Brevet FR2954559A1 — publié le 20110624

DETECTEUR AUTONOME DE FORT CHAMP RADIO ELECTRIQUE L'objet de la présente invention concerne un dispositif autonome permettant la détection de fort champ radio électrique. Par le mot autonome, il faut entendre dans la présente description, la possibilité pour un dispositif de fonctionner avec l'énergie que l'on souhaite mesurer, sans devoir faire appel à une source externe. L'invention se situe dans tout le domaine de la mesure de champ radio électrique de forte puissance et dans le domaine de l'auto-détection. Elle peut aussi être utilisée pour déterminer des zones de sécurité autour d'un émetteur, en relation avec les normes de sécurité publique. L'invention permet, par exemple d'avoir un « crayon de sécurité radiofréquence » ou dans un format « badge », de manière similaire à ce que dispose le personnel travaillant dans des environnements nucléaires. Elle s'applique, par exemple, à la détermination de zones dangereuses, pour la protection des personnes en fonction des niveaux de champ reçu avec mémorisation de ces niveaux. Le problème posé et résolu dans la présente invention est d'identifier l'état des systèmes d'émission de forte puissance par un autre moyen que les remontées d'informations d'états propres au système. Dans le domaine des mesures de champ, la plupart des systèmes sont basés sur des sondes tri-axes, reliées à un boîtier électrique possédant sa propre source d'énergie. Ces systèmes utilisent des antennes élémentaires de type dipôle, sur de large bande de fréquence, la source d'énergie étant majoritairement réalisée à partir de simples piles. II existe également des systèmes de transmission de puissance sans fil dédiés uniquement à la transmission d'énergie et opérant à une fréquence spécifique. Ces systèmes ne traitent pas l'information du niveau de champ reçu. Les dispositifs de mesure de champ connus de l'art antérieur permettent de capter l'énergie au travers 3 dipôles, orientés selon des axes x, y, z qui transforment ce champ en tension ; puis cette tension est analysée au travers d'une table de calibration qui permet de connaître la valeur de champ mesurée. Ces dispositifs, bien que performants, nécessitent l'apport d'une source d'énergie extérieure, pile, câble secteur, pour leur fonctionnement. Il en résulte que lorsque la source d'énergie est indisponible, ils ne peuvent fonctionner. Il est aussi connu d'utiliser des systèmes permettant de transmettre de l'énergie sans fil, en utilisant des antennes adaptées à des fréquences particulières. Ces systèmes, plus connus sous le nom de ~o « rectenna » ont uniquement pour but de convertir l'énergie électromagnétique en électricité. Les rectennas, systèmes de transmission d'énergie, ne fournissent pas d'informations sur la présence ou pas d'énergie. 15 L'idée de la présente invention repose sur une nouvelle approche qui consiste à réaliser une transformation du champ électrique en tension au travers une antenne, puis de transformer directement cette tension en énergie d'alimentation d'un indicateur du champ radioélectrique émis par une source rayonnante. 20 L'invention concerne un système autonome de détection d'une énergie rayonnée par une source émettant des ondes de puissance élevée caractérisé en ce qu'il comporte en combinaison au moins les éléments suivants : • Une antenne de réception de l'énergie rayonnée par ladite source, 25 • Un module permettant la conversion de l'énergie rayonnée en un signal électrique, • Un dispositif de détection (visuelle ou sonore) de l'énergie rayonnée par l'intermédiaire du signal électrique, ledit dispositif de visualisation étant alimenté par une partie ou la totalité du signal électrique issu de 30 la conversion de l'énergie captée par l'antenne. Le dispositif ou module de conversion de l'énergie est, par exemple, une diode ou tout autre système de conversion d'énergie et il comporte un module d'adaptation de l'impédance d'entrée de l'antenne à l'impédance de ladite diode. Le système selon l'invention peut comporter un filtre adapté à supprimer les raies résiduelles et d'intégrer le signal reçu dans le cas d'émission pulsée. D'autres caractéristiques et avantages du dispositif selon l'invention apparaîtront mieux à la lecture de la description qui suit d'un exemple de réalisation donné à titre illustratif et nullement limitatif annexé des figures qui représentent : • La figure 1, un diagramme représentant la puissance théorique disponible autour d'une source d'émission, • La figure 2, un schéma fonctionnel du fonctionnement du système de détection selon l'invention, et • La figure 3, un exemple de mise en oeuvre du dispositif selon l'invention. Afin de mieux faire comprendre l'objet de la présente invention, la 20 description qui suit vise la détection de champ radioélectrique émis par une source de rayonnement électromagnétique ou radioélectrique. Avant de décrire un exemple de réalisation du système de détection selon l'invention, quelques rappels sur la puissance disponible autour d'une source d'émission sont énoncés. 25 A partir de l'équation de Friis, qui correspond au cas idéal, avec propagation en espace libre, qui tient compte de la distance entre une antenne d'émission et une antenne de réception, du gain des 2 antennes, et de puissance d'émission, il est possible de calculer la puissance théorique, sur une impédance égale à l'impédance interne de l'antenne de réception, 30 disponible derrière l'antenne de réception en fonction de la distance entre les deux antennes. 2954559 4nR) Où: Gt : est le gain linéaire de l'antenne d'émission 5 Gr : est le gain linéaire de l'antenne de réception Pt : est la puissance en W délivrée à l'antenne d'émission (pertes d'adaptation et rendement non compris) Pr : est la puissance en W collectée sur l'antenne de réception (pertes d'adaptation et rendement non compris) 10 R : est la distance en m séparant les deux antennes A: est la longueur d'onde en m correspondant à la fréquence de travail La figure 1 représente une courbe I correspondant à la puissance théorique reçue sur une antenne pour une fréquence de 1800 MHz et une puissance d'émission de 50W, et la courbe Il pour une fréquence de 400 15 MHz et une puissance d'émission de 200W. Le calcul exposé précédemment ne prend pas en compte les pertes par dépolarisation, de même l'hypothèse de propagation en espace libre, sans réflexion ni trajets multiples. Ces courbes sont donc à considérer comme une limite asymptotique. Outre les limitations mentionnées, qui ne peuvent être évaluées que pour chaque cas spécifique, la puissance réelle disponible dépend ensuite du rendement de la conversion entre le champ électromagnétique et la tension représentative de l'énergie devant être évaluée. La figure 2 représente un schéma fonctionnel du système selon 25 l'invention. Le système de détection autonome selon l'invention comprend par exemple les éléments suivants : • Une antenne 1 adaptée à détecter l'énergie disponible autour ou dans le voisinage d'une source de puissance, • Un module 2, d'adaptation, ayant notamment pour fonction d'adapter l'impédance Za de l'antenne à celle du dispositif permettant la conversion d'énergie électromagnétique en énergie électrique, par exemple une diode, • Un convertisseur 3 qui reçoit l'énergie rayonnée par la source, par exemple une diode puissance qui est caractérisée par un bon rendement de conversion. Ce rendement ainsi que les caractéristiques de la diode évoluent en fonction de la puissance incidente, • Un filtre 4, optionnel, qui peut remplir une double fonction : premièrement la suppression des raies résiduelles qui ne permettraient pas un affichage clair de l'information et deuxièmement une intégration du signal reçu dans le cas d'émission pulsée comme cela peut être le cas pour des radars, • Un dispositif d'affichage, 5, ayant pour objectif de retranscrire de façon visuelle l'information de présence de champ avec comme contrainte une très faible consommation d'énergie. Ceci peut être réalisé avec un vumètre, avec le problème de la perte d'information à cause de la constante de décharge ou par l'intermédiaire de dispositifs à cristaux liquides ou « bar-chart » présentant l'avantage de ne pas consommer d'énergie. L'information du maximum de signal reçu peut être conservée à l'aide d'un circuit dédié. Le dispositif d'affichage est relié au circuit de détection (antenne + diode) de l'énergie rayonnée, ce qui permet un fonctionnement autonome du dispositif de détection. Dans le but de simplifier au maximum le circuit d'adaptation, la conception de l'antenne doit permettre d'avoir une faible variation d'impédance sur une large bande passante, ceci afin de favoriser le transfert d'énergie entre l'antenne 1 et le reste du circuit. Plusieurs types d'antenne large bande sont envisageables : antenne vivaldi, antenne spiral ou sinueuse, dipôle, etc. Le choix sera différent en fonction de l'objectif souhaité, les antennes vivaldi ou spiral permettent d'obtenir de meilleur rendement mais, par conséquent, elles offrent un résultat qui est fonction de la fréquence d'analyse, ce qui est intéressant du point de vue de la sensibilité du système mais n'est pas compatible (ou seulement sur une bande de fréquence étroite) de la détermination large bande des niveaux de sécurité admissible. Les antennes dipôle auront des propriétés réciproques, une sensibilité moindre mais une analyse plus constante du niveau reçu. Le choix de l'élément rayonnant sera donc fonction de la largeur de bande de l'application souhaitée. Le convertisseur peut être une diode Schottky. L'impédance Zc du dispositif ou de la diode est par exemple choisie pour assurer un maximum de transfert d'énergie ce qui revient à dire que sa valeur soit sensiblement égale ou égale à la valeur conjuguée de l'impédance de l'antenne Zant. Le dispositif d'affichage est par exemple un simple vumètre, comme il a été décrit. Toutefois, sans sortir du cadre de l'invention, tout autre 15 composant, sous réserve que ce dernier nécessite une très faible consommation, peut être utilisé, sachant que les éléments à cristaux liquide sont faiblement énergivore. L'énergie théorique disponible évolue naturellement : en fonction de la distance à laquelle un objet ou une personne se situe par rapport à 20 l'émetteur, en fonction : de la puissance d'émission et de la fréquence de travail, ainsi que du gain d'antenne de réception. Toutefois, pour une puissance d'émission donnée, et une distance fixe entre émetteur (source émettrice d'un rayonnement à contrôler ou détecter) et récepteur, en effectuant le choix d'une antenne de réception dimensionnée pour 25 correspondre à une utilisation dans les fréquences hautes (de la couverture fréquentiel), la progression des pertes de propagation en fonction de la fréquence est compensée par la diminution du gain de l'antenne de réception. Ceci a pour effet de permettre de disposer d'un niveau d'énergie « quasi stable » sur une large bande de fréquence. 30 Les énergies disponibles à considérer dans les exemples de simulation de brouilleur, dans un rayon de 5 m autour de la source d'émission, sont par exemple de l'ordre de 1 mWatt. Ce qui sera le cas minimum pour considérer des émissions de forte puissance. L'émetteur de puissance radiofréquences à détecter peut donc servir d'alimentation au système de détection lui-même sous réserve de 5 limiter la consommation électrique de ce dernier. En résumé, l'idée de l'invention repose sur le fait que l'énergie véhiculée par l'onde électromagnétique est captée par une antenne de réception (ou un réseau d'antennes), puis ce signal alternatif est redressé, filtré et éventuellement régulé pour être utilisé comme source d'énergie 1 o électrique continue représentative du niveau de champ reçu et traité par l'affichage. La figure 3 représente un exemple de réalisation d'un système selon l'invention comprenant l'antenne 1 disposée au voisinage d'une source d'émission de rayonnement, l'antenne étant reliée à une diode Schottky qui 15 transforme l'énergie reçue sur l'antenne en une tension électrique. Le signal électrique est filtré au moyen d'un filtre LC à deux branches afin d'éliminer les fréquences d'onde parasites, ce qui constitue un filtre ayant une fréquence de coupure Fc=1/2rr, permettant ainsi d'optimiser la puissance. Un vumètre 10 permet la visualisation de l'énergie au voisinage de la source de 20 rayonnement. L'invention s'applique aussi dans le domaine des radars, dans des environnements d'émission interrogateur-répondeur ou IFF. L'objet de l'invention présente notamment les avantages suivants : • Il utilise l'énergie émise comme source d'alimentation ou d'énergie et 25 comme information de mesure, le signal excitateur devient la source d'énergie de sa propre mesure, ce qui conduit à une autonomie complète du système de détection d'une source de forte énergie, • Il assure la détection d'émission afin de valider l'état opérationnel d'un émetteur, 30 • Il assure la détermination des zones de sécurité, autour de l'émetteur, en relation avec les normes de santé publique, sur une bande de fréquence étroite, du fait de la mise en oeuvre d'un circuit de conversion de l'énergie optimal en association avec un composant d'affichage de très faible consommation, ceci permet de conserver un rendement élevé de conversion d'énergie. REVENDICATIONS1 ù Système autonome de détection d'une énergie rayonnée par une source émettant des ondes de puissance élevée caractérisé en ce qu'il 5 comporte en combinaison au moins les éléments suivants : • Une antenne (1) de réception de l'énergie rayonnée par ladite source, • Un module (3) permettant la conversion de l'énergie rayonnée en un signal électrique, • Un dispositif (5) de détection visuelle ou sonore de l'énergie rayonnée 10 par l'intermédiaire du signal électrique, ledit dispositif de visualisation (5) étant alimenté par une partie ou la totalité du signal électrique issu de la conversion (3) de l'énergie captée par l'antenne. 2 ù Système autonome selon la revendication 1 caractérisé en ce 15 que le module de conversion (3) de l'énergie est une diode ou tout autre système de conversion d'énergie et en qu'il comporte un module d'adaptation (2) de l'impédance d'entrée de l'antenne à l'impédance de ladite diode. 20 3 ù Système autonome selon l'une des revendications 1 à 2 caractérisé en ce qu'il comporte un filtre (4) adapté à supprimer les raies résiduelles et d'intégrer le signal reçu dans le cas d'émission pulsée. 25