cellules peuvent atteindre huit mètres de longueur, on mesure l'intérêt d'agrandir cette zone utile: on pourra ainsi tester des objets de plus grandes dimensions dans une cellule de taille plus petite pour un coût inférieur. Sur la figure 1 sont également représentées l'entrée 20 et la sortie 21 d'air servant au refroidissement de la cellule. Une telle cellule GTEM présente des caractéristiques de très grande largeur de bande dans une gamme de fréquences d'utilisation allant du continu au GHz. Le mode TEM est utilisé pour simuler une onde plane incidente pour des tests de susceptibilité. Les données d'émission rayonnée dans la cellule peuvent être utilisées pour simuler des sites de test en zone ouverte ou des mesures en espace libre. L'idée de base de la propagation des ondes dans une telle cellule GTEM est de propager une onde légèrement sphérique émise par une source dans une ligne de transmission coaxiale rectangulaire et son extrémité hybride distribuée sans distorsions géométriques de l'onde TEM. Comme l'angle d'ouverture du guide d'onde est petite ( rapprochant d'une onde plane. Comme représenté sur la figure 1, le volume principal de la cellule GTEM est un tronçon de ligne de forme pyramidale d'une ligne de transmission 50 Q rectangulaire. La cellule commence avec une pointe dans laquelle la transition d'un connecteur coaxial 50 Q standard vers un guide d'onde rectangulaire asymétrique prend place. Le tronçon de charge distribuée utilise du matériau absorbant 14 pour l'extinction des ondes électromagnétiques (comme dans une chambre achénoïque) et une charge distribuée 13 comprenant, par exemple, une série de résistances 19 pour l'extinction du courant. L'invention consiste à modifier la géométrie d'une telle cellule GTEM pour améliorer la qualité du champ obtenu. Dans le dispositif de l'invention, la forme de la plaque 12, ou septum a été modifiée, comme représenté sur la figure 3, de manière à obtenir un champ électrique plus homogène, tout en ayant une plaque industriellement réalisable. Les autres éléments de la cellule 10 sont conservés. Cette plaque 12 comporte, dans le sens transverse, une partie médiane 22 plane et des parties latérales 23 inclinées vers le bas d'un angle a de l'ordre de 135 par rapport à cette partie médiane de telle façon que l'impédance vue de la source reste Q, l'angle au sommet de la pyramide étant inférieur à 20 Sur la figure 3, la partie médiane 22 et les parties latérales 23 sont séparées par des zones intermédiaires incurvées 24. Pour permettre le passage des hautes tensions, des éléments arrondis anticorona 25, par exemple des cylindres ou des cônes, sont disposés aux extrémités respectives des parties latérales 23. Les valeurs en volts/mètre des lignes isoniveaux de champ électrique sont rapportées sur cette figure comme si on avait 1 volt sur le septum. On obtient une zone de champ homogène représentée par le rectangle 17, pour laquelle on a une différence maximum de 0,09 volts/mètre (zone comprise entre 1,09 volts/m et 1,18 volts/mètre). En absence d'objet on arrive à obtenir une impédance caractéristique de 50. Pour ne pas perturber le champ et ne pas être gêné par la forme du septum pour l'introduction d'objets dans la cellule, la porte d'accès est placée dans le fond de la cellule, alors que, dans les dispositifs de l'art connu, cette porte était placée sur un côté. Ainsi, on peut avoir les bords du septum plus bas sans pénaliser l'accessibilité à la zone de test. Le dispositif de l'invention, de plus, est tel que le plan médian entre la plaque intermédiaire 12 ou septum et la paroi inférieure 18 de la pyramide 10 est situé dans un plan horizontal, alors que, dans les dispositifs de l'art connu, cette paroi 18 était située dans un plan horizontal, ce qui entraînait une différence d'amplitude de champ électrique entre le haut et le bas d'une paroi verticale d'un même objet. Dans l'invention, un objet, disposé sur cette paroi 18, est perpendiculaire à la direction de propagation et le champ électrique, dans un même plan vertical, reste homogène. Dans un exemple de réalisation pour une cellule pyramidale de 8 m de longueur on a, à l'endroit o la pyramide forme une section de 2 m de largeur: - largeur de la section: 2 m - épaisseur du septum: 5 mm. - hauteur de la section: 1,36 m - hauteur au-dessus du septum: 45,5 cm hauteur au-dessous du septum: 90 cm - largeur de la partie médiane 22: 30 cm - largeur du septum: 159,6 cm - rayon de courbure de chaque zone intermédiaire incurvée 24: 66,4 cm - rayon des éléments anticorona 25: 4 cm - angle a = 135 . On peut alors obtenir un champ d'environ kV/m. Les figures 4 à 6 représentent différentes variantes de réalisation du septum 22, dans des vues en coupe transversale, avec représentation des lignes isoniveaux de champ électrique. Des éléments arrondis anticorona peuvent, bien évidemment, être ajoutés à ce septum 22 comme sur la figure 3. Comme représenté sur les figures 4 et 5, on peut également tronquer les angles inférieurs de la cellule. Le dispositif de l'invention, tel que représenté sur l'une des figures 3 à 6 est réalisé pour répondre aux critères d'optimisation suivants: l'impédance caractéristique de la cellule à vide vaut 50 Q. On admet une tolérance de 1, ce qui correspond tout de même à une excellente adaptation; - la zone d'homogénéité du champ est la plus large possible. Sauf indication contraire, cette zone correspond par la suite à la zone dans laquelle le module du champ électrique est compris entre -2dB et +2dB de sa valeur à mi- hauteur sous septum; - le champ a une polarisation verticale à l'intérieur de la zone de test; - on minimise la présence de pointes de champ qui pourraient entraîner un claquage dans le cas d'une utilisation de la cellule en champ pulsé à très haut niveau; - la facilité de réalisation mécanique ainsi que d'autres aspects pratiques (poids du septum, il accessibilité à la zone de test..) ont été pris en compte. REVENDICATIONS 1. Dispositif de simulation de champ électromagnétique intense en espace libre, de type cellule GTEM, comprenant une cellule (10) de forme pyramidale à section rectangulaire et à parois latérales métalliques reliées à la terre, reposant sur l'une de ses parois latérales (18), une plaque métallique (12), ou septum, située dans un plan intermédiaire passant par le sommet de la pyramide et chargée en son extrémité par une charge de 50 Q, une paroi absorbante (14, 15) fermant cette cellule, et une source (11), située au sommet de la pyramide et connectée à la plaque intermédiaire (12) permettant de générer un champ électromagnétique entre la plaque intermédiaire (14) et les parois latérales de la pyramide, caractérisé en ce que la plaque intermédiaire (12) comporte, dans le sens transverse, une partie médiane plane (22) et des parties latérales (23) inclinées vers le bas d'un angle a par rapport à cette partie médiane (22) de telle façon que l'impédance vue de la source soit une impédance de Q. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que cet angle a est de l'ordre de 135 . 3. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'angle au sommet de la pyramide e est tel que: 0 4. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la partie médiane (22) et les deux parties latérales (23) de la plaque intermédiaire sont séparées par des zones intermédiaires incurvées (24). 5. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que les extrémités libres des parties latérales se terminent par des éléments arrondis (25). 6. Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que ces éléments arrondis (25) sont des cylindres ou des cônes. 7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la source de tension (11) délivre un signal entretenu ou un signal impulsionnel. 8. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le plan médian entre la plaque intermédiaire (22) et la paroi inférieure (18) de la cellule est un plan horizontal. 9. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la porte d'accès dans la cellule est placée dans le fond de la cellule.