Dans quelle mesure les connecteurs pour câbles blindés sont-ils compatibles avec la CEM?

Auteur: Dr Heinz Zenkner

Il existe deux types de perturbations électromagnétiques ; celles qui pénètrent dans un appareil depuis l'extérieur et qui peuvent entraîner des dysfonctionnements, et celles qui sont émises par l'appareil et qui peuvent en entrainer aussi. Selon la loi, un appareil doit disposer d'une certaine immunité intrinsèque afin de résister à un niveau minimum de perturbations électromagnétiques. En outre, il ne doit émettre qu'une quantité limitée d'interférences électromagnétiques par câble et ne doit émettre qu'une quantité limitée d'ondes électromagnétiques. L'interaction correcte des câbles, des connecteurs, des filtres d'interface et du système de masse correspondant est particulièrement importante à cet égard.

Émission d'énergie électromagnétique par les câbles périphériques

Le but des câbles est d'acheminer un signal électrique d'un endroit, la source du signal, vers un autre endroit, le puits du signal. La manière dont le signal est transmis dépend toutefois de nombreux facteurs d'influence, tels que les paramètres du signal et les impédances du système, ainsi que les propriétés des câbles et le blindage du boîtier. Tous ces points influencent les caractéristiques de rayonnement du câble, mais aussi son immunité aux perturbations externes.

Le couplage de perturbations entre les câbles ou les circuits perturbateurs dans les câbles via l'interface sont deux phénomènes fréquents et bien connus. Il existe d'autres types de couplage qui se produisent principalement sur le module électronique et qui sont causés par des inductances ou des capacités mutuelles. Ce couplage est appelé « crosstalk » ou « diaphonie ». Plus de 90 % de l'énergie RF rayonnant à partir des câbles est causée par des perturbations symétriques provenant de l'électronique, qui sont transmises en rayonnement par le câble sous forme de perturbations en mode commun. La figure 1 illustre ce « mécanisme de couplage ». Une manière de réduire le couplage est d'analyser le signal utile ou le signal parasite, car l'ampleur du couplage dépend essentiellement du spectre de fréquence et du courant du signal.

Intégrité propre du signal pour les interfaces

Les filtres sont destinés à atténuer certaines parties du spectre d'un signal en fonction de la fréquence. Et c'est là que le problème commence : Un filtre est un diviseur de tension dépendant de la fréquence qui nécessite une référence de masse. Si, en plus du filtrage des signaux à haute fréquence, les surtensions transitoires doivent également être filtrées, le système de masse autour de la zone d'interface est déterminant pour la fonction souhaitée. L'objectif est d'obtenir une interface « CEM-sécurisée » afin que les câbles connectés à l'interface ne couplent pas avec perturbations à l'électronique et ne rayonnent pas de perturbations générées par l'électronique.

Si l'on choisit une solution via un connecteur d'interface, on obtient une bien meilleure constellation. Grâce à sa connexion multiple à la masse entre la paroi du boîtier et le circuit imprimé, le connecteur peut établir une connexion à basse impédance avec le composant limitant les surtensions. Il faut toutefois que le composant limitant les surtensions soit placé près du connecteur et qu'il existe une liaison conductrice à basse impédance entre le boîtier du connecteur et la paroi du boîtier. La figure 2 montre la structure.

Une condition préalable à une bonne connexion de masse est une conductivité élevée de la paroi arrière du boîtier. Si le matériau de la paroi arrière provoque une résistance de contact élevée en raison d'un traitement de surface (peinture, passivation, anodisation), les condensateurs de filtrage et les composants limitant la tension n'ont pas de référence de masse. L'effet de filtrage correspondant contre les perturbations HF fait défaut et les perturbations transitoires, couplées dans le câble d'interface, sont directement transmises à l'électronique. Une amélioration de la masse par l'ajout d'un joint conducteur supplémentaire par rapport à la plaque de base, comme le montre la figure 3, peut y remédier.

Interfaces HF pour connecteurs coaxiaux

Les câbles coaxiaux servent à transmettre des signaux électriques à haute fréquence avec de faibles pertes. Cependant, ces signaux RF sont « sensibles à la CEM », que ce soit en raison du rayonnement ou de l'injection de signaux parasites dus aux très faibles amplitudes des signaux. La condition préalable à la fonctionnalité de ces interfaces n'est pas seulement une grande atténuation du blindage des connecteurs et des câbles mais également l'adaptation de l'ensemble du chemin du signal à l'impédance du système.

Dans la pratique, il est impossible d'obtenir une égalité à cent pour cent des impédances, c'est-à-dire une adaptation à cent pour cent. Il reste des erreurs d'adaptation qui dépendent entre autres de la « qualité » de la configuration. Même si le connecteur, le câble et la piste présentent l'impédance requise du système, les transitions d'une section du système (par ex. la piste) à une autre causent souvent des problèmes mécaniques qui entraînent des désadaptations. Un autre point qui nécessite une attention particulière est la référence de masse des différentes sections du système : La masse de référence pour la source de signal est le circuit imprimé, de même pour la piste conductrice vers le connecteur à l'interface.

Influence sur le rayonnement du câble

Si l'on considère le système dans son ensemble, c'est-à-dire l'appareil, les facteurs tels que les paramètres du signal et l'impédance de la source de perturbation jouent un rôle tout aussi important que les caractéristiques « d'antenne » ou de rayonnement du câble. Dans la gamme de fréquences d'environ 30 MHz à 300 MHz, le couplage par rayonnement est dominé par les émissions de câbles plutôt que par le rayonnement direct du module électronique. Il convient également de ne pas sous-estimer les propriétés électromagnétiques de l'environnement (autour de l'appareil). De plus, le connecteur a une grande influence sur la caractéristique de rayonnement d'un câble blindé car il détermine en grande partie l'impédance de la connexion de masse. 

Une autre caractéristique qui contribue largement à la « capacité de rayonnement » d'un câble est le rapport entre la longueur d'onde du signal perturbateur et la longueur électrique du câble. La longueur d'onde diminue avec l'augmentation de la fréquence. Lorsque la longueur d'onde diminue, les câbles semblent longs d’un point de vue électrique, ce qui signifie que plusieurs longueurs d'onde peuvent tenir dans la longueur du câble et que celui-ci agit comme une antenne sensible. 

Qu'est-ce qui caractérise les câbles coaxiaux?

Il n'existe pas de câble qui respecte les « valeurs limites CEM », mais il existe des câbles dont l'atténuation du blindage dépend de la fréquence et dont l'impédance est définie. Outre le fait que la qualité du câble revêt une grande importance, le blindage d'un câble doit couvrir toute sa longueur et tout son périmètre. En outre, cette couverture doit avoir une conductivité élevée et ne doit pas présenter de fentes ni d'ouvertures. Le problème des câbles blindés est d'une part que les perturbations extérieures doivent être contenues à l'extérieur de la tresse de blindage (effet de peau).

D'autre part, les câbles coaxiaux ont besoin d'une « gaine de blindage » continue sur toute leur longueur et présentant le moins de pertes possible, afin d'établir une inductance mutuelle constante entre le conducteur central et la gaine de blindage, ce qui justifie l'impédance caractéristique et la propriété de blindage en tant que tel. C'est la seule façon de transmettre le signal transporté par le câble coaxial avec le moins de pertes et de réflexions possible. C'est pourquoi les câbles coaxiaux professionnels sont rigides et épais. Pour des raisons de flexibilité, on utilise dans la plupart des cas un blindage tressé. Cependant, les propriétés de blindage de la tresse métallique ne sont pas aussi bonnes que celles des tubes massifs et affectent la linéarité de l'impédance caractéristique en fonction de la fréquence.

Exigences relatives au connecteur coaxial

Lorsqu'il s'agit de réduire les problèmes de CEM, ce n'est souvent pas le câble qui est en cause, mais le connecteur. Pour les câbles blindés ou coaxiaux, le connecteur doit remplir deux fonctions essentielles :

1. Relier le blindage du câble au boîtier avec une impédance aussi faible que possible.
2. Conserver l'impédance caractéristique du câble

Tout écart par rapport à l'état idéal des deux points entraîne des problèmes d'intégrité du signal et en termes de CEM. S'il n'est pas possible d'établir une connexion à basse impédance entre le blindage du câble et le boîtier en raison d'un mauvais raccordement du blindage du câble ou d'une résistance de contact trop élevée entre les connecteurs et le boîtier, l'utilisation d'un « meilleur » câble n'a aucune incidence sur la CEM et/ou l'intégrité du signal.

Cela est dû au fait que le courant parasite passe par le blindage du câble. Typiquement, il suffit d'environ 3 µA de courant parasite à travers un blindage de câble de 1 m de long pour dépasser la limite d'émission de l'intensité du champ parasite selon la norme CISPR 32. Lorsque le courant inverse traverse l'impédance totale de la fiche, des terminaisons du blindage du câble et des connexions du boîtier, il crée une chute de tension et cette tension entre le boîtier et le blindage du câble génère le courant sur le câble, ce qui entraîne un rayonnement parasite. Ceci est illustré dans la figure 4.

L'inductance parasite L_par fait que le courant de retour au niveau du connecteur n'est pas parfaitement symétrique au courant du signal. Toute asymétrie dans le câble coaxial fait que les lignes de champ magnétique du courant de signal et du courant de retour ne s'annulent pas complètement dans le câble, ce qui crée une certaine « inductance de fuite » qui conduit à un « rayonnement de signal net » ; la partie du courant de signal qui est rayonnée à travers le blindage du câble.

Il est clair que les connecteurs souffrent des mêmes problèmes de CEM que les câbles, après tout, ce ne sont que de courts morceaux de conducteurs dans un boîtier rigide. Par conséquent, la conception globale de l'appareil est essentielle non seulement pour respecter les exigences CEM, mais aussi pour assurer une bonne intégrité du signal et donc un bon produit. En fin de compte, les connecteurs de câbles devraient disposer de propriétés de blindage qui n'affectent pas le blindage du câble. Avec sa famille de produits WR-SMA, Würth Elektronik eiSos propose des connecteurs coaxiaux conçus pour différentes applications.

Connexion au boîtier

Ainsi, le connecteur et son câble blindé constituent une unité fermée d’un point de vue électromagnétique qui doit être mise en contact avec le boîtier. Il est également important que tout le périmètre du connecteur soit en contact avec une surface bien conductrice et résistante à la corrosion, sans espace. Pourquoi ? La masse du signal utile et celle du connecteur doivent être au même potentiel du point de vue HF. Un boîtier métallique établit une telle relation de potentiel et protège en outre l'électronique des couplages de champs directs de l'extérieur.

De plus, un boîtier métallique offre une référence de mise à la terre HF à faible impédance grâce à la couche métallique. Le boîtier idéal doit entourer l'électronique sur les six côtés, sans soudures et sans ouvertures. En outre, l'épaisseur minimale du matériau dépend des paramètres de fréquence et d'intensité de champ du signal à protéger. En pratique, il n'est cependant souvent pas possible de réaliser un blindage continu dans toutes les dimensions autour du circuit ; il faut faire des compromis.

Auteur: Dr Heinz Zenkner, – Conseiller technique marketing CEM de © Würth Elektronik eiSos