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CESI_part1_ 1 Reproduction interdite ALCATEL ESPACE Reproduction forbidden

Cours CEM

INTRODUCTION A LA CEM

Le problème général de la CEM

Les modes de transmission des perturbations électromagnétiques

Principales victimes des perturbations électromagnétiques et comportementUnités en CEMConversion temps/fréquencesSpécifications de la CEM


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OBJECTIF DE LA CEM

RENDRE COMPATIBLE LE FONCTIONNEMENT

D’UN SYSTEME SENSIBLE AVEC

SON ENVIRONNEMENT ELECTROMAGNETIQUE


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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


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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)

conduite conduite rayonnéerayonnée


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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)


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LES MODES DE TRANSMISSION DES PERTURBATIONS

ELECTROMAGNETIQUES


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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


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LES MODES DE TRANSMISSION DES PERTURBATIONS ELECTROMAGNETIQUES

COUPLAGE PAR IMPEDANCE COMMUNE

COUPLAGE PAR DIAPHONIE

COUPLAGE PAR RAYONNEMENT ELECTROMAGNETIQUE


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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.


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CALCUL DE L’IMPEDANCE D’UN PLAN DE CUIVRE

En basse fréquence : Z

17 2,

e mm

En haute fréquence : Z 370 F MHz

APPLICATION :

Z m2

IMPEDANCE D’UN PLAN DE CUIVRE DE 10cm*10cmA LA FREQUENCE DE 30 MHz


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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 :

R mL

e d

17

(L en m, d et e sont exprimés en mm)

• EN HAUTE FREQUENCE :

Z R L LnL

d ed e

LF Hz

0

20 5 02235* *

*, . * ( )

(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 :

Z20


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COUPLAGE PAR DIAPHONIE


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COUPLAGE PAR DIAPHONIE INDUCTIVE

Couplage entre un champ magnétique et une boucle.• 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.

B

Ip

Iv


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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..F.M.IpF=Fréquence du courant perturbateurM=Mutuelle inductance entre les deux lignesIp=Courant dans la ligne perturbatrice

Ligne 1 source

Ligne 2 victime

L2

V

MI1

I2 L1


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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.

• 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.

Vp Vv


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Modélisation du couplage par diaphonie capacitive

• Les deux lignes se couplent par l’intermédiaire de la capacité ligne à ligne Cm qui matérialise le couplage capacitif.

F=Fréquence de la tension perturbatriceCm=Capacité mutuelle entre les deux lignesUp=Tension perturbatrice

Courant induit dans le circuit victimeI=2..F.Cm.Up

Ligne 2 victime

Ligne 1 source

iCm V


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REDUCTION DES COUPLAGES PAR DIAPHONIE

Diaphonie inductive

Diaphonie capacitive

•réduire la surface de boucle

•limiter les dI/dt

•éloigner les lignes ou ne pas les mettre parallèle

•réduire la surface de boucle

•blinder le fil

•choisir un diélectrique d’enrobage des fils avec r faible

chemin de couplage

•éloigner les lignes ou ne pas les mettre parallèle

•utiliser des paires torsadées

chemin de couplage

source •limiter les

dV/dt

source

victime victime


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• 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


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PROTECTION CONTRE UN RAYONNEMENT ELECTROMAGNETIQUE

BLINDER ET ASSURER UNE BONNE CONTINUITE ELECTRIQUE

MATERIAU (conductivité, absorption)EPAISSEUR DE METALLISATIONTRAITEMENT DE SURFACEETAT DE SURFACEOUVERTURE, FENTES


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MECANISME DE L’EFFET DE BLINDAGE

EN PRATIQUE, UN BLINDAGE EST UN ATTENUATEUR FONCTIONNANT SELON DEUX MECANISMES COMBINES :

REFLEXION ET ABSORPTION

EFFICACITE DE BLINDAGE (Eb) =Champ reçu en un point donné, sans blindageChamp reçu en un point donné, avec blindage


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EFFICACITE DE BLINDAGE DES MATERIAUX CONDUCTEURS

dB) (en B+A+R= Eb

•R = des pertes par réflexion (en dB)•A = des pertes par absorption (en dB)•B =des pertes par re-réflexion (en dB)


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PERTES PAR ABSORPTION

L’absorption (A) est proportionnelle au rapport épaisseur de la barrière métallique (e) sur épaisseur de peau () à la fréquence considérée.

L’absorption (A) est indépendante de l’impédance de l’onde (champ proche, champ lointain).

e

8.69 = (dB) Aoù = épaisseur de peau

e= épaisseur du blindage


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EFFET DE PEAU

mr r FMHz

66 10 6

•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, appelée «épaisseur de peau».


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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>)

RdBF MHz r

r

( ) log( )

108 10

( si épaisseur barrière e > épaisseur de peau

En champ proche magnétique (d< impédance de l’onde très petite

r

rMHzFmddBR

log10)(log10)(log206.74)(

En champ proche électrique (d< impédance de l’onde très grande

RdB d mF MHz r

r

( ) . log ( ) log( )

1417 20 103


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CHAMP PROCHE, CHAMP LOINTAINIMPEDANCE D’ONDE


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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.


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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.


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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.


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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 !).


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ATTENUATION D’UNE PAROI MUNIE D’UNE OUVERTURE

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.

Pour L>/2 :E dBb 0

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).

h

l

dist. D


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ATTENUATION D’UNE PAROI MUNIE D’UNE OUVERTURE

Pour L<2 : l’ouverture présente une certaine atténuation.Eb=100-20 Log L -20Log F + 20 Log (1+2.3 Log L/h) + 30

e

L

perte par réflexion facteur de minceur perte par traverséeL= grande dimension de l’ouverture en mm

h= hauteur de l’ouverture en mme= épaisseur de la paroi en mmF= fréquence en MHzEb= 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).

C ED F

( ) log

20

48

prédominance électrique prédominance magnétique

C HD F

( ) log

20

48

avec D= distance de la source rayonnante (m)


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EFFICACITE D’UNE OUVERTURE GUIDE

2)/(12,27)( FcFL

PdBEff

Avec P>L et F<FcL = plus grande dimension de l’ouverture (en mm)P = profondeur de l’ouverture guide (en mm)F = fréquence en MHzFc = 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.

PL


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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

100MHz Bande C Bande X Bande Ku Bande Ka

Plaque d'alu de 0,8mm d'épaisseur 924 5281 7425 9788 13302

Plaque d'alu de 0,1mm d'épaisseur 208 751 1019 1314 1753

Feuille d'or de 1µm d'épaisseur 107 113 116 119 125

Trou d'évent (diamètre 1mm, profondeur 3mm) 150 118 112 107 102

Trou pour liaison filaire a travers une plaque d'alu (diamètre 2mm, profondeur 1mm)

69 37 31 26 21

Fente entre vis de fixation d'un capot (longueur 18mm, hauteur 0,01mm, profondeur 5mm)

62 30 0 0 0

Fente pour connecteur SUB-D 25pts (longueur 40mm, hauteur 8mm, profondeur 10mm)

44 0 0 0 0


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PRINCIPALES VICTIMES DES PERTURBATIONS ELECTROMAGNETIQUES, ET COMPORTEMENT


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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.


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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:

FcoGain

= BP à gain unitaire

En théorie, toute fréquence indésirable FEMI > FCO est atténuée dans le rapport:

ATTENUATIONn

= FF

EMI

CO

avec n = ordre ou nombre d’étages du filtre

Un signal brouilleur hors-bande sort donc de l’amplificateur avec amplitude théorique égale à : V sortie entréeEMI( ) ( ) = V * ATTENUATIONEMI

L’atténuation est limitée par des phénomènes parasites :offsetdétection d’enveloppeinfluence du boîtier


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SUSCEPTIBILITE DES COMPOSANTS ANALOGIQUES

• 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

V entrée V sortie

temps temps

base

Emetteur

R

R

tension parasitecontinue

sur Ampli OP biFET : perturbateur de 1V/ 100 MHz en entrée

offset de 100mv en sortie

Exemple

PHENOMENE D’OFFSET


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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

HF moduléeBF démodulée et amplifiée

V entrée V sortie

tps tps


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INFLUENCE DU BOITIER

Composant

Puce

Entrée

Sortie

Impédances parasites du boîtier

perturbations HF

• transmission directe du signal perturbateur de l’entrée vers la sortie via les impédances parasites du boîtier


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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».


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CHANGEMENT D’ETAT LOGIQUEDEPASSEMENT 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»)


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CHANGEMENT D’ETAT LOGIQUEDEPASSEMENT DES MARGES DE BRUIT ET COMMUTATION

•MARGE DYNAMIQUE DE BRUIT DES CIRCUITS NUMERIQUES

v V de l'impulsion parasite

propagation dans la porteDynamique Statique *Durée

Temps de

Seuil de déclenchement des logiques courantes pour des impulsions parasites brèves


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CARACTERISTIQUES ESSENTIELLES DES FAMILLES NUMERIQUES


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UNITES EN CEM


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UNITES PRATIQUES(Dérivées des unités normales)

1 - On utilise les sous-multiples

2 - On utilise les : dB au dessus de .....

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)

dBµV au lieu de µVdBµA au lieu de µAdBµV/m au lieu de µV/mdBpT au lieu de pTdBµA/MHz au lieu de µA/HzdBµV/m/MHz au lieu de µV/M/Hz

20 20* * logV

1 V = log V (en V)10 10


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CONVERSION TEMPS/FREQUENCE


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La représentation spectrale des perturbations est indispensable en CEM car elle est utilisée par:

• 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.

Il y a deux façons de définir un signal physique:

• 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.


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Train d’impulsions trapézoïdales

Pour un rapport cyclique de 50%, l’amplitude du fondamental = A - 4dB


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SPECIFICATIONS DE CEM (application dans le domaine spatial)


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SPECIFICATIONS

L’ENSEMBLE DES REGLES ET LIMITES CEM APPARAIT EN GENERAL DANS 2 DOCUMENTS QUI SONT LA BASE EN CE QUI CONCERNE LA CONCEPTION CEM D’UN SATELLITE

SPECIFICATIONS DE COMPATIBILITE ELECTROMAGNETIQUE

MIL-STD-461C

NORMES DE REALISATION ELECTRIQUE (G.D.I.R)

CES 2 SPECIFICATIONS ADAPTEES AU PROGRAMME A DEVELOPPER SONT DES DOCUMENTS AU NIVEAU SYSTEME.

CES SPECIFICATIONS DE CEM SONT EN GENERAL DERIVES DES NORMESMILITAIRES AMERICAINES :

MIL-STD-462

MIL-STD-1541A

MIL-B-5087B


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SPECIFICATIONS

EXIGENCES CEM AU NIVEAU DES SOUS-SYSTEMES / EQUIPEMENTS

CONTRAINTES SUR LE BRUIT EMIS MAXIMUM (CE,RE) :

CONTRAINTES D’IMMUNITE AU BRUIT (CS,RS) :

CONTRAINTES DE REALISATION :

•Domaine temporel ou spectral,•Conduit ou rayonné

•Domaine temporel ou spectral,•Conduit ou rayonné

•Exigences d ’interface alimentation (filtrage, protection),•référence des potentiels électriques (circuit zéro volt),•masse mécanique (continuité électrique), •règles de câblage,•mécanique des boîtiers (blindage)


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EXIGENCES AU NIVEAU EQUIPEMENT/SOUS-SYSTEME

RESPECT DES LIMITES DEFINIES DANS LA SPECIFICATION CEM AUSSI BIEN ENEMISSION QU’EN SUSCEPTIBILITE

EXIGENCES EN EMISSION CONDUITE (CE) :

EXIGENCES EN SUSCEPTIBILITE CONDUITE (CS) :

EXIGENCES SUR LES EMISSIONS RAYONNEES (RE) :

•Lignes d ’alimentation,•Lignes de signaux

•Champ magnétique,•Champ électrique

•Lignes d ’alimentation,•Lignes de signaux

EXIGENCES EN SUSCEPTIBILITE RAYONNEE (RS) :•Champ magnétique,•Champ électrique

EXIGENCES SUR LA TENUE AUX DECHARGES ELECTROSTATIQUES


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EXEMPLES DE SPECIFICATIONS CEM

A) LIMITE D ‘EMISSIONS CONDUITES B) LIMITE D ‘EMISSIONS RAYONNEES

1E-2 1E-1 1E+0 1E+1 1E+2 1E+3 1E+420

30

40

50

60

70

80

90

100

FREQUENCE (KHz)

dBµA rms

0.00

10.00

20.00

30.00

40.00

50.00

60.00

70.00

80.00

90.00

100.00

0.01 0.10 1.00 10.00 100.00 1000.00 10000.00 100000.00

Frequency (MHz)

dB

uV

/m 1 MHz to 42 GHz : 70 dBµV/m 10,7 GHz to 12,75 GHz : 90 dBµV/m 13,75 GHz to 14,5 GHz : 30 dBµV/m 19,7 GHz to 21 GHz : 90 dBµV/m 29,5 GHz to 30 GHz : 30 dBµV/m


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EXEMPLES DE SPECIFICATIONS CEM

A) SUSCEPTIBILITE AUX PERTURBATIONS CONDUITES

B) SUSCEPTIBILITE AUX PERTURBATIONS RAYONNEES

M O D E D IFFE R EN TIE L

M O D E C O M M U N

10 H z 60 100 1 kH z 10 100 1 M H z 10 30 100 M H z

0,2

1

V (eFF)

0.001

0.010

0.100

1.000

10.000

100.000

0.01 0.10 1.00 10.00 100.00 1000.00 10000.00 100000.00

Frequency (MHz)

( V

/ m

) 1 MHz to 42 GHz : + 1 V/m 10,7 GHz to 12,75 GHz : + 10 V/m 13,75 GHz to 14,5 GHz : + 0.006 V/m 19,7 GHz to 21 GHz : + 10 V/m 29,5 GHz to 30 GHz : + 0,006 V/m


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CRITERES DE SUCCES EN EMC CS ET RS

EXEMPLE POUR UN EQUIPEMENT RF :

Critère en CS SPURIOUS MODULATION

Critère en CS et RS Choisir un critère de bon fonctionnement :• Mesure d ’un Taux d ’Erreur de Bit• Effectuer une séquence de test - Ex.:

Critère en RS IN-BAND EMC SPURIOUS

EXEMPLE POUR UN EQUIPEMENT NUMERIQUE :

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