INTRODUCTION A LA CEM

1. INTRODUCTION A LA CEM Le problème général de la CEM Les modes de transmission des perturbations électromagnétiques Principales victimes des perturbations électromagnétiques et comportement Unités en CEM Conversion temps/fréquences Spécifications de la CEM Reproduction interdite ALCATEL ESPACE Reproduction forbidden

2. OBJECTIF DE LA CEM RENDRE COMPATIBLE LE FONCTIONNEMENT D’UN SYSTEME SENSIBLE AVEC SON ENVIRONNEMENT ELECTROMAGNETIQUE Reproduction interdite ALCATEL ESPACE Reproduction forbidden

3. INTERFERENCES ELECTROMAGNETIQUES Une interférence électromagnétique est le résultat de la perturbation d’un système électrique, électronique, etc. par un autre circuit, ou un phénomène électrique extérieur au système. L’interférence n’est pas le signal perturbateur lui-même mais le fait qu’il se couple avec un système suffisamment vulnérable pour être affecté. CONCEPT DE SOURCE/VICTIME Reproduction interdite ALCATEL ESPACE Reproduction forbidden

4. SITUATION TYPIQUE D’INTERFERENCE Source EMI (perturbateur) Chemin de transmission Récepteur (victime) Control de l’émission (réduire le niveau de la source de bruit) (limiter la propagation) Control de la susceptibilité (augmenter l’immunité de la victime) (limiter la propagation) rayonnée conduite rayonnée conduite Reproduction interdite ALCATEL ESPACE Reproduction forbidden

5. SITUATION TYPIQUE D’INTERFERENCE Il y a situation d’interférences dès que la somme des perturbateurs dépasse le seuil de susceptibilité du circuit sous test (zone hachurée) Reproduction interdite ALCATEL ESPACE Reproduction forbidden

6. LES MODES DE TRANSMISSION DES PERTURBATIONS ELECTROMAGNETIQUES Reproduction interdite ALCATEL ESPACE Reproduction forbidden

7. MODE COMMUN / MODE DIFFERENTIEL Le mode commun est LE problème récurrent de la CEM • Tous les mécanismes de couplage en mode commun sont efficaces en HF: • Impédance commune • Diaphonie inductive et capacitive • Champ à câble ou piste • Champ à boucle de masse Reproduction interdite ALCATEL ESPACE Reproduction forbidden

8. LES MODES DE TRANSMISSION DES PERTURBATIONS ELECTROMAGNETIQUES COUPLAGE PAR IMPEDANCE COMMUNE COUPLAGE PAR DIAPHONIE COUPLAGE PAR RAYONNEMENT ELECTROMAGNETIQUE Reproduction interdite ALCATEL ESPACE Reproduction forbidden

9. COUPLAGE PAR IMPEDANCE COMMUNE Reproduction interdite ALCATEL ESPACE Reproduction forbidden

10. Survient chaque fois que différents circuits se partagent des conducteurs en commun, principalement la masse. S’aggrave quand la fréquence augmente car l’impédance des conducteurs est surtout inductive. COUPLAGE PAR IMPEDANCE COMMUNE Reproduction interdite ALCATEL ESPACE Reproduction forbidden

11. En basse fréquence : Z En haute fréquence : Z CALCUL DE L’IMPEDANCE D’UN PLAN DE CUIVRE APPLICATION : IMPEDANCE D’UN PLAN DE CUIVRE DE 10cm*10cm A LA FREQUENCE DE 30 MHz Reproduction interdite ALCATEL ESPACE Reproduction forbidden

12. CALCUL DE L’IMPEDANCE D’UNE PISTE L’IMPEDANCE D’UNE PISTE DE CIRCUIT IMPRIME DE LONGUEUR «L», DE LARGEUR «d» ET D’EPAISSEUR «e» SE CALCULE PAR : • EN BASSE FREQUENCE : • EN HAUTE FREQUENCE : (L en m, d et e sont exprimés en mm) (L, d et e sont exprimés en mètres) APPLICATION : IMPEDANCE D’UNE PISTE DE LONGUEUR L=10cm, DE LARGEUR d=1mm ET D’EPAISSEUR e=35µm A LA FREQUENCE DE 30 MHz : Reproduction interdite ALCATEL ESPACE Reproduction forbidden

13. COUPLAGE PAR DIAPHONIE Reproduction interdite ALCATEL ESPACE Reproduction forbidden

14. Couplage entre un champ magnétique et une boucle. B Ip Iv COUPLAGE PAR DIAPHONIE INDUCTIVE • La diaphonie inductive apparaît lorsque deux circuits sont parallèles sur une certaine longueur. • Un courant Ip variable dans le temps crée un champ H. Par phénomène d’induction, un courant Iv apparaît dans la ligne victime. • Ce type de diaphonie est prédominant en HF car les impédances en bout de ligne diminuent. Reproduction interdite ALCATEL ESPACE Reproduction forbidden

15. Ligne 1 source I2 L1 M I1 L2 Ligne 2 victime V COUPLAGE PAR DIAPHONIE INDUCTIVE Modélisation du couplage par diaphonie • Les deux lignes se couplent comme le primaire et le secondaire d’un transformateur par l’intermédiaire de la mutuelle inductance M. Tension induite dans la boucle victime U=2.P.F.M.Ip F=Fréquence du courant perturbateur M=Mutuelle inductance entre les deux lignes Ip=Courant dans la ligne perturbatrice Reproduction interdite ALCATEL ESPACE Reproduction forbidden

16. COUPLAGE PAR DIAPHONIE CAPACITIVE COUPLAGE PAR DIAPHONIE CAPACITIVE Couplage entre un champ électrique et un fil • La diaphonie capacitive apparaît lorsque des circuits sont parallèles sur une certaine longueur. Vp Vv • La tension Vp crée un champ E qui lui même induit une tension Vv aux bornes de la ligne victime. Un courant Iv est ainsi établit dans la ligne victime. • Ce type de diaphonie est prédominant en BF car les impédances des circuits sont (habituellement) plus élevées que celles des lignes. Reproduction interdite ALCATEL ESPACE Reproduction forbidden

17. COUPLAGE PAR DIAPHONIE CAPACITIVE Modélisation du couplage par diaphonie capacitive Ligne 1 source i Cm V Ligne 2 victime • Les deux lignes se couplent par l’intermédiaire de la capacité ligne à ligne Cm qui matérialise le couplage capacitif. Courant induit dans le circuit victime I=2.P.F.Cm.Up F=Fréquence de la tension perturbatrice Cm=Capacité mutuelle entre les deux lignes Up=Tension perturbatrice Reproduction interdite ALCATEL ESPACE Reproduction forbidden

18. REDUCTION DES COUPLAGES PAR DIAPHONIE chemin de couplage source • limiter les dV/dt • éloigner les lignes ou ne pas les mettre parallèle • utiliser des paires torsadées Diaphonie capacitive Diaphonie inductive victime victime chemin de couplage source • choisir un diélectriqued’enrobage des fils avec er faible • réduire la surface de boucle • réduire la surface de boucle • blinder le fil • éloigner les lignes ou ne pas les mettre parallèle • limiter les dI/dt Reproduction interdite ALCATEL ESPACE Reproduction forbidden

19. COUPLAGE PAR RAYONNEMENT ELECTROMAGNETIQUE Reproduction interdite ALCATEL ESPACE Reproduction forbidden

20. COUPLAGE PAR RAYONNEMENT ELECTROMAGNETIQUE • Le champ électrique est généré par une DDP entre deux points de l’espace • Il a pour effet d’induire un courant sur les fils parallèles aux lignes de champ • Le champ magnétique est généré par une circulation de courant • Il a pour effet d’induire une DDP dans les boucles perpendiculaires aux lignes de champ UN CHAMP ELECTROMAGNETIQUE EST COMPOSE D’UN CHAMP ELECTRIQUE ET D’UN CHAMP MAGNETIQUE Reproduction interdite ALCATEL ESPACE Reproduction forbidden

21. PROTECTION CONTRE UN RAYONNEMENT ELECTROMAGNETIQUE BLINDER ET ASSURER UNE BONNE CONTINUITE ELECTRIQUE MATERIAU (conductivité, absorption) EPAISSEUR DE METALLISATION TRAITEMENT DE SURFACE ETAT DE SURFACE OUVERTURE, FENTES Reproduction interdite ALCATEL ESPACE Reproduction forbidden

22. MECANISME DE L’EFFET DE BLINDAGE EN PRATIQUE, UN BLINDAGE EST UN ATTENUATEUR FONCTIONNANT SELON DEUX MECANISMES COMBINES : REFLEXION ET ABSORPTION Champ reçu en un point donné, sans blindage EFFICACITE DE BLINDAGE (Eb) = Champ reçu en un point donné, avec blindage Reproduction interdite ALCATEL ESPACE Reproduction forbidden

23. EFFICACITE DE BLINDAGE DES MATERIAUX CONDUCTEURS • R = S des pertes par réflexion (en dB) • A = S des pertes par absorption (en dB) • B = S des pertes par re-réflexion (en dB) Reproduction interdite ALCATEL ESPACE Reproduction forbidden

24. PERTES PAR ABSORPTION L’absorption (A) est proportionnelle au rapport épaisseur de la barrière métallique (e) sur épaisseur de peau (d) à la fréquence considérée. L’absorption (A) est indépendante de l’impédance de l’onde (champ proche, champ lointain). Reproduction interdite ALCATEL ESPACE Reproduction forbidden

25. EFFET DE PEAU • L’effet de peau (pelliculaire) est un phénomène de conduction : le courant alternatif circule préférentiellement en surface des conducteurs. • L’affaiblissement de la densité surfacique du courant (enA/m) suit une loi exponentielle avec une constante d’espace notée d, appelée «épaisseur de peau». Reproduction interdite ALCATEL ESPACE Reproduction forbidden

26. PERTES PAR REFLEXION La réflexion (R) est liée à la désadaptation entre l’impédance de l’onde Zch et l’impédance de la barrière métallique (Zb) Il faut distinguer 3 cas en fonctions de l’impédance de l’onde : En champ lointain (distance entre la source de rayonnement et la barrière d>l/2p, E/H=120p) ( si épaisseur barrière e > épaisseur de peau d ) En champ proche magnétique (d<l/2p), impédance de l’onde très petite En champ proche électrique (d<l/2p), impédance de l’onde très grande Reproduction interdite ALCATEL ESPACE Reproduction forbidden

27. CHAMP PROCHE, CHAMP LOINTAIN IMPEDANCE D’ONDE Reproduction interdite ALCATEL ESPACE Reproduction forbidden

28. PRINCIPES FONDAMENTAUX POUR REALISER UN BLINDAGE • Le blindage des champs électriques: • aux basses fréquences est dû à la réflexion, • aux hautes fréquences est dû à l’absorption. • Le blindage des champs magnétiques aux basses fréquences est dû à l’absorption. • Un matériau de conductivité élevée à une influence positive sur l’absorption et la réflexion. • Un matériau de perméabilité magnétique élevée donne une plus grande absorption, mais une plus faible réflexion: • utiliser des écrans de blindage en matériau de perméabilité magnétique élevée seulement pour blinder des sources de champ magnétique très basse fréquence. Reproduction interdite ALCATEL ESPACE Reproduction forbidden

29. PRINCIPES FONDAMENTAUX POUR REALISER UN BLINDAGE • L’absorption augmente quand l’écran de blindage devient épais: • le blindage des champs magnétiques nécessite des écrans épais, • le blindage des champs électriques peut être réalisé avec des feuilles métalliques minces. • La distance de la source à l’écran de blindage modifie les propriétés de la réflexion: • Placer les sources de champ électrique proches de l’écran de blindage et les sources de champ magnétique loins de l’écran de blindage. Reproduction interdite ALCATEL ESPACE Reproduction forbidden

30. PRINCIPES FONDAMENTAUX POUR REALISER UN BLINDAGE • Avant de concevoir le blindage d’un boîtier électronique, il faut décider s’il s’agit de faire un blindage magnétique ou électrique, ou les deux: • Dans la plupart des cas pour les applications spatiales, seul le blindage électrique a de l’importance pour tenir les spécifications CEM. • Les performances CEM d’un écran de blindage sont déterminées par: • les propriétés des matériaux utilisés, • la bande de fréquences EMI, • le type de source considérée (magnétique, électrique ou “électromagnétique”). • En pratique d’autres facteurs sont prédominants: • la localisation de la source par rapport à l’écran de blindage, • les connexions entre différentes parties du blindage, • les trous et fentes sur l’écran de blindage. Reproduction interdite ALCATEL ESPACE Reproduction forbidden

31. PRINCIPES FONDAMENTAUX POUR REALISER UN BLINDAGE • Blindage contre les champs magnétiques : • En pratique: important seulement en basse fréquence (<30 MHz), • L’atténuation augmente avec la fréquence, • Les trous et les fentes dans le blindage ont peu d’importance. • Blindage contre les champs électriques : • En pratique: important seulement en haute fréquence (>30 MHz), • Les trous et les fentes dans le blindage ont de plus en plus d’importance lorsque la fréquence augmente, • La qualité de la résistance de contact (impédance) entre différentes parties du blindage est très importante (des parties isolées agissent comme des antennes !). Reproduction interdite ALCATEL ESPACE Reproduction forbidden

32. Pour L>l/2 : ATTENUATION D’UNE PAROI MUNIE D’UNE OUVERTURE l h dist. D Une ouverture de longueur L dans un écran se comporte comme un dipôle de même longueur et re-rayonne de l’autre côté de l’écran une partie de la puissance reçue. L’atténuation est quasi nulle quel que soit le rapport L/h (en réalité Eb passe par des résonances et anti-résonances de la fente). Reproduction interdite ALCATEL ESPACE Reproduction forbidden

33. ATTENUATION D’UNE PAROI MUNIE D’UNE OUVERTURE Pour L<l/2 : l’ouverture présente une certaine atténuation. Eb=100-20 Log L -20Log F + 20 Log (1+2.3 Log L/h) + 30 perte par réflexion facteur de minceur perte par traversée L= grande dimension de l’ouverture en mm h= hauteur de l’ouverture en mm e= épaisseur de la paroi en mm F= fréquence en MHz Eb= efficacité de blindage en dB • La correction suivante doit être apportée à la formule lorsque l’on est en situation de champ proche (E ou H). prédominance électrique prédominance magnétique avec D= distance de la source rayonnante (m) Reproduction interdite ALCATEL ESPACE Reproduction forbidden

34. L P EFFICACITE D’UNE OUVERTURE GUIDE Avec P>L et F<Fc L = plus grande dimension de l’ouverture (en mm) P = profondeur de l’ouverture guide (en mm) F = fréquence en MHz Fc = fréquence de coupure en MHz Fc = 150000/L Application spatiale • Trou d’évent des équipements embarqués sur satellite. Afin de maintenir un blindage supérieur à 80 dB en hyperfréquences, on impose P>3 L. Dans ce cas le trou est cylindrique et L correspond au diamètre de l’ouverture. Reproduction interdite ALCATEL ESPACE Reproduction forbidden

35. CALCUL DE BLINDAGES DES EPAISSEURS DE PAROIES TRES FAIBLES SUFFISENT EN HYPER POUR AVOIR UN BLINDAGE TRES IMPORTANT ATTENTION AUX OUVERTURES MEME DE DIMENSIONS REDUITES Reproduction interdite ALCATEL ESPACE Reproduction forbidden

36. PRINCIPALES VICTIMES DES PERTURBATIONS ELECTROMAGNETIQUES, ET COMPORTEMENT Reproduction interdite ALCATEL ESPACE Reproduction forbidden

37. COMPORTEMENT DES CIRCUITS VICTIMES A UN SIGNAL PERTURBATEUR A- CIRCUITS PASSE-BANDE OU ACCORDES (récepteur, radio, TV, radar, etc....) : - Très sensible à la fréquence de travail et à l’intérieur de leur bande passante. - Très peu sensibles hors bande (la réjection atteint 60 à 80 dB, en théorie). - En fait, la réjection hors bande est réduite à cause : des résonances dues aux selfs parasites des connexions et capacités parasites internes aux circuits. du phénomène de détection parasite d’enveloppe en HF, produit par toute jonction non linéaire (jonction PN ou NP, diodes écrêteuses, broche oxydée, etc...). B- CIRCUITS PASSE-BAS OU BANDE DE BASE (amplis opérationnels ou vidéo et circuits numériques) : - Moins sensibles, dans leur bande passante que la catégorie A. - Plus vulnérables à des signaux indésirables du fait de leur absence de sélectivité. Reproduction interdite ALCATEL ESPACE Reproduction forbidden

38. SUSCEPTIBILITE DES CIRCUITS ANALOGIQUES L’amplificateur analogique est supposé avoir : un seuil de sensibilité assez bas, une sortie proportionnelle à la tension d’entrée, dans la bande passante, une réjection en fréquence, au dessus de la fréquence de coupure Fco avec: En théorie, toute fréquence indésirable FEMI > FCO est atténuée dans le rapport: avec n = ordre ou nombre d’étages du filtre Un signal brouilleur hors-bande sort donc de l’amplificateur avec amplitude théorique égale à : L’atténuation est limitée par des phénomènes parasites : offset détection d’enveloppe influence du boîtier Reproduction interdite ALCATEL ESPACE Reproduction forbidden

39. SUSCEPTIBILITE DES COMPOSANTS ANALOGIQUES PHENOMENE D’OFFSET • Le signal HF est redressé par une diode de protection, par la jonction base émetteur d’un transistor, • apparition d’une tension parasite continue en sortie • sur Ampli OP biFET : perturbateur de 1V/ 100 MHz en entrée • offset de 100mv en sortie Exemple Reproduction interdite ALCATEL ESPACE Reproduction forbidden

40. SUSCEPTIBILITE DES COMPOSANTS ANALOGIQUES DETECTION D’ENVELOPPE • un signal HF modulé par un signal BF est détecté par des diodes parasites d’un composant analogique • démodulation du signal BF et amplification Reproduction interdite ALCATEL ESPACE Reproduction forbidden

41. SUSCEPTIBILITE DES COMPOSANTS ANALOGIQUES INFLUENCE DU BOITIER Impédances parasites du boîtier Composant Entrée perturbations HF Puce Sortie • transmission directe du signal perturbateur de l’entrée vers la sortie via les impédances parasites du boîtier Reproduction interdite ALCATEL ESPACE Reproduction forbidden

42. SUSCEPTIBILITE DES CIRCUITS B- SUSCEPTIBILITE DES CIRCUITS NUMERIQUES Leur seuil de détection relativement élevé semble les rendre moins vulnérables que les circuits analogiques. Par contre, leur grande vitesse, correspondant à une très large bande passante, les expose aux domaines de fréquences de pratiquement toutes les agressions ambiantes. - Le comportement d’une porte logique vis-à-vis d’un signal indésirable sera une fonction échelon. - Le paramètre décrivant le seuil de susceptibilité est la «marge de bruit». - Reproduction interdite ALCATEL ESPACE Reproduction forbidden

43. SUSCEPTIBILITE DES CIRCUITS CHANGEMENT D’ETAT LOGIQUE DEPASSEMENT DES MARGES DE BRUIT ET COMMUTATION • MARGE STATIQUE DE BRUIT DES CIRCUITS NUMERIQUES Marge état haut = VS1min -Ve1min (impulsion négative en limite de déclenchement sur une entrée à l’état «1») Marge état bas = VS0max -Ve0max (impulsion positive en limite de déclenchement sur une entrée à l’état «0») Reproduction interdite ALCATEL ESPACE Reproduction forbidden

44. SUSCEPTIBILITE DES CIRCUITS CHANGEMENT D’ETAT LOGIQUE DEPASSEMENT DES MARGES DE BRUIT ET COMMUTATION • MARGE DYNAMIQUE DE BRUIT DES CIRCUITS NUMERIQUES Seuil de déclenchement des logiques courantes pour des impulsions parasites brèves Reproduction interdite ALCATEL ESPACE Reproduction forbidden

45. CARACTERISTIQUES ESSENTIELLES DES FAMILLES NUMERIQUES Reproduction interdite ALCATEL ESPACE Reproduction forbidden

46. UNITES EN CEM Reproduction interdite ALCATEL ESPACE Reproduction forbidden

47. UNITES PRATIQUES (Dérivées des unités normales) 1 - On utilise les sous-multiples TENSION : µV au lieu de V (facteur 10-6) COURANT: µA au lieu de A (facteur 10-6) CHAMP ELECTRIQUE: µV/m au lieu de V/m (facteur 10-6) CHAMP MAGNETIQUE: pT au lieu de T (facteur 10-12) µA/MHz au lieu de A/Hz (facteur 10-6) µV/m/MHz au lieu de V/m/Hz (facteur 10-6) 2 - On utilise les : dB au dessus de ..... dBµV au lieu de µV dBµA au lieu de µA dBµV/m au lieu de µV/m dBpT au lieu de pT dBµA/MHz au lieu de µA/Hz dBµV/m/MHz au lieu de µV/M/Hz Reproduction interdite ALCATEL ESPACE Reproduction forbidden

48. CONVERSION TEMPS/FREQUENCE Reproduction interdite ALCATEL ESPACE Reproduction forbidden

49. CONVERSION TEMPS/FREQUENCE Il y a deux façons de définir un signal physique: • Par son évolution en fonction du temps, c’est à dire tel qu’on l’observe à l’oscilloscope. • Par son spectre de fréquences tel qu’on l’observe à l’analyseur de spectre. La représentation spectrale des perturbations est indispensable en CEM car elle est utilisée par: • Les normes de CEM tant civiles que militaires. • Les documentations fournisseurs de tous les blindages, filtres, écrans de câble et composants antiparasites. • La majorité des méthodes de prédictions CEM simples. Reproduction interdite ALCATEL ESPACE Reproduction forbidden

50. CONVERSION TEMPS/FREQUENCE Train d’impulsions trapézoïdales Pour un rapport cyclique de 50%, l’amplitude du fondamental = A - 4dB Reproduction interdite ALCATEL ESPACE Reproduction forbidden