Capteur de champ magnétique : optimisation dans la bande 10kHz – 100MHz pour applications spatiales

Magnetic field measurement is important for the study of space plasmas, where an intensive electromagnetic activity occurs. The full knowledge of electromagnetic waves needs in situ measurements of electric and magnetic components, coupled differently from free space below plasma frequency. The latter approches 20MHz in the vicinity of Earth and 100MHz at one solar radius. In up-today geophysical space missions, magnetic sensors measured fields from DC to 1MHz, with a 1 fT Hz magnetic noise density between 10kHz and 1MHz. Measurement near the Sun necessitates a magnetometer extending these performances to higher frequencies, 100MHz at best. We design a sensor in the 10kHz-100MHz band, with the same noise level, to satisfy the scientific need without increasing mass and power consumption, limited onboard satellites. Magnetometry state-of-the-art shows that a loop antenna is better. Describing sensor’s antenna and preamplifier, we modelled its transfert function and its equivalent magnetic noise, thus obtaining optimisation criteria. We compare this modelling to the prototyp realised by impedance, magnetic field response and noise measurements. Studying winding method, we reduce the toroidal transformer parasitic capacitances. Using a flux feedback, we keep the signal-to-noise ratio of the open loop sensor. The optimisation leads to an instrument working upto 30MHz and satisfying noise specification between 700kHz and 20MHz, extending magnetic field measurement in space.La mesure du champ magnétique est essentielle dans l’étude des plasmas spatiaux, sièges d’une intense activité électromagnétique. La connaissance complète des ondes électromagnétiques suppose la mesure in situ des composantes électrique et magnétique, couplées différemment que dans le vide aux fréquences inférieures à la fréquence plasma locale, qui approche 20MHz près de la Terre et 100MHz à un rayon solaire. Les missions spatiales géophysiques ont embarqué jusqu’à présent des instruments mesurant les champs magnétiques depuis le continu jusqu’au MHz, avec un seuil de sensibilité de 1 fT Hz dans la gamme 10kHz–1MHz. La mesure à proximité du Soleil nécessite un magnétomètre étendant ces performances à plus haute fréquence, 100MHz idéalement. Nous présentons l’étude d’un capteur adapté dans la bande 10kHz-100MHz devant avoir le même seuil de sensibilité, pour satisfaire les besoins scientifiques sans accroître la masse et la consommation électrique, limitées à bord d’un satellite. L’état de l’art de la magnétométrie montre qu’une boucle sans noyau est la mieux adaptée. A partir de la description détaillée des constituants du capteur, l’antenne et le préamplificateur, nous modélisons sa fonction de transfert et sonseuil de sensibilité et définissons des critères d’optimisation. Nous comparons notre modèle au prototype réalisé, mesurant son impédance, sa réponse au champ magnétique et son seuil de sensibilité. L’étude de la méthode de bobinage permet de réduire les capacités parasites du transformateur torique. Nous appliquons une contre-réaction de flux pour conserver le rapport signal à bruit du capteur en boucle ouverte. L’optimisation aboutit à un instrument fonctionnant jusqu’à 30MHz et satisfaisant la spécification de seuil de sensibilité entre 700kHz et 20MHz. Il prolonge d’une décade la gamme des instruments existants