Contribution au développement de modèles circuits pour l’étude de couplages électromagnétiques à l’intérieur d’enceintes métalliques

Dans de nombreux domaines d’activités (énergie, télécommunication, santé, aéronautique, automobile, ferroviaire…), les perturbations électromagnétiques sur les systèmes électroniques peuvent avoir pour effet de générer des dysfonctionnements susceptibles de mettre en cause la sécurité des personnes. Afin d’anticiper les dysfonctionnements, il est impératif de prendre en considération l’aspect « compatibilité électromagnétique (CEM) » dès la phase de conception d’un système [1]. Ceci implique la mise en place de méthodologies permettant d’analyser les niveaux de perturbations et de développer des techniques limitant leurs nuisances. Plus les problèmes CEM sont résolus tardivement dans la phase de conception d’un circuit, plus les coûts augmentent en raison de l’allongement du temps de mise sur le marché. Faisant suite à la phase de conception et développement, la validation finale de la CEM des produits et installations est basée sur l’application de normes d’essais, bien définies.

Le blindage électromagnétique est l’une des solutions employées pour réduire les problèmes d’interférences électromagnétiques au niveau des équipements, l’utilisation des enceintes métalliques de blindage à pour objet de contenir ou d’exclure les émissions rayonnées [1], malheureusement sur les parois de ces enceintes des ouvertures sont toujours présentes ; elles ont différents rôles : ventilation, l’affichage,…. On note aussi la présence de fils de connexions pour l’alimentation, le transfert de données,… Le couplage et la pénétration de l’énergie électromagnétique dans l’enceinte de blindage à travers les fils et les ouvertures engendrent des interférences électromagnétiques (IÉM) au niveau des différentes parties de l’équipement, ces IÉM sont à l’origine de tensions et courants parasites qui peuvent conduire à la défaillance du système entier. La prédiction des couplages entre les IÉM sur les systèmes électroniques sensibles situés dans des enceintes blindées est donc devenue une nécessité dans le domaine de la CEM des systèmes électroniques complexes.

L’étude du couplage d’un champ ÉM avec et à l’intérieur d’un boîtier de blindage d’un équipement électronique a été réalisée antérieurement en utilisant des méthodes numériques et analytiques. Le travail de recherche présenté tout au long de ce document de thèse a pour but d’apporter une contribution à une meilleure compréhension des modèles analytiques permettant une évaluation rapide des niveaux de couplages induits sur un équipement électrique et/ou électronique, en représentant celui-ci sous forme d’une enceinte métallique qui contient des monopôles, des dipôles, des plans de masse représentatifs de cartes et des lignes de transmissions. Le principe des modèles qui font l’objet de notre étude repose sur trois points essentiels :

– la décomposition de la géométrie du problème en plusieurs éléments,
– le développement des sous modèles électriques des différents éléments,
– la connexion entre les sous modèles permettant d’établir le circuit électrique équivalent à la géométrie du problème entier.

La multiplication du nombre de systèmes électriques et électroniques peut être responsable de problèmes de perturbations d’un dispositif par un autre. Aussi, afin d’assurer une bonne intégration dans son environnement, l’appareil ne doit pas polluer le milieu qui l’entoure par un rayonnement électromagnétique trop important. La prise de conscience de ces problèmes de perturbations a engendré la naissance d’une discipline scientifique qui est la compatibilité électromagnétique (CEM). La première partie de ce chapitre présentera de manière succincte les concepts de la CEM, les différentes perturbations électromagnétiques (ÉM), leurs origines, les gammes de fréquences concernées et leurs chemins de couplages entre circuits coupables et victimes. Dans la deuxième partie, nous allons évoquer la nécessité de prendre en compte les exigences de la CEM dès la phase de conception d’un système, puis nous allons proposer les techniques de protection contre les perturbations ÉM conduites et rayonnées en l’occurrence le filtrage et le blindage ÉM. La troisième partie traitera du calcul analytique de l’efficacité de blindage (SE) d’une plaque métallique et des différents problèmes de blindage des ouvertures pour les basses et hautes fréquences. La quatrième partie sera consacrée à la description de la problématique de notre étude qui représente le couplage ÉM à l’intérieur du boîtier métallique d’un équipement électronique. À la fin de ce chapitre, nous allons présenter les différentes méthodes numériques et analytiques utilisées pour prédire l’intensité du couplage ÉM avec les contenus d’un équipement électronique, puis nous allons sélectionner les approches sur lesquelles sera basée notre étude en expliquant leurs avantages ainsi que leur principe.

La Compatibilité Électromagnétique (CEM en anglais EMC) est la discipline qui étudie la cohabitation de tous les systèmes utilisant de l’énergie électrique , plus particulièrement les systèmes électroniques. Plus précisément, ses objectifs sont:

– ne pas perturber le fonctionnement des appareils électroniques environnants,
– ne pas être lui-même perturbé par les appareils de son environnement.

La CEM concerne trois acteurs, sont :
– le fabricant ou / et l’importateur,
– la personne qui commercialise le produit,
– l’utilisateur.

Table des matières

Introduction générale
Chapitre I : La CEM et les couplages des interférences ÉM avec un système électronique
I. 1 Introduction
I. 2 La Compatibilité ÉlectroMagnétique (CEM)
I. 2. 1 La définition de la CEM
I. 2. 2 La naissance de la CEM
I. 2. 3 Le rôle de la CEM
I. 2. 4 Les normes CEM
I. 3 Les perturbations électromagnétiques
I. 3. 1 L’origine
I. 3.1.1 Les sources naturelles
I. 3.1.2 Activité humaine
I. 3. 2 Fréquence
I. 3.2.1 Perturbations basse et moyenne fréquence
I. 3.2.2 Perturbations haute fréquence
I. 3. 3 Les vecteurs de propagation
I. 4 La conception CEM
I. 5 Les techniques de protection en CEM
I. 5. 1 Le filtrage: protection contre les perturbations conduites
I. 5.1.1 Les filtres: les produits
I. 5.1.2 Les filtres : précautions d’emploi
I. 5. 2 Le blindage ÉM : protection contre les perturbations rayonnées
I. 5.2.1 Le blindage en basse et en haute fréquence
I. 5. 3 Étude de l’efficacité de blindage d’une plaque métallique
I. 5.3.1 En champ lointain (onde plane)
I. 5.3.2 En champ proche magnétique
I. 5.3.3 En champ proche électrique
I. 5. 4 Le blindage ÉM d’une barrière métallique contenant des ouvertures
I. 6 La problématique : le couplage et la pénétration des perturbations ÉM à l’intérieur d’un équipement électronique
I. 7 Les méthodes d’étude du couplage ÉM à l’intérieur du boîtier métallique d’un équipement électronique
I. 7. 1 Les méthodes numériques
I. 7. 2 Les méthodes analytiques
I. 8 Les méthodes sélectionnées et les objectifs visés
I. 9 Conclusion
Chapitre II : La fonction de Green relative à une cavité métallique rectangulaire
I. 1 Introduction
I. 2 Les équations de rayonnement en espace libre
I. 2. 1 Les équations de Maxwell
I. 2. 2 La fonction de Green
I. 2. 3 Application à l’équation de rayonnement
I. 2. 4 La méthode des équations intégrales
I. 2.4.1 Équation de Pocklington
I. 2.4.2 Équation de Hallén
I. 3 La fonction de Green d’une cavité rectangulaire
I. 3. 1 La représentation modale de la FG dyadique d’une cavité rectangulaire
I. 3.1.1 La FG dyadique de type potentiel vecteur d’une cavité rectangulaire
I. 3.1.2 La FG dyadique type champ électrique d’une cavité rectangulaire
I. 3. 2 La prise en compte des pertes dans la cavité
I. 3.2.1 Analytiquement
I. 3.2.2 Numériquement
Conclusion générale

Télécharger le rapport complet