Réalisation d`un banc de mesure de champ proche

BANC DE MESURE DE CHAMP PROCHE ELECTROMAGNETIQUE
E. Béreau1, C. Labarre1, C. Mortelette1 et F. Costa2
1
Ecole des Mines de Douai
Département Métrologie - Qualité
941, av. C. Bourseul
59508 DOUAI Cedex
2
ENS Cachan
Laboratoire SATIE, UMR 8029
61, av. du président Wilson
94235 CACHAN Cedex
Résumé
Les circuits d’électronique de puissance sont de plus en
plus perturbateurs du point de vue compatibilité
électromagnétique, à cause des variations de très courte
durée et d'amplitude élevée de leurs grandeurs électriques.
Ils génèrent à la fois des perturbations par conduction et
par rayonnement. Nous souhaitons mesurer les émissions
rayonnées par les systèmes afin de les confronter à des
modèles électromagnétiques. Nous réalisons donc un banc
de mesure automatisé de champ électromagnétique proche
sur une bande de fréquence de 9 kHz à 1GHz, qui nous
permettra de représenter la cartographie du champ
électromagnétique émis dans différents plans parallèles au
circuit.
à la fois conduites et rayonnées. En associant différentes
méthodes électromagnétiques, nous sommes parvenus à
modéliser un motif imprimé spécifique de l’électronique
de puissance, ce qui permet en partie d’optimiser le
câblage vis à vis des perturbations électromagnétiques [1].
Pour poursuivre cet objectif, il est nécessaire de connaître
les perturbations rayonnées par le dispositif. Cette fois-ci
notre approche est un peu différente, puisque nous nous
intéressons d’abord à la mesure des champs proches
rayonnés. Nous avons commencé par établir un cahier des
charges d’une plate-forme. Nous avons ensuite étudié le
champ rayonné par une boucle de courant ; enfin nous
avons mis en place notre dispositif expérimental.
Cahier des charges
Abstract
Power electric devices are increasingly disturbing from the
electromagnetic compatibility point of view, because of
the variations of very short duration and high amplitude of
their electric quantities. They generate at the same time
disturbances by conduction and radiation. We wish to
measure the emissions radiated by the systems in order to
confront them with electromagnetic models. . We carry out
an
instrumentation
apparatus
for
measuring
electromagnetic near field on a frequency band to 9 KHz
with 1GHz. We wish to represent the cartography of the
electromagnetic field emitted in various plans parallel of
the circuit. . To develop our system of measurement, we
chose like circuit "test" a loop generating a raised
magnetic field.
Introduction
L’intégration des systèmes de puissance et l’augmentation
de la fréquence de travail conduisent à l’élaboration de
dispositifs d’électronique de puissance qui génèrent de
plus en plus de perturbations électromagnétiques. Ils sont
donc de plus en plus à même de produire des perturbations
Notre objectif est de réaliser un banc de mesure des
champs électromagnétiques en champ proche pour les
circuits de l'électronique de puissance, dont le cahier des
charges est présenté ci-après.
Nous souhaitons étudier les perturbations dans la zone de
champ proche, c’est-à-dire pour une distance d<λ/2π avec
λ la longueur d'onde du signal perturbateur [2]. Etant
donnée la bande de fréquence de notre étude, qui se situe
entre 9 kHz et 1 GHz, nous avons fixé la course de
déplacement selon l’axe vertical z de 0 cm à 50 cm. Ainsi
le choix des circuits à étudier ne sera pas limité. En effet,
certains circuits d'électronique de puissance sont posés sur
des radiateurs servant à diffuser la chaleur, pouvant avoir
plusieurs centimètres d'épaisseur. Il sera donc possible de
se situer dans le champ proche sans être bloqué par le bâti
du système. Le déplacement le long de cet axe sera fait de
façon manuelle.
Pour les déplacements suivant x et y, de nombreux circuits
de l'électronique de puissance ont une taille proche de
l’ordre de quelques dizaines de centimètres. Les zones de
déplacements requises dans le plan seront donc de 50 cm
par 50 cm. Les déplacements suivant x et y sont
automatisés et commandés par des moteurs pas à pas.
Le choix des modes de déplacement a été fait de telle sorte
que pour une hauteur donnée au-dessus d'un circuit,
l'ensemble du plan puisse être balayé par les sondes de
mesure. Nous choisissons pour le moment un pas
minimum de un millimètre, cette valeur pourra être
modifiée ultérieurement.
fréquence. Le diamètre de la spire étant petit devant la
longueur d'onde, sa distribution de courant peut être
considérée comme uniforme.
Les circuits d'électronique de puissance sont souvent
placés sur un radiateur plan de masse. Il nous a alors paru
intéressant d'intégrer à notre structure un plan de masse en
cuivre. Pour limiter les perturbations extérieures, tous les
éléments pouvant générer des réflexions de champ
électromagnétique, notamment les moteurs sont placés en
dessous de ce plan de masse. Toutes les parties de la
structure situées au-dessus de ce plan de masse sont dans
des matières non-réfléchissantes (plexiglas, visserie en
nylon). Nous avons ajouté des plaques de cuivre aux
abords des moteurs pour diminuer plus leurs influences.
Pour les mêmes raisons, le banc de mesure pourra être
placé dans une chambre anéchoïque.
Des recherches ont déjà été réalisées sur l'étude du
rayonnement du champ électromagnétique. Des systèmes
commerciaux sont disponibles sur le marché. Néanmoins,
ces systèmes semblent donner une information plus
qualitative que quantitative. Des recherches universitaires
continuent d'être menées. Bien souvent, elles concernent
des circuits intégrés, et donc des circuits de taille beaucoup
plus petite que les nôtres [3], [4], ou des circuits dont le
pouvoir perturbateur semble moins important que les
circuits d’électronique de puissance [5].
Calcul du champ rayonné par une
spire
Figure 1 : Spire parcourue par un courant
De par la géométrie du système étudié, le calcul du champ
magnétique rayonné dans l'espace libre peut se faire
suivant trois zones spatiales distinctes qui sont : l'axe de la
spire Oz, le plan de la spire xOy et un point quelconque de
l'espace n'appartenant pas au plan xOy . Nous
expliquerons ici le calcul en tout point de l’espace.
r
Le champ d'induction magnétique B en tout point de
r
r
r
B = rot A
l’espace dérive du potentiel vecteur A .
r µ0 I
où A =
4π
e − jβr
dl
r
(C )
∫
Les conditions de champ proche nous permettent de
négliger le terme de propagation e − jβr ≈ 1 .
Le champ électrique est aussi calculé à partir du potentiel
vecteur magnétique par la relation :
Parallèlement à l’élaboration du banc de mesure, nous
nous sommes intéressés à la validation de ce banc. Pour
cela, nous avons réfléchi à son étalonnage. En effet,
comme le banc de mesure a pour but de fournir pour un
circuit électrique la cartographie de son champ
électromagnétique à une certaine hauteur appartenant à la
zone de champ proche, il est intéressant de choisir un
circuit test pour ensuite comparer les valeurs des champs
mesurés aux valeurs calculées. Nous avons choisi comme
circuit étalon la spire de courant. La spire de courant est un
dipôle magnétique, dont on peut connaître le champ
électromagnétique qu'elle rayonne ; elle nous permettra
essentiellement de vérifier notre système de mesure du
champ magnétique.
Une fois le champ électromagnétique calculé pour une
spire situé dans un espace libre, la méthode des images a
été utilisée pour calculer le champ rayonné par une spire
située au-dessus d’un plan de masse.
Le protocole de validation du système va donc être de
comparer pour chaque type de champ (électrique et
magnétique) les valeurs mesurées et les valeurs calculées.
La première étape de ce travail est donc de calculer le
champ électromagnétique rayonné par une spire de
courant. La spire est considérée comme étant une source
filiforme, de rayon a et d'épaisseur constante, centrée en O
origine du repère Oxyz et appartenant au plan xOy comme
le montre la figure 1. Elle est parcourue par un courant
sinusoïdal I=I0.ejωt avec ω=2πf la pulsation et f la
Les champs électrique et magnétique représentés ici sont
ceux rayonnés par une spire de rayon 8 cm, parcourue par
un courant d'intensité I= 0.05 A et de fréquence 10 MHz.
Le plan de masse est situé 2 mm en dessous de la spire.
Les figures 2 et 3 représentent respectivement le module
du champ magnétique (en T) et le module du champ
électrique (en V/m) à une hauteur de 5 cm au-dessus de la
spire.
r
E = − jωA − grad V
où V est le potentiel scalaire.
Nous étudierons aussi le niveau énergétique avec le
vecteur de Poynting défini comme suit :
→
R=
→
∗
→
E∧ B
µ0
Dispositif expérimental
Sur la figure 6, nous avons représenté le dispositif
expérimental que nous avons commencé à mettre en place.
Les mesures de champ électrique et magnétique se feront à
l'aide de sondes, reliés à un récepteur de mesure. Dans un
premier temps, nous utiliserons les sondes issues d'un kit
de sondes de champ proche EMCO 7405. Une liaison de
type IEEE relie le récepteur de mesure à un PC.
Les déplacements de la sonde sont générés par deux
moteurs pas à pas pilotés par le PC par l'intermédiaire
d'une carte National Instruments PCI 7342 et d'une
interface UMI 7764, comme le montre la figure 5.
Figure 2 : Module du champ magnétique en T.
Carte de
commande
des
moteurs
Grille de
commande
des moteurs
Carte d’interface
Moteur
Figure 5 : Schéma de principe de commande des moteurs
Le principe du déplacement est donc que la sonde
quadrille la zone de mesure à une hauteur donnée et que
pour chaque point du plan, une valeur de champ soit
récupérée afin d'établir la cartographie à une fréquence
définie.
Figure 3 : Module du champ électrique en V/m.
La figure 4 est une représentation en trois dimensions du
vecteur de Poynting. Les cônes pointent vers la direction
du champ et leur taille est proportionnelle à l’intensité du
champ. La direction des lignes de champ donnée par
l’ensemble des cônes est bien celle attendue.
Sortie après
amplification
GPIB
sonde
y
z
Commandes des moteurs
x
Figure 6 : Configuration du banc de mesure
La figure 7 est une photographie du banc de mesure, du
récepteur de mesure et de l’ordinateur de pilotage.
Figure 4 : Vecteur de Poynting.
Figure 7 : Banc de mesure
Parallèlement à la mise en place du dispositif
expérimental, une évaluation de l’incertitude mesure est
commencée ; par l’identification des différentes
composantes et leur classement par ordre d’importance,
via le budget d’incertitudes associé.
Conclusion
Actuellement, le pilotage du banc de mesure, réalisé à
l’aide du logiciel Labview de National Instrument, est en
cours de réalisation. Les résultats et notamment la
cartographie de notre circuit étalon seront présentés lors de
la communication orale. Nous présenterons entre autre une
première cartographie réalisée sur un convertisseur
statique permettant de mettre en évidence des zones
critiques de rayonnement en champ proche dans l’objectif
de réduire les perturbations électromagnétiques générées
par ce dispositif.
Bibliographie
[1] A. GUENA, Association de méthodes pour la
modélisation des conducteurs imprimés multicouches en
électronique de puissance (2001)
[2] R. BADOUAL, C. MARTIN et S. JACQUET, Les
micro-ondes (Masson, 1992)
[3] F.D. DARAN, J.CHOLLET-RICARD, F.LAFON, and
O. MAURICE, "Prediction of the field radiated at one
meter from PCB’s and microprocessors from near field
cartography", IEEE International Symposium on
Electromagnetic Compatibility, Istanbul, 2003.
[4] L. BOUCHELOUK, A. LOUIS and B. MAZARI,
"Evaluation of probes disturbance for near field
measurements", Iconic, Rouen, 2003.
[5] K. SLATTERY, "Measurement techniques for the EMI
evaluation of VLSI devices", IEEE on Electromagnetic
Compatibility, Newsletter, 1999.