CEM et RF spatiales : maîtriser les interactions électromagnétiques pour garantir la mission
Dans le spatial, la compatibilité électromagnétique et la maîtrise des performances RF sont essentielles au bon fonctionnement des équipements, sous-systèmes, satellites, lanceurs et charges utiles.
Un système spatial réunit de nombreux équipements électroniques et radiofréquences dans un environnement fortement intégré. Des calculateurs, alimentations, convertisseurs, systèmes de contrôle, émetteurs, récepteurs et charges utiles RF doivent pouvoir fonctionner simultanément sans se perturber mutuellement et sans dégrader les performances de la mission.
Les problématiques rencontrées concernent aussi bien les émissions et susceptibilités conduites et rayonnées que les transitoires, les interfaces électriques, les couplages entre équipements ou encore les performances des chaînes RF et hyperfréquences.
Dans les satellites de télécommunications, une difficulté supplémentaire réside dans la coexistence de signaux d’émission de forte puissance et de récepteurs extrêmement sensibles. Les émissions parasites, harmoniques et phénomènes d’intermodulation, notamment la PIM (Passive Intermodulation), deviennent alors des paramètres importants de la performance du système.
Les référentiels ECSS, complétés par les exigences des agences, maîtres d’œuvre et programmes spatiaux, structurent les démarches de conception, de qualification et de validation.
HEMERA RF accompagne les acteurs du spatial dans la définition et l’intégration de moyens d’essais CEM, RF et hyperfréquences, depuis la qualification des équipements jusqu’aux problématiques de compatibilité électromagnétique et de performances RF des systèmes complexes.
Du composant au satellite : plusieurs niveaux de validation
La particularité du spatial est de devoir maîtriser les interactions électromagnétiques à différents niveaux.
Il est important de distinguer notamment :
Composants et équipements → sous-systèmes → plateforme et charge utile → satellite intégré
Chaque niveau introduit des problématiques différentes.
Au niveau d’un équipement électronique, l’objectif consiste notamment à vérifier ses émissions et sa susceptibilité aux perturbations.
Lorsque plusieurs équipements sont assemblés en sous-système, leurs interfaces électriques, câblages, masses, blindages et interactions électromagnétiques deviennent également déterminants.
Au niveau du satellite complet, la problématique devient véritablement système : tous les équipements doivent pouvoir fonctionner simultanément sans qu’une émission conduite ou rayonnée, une harmonique, un signal parasite ou un couplage indésirable ne compromette une autre fonction.
Cette approche est particulièrement importante dans le spatial, car une anomalie qui apparaîtrait une fois le satellite en exploitation peut être extrêmement difficile, voire impossible, à corriger physiquement.
La maîtrise de la CEM doit donc être prise en compte dès la conception puis vérifiée progressivement au cours des phases d’intégration et de qualification.
Plateforme et charge utile : deux fonctions complémentaires
Pour comprendre les enjeux CEM et RF d’un satellite, il est utile de distinguer la plateforme et la charge utile.
La plateforme, ou bus, regroupe les fonctions nécessaires au fonctionnement du satellite : alimentation et distribution d’énergie, contrôle thermique, contrôle d’attitude et d’orbite, informatique de bord, télémesure et télécommande, ainsi que différentes fonctions de service.
La charge utile (payload) assure quant à elle la mission proprement dite. Selon le satellite, il peut s’agir de télécommunications, d’observation de la Terre, de navigation, de météorologie, d’instrumentation scientifique ou d’autres missions spécialisées.
Du point de vue électromagnétique, ces deux ensembles doivent fonctionner dans un espace limité tout en faisant coexister :
- électronique numérique
- électronique de puissance
- convertisseurs et alimentations
- calculateurs
- bus et interfaces de communication
- équipements RF
- émetteurs de puissance
- récepteurs sensibles
- antennes et chaînes hyperfréquences.
La compatibilité entre plateforme, charge utile et environnement RF constitue donc un enjeu majeur de l’intégration du satellite.
ECSS : le cadre européen des projets spatiaux
Dans le domaine spatial européen, les standards ECSS (European Cooperation for Space Standardization) constituent un cadre de référence majeur pour la conception, le développement et la qualification des systèmes spatiaux.
Contrairement à une approche reposant sur une unique norme d’essai, les exigences CEM s’inscrivent dans une démarche d’ingénierie plus globale intégrant la définition de l’environnement électromagnétique, les exigences applicables aux équipements et sous-systèmes, les méthodes de vérification et la compatibilité du système intégré.
Les référentiels applicables doivent toujours être déterminés en fonction du programme, de l’agence, du maître d’œuvre, de la mission et du niveau de qualification considéré.
Cette logique est importante : dans le spatial, la CEM ne consiste pas uniquement à faire passer une série d’essais à un équipement en fin de développement. Elle doit être prise en compte dans l’architecture électrique et RF du système dès sa conception.
Qualification CEM des équipements et sous-ensembles électroniques
À l’échelle des équipements, les essais permettent notamment de caractériser les perturbations générées et de vérifier leur immunité ou susceptibilité aux environnements auxquels ils peuvent être exposés.
Selon les exigences du programme, les essais peuvent concerner :
- émissions conduites
- émissions rayonnées
- susceptibilité conduite
- susceptibilité rayonnée
- transitoires électriques
- interfaces d’alimentation
- câblages et lignes de communication
- champs électromagnétiques.
Comme dans les domaines Défense et Aéronautique, le moyen d’essai doit être dimensionné en fonction des fréquences, niveaux, méthodes de couplage et performances réellement exigés par le programme.
De la qualification d’un équipement à la compatibilité du satellite complet
Un équipement conforme à ses exigences individuelles ne garantit pas automatiquement que le satellite complet sera électromagnétiquement compatible.
L’intégration de nombreux équipements peut faire apparaître des phénomènes qui n’étaient pas nécessairement visibles lors des essais individuels :
- couplages entre câbles
- perturbations par les alimentations
- courants de mode commun
- rayonnement des équipements numériques
- interactions entre convertisseurs et équipements sensibles
- couplages entre antennes
- harmoniques
- produits d’intermodulation
- émissions parasites dans des bandes sensibles.
La CEM système consiste donc à s’assurer que les différents équipements peuvent fonctionner simultanément dans leurs configurations opérationnelles.
Les essais d’intégration doivent alors être pensés en fonction de l’architecture réelle du satellite et des modes de fonctionnement représentatifs de la mission.
Des signaux extrêmement faibles à la forte puissance RF
Le spatial présente une particularité importante : des niveaux de puissance extrêmement différents peuvent coexister au sein d’un même système.
Un satellite de télécommunications peut par exemple associer des émetteurs RF de puissance importante à des chaînes de réception conçues pour détecter des signaux extrêmement faibles.
Cette différence de niveau impose une maîtrise particulièrement rigoureuse :
- des émissions parasites
- des harmoniques
- des produits d’intermodulation
- du bruit
- des fuites RF
- des couplages entre chaînes
- de l’isolation entre émission et réception.
Une perturbation qui paraîtrait négligeable par rapport à la puissance d’un émetteur peut devenir significative lorsqu’elle se retrouve dans la bande d’un récepteur très sensible.
Cette problématique constitue le lien naturel entre CEM et ingénierie RF/hyperfréquences.
Charge utile RF et télécommunications
Pour les satellites de télécommunications, la charge utile peut comprendre différentes chaînes RF et hyperfréquences assurant la réception, le traitement, le filtrage, l’amplification et la réémission des signaux.
La caractérisation de ces chaînes peut nécessiter des mesures portant notamment sur :
- puissance RF
- fréquences
- spectre
- gain
- pertes d’insertion
- adaptation
- isolation
- harmoniques
- émissions parasites
- intermodulation.
Selon les applications, ces mesures peuvent s’étendre à des fréquences hyperfréquences et millimétriques.
La qualité de la chaîne de mesure devient elle-même déterminante lorsque l’on cherche à caractériser des niveaux parasites très faibles.
PIM : quand un composant passif génère de nouvelles fréquences
La PIM (Passive Intermodulation, ou intermodulation passive) est un phénomène particulièrement important dans les systèmes RF de forte puissance et notamment dans certaines charges utiles de télécommunications.
Son principe peut être expliqué simplement.
Imaginons que deux porteuses RF de fréquences f1 et f2 traversent simultanément un composant passif.
Dans un système parfaitement linéaire, ce composant transmet les deux signaux sans créer de nouvelles fréquences.
Mais dans la réalité, une très faible non-linéarité peut exister au niveau d’un connecteur, d’un contact métallique, d’un câble, d’un filtre, d’un assemblage mécanique ou d’une interface entre matériaux.
Cette non-linéarité peut alors mélanger les signaux et générer de nouvelles fréquences : les produits d’intermodulation.
Pour les produits du troisième ordre, on retrouve notamment :
2f1 − f2
2f2 − f1
Le problème apparaît lorsqu’un de ces produits parasites tombe dans une bande de réception sensible.
On peut résumer le phénomène ainsi :
Deux porteuses RF puissantes → légère non-linéarité d’un élément passif → création d’un produit d’intermodulation → signal parasite dans une bande de réception → dégradation possible des performances du récepteur.
Pourquoi la PIM peut-elle devenir critique dans le spatial ?
La difficulté vient de l’écart considérable entre les niveaux concernés.
Les porteuses RF qui traversent la chaîne peuvent présenter une puissance importante, tandis que le produit PIM recherché peut être extrêmement faible.
Or un récepteur satellite est précisément conçu pour recevoir des signaux de très faible niveau.
Un produit d’intermodulation très faible par rapport aux porteuses d’émission peut donc devenir gênant s’il se situe dans une bande utilisée par un récepteur sensible.
C’est pourquoi la PIM constitue une problématique particulièrement importante lorsqu’un système associe :
fortes puissances d’émission + plusieurs porteuses + récepteurs sensibles + forte intégration RF.
D’où vient la PIM ?
La PIM peut notamment être favorisée par :
- des contacts électriques imparfaits
- des connecteurs ou assemblages présentant une mauvaise qualité de contact
- des interfaces entre différents matériaux
- des états de surface
- de l’oxydation ou de la contamination
- certaines jonctions métalliques
- des défauts mécaniques ou de serrage
- plus généralement, toute non-linéarité involontaire présente dans le chemin RF ou son environnement.
La maîtrise de la PIM ne concerne donc pas uniquement la conception électronique. Elle dépend également de la connectique, de la mécanique, des matériaux, de l’assemblage et de la qualité de réalisation du système RF.
Mesurer la PIM : une chaîne de mesure particulièrement exigeante
Exemple : architecture d’un banc de mesure PIM forte puissance :
Prenons le cas d’un équipement RF ou hyperfréquence destiné à une charge utile satellite et devant fonctionner simultanément avec deux porteuses de forte puissance.
Pour caractériser son niveau de PIM, le banc peut comporter deux voies de génération RF, chacune associée à un amplificateur de puissance RF ou hyperfréquence. Les deux porteuses amplifiées sont ensuite combinées et injectées dans l’équipement sous test.
L’architecture peut être représentée simplement :
Générateur f1 → amplificateur de puissance ┐
├→ combinaison / filtrage → EUT → filtrage → réception faible niveau
Générateur f2 → amplificateur de puissance ┘
Les amplificateurs permettent de reproduire les niveaux de puissance réellement rencontrés par l’équipement. Mais ils introduisent également une difficulté : le banc doit garantir que les produits d’intermodulation mesurés proviennent bien de l’EUT et non des amplificateurs ou des autres éléments de la chaîne.
Il faut donc maîtriser très soigneusement les harmoniques et produits d’intermodulation générés par les sources et amplificateurs, puis assurer un filtrage et une isolation suffisants entre les différentes voies.
Après l’EUT, une chaîne de réception sélective permet de rechercher le produit PIM à la fréquence attendue, par exemple pour un produit du troisième ordre :
fPIM = 2f1 − f2 ou fPIM = 2f2 − f1
Le défi consiste alors à détecter un signal parasite extrêmement faible en présence de porteuses beaucoup plus puissantes. La dynamique du système de mesure, le filtrage et l’isolation deviennent donc déterminants.
Le banc lui-même doit présenter une PIM très faible
Les amplificateurs ne sont qu’une partie du problème. Les combineurs, filtres, coupleurs, câbles, connecteurs, adaptateurs, charges et interfaces mécaniques du banc peuvent eux-mêmes contribuer au niveau de PIM mesuré.
Avant de caractériser l’EUT, il faut donc connaître et maîtriser le plancher de PIM propre au banc d’essai.
On pourrait résumer la difficulté ainsi :
Générer deux porteuses de forte puissance → les combiner sans créer de parasites significatifs → solliciter l’EUT → éliminer les porteuses → mesurer un produit PIM extrêmement faible.
C’est précisément ce qui transforme une mesure PIM en un projet d’intégration RF/hyperfréquence, plutôt qu’en une simple mesure réalisée avec un analyseur de spectre.
Une application typique de l’approche multimarque HEMERA RF
La réalisation d’un tel banc peut nécessiter d’associer des technologies très différentes : générateurs RF/hyperfréquences, amplificateurs de puissance, filtres à très forte réjection, combineurs, coupleurs, composants faible PIM, analyseurs, capteurs de puissance et logiciels de pilotage.
Le choix des amplificateurs est notamment lié à la bande de fréquences, la puissance nécessaire, la linéarité et les performances spectrales recherchées. Les composants passifs doivent quant à eux présenter des caractéristiques compatibles avec la puissance appliquée tout en contribuant le moins possible à la PIM propre du banc.
La mesure de PIM présente une difficulté fondamentale : le banc doit générer des porteuses de puissance importante tout en étant capable de détecter des produits parasites extrêmement faibles.
Il faut donc éviter que le banc de mesure ne génère lui-même davantage de PIM que l’équipement que l’on cherche à caractériser.
Une architecture de mesure peut notamment comprendre :
génération des porteuses → amplification → combinaison et filtrage → équipement sous test → séparation/filtrage → réception et mesure du produit PIM.
Les câbles, connecteurs, adaptateurs, charges, filtres, coupleurs et autres composants du banc doivent présenter des performances adaptées à ce type de mesure.
Le résultat dépend donc de la performance de l’ensemble de la chaîne, et non du seul analyseur utilisé à son extrémité.
Cette problématique illustre particulièrement bien l’intérêt d’une approche d’intégrateur : la mesure PIM doit être considérée comme un système RF complet.
Harmoniques, intermodulation et émissions parasites
La PIM n’est qu’une des problématiques susceptibles d’affecter les performances RF d’une charge utile.
La caractérisation peut également porter sur les harmoniques, produits d’intermodulation actifs, émissions parasites, bruit et autres signaux indésirables.
L’objectif est notamment de vérifier qu’une chaîne d’émission ne génère pas d’énergie susceptible de dégrader une autre fonction du satellite.
Cette analyse nécessite de raisonner simultanément en termes de :
- fréquence
- puissance
- dynamique de mesure
- largeur de bande
- filtrage
- isolation
- linéarité
- bruit.
On retrouve ici la complémentarité entre les compétences CEM, RF et hyperfréquences.
Piloter et monitorer le système pendant les essais
Comme pour les applications Défense et Aéronautique, l’exposition à une perturbation ou la réalisation d’une mesure RF ne suffit pas toujours.
Il faut également vérifier le comportement fonctionnel de l’EUT pendant l’essai.
Selon la complexité du matériel, il peut être nécessaire de :
- piloter différents modes de fonctionnement
- commander les interfaces
- surveiller les alimentations
- monitorer les communications
- contrôler les paramètres fonctionnels
- enregistrer les événements
- détecter les anomalies
- synchroniser les données onctionnelles avec les mesures CEM ou RF.
Pour les systèmes complexes, l’automatisation permet de coordonner instruments, séquences d’essai, acquisition et monitoring de l’EUT, afin d’améliorer la répétabilité et la traçabilité des essais.
Du moyen d’essai à la validation système
Dans le spatial, le besoin ne se résume donc pas au choix d’un générateur, d’un amplificateur ou d’un analyseur.
La conception du moyen d’essai commence par l’analyse :
- des exigences du programme
- du niveau de qualification considéré
- des fréquences à couvrir
- des puissances et niveaux à mesurer
- de la dynamique nécessaire
- des interfaces de l’EUT
- des modes de fonctionnement à reproduire
- des performances RF recherchées
- des contraintes de monitoring et d’automatisation.
Selon les applications, HEMERA RF peut intégrer des générateurs RF et hyperfréquences, amplificateurs, antennes, récepteurs EMI, analyseurs, analyseurs de réseaux, wattmètres, sondes, coupleurs, dispositifs d’injection, chambres blindées ou anéchoïques, chaînes de mesure PIM et logiciels de pilotage.
L’objectif est de construire une architecture cohérente depuis la génération du signal jusqu’à l’acquisition et à l’exploitation des résultats.
L’approche HEMERA RF pour les projets spatiaux
HEMERA RF intervient comme maître d’œuvre et intégrateur multimarque pour la conception et la réalisation de moyens d’essais CEM, RF et hyperfréquences.
Cette approche est particulièrement adaptée au domaine spatial, où une même installation peut nécessiter des technologies provenant de fabricants très spécialisés.
HEMERA RF peut intervenir depuis la qualification technique du besoin et l’analyse des performances recherchées jusqu’au dimensionnement, au sourcing des technologies, à la fourniture des équipements, à l’intégration matérielle et logicielle, à l’automatisation, à la mise en service et au suivi métrologique.
Son indépendance vis-à-vis d’un constructeur unique permet de rechercher la solution la plus pertinente pour chaque fonction : génération, amplification, mesure faible niveau, analyse spectrale, antennes, composants hyperfréquences, PIM, blindage, automatisation ou monitoring de l’EUT.
Cette capacité à associer plusieurs technologies est particulièrement importante lorsqu’il faut concilier forte puissance RF, très faible niveau de mesure et large couverture fréquentielle.
Une expertise du sous-ensemble à la validation du système spatial
HEMERA RF met à profit son expérience des environnements CEM, RF et hyperfréquences, avec une couverture allant du continu jusqu’à 110 GHz, pour répondre aux problématiques rencontrées dans les applications spatiales.
Cette expertise permet d’aborder aussi bien la qualification CEM d’un équipement électronique que la caractérisation d’une chaîne RF, les problématiques d’intégration d’un sous-système ou les interactions électromagnétiques rencontrées au niveau d’une plateforme et de sa charge utile.
Pour les applications de télécommunications, cette approche s’étend aux problématiques de forte puissance, faibles niveaux de réception, émissions parasites, harmoniques et intermodulation passive (PIM).
En associant qualification technique, sourcing de fabricants spécialisés, intégration multimarque, automatisation et métrologie, HEMERA RF accompagne ainsi les acteurs du spatial dans la réalisation de moyens d’essais performants, évolutifs et adaptés aux exigences spécifiques de chaque programme.
Questions fréquentes
Questions fréquentes
Spatial
Quelles normes CEM s’appliquent à l’aéronautique et à la défense ?
Dans l’aéronautique et la défense, on retrouve notamment :
• RTCA DO-160 pour les équipements aéronautiques ;
• son référentiel européen associé EUROCAE ED-14 ;
• différents référentiels MIL-STD pour les applications militaires ;
• des spécifications particulières propres aux programmes et plateformes.
Les exigences précises doivent être identifiées avant de dimensionner les moyens d’essai.
Qu’est-ce qu’un essai de foudre indirecte ?
Il permet de reproduire :
• les tensions transitoires ;
• les courants transitoires ;
• les perturbations susceptibles d’être induites dans les câblages et équipements électroniques lors d’un événement foudre.
Il concerne les effets électriques et électromagnétiques induits, et non l’impact physique direct de la foudre sur la structure.
Quelle différence entre les effets directs et les effets indirects de la foudre ?
• Effets directs : conséquences physiques du courant de foudre sur la structure.
• Effets indirects : tensions et courants transitoires induits dans les câblages, interfaces et équipements électriques ou électroniques.
Quelles normes encadrent les essais de foudre indirecte dans l’aéronautique ?
On retrouve notamment :
• RTCA DO-160 Section 22 ;
• EUROCAE ED-14 Section 22 ;
• d’autres référentiels ou spécifications selon les programmes concernés.
Qu’est-ce que la Section 22 de RTCA DO-160 / EUROCAE ED-14 ?
Elle traite notamment :
• de la susceptibilité des équipements aux transitoires induits par la foudre ;
• des formes d’onde applicables ;
• des niveaux d’essai ;
• des méthodes d’injection ;
• des catégories de qualification correspondantes.
Quelle différence entre les essais Pin Injection et Cable Bundle ?
Pin Injection :
• injection directe du transitoire ;
• application sur des broches ou interfaces.
Cable Bundle :
• application de la perturbation au faisceau ;
• reproduction du couplage sur les câbles de l’installation.
Les générateurs et dispositifs d’injection peuvent donc être différents.
Quelles formes d’ondes sont utilisées pour les essais de foudre indirecte ?
Le référentiel prévoit différentes formes d’onde selon :
• le mécanisme de couplage ;
• la méthode ;
• la catégorie de qualification ;
• le niveau d’essai ;
• l’interface concernée.
Il faut donc identifier les formes d’onde à couvrir avant de choisir le générateur.
Quels équipements sont nécessaires pour réaliser des essais selon RTCA DO-160 / EUROCAE ED-14 Section 22 ?
Selon la méthode :
• générateurs de transitoires ;
• réseaux d’injection ;
• transformateurs ou coupleurs ;
• dispositifs de calibration ;
• sondes de courant ;
• sondes de tension ;
• instrumentation d’acquisition ;
• accessoires et charges adaptés.
Comment choisir les niveaux d’essai et formes d’ondes selon RTCA DO-160 / EUROCAE ED-14 Section 22 ?
Ils dépendent notamment :
• de la catégorie de qualification ;
• de l’équipement ;
• de son installation ;
• des interfaces ;
• des exigences du programme.
Le choix ne doit donc pas être déterminé par les seules capacités du générateur disponible.
Comment mesurer et contrôler le courant ou la tension injectés pendant l’essai ?
La chaîne de mesure peut comprendre :
• sonde de courant ;
• sonde de tension ;
• atténuation adaptée ;
• câblage approprié ;
• oscilloscope ou acquisition rapide.
Il faut vérifier la bande passante et la dynamique de toute la chaîne afin de reproduire correctement le transitoire mesuré.
Comment dimensionner un banc d’essai foudre pour des équipements aéronautiques ?
Il faut déterminer :
• référentiel ;
• catégorie ;
• formes d’onde ;
• niveaux ;
• méthodes Pin Injection/Cable Bundle ;
• caractéristiques des faisceaux ;
• équipements à tester ;
• besoins de mesure et calibration.
Que sont les essais CS114, CS115 et CS116 ?
Ces méthodes correspondent à différentes formes de susceptibilité conduite dans le domaine militaire.
Elles diffèrent notamment par :
• le type de signal ;
• la plage de fréquences ;
• le mode de couplage ;
• les niveaux ;
• les équipements nécessaires.