Techniques de mesures en champ proche appliquées …€¦ · nombre de spires différent, ... spire r=3mm Composant ... pour calculer le champ magnétique àdifférentes distances

Techniques de mesures en champ proche

D. BAUDRY – Septembre 2008

1

Techniques de mesures en champ proche appliquées à la

CEM

David BAUDRY

ESIGELEC/IRSEEM



2

Institut de Recherche en SystInstitut de Recherche en Systèèmes mes ÉÉlectroniques Embarqulectroniques Embarquééss

� créé en 2001 avec:

- la CCI de Rouen et

- une quarantaine d’industriels des filières

� automobile,

� aéronautique/spatial

� et des secteurs de l’électronique et des télécommunications.

� Les axes de recherche s’articulent autour de 3 pôles:

�Automatique & Systèmes (contrôle et diagnostic moteur)

�Instrumentation, Informatique & Systèmes (instrumentations et systèmes, transport intelligent).

�Électronique & Systèmes (électromagnétisme, CEM et hyperfréquences)

�14 enseignants-chercheurs

�3 techniciens

�1 professeur associé

�19 doctorants

�2 stagiaires

� Une activité transversale:

transfert de technologie et développement économique local



3


� Problématiques• Complexité des dispositifs électroniques (forte intégration et miniaturisation

des composants…)

=> risque de perturbations électromagnétiques

• Présence de câbles et connecteurs

=> Intégrité des signaux compromise

�Objectifs• Connaître le rayonnement électromagnétique dans l’environnement proche

des systèmes, cartes et composants

• Caractériser la susceptibilité locale des cartes et composants à une agression

rayonnée

�Applications• Outil de diagnostic et d’aide à la conception

• Modélisation du rayonnement des cartes et composants



4

Technique de mesures en champ procheChamps d’investigation des mesures électromagnétiques en champ proche

Diagnostic CEM en

émission :

• Localisation des sources de rayonnement• Maîtrise des couplages• Optimisation des blindages

Composants

Diagnostic CEM

en émission :

• Mesure des émissions conduites• Mesure des émissions rayonnées

Diagnostic CEM

en immunité :

• Rayonnée• Décharges électrostatiques

Systèmes

Modélisation

Diagnostic CEM en

immunité :

• Localisation des couplages sur une carte • Détermination des zones de faiblesses

ModélisationModélisation/simulation Modélisation/simulation



5

Banc champ proche de l’IRSEEM

x

z

y

�Méthode de mesure directe utilisant des sondes électroniques� Obtention des composantes E et H en 2D et 3D

� Transposable en milieu industriel

�Synoptique :

� Robot 5 axes avec une résolution mécanique de 10µm en (x, y, z)

� Précision des 2 rotations de 0.009º

Analyseur

Réseau

Sonde

Microcontrôleur

PC

Analyseur

Spectre

Equipement de mesure



6

coupleur

hybride 180°

dipôle

∆

câble coaxial

Sonde de mesure des

composantes tangentielles du

champ électrique (EPXY)

Sonde de mesure de la

composante normale du

champ électrique (EPZ)

Sonde diamètre de l’âme

centrale (µm)

EPZ1 510

EPZ2 280

EPZ3 100

Sondes disponibles : mesure de champ électrique



7

Sondes disponibles : mesure de champ magnétique

coupleur

hybride 180°

boucle

∆

câble coaxial

Sondes de mesure du champ

magnétique (HXYZ)

Boucles de différentes surfaces et de

nombre de spires différent, utilisables

selon l’application



8

Mesure avec l’analyseur de réseau

Analyseur de réseau

vectoriel

PC

Sonde champ

magnétique

SelfQuartz

Signal de

référence

Configuration de test pour les

éléments actifs

Analyseur de réseau

vectoriel

PC

Sonde champ

magnétique

Self

Configuration de test pour les

éléments passifs

Difficulté: Récupération de la phase du champ rayonné par un dispositif sans lui injecter de puissance extérieure à la carte

Pour modéliser, nous avons besoin de disposer de l’amplitude et de la phase du champ rayonné à une certaine distance au-dessus du composant



9

CEM des composants: Mesure des émissions rayonnées

� Norme IEC 61967-3 : méthode de

balayage en champ proche.

� Applications :

� Étude de l’activité interne du

composant

� Connaissance de la topologie

électromagnétique

� Comparatif des niveaux d’émissions de

différents composants

-10 0 10

-10

0

10

x (mm)

y (

mm

)

-60

-50

-40

-30

-10 0 10

-10

0

10

x (mm)

y (

mm

)

-60

-50

-40

-30

-10 0 10

-10

0

10

x (mm)

y (

mm

)

-60

-50

-40

-30

H

(dBA/m)

Hx Hy

Hxy

broches

d’alimentation

(VDD et VSS)

Mesure des émissions rayonnées d’un microcontrôleur

Composantes tangentielles de l’excitation magnétique

boitierpuce

Fil de bondingbroche

Circuit intégré



10

Immunité en champ proche (1)

Robot 3 axes

Synoptique du banc champ proche utilisé en immunité

Synthétiseur, Amplificateur, Oscilloscope

Sonde simple spire r=3mm

Composant

� Fort intérêt des industriels pour ce domaine

� Caractérisation de la susceptibilité des composants en utilisant un banc champ proche



11


Objectifs :

Localisation des composants sensibles à des perturbations extérieures

Adaptation du banc de mesures champs proches pour effectuer des tests en immunité

� Etude de deux versions

d’un émetteur RF

� Perturbation locale à

l’aide d’une sonde de

champ électrique entre

1 et 2GHz

� Dysfonctionnement se

traduisant par un

décalage de la

fréquence de

fonctionnementCarte II-A

∆ƒ∆ƒ∆ƒ∆ƒ(kHz)

Carte I-A

1.12GHz 1.8GHz∆∆∆∆ƒƒƒƒ(kHz)

Carte II-B

∆ƒ∆ƒ∆ƒ∆ƒ(kHz)

Carte I-B



12


� Agression locale d’un inverseur pour deux orientations de la sonde: Pinjectée=1W, f=1.2 GHz

-15 -10 -5 0 5 10 15

-5

-4

-3

-2

-1

0

1

2

3

4

5

x(mm)

y(m

m)

Y Orientation

-15 -10 -5 0 5 10 15

-5

-4

-3

-2

-1

0

1

2

3

4

5

x(mm)

y(m

m)

X Orientation

(a) (b)

défaut

I O

VDD

Cartographie de la susceptibilité de l’inverseur

Orientation de la boucle Orientation de la boucle



13

Modélisation



14

Post-traitement des mesures en champ proche (1/3)

� Objectifs: calcul des trois composantes du champ magnétique dans différents plans àpartir de 2 mesures du champ magnétique en champ proche

� Utilisation de la théorie du spectre d’ondes planes:

Mesures de Hx, ,Hy dans le

plan z=0

Calcul de Fx, Fy et Fz à z=0

Calcul de Fx, Fy et Fz à z=d

Estimation de Hx, ,Hy et Hz

à z=d

z=d

Circuit testé

Champ calculé

Champ mesuré

z=0

Estimation de

Hz à z=0

x

y

z

Calcul du champ magnétique en utilisant la théorie du spectre d’ondes planes

( ) yx

.

2dk dk ),(

4

1,, rkj

yx ekkFzyxHrr

−∞

∞−

∞

∞−∫ ∫=π

( ) [ ] yx

)(

2dk dk ),(

4

1,,

ykxkjzjk

yxyxz eekkFzyxH

+−∞

∞−

∞

∞−

−∫ ∫=π

z

yyxx

zk

kkFkkFkF

).().()(

+−=

djk

zdz

zekFkF−

===

0)()(rr



15


� Circuit testé: � Oscillateur (quartz + inverseurs)

� f=40 MHz

(a) (b)

(a) Mesures à 2mm, (b) Hz calculé par le spectre d’ondes planes à 2mm.



16


Champ magnétique mesuré et calculé à 50mm

Variation du maximum du champ magnétique jusqu’à 0,5m



17

Modélisation des émissions rayonnées

� Obtention des sources responsables du rayonnement du composant pour calculer le champ magnétique à différentes distances au-dessus du composant

� Possibilité de modéliser des circuits intégrés et des cartes en 2D (plan XY)

� Modèle basé sur un réseau de dipôles équivalents

∆ℓ

θ1θ2

θ3 θ4

Champ rayonné

Dispositif à modéliser Réseau de dipôles



18

Modèle basé sur des dipôles électriques

� Equations du rayonnement d’un dipôle

( ) ( ) ( )2

0

2

0

2

0 zzyyxxR −+−+−=avec

Inconnues: I0 et θ

( ) ( )rArH ×∇=0

1

µ

∑

∑=

=

i

iyijiyj

i

ixijixj

IH

IH

θα

θα

cos

sin

0

0i: points sources

j: points de

mesure

( )

( )

( ) ( )

[ ]θαθα

θω

θω

π

θαθω

π

θαθω

π

cossin

cossin4

os cos4

sin sin4

210

0000

2

0

000

2

0

000

2

0

⋅+⋅⋅=

⋅

−+

−+⋅

−+

−−∆=

⋅=⋅

−+

−∆

−=

⋅=⋅

−+

−∆=

−

−

−

zz

jkR

z

y

jkR

y

x

jkR

x

I

c

yyj

R

yy

c

xxj

R

xx

R

eIH

cIc

zzj

R

zz

R

eIH

Ic

zzj

R

zz

R

eIH

l

l

l

Champ magnétique mesuré Calculé

z

x

y

r

'r

∆l

R

θ



19

Modèle basé sur des dipôles électriques� Construction d’un modèle d’émission rayonnée du composant basé sur des sources

équivalentes déterminées à partir de mesure champ proche.

� Positionnement manuel des sources sur les maxima de champ magnétique.

� Courants déterminés par itérations successives.

Modélisation des émissions rayonnées d’un microcontrôleur

Mesures

Modèle d’émission

-20 -10 0 10 20

-20

-10

0

10

20

Hx mesurée

-60

-50

-40

-30

-20

-20 -10 0 10 20

-20

-10

0

10

20

Hy mesurée

-60

-50

-40

-30

-20

-20 -10 0 10 20

-20

-10

0

10

20

Hxy mesurée

-60

-50

-40

-30

-20

-20 -10 0 10 20

-20

-10

0

10

20

Hx simulée

-60

-50

-40

-30

-20

-20 -10 0 10 20

-20

-10

0

10

20

Hy simulée

-60

-50

-40

-30

-20

-20 -10 0 10 20

-20

-10

0

10

20

Hxy simulée

-60

-50

-40

-30

-20

dBA/m

dBA/m

x (mm)

y (mm)

ligne de courant équivalente



20

Modèle basé sur des dipôles électriques Implémentation du modèle dans un code 3D

� Objectif : implémentation du modèle dans un code 3D pour étudier les couplages avec des pistes voisines.

� Utilisation du logiciel CST Microwave Studio 2006 (Technique d’intégration finie).

Réseau de dipôle simulé



21

Modèle basé sur des dipôles électriquesComparaisons

Hx modèle

-20 -10 0 10 20

-20

-10

0

10

20 -60

-50

-40

-30

-20

Hy modèle

-20 -10 0 10 20

-20

-10

0

10

20 -60

-50

-40

-30

-20

Hxy modèle

-20 -10 0 10 20

-20

-10

0

10

20 -60

-50

-40

-30

-20

Hx simulation

-20 -10 0 10 20

-20

-10

0

10

20 -60

-50

-40

-30

-20

Hy simulation

-20 -10 0 10 20

-20

-10

0

10

20 -60

-50

-40

-30

-20

Hxy simulation

-20 -10 0 10 20

-20

-10

0

10

20 -60

-50

-40

-30

-20

Modèle

Outil de simulationélectromagnétique 3D



22

Modèle basé sur des dipôles électriquesValidation

� Mesure de la composante Hz à une hauteur de 5 mm au-dessus du composant

� Comparaisons mesure / modèle / outil de simulation 3D

Hz mesure

-20 -10 0 10 20

-20

-10

0

10

20 -70

-65

-60

-55

-50

-45

-40Hz modèle

-20 -10 0 10 20

-20

-10

0

10

20 -70

-65

-60

-55

-50

-45

-40Hz simulation

-20 -10 0 10 20

-20

-10

0

10

20 -70

-65

-60

-55

-50

-45

-40 dBA/m

y

(mm)

x (mm)

(a) (b) (c)

Mesure Modèle Outil de simulationélectromagnétique 3D



23

CEM Système: Modélisation d’une carte de puissance (1)H

(dB

A/m

)

Champ magnétique mesuré au-dessus d’une carte de puissance� fréquence : 1 MHz

� Mesure des 3 composantes du champ magnétique

0.0496 (0, 0, -1)(145, 10, 12)6

0.1359 (0, 0, 1)(160, 45, 15)5

-0.1240(0, -1, 0)(170, 35, 13)4

0.0054 (0, 1, 0)(105, 20, 8)3

-0.3865 (0, 1, 0)(215, 55, 10)2

-0.0141 (0, 1, 0)(215,35,10)1

Moment of the

Magnetic Dipole

x1.0e-006 (A.m2)Imposed Orientation of the

Moment

Position

(mm)

Magnetic

Dipole



24

CEM Système: Modélisation d’une carte de puissance (2)

Hx (dBA/m)Mesure

Modèle

Hy (dBA/m)Mesure

Modèle

Hz (dBA/m)Mesure

Modèle



25

Conclusion

� La détermination des cartographies des différentes composantes

électromagnétiques permet

� La localisation des sources de rayonnement dans des systèmes

électroniques

� L’obtention de modèles d’émissions rayonnées de composants et

cartes, qui permettent de simuler l’ensemble du système et prévoir ainsi

les émissions électromagnétiques

� Les cartographies en susceptibilité permettent de localiser les zones

sensibles à des perturbations rayonnées

Documents

Techniques de mesures en champ proche appliquées …€¦ · nombre de spires différent, ... spire r=3mm Composant ... pour calculer le champ magnétique àdifférentes distances