cage de faraday

[Invité]

bonjour je suis nouveau sur le forum et je travaille dans le domaine de la maintenance. travaillant dans un laboratoire d'électronique, on a une cage de faraday qui a été frabriquer par un sous traitant. ma question est de savoir comment fonctionne et se dimensionne une cage de faraday ? je ne dois pas y intervenir mais par curiosité j'aimerais savoir comment ça fonctionne.
j'ai regardé sur le net mais rien de bien précis sur la conception ni sur les différentes technologies employées; merci pour vos réponses
florian

[VE Pp]

Bonjour,

Dans ma jeunesse j'ai eu l'occasion d'en fabriquer une pour un laboratoire médical pour expériences sur animaux. Il s'agit d'un simple cadre en bois, revêtu d'un grillage en cuivre avec des mailles d'environ 1x1mm. Il y avait un système de porte qui se mettait en contact avec le reste du cadre, elle était aussi tapissée de ce grillage en cuivre. J'avais mis plusieurs prises de potentiel sur le cadre et la porte, l'ensemble était relié à la terre. Cela permettait d'isoler l'animal de toutes les ondes électromagnétique. Je l'ai vu en service, le chercheur qui l'utilisait ne pas donné de retour négatif.

[Max78]

Bonjour,

En voilà un sujet très passionnant et souvent méconnu ! Je vais détailler un peu l'explication de VE Pp car derrière une structure relativement simple se cache des technologies impressionnantes et surtout très casse tête !! On peut également dire que selon l'utilisation que l'on en fait, elles n'ont pas les mêmes structures/compositions, vous allez vite comprendre ..

Déjà je pense qu'il est important de décrire ce qu'est une cage de Faraday ..Le but d'une "cage" de Faraday est de permettre des mesures de champ comparables à celles effectuées en champ libre donc, de créer un environnement semi-anéchoïque. Une cage anéchoïque est une cage semi-anéchoïque avec des matériaux absorbants posés sur le sol.
Des résonances par des réflexions multiples apparaissent dans tout parallélépipède conducteur excité aux fréquences dont la demi-longueur d'onde est un sous multiple de la longueur d'un côté. Attention à ne pas confondre, une résonance n'est pas une concentration locale d'énergie mais un champ d'énergie entre les composantes E et H. Donc, un "ventre" en champ électrique correspond à un noeud en champ magnétique et vice versa.Il y a 2 sortes de revêtements commercialisés pour cage de Faraday pour amortir les réflexions sur les parois des enceintes blindés:

- Des pyramides ou cônes en mousse de polyuréthane composées de graphyte,
- les tuiles de ferrite.

Ces matériaux, pour être le moins réfléchissant possible, doivent avoir une impédance de surface approximativement équivalente à la celle du vide à savoir 400 ohms. Aux fréquences critiques, entre 30 et 200 MHz, les cônes absorbants sont moins efficaces qu'aux hyperfréquences. Aux fréquences "métriques" le comportement des pyramides n'est pas optique. Les courants induits peuvent être comparés à ceux d'une antenne Fouet.Le courant induit par le champ électrique est maximal lorsque l'axe du cône est parallèle aux champs électriques.Aux hyperfréquences, le comportement des cônes devient optique. La réflexion est minimale quand le champ arrive dans l'axe, sur la pointe. Cet effet s'explique par l'adaptation d'impédance progressive par géométrie. Les mousses sont presque transparentes à la composante magnétique du champ.Aux longueurs d'onde métriques, les cônes collés sur les parois latérales amortissent principalement le champ en polarisation horizontale. Plus la taille d'un cône est grande et moins il doit être chargé en graphite. Pour un amortissement significatif la hauteur des pyramides doit être de l'ordre de lambda sur 4. Ainsi pour amortir efficacement un champ à 30 MHz, une pyramide doit avoir une hauteur de 2,5m.Des tuiles de ferrite posées au sol amortissent considérablement les réflexions en polarisation horizontale. Des pyramides de plus de 1m de hauteur sont presque isolantes donc délicate à fabriquer. L'amortissement aux basses fréquences par une mousse peu chargée dépend des pertes diélectriques du matériau, il varie donc avec l'huimidité de l'air. C'est pour cela que dans la cage de Faraday il n'est pas rare que l'hygrométrie soit surveiller de très près et qu'il y ait des centrales de traitement d'air maitenant un taux d'humidité et une température donnée.LEs tuiles en ferrites restent donc la meilleure solution mais leur coefficient de reflexion baisse lorsque l'on dépasse 1 ou 2 GHz.Les résonances d'une chambre blindée les plus difficiles à amortir sont les premières donc aux basses fréquences. Donc, plutôt que d'utiliser des pyramides dont la géométrie n'est optimale qu'à partir de l'UHF, il est possible d'utiliser des blocs composés de plusieurs couches de mousse chargées.Pour que l'efficacité de ces blocs soit optimale, il faut que la conduitivité des couches grandissent plus vous vous rapprochez de la tôle.D'un point de vue prix, ces blocs sont plus efficaces que des cônes à hauteur équivalente mais ils coutent également plus cher.Les mousses chargées de graphite supportent des pertes en volume et ne sont refroidies
qu'en surface. De plus, leur conductivité thermique est mauvaise. En cas d'essai sous champ fort, la puissance absorbée peut augmenter la température interne des mousses jusqu'à y mettre le feu. Il suffit de tester une pyramide dans un four à micro-ondes pour s'en convaincre ... En plus de ce risque d'incendie, il ne faut pas oublier que les gaz émanants de la combustion de cette mousse sont toxiques. Les tuiles de ferrite qui ne présentent pas ce risque fonctionnent selon un principe très différent des mousses. On peut dégrossir la chose en disant que les tuiles amortissent les courants HF induits sur les parois. Elles ont une efficacité que très limité lorsque le courant est faible donc, quand la champ électrique est orthogonal.Pour une faible reflexion du champ la ferrite doit présenter une impédance voisine de celle de l'air. Ainsi, sa perméabilité magnétique relative doit rester aussi voisine que possible de sa perméabilité diélectrique relative. L'épaisseur d'une tuile peut être optimisé pour amortir au mieux non pas le champ sous incidence normale mais celui dont l'angle d'incidence est statistiquement le plus fréquent.Des constructeurs de tuille de ferrite garantissent une équivalence au champ libre théoriqueà + ou - 4 dB près dés que l'on atteint les 30 MHz. Pour une bonne absorption dés 30 MHz, les entrefers entre les tuiles doivent rester aussi minces que possible. Il reste difficile avec des tuiles de ferrite de conserver une faible réflectivité au-delà de 2 GHz.

Une solution interessante apparue dans les années 90 consiste à utiliser des kilomètre de fils résistifs plutôt que d'utiliser des mètres cubes de mousse ou des mètres carrés de ferrite. Ces fils étendus parallèlement aux surfaces réfléchissantes supportent des courants induits qui sont dégradés en chaleur. La difficulté de cette méthode est d'optimisé la géométrie des couches de fils pour limiter l'onde réfléchie sur une large gamme de fréquences. Le problème de simulation est compliqué par la localisation des courants. Calculer le champ induit dans un matériau homogène est BEAUCOUP plus simple que dans un réseau dissipatif consitué de fils "discrets".

Petite apparté au passage... Certains diront que la théorie du blindage est beaucoup plus simple et bien moins chère pour le même rendu .. Mais attention, il ne faut pas s'y
tromper.. S'il est vrai qu'en BF il a un intérêt certain, en HF c'est une autre histoire .. La raison est simple, pour calculer les écrans, on modélise un coffret avec des tôles
planes,infinies et homogènes en séparant l'espace en deux demi-espaces infinis mais en réalité, vous vous imaginez bien que ce n'est jamais le cas, on peut donc avoir, au mieux, que des approximations. Pour les quantifier en théorie c'est un vrai casse tête car il dépendent de multiples facteurs parmi les plus importants, on peut citer:

- L'effet d'antenne des câbles et la qualité de leur connectique,
- L'influance des traitements de surface sur la qualité des contacts,
- La direction et la polarisation de l'onde incidente,
- les résonances (en 3D) dans l'enceinte,
- La position du point de mesure par rapport aux fuites et aux câbles,
- Les difficultés et les incertitudes des mesures
- La nature de l'antenne d'émission et sa distance à la paroi,
- La nature de l'antenne de réception et sa distance à la paroi, etc ...

Enfin, autant dire que c'est impossible à calculer exactement ...

Il en va de soit que vu le prix d'une cage de Faraday, ce sont des installations réservées aux technologies de pointe dans les domaines industriel, médical, aéronautique, militaire etc ... Après j'ai détaillé celles que l'on utilise dans le domaine aéronautique donc je ne pourrais vous dire si c'est pareil dans le médical ou autres.
Une petite image ICI

Je m'arrête là car on pourrait en dire des pages ...

Cordialement,
Max