Caractérisation des blindages électromagnétiques des câbles et faisceaux aéronautiques

Christel Cholachue Ngounou

Résumé

During the last decade, the proliferation of on-board leisure activities in the new aircrafts have been growing exponentially. In the airplane like A380, each seat integrates several functions (video games, music, etc. ..) Additionally, each function must be connected using at least one electric cable. This system requires a significant number of kilometers of cables to establish all the on-board electrical connections. Furthermore, for reasons of safety and security related to mechanical, hydraulic or pneumatic functions, the wiring EMC requirements associated to the massive progressive electrification becomes considerably stricter. The coexistence of kilometer lengths of cables system in such a small space has increased the requirements in terms of electromagnetic (EM) shielding. Most of existing numerous methods for analyzing the shielding of cables and harnesses are limited in terms of computation speed, design process and in accuracies for the multiport systems analysis. Moreover, most of popular simulation and commercial tools are very expensive (for example with license cost can be more than 18K€). The use of commercial tools requires advanced skills and a lot of time to characterize the shielding of cables and harnesses. For example, with a simulation tool like HFSSR from ANSYSR , the computation time may cost approximately 3 hours to create a design model of a braided shields heath. Then, the computed results can be generated during an average simulation time of 20 minutes using a PC equipped with an Intel single-core processor RXeon RCPU E5-1620 v4 @ 3.50 GHz and 32 GB of physical RAM with 64-bit Windows 10. Most of available methods and techniques for characterizing the shielding of aeronautical cables and cable harnesses have shown their limits. For example, most of existing triaxial benches are particularly difficult to deploy for the transfer impedance measurements and they cannot operate beyond 100 MHz. The present PhD thesis aims to overcome these technical limits. Doing this, an original analytical method is developed for extracting S-parameters from multiport systems under fast computation speed and design process. An innovative methodology of EMC modelling was proposed. The knowledge of S-parameters is helpful to determine the broadband EM intrinsic parameters of the cabling as coaxial system. The developed analytical and semi-hybrid model is based on the unfamiliar formalism using tensorial analysis of networks (TAN) based on the Kron’s method. The model offers an outstanding possibility to analyze complex systems with deep knowledge of physical phenomenal behind the EM shielding. Thanks to the TAN formalism, an innovative method of circuit theory has been developed to determine the shielding efficiency (SE) of shielded cable. The feasibility of this multiport S-parameter approach was verified with the consideration of EM coupling between a nude cable constituting an internal conductor and a braided cable placed in parallel. More importantly, an advanced study of shielding efficiency (SE) with respect to the EM coupling configuration between a shielded coaxial cable and a loop probe is performed. Substantially, it was noteworthy that the TAN formalism provides an illuminating know-how on the theoretical, numerical and experimental analyses of cables and bundles EM shielding, and transfer impedances of the shielding sheath. Moreover, the TAN modelling effectiveness was confirmed with different applications with computation time which does not exceed milliseconds. Finally, the TAN model was also used to develop a SE characterization bench for tubular EM shielding structures up to 300 MHz. Emphatically, broadband SE and transfer impedance results in good correlation between 3D simulations and measurements were obtained.

Ces dernières années, la multiplication des loisirs à bord des nouveaux avions a connu une croissance exponentielle. Dans un appareil comme l’A380, chaque siège intègre plusieurs fonctions (jeux vidéo, musique, etc. ..) et chaque fonction est connectée à l’aide d’au moins un câble électrique. Ce qui nécessite un nombre important de kilomètres de câbles pour établir toutes les connexions électriques à bord d’un tel appareil. En plus l’électrification progressive pour des raisons de sécurité des fonctions auparavant mécaniques, hydrauliques ou pneumatiques, a augmenté les exigences de câblage notamment en compatibilité électro- magnétique (CEM). La cohabitation de tous ces kilomètres de câbles dans un espace aussi réduit a accru les exigences en termes de blindage électromagnétique (EM). Les nombreuses méthodes d’analyse du blindage des câbles et faisceaux sont limitées en termes de rapidité, d’analyse des systèmes multiports. Les outils de simulations eux sont très onéreux (prévoir environ18Ke pour une licence), et nécessitent des compétences avancées et beaucoup de temps pour la caractérisation du blindage des câbles et faisceaux de câbles. Avec un outil de simulation EM 2D/3D comme HFSSR d’ANSYSR, il faut prévoir environ trois heures pour créer le modèle d’une gaine de blindage tressé, et également prévoir un temps de simulation moyen de 20 minutes en utilisant un PC équipé d’un processeur mono-cœur Intel RXeon RCPUE5-1620v4@ 3,50 GHz et 32 Go de RAM physique avec 64 bits Windows 10. En plus, les méthodes et techniques de caractérisation du blindage des câbles et faisceaux de câbles aéronautiques ont montré leurs limites à l’instar du banc triaxial avec lequel il est difficile d’effectuer des mesures d’impédance de transfert au-delà de 100 MHz. Les travaux effectués dans cette thèse ont pour but de dépasser ces limites. Nous avons développé une nouvelle méthode d’extraction rapide des paramètres S des systèmes multiports. La connaissance analytique des paramètres S permet de remonter à des caractéristiques intrinsèques des structures de blindage tubulaire. Par exemple, nos calculs des paramètres S d’une structure de câble coaxial sont prometteurs pour déterminer l’impédance de transfert par rapport à la géométrie et d’autres paramètres physiques des gaines. L’originalité de ce travail de recherche consiste à se familiariser à une méthode analytique et semi-hybride de modélisation des structures de blindage tubulaire en exploitant le formalisme de l’Analyse Tensorielle des Réseaux (ATR) à base de la méthode de Kron. Ce formalisme offre un avantage notable pour l’analyse rapide avec une précision relativement importante des systèmes électriques et électroniques complexes comme le cas des éléments de blindage. La rapidité de la méthode a été évaluée avec différentes structures sur une bande de fréquence allant de 0 Hz à quelques gigahertz en menant à des expressions dont les applications numériques se font sur un temps de calcul ne dépassant pas les millisecondes. D’autre part, nous avons aussi développé nos savoir-faire sur l’analyse des blindages électromagnétiques des câbles et faisceaux de câbles. Une approche a été élaborée pour déterminer l’efficacité de blindage (EB) d’une gaine via une configuration de couplage entre un câble coaxial blindé et une sonde boucle. Une méthode de modélisation innovante a été développée à l’aide de la théorie des circuits pour déterminer l’efficacité de blindage en étudiant le couplage entre un câble nu (conducteur interne) et un câble tressé en parallèle par la méthode de Kron. Nous avons également développé un banc de caractérisation des structures tubulaire de blindage électromagnétique dans le but de fonctionner jusqu’à 300 MHz. Les résultats dans ces études ont été confirmés par des simulations 3D et des mesures.

Characterization of electromagnetic shielding for aircraft cables and harnesses

Caractérisation des blindages électromagnétiques des câbles et faisceaux aéronautiques

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