Brevet FR2910748A1 — publié le 20080627

PROCEDE ET DISPOSITIF DE LIMITATION DE PUISSANCE OPTIMISE. L'invention concerne un procédé et un dispositif de limitation de puissance optimisé. En particulier, l'invention s'applique à la protection de tout dispositif électronique relié au champ électromagnétique ambiant par un canal de transmission volontaire, comme un système radar ou encore un récepteur radiofréquence. Les dispositifs électroniques sont susceptibles d'être perturbés, voire rendus inopérant, par la présence dans leur environnement de signaux à haute fréquence et à puissance ou énergie élevée. Ces nuisances, volontaires ou non, sont susceptibles de mettre hors service des dispositifs importants, comme par exemple dans le cas d'un aéronef des dispositifs de navigation ou de gestion des équipements embarqués. Les dispositifs électroniques, en particulier les dispositifs électroniques aéronautiques ou spatiaux, sont généralement optimisés pour la Compatibilité ElectroMagnétique (généralement désigné par l'acronyme CEM). Une conception adaptée permet à la plupart des dispositifs électroniques de supporter très efficacement de telles nuisances. Cependant, une conception adaptée optimisée pour la Compatibilité Electromagnétique n'est pas suffisante vis à vis des nuisances frontales (désigné aussi par le terme anglo-saxon de "front door"). Ce type de nuisance concerne les dispositifs électroniques reliés au champ électromagnétique ambiant par un canal de transmission volontaire (typiquement, une antenne et ses liaisons). Une nuisance frontale est donc une transmission de signaux à haute fréquence et à puissance ou énergie élevée via ce canal, inhérent à la fonction du dispositif électronique matériel. Les dispositifs électroniques concernés sont divers et peuvent remplir des fonctions importantes voire vitales pour le porteur qui les embarquent. Il s'agit par exemple de radars, de radios et autres matériels de communication. Certains dispositifs électroniques, par exemple les dispositifs embarqués sur des aéronefs civils, sont confrontés à des contraintes électromagnétiques impulsionnelles. Dans l'état de la technique, le problème 2910748 2 peut être en partie résolue par l'ajout de filtres fréquentiels. Ces filtres fréquentiels sont par exemple intégrés à l'antenne, au canal de transmission (un guide ou un câble coaxial), voire au radôme. Ces filtres fréquentiels peuvent aussi être regroupés dans un composant séparé, placé en amont ou 5 en aval du dispositif électronique à protéger, atténuant les signaux dont les fréquences sont hors de la bande fonctionnelle (aux résonances parasites près) du dispositif à protéger. Ce type de protection s'avère globalement efficace lorsque le dispositif à protéger fonctionne dans une bande de fréquences relativement étroite (quelques kilohertz) dans un environnement 10 électromagnétique respectueux des traités internationaux sur l'affectation des fréquences. Cependant, cette protection n'est pas efficace vis à vis des nuisances couvrant un large spectre ou ciblées sur la bande fonctionnelle du dispositif à protéger. Une nuisance ciblée sur une fréquence vulnérable (qui n'est pas nécessairement dans la bande fonctionnelle du dispositif à 15 protéger, puisque les filtres fréquentiels, par exemple les filtres à constantes réparties, présentant souvent de multiples modes de transmission) peut donc mettre hors service le dispositif à protéger. En outre, dans le cas d'un dispositif à large bande (par exemple, plusieurs mégahertz), ce type de protection n'est pas utilisable, un filtre efficace ne pouvant couvrir sans 20 discontinuité l'ensemble de la plage de fréquence. Il est aussi connu de mettre en oeuvre un dispositif limiteur de puissance, appelé aussi écrêteur, pour protéger un dispositif électronique. Ce type de protection est inadapté à une nuisance non impulsionnelle. En 25 effet, l'écrêtage d'un signal reçu par le dispositif électronique à protéger provoquant une perturbation fonctionnelle de ce signal (par la suppression notamment d'information), un écrêtage permanent provoque donc une perturbation fonctionnelle permanente, dégradant les performances générales du dispositif. Ce type de protection est plus adapté à une nuisance 30 impulsionnelle, bien que d'une efficacité limitée. En effet, les composants capables d'éliminer une puissance instantanée ou une énergie importante ont un temps de réaction non négligeable, alors que les composants rapides offrent un degré de protection plus faible. Dans le cas de nuisances extrêmement brèves à large spectre instantané, le dispositif à protéger peut 2910748 3 être mis hors service avant que le plus rapide des limiteurs de puissance n'ait eu le temps de réagir. Il existe aussi des structures antennaires, notamment spirales, 5 présentant des caractéristiques dispersives permettant d'étaler temporellement des impulsions extrêmement brèves. Malheureusement, de telles caractéristiques sont indésirables dans de multiples fonctions (radar par exemple, système de communication...). 10 L'invention a notamment pour but de pallier les inconvénients précités. A cet effet, l'invention a pour objet un procédé de limitation de puissance d'un signal hyperfréquence comportant les étapes suivantes : • une étape de détection de nuisances compris dans un signal en entrée par comparaison de la puissance instantanée et/ou de l'énergie 15 dudit signal en entrée à un seuil donné, un signal de commande étant généré, ledit signal de commande comprenant : o un ordre indiquant que le signal en entrée doit être atténué, lorsque le seuil est atteint ou dépassé, o un ordre indiquant que le signal en entrée ne doit plus être 20 atténué lorsque le seuil donné n'est pas ou plus atteint ; • une étape d'introduction d'un décalage temporel dans le signal en entrée, un signal retardé étant ainsi généré ; • une étape d'atténuation délivrant un signal en sortie correspondant o au signal retardé atténué en puissance, lorsque le signal de 25 commande comporte un ordre indiquant que le signal en entrée doit être atténué ; o au signal retardé, lorsque le signal de commande comporte un ordre indiquant que le signal en entrée ne doit pas ou plus être atténué. 30 Le décalage temporel introduit est supérieure ou égale à la durée s'écoulant à partir de la détection d'une nuisance jusqu'à la réception de l'ordre compris dans le signal de commande et la mise en oeuvre effective des opérations nécessaire à l'atténuation du signal retardé. 2910748 4 L'invention a aussi pour objet un dispositif de limitation de puissance comportant : • un capteur de champ recevant un signal en entrée, ledit capteur de champ étant adapté à délivrer en sortie un signal de commande 5 fonction de la puissance du signal en entrée ; • une ligne à retard délivrant un signal retardé correspondant au signal en entrée décalé temporellement ; • un élément limiteur délivrant un signal en sortie correspondant au signal retardé, ledit signal retardé étant atténué lorsque le signal de 10 commande atteint ou dépasse un seuil de puissance donnée. La longueur de la ligne à retard est choisie de manière à ce que le temps de propagation du signal véhiculant dans la ligne à retard soit supérieur au temps nécessaire à la réception du signal de commande par l'élément limiteur et à la mise en oeuvre de l'atténuation du signal retardé par l'élément 15 limiteur. Dans un mode de réalisation, 'élément limiteur peut comporter un ou plusieurs composants limiteurs, les composants limiteurs étant une combinaison quelconque de composants à état solide et/ou de tubes à gaz, 20 le mode d'action des composants limiteurs étant une combinaison de mise en court-circuit du chemin du signal à la structure et/ou de circuit ouvert dans le chemin du signal. Dans un autre mode de réalisation, l'élément limiteur présente en 25 outre un comportement en limiteur de puissance non commandé, mis en oeuvre lorsque le signal de commande lorsque le signal de commande n'atteint pas le seuil de puissance donnée. Avantageusement, la ligne à retard a une forme adaptée au 3o placement côte à côte du capteur de champs et de l'élément limiteur. La ligne de retard peut être dispersive en fréquences. L'élément limiteur peut être une diode PIN pouvant être commandée sensiblement en 1 ns. La ligne à retard peut être un câble coaxial semi-rigide à faibles pertes 2910748 5 long de sensiblement 25 cm et dont le coefficient de célérité est de sensiblement 0,85. La dispositif peut être utiliser de manière à protéger contre les 5 nuisances électromagnétiques tout dispositif électronique relié au champ électromagnétique ambiant par un canal de transmission volontaire. L'invention a notamment pour avantages qu'elle s'intègre dans les architectures de protection électromagnétique comportant un dispositif 10 limiteur de puissance. En outre, l'invention permet de réduire très sensiblement le temps de réaction des dispositifs limiteur de puissance selon l'invention. L'invention permet encore une connaissance optimale du temps de transit des ondes dans le dispositif limiteur de puissance, la connaissance du temps de transit (le caractère déterministe) ainsi qu'un temps de transit 15 limité étant des éléments déterminant pour la mise en oeuvre de certaines fonctions (cas d'une fonction radar notamment). D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à l'aide de la description qui suit faite en regard des dessins annexés qui 20 représentent : • la figure 1, par un synoptique, un procédé, selon l'invention, de limitation de puissance optimisé ; 25 • la figure 2, par un schéma, un dispositif selon l'invention de limitation de puissance optimisé. La figure 1 illustre, par un synoptique, un procédé de limitation de puissance optimisé selon l'invention. Le procédé selon l'invention reçoit un 30 signal en entrée 1 hyperfréquence. Ce signal hyperfréquence peut contenir des nuisances électromagnétiques. Le procédé comporte une étape 10 de détection de nuisances. Au cours de l'étape 10, le signal en entrée 1 est analysé de manière à détecter d'éventuelles nuisances. En particulier, la puissance instantanée et/ou 2910748 6 l'énergie du signal en entrée 1 est comparé à un seuil donné. Lorsque le seuil donné est atteint ou dépassé, l'étape 10 génère un signal de commande 6. Le signal de commande 6 comporte un ordre indiquant que le signal en entrée 1 doit être atténué. Lorsque le seuil donné n'est pas ou plus 5 atteint, l'étape 10 génère un signal de commande 6 indiquant que le signal en entrée ne doit plus être atténué. Le procédé selon l'invention comporte une étape 20 d'introduction d'un décalage temporel dans le signal en entrée 1. L'étape 20 reçoit le signal 10 en entrée 1. Puis à l'issue au cours de l'étape 20, un signal retardé 7 correspondant au signal en entrée 1 retardé est généré. L'étape 20 est conduite parallèlement à l'étape 10. Le procédé selon l'invention comporte une étape 30 d'atténuation. 15 L'étape d'atténuation 30 reçoit le signal de commande 6 généré à l'étape 10 et le signal retardé 7 généré à l'étape 20. En fonction de l'ordre compris dans le signal de commande 6, le signal retardé 7 est atténué ou non en puissance. A l'issue de l'étape 30, un signal en sortie 2 est délivré. Ainsi, lorsque le signal de commande 6 comporte un ordre indiquant que le signal 20 en entrée 1 doit être atténué, le signal de sortie 2 est généré à partir du signal retardé 7 auquel une atténuation en puissance est appliquée. Lorsque le signal de commande 6 comporte un ordre indiquant que le signal en entrée 1 ne doit pas ou plus être atténué, le signal de sortie 2 est généré à partir du signal retardé 7. 25 Le retard introduit au cours de l'étape 20 est choisi supérieure ou égale à la durée s'écoulant à partir de la détection d'une nuisance à l'étape 10 jusqu'à la réception à l'étape 30 de l'ordre indiquant que le signal en entrée 1 doit être atténué compris dans le signal de commande 6 et la mise 30 en oeuvre effective des opérations nécessaire à l'atténuation du signal retardé 7. La figure 2 illustre par un schéma un dispositif de limitation de puissance optimisé selon l'invention. Les éléments identiques aux éléments 35 déjà présentés sur les autres figures portent les mêmes références. 2910748 7 Le dispositif de limitation de puissance selon l'invention est notamment adapté à la mise en oeuvre des différentes étapes du procédé de limitation de puissance selon l'invention. Le dispositif de limitation de 5 puissance selon l'invention comporte trois ensembles fonctionnels. Ces ensembles fonctionnels peuvent faire l'objet d'une implémentation individualisée, ou être intégrés en un ou deux composants. Le dispositif de limitation de puissance comporte un capteur de champ 3, un élément limiteur 5, une ligne à retard 4. Le dispositif de limitation de puissance reçoit le signal 10 en entrée 1 hyperfréquence. Les trois éléments sont placés en série sur le cheminement du signal hyperfréquence. Le dispositif de limitation de puissance délivre le signal en sortie 2. Le signal en sortie 2 peut être acheminé vers un dispositif protégé par le dispositif de limitation de puissance. Le dispositif de limitation de puissance peut être intégré au 15 dispositif à protéger ou être disposé en amont de celui-ci. Le capteur de champ 3 est notamment adapté à la mise en oeuvre de l'étape 10 de détection de nuisances du procédé de limitation de puissance selon l'invention. La ligne à retard 4 est notamment adapté à la mise en oeuvre de l'étape 20 d'introduction d'un décalage temporel du procédé de limitation de 20 puissance selon l'invention. L'élément limiteur 5 est notamment adapté à la mise en oeuvre de l'étape 30 d'atténuation du procédé de limitation de puissance selon l'invention. Dans le dispositif de limitation de puissance selon l'invention, le 25 capteur de champ 3 commande par l'intermédiaire du signal de commande 6 l'élément limiteur 5 de manière à ce quel l'élément limiteur 5 soit en conduction avant l'arrivée d'un signal comportant une nuisance, ledit signal ayant été retardé par la ligne à retard 4. L'arrivée du signal comportant une nuisance est ainsi anticipée au niveau de l'élément limiteur 5 : il est donc 30 possible de qualifier le dispositif de limitation de puissance selon l'invention de non causal, une translation de l'échelle des temps étant réalisée à l'aide de la ligne à retard 4. Le capteur de champ 3 reçoit le signal en entrée 1. Le capteur de 35 champ 3 a pour fonction de prélever une fraction du signal en entrée 1. Le 2910748 8 signal en entrée 1 est par exemple le signal reçu par une antenne. Le capteur de champ 3 peut être un capteur de champ électrique (par exemple un brin apériodique), un capteur de champ magnétique, un coupleur à ligne, ou tout autre dispositif adapté à capter un champ couvrant une large bande 5 de fréquences (comme par exemple un diviseur par composants impédants). Le capteur de champ 3 fournit en sortie le signal de commande 6. Le signal de commande 6 permet de déterminer la présence et de caractériser le signal en entrée 1, notamment en puissance ou en énergie. Le signal de commande 6 est fonction des taux de prélèvement du signal en entrée 1 10 retenu pour le capteur de champ 3. Le signal de commande 6 est donc notamment fonction de la puissance du signal en entrée 1. Le signal de commande 6 peut éventuellement être redressé. Eventuellement, le capteur de champ 3 peut être muni d'un connecteur de test permettant d'injecter un signal de commande externe pour s'assurer du bon fonctionnement de 15 l'ensemble du dispositif selon l'invention. Le capteur de champ 3 délivre aussi en sortie le signal en entrée 1, sensiblement non modifié. L'élément limiteur 5 comporte un ou plusieurs composants limiteurs, leur support matériel éventuel, et leur circuit de commande et 20 d'adaptation. L'élément limiteur 5 reçoit en entrée le signal retardé 7 et le signal de commande 6. L'élément limiteur 5 délivre le signal de sortie 2 au dispositif protégé. L'élément limiteur 5 a pour fonction de délivrer le signal de sortie 3, correspondant au signal retardé 7 éventuellement atténué en puissance, jusqu'à une valeur tolérable pour les éléments fonctionnels du 25 dispositif protégé. Les composants limiteur de l'élément limiteur 5 sont commandés par le signal de commande 6. Le signal de commande 5, lorsque celui-ci dépasse un seuil donné ( fixé par les caractéristiques des composants utilisés et/ou configuré statiquement ou dynamiquement), déclenche l'écrêtage ou l'atténuation du signal à traiter par l'élément limiteur 30 5. Les composants limiteurs peuvent être une combinaison quelconque de composants à état solide (par exemple une diode PIN) ou de tubes à gaz. Le mode d'action des composants limiteurs peut être la combinaison : • de mise en court-circuit du chemin du signal à la structure, • de circuit ouvert dans le chemin du signal. 2910748 9 L'atténuation désirée peut être atteinte progressivement, via plusieurs étages successifs. Les atténuations successives peuvent éventuellement être pilotées de manière décalée dans le temps, ce décalage pouvant être par exemple assuré par des signaux de commande 6 issus de plusieurs capteurs 5 de champ 3 mis en série. La structure porteuse des composants limiteurs peut être une cavité (un guide d'onde), une structure coaxiale, une ligne micro-ruban, etc. Les lignes micro-ruban peuvent comporter des branches latérales (ou selon l'expression anglo-saxonne "stub") pour les besoins des schémas de mise en oeuvre des composants d'écrêtage. 10 Dans un mode de réalisation, outre le fonctionnement décrit qualifié de non causal, l'élément limiteur 5 peut aussi adopter un comportement en limiteur de puissance non commandé. Par exemple, ce comportement peut être mis en oeuvre lorsque le signal de commande 6 a un 15 niveau insuffisant pour déclencher l'écrêtage par l'élément limiteur 5. Ce comportement peut être prévu, soit par action directe sur les composants limiteur, soit par mise en place d'écrêteurs spécifiques non commandés. La ligne à retard 4 achemine le signal en entrée 1 reçu du capteur 20 de champ 3 jusqu'à une entrée de l'élément limiteur 5. La ligne à retard 4 a pour fonction d'assurer un décalage temporel entre la détection du signal en entrée par le capteur de champ 3, et l'apparition dudit signal en entrée de l'élément limiteur 5. A titre d'exemple, comme représenté sur la figure 1, la ligne à retard 4 présente un parcours en forme de "U". Cette forme permet 25 notamment de placer côte à côte le capteur de champs 3 et l'élément limiteur 5. D'autre forme permettant de placer côte à côte le capteur de champs 3 et l'élément limiteur 5 pourrait également être employé. La ligne à retard 4 peut être une ligne à transmission de type micro-ruban, coaxial, guide d'onde, etc... La ligne à retard 4 peut aussi être une ligne à transmission à onde 30 lente comme une hélice, un guide comportant une charge... La longueur de la ligne à retard 4 est choisie de manière à ce que le temps de propagation du signal véhiculant dans la ligne à retard 4 soit supérieure au temps nécessaire à la réception du signal de commande 6 par la l'élément limiteur 5 et à la mise en protection de l'élément limiteur 5, c'est-à-dire la mise en 35 oeuvre de l'atténuation du signal retardé 7 par l'élément limiteur 5. Le signal 2910748 10 hyperfréquence subit donc dans la ligne à retard 4 un retard pur négligeable devant le temps de transit dudit signal en espace libre, et parfaitement constant, prédéfini et calculable (fonction de la longueur électrique de la ligne à retard 4) et indépendant de la fréquence, ce qui le rend aisé à compenser. 5 Si le dispositif protégé comporte des fonctions compatibles avec ce mode de réalisation, la ligne de retard 4 pourra être rendue plus ou moins dispersive en fréquence. Le caractère dispersif de la ligne de retard 4 pourra par exemple compléter une éventuelle dispersivité de l'une antenne en ~o amont du dispositif selon l'invention. Ce mode particulier de réalisation permet notamment d'étaler dans le temps l'énergie des nuisances de type impulsion éventuellement comprises dans le signal en entrée 1 et donc de diminuer: • la contrainte instantanée crête sur le ou les composants limiteurs ; 15 • la contrainte résiduelle instantanée crête sur les éléments fonctionnels placés dans le dispositif protégé par le dispositif de limitation selon l'invention. À titre d'exemple non limitatif, le dispositif de limitation de 20 puissance peut être conçu selon la structure décrite ci-après. L'élément limiteur 5 peut être une diode PIN. Une diode PIN peut typiquement être commandée en 1 ns environ. La ligne à retard 4 peut être un câble coaxial semi-rigide à faibles pertes de 25 cm de longueur ayant un coefficient de célérité de 0,85. Ce type de ligne à retard 4 permet d'obtenir un retard, une 25 atténuation et un encombrement limités. L'invention peut être utilisée pour protéger tout dispositif électronique relié au champ électromagnétique ambiant par un canal de transmission volontaire, comme un système radar, un récepteur 30 radiofréquence. A titre d'exemple, l'invention pourrait être mise en oeuvre pour protéger les radars anti-collision de véhicules. REVENDICATIONS 1. Procédé de limitation de puissance d'un signal hyperfréquence caractérisé en ce qu'il comporte les étapes suivantes : • une étape (10) de détection de nuisances compris dans un signal en entrée (1) par comparaison de la puissance instantanée et/ou de l'énergie dudit signal en entrée (1) à un seuil donné, un signal de commande (6) étant généré, ledit signal de commande (6) comprenant : o un ordre indiquant que le signal en entrée (1) doit être atténué, lorsque le seuil est atteint ou dépassé, o un ordre indiquant que le signal en entrée (1) ne doit plus être atténué lorsque le seuil donné n'est pas ou plus atteint ; • une étape (20) d'introduction d'un décalage temporel dans le signal en entrée (1), un signal retardé (7) étant ainsi généré ; • une étape (30) d'atténuation délivrant un signal en sortie (2) 15 correspondant : o au signal retardé (7) atténué en puissance, lorsque le signal de commande (6) comporte un ordre indiquant que le signal en entrée (1) doit être atténué ; o au signal retardé (7), lorsque le signal de commande (6) 20 comporte un ordre indiquant que le signal en entrée (1) ne doit pas ou plus être atténué, le décalage temporel introduit (20) étant supérieure ou égale à la durée s'écoulant à partir de la détection (10) d'une nuisance jusqu'à la réception de l'ordre compris dans le signal de commande (6) et la mise en oeuvre effective 25 des opérations nécessaire à l'atténuation (30) du signal retardé (7). 2. Dispositif de limitation de puissance caractérisé en ce qu'il comporte : • un capteur de champ (3) recevant un signal en entrée (1), ledit capteur de champ (3) étant adapté à délivrer en sortie un signal de 30 commande (6) fonction de la puissance du signal en entrée (1) ; • une ligne à retard (4) délivrant un signal retardé (7) correspondant au signal en entrée (1) décalé temporellement ; • un élément limiteur (5) délivrant un signal en sortie (3) correspondant au signal retardé (7), ledit signal retardé (7) étant atténué lorsque le 2910748 12 signal de commande (6) atteint ou dépasse un seuil de puissance donnée, la longueur de la ligne à retard (4) étant choisie de manière à ce que le temps de propagation du signal véhiculant dans la ligne à retard (4) soit 5 supérieur au temps nécessaire à la réception du signal de commande (6) par l'élément limiteur (5) et à la mise en oeuvre de l'atténuation du signal retardé par l'élément limiteur (5). 3. Dispositif selon la revendication 2 caractérisé en ce que l'élément limiteur 10 (5) comporte un ou plusieurs composants limiteurs, les composants limiteurs étant une combinaison quelconque de composants à état solide et/ou de tubes à gaz, le mode d'action des composants limiteurs étant une combinaison de mise en court-circuit du chemin du signal à la structure et/ou de circuit ouvert dans le chemin du signal. 4. Dispositif selon l'une quelconques des revendications 2 à 3 caractérisé en ce que l'élément limiteur (5) présente en outre un comportement en limiteur de puissance non commandé, mis en oeuvre lorsque le signal de commande (6) lorsque le signal de commande (6) n'atteint pas le seuil de puissance donnée. 5. Dispositif selon l'une quelconques des revendications 2 à 4 caractérisé en ce que la ligne à retard (4) a une forme adaptée au placement côte à côte du capteur de champs (3) et de l'élément limiteur (5). 6. Dispositif selon l'une quelconques des revendications 2 à 5 caractérisé en ce que la ligne de retard (4) est dispersive en fréquences. 7. Dispositif selon l'une quelconques des revendications 2 à 6 caractérisé en 30 ce que l'élément limiteur (5) est une diode PIN pouvant être commandée sensiblement en 1 ns, la ligne à retard (4) est un câble coaxial semi-rigide à faibles pertes long de sensiblement 25 cm et dont le coefficient de célérité est de sensiblement 0,85. 2910748 13 8. Utilisation du dispositif selon l'une quelconques des revendications 2 à 7 en protection contre les nuisances électromagnétiques de tout dispositif électronique relié au champ électromagnétique ambiant par un canal de transmission volontaire. 5