FR2593329A1 - Structure with low-pass propagation - Google Patents
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Abstract
Description
Des structures électromagnétiques à propagation, telles que des fils, câbles, composants tripôles ou quadripôles absorbants ont été décrits dans la littérature, voir par exemple:
- Exposé Dr. F. MAYER a' New York en 1965 et sa publication dans IEEE Transactions on
Electromagnetic Comptabillty, Vol. EMC-8, nX 3, Septembre, 1966 : Electromagnetic
Comptability: Anti-lnterference Wires, Cables, and filters.Electromagnetic propagation structures, such as wires, cables, absorbing three-pole or quadrupole components have been described in the literature, see for example:
- Presentation by Dr. F. MAYER in New York in 1965 and his publication in IEEE Transactions on
Electromagnetic Comptabillty, Vol. EMC-8, nX 3, September, 1966: Electromagnetic
Comptability: Anti-lnterference Wires, Cables, and filters.
- Exposé Dr.F. MAYER à Weshington (août 1983): IEEE-EMC Conference: Absorptive
Low Pass Cables: State of the Art and an Outlook to the Future.- Presentation by Dr.F. MAYER in Weshington (August 1983): IEEE-EMC Conference: Absorptive
Low Pass Cables: State of the Art and an Outlook to the Future.
L'effet d'absorption croissant avec la fréquence, confère à cas structures une fonction passe-bas: à la fois pour optimiser cet effet et pour "blinder" ces structures vis-à-vis de l'extérieur, un blindage extérieur, branché à la masse, étant prévu. The increasing absorption effect with frequency, gives structures a low-pass function: both to optimize this effect and to "shield" these structures from the outside, an external, connected shielding to ground, being expected.
Or, il y a des cas où un tel blindage est inopportun, que ce soit parce qu'on désire supprimer les inconvénients pour l'installation et les problèmes de fiabilité d'une tresse et d'une connexion de tresse, que ce soit perce qu'on désire avoir libre accès aux conducteurs tout au long de le structure ou qu'on ait besoin d'une grande flexibilité, telle que celle qui est nécessaire par exemple sur des câbles de mesure et de puissance en robotique. However, there are cases where such shielding is inappropriate, either because we want to remove the disadvantages for the installation and the reliability problems of a braid and a braid connection, whether it is pierced that one wishes to have free access to the conductors all along the structure or that one needs a great flexibility, such as that which is necessary for example on cables of measurement and power in robotics.
Le but essentiel de ce brevet est de décrire une structure "inversée", dans laquelle le conducteur de terre est au centre de le structure (âme), et le/les conducteurs chauds placés en hélice autour du conducteur terre. The main purpose of this patent is to describe an "inverted" structure, in which the earth conductor is at the center of the structure (core), and the hot conductor (s) placed helically around the earth conductor.
Dans une telle structure, l'absorption peut être obtenue en intercalant le milieu absorbant entre l'âme et le/les hélices (ou encore à l'extérieur), ou par la qualité même de l'âme conductrice. In such a structure, absorption can be obtained by inserting the absorbent medium between the core and the propeller (s) (or even outside), or by the very quality of the conductive core.
Dans une telle structure, la capacité quadripôle de la structure est essentiellement définie, c'est à dire que l'absorption est essentiellement insensible à la proximité d'une masse externe; de même que d'une façon générale, la structure sera insensible à des champs
parasites extérieurs, malgré l'absence de blindage.In such a structure, the quadrupole capacity of the structure is essentially defined, that is to say that the absorption is essentially insensitive to the proximity of an external mass; as in general, the structure will be insensitive to fields
external parasites, despite the absence of shielding.
Un autre but de ce brevet est de décrire une structure non blindés, mais insensible aux champs parasites externes (par exemple Impulsion Electromsgnétique), comme le signal utile couplé ou rayonné vers l'extérieur sera réduit (effet Tempest). Another object of this patent is to describe an unshielded structure, but insensitive to external parasitic fields (for example Electromsgnetic Pulse), as the useful signal coupled or radiated towards the outside will be reduced (Tempest effect).
Le conducteur de terre (âme) finalement peut être réalisé en toron d'acier, trés solide mécaniquement, et servir de fixation à la structure. The earth conductor (core) can finally be made of steel strand, very solid mechanically, and serve as fixing to the structure.
Un autre but de ce brevet est de décrire une structure dans laquelle les conducteurs (chauds) ne sont pas sollicités par des déformations, vibrations, torsions. L'intérêt de l'invention apparaît par exemple dans le cas de l'utilisation sous formes de câbles pour engins balistiques, soumis à de fortes vibrations ou encore des flexions répétées, comme c'est le cas pour des câbles destinés à des robots électroniques. L'intérêt de l'invention apparaît encore pour les câbles pour capteurs électroniques automobiles, servant de liaison entre un point mobile (par exemple sur moteur) et un point fixe par exemple châssis). Another object of this patent is to describe a structure in which the (hot) conductors are not stressed by deformations, vibrations, twists. The advantage of the invention appears, for example, in the case of the use in the form of cables for ballistic vehicles, subjected to strong vibrations or even repeated bending, as is the case for cables intended for electronic robots. . The interest of the invention also appears for cables for automotive electronic sensors, serving as a connection between a mobile point (for example on an engine) and a fixed point for example chassis).
Une description détaillée de l'invention est faite plus bas en relation avec les dessins annexes sur lesquels:
Les figures 1 à 7 sont des vues en perspectives, comportant un arraché, de divers modes de réalisation d'un cible à structure inversée selon l'invention; et,
les figures 8 à 9 sont des graphes représentant l'atténuation en fonction de la fréquence pour les câbles a' structure inversée selon l'invention.A detailed description of the invention is given below in relation to the accompanying drawings in which:
Figures 1 to 7 are perspective views, including a broken away, of various embodiments of a target with inverted structure according to the invention; and,
FIGS. 8 to 9 are graphs representing the attenuation as a function of the frequency for cables with an inverted structure according to the invention.
Sur la figure 1, est représentée la "structure inversée". Un conducteur métallique central 1 constitué par un conducteur ou toron de Cuivre, un fil ou toron en fibres métallisées, un fil ou toron en acier, etc... constitue l'âme de la structure. In Figure 1, the "inverted structure" is shown. A central metallic conductor 1 consisting of a copper conductor or strand, a wire or strand of metallized fibers, a steel wire or strand, etc. constitutes the core of the structure.
Une couche d'isolant 2 sépare cette âme du conducteur métallique chaud 3 (isolé luimême) transportant le signal ou la puissance de la structure. An insulating layer 2 separates this core from the hot metallic conductor 3 (insulated itself) transporting the signal or the power of the structure.
Une couche externe 4 isole et protège l'ensemble. An outer layer 4 isolates and protects the assembly.
L'inductance linéique d'une telle structure est augmentée par la disposition du conducteur chaud en hélice, sa capacité linéique étant définie essentiellement par la capacité entre le conducteur 3 et l'âme 1, par opposition avec une présence de masse, (ou présence d'autres câbles) à l'extérieur : autrement dit, la structure est insensible du point de vue couplage capacitif avec l'extérieur ; il en est de même du point de vue magnétique, à cause de la structure en hélice. The linear inductance of such a structure is increased by the arrangement of the hot conductor in a helix, its linear capacity being defined essentially by the capacity between the conductor 3 and the core 1, as opposed to the presence of mass, (or presence other cables) outside: in other words, the structure is insensitive from the point of view of capacitive coupling with the outside; it is the same from the magnetic point of view, because of the helical structure.
Dans la réalisation représentée sur la figure 1, comme dans les réalisations représentées sur les figures qui vont suivre, l'âme conductrice peut âtre en métal magnétique (acier, alliage Fer-Nickel etc..), cette réalisation augmentant encore l'inductance linéique de la structure. In the embodiment shown in Figure 1, as in the embodiments shown in the following figures, the conductive core can be made of magnetic metal (steel, Fer-Nickel alloy etc.), this embodiment further increasing the linear inductance of the structure.
Il est évident aussi qu'une telle structure, comme celles des figures suivantes, peut comporter plusieurs conducteurs, pour une transmission symétrique ou polyphasée. It is also obvious that such a structure, like those of the following figures, can comprise several conductors, for a symmetrical or polyphase transmission.
L'âme 1 se comporte comme un noyau conducteur dans le solénoïde formé par le conducteur 3 : sa subdivision détermine des courants de Foucault (équivalents à des pertes magnétiques) qui s'ajoutent aux pertes diélectriques éventuelles de la couche isolante 2. Des pertes additionnelles peuvent être prévues, par absorption magnétique. The core 1 behaves like a conductive core in the solenoid formed by the conductor 3: its subdivision determines eddy currents (equivalent to magnetic losses) which are added to the possible dielectric losses of the insulating layer 2. Additional losses may be provided by magnetic absorption.
Ainsi, sur la figure 2, une couche 5 en matériau composite magnétique absorbant, essentiellement non conducteur (tel que décrit par exemple dans le brevet français ne 7833385) est prévue: si l'âme 1 est un conducteur ferromagnétique, il se rajoute au noyau une partie ferromagnétique non conductrice, combinaison qui est très favorable dans les applications pesse-bes. (Diminution des effets de saturation, efficacité aux très hautes fréquences). Thus, in Figure 2, a layer 5 of absorbent magnetic composite material, essentially non-conductive (as described for example in French patent no 7833385) is provided: if the core 1 is a ferromagnetic conductor, it is added to the core a non-conductive ferromagnetic part, a combination which is very favorable in pesse-bes applications. (Reduction of saturation effects, efficiency at very high frequencies).
Sur cette figure, on a symbolisé deux conducteurs parallèles Isolés 3' et 3": en fait une réalisation de ce type, en longueur, sous forme de câble flexible, constitue par excellence un câble capteur pwr signaux faibles en milieu parasite. In this figure, two isolated 3 'and 3 "insulated parallel conductors have been symbolized: in fact an embodiment of this type, in length, in the form of a flexible cable, constitutes par excellence a sensor cable pwr for weak signals in parasitic medium.
L'âme en toron d'acier sert à l'accroehage mécanique (et à la mise à la masse), et la paire de conducteurs 3' et 3" sert de paire symétrique pour le signal : ce câble, selon l'invention, est insensible aux parasites extérieurs et, malgré l'absence de blindage, absorbe par effet de filtre passe-bas les parasites HF conduits et est d'une très haute fiabilité mécanique. The steel strand core is used for mechanical attachment (and grounding), and the pair of conductors 3 ′ and 3 "serves as a symmetrical pair for the signal: this cable, according to the invention, is insensitive to external parasites and, despite the absence of shielding, absorbs HF parasites conducted by a low-pass filter effect and is of very high mechanical reliability.
Dans une réalisation typique, selon la figure 2, l'âme conductrice 1 est constituée par un toron de brins fins de cuivre, de diamètre extérieur d'environ 0,8 mm. In a typical embodiment, according to FIG. 2, the conductive core 1 is constituted by a strand of fine copper strands, with an outside diameter of approximately 0.8 mm.
La couche de matériau composite absorbant 5, constituée d'un mélange de poudre de ferrites incluse dons une matrice PVC, (décrite dans le brevet précité) est extrudée avec un diamètre extérieur de 2,5 mm. The layer of absorbent composite material 5, consisting of a mixture of ferrite powder included in a PVC matrix (described in the aforementioned patent) is extruded with an outside diameter of 2.5 mm.
Deux conducteurs de cuivre 3' et 3" vernissés d'un diamètre de 0,3 mm ( qui peuvent être du type accolés tel que le "BIFILREX" de la Société THOMPSON), sont bobinés en parallèle au pas de 0,8 mm, cet écartement permettant une très grande flexibilité du câble. Two copper conductors 3 'and 3 "varnished with a diameter of 0.3 mm (which may be of the joined type such as the" BIFILREX "from the company THOMPSON), are wound in parallel at a pitch of 0.8 mm, this spacing allowing very great flexibility of the cable.
La couche extérieure 4 est réalisée en PVC spéclal, ou tout autre plastique ou élastomère et a un diamètre d'environ 4,5 mm. The outer layer 4 is made of special PVC, or any other plastic or elastomer and has a diameter of about 4.5 mm.
Un tel câble présente l'affaiblissement en fonction de la fréquence représentée sur le graphe de la figure 8. L'atténuation est donnée au mètre, en fonction de la fréquence1 la mesure étant faite sur une longueur de 0,21 m (ceci déterminant des maxima et minima aux fréquences plus basses, dus aux effets de desadaptation, comme on le verra plus loin). Such a cable exhibits attenuation as a function of the frequency shown in the graph in FIG. 8. The attenuation is given by the meter, as a function of frequency 1 the measurement being made over a length of 0.21 m (this determining maxima and minima at lower frequencies, due to the effects of mismatching, as will be seen below).
Le fait remarquable est que cet affaiblissement ne change pas, que le câble soit dans l'air (tracé a), qu'il soit posé sur une masse métallique (ou le long d'autres câbles), ou qu'il soit pratiquement entouré ü un bllndoge à la masse (tracé b). The remarkable fact is that this weakening does not change, whether the cable is in the air (trace a), whether it is placed on a metallic mass (or along other cables), or that it is practically surrounded ü a grounded bllndoge (trace b).
De telles caractéristiques sont extrémement favorables pour la transmission de signaux (de fréquences inférieuresàquelques0,1 MHz), en milieu très parasite comme c'est le cas des capteurs de position pour l'allumage des voitures, par exemple qui sont soumis aux parasites de l'allumage. Such characteristics are extremely favorable for the transmission of signals (of frequencies lower than some 0.1 MHz), in very parasitic medium as it is the case of the position sensors for the ignition of the cars, for example which are subjected to the parasites of the 'ignition.
Cette application est par ailleurs très défavorable aux câbles blindés classiques, avec leurs problèmes de fiabilité de connexions, du fait des vibrations et de l'environnement globalement difficile. Par ailleurs, la mise en place est facilitée du fait que ce câble peut être "strippé" comme n'importe quel fil de câblage Isolé. This application is also very unfavorable to conventional screened cables, with their problems of reliability of connections, due to the vibrations and the generally difficult environment. Furthermore, the installation is facilitated by the fact that this cable can be "stripped" like any insulated wiring wire.
Dans une autre réalisation typique, l'âme conductrice est constituée par un toron de 7 brins de 0,25 mm de diamètre en acier doux, constituant une âme ( à la masse) ferromagnétique: elle est recouverte du même mélange magnétique absorbant extrudé 5 de 2,5 mm de diamètre extérieur. Ensuite deux conducteurs de cuivre vernissé 3' et 3" de0,75 mm de diamètre forment une hélice double, guipée au pas de 2,5 mm. In another typical embodiment, the conductive core is constituted by a strand of 7 strands of 0.25 mm diameter in mild steel, constituting a ferromagnetic (grounded) core: it is covered with the same extruded absorbent magnetic mixture 5 of 2.5 mm outside diameter. Then two coated copper conductors 3 'and 3 "of 0.75 mm in diameter form a double helix, wrapped in 2.5 mm steps.
Cette réalisation, avec son isolant extérieur 4, constitue un exemple type d'un câble de puissance à haute Immunité contre coups de foudre, IEM et TEMPEST. This embodiment, with its external insulator 4, constitutes a typical example of a high immunity power cable against lightning strikes, EMI and TEMPEST.
Sa caractéristique passe-bas est donnée par la figure 9, telle que mesurée sur 0,50 m de longueur. On remarque, plus particulièrement un premier maximum d'atténuation (dû aux réflexions interfaciales ; voir brevet français n 8313145) dans la gemme des quelques Mégahertz, gomme dens laquelle se trouve concentrée l'énergie de l'impulsion nucléaire (IEM). Ce premier maximum se déplace vers 1 ,7 MHZ pour un câble de 1 m de long, et vers 0,85 MIiz pour un câble de 2 m de longueur, cas longueurs correspondent à des longueurs typiques de câblage dens les engins balistiques et fusés. Its low-pass characteristic is given in Figure 9, as measured over 0.50 m in length. We note, more particularly a first attenuation maximum (due to interfacial reflections; see French patent n 8313145) in the gem of a few megahertz, a dense rubber which is concentrated the energy of the nuclear pulse (IEM). This first maximum moves to 1.7 MHZ for a cable 1 m long, and to 0.85 MIiz for a cable 2 m in length, where lengths correspond to typical lengths of wiring in ballistic missiles and rockets.
Dans le cas d'au moins deux conducteurs chauds, une immunité supplémentaire peut être réalisée, sl ces conducteurs sont eux-mêmes en torsade. On arrive de la sorte à une torsade double, dont la configuration la plus simple correspond à une paire torsadée autour de l'âme conductrice à la masse (avec éventuellement sa couche absorbante, comme sur la figure 2, ou encore avec les conducteurs de la paire eux-mêmes recouverts de la couche magnétique absorbante comme sur la figure 3). In the case of at least two hot conductors, additional immunity can be achieved, sl these conductors are themselves twisted. We thus arrive at a double twist, the simplest configuration of which corresponds to a twisted pair around the conductive core to ground (possibly with its absorbent layer, as in FIG. 2, or again with the conductors of the pair themselves covered with the absorbent magnetic layer as in Figure 3).
Dans la figure 4, l'âme conductrice 1 est constituée en réalité par le blindage extérieur d'une structure coaxiale composée d'un ou de plusieurs câbles coaxiaux, paires torsadées etc... In Figure 4, the conductive core 1 is actually constituted by the external shielding of a coaxial structure composed of one or more coaxial cables, twisted pairs etc ...
non détaillés sur la figure. Cet exemple est destiné à montrer l'extension du concept d'une âme reliée à la masse, pouvant devenir celle, plus générale, d'un substrat conducteur, interne à l'hélice
Selon les caractéristiques souhaitées, l'ensemble des réalisations décrites peut comporter, en plus, à l'extérieur, une couche en matériau composite magnétique absorbant, w encore une couche en matériau composite conducteur selon une technique classique pour absorber des courants de mode communs parasites extérieurs (tels que décrits dans le brevet français n 7833385 et le brevet français n' 7918065).not detailed in the figure. This example is intended to show the extension of the concept of a soul connected to ground, which can become that, more general, of a conductive substrate, internal to the propeller.
According to the desired characteristics, all of the embodiments described may comprise, in addition, outside, a layer of absorbent magnetic composite material, w again a layer of conductive composite material according to a conventional technique for absorbing parasitic common mode currents. exteriors (as described in French patent n 7833385 and French patent n 7918065).
Le cas particulier, où une couche magnétique absorbante interne à l'hélice ou aux hélices (voir figure 2) comporte ainsi également une couche externe à cette w à ces hélices, est représenté sur la figure 5. The particular case, where an absorbent magnetic layer internal to the propeller or to the propellers (see FIG. 2) thus also includes a layer external to this w to these propellers, is represented in FIG. 5.
Il est évident que ce cas particulier peut être réalisé, avec les mêmes résultats, avec une couche d'absorbant magnétique entourant directement le ou les conducteurs (figure 6). It is obvious that this particular case can be achieved, with the same results, with a layer of magnetic absorbent directly surrounding the conductor (s) (Figure 6).
Dans les différentes réalisations décrites, un écran bon conducteur (tresse, colaminé, etc.) peut être placé à l'extérieur, si l'on souhaite une insensibilité poussée vis-à-vis des influences externes: une telle réalisation est utile dens les applications contre IEM dens des applications aérospatiales. In the various embodiments described, a good conductor screen (braid, colaminate, etc.) can be placed outside, if it is desired to be highly insensitive to external influences: such an embodiment is useful in applications against IEM dens aerospace applications.
il est important de noter que les différentes réalisations schématiques décrites cldessus peuvent âtre réalises en longueur, sous forme de câbles, dont des exemples ont été décrits. Réalisées sous forme très ramassez, elles donnent lieu à des compossnts électroniques: dans ce cas évidemment, l'ensemble peut être rigide, au moins en partie, et, par exemple le composite absorbant 5 remplacé par du ferrite compact
Il est essentiel de retenir ici que cas composants ont une structure quadripole (à propagation), et que, de ce fait, ils ont des effets filtres très large bande (en absence de tout effet de résennance propre).it is important to note that the various schematic embodiments described above can be made in length, in the form of cables, examples of which have been described. Realized in very pick up form, they give rise to electronic components: in this case obviously, the assembly can be rigid, at least in part, and, for example the absorbent composite 5 replaced by compact ferrite
It is essential to remember here that component cases have a quadrupole structure (with propagation), and that, because of this, they have very broad band filter effects (in the absence of any effect of own resistance).
La figure 9 indique ainsi les affaiblissements atteints avec un petit composant typique réalisé par une âme en fer de 0,8 mm de diamètre, reliée a la masse, recouverte d'une couche de matériau composite absorbant de 2,3 mm de diamètre et de 15 mm de longueur (déterminant la longueur du composant), recouverte de spires jointives de fil cuivre vernissé de 0,05 mm de diamètre. Ce composant représente un filtre large bande typique pour circuits imprimés, avec un affaiblissement minimum de 20 dB de 3 MHz à 10 Mliz. FIG. 9 thus indicates the attenuations achieved with a typical small component produced by an iron core of 0.8 mm in diameter, connected to ground, covered with a layer of absorbent composite material of 2.3 mm in diameter and of 15 mm in length (determining the length of the component), covered with contiguous turns of varnished copper wire 0.05 mm in diameter. This component represents a typical broadband filter for printed circuits, with a minimum loss of 20 dB from 3 MHz to 10 Mliz.
Plus particulièrement, cas composants se prêtent à la réalisation sous forme de structure en continu (comme un câble) ; et l'on obtient le composant par découpage. More particularly, component cases lend themselves to being produced in the form of a continuous structure (such as a cable); and the component is obtained by cutting.
Notons encore que, dans des besoins de câbles de flexibilité et résistance aux flexions alternées extremes, l'âme conductrice à la masse peut âtre elle-même réalisée par un conducteur en hélice, à l'intérieur ou parallèle au(x) conducteur(s) chaud(s) transmettant le signal à la puissance électrique. It should also be noted that, in the case of cables for flexibility and resistance to extreme alternating bending, the conductive earth conductor can itself be produced by a helical conductor, inside or parallel to the conductor (s). ) hot (s) transmitting the signal to electrical power.
Un exemple de réalisation correspondant à la figure 10 équivaut à la réalisation du type de la figure 2. Avec plusieurs conducteurs chaude, enroulés autour d'une âme constituée elle-meme par une hélice conductrice de diamètre plus petit, il soit ici d'une réalisation type de câbles à fiabilité maximum, tels qu'ils sont demandés pour des robots électroniques par exemple. An exemplary embodiment corresponding to Figure 10 is equivalent to the embodiment of the type of Figure 2. With several hot conductors, wound around a core itself formed by a conductive helix of smaller diameter, it is here of a typical implementation of cables with maximum reliability, as required for electronic robots for example.
Finalement, les structures des conducteurs en hélice se prêtent aisément à l'introduction de l'effet de résonnances interfaciales (référence du brevet cité), par la variation du pas de l'hélice et/su encore la variation de la capacité de l'hélice par rapport au conducteur de masse. Finally, the structures of the helical conductors lend themselves easily to the introduction of the effect of interfacial resonances (reference of the cited patent), by the variation of the pitch of the helix and / or again the variation of the capacitance of the helix with respect to the earth conductor.
De telles structures, avec des variations de pas brusques, sur des longueurs définies, permettent d'obtenir des effets passe-bas vers les fréquences plus basses, et/ou d'égaliser la courbe d'affaiblissement en fonction de la fréquence, supprimant les effets de résonnances interfaciales décrites. Such structures, with abrupt step variations, over defined lengths, make it possible to obtain low-pass effects towards the lower frequencies, and / or to equalize the attenuation curve as a function of the frequency, eliminating the effects of interfacial resonance described.
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