Brevet FR3004261A1 — publié le 20141010

Domaine de l'invention La présente invention a pour objet une chambre réverbérante comprenant une enceinte blindée constituée d'un plancher, de parois latérales et d'un plafond, et une antenne d'émission d'ondes radio- fréquences pour engendrer à l'intérieur de l'enceinte un rayonnement à une fréquence minimale d'utilisation. Art antérieur Les chambres réverbérantes à brassage de modes sont des moyens d'essai de compatibilité électromagnétique qui comprennent une enceinte blindée formant cage de Faraday à l'intérieur de laquelle on introduit un appareil à tester. On exploite les modes de résonance de la cavité définie par l'enceinte. Une chambre réverbérante permet ainsi entre autres de tester un équipement électrique afin de connaître l'influence que peuvent avoir des rayonnements électromagnétiques environnants sur cet équipement électrique ou à l'inverse, de déterminer l'énergie électromagnétique émise par l'équipement électrique dans son environnement. Aujourd'hui le brassage de modes est ainsi essentiellement fait dans le domaine des microondes dans le cadre de mesures de tests et d'essai en compatibilité électromagnétique (CEM). Ces moyens de tests qui s'effectuent en chambre réverbérante sont régis par la norme 61000-4-21 de la Commission Internationale de l'Electrotechnique. Le brassage permet d'assurer une uniformité statistique du champ et s'effectue à fréquence fixe. La technique mécanique est basée sur l'utilisation d'un brasseur de modes comprenant une pale métallique rotative qui a pour but de modifier les conditions aux limites. Cette pale peut être utilisée en mode de rotation pas à pas ou en mode de rotation continue. Ce dernier mode a pour but d'accélérer la procédure de brassage. La vitesse est toutefois limitée afin d'assurer un régime stationnaire. Une chambre réverbérante admet une fréquence minimale dénotée LUF (LUF pour "Lowest Usable Frequency" en anglais) à laquelle on associe un recouvrement modal noté ici N1. Dans le cas d'une chambre réverbérante métallique à dimensions fixes, il a déjà été proposé une technique permettant l'amélioration locale de l'uniformité du champ électromagnétique et l'abaissement de la LUF. Celle-ci nécessite l'insertion d'antennes supplémentaires fixées aux parois ainsi que l'utilisation d'un générateur arbitraire coûteux. Le principe est basé sur la synthèse de signaux (arbitraires) injectés dans les différentes antennes. L'idée est d'exciter les modes habituellement trop atténués dans une configuration classique afin d'augmenter artificiellement le nombre de modes excités, c'est-à-dire le recouvrement modal, et parvenir ainsi à obtenir une uniformité statistique du champ électromagnétique y compris à une fréquence inférieure à la LUF. Pour plus de détails sur cette technique connue, on peut se référer à un article de Cozza et al. - Symposium on Electromagnetic Compatibility (APEMC), 2012 Asia-Pacific, pp. 765-768 (Ref 1). Définition et objet de l'invention La présente invention vise à remédier aux inconvénients précités et à permettre d'améliorer l'uniformité du champ électromagnétique dans une chambre réverbérante tout en offrant également la possibilité d'abaisser la fréquence minimale d'utilisation d'une chambre réverbérante. L'invention vise également à obtenir ces résultats avec des matériaux et composants peu coûteux. Ces buts sont atteints, conformément à l'invention, grâce à une chambre réverbérante à uniformité de champ électromagnétique 5 améliorée, comprenant une enceinte blindée constituée d'un plancher, de parois latérales et d'un plafond, et une antenne d'émission d'ondes radiofréquences pour engendrer à l'intérieur de l'enceinte un rayonnement à une fréquence minimale d'utilisation, caractérisée en ce qu'elle comprend en outre à l'intérieur de l'enceinte un ensemble d'éléments passifs et 10 sélectifs d'absorption de radiofréquences dans une bande de fréquences définie. Selon un mode particulier de réalisation, ladite bande de fréquences définie a une borne supérieure qui est ladite fréquence minimale d'utilisation de la chambre réverbérante. 15 La chambre réverbérante comprend un brasseur de modes de résonance à l'intérieur de l'enceinte. De façon plus particulière, les éléments passifs et sélectifs d'absorption de radiofréquences comprennent des matériaux composites artificiels dont les propriétés de coefficient de transmission sont sélectives 20 en fréquence. Selon un mode de réalisation particulier, les éléments passifs et sélectifs d'absorption de radiofréquences comprennent des réseaux à structure périodique, dont la taille des motifs élémentaires est de l'ordre de la demi-longueur d'onde de la fréquence d'absorption souhaitée. 25 Selon un autre mode de réalisation particulier, les éléments passifs et sélectifs d'absorption de radiofréquences comprennent des méta-matériaux comportant des matrices de motifs. Selon un autre mode de réalisation particulier, les éléments passifs et sélectifs d'absorption de radiofréquences comprennent un absorbant encapsulé dans des empilements de réseaux à structure périodique ou des méta-matériaux. Pour les métamatériaux, les motifs peuvent être des gravures en matériau métallique conducteur tel que du cuivre ou de l'aluminium, sur un matériau diélectrique et présentent de préférence une taille qui est de l'ordre du dixième d'une longueur d'onde correspondant à ladite fréquence minimale d'utilisation. Dans le cas d'un empilement, cet empilement peut comprendre deux ou trois couches superposées et les réseaux à structure périodique 10 ou les méta-matériaux peuvent comprendre des motifs constitués par des anneaux circulaires ou carrés. La fréquence minimale d'utilisation est de préférence comprise entre 100 MHz et 18 GHz. L'absorbant peut être une mousse absorbante dans le domaine des 15 micro-ondes, telle que celle constituée d'uréthane. Selon un mode particulier de réalisation, les éléments passifs et sélectifs d'absorption de radiofréquences se comportent comme des filtres passe-bas à l'échelle des bandes de fréquence considérées. Les éléments passifs et sélectifs d'absorption de radiofréquences 20 peuvent également constituer un filtre spatial passe-bande. Selon l'invention, on insère ainsi dans une chambre réverbérante (CR) un absorbant sélectif en fréquence (ASF) qui est un type d'absorbant permettant d'insérer localement des pertes, c'est-à-dire d'insérer des pertes sur une bande de fréquences donnée. Une conséquence directe est 25 une amélioration (locale et donc sélective) du recouvrement modal. L'augmentation de ce recouvrement modal a pour effet d'améliorer l'uniformité statistique du champ électromagnétique (EM) au sein de la chambre réverbérante à une fréquence donnée. Selon une réalisation préférentielle, si l'on considère que la bande de fréquence de l'absorbant sélectif en fréquence admet comme borne supérieure la LUF, l'insertion de l'absorbant sélectif en fréquence permet alors une augmentation du recouvrement modal. Le recouvrement modal N1 est alors observé à une fréquence inférieure à la LUF classique, ce qui signifie que l'on a ainsi diminué la fréquence minimale d'utilisation de la chambre réverbérante. Brève description des dessins D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description suivante de modes particuliers de réalisation de l'invention donnés à titre d'exemples en référence aux dessins annexés, sur lesquels : La Figure 1 représente une vue schématique d'une chambre réverbérante selon la présente invention, - La Figure 2 montre un exemple de surface sélective en fréquence à motifs carrés agencés périodiquement de manière à constituer un filtre passe-bas, à l'échelle des bandes de fréquences considérées, - La Figure 3 montre une courbe illustrant la réponse en fréquence de la surface sélective en fréquence illustrée sur la figure 2, - La Figure 4 montre un exemple d'empilement de couches absorbantes se comportant comme un filtre passe-bande, La Figure 5 montre un exemple de structure de type réjecteur de bande, et - La Figure 6 montre un exemple de structure absorbante à plusieurs fréquences. Description détaillée de modes de réalisation préférentiels La technique proposée selon l'invention permet l'amélioration locale de l'uniformité du champ EM avec une possibilité optionnelle et préférentielle d'abaissement de la LUF. Cette technique présente deux avantages majeurs sur les techniques de l'art antérieur rappelées plus haut. Le premier avantage est qu'elle est purement passive, c'est-à-dire ne nécessite pas de générateur additionnel autre que celui classiquement utilisé dans une chambre réverbérante. Le deuxième avantage est qu'il s'agit d'un objet transportable sans aucune contrainte spécifique de placement au sein de la chambre réverbérante. Un exemple de placement d'absorbants sélectifs en fréquence est donné figure 1 dans une chambre réverbérante à brassage de modes 1 comprenant une enceinte 10 blindée constituée d'un plancher 11, de parois latérales 13 à 16 et d'un plafond 12. On a représenté à l'intérieur de la chambre réverbérante un objet sous test 3, qui peut être par exemple un téléviseur ou tout autre type d'appareil électrique ou électronique, placé sur un support 31. Une antenne d'émission 2 d'ondes radio-fréquences permet d'engendrer à l'intérieur de l'enceinte 10 un rayonnement à une fréquence minimale d'utilisation (LUF) pour des tests de susceptibilité. Un brasseur 4 assure le brassage de modes souhaité. La figure 1 montre également deux absorbants sélectifs passifs 5 et 6 placés à l'intérieur de l'enceinte 10 et obtenus par deux techniques différentes qui seront décrites ci-après. L'invention est basée sur des matériaux composites artificiels dont la propriété de coefficient de transmission est sélective en fréquence. La proposition détaillée ici est basée sur l'utilisation de réseaux à structures périodiques classiques, dénommés surfaces sélectives en fréquence (SSF), et/ou de méta-matériaux. Ces derniers sont également à structures périodiques mais ils permettent de réaliser des permittivités et/ou perméabilités négatives et sont généralement constitués de motifs de taille plus réduite, typiquement de l'ordre de À/10, c'est-à-dire de l'ordre du dixième de la longueur d'onde correspondant à la LUF. Par conséquent, pour des raisons d'encombrement directement lié à la taille des motifs, il sera préférable d'avoir recours aux méta-matériaux pour des fréquences inférieures au GHz. Il est important de souligner que n'importe quel autre procédé permettant d'obtenir un matériau sélectif en fréquence est envisageable et entre dans le cadre de la méthode proposée. En conséquence, les exemples cités dans la présente demande sont donnés à titre d'exemples et démontrent la faisabilité de l'invention, mais ne doivent pas être considérés comme exhaustifs. La première méthode proposée ici consiste à considérer la mise en oeuvre de ladite invention par l'utilisation d'un absorbant encapsulé 6. L'absorbant proprement dit 61, ou matériau A (qui peut être de l'uréthane par exemple), large bande inclut la LUF dans son domaine de fréquences. L'idée est de réduire la plage de fréquences sur laquelle l'absorbant sera « vu » par des ondes EM. Il est important de noter que la volonté de réduire cette plage de fréquences n'est pas anodine. En effet, on rappelle que l'utilisation de la chambre réverbérante porte entre autres sur l'exploitation des résonances de la cavité 10 pour obtenir des niveaux de champ EM intenses, très utiles dans les tests de susceptibilité EM. L'insertion de pertes à des fréquences 25 où le recouvrement modal est déjà suffisant n'est donc pas bénéfique dans la mesure où l'on réduit l'effet des résonances, et donc le niveau des champs maximaux, sans pour autant améliorer l'uniformité du champ EM. On comprend alors l'intérêt de réduire la plage. Pour ce faire, une technique possible est d'encapsuler l'absorbant 61 par des éléments 62, 63 constitués par des surfaces sélectives en fréquence (SSF) ou des empilements de méta-matériaux dont le coefficient de transmission global est « plat » sur une bande de fréquences AF. Chaque élément de l'empilement sera conçu pour travailler sur une 5 bande de fréquences donnée. La taille maximale des motifs constituant le méta-matériau ainsi que la taille maximale des panneaux de méta matériaux est dictée en première approximation par la LUF. Une dimension typique d'une demi-longueur d'onde des panneaux est à considérer et d'un dixième de longueur d'onde pour les motifs. 10 A titre d'exemple, une chambre réverbérante de 13 mètres cubes peut admettre une LUF autour de 500 MHz. Il s'ensuit des panneaux de 30 cm avec des motifs de l'ordre de 6 cm. Plus généralement, pour une LUF de valeur fLUF, la dimension Imax maximale d'une plaque de type polygone est alors telle que, 15 Imax= c/(2*fLUF). Le type de polygone n'est ici pas précisé, car la forme exacte des surfaces sélectives n'est pas contraignante. Celle-ci sera plutôt dictée par la forme des absorbants eux-mêmes. D'un point de vue phénoménologique, il s'ensuit qu'une onde 20 incidente dont la fréquence appartient à AF sera transmise par le méta matériau à l'absorbant central. Les pertes découlant de cet absorbant se traduisent par un abaissement du facteur de qualité de la chambre réverbérante à la fréquence considérée et donc à un élargissement des réponses fréquentielles des modes (inclus dans la bande AF) de la cavité. 25 Cet élargissement a pour effet de pouvoir exciter ce mode sur une bande de fréquences plus large. Si plusieurs modes inclus dans AF sont dans ce cas de figure (et tel est le cas), on parvient ainsi à exciter plus de modes à une fréquence fixe qu'en l'absence du matériau B. On rappelle que l'antenne émettrice dans une chambre réverbérante utilisée dans le cadre de la norme IEC 61000-4-21 est censée être excitée en régime sinusoïdal, c'est-à-dire à fréquence fixe. A contrario, si la fréquence de l'onde incidente n'appartient pas à AF, l'onde sera réfléchie par le méta-matériau et les pertes du matériau A ne seront pas ressenties. En d'autres termes, la chambre réverbérante fonctionnera classiquement. Le succès de la technique est d'autant meilleur que l'anisotropie des méta-matériaux est faible, c'est-à-dire que le comportement des surfaces sélectives en fréquence ou des méta-matériaux ne dépend pas de l'angle d'incidence de l'onde et de la polarisation de l'onde. De tels matériaux existent à l'heure actuelle, comme indiqué par exemple dans un article de Zhou et al., Phys. Rev. Lett.94, 243905 (Ref. 2) ou encore dans un article de Huang-L. et al, Progress In Electromagnetics Research, vol.113, pp.103-110, 2011 (Ref 3). La technique détaillée n'est pas exhaustive. Elle présente néanmoins un avantage considérable en ce qui concerne le coût puisque les méta-matériaux utilisés dans les bandes de fréquences considérées sont, basiquement, des motifs en cuivre 71 sur un diélectrique de type FR4 (composite de résine epoxy renforcé de fibres de verre) ou Duroid (composite de PTFE renforcé de micro-fibres de verre). Le choix des motifs et de la structure globale dépend du type de filtre souhaité. Pour un abaissement de la LUF, un filtre de type passe-bas à l'échelle des bandes de préférence considérées est souhaitable. Une structure classique consiste dans ce cas à prendre des motifs 71 carrés agencés périodiquement, comme montré figure 2. La réponse en fréquence obtenue pour ce dimensionnement est illustrée figure 3. L'intérêt de l'invention ne se cantonne pas à la réduction possible de la LUF. Pour en comprendre la raison, on présentera quelques rappels. Le recouvrement modal dépend des pertes et de la densité modale. Ces deux quantités sont, en moyenne, croissantes avec la fréquence. Toutefois, sur une bande de fréquences donnée le recouvrement modal résultant peut être très fluctuant. Ces fluctuations peuvent induire, notamment à des fréquences supérieures à la LUF, une uniformité de champ EM non satisfaisante ou au contraire très satisfaisante. Cette disparité de scénario est évidemment d'autant plus probable pour des zones de fréquences proches de la LUF, mais supérieures à celle-ci. Ainsi pour un absorbant B conçu pour ces zones de fréquences, on assurera une uniformité plus probable et donc, une augmentation de fiabilité des méthodes de tests. Dans ce cas de figure, un comportement de type passe-bande est à envisager, afin que l'absorbant n'agisse que dans une plage de fréquences définie. Un exemple de couches 81 et 83 de matériau A enserrant une couche 82 de matériau B pour former un filtre spatial passe-bande 84 est représenté sur la figure 4, le détail de la réalisation des couches étant donné dans la Ref. 3 pré-citée. La deuxième méthode consiste à s'affranchir de l'utilisation de mousse absorbante en utilisant des SSF et/ou méta-matériaux de type réjecteur de bande (cf l'article de Gay-Balmaz-P. et al., J. Appl. Phys 92 (5), pp.2929-2936, 2002 (Ref.4)), qui seront directement placés au sein de la chambre réverbérante comme montré par l'élément 5 de la figure 1. Une distance d'au moins une demi-longueur d'onde est souhaitable entre l'absorbant sélectif en fréquence et la paroi verticale la plus proche. L'utilisation de ce type de dispositif est a priori plus adaptée à l'amélioration locale de la densité modale. Une utilisation pour un abaissement de la LUF n'est toutefois pas à exclure. Un exemple d'une telle structure est donné figure 5 où l'on voit des motifs 51 avec deux anneaux carrés imbriqués l'un dans l'autre et présentant chacun une interruption de faible longueur qui réduit fortement la fréquence de résonance du système. Les centres de deux motifs successifs sont écartés d'une distance d. D'autres types de motifs sont exploitables. Un dimensionnement de surfaces sélectives en fréquence est détaillé dans un article "Frequency Selective Surface and Grid Array", WU- T.K., Wiley, 1995 (Ref. 5). Il est à noter que l'utilisation de surfaces sélectives en fréquence est d'autant plus appropriée que les fréquences, pour lesquelles on désire améliorer l'absorption, sont élevées, et ce pour des raisons d'encombrement. Cela concerne typiquement les chambres réverbérantes de petite taille dont le volume est de l'ordre de quelques mètres cube. Dans le cas où les fréquences sont typiquement inférieures au GigaHertz, il est préférable d'opter pour des méta-matériaux. Il peut être également souhaitable d'avoir des absorptions à plusieurs fréquences. Un exemple de réalisation est donné figure 6 avec des superpositions de motifs : motif haut 91, motif central 92 et motif bas 93, l'écartement entre les motifs superposés pouvant par exemple être de 0,5 mm. Le détail du dimensionnement est donné dans la Ref. 3 pré-citée. Une première couche de matériau diélectrique est intercalée entre le motif haut 91 et le motif central 92 en cuivre qui comprennent chacun trois anneaux carrés concentriques. Une deuxième couche de matériau diélectrique est intercalée entre le motif central 92 et le motif bas 93 qui comprend une surface carrée remplie de cuivre. D'une manière générale, l'invention concerne une technique et/ou un objet basés sur des matériaux passifs et facilement portables. En outre 25 elle est basée sur l'utilisation de matériaux et composants peu onéreux. Bien que la zone de fréquence proche de la LUF soit utilisable d'après la norme, elle implique des variances du champ trop importantes (c'est-à-dire une mauvaise uniformité de champ). La physique des cavités explique très bien cette probabilité d'écart à la loi. La présente invention permet d'améliorer l'uniformité du champ dans cette zone de fréquences, réduisant ainsi cette probabilité de mauvaise uniformité. D'un point de vue pratique, on peut ainsi envisager différents 5 modèles sur étagère. Ces modèles auront deux caractéristiques principales : le niveau de pertes inséré et la bande de fréquences d'opération. Un utilisateur ou un constructeur de chambre réverbérante pourra acquérir le modèle adapté aux caractéristiques de sa chambre 10 (dimensions, niveau de pertes, valeur de la LUF,...) afin d'une part d'améliorer l'uniformité du champ EM dans les zones sensibles, c'est-à-dire pour des fréquences supérieures à la LUF et/ou d'autre part d'abaisser la LUF. La technique « concurrente » connue nécessite une insertion 15 d'antennes dans les chambres réverbérantes et un générateur arbitraire coûteux. En outre, la participation de modes habituellement peu excités suppose un rendement global très bas. On entend par rendement le rapport entre l'énergie du champ EM au sein de la chambre réverbérante et l'énergie des signaux arbitraires à envoyer dans les diverses antennes. 20 Sur le plan des réalisations pratiques, l'invention implique une reproductibilité égale à celle des circuits imprimés actuels avec une complexité de réalisation bien moindre que les cartes électroniques actuelles. L'ordre de grandeur de la taille d'un absorbant 5 ou 6 selon l'invention peut correspondre par exemple à celle d'une carte grand format 25 de 40*60 cm, avec une masse de 1kg maximum. La taille des absorbants encapsulés 6 dépend toutefois essentiellement de la fréquence à laquelle on souhaite améliorer l'uniformité. REVENDICATIONS1. Chambre réverbérante à uniformité de champ électromagnétique améliorée, comprenant une enceinte (10) blindée constituée d'un plancher (11), de parois latérales (13 à 16) et d'un plafond (12), et une antenne d'émission (2) d'ondes radio-fréquences pour engendrer à l'intérieur de l'enceinte (10) un rayonnement à une fréquence minimale d'utilisation, caractérisée en ce qu'elle comprend en outre à l'intérieur de l'enceinte (10) un ensemble (5, 6) d'éléments passifs et sélectifs d'absorption de radiofréquences dans une bande de fréquences définie. 2. Chambre réverbérante selon la revendication 1, caractérisée en ce que ladite bande de fréquence définie a une borne supérieure qui est ladite fréquence minimale d'utilisation de la chambre réverbérante. 3. Chambre réverbérante selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisée en ce qu'elle comprend un brasseur (4) de modes de résonance à l'intérieur de l'enceinte (10). 4. Chambre réverbérante selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que les éléments passifs et sélectifs d'absorption de radiofréquences comprennent des matériaux composites artificiels dont les propriétés de coefficient de transmission sont sélectives en fréquence. 5. Chambre réverbérante selon la revendication 4, caractérisée en ce que les éléments passifs et sélectifs d'absorption de radiofréquences (5) comprennent des réseaux à structure périodique dont la taille des motifs élémentaires est de l'ordre de la demi-longueur d'onde de la fréquence d'absorption souhaitée. 30042 6 1 14 6. Chambre réverbérante selon la revendication 4, caractérisée en ce que les éléments passifs et sélectifs d'absorption de radiofréquences (5) comprennent des méta-matériaux comportant des matrices de motifs (51). 5 7. Chambre réverbérante selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisée en ce que les éléments passifs et sélectifs d'absorption de radiofréquences comprennent un absorbant (61) encapsulé dans des empilements (62, 63) de réseaux à structure périodique ou des méta-matériaux. 10 8. Chambre réverbérante selon la revendication 6, caractérisée en ce que les motifs (51) sont des gravures en un matériau métallique conducteur sur un matériau diélectrique et présentent une taille qui est de l'ordre du dixième d'une longueur d'onde correspondant à ladite fréquence minimale 15 d'utilisation. 9. Chambre réverbérante selon la revendication 7, caractérisée en ce que ledit empilement comprend deux ou trois couches (61 à 63) superposées et les réseaux à structure périodique ou les méta-matériaux comprennent 20 des motifs constitués par des anneaux circulaires ou carrés. 10. Chambre réverbérante selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisée en ce que ladite fréquence minimale d'utilisation est comprise entre 100 MHz et 18 GHz. 25 11. Chambre réverbérante selon la revendication 7, caractérisée en ce que l'absorbant (61) comprend une mousse absorbante dans le domaine des micro-ondes. 30042 6 1 15 12. Chambre réverbérante selon la revendication 5 ou la revendication 6, caractérisée en ce que les éléments passifs et sélectifs d'absorption de radiofréquences se comportent comme des filtres passe-bas, à l'échelle des bandes de fréquences considérées. 5 13. Chambre réverbérante selon l'une quelconque des revendications 1 à 11, caractérisée en ce que les éléments passifs et sélectifs d'absorption de radiofréquences constituent un filtre spatial passe-bande. 10 14. Chambre réverbérante selon l'une quelconque des revendications 1 à 13, caractérisée en ce que les éléments passifs et sélectifs d'absorption de radiofréquences sont disposés à une distance des parois latérales (13 à 16) de l'enceinte (10) qui est au moins égale à la moitié de la longueur d'onde correspondant à ladite fréquence minimale d'utilisation de la 15 chambre réverbérante.