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7 Décembre 2001Thèse présentée par L.Pécastaing1.

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1 7 Décembre 2001Thèse présentée par L.Pécastaing1

2 2 Contexte de létude Appel doffre national pour amélioration des performances du démonstrateur radar ULB pour la détection de mines Collaboration entre lIRCOM de Limoges et le CELAR (organisme de la DGA) Réalisation de systèmes transitoires de mesures et de détection radar ULB expérimentaux

3 3 Plan de lexposé Présentation de létude Générateur dimpulsions HT ultra brèves Transformateurs à lignes de transmission Dispositif démission complet Perspectives Conclusion générale

4 Présentation de létude Générateur dimpulsions HT ultra brèves Transformateurs à lignes de transmission Dispositif démission complet Perspectives Conclusion générale

5 5 Principe du radar U.L.B. temporel

6 6 Avantages du radar U.L.B. temporel Mesure dune réponse transitoire de la cible riche en informations Dissociation des différents échos sur les signaux de réception Mesure unique pour obtenir des résultats sur toute la bande de fréquence Fort pouvoir de discernement Forte résolution Spectre autour de 500 MHz qui favorise la pénétration de londe à travers les écrans naturels

7 7 Réponse temporelle dune mine

8 8 Démonstrateur PULSAR du CELAR Plateforme mobile Dispositif démission / réception Dispositif de localisation de la position des antennes pendant la mesure Micro-ordinateur

9 9 Performances du dispositif démission

10 10 Limitations actuelles du démonstrateur Fort couplage entre antennes démission et de réception Bande passante insuffisantes des couples baluns / antennes Tensions délivrées par les générateurs actuels insuffisantes (12 kV)

11 11 Objectif du travail de thèse Réaliser un générateur dimpulsions HT ultra brèves (25 kV; 100 ps) de fortes puissances et de forme réglable Réaliser un dispositif dadaptation dimpédances couvrant le contenu spectral des impulsions du générateur Evaluer les performances du dispositif complet en chambre anéchoïde

12 Présentation de létude Générateur dimpulsions HT ultra brèves Transformateurs à lignes de transmission Dispositif démission complet Perspectives Conclusion générale

13 13 Schéma synoptique dun système démission

14 14 Générateurs dimpulsions haute tension Réalisation: Principe de la décharge dune ligne par lintermédiaire dun commutateur rapide Conception: Générateurs à structure de lignes Problème majeur: Mesure des impulsions commutées dans le domaine de la centaine de picosecondes Elément fondamental: Commutateur rapide

15 15 Elément de commutation Commutateur à gaz pressurisé Deux électrodes en laiton terminées par des hémisphères en tungstène Erosion minimale Décharges les plus rapides et taux de répétition les plus élevés dans lHydrogène

16 16 Décharge dune ligne coaxiale Impulsion de tension dont les propriétés principales sont : Amplitude égale à la moitié de la tension de charge Durée égale à deux fois le temps de propagation dans la ligne

17 17 Représentation schématique du générateur

18 18 Diviseurs de tension R = Z 0 = Z Z 0 >> Z 2 Sondes capacitives telles que latténuation sécrit : A = Z 2 / (2 Z 0 )

19 19 Caractérisation des sondes capacitives

20 20 Sondes réalisées au LGE

21 21 Dispositif expérimental complet

22 22 Paramétrage de la tension de sortie dans lHydrogène 15 bar < P < 50 bar0,4 mm < d < 1,6 mm

23 23 Etude du temps de montée en fonction du champ électrique appliqué Expressions de la forme :

24 24 Essais complémentaires Etude de la durée des impulsions Etude de la fréquence de répétition Fonction de la longueur de la ligne de formation Durée de 610 ps, 870 ps ou 1,6 ns Pas de limitation due au temps de recouvrement du gaz Fréquence maximale de 2,5 kHz

25 25 Allure dune impulsion produite par le générateur Vs = 18 kV = 130 ps = 610 ps Vs max 30kV Hydrogène, P = 40 bar, d = 0,8 mm

26 26 Simulation SPICE - Schéma

27 27 Simulation SPICE - Résultats Conditions expérimentales : d=0,8 mm; P=40bar; V DC =40kV Bonne concordance entre résultats expérimentaux et de simulation

28 28 Bilan de cette étude Réalisation dun générateur dimpulsions Points à améliorer Amplitude de 30 kV Temps de montée de 100 ps Durée à mi-hauteur de 610 ps Fréquence de 2,5 kHz Reproductibilité de lordre de 10 % Explications pour analyser les phénomènes physiques aussi rapides pendant la décharge en cours

29 Présentation de létude Générateur dimpulsions HT ultra brèves Transformateurs à lignes de transmission Dispositif démission complet Perspectives Conclusion générale

30 30 Transformateurs à lignes de transmission (TLT) Objectifs : Amplificateur de tension pour alimentation pulsée Dispositif dadaptation dimpédances entre générateur et antennes Principe de fonctionnement : Impédances dentrée : Z E = Z 0 / N et de sortie : Z S = N.Z 0 Amplification théorique : V S /V E = N

31 31 Modes secondaires de propagation Technologie : Amélioration des performances en augmentant limpédance des lignes secondaires

32 32 Ferrites Choix des matériaux pour notre application Propriétés magnétiques (µ i, µ a ) : Perméabilité initiale Perméabilité amplitude Impédance dun ferrite : avecet

33 33 TLT à 4 étages Sans ferrite : V S /V E = 2,7 ExpérimentationSimulation Avec ferrites : V S /V E = 4 Configuration : Générateur Blumlein, TLT 4 câbles 50, Charge 200

34 34 TLT à 10 étages Gain en tension : V S /V E 10

35 35 Dispositif dadaptation dimpédances (balun) Pourquoi un balun ? Adaptation de limpédance Symétrisation des impulsions sur brins de lantenne Balun pour notre application : Adaptation entre générateur coaxial 50 et antennes bifilaires 200 Large bande de fréquence (100 MHz à 3 GHz) Hautes tensions transitoires jusquà 30 kV

36 36 Principe du balun Principe retenu : TLT à 2 étages à sortie flottante Utilisation de ferrites

37 37 Réalisation du balun Paramètres à ajuster : Longueur des lignes Type et nombre de ferrites Minimisation des éléments parasites Longueur des connexions Adaptation : Au niveau de la valeur des impédances Au niveau de la connectique

38 38 Caractérisation du balun : symétrisation

39 39 Caractérisation du balun : adaptation S 11 <-10dB de 180MHz à 5,2GHz S 11 <-15dB de 190MHz à 2,9GHz Adaptation quasi-identique jusquà 1 GHz Au delà, meilleure adaptation du balun LGE jusquà 5 GHz

40 40 Bilan de cette étude Réalisation dun TLT 10 étages de gain optimum et de grande compacité Réalisation dun balun 50 / 200 dans une large bande fréquentielle

41 Présentation de létude Générateur dimpulsions HT ultra brèves Transformateurs à lignes de transmission Dispositif démission complet Perspectives Conclusion générale

42 42 Mesures en chambre anéchoïde Buts: Evaluation du niveau de rayonnement parasite du générateur Caractérisation du dispositif démission complet

43 43 Rayonnement parasite : dispositif expérimental

44 44 Rayonnement parasite : résultats Comparaison à une mesure de référence dun générateur Kentech HPM1 (4,5 kV; 250 ps; 670 ps) Mesure du Niveau Maximum dEmission Parasite (NMEP) dans diverses configurations

45 45 Rayonnement parasite : blindage et filtrage Blindage avec boîtier aluminium et filtrage avec ferrites Atténuation des rayonnements parasites et des résonances de cavités

46 46 Dispositif démission complet

47 47 Dispositif démission complet Impulsions rayonnées dans laxe et transformées de Fourier, Plan H Générateur Kentech / Balun Europulse ou Balun LGE / Antenne Ciseaux Objectif : Caractérisation du dispositif démission complet Mais mauvaise reproductibilité générateur LGE

48 48 Gain dans laxe Configuration : Générateur Kentech, Antenne Ciseaux, Plan H

49 49 Diagrammes de rayonnement Balun EUROPULSEBalun LGE Comparaison à 300, 600 et 900 MHz, Plan H

50 50 Bilan comparatif Niveau de performance équivalent Contenu spectral des générateurs insuffisant Essais forts niveaux prochainement

51 Présentation de létude Générateur dimpulsions HT ultra brèves Transformateurs à lignes de transmission Dispositif démission complet Perspectives Conclusion générale

52 52 Perspectives Alimentation pulsée réalisée à base de thyristors Déclenchement du générateur avec une impulsion laser Désadaptations en extrémité dantenne Remarques pour évolution future du balun Conception dun générateur dimpédance 150

53 53 Déclenchement du générateur avec une impulsion laser

54 54 Déclenchement laser : résultats Jitter inférieur à 1 ns mais mesure plus précise impossible actuellement Réglage générateur : Vrelaxé = 23 kV V DC = 20 kV P = 13 bar d = 1,4 mm Réglage laser : = 100 ps = 532 nm E 1 mJ

55 55 Déclenchement laser : observations Jitter amélioré avec : Diminution de la longueur donde de limpulsion laser Augmentation de sa durée Augmentation de son énergie Augmentation de la pression dans léclateur

56 56 Déclenchement laser : perspectives Prochaines manipulations : Meilleur contrôle de la reproductibilité des impulsions laser Insertion dune seconde visée optique Longueur donde plus proche de lultra violet Durée des impulsions laser plus importante Détecteur optique avec temps de réponse plus faible

57 Présentation de létude Générateur dimpulsions HT ultra brèves Transformateurs à lignes de transmission Dispositif démission complet Perspectives Conclusion générale

58 58 Conclusion générale Réalisation dun générateur dimpulsions HT ultra brèves Réalisation dun adaptateur dimpédances large bande Appui sur des simulations SPICE associées

59 59

60 60 Paramétrage de la tension de sortie dans divers gaz Formules empiriques du type :

61 61 Etude du temps de montée en fonction de la distance inter-électrodes et de la pression Diminution de 40 % de la distance diminue le temps de montée de 8 % Augmentation de 45 % de la pression diminue le temps de montée de 30 %

62 62 Etude du temps de montée en fonction du champ électrique appliqué Formule proposées par divers auteurs :

63 63 Processus physiques pendant la décharge Pas de relation directe entre la vitesse des électrons et le temps de commutation Temps de montée de limpulsion de courant ne peut être complètement attribué ni au courant de conduction, ni au courant de déplacement Champs électriques dans le domaine V.m -1 Emission électronique par effet de champ E= E 0 Faible chauffage du gaz Temps de recouvrement réduit Forts taux de répétition

64 64 Modélisation simplifiée dun ferrite Description du comportement en fréquence : Perméabilité relative : Introduction de la perméabilité dans SPICE : avec µ(t) perméabilité temporelle définie par TF inverse Saturation : Variation non linéaire de la perméabilité en fonction du courant

65 65 Comparaison modélisation expérimentale / numérique


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