Brevet FR3072507A1 — publié le 20190419

Système de protection contre les agressions électromagnétiques destiné aux chaînes d'émission radiofréquence DOMAINE DE L'INVENTION La présente invention appartient au domaine de la transmission des ondes électromagnétiques et plus précisément des chaînes d'émission radiofréquence, elle concerne plus particulièrement un système de protection contre les agressions électromagnétiques de forte amplitude et de nature impulsionnelle pour les chaînes d'émission haute fréquence. ÉTAT DE L'ART La chaîne qui doit être protégée comprend des équipements situés à 10 l'extérieur, comme l'antenne et la ligne coaxiale et des équipements situés dans une enceinte faradisée permettant de protéger ces équipements contre le champ direct généré par l'agression électromagnétique. L'agression électromagnétique impulsionnelle induit, sur les éléments extérieurs de la chaîne, des contraintes électriques, qui se propagent jusqu'à 15 l'émetteur par l'intermédiaire d'une liaison coaxiale. Les sources de contraintes les plus fortes résultent du couplage du champ avec les structures exposées au rayonnement direct, c'est-à-dire l'antenne et la portion de ligne coaxiale extérieure à l'enceinte faradisée. Les antennes d'émission considérées sont de grandes structures sans 20 charge dissipative dont la taille est liée à la longueur d'onde de fréquence la plus basse. Une des difficultés est qu'une partie du contenu énergétique spectral de l'agression occupe la bande utile et ne peut donc qu'être partiellement filtrée en fréquence. 2 La liaison coaxiale reliant l'antenne à l'enceinte faradisée est exposée au champ direct. La contrainte développée le long de la ligne résulte de la diffusion du champ à travers le blindage du coaxial. Toutefois, cette contrainte collectée peut être rendue négligeable devant 5 celle collectée par l'antenne en choisissant un câble à faible impédance linéique de transfert dans la bande de l'impulsion. Une autre contrainte à prendre en considération est la compatibilité du dispositif avec le signal radioélectrique à transmettre qui peut être de forte puissance. Il existe des solutions pour protéger une chaine de réception. Par contre, il n'existe pas de dispositif permettant de protéger une chaîne d'émission de forte puissance constituée d'équipements standards, notamment l'émetteur. PRÉSENTATION DE L'INVENTION La présente invention concerne un système de protection contre des agressions électromagnétiques destiné à équiper une chaîne d'émission d'ondes électromagnétiques pourvue d'un émetteur placé dans une enceinte faradisée, d'au moins une antenne, et de liaisons coaxiales, intérieure et extérieure à ladite enceinte faradisée, reliant ledit émetteur à ladite antenne. Ce système de protection est remarquable en ce qu'il comporte, le long desdites liaisons coaxiales, une protection primaire au pied de ladite antenne et une protection de traversée de paroi à l'entrée de l'enceinte faradisée entre la liaison coaxiale intérieure et la liaison coaxiale extérieure, ladite protection primaire comportant au moins un éclateur primaire et ladite protection de traversée de paroi comportant un éclateur secondaire, un filtre et un écrêteur. Selon un mode de réalisation, l'éclateur primaire et l'éclateur secondaire sont des éclateurs à gaz. Avantageusement, l'éclateur primaire présente une tension d'amorçage 30 statique supérieure à une tension crête maximale du signal utile provenant de l'émetteur. 3 De la même façon, l'éclateur secondaire présente une tension d'amorçage statique comprise entre la tension crête maximale du signal utile de l'émetteur et la tension d'amorçage statique de l'éclateur primaire. Selon un mode de réalisation avantageux, le filtre de la protection de 5 traversée de paroi est un filtre passe bande. De préférence, la bande passante du filtre passe bande correspond à la bande d'émission de l'antenne. Par exemple, la bande passante du filtre passe bande est de 2 MHz à 30 MHz. 10 Selon un mode de réalisation, l'écrêteur de la protection de traversée de paroi présente un seuil indépendant de la forme d'impulsion et légèrement supérieur à la tension crête maximale du signal utile de l'émetteur. De façon avantageuse, l'éclateur secondaire, le filtre et l'écrêteur sont disposés dans cet ordre, en partant de l'extérieur vers l'intérieur de l'enceinte 15 faradisée. L'invention concerne également une chaîne d'émission comportant un système de protection tel que décrit, ladite chaîne d'émission présentant par exemple une bande utile de fréquences comprises entre 2 MHz et 30 MHz. Les concepts fondamentaux de l'invention venant d'être exposés ci-dessus 20 dans leur forme la plus élémentaire, d'autres détails et caractéristiques ressortiront plus clairement à la lecture de la description qui suit et en regard des dessins annexés, donnant à titre d'exemple non limitatif un mode de réalisation d'un système de protection et d'une chaîne d'émission conforme aux principes de l'invention. 25 BRÈVE DESCRIPTION DES FIGURES La figure 1 représente un synoptique d'une chaîne d'émission pourvue d'un système de protection selon l'invention. 4 DESCRIPTION DÉTAILLÉE DE MODES DE RÉALISATION Dans la suite de la description, l'agression électromagnétique rayonnée est un signal impulsionnel de forte amplitude caractérisé par son profil temporel. Par couplage avec la structure antennaire, l'agression est collectée par l'antenne et 5 génère, en pied d'antenne, un signal de fort niveau et présentant d'importantes variations instantanées de tension. La figure 1 représente un exemple de réalisation d'une chaîne d'émission 100 d'ondes radiofréquences (abrégées en RF) comprenant principalement un émetteur, une liaison coaxiale intérieur 20, une liaison coaxiale extérieure 30, et 10 une antenne d'émission, ladite chaîne d'émission intégrant un système de protection 10 contre des agressions électromagnétiques selon l'invention. Globalement, la chaîne d'émission 100 radioélectrique comprend, outre les éléments cités, d'autres éléments non représentés et qui participent à l'émission des ondes RF. 15 La chaîne d'émission 100, selon l'exemple de réalisation illustré, fonctionne dans une bande haute fréquence (abrégée en HF) usuelle qui correspond à des fréquences comprises entre 2 MHz et 30 MHz, et qui est couramment utilisée en radiocommunications. Selon l'exemple de réalisation illustré, l'émetteur de la chaîne d'émission 20 100 présente une puissance de 10 kW. L'émetteur constitue l'équipement de la chaîne d'émission le plus vulnérable aux agressions électromagnétiques, il est donc placé dans une enceinte faradisée qui limite son exposition au rayonnement direct et qui l'isole des signaux RF extérieurs qui pourraient altérer son fonctionnement. 25 De plus, l'enceinte faradisée présente une classe de faradisation compatible avec sa susceptibilité au rayonnement électromagnétique. Parmi les éléments non représentés de la chaîne d'émission, des équipements de répartition et de commutation du signal se trouvant en aval immédiat de l'émetteur sont également protégés au mettre titre que l'émetteur, 30 leurs susceptibilités en conduction ainsi qu'en rayonnement étant prises en compte. 5 L'émetteur de la chaîne d'émission 100 alimente l'antenne d'émission via des équipements de distribution non représentés et les liaisons coaxiales, courtes intérieure 20 et extérieure 30. L'antenne d'émission HF, selon l'exemple de réalisation illustré, présente 5 une large bande de fréquences comprises entre 2 MHz et 30 MHz, ladite antenne d'émission étant une structure sans charge dissipative, présentant des dimensions qui sont liées à la longueur d'onde de fréquence la plus basse. Le système de protection 10, délimité par un trait interrompu sur la figure 1, comporte deux parties, une protection primaire 12 à la base de l'antenne 10 d'émission et une protection de traversée de paroi 11 de l'enceinte faradisée, lesdites protections étant placées le long des liaisons coaxiales. Lorsqu'une agression électromagnétique impulsionnelle atteint la chaîne d'émission 100, elle induit des contraintes électriques, sous forme de courants induits, dans les éléments de la chaîne. Ces courants électriques se propagent 15 dans les liaisons coaxiales entre les différents équipements de la chaîne. Le système de protection 10 permet alors d'affaiblir suffisamment les courants induits par l'agression électromagnétique de sorte que tous les éléments de la chaîne d'émission 100 restent opérationnels pendant l'agression et après sa disparition. 20 Lors d'une agression électromagnétique, les contraintes électriques induites les plus fortes résultent d'un couplage entre le champ de l'agression et les éléments de la chaîne d'émission exposés au rayonnement direct, c'est-à-dire l'antenne et la portion des liaisons coaxiales située à l'extérieur de l'enceinte faradisée. 25 L'antenne de la chaîne d'émission 100 travaille dans une large bande utile pouvant contenir une partie du spectre énergétique de l'agression électromagnétique, qui ne peut donc être que partiellement filtrée en fréquence. Selon l'exemple illustré, la liaison coaxiale extérieure 30 qui relie l'antenne à l'enceinte faradisée, et qui se situe par là-même à l'extérieur de ladite enceinte 30 faradisée, est exposée au rayonnement direct comme souligné plus haut. La contrainte électrique générée le long de cette liaison coaxiale extérieure 30 résulte de la diffusion du champ de l'agression à travers un blindage de ladite liaison coaxiale extérieure. La diffusion du champ de l'agression vers l'intérieur de 6 l'enceinte faradisée est caractérisée par une impédance linéique de transfert du blindage ZT (en 0/m). Cette impédance dépend de la constitution matérielle et de la géométrie de la liaison coaxiale, et varie en fonction de la fréquence. La contrainte électrique collectée peut être rendue négligeable devant celle collectée 5 par l'antenne en choisissant par exemple une liaison à faible impédance linéique de transfert dans la bande de fréquence de l'agression. Protection primaire La protection primaire 12, selon l'exemple de réalisation illustré, comporte un éclateur primaire placé à la base de l'antenne entre ladite antenne et une 10 masse. En effet, l'agression électromagnétique collectée par l'antenne induit la contrainte électrique la plus énergique en raison de l'exposition de ladite antenne au rayonnement direct. Cette contrainte électrique induite au niveau de l'antenne présente d'importantes variations instantanées de tension, supérieures aux 15 variations de tensions produites dans le reste de la chaîne d'émission, elle est ainsi susceptible de détériorer la liaison coaxiale d'alimentation de l'antenne, c'est-à-dire la liaison coaxiale extérieure, par un claquage du diélectrique de ladite liaison coaxiale. L'éclateur primaire, qui est un éclateur à gaz selon l'exemple de réalisation 20 illustré, permet alors d'écrêter la contrainte impulsionnelle générée par l'agression en tête de la liaison coaxiale extérieure 30 qui alimente l'antenne, ledit éclateur primaire étant placé volontairement à cet endroit. L'éclateur primaire présente une tension d'amorçage statique supérieure à la tension crête maximale du signal utile provenant de l'émetteur de sorte que le 25 signal utile provenant de l'émetteur ne soit jamais écrêté en l'absence de perturbation. D'autant plus que la tension d'amorçage statique d'un éclateur est toujours inférieure à sa tension d'amorçage dynamique. En outre, l'éclateur primaire est capable d'écouler le courant de court-circuit de l'antenne en cas d'agression sans détériorer ses propres électrodes. 30 L'amplitude de la contrainte électrique résiduelle aux bornes de l'éclateur primaire est limitée et fractionnée dans le temps en plusieurs impulsions de faibles amplitudes générées à chaque amorçage dudit éclateur primaire. 7 Ainsi, l'amplitude crête et le contenu énergétique total de la contrainte résiduelle sont considérablement atténués par rapport à la contrainte électrique collectée au pied de l'antenne. Protection de traversée de paroi 5 La protection de traversée de paroi 11, selon l'exemple de réalisation illustré, comporte dans l'ordre, de l'extérieur vers l'intérieur de l'enceinte faradisée, un éclateur secondaire, un filtre passe bande et un écrêteur. L'ensemble de ces éléments est placé au niveau de la paroi de l'enceinte faradisée traversée par les liaisons coaxiales. 10 L'éclateur secondaire présente une tension d'amorçage statique comprise entre la tension crête maximale du signal utile de l'émetteur et la tension d'amorçage statique de l'éclateur primaire. L'éclateur secondaire permet de réduire les impulsions résiduelles de l'éclateur primaire, qui se propagent dans la liaison coaxiale extérieure 30 entre 15 l'antenne et ledit éclateur secondaire et qui se s'ajoutent à la contrainte électrique collectée par ladite liaison coaxiale extérieure. Le choix d'une liaison coaxiale extérieure 30 à faible impédance linéique de transfert permet de limiter considérablement la contrainte électrique collectée par ladite liaison coaxiale extérieure par rapport aux contraintes résiduelles de 20 l'éclateur primaire. Le filtre passe bande présente une bande passante identique à la bande utile de la chaîne d'émission, à savoir 2 - 30 MHz dans l'exemple illustré, et a pour rôle de diminuer le contenu énergétique hors bande utile des impulsions résiduelles de l'éclateur secondaire. 25 En outre, le filtre passe bande est dimensionné pour passer le signal d'émission issu de l'émetteur dans la bande utile avec une très faible perte. L'écrêteur est un écrêteur état solide (Solid-state en terminologie anglo-saxonne) présentant un seuil indépendant de la forme d'impulsion et légèrement supérieur à la tension crête maximale du signal utile de l'émetteur. 30 L'écrêteur de la protection de traversée de paroi 11 permet ainsi de limiter en amplitude la contrainte résiduelle, en sortie de ladite protection de traversée de paroi, à une valeur proche d'une valeur nominale du signal utile de l'émetteur de la chaîne. 8 Le système de protection tel que décrit permet ainsi d'obtenir une chaîne d'émission durcie, sans modification de l'émetteur, et comportant principalement : - Une protection primaire au pied de l'antenne protégeant la liaison coaxiale qui alimente ladite antenne par une opération d'écrêtage, 5 et permettant de réduire la contrainte induite par l'agression en des impulsions résiduelles étroites d'amplitudes considérablement réduites, en particulier dans le cas d'un couplage fort ; - Une liaison coaxiale extérieure dont le blindage est dimensionné de sorte que la contrainte collectée dans ladite liaison coaxiale 10 reste négligeable devant la contrainte collectée par l'antenne ; - Une enceinte faradisée de classe compatible avec la susceptibilité au rayonnement des équipements de la chaîne qu'elle protège ; - Une protection de traversée de paroi formée d'un éclateur, un filtre passe bande et un écrêteur permettant d'écrêter la contrainte 15 à l'entrée de ladite protection, de la filtrer hors bande utile de la chaîne, puis de la limiter en amplitude de façon à obtenir une contrainte résiduelle en sortie de ladite protection de valeur crête proche de la valeur nominale du signal utile de l'émetteur. Les différents éléments de protection permettent ainsi de préserver 20 l'intégrité fonctionnelle de la chaîne d'émission, et ce pour tout niveau d'agression inférieur ou égal à celui prescrit dans la norme qui régit ladite chaîne d'émission. REVENDICATIONS1. Système de protection (10) contre des agressions électromagnétiques impulsionnelles de forte amplitude destiné à équiper une chaîne d'émission (100) d'ondes électromagnétiques pourvue d'un émetteur placé dans une enceinte faradisée, d'au moins une antenne, et de liaisons coaxiales, intérieure (20) et extérieure (30) à ladite enceinte faradisée, reliant ledit émetteur à ladite antenne, caractérisé en ce qu'il comporte, le long desdites liaisons coaxiales, une protection primaire (12) au pied de ladite antenne et une protection de traversée de paroi (11) à l'entrée de ladite enceinte faradisée entre la liaison coaxiale intérieure et la liaison coaxiale extérieure, ladite protection primaire comportant un éclateur primaire et ladite protection de traversée de paroi comportant un éclateur secondaire, un filtre et un écrêteur. 2. Système de protection selon la revendication 1, dans lequel l'éclateur primaire et l'éclateur secondaire sont des éclateurs à gaz. 3. Système de protection selon la revendication 1 ou la revendication 2, dans lequel réclateur primaire présente une tension d'amorçage statique supérieure à une tension crête maximale du signal utile provenant de l'émetteur. 4. Système de protection selon la revendication 3, dans lequel l'éclateur secondaire présente une tension d'amorçage statique comprise entre la tension crête maximale du signal utile de l'émetteur et la tension d'amorçage statique de l'éclateur primaire. 5. Système de protection selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le filtre de la protection de traversée de paroi (11) est un filtre passe bande et dans lequel la bande passante dudit filtre passe bande correspond à la bande d'émission de l'antenne. 10 6. Système de protection selon la revendication 5, dans lequel la bande passante du filtre passe bande est de 2 MHz à 30 MHz. 5 7. Système de protection selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l'écrêteur de la protection de traversée de paroi (11) présente un seuil indépendant de la forme d'impulsion et légèrement supérieur à la tension crête maximale du signal utile de l'émetteur. 10 8. Système de protection selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l'éclateur secondaire, le filtre et l'écrêteur sont disposés dans cet ordre, en partant de l'extérieur vers l'intérieur de l'enceinte fa radisée. 15 9. Chaîne d'émission (100) caractérisée en ce qu'elle comporte un système de protection (10) selon l'une quelconques des revendications précédentes. 10. Chaîne d'émission selon la revendication 9, caractérisée en ce qu'elle présente une bande utile de fréquences comprises entre 2 MHz et 30 MHz.