FR2954559A1

FR2954559A1 - Autonomous system for detecting energy radiated by high power wave emitting source, has visual or sound detection device detecting radiated energy through electric signal, where device is supplied with power by part of electric signal

Info

Publication number: FR2954559A1
Application number: FR0906283A
Authority: FR
Inventors: Sebastien Lestieux; Loic Fuche; Romain Angibert
Original assignee: Thales SA
Current assignee: Thales SA
Priority date: 2009-12-23
Filing date: 2009-12-23
Publication date: 2011-06-24
Anticipated expiration: 2029-12-23
Also published as: FR2954559B1

Abstract

The system has an antenna (1) e.g. spiral antenna, receiving energy radiated by a high power wave emitting source. A converter (3) i.e. Schottky diode, allows conversion of the radiated energy into an electric signal. A visual or sound detection device i.e. display device (5), detects the radiated energy through the electric signal. The detection device is supplied with power by a part of total electric signal. An adaptation module (2) adapts input impedance of the antenna to the impedance of the diode.

Description

DETECTEUR AUTONOME DE FORT CHAMP RADIO ELECTRIQUE AUTONOMOUS DETECTOR OF HIGH FIELD ELECTRIC RADIO

L'objet de la présente invention concerne un dispositif autonome permettant la détection de fort champ radio électrique. Par le mot autonome, il faut entendre dans la présente description, la possibilité pour un dispositif de fonctionner avec l'énergie que l'on souhaite mesurer, sans devoir faire appel à une source externe. L'invention se situe dans tout le domaine de la mesure de champ radio électrique de forte puissance et dans le domaine de l'auto-détection. The object of the present invention relates to an autonomous device for the detection of strong radio electric field. By the autonomous word, it is meant in the present description, the possibility for a device to operate with the energy that it is desired to measure, without having to use an external source. The invention lies in the entire field of high power radio field measurement and in the field of auto-detection.

Elle peut aussi être utilisée pour déterminer des zones de sécurité autour d'un émetteur, en relation avec les normes de sécurité publique. L'invention permet, par exemple d'avoir un « crayon de sécurité radiofréquence » ou dans un format « badge », de manière similaire à ce que dispose le personnel travaillant dans des environnements nucléaires. Elle s'applique, par exemple, à la détermination de zones dangereuses, pour la protection des personnes en fonction des niveaux de champ reçu avec mémorisation de ces niveaux. Le problème posé et résolu dans la présente invention est d'identifier l'état des systèmes d'émission de forte puissance par un autre moyen que les remontées d'informations d'états propres au système. Dans le domaine des mesures de champ, la plupart des systèmes sont basés sur des sondes tri-axes, reliées à un boîtier électrique possédant sa propre source d'énergie. Ces systèmes utilisent des antennes élémentaires de type dipôle, sur de large bande de fréquence, la source d'énergie étant majoritairement réalisée à partir de simples piles. II existe également des systèmes de transmission de puissance sans fil dédiés uniquement à la transmission d'énergie et opérant à une fréquence spécifique. Ces systèmes ne traitent pas l'information du niveau de champ reçu. It can also be used to determine security zones around a transmitter, in relation to public safety standards. The invention makes it possible, for example to have a "radiofrequency security pencil" or in a "badge" format, similar to what is available to personnel working in nuclear environments. It applies, for example, to the determination of danger zones, for the protection of people according to the received field levels with memorization of these levels. The problem posed and solved in the present invention is to identify the state of the high power transmission systems by means other than the feedback of system-specific state information. In the field of field measurements, most systems are based on tri-axis probes, connected to an electrical box with its own source of energy. These systems use elementary antennas of the dipole type, over a wide frequency band, the energy source being mainly made from simple batteries. There are also wireless power transmission systems dedicated solely to the transmission of energy and operating at a specific frequency. These systems do not process the received field level information.

Les dispositifs de mesure de champ connus de l'art antérieur permettent de capter l'énergie au travers 3 dipôles, orientés selon des axes x, y, z qui transforment ce champ en tension ; puis cette tension est analysée au travers d'une table de calibration qui permet de connaître la valeur de champ mesurée. Ces dispositifs, bien que performants, nécessitent l'apport d'une source d'énergie extérieure, pile, câble secteur, pour leur fonctionnement. Il en résulte que lorsque la source d'énergie est indisponible, ils ne peuvent fonctionner. Il est aussi connu d'utiliser des systèmes permettant de transmettre de l'énergie sans fil, en utilisant des antennes adaptées à des fréquences particulières. Ces systèmes, plus connus sous le nom de ~o « rectenna » ont uniquement pour but de convertir l'énergie électromagnétique en électricité. Les rectennas, systèmes de transmission d'énergie, ne fournissent pas d'informations sur la présence ou pas d'énergie. The field measuring devices known from the prior art allow the energy to be captured through 3 dipoles, oriented along x, y, z axes which transform this field into voltage; then this voltage is analyzed through a calibration table which allows to know the measured field value. These devices, although powerful, require the contribution of an external power source, battery, mains cable, for their operation. As a result, when the power source is unavailable, they can not operate. It is also known to use systems for transmitting wireless energy, using antennas adapted to particular frequencies. These systems, better known as ~ o "rectenna" are only intended to convert electromagnetic energy into electricity. The rectennas, energy transmission systems, do not provide information on the presence or absence of energy.

15 L'idée de la présente invention repose sur une nouvelle approche qui consiste à réaliser une transformation du champ électrique en tension au travers une antenne, puis de transformer directement cette tension en énergie d'alimentation d'un indicateur du champ radioélectrique émis par une source rayonnante. 20 L'invention concerne un système autonome de détection d'une énergie rayonnée par une source émettant des ondes de puissance élevée caractérisé en ce qu'il comporte en combinaison au moins les éléments suivants : • Une antenne de réception de l'énergie rayonnée par ladite source, 25 • Un module permettant la conversion de l'énergie rayonnée en un signal électrique, • Un dispositif de détection (visuelle ou sonore) de l'énergie rayonnée par l'intermédiaire du signal électrique, ledit dispositif de visualisation étant alimenté par une partie ou la totalité du signal électrique issu de 30 la conversion de l'énergie captée par l'antenne. The idea of the present invention is based on a new approach which consists of transforming the electric field into voltage across an antenna and then directly transforming this voltage into the supply energy of an indicator of the radioelectric field emitted by a radiant source. The invention relates to an autonomous system for detecting energy radiated by a source emitting waves of high power, characterized in that it comprises in combination at least the following elements: • An antenna for receiving the energy radiated by said source, • a module enabling the conversion of the radiated energy into an electrical signal, • a device (visual or sound) for detecting the energy radiated by means of the electrical signal, said display device being powered by part or all of the electrical signal resulting from the conversion of the energy picked up by the antenna.

Le dispositif ou module de conversion de l'énergie est, par exemple, une diode ou tout autre système de conversion d'énergie et il comporte un module d'adaptation de l'impédance d'entrée de l'antenne à l'impédance de ladite diode. The device or module for converting energy is, for example, a diode or any other energy conversion system and it comprises a module for adapting the input impedance of the antenna to the impedance of said diode.

Le système selon l'invention peut comporter un filtre adapté à supprimer les raies résiduelles et d'intégrer le signal reçu dans le cas d'émission pulsée. The system according to the invention may comprise a filter adapted to eliminate the residual lines and to integrate the signal received in the case of pulsed emission.

D'autres caractéristiques et avantages du dispositif selon l'invention apparaîtront mieux à la lecture de la description qui suit d'un exemple de réalisation donné à titre illustratif et nullement limitatif annexé des figures qui représentent : • La figure 1, un diagramme représentant la puissance théorique disponible autour d'une source d'émission, • La figure 2, un schéma fonctionnel du fonctionnement du système de détection selon l'invention, et • La figure 3, un exemple de mise en oeuvre du dispositif selon l'invention. Afin de mieux faire comprendre l'objet de la présente invention, la 20 description qui suit vise la détection de champ radioélectrique émis par une source de rayonnement électromagnétique ou radioélectrique. Avant de décrire un exemple de réalisation du système de détection selon l'invention, quelques rappels sur la puissance disponible autour d'une source d'émission sont énoncés. 25 A partir de l'équation de Friis, qui correspond au cas idéal, avec propagation en espace libre, qui tient compte de la distance entre une antenne d'émission et une antenne de réception, du gain des 2 antennes, et de puissance d'émission, il est possible de calculer la puissance théorique, sur une impédance égale à l'impédance interne de l'antenne de réception, 30 disponible derrière l'antenne de réception en fonction de la distance entre les deux antennes. 2954559 4nR) Où: Gt : est le gain linéaire de l'antenne d'émission 5 Gr : est le gain linéaire de l'antenne de réception Pt : est la puissance en W délivrée à l'antenne d'émission (pertes d'adaptation et rendement non compris) Pr : est la puissance en W collectée sur l'antenne de réception (pertes d'adaptation et rendement non compris) 10 R : est la distance en m séparant les deux antennes A: est la longueur d'onde en m correspondant à la fréquence de travail La figure 1 représente une courbe I correspondant à la puissance théorique reçue sur une antenne pour une fréquence de 1800 MHz et une puissance d'émission de 50W, et la courbe Il pour une fréquence de 400 15 MHz et une puissance d'émission de 200W. Le calcul exposé précédemment ne prend pas en compte les pertes par dépolarisation, de même l'hypothèse de propagation en espace libre, sans réflexion ni trajets multiples. Ces courbes sont donc à considérer comme une limite asymptotique. Outre les limitations mentionnées, qui ne peuvent être évaluées que pour chaque cas spécifique, la puissance réelle disponible dépend ensuite du rendement de la conversion entre le champ électromagnétique et la tension représentative de l'énergie devant être évaluée. La figure 2 représente un schéma fonctionnel du système selon 25 l'invention. Le système de détection autonome selon l'invention comprend par exemple les éléments suivants : • Une antenne 1 adaptée à détecter l'énergie disponible autour ou dans le voisinage d'une source de puissance, • Un module 2, d'adaptation, ayant notamment pour fonction d'adapter l'impédance Za de l'antenne à celle du dispositif permettant la conversion d'énergie électromagnétique en énergie électrique, par exemple une diode, • Un convertisseur 3 qui reçoit l'énergie rayonnée par la source, par exemple une diode puissance qui est caractérisée par un bon rendement de conversion. Ce rendement ainsi que les caractéristiques de la diode évoluent en fonction de la puissance incidente, • Un filtre 4, optionnel, qui peut remplir une double fonction : premièrement la suppression des raies résiduelles qui ne permettraient pas un affichage clair de l'information et deuxièmement une intégration du signal reçu dans le cas d'émission pulsée comme cela peut être le cas pour des radars, • Un dispositif d'affichage, 5, ayant pour objectif de retranscrire de façon visuelle l'information de présence de champ avec comme contrainte une très faible consommation d'énergie. Ceci peut être réalisé avec un vumètre, avec le problème de la perte d'information à cause de la constante de décharge ou par l'intermédiaire de dispositifs à cristaux liquides ou « bar-chart » présentant l'avantage de ne pas consommer d'énergie. L'information du maximum de signal reçu peut être conservée à l'aide d'un circuit dédié. Le dispositif d'affichage est relié au circuit de détection (antenne + diode) de l'énergie rayonnée, ce qui permet un fonctionnement autonome du dispositif de détection. Other features and advantages of the device according to the invention will appear better on reading the following description of an exemplary embodiment given by way of illustration and in no way limiting attached figures which represent: • Figure 1, a diagram representing the theoretical power available around a source of emission, • Figure 2, a block diagram of the operation of the detection system according to the invention, and • Figure 3, an example of implementation of the device according to the invention. In order to better understand the object of the present invention, the following description is directed to radio-frequency field detection emitted by a source of electromagnetic or radio-frequency radiation. Before describing an exemplary embodiment of the detection system according to the invention, some reminders about the power available around a source of emission are stated. From the Friis equation, which corresponds to the ideal case, with propagation in free space, which takes into account the distance between a transmitting antenna and a receiving antenna, the gain of the 2 antennas, and the power of the antenna. In the transmission, it is possible to calculate the theoretical power, on an impedance equal to the internal impedance of the receiving antenna, available behind the receiving antenna as a function of the distance between the two antennas. 2954559 4nR) Where: Gt: is the linear gain of the transmitting antenna 5 Gr: is the linear gain of the receiving antenna Pt: is the power in W delivered to the transmitting antenna (losses of not including adaptation and efficiency) Pr: is the power in W collected on the receiving antenna (loss of adaptation and output not included) 10 R: is the distance in m separating the two antennas A: is the wavelength in m corresponding to the working frequency FIG. 1 represents a curve I corresponding to the theoretical power received on an antenna for a frequency of 1800 MHz and a transmission power of 50W, and the curve II for a frequency of 400 MHz and an emission power of 200W. The above calculation does not take into account the losses by depolarization, so the hypothesis of propagation in free space, without reflection or multiple paths. These curves are therefore to be considered as an asymptotic limit. In addition to the mentioned limitations, which can only be evaluated for each specific case, the actual available power then depends on the efficiency of the conversion between the electromagnetic field and the voltage representative of the energy to be evaluated. Figure 2 shows a block diagram of the system according to the invention. The autonomous detection system according to the invention comprises for example the following elements: An antenna 1 adapted to detect the energy available around or in the vicinity of a power source, A module 2, of adaptation, having in particular to function to adapt the impedance Za of the antenna to that of the device for the conversion of electromagnetic energy into electrical energy, for example a diode, • A converter 3 which receives the energy radiated by the source, for example a power diode which is characterized by a good conversion efficiency. This performance as well as the characteristics of the diode evolve according to the incident power, • An optional filter 4, which can fulfill a double function: firstly the suppression of the residual lines which would not allow a clear display of the information and secondly an integration of the signal received in the case of pulsed transmission as it may be the case for radars, • A display device, 5, whose objective is to retranscribe in a visual way the field presence information with the constraint of a very low energy consumption. This can be achieved with a vumeter, with the problem of information loss due to the discharge constant or via liquid crystal devices or "bar-chart" having the advantage of not consuming energy. The information of the maximum received signal can be preserved by means of a dedicated circuit. The display device is connected to the detection circuit (antenna + diode) of the radiated energy, which allows autonomous operation of the detection device.

Dans le but de simplifier au maximum le circuit d'adaptation, la conception de l'antenne doit permettre d'avoir une faible variation d'impédance sur une large bande passante, ceci afin de favoriser le transfert d'énergie entre l'antenne 1 et le reste du circuit. Plusieurs types d'antenne large bande sont envisageables : antenne vivaldi, antenne spiral ou sinueuse, dipôle, etc. Le choix sera différent en fonction de l'objectif souhaité, les antennes vivaldi ou spiral In order to simplify the adaptation circuit as much as possible, the design of the antenna must make it possible to have a low impedance variation over a wide bandwidth, in order to promote the transfer of energy between the antenna 1 and the rest of the circuit. Several types of broadband antennas are possible: vivaldi antenna, spiral or winding antenna, dipole, etc. The choice will be different depending on the desired objective, vivaldi or spiral antennas

permettent d'obtenir de meilleur rendement mais, par conséquent, elles offrent un résultat qui est fonction de la fréquence d'analyse, ce qui est intéressant du point de vue de la sensibilité du système mais n'est pas compatible (ou seulement sur une bande de fréquence étroite) de la détermination large bande des niveaux de sécurité admissible. Les antennes dipôle auront des propriétés réciproques, une sensibilité moindre mais une analyse plus constante du niveau reçu. Le choix de l'élément rayonnant sera donc fonction de la largeur de bande de l'application souhaitée. Le convertisseur peut être une diode Schottky. L'impédance Zc du dispositif ou de la diode est par exemple choisie pour assurer un maximum de transfert d'énergie ce qui revient à dire que sa valeur soit sensiblement égale ou égale à la valeur conjuguée de l'impédance de l'antenne Zant. Le dispositif d'affichage est par exemple un simple vumètre, comme il a été décrit. Toutefois, sans sortir du cadre de l'invention, tout autre 15 composant, sous réserve que ce dernier nécessite une très faible consommation, peut être utilisé, sachant que les éléments à cristaux liquide sont faiblement énergivore. L'énergie théorique disponible évolue naturellement : en fonction de la distance à laquelle un objet ou une personne se situe par rapport à 20 l'émetteur, en fonction : de la puissance d'émission et de la fréquence de travail, ainsi que du gain d'antenne de réception. Toutefois, pour une puissance d'émission donnée, et une distance fixe entre émetteur (source émettrice d'un rayonnement à contrôler ou détecter) et récepteur, en effectuant le choix d'une antenne de réception dimensionnée pour 25 correspondre à une utilisation dans les fréquences hautes (de la couverture fréquentiel), la progression des pertes de propagation en fonction de la fréquence est compensée par la diminution du gain de l'antenne de réception. Ceci a pour effet de permettre de disposer d'un niveau d'énergie « quasi stable » sur une large bande de fréquence.allow for better performance but, as a result, they offer a result that is a function of the frequency of analysis, which is interesting from the point of view of the sensitivity of the system but is not compatible (or only on a narrow frequency band) of the broadband determination of the permissible safety levels. The dipole antennas will have reciprocal properties, a lower sensitivity but a more constant analysis of the received level. The choice of the radiating element will therefore depend on the bandwidth of the desired application. The converter can be a Schottky diode. The impedance Zc of the device or of the diode is for example chosen to ensure a maximum of energy transfer, which amounts to saying that its value is substantially equal to or equal to the conjugate value of the impedance of the antenna Zant. The display device is for example a simple meter, as has been described. However, without departing from the scope of the invention, any other component, provided that the latter requires a very low consumption, can be used, knowing that the liquid crystal elements are low in energy consumption. The theoretical energy available evolves naturally: according to the distance to which an object or a person is situated with respect to the transmitter, as a function of: the transmission power and the working frequency, as well as the gain receiving antenna. However, for a given transmission power, and a fixed distance between the transmitter (source emitting radiation to be controlled or detected) and receiver, by choosing a receiving antenna sized to correspond to a use in the high frequencies (of the frequency coverage), the progression of the propagation losses as a function of the frequency is compensated by the decrease of the gain of the receiving antenna. This has the effect of providing a "quasi stable" energy level over a wide frequency band.

30 Les énergies disponibles à considérer dans les exemples de simulation de brouilleur, dans un rayon de 5 m autour de la source d'émission, sont par exemple de l'ordre de 1 mWatt. Ce qui sera le cas minimum pour considérer des émissions de forte puissance. L'émetteur de puissance radiofréquences à détecter peut donc servir d'alimentation au système de détection lui-même sous réserve de 5 limiter la consommation électrique de ce dernier. En résumé, l'idée de l'invention repose sur le fait que l'énergie véhiculée par l'onde électromagnétique est captée par une antenne de réception (ou un réseau d'antennes), puis ce signal alternatif est redressé, filtré et éventuellement régulé pour être utilisé comme source d'énergie 1 o électrique continue représentative du niveau de champ reçu et traité par l'affichage. La figure 3 représente un exemple de réalisation d'un système selon l'invention comprenant l'antenne 1 disposée au voisinage d'une source d'émission de rayonnement, l'antenne étant reliée à une diode Schottky qui 15 transforme l'énergie reçue sur l'antenne en une tension électrique. Le signal électrique est filtré au moyen d'un filtre LC à deux branches afin d'éliminer les fréquences d'onde parasites, ce qui constitue un filtre ayant une fréquence de coupure Fc=1/2rr, permettant ainsi d'optimiser la puissance. Un vumètre 10 permet la visualisation de l'énergie au voisinage de la source de 20 rayonnement. L'invention s'applique aussi dans le domaine des radars, dans des environnements d'émission interrogateur-répondeur ou IFF. L'objet de l'invention présente notamment les avantages suivants : • Il utilise l'énergie émise comme source d'alimentation ou d'énergie et 25 comme information de mesure, le signal excitateur devient la source d'énergie de sa propre mesure, ce qui conduit à une autonomie complète du système de détection d'une source de forte énergie, • Il assure la détection d'émission afin de valider l'état opérationnel d'un émetteur, 30 • Il assure la détermination des zones de sécurité, autour de l'émetteur, en relation avec les normes de santé publique, sur une bande de fréquence étroite, du fait de la mise en oeuvre d'un circuit de conversion de l'énergie optimal en association avec un composant d'affichage de très faible consommation, ceci permet de conserver un rendement élevé de conversion d'énergie. The available energies to be considered in the scrambler simulation examples, within a radius of 5 m around the emission source, are for example of the order of 1 mWatt. This will be the minimum case for considering high power emissions. The radiofrequency power transmitter to be detected can thus serve as power supply for the detection system itself, provided that it limits the power consumption of the latter. In summary, the idea of the invention is based on the fact that the energy conveyed by the electromagnetic wave is picked up by a receiving antenna (or an antenna array), then this alternating signal is rectified, filtered and possibly Regulated to be used as a continuous DC power source representative of the field level received and processed by the display. FIG. 3 represents an exemplary embodiment of a system according to the invention comprising the antenna 1 disposed in the vicinity of a radiation emission source, the antenna being connected to a Schottky diode which transforms the energy received. on the antenna at an electrical voltage. The electrical signal is filtered by means of a two-branch LC filter in order to eliminate parasitic wave frequencies, which constitutes a filter having a cut-off frequency Fc = 1 / 2rr, thus making it possible to optimize the power. A meter 10 allows visualization of the energy in the vicinity of the radiation source. The invention is also applicable in the field of radars, in interrogator-responder or IFF transmission environments. The object of the invention notably has the following advantages: It uses the energy emitted as a source of power or energy and as measurement information, the exciter signal becomes the energy source of its own measurement. which leads to a complete autonomy of the detection system of a source of high energy, • It ensures the detection of emission to validate the operational state of a transmitter, 30 • It ensures the determination of the security zones, around the transmitter, in relation to public health standards, on a narrow frequency band, because of the implementation of an optimal energy conversion circuit in association with a very high-level display component. low consumption, this keeps a high efficiency of energy conversion.

Claims

CLAIMS1 - Autonomous system for detecting energy radiated by a source emitting waves of high power characterized in that it comprises in combination at least the following elements: An antenna (1) for receiving the energy radiated by said source, • a module (3) enabling the conversion of the radiated energy into an electrical signal, • a device (5) for the visual or sound detection of the energy radiated by means of the electrical signal, said device for visualization (5) being fed by a part or all of the electrical signal resulting from the conversion (3) of the energy picked up by the antenna. 2 - Autonomous system according to claim 1 characterized in that the conversion module (3) of energy is a diode or other energy conversion system and that it comprises an adaptation module (2) from the input impedance of the antenna to the impedance of said diode. 20 3 -un autonomous system according to one of claims 1 to 2 characterized in that it comprises a filter (4) adapted to remove the residual lines and integrate the received signal in the case of pulsed transmission. 25