Brevet FR2716537A1 — publié le 19950825

La présente invention concerne la mesure des champs électromagnétiques, et en particulier la mesure de tels champs présents dans de petites enceintes. Lors de la réalisation d'enceintes pour appareillages électroniques, il est souvent nécessaire de déterminer la protection électromagnétique donnée par l'enceinte. Par exemple, un boîtier d'instrument électronique doit protéger les composants placés à l'intérieur contre le rayonnement électromagnétique externe qui peut provoquer un défaut de fonctionnement de l'instrument si le champ n'est pas atténué d'une quantité suffisante. L'invention a pour objet la réalisation d'un appareil de détection de champ électromagnétique ayant un capteur suffisamment petit pour qu'il travaille dans un espace limité. L'invention a aussi pour objet la réalisation d'un appareil de mesure d'un champ électromagnétique ayant une sensibilité élevée, de préférence de 10 mV/m et pouvant travailler entre environ 100 MHz et 18 GHz. L'invention a aussi pour objet la réalisation d'un appareil de mesure du champ magnétique ayant un capteur qui crée une distorsion minimale du champ mesuré. Un appareil connu de mesure des champs électromagnétiques est décrit dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique n 4 070 621. L'appareil décrit comprend un modulateur électro-optique connecté par des électrodes fixées aux surfaces opposées à un dipôle ou une antenne à boucle. Le modulateur électro-optique comprend un cristal qui donne un effet Pockels, c'est-à-dire une modulation de la polarisation d'un faisceau lumineux qui passe en fonction de l'amplitude du champ au niveau de l'antenne. Des problèmes posés par cette disposition connue sont d'abord la dimension de l'antenne dipolaire, qui est trop grande pour faciliter la mise en oeuvre de l'invention dans un espace restreint tel qu'un boîtier d'instrument électronique, et deuxièmement la mauvaise sensibilité autour de 10 V/m. Ces deux inconvénients sont dus essentiellement aux restrictions de configuration de l'antenne dipolaire. Une autre restriction est la fréquence de fonctionnement de à 30 MHz. L'utilisation d'un modulateur électro-optique ayant la configuration d'un interféromètre de Mach-Zehnder pour la mesure d'un champ électromagnétique est décrite dans IEEE Trans. Antennas and Propagation, Vol. AP-31, n 5, septembre 1983, pages 710 à 717. Ce modulateur a une antenne dipolaire de 3 cm de longueur. Un inconvénient est que la plage de fréquences de cet appareil est destinée à être comprise entre 1 MHz et quelques centaines de Mégahertz. L'invention concerne un appareil de détection d'un champ électromagnétique, du type qui comprend: un modulateur électro-optique ayant une première et une seconde surface auxquelles sont fixées des électrodes et une troisième et une quatrième surface recoupant un trajet optique, un dispositif à antenne connecté aux électrodes et destiné à coupler un champ électromagnétique au modulateur, une source lumineuse destinée à transmettre de la lumière le long du trajet optique dans le modulateur par la troisième surface, et un détecteur de lumière destiné à détecter la lumière modulée par le modulateur et sortant de la quatrième surface, caractérisé en ce que le dispositif à antenne est une antenne à disque et cone. Un dispositif de mesure de tension peut être connecté à la sortie du détecteur de lumière (qui peut être une photodiode par exemple), et donne ainsi une mesure de l'intensité du champ électromagnétique détecté. Ce dispositif peut comprendre un voltmètre accordable. L'utilisation d'une technique optique pour la mesure du champ électromagnétique à la place de l'utilisation de composants métalliques conducteurs de l'électricité assure une perturbation minimale du champ à mesurer. Toute perturbation du champ à mesurer peut être réduite de façon plus importante par disposition du modulateur électro-optique dans un carter diélectrique plutôt que dans un carter métallique. Cependant, un carter métallique présente l'avantage de donner une certaine protection du modulateur électro-optique et peut être ainsi une option préférée dans certains cas dans lesquels la précision du capteur est primordiale. D'autres avantages de la technique optique sont l'insensibilité propre au bruit et la grande largeur de bande possible. L'utilisation d'une antenne en forme de disque et de cône assure l'obtention de la sensibilité et de la largeur de bande nécessaires tout en donnant simultanément un capteur suffisamment petit pour qu'il se loge dans une enceinte de dimension limitée. Une description d'une telle antenne à disque et cône figure dans "Reference Data for Radio Engineers", publiée par ITT. Dans un mode de réalisation préféré, le modulateur électro-optique a une configuration d'interféromètre de Mach-Zehnder. Dans un modulateur électro-optique interférométrique de Mach-Zehnder, le trajet lumineux passant dans le cristal électro-optique est divisé en deux, et deux faisceaux lumineux séparés peuvent se propager. Toute variation des indices relatifs de réfraction des trajets provoque un déphasage relatif des deux faisceaux et une variation correspondante de l'intensité de sortie par recombinaison des faisceaux. Le cristal électro-optique de Mach-Zehnder peut nécessiter une polarisation électrique en courant continu si bien qu'il peut travailler dans une région de réponse linéaire. Dans une variante, il est possible de sélectionner des cristaux pour des essais discontinus, sous forme d'un cristal polarisé naturellement en quadrature pour une tension nulle de polarisation. Un matériau qui convient comme modulateur électro- optique de Mach-Zehnder est un cristal de niobiate de lithium. Le niobiate de lithium (LiNbO3) est un matériau électro-optiquement actif dont l'indice de réfraction varie avec l'intensité du champ électrique appliqué. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront mieux de la description qui va suivre d'exemples de réalisation, faite en référence aux dessins annexés sur lesquels: la figure! est un schéma d'un appareil de détection et de mesure de champ électromagnétique selon l'invention; la figure 2 est une coupe d'une antenne à disque et cône; la figure 3 est une représentation tridimensionnelle d'un modulateur électro-optique; et la figure 4 est un graphique représentant la fonction de transfert d'un modulateur électrooptique. Sur la figure 1, une diode laser 1 donne un faisceau lumineux qui est couplé à une cellule électro-optique 2 par un câble 3 à fibre optique. La diode laser 1 a une source d'énergie très stable 4. Une antenne à disque et cône 5, décrite plus en détail en référence à la figure 2, est couplée à la cellule électro-optique 2. La cellule électro- optique 2 et l'antenne 5 peuvent être suffisamment petites pour occuper simplement un espace de 5 x 5 x 5 cm et sont représentées placées à l'intérieur d'une enceinte 6 telle qu'un coffret d'instrument dont les propriétés de protection doivent être mesurées. L'enceinte 6 est placée à l'intérieur d'une chambre blindée électriquement 7 avec une source d'un rayonnement électromagnétique 8 à haute fréquence. Une connexion de sortie de la cellule 2 à un emplacement distant à l'extérieur de la chambre 7 est sous forme d'un second câble 9 à fibre optique. Ce câble 9 est connecté à un photodétecteur 10 dont le signal de sortie électrique est mesuré par un voltmètre accordable 11 (récepteur). On se réfère maintenant à la figure 2; l'antenne 5 comprend un disque métallique 12 et un cône métallique 13. Un petit entrefer existe entre le sommet du cône 13 et le centre du disque 12. Le centre du disque est connecté au conducteur interne 12a de la ligne de transmission et le conducteur externe 13a de la ligne est connecté au cône 13 à son sommet. L'antenne 5 est fixée à l'intérieur d'une enceinte isolante 14. Les dimensions d'un prototype d'antenne à disque et cône enfermé sont une hauteur de 15 mm et un diamètre de 18 mm. L'antenne 5 est connectée par des conducteurs interne et externe 12a, 13a à la cellule électro-optique 2 qui est maintenant décrite en référence à la figure 3. Sur la figure 3, la cellule électro-optique 2 comprend un cristal sous forme d'un interféromètre de Mach-Zehnder. La lumière polarisée du laser de la diode laser 1 (voir figure 1) est couplée par le câble 3 à fibre optique à une première face du cristal 2. La lumière est divisée en deux faisceaux par une jonction en Y 15 placée dans le cristal. Les deux faisceaux se propagent le long de deux guides d'onde séparés 16, 17 et sont recombinés près de la face opposée du cristal 2 par un second câble 9 à fibre optique. Deux électrodes 19, 20 sont déposées aux faces opposées du cristal et sont placées de part et d'autre d'un guide d'onde 16. L'antenne 5 à disque et cône est connectée aux bornes du cristal 2 par les électrodes 19, 20 si bien que le champ magnétique est couplé dans la partie du cristal qui contient le guide d'onde 16. Pendant le fonctionnement, la source 8 à haute fréquence est réglée à une intensité et une fréquence préalablement déterminées, et le voltmètre accordable 11 est réglé afin qu'il reçoive un signal à la fréquence prédéterminée. Dans une variante, la fréquence peut balayer une région comprise entre des limites inférieure et supérieure. La plus grande partie du rayonnement émis par la source 8 est atténuée par l'enceinte 6 mais un certain rayonnement résiduel traverse l'enceinte 6 et est couplé à la cellule 2 par l'antenne à disque et cône 5. La tension résultante qui apparaît aux bornes du guide d'onde 16 provoque un déphasage du faisceau lumineux se propageant dans le guide d'onde 16. Après recombinaison des deux faisceaux à la seconde jonction 18 en Y, les composantes en phase se combinent et passent au second câble à fibre optique 9 alors que les composantes déphasées qui ne peuvent pas se propager sont perdues dans le cristal. De cette manière, une modulation d'amplitude de la lumière provenant de la source laser 1 est réalisée avec une source à haute fréquence modulant la lumière laser proportionnellement à l'intensité du champ au niveau de l'antenne à disque et cône 5. La lumière quittant la cellule 2 est détectée par la photodiode 10 dont le signal de sortie représente le signal original de modulation à haute fréquence ayant une amplitude proportionnelle à l'intensité du champ électrique. L'amplitude de ce signal de modulation à haute fréquence est mesurée par le voltmètre accordable 11. La figure 4 représente la fonction de transfert du cristal 2, V étant la tension appliquée à la cellule, V. la tension donnant un déphasage de n radian, et P l'amplitude du faisceau lumineux recombiné. "A" représente le point en quadrature ou la région linéaire de fonctionnement de la cellule 2 qui, dans cet exemple, ne nécessite aucune tension de polarisation en courant continu. L'appareil réalisé comme indiqué précédemment peut donner une sensibilité qui est par exemple de 5 mV/m à 18 GHz et possède une plage dynamique de dB. Il est bien entendu que l'invention n'a été décrite et représentée qu'à titre d'exemple préférentiel et qu'on pourra apporter toute équivalence technique dans ses éléments constitutifs sans pour autant sortir de son cadre. REVENDICATIONS 1. Appareil de détection d'un champ électromagnétique, du type qui comprend: un modulateur électro-optique (2) ayant une première et une seconde surface auxquelles sont fixées des électrodes (19, 20) et une troisième et une quatrième surface recoupant un trajet optique, un dispositif (5) à antenne connecté aux électrodes et destiné à coupler un champ électromagnétique au modulateur (2), une source lumineuse (1) destinée à transmettre de la lumière le long du trajet optique dans le modulateur par la troisième surface, et un détecteur de lumière (10) destiné à détecter la lumière modulée par le modulateur (2) et sortant de la quatrième surface, caractérisé en ce que le dispositif à antenne est une antenne à disque et cône (5). 2. Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte en outre un dispositif (11) de mesure de tension couplé à une sortie du détecteur de lumière (10). 3. Appareil selon la revendication 2, caractérisé en ce que le dispositif de mesure de tension est un voltmètre accordable (11). 4. Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce que le modulateur électro-optique (2) a la configuration d'un interféromètre de MachZehnder. 5. Appareil selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la source lumineuse est un laser (1). 6. Appareil selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend un câble (3) à fibre optique placé entre la source lumineuse (1) et le modulateur (2) et destiné à guider la lumière entre eux. 7. Appareil selon l'une quelconque des revendications précédentes, comprenant un câble (9) à fibre optique placé entre le modulateur (2) et le détecteur de lumière (10) afin qu'il guide la lumière modulée entre eux. 8. Appareil selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le détecteur de lumière est une photodiode (10).