captronic 23 novembre 2017 - lcie

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Modules radio et performances CEM

Captronic – 23 novembre 2017

François POITEVIN

Expert CEM

2 © - Copyright Bureau Veritas

Utilisation des modules radio


Objectif

► Etudier la coéxistence des modules radio avec les

électroniques.

► Assurer leur Compatibilité Electromagnétique (CEM).

► Définir les règles et principes à prendre en compte lors de

l’intégration d’un module radio sur un circuit imprimé, dans

un équipement ou un système.


La radio

► Premières liaisons radio dans les années 30.

► Apparition de phénomènes de perturbations par les moteurs électriques.

► Création du CISPR (Comité International Spécial des Perturbations Radioélectriques) par la CEI (Comité Electrotechnique International) en 1933 pour éviter ces interférences.


L’électronique

► Développement de l’électronique depuis l’apparition du transistor vers les années 50 et des circuits intégrés dans les années 60.

► Eux aussi génèrent des perturbations.

► 1979: la FCC publie des normes limitant les niveaux d’émission.


La CEM

► Perturbation de lignes téléphoniques le long des voies de chemin de fer.

► Passage du son d’une voie à l’autre dans un central téléphonique : « Diaphonie ».

► Plantage d’un équipement numérique en cas de décharge électrostatique,

► Erreur de mesure induite par un émetteur radio.


Caractéristiques CEM des électroniques


CEM = Acoustique ?

► Acoustique : problèmes de compatibilité.

► Trop de bruit dans une pièce empêche la communication verbale.

► Bruit parasite pendant l’enregistrement d’un concert (classique…).

► Insonorisation d’une pièce ou d’une maison.


Acoustique = rayonnement et conduction

Rayonnement

dans l’air

Conduction dans

la structure


Acoustique

Rayonnement

dans l’air

Conduction dans

la structure


Electromagnétisme : conduction et rayonnement

Courant

électrique

Rayonnement

électromagnétique


Rayonnement et conduction

Courant

électrique

Rayonnement

électromagnétique


Fréquence de résonance d’un conducteur

Câble : L = 5 m

Piste : L = 20 cm

Antenne au-delà de 3 MHz

Antenne au-delà de 75 MHz


Rayonnement des circuits électroniques

Imc

Imc

Imd

Rayonnement des

câbles

Rayonnement des

cartes


Signal sinusoïdal

Temps

Fréquence


Signal trapézoïdal

Temps

Fréquence Harmoniques de la fréquence de

répétition

La fréquence max. dépend du front de montée du signal


Spectre d’emission des circuits électroniques

Un circuit électronique est un emetteur radio !

Exemple de résultat de mesure en émission rayonnée :


Sensibilité des électroniques

► Sensibilité aux perturbations rayonnées HF:

Démodulation HF dans les circuits audio,

Erreurs de mesures,

Déclenchements / dysfonctionnements de systèmes.

► Essais CEM correspondant : NF EN 61000-4-3 et -6


Détection d’enveloppe

Un circuit électronique est un récepteur radio !


Caractéristiques des systèmes radio


Principe d’une liaison radio

Emetteur Récepteur

Pas d’émission hors bande

(RNE)

F0 F0

Signal Filtrage

Forte réjection hors

bande


Caractéristiques de l’émetteur

► Fréquence: fixe et connue.

► Puissance d’émission : le niveau de champ doit être fort pour la communication. Problème si l’antenne est proche de l’électronique.

► Gain d’antenne : « orientation » du rayonnement dans l’espace.

► Evaluation du champ rayonné:

Exemple : à 5 cm d’une antenne 10 mW, E = 13 V/m

Immunité des électroniques résidentielles : 3 V/m

Immunité des électroniques industrielles : 10 V/m


Caractéristiques du récepteur

► Fréquence : plage de réception restreinte,

► Sensibilité très forte dans la bande,

► Forte réjection aux autres fréquences.

► Sensibilité possible à d’autres fréquences (Fréquence Intermédiaire par exemple),


Coexistence radio – électronique

CEM fonctionnelle


CEM et radio sur le même terrain…

CEM : Emission CEM : immunité


Intégration = proximité

Sur une carte : Dans une installation :


Perturbation du module récepteur radio

► Conséquence : désensibilisation et perte de portée.

► Particularité : grande sensibilité mais plage de fréquence réduite.

Rayonnement des circuits numériques

Antenne


Bruit dans la bande de réception

Electronique numérique : risque d’harmoniques dans la bande. Désensibilisation et perte de portée.

F0

Bande passante du

récepteur

Bruit dans la bande de réception

Spectre d’émission

rayonnée de l’électronique


Protection de la réception - 1

► Déterminer les sources :

Horloges,

Bus de communication,

Composants numériques,

Électronique de puissance à découpage,

Étincelles,

Autres services radio,…

► Eloigner les sources : zoning.



Utiliser un plan de masse pour limiter le rayonnement des pistes ou câbles bruyants.

Pas de

rayonnement

Piste ou câble

perturbateur Plan de masse : réflexion du champ en opposition de

phase

Champ généré par la piste annulé par la réflexion du plan



Choisir les fréquences d’horloge (harmoniques hors de la bande de réception).

96 MHz

Spectres des signaux d’horloges

24 MHz 24.5 MHz

Bande de réception

Harmonique 4 dans la bande !

Harmoniques hors bande de réception



► Filtrer l’entrée du récepteur pour rejetter le bruit hors bande.

► Nécessaire quand le filtre préselecteur est insuffisant (ou inexistant…)


Perturbation de l’électronique par l’émetteur

► Risque de détection d’enveloppe,

► Même problème que l’immunité aux champs rayonnés (essai NF EN 61000-4-3).

Rayonnement de l’antenne

Circuit audio : microphone


Protection de l’électronique - 1

► Plan de masse pour protéger les pistes sensibles : limitation du couplage sur la piste.



► Eloigner les composants sensibles (principalement analogiques) de l’antenne :

Ampli Ops,

Convertisseurs AN et NA,

Circuits audio ou de mesure.

► Blinder si l’éloignement est insuffisant.



► Filtrage des pistes sensibles.

► Filtrage simple par capacité à la masse.

► Fréquence unique et connue : optimisation facile du filtre.

Rayonnement du module radio

Courant parasite injecté

sur la piste

Longueur à prendre en compte pour

l’évaluation de la self parasite

Condensateur de filtrage à la masse


Optimisation du filtrage - 1

► Schéma équivalent d’un condensateur :

► ESL : self série équivalente (10 nH/cm).

► Perte d’insertion :


Optimisation du filtrage - 2

► Utilisation de la self série (longueur des connexions) pour accorder le filtre à la fréquence de la perturbation.

► Exemple : filtrage de l’émission à 433 MHz d’un module radio.

Condensateur de 27 pF à la masse

F = 433 MHz pour 5 mm

F = 250 MHz pour 15 mm


Conclusions

► La coexistence radio – électronique est possible avec une conception soignée.

► La mise en œuvre de modules radio nécessite aussi l’étude d’autres points :

Analyse de risque (dispositifs médicaux),

Compatibilité des différents services radio,

Protection des données (cyber-sécurité).

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