Comment le champ magnétique pénètre-t-il les matériaux de blindage ? Analyse et comparaison

Pourquoi le blindage des champs magnétiques est-il un défi ?

Le blindage des champs magnétiques est l'un des problèmes les plus complexes de l'ingénierie électromagnétique. Contrairement au champ électrique, qui peut être bloqué assez facilement par des couches conductrices ou isolantes, le champ magnétique a la capacité de pénétrer de nombreux matériaux, ce qui rend son atténuation efficace beaucoup plus difficile.

Les principales difficultés proviennent du fait qu'un champ magnétique n'interagit pas directement avec les charges électriques, mais avec les courants circulants et les moments magnétiques. Par conséquent, les matériaux utilisés pour le blindage doivent non seulement être conducteurs, mais aussi réagir de manière appropriée aux changements de champ, ce qui signifie en pratique qu'il faut tenir compte de nombreux paramètres physiques et structurels.

Les écrans métalliques classiques, fabriqués à partir de feuille ou de tôle, atténuent parfaitement le champ magnétique grâce à leur haute conductivité et à l'effet de peau, qui limite la pénétration du champ à une couche de matériau très fine. Malheureusement, de telles solutions sont rigides et inflexibles, ce qui est un inconvénient majeur dans de nombreuses applications modernes, comme l'électronique portable ou les circuits flexibles.

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Fig. 1. Écran PCB métallique

Par conséquent, les matériaux de blindage avec des fibres conductrices gagnent en importance, car ils offrent une flexibilité et une facilité d'adaptation à différentes formes. Cependant, leur fonctionnement est beaucoup plus complexe et nécessite une compréhension détaillée des mécanismes de pénétration du champ magnétique à travers leur structure.

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Fig. 2. Tissu conducteur flexible

Matériaux de blindage avec des fibres conductrices - une alternative aux métaux

Les écrans magnétiques fabriqués à partir de métaux tels que le cuivre ou l'aluminium, bien que très efficaces, présentent des limitations significatives. Leur rigidité et leur manque de flexibilité font qu'ils ne sont pas toujours faciles à appliquer dans les constructions électroniques modernes, souvent complexes, ou dans les appareils nécessitant des matériaux de protection flexibles.

Pour répondre à ces défis, les matériaux de blindage basés sur des fibres conductrices ont été développés. Il s'agit généralement de fibres métallisées ou recouvertes d'une couche de métal, formées en mailles ou en tissus qui créent des écrans légers, flexibles et faciles à adapter. De telles solutions sont de plus en plus utilisées dans l'électronique portable, l'industrie automobile et les télécommunications, où des propriétés de blindage et une facilité d'utilisation sont nécessaires.

Les fibres conductrices forment une structure de maille, composée de mailles courtes et fermées, qui sont responsables de l'atténuation du champ magnétique. Cependant, leur fonctionnement est beaucoup plus complexe que celui des écrans métalliques solides. L'efficacité est influencée non seulement par la conductivité du métal lui-même, mais aussi par sa disposition spatiale, la taille des ouvertures entre les fibres, ainsi que par les paramètres électriques de la structure elle-même.

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Fig. 3. Tente CEM

De plus, les paramètres internes tels que la résistance (R'), l'inductance (L') et la capacité (C') de cette structure fibreuse sont cruciaux pour la manière dont le champ magnétique est atténué. La complexité de ces mécanismes fait que l'efficacité du blindage n'est pas constante, mais dépend fortement de la fréquence du champ, ainsi que de la géométrie et des propriétés du tissu lui-même. Fig. 4

Fig. 4. Zoom sur le matériau de blindage

Paramètres influençant l'efficacité du blindage magnétique

L'efficacité des matériaux qui blindent le champ magnétique dépend d'une multitude de facteurs qui peuvent être divisés en deux groupes principaux : les propriétés internes du matériau et la structure physique des fibres conductrices. La compréhension de ces paramètres est essentielle pour choisir ou concevoir de manière consciente un écran magnétique efficace.

Propriétés internes du matériau : R', L', C'

Dans la littérature technique et la pratique de l'ingénierie, le blindage est décrit, entre autres, par trois paramètres de base :

• R' (résistance linéaire) – détermine la résistance électrique des conducteurs à l'intérieur du matériau, qui influence l'atténuation des courants de Foucault générés par le champ magnétique variable.
• L' (inductance linéaire) – est responsable de la capacité du matériau à stocker de l'énergie dans le champ magnétique et régule la propagation des ondes électromagnétiques.
• C' (capacité linéaire) – est liée aux propriétés diélectriques et à la disposition des fibres conductrices les unes par rapport aux autres, influençant le comportement du champ électrique.

Ces trois paramètres interagissent, déterminant la manière dont le champ magnétique est atténué et comment il pénètre à travers la structure du matériau de blindage. Ils changent avec la fréquence du signal, ce qui complique encore l'analyse et nécessite des mesures spécialisées.

Importance de la structure des fibres et de la maille conductrice

Outre les paramètres électriques, la structure physique du matériau a une influence énorme sur l'efficacité du blindage. Dans le cas des matériaux de blindage fibreux, les éléments clés sont :

• La taille et la forme des mailles du réseau – plus les ouvertures sont petites, plus le blocage du champ magnétique est efficace, en particulier dans les bandes de fréquences supérieures.
• La disposition et la densité des fibres – influencent l'uniformité de la couverture et la continuité des chemins de conduction pour les courants de Foucault.
• La conductivité des fibres – les matériaux avec une conductivité plus élevée (par exemple, le cuivre, l'argent) atténuent mieux le champ magnétique, mais peuvent être plus chers ou moins flexibles.

La structure du matériau décide si le champ magnétique pénètrera principalement à travers les fibres métalliques ou à travers les ouvertures d'air entre elles. Cette relation dynamique entre le champ magnétique et la structure physique explique la complexité de l'efficacité du blindage en fonction des conditions de fonctionnement.

Un blindage efficace n'est pas seulement une question de matériau, mais aussi de sa structure et de ses propriétés électriques. Pour prédire l'efficacité d'un écran, une approche holistique est nécessaire, qui tient compte de tous ces paramètres et de leurs interdépendances.

Comment le champ magnétique pénètre-t-il l'écran ? Mécanismes d'action

Comprendre comment un champ magnétique pénètre un matériau de blindage est crucial pour optimiser la protection électromagnétique. Ce processus n'est pas simple, car le comportement du champ dépend de nombreux facteurs, y compris la fréquence du signal et la structure du matériau lui-même.

Principe de couplage du champ magnétique (présenté sans effet de peau)

Description de la pénétration du champ magnétique à travers l'écran

Le champ magnétique interagit avec l'écran principalement par induction – un champ magnétique variable génère dans le matériau conducteur des courants de Foucault, qui à leur tour créent un champ magnétique s'opposant au champ externe. Cette interaction inductive est mesurée par la mutuelle inductance L12, qui décrit l'efficacité avec laquelle le matériau "laisse passer" le champ magnétique.

Un courant i1 se propageant linéairement est appliqué sur le côté inférieur du matériau de blindage (voir la figure ci-dessus). Le flux magnétique Φ1, généré par le courant (Φ1 = L12 * i1), pénètre dans le matériau de blindage en fonction de la fréquence. Sur la surface supérieure du matériau de blindage, une tension u2 est induite (u = ω * L12 * i1).

• Φ1 = L12 * i1
• u = ω * L12 * i1

L'inductance L12 couple le courant i1 avec la tension u2. L'inductance L12 dépend de la fréquence en raison de l'effet de peau. Sa caractéristique décrit l'influence de l'effet de peau et, par conséquent, les propriétés magnétiques du matériau de blindage. La tension u2 derrière l'écran peut causer d'autres interférences, comme des courants, des champs magnétiques et électriques.

Pour mesurer l'inductance L12, une chambre de mesure spéciale est utilisée. (La figure ci-dessous) présente la configuration de cette chambre. Le matériau de blindage est placé dans un boîtier métallique fermé de la chambre de mesure. Sur le côté inférieur du matériau de blindage se trouve une ligne de bande de 50 Ω (ligne de bande 1). Le courant i1 circulant dans la ligne de bande utilise le matériau de blindage comme chemin de retour. Le champ magnétique généré par le courant i1 pénètre dans le matériau de blindage en fonction de son efficacité de blindage. Sur le côté supérieur du matériau de blindage se trouve une deuxième ligne de bande de 50 Ω (ligne de bande 2). La tension u2 est induite dans la ligne de bande 2 par le flux magnétique Φ1.

Configuration de mesure avec des lignes de bande et une chambre de mesure

L'inductance L12 (L12 = -u2 / (ω * i1)) décrit la quantité de flux magnétique Φ1 qui peut pénétrer à travers le matériau de blindage et induire une tension u2.

• L12 = -u2 / (ω * i1)

Si la chambre de mesure ne contient pas de matériau de blindage (voir la figure ci-dessus), l'inductance de référence L12 pour la configuration de mesure est mesurée (voir ci-dessous). L'inductance L12 reste constante sur une large plage de fréquences. La fin de la caractéristique de fréquence linéaire de la chambre de mesure se produit à 1 GHz.

Caractéristique de fréquence et couplage inductif de la chambre de mesure sans matériau de blindage (i1 = const.)

Lors des mesures (par exemple, dans la configuration avec des striplines, comme montré sur la figure ci-dessus), la tension induite dans la deuxième ligne (u2) est un indicateur du degré de pénétration du champ. La valeur de l'inductance L12 est calculée à l'aide de la formule :

L12= - U2/Wi1

où U2 est la tension induite, W est la pulsation et i1 est le courant dans la première ligne.

Mécanismes de blindage du champ magnétique

La tension u2, induite par le champ magnétique (voir la figure ci-dessous), est captée par la ligne de bande 2 comme u2'. Cette tension est légèrement inférieure à la tension u2 à la surface du matériau de blindage, car une partie du champ magnétique pénètre toujours dans l'espace entre la ligne de bande et le matériau de blindage. Cet effet est ignoré par la suite, et u2' est considéré comme identique à u2.

Mesure de la tension u2 avec une ligne de bande

La tension u2, induite dans la ligne de bande, dépend de l'efficacité du blindage magnétique du matériau de blindage. Son inductance L12 correspondante décrit la pénétration magnétique du matériau de blindage.

La figure 5 présente la tension induite u2 et l'inductance L12 pour le matériau de blindage S10.

Pénétration inductive du matériau de blindage S10

Les fibres conductrices dans le non-tissé métallisé forment des mailles fermées. Le champ magnétique est repoussé des mailles métalliques lorsque la fréquence augmente (de 500 kHz à 200 MHz).

Dans la bande de fréquences inférieures (en dessous de 1 MHz), le matériau de blindage ne présente pas d'effet d'atténuation (voir Figure 5). La tension induite u2 et l'inductance L12 sont égales aux valeurs de référence mesurées dans la chambre vide.

Pénétration inductive du matériau de blindage dans la bande de fréquences inférieures sans effet de peau.

Pénétration inductive du matériau de blindage avec effet de peau ; le champ magnétique pénètre à travers les ouvertures remplies d'air dans le matériau

À partir d'environ 0,5 MHz, l'inductance de la chambre vide reste constante à -169,8 dBH (3,23 nH). En dessous de 400 kHz, l'inductance semble augmenter, ce qui est probablement le résultat de l'augmentation de la tension u2 causée par l'influence du champ électrique de la ligne de bande 2.

Premier principe d'action inductive

À partir de 0,5 MHz, l'effet de peau commence à être perceptible dans les parties métalliques du matériau de blindage (voir Figure 7). La tension u2 et l'inductance L12 diminuent progressivement (voir Figure 5). La tension induite atteint sa valeur la plus basse à 200 MHz. À ce moment, un nouveau principe d'action apparaît, qui se superpose au déplacement du champ dans le métal des fibres (voir Figure 8).

Deuxième principe d'action inductive

À partir de 200 MHz, la tension u2 augmente linéairement avec une pente de 20 dB/déc, et l'inductance passe à une courbe constante : -235,9 dBH (0,16 pH) (voir Figure 5).

La composante du champ magnétique F2 pénètre à travers les ouvertures remplies d'air dans le matériau de blindage. Pour les fréquences plus basses, cette composante du champ magnétique était plus faible que celle qui pénétrait à travers le métal du matériau de blindage. Avec l'augmentation continue de la fréquence, tout le champ est repoussé du métal du matériau de blindage et ne passe que par les ouvertures remplies d'air (voir Figure 8). Le chemin de propagation des lignes de champ magnétique cesse de changer avec l'augmentation de la fréquence, ce qui rend l'inductance constante. La valeur de l'inductance L12 peut être extrapolée pour des fréquences encore plus élevées.

La mutuelle inductance L12 du matériau de blindage est un paramètre du matériau qui peut être défini comme une inductance linéaire spécifique L12' [pH/cm].

Comparaison des matériaux de blindage

La pénétration inductive de l'écran a été mesurée pour six matériaux de blindage et est présentée à la Figure 9.

Propriétés de blindage magnétique de six matériaux de blindage avec mutuelle inductance

Au-dessus d'environ 2 MHz, de bonnes propriétés de blindage peuvent être observées pour les trois matériaux (S10, S2 et 02). Pour les trois autres matériaux (01, 03 et 04), l'effet de blindage était absent ou faible jusqu'à 1,5 GHz !

L'efficacité du blindage des matériaux diffère considérablement – de inefficace à efficace. Les bandes de fréquences dans lesquelles les différents principes d'action du blindage apparaissent se décalent légèrement en fonction du matériau.

• Matériau de blindage 04 : Ne présente pas d'effet de blindage magnétique, se comporte comme l'air (chambre de mesure vide).
• Matériau de blindage 03 : Atteint une atténuation du champ magnétique de seulement 3 dB à 1 GHz.
• Matériau de blindage 01 : Atteint une atténuation de 12 dB à 1 GHz.
• Matériaux de blindage 02, S2 et S10 : Sont efficaces et présentent les bandes de fréquences des deux principes d'action. Dans la première bande (jusqu'à 200 MHz), le matériau agit en repoussant le champ à travers les ouvertures dans les mailles. Dans la deuxième bande (>200 MHz), l'effet est déterminé par la taille des ouvertures métalliques dans les mailles et leur résistance ohmique (atténuation de 40...65 dB). La structure du matériau de blindage détermine l'effet dans les deux bandes.

Mutuelle inductance L12

La mutuelle inductance L12 du matériau de blindage est un paramètre qui décrit la pénétration du champ magnétique à travers le matériau. Elle peut être normalisée par rapport au courant dans une ligne de 10 mm de long. L'atténuation du champ magnétique est exprimée comme la différence en dB entre la mesure avec le matériau de blindage et la mesure de référence (sans matériau) : Atténuation = L12-matériau [dBH] - L12-vide [dBH]

Conclusions pour la conception

La qualité du blindage magnétique dépend de la taille des ouvertures dans les mailles, de leur section transversale et de la conductivité. Les résultats des mesures de la Figure 9 montrent clairement l'influence des matériaux de blindage sur le champ magnétique, ce qui est un avantage pour leur application et leur développement. Lors de la conception de matériaux de blindage, il est important d'influencer de manière constructive les deux principes d'action inductive.

Deux mécanismes principaux de blindage magnétique

Comprendre l'efficacité du blindage magnétique nécessite de connaître les mécanismes de base qui déterminent la manière dont un champ magnétique est atténué ou pénètre à travers un matériau donné. Dans les matériaux de blindage étudiés, deux effets clés sont distingués :

I. Effet de peau et déplacement du champ dans le métal

Le premier mécanisme est l'effet de peau. Il repose sur le fait qu'un courant alternatif (AC) circule principalement dans une fine couche superficielle du conducteur, appelée "couche de peau". Lorsque la fréquence du courant augmente, cette couche devient de plus en plus fine, ce qui entraîne une augmentation de la résistance effective et une atténuation du champ magnétique à l'intérieur du matériau. En pratique, cela signifie que les éléments métalliques de la maille ou des fibres conductrices dans le matériau de blindage "déplacent" le champ magnétique vers l'extérieur, ce qui limite sa pénétration à l'intérieur. Cet effet est particulièrement fort dans la bande de fréquences de plusieurs centaines de mégahertz et plus, lorsque l'épaisseur de la couche de peau devient très petite.

II. Pénétration à travers les ouvertures d'air dans le matériau

Le second mécanisme est lié à la présence d'ouvertures, d'espaces vides ou de "trous" dans la structure du matériau. Dans le cas des matériaux composés de mailles conductrices ou de fibres disposées d'une certaine manière, le champ magnétique peut pénétrer à travers ces fragments non protégés.

L'action de ce mécanisme est dominante, en particulier à des fréquences plus basses, jusqu'à environ 200 MHz, où le champ pénètre principalement à travers les espaces d'air entre les éléments conducteurs.

L'efficacité du blindage dépend ici fortement de la taille et de la forme de ces ouvertures, ainsi que de leur disposition.

Rôle de la structure du matériau dans les deux mécanismes

La combinaison de ces deux phénomènes détermine l'efficacité finale du matériau de blindage. Les mailles fines et les fibres à haute conductivité entraînent une atténuation plus forte du champ magnétique, en particulier dans les bandes de fréquences supérieures où l'effet de peau est le plus efficace.

En revanche, les grandes ouvertures irrégulières peuvent réduire considérablement l'efficacité du blindage, permettant au champ de pénétrer même à des fréquences élevées.

Comment choisir le bon matériau de blindage ?

Le choix du matériau pour un blindage efficace du champ magnétique est un processus qui nécessite de prendre en compte plusieurs facteurs clés qui influencent l'efficacité de la protection contre les interférences électromagnétiques. La connaissance de la manière dont la structure du matériau et ses propriétés électriques se traduisent par le comportement de l'écran dans diverses conditions est essentielle pour garantir le fonctionnement optimal des appareils électroniques.

Dépendance de l'efficacité à la structure et à la fréquence

La question principale est le choix du matériau en fonction de la bande de fréquences dans laquelle l'écran doit fonctionner. À basse fréquence (de quelques dizaines à plusieurs centaines de MHz), la minimisation des ouvertures d'air dans le matériau est la plus importante. Même de petites interruptions ou des fissures dans la maille conductrice permettent au champ magnétique de pénétrer, ce qui réduit considérablement l'efficacité du blindage. Dans cette gamme, les matériaux avec une structure fibreuse dense, qui forment une surface conductrice presque continue, sont les plus appropriés.

Dans les bandes de fréquences supérieures (centaines de MHz à GHz), l'effet de peau joue un rôle clé. Ici, en revanche, la haute conductivité des fibres et leur disposition sont importantes - des fibres conductrices fines et bien disposées créent une couche dans laquelle le courant alternatif peut circuler sans grandes pertes. Les matériaux avec une grande épaisseur et une bonne conductivité garantissent une plus grande atténuation des ondes magnétiques.

Importance des ouvertures, de la résistance et de la conductivité

Les ouvertures dans la structure du matériau, même si elles sont petites, agissent comme des canaux qui permettent au champ magnétique de pénétrer. Leur taille et leur disposition déterminent la quantité de champ qui "s'échappe" à travers l'écran. Il est donc important de choisir des matériaux avec une porosité minimale ou d'utiliser des couches supplémentaires qui remplissent ces espaces.

La résistance de surface du matériau est un autre paramètre important. Une faible résistance favorise la circulation du courant de blindage et augmente l'efficacité de l'atténuation du champ. En pratique, cela signifie que même des modifications mineures dans la composition ou la structure des fibres peuvent avoir un impact notable sur les performances de l'écran.

La conductivité, à son tour, doit être la plus élevée possible, ce qui est souvent réalisé en utilisant des fibres métalliques ou des revêtements conducteurs. Les fibres de carbone ou de nickel sont des solutions populaires qui combinent de bonnes propriétés mécaniques avec un blindage efficace.

Le choix d'un matériau de blindage approprié nécessite une approche holistique qui prend en compte la bande de fréquences de fonctionnement, la structure du matériau, sa conductivité et la présence d'ouvertures. Un matériau bien choisi permet de limiter de manière optimale l'influence du champ magnétique, ce qui est crucial pour la protection des appareils électroniques modernes contre les interférences.

Résumé : Qu'est-ce qui influence un blindage magnétique efficace ?

Le blindage du champ magnétique est l'un des défis les plus difficiles de l'ingénierie électromagnétique. Comme nous l'avons montré tout au long de l'article, l'efficacité de la protection contre les interférences dépend d'une combinaison complexe de propriétés matérielles, structurelles et de fréquence.

Facteurs influençant l'efficacité du blindage :

• Propriétés électriques du matériau : Des paramètres tels que la résistance de surface (R'), l'inductance interne (L') et la capacité (C') déterminent la manière dont le matériau réagit à un champ magnétique variable. Les matériaux à faible résistance et à inductance correctement sélectionnée atténuent le champ plus efficacement.
• Structure des fibres et de la maille conductrice : La densité et la disposition des fibres conductrices ont une importance énorme. Les mailles à petites ouvertures assurent une moindre pénétration du champ magnétique, et la disposition des fibres influence la directivité du blindage.
• Mécanismes de pénétration du champ : Le champ magnétique peut pénétrer l'écran par pénétration inductive et à travers les ouvertures d'air. La compréhension de l'effet de peau et du rôle des interstices d'air permet une meilleure conception d'un écran efficace.
• Fréquence du champ : L'efficacité du blindage change avec la fréquence du signal. À basse fréquence, la continuité de la surface conductrice est cruciale, tandis qu'à haute fréquence, les propriétés conductrices et l'effet de peau sont les plus importants.
• Caractéristique des matériaux testés : La comparaison de six matériaux de blindage différents a montré que les meilleurs résultats sont obtenus par ceux qui ont une haute conductivité et une porosité minimale, en particulier dans la bande jusqu'à 1,5 GHz.

Le blindage magnétique nécessite non seulement le choix du matériau approprié, mais aussi la compréhension de ses propriétés physiques et électromagnétiques. Les matériaux avancés avec des fibres conductrices sont une alternative prometteuse aux écrans métalliques traditionnels, offrant une plus grande flexibilité et une application plus facile.

Lors de la conception de systèmes de protection contre le champ magnétique, il est important de prendre en compte tous les aspects abordés pour assurer une protection maximale des appareils dans un environnement électromagnétique de plus en plus complexe et exigeant.

Sources: How Do Magnetic Fields Penetrate Shielding Materials? Characterization of Shielding Materials October 26, 2023 Gunter Langer and Amirali Taghavi