E TAT DE L ’ ART DES SONDES POUR SCAN CHAMP PROCHE

On peut trouver dans la littérature plusieurs types de sondes qui permettent de capter un rayonnement électromagnétique en zone de champ proche. Elles sont caractérisées par différents paramètres définissant leurs qualités. Ces paramètres sont :

- La bande de fréquence de fonctionnement (large bande ou bande étroite). - Les différentes composantes du champ électrique et magnétique captées. - La résolution spatiale.

- L’influence sur le fonctionnement et sur les champs rayonnés par le dispositif.

La partie qui suit est un état de l’art des sondes de champ proche les plus usuellement utilisées dans le domaine des hyperfréquences. Nous décrirons les possibilités de mesure de chacune et mettrons en avant les paramètres à améliorer.

2.1 LES SONDES DE TYPE COAXIAL

De par leur simplicité de fabrication, les sondes à base de câble coaxial font partie des sondes les plus utilisées. Elles sont réalisées à partir d’un câble coaxial semi-rigide [Castagnet, 2007], [Gao et

al., 1998]. Les câbles coaxiaux semi-rigides sont utilisés en hyperfréquence du fait de leurs faibles

pertes en fonction de la fréquence. Un câble coaxial est composé d’une gaine, d’un contour métallique de masse, d’un isolant et d’un brin conducteur interne (Figure 34).

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Figure 34 : câble coaxial rigide

L’isolant est généralement constitué d’un diélectrique de type PTFE plus communément connu sous le nom de téflon. Dans le domaine des hyperfréquences, différentes dimensions de câble existent, ayant tous une impédance caractéristique de 50 Ω.

Figure 35 : Diamètres des câbles coaxiaux

L’impédance caractéristique 𝑍𝑐 d’un câble coaxial se calcul par la relation suivante :

𝑍𝑐 =¹³⁸

𝜀𝑟log ^𝑑2

𝑑1 ^{(Eq 16)}

Sachant que les dimensions des sondes jouent fortement sur la résolution spatiale de celles-ci, les câbles coaxiaux de petit diamètre sont généralement utilisés. Les câbles coaxiaux permettent la réalisation de deux types de sonde, celles liées aux champs électriques et celles liées aux champs magnétiques.

2.1.1 S

Les sondes liées aux champs électriques permettent de capter majoritairement les différentes composantes spatiales du champ électrique rayonnées par un dispositif. Elles sont réalisées en laissant sortir le brin interne du câble. Leur principe de fonctionnement est basé sur le champ électrique existant entre le DST (Dispositif Sous Test) et ce dernier. En effet, lorsque la sonde est mise en regard du DST, un champ électrique se crée par couplage entre la sonde et celui-ci. Ce type de couplage est dit capacitif (Figure 36(a)). Aussi le courant induit dans la sonde est lié au champ électrique existant entre la sonde et le DST par la relation suivante [Gao et al., 1998] :

𝑖 = 𝐶.^{𝛿𝑢(𝑡)}

𝛿𝑡 ^{(Eq 17)}

Câble 1 Câble 2 Câble 3 Câble 4 d1 0.9 mm 0.51 mm 287 µm 112 µm d2 3 mm 1.7 mm d3 3.58 mm d3 = 2.2 mm 1.19 mm 508 µm d2 d3 d1

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où 𝑖 est le courant traversant la sonde, 𝑢 la tension récoltée par celle-ci et 𝐶 la valeur de la capacité équivalente entre la sonde et le dispositif sous test (Figure 36(a)). La tension 𝑢(𝑡) est quant à elle directement liée au champ électrique 𝐸(𝑡) par la relation suivante :

𝑢 𝑡 = 𝐾. 𝐸(𝑡) (Eq 18)

où 𝐾 est un coefficient.

La composante maximale du champ captée par la sonde est celle orthogonale à la surface S du brin interne. De ce fait, suivant l’orientation de l’âme centrale, il est possible de détecter les différentes composantes d’un champ électrique rayonné par un DST.

(a) (b) (c)

Figure 36 : Sonde pour champ électrique : (a) composante verticale Ez, (b) composante horizontale Ex et Ey

La majeure partie des sondes que l’on trouve dans la littérature pour la détection du champ électrique vertical laisse le câble interne sortir sur une certaine longueur. Pour la composante horizontale du champ électrique, le brin interne est plié à 90° comme sur la Figure 36(c). Cependant, une dissymétrie apparaît lors des mesures du fait que le brin capte seulement 𝐸𝑥+ ou 𝐸𝑥- [Dutta et al., 1999], [Nativel, 1999]. Pour remédier à ce problème, il est possible de réaliser une sonde basée sur l’association de deux câbles coaxiaux dont les brins sortent en 𝑥- et 𝑥+ comme présenté sur la Figure 37 [Demarti, 2006].

Figure 37 : Sonde pour capter la composante 𝐸𝑥+ et 𝐸𝑥- du cham électrique

Câble coaxial Pour la composante z Pour la composante x ou y Câble coaxial 2 Câble coaxial 1

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Pour la réalisation de cartographies en réception, le premier câble coaxial est connecté au bloc détection, l’autre est relié à une charge adaptée de 50 Ω.

2.1.2 S

La loi de Lenz lie le flux magnétique 𝜙 traversant une boucle à la force électromotrice 𝑒 présente aux bornes de cette boucle.

𝑒 = −^𝛿𝜙

𝛿𝑡 ^{(Equ 19)}

Pour une boucle de diamètre très faible devant la longueur d’onde, la tension induite en sortie est directement proportionnelle à la composante du champ magnétique normale à la boucle de surface 𝑆. L’équation de la tension s’écrit de la façon suivante :

𝑢(𝑡) = − ^𝛿𝐵

𝛿𝑡^{.𝑛. 𝑑𝑆 = −𝑗. 𝜔. 𝜇0. 𝐻. 𝑛.}_𝑆

𝑆 𝑑𝑆 (Equ 20)

On note 𝑢(𝑡) la tension aux bornes de la sonde, 𝐵 l’induction magnétique, 𝐻 le champ magnétique, µ₀ la perméabilité du vide et 𝜔 la pulsation.

Pour réaliser une sonde magnétique à partir d’un câble coaxial, l’âme centrale du câble forme une boucle. La boucle est ensuite rebouclée sur la masse afin de réaliser un court circuit. Suivant l’orientation de la boucle, les différentes composantes du champ magnétique peuvent être étudiées (Figure 38).

(a) (b)

Figure 38 : Sonde pour champ magnétique : (a) composante verticale Hz, (b) composante horizontale Hx et Hy

Ce type de sonde capte aussi un champ électrique indésirable lequel augmente avec la fréquence. Nous expliquerons ce phénomène dans la suite de ce manuscrit. Différentes méthodes permettent de réduire l’influence du champ électrique. La principale est le blindage des sondes.

Câble coaxial Boucle pour la composante z Boucle pour la composante x ou y

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