Thèse présentée par L.Pécastaing

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1 Thèse présentée par L.Pécastaing
Je vais donc vous présenter mon travail de thèse qui porte sur la conception et la réalisation d’un système de génération d’impulsions haute tension ultra brèves en vue d’une application aux radars larges bandes. 7 Décembre 2001 Thèse présentée par L.Pécastaing

2 Contexte de l’étude  Collaboration entre l’IRCOM de Limoges et
le CELAR (organisme de la DGA) Réalisation de systèmes transitoires de mesures et de détection radar ULB expérimentaux  Appel d’offre national pour amélioration des performances du démonstrateur radar ULB pour la détection de mines Depuis 1995, des travaux menés en collaboration par l’institut de recherche en communications optiques et micro-ondes de Limoges et par le Centre d’Electronique de l’Armement, un organisme de la Direction Générale de l’Armement, ont abouti à la réalisation de systèmes transitoires de mesures et de détection radar ultra large bande expérimentaux. Dans ce contexte, le CELAR s’est doté d’un démonstrateur radar ULB dénommé PULSAR. Notre travail fait suite à un appel d’offre national dont l’objectif principal est l’amélioration des performances de ce démonstrateur utilisé pour la détection de mines affleurantes ou enfouies dans le sol.

3 1 - Présentation de l’étude
Plan de l’exposé 1 - Présentation de l’étude 2 - Générateur d’impulsions HT ultra brèves 3 - Transformateurs à lignes de transmission 4 - Dispositif d’émission complet Dans un premier temps, je vous présenterai les caractéristiques principales d’un radar ULB, la constitution du démonstrateur PULSAR ainsi que les limitations actuelles du moyen existant. Dans un second temps, seront successivement exposés le principe de fonctionnement, la conception et les performances d’un générateur d’impulsions haute tension ultra brèves basé sur la technologie d ’un commutateur à gaz pressurisé. Dans un troisième temps, une étude concernant les transformateurs à lignes de transmission sera présentée. Elle débouche sur la réalisation d’un amplificateur de tension de gain élevé et d’un adaptateur d’impédances large bande pouvant s’intercaler entre le générateur précédent et les antennes équipant le démonstrateur actuel. Puis, la mise en œuvre des expérimentations et les premiers essais effectués en chambre anéchoïde portant sur la caractérisation de l’ensemble du système d’émission seront présentés. Ensuite, des perspectives relatives à l’évolution de l’ensemble seront énumérées. L’une de ces pistes susceptibles d’orienter les recherches futures sera ainsi décrite. Pour terminer, une conclusion récapitulant l’essentiel des résultats expérimentaux et de modélisation viendra clôturer mon exposé. 5 - Perspectives 6 - Conclusion générale

4 1 - Présentation de l’étude
2 - Générateur d’impulsions HT ultra brèves 3 - Transformateurs à lignes de transmission 4 - Dispositif d’émission complet 5 - Perspectives Je vais donc présenter l’étude dans son ensemble en commençant par le radar ULB. 6 - Conclusion générale

5 Principe du radar U.L.B. temporel
Le principe général du radar ULB peut se résumer par le biais de ce graphe. En effet, un générateur délivre des impulsions de fortes puissances de forme proche d’une gaussienne. Ces impulsions sont transmises à une antenne d’émission via des dispositifs d’adaptation appelés « balun ». L’antenne dérive les signaux délivrés par le générateur. Elle ne transmet que les variations de courant. Le signal temporel réfléchi par la cible est très différent de l’impulsion émise. Au niveau de la réception, un oscilloscope numérique couplé à une deuxième antenne de réception permet l’acquisition du signal dans le domaine temporel. Après traitement, la localisation des cibles doit s’effectuer à partir d’images des zones illuminées par le radar.

6 Avantages du radar U.L.B. temporel
 Mesure d’une 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 Les principaux avantages d’un radar ULB par rapport à un radar harmonique classique sont nombreux. En particulier, la brièveté des impulsion à forts contenu spectral permet de mesurer une réponse transitoire de la cible riche en information et de dissocier les différents échos sur les signaux de réception. La largeur spectrale des impulsions autorise une mesure unique pour obtenir des résultats sur toute la bande de fréquence, un fort pouvoir de discernement ainsi qu ’une forte résolution. Enfin le spectre est centré autour de 500 MHz ce qui favorise la pénétration de l’onde à travers les écrans naturels. C’est en partie cette dernière propriété qui est à l’origine du projet de détection de mines par le biais d’un radar ULB  Spectre autour de 500 MHz qui favorise la pénétration de l’onde à travers les écrans naturels

7 Réponse temporelle d’une mine
La réponse temporelle simplifiée d’une mine prélevée par l’antenne de réception pourrait être de ce type. On retrouverait alors, tout d’abord, l’écho du sol puis la réponse caractéristique de la mine un temps plus tard qui correspond à la propagation de l’onde électromagnétique dans le sol.

8 Démonstrateur PULSAR du CELAR
 Plateforme mobile  Dispositif d’émission / réception  Dispositif de localisation de la position des antennes pendant la mesure Cette photographie présente le démonstrateur PULSAR du CELAR. Il utilise un porteur mobile qui supporte les dispositifs d’émission et de réception, à savoir les antennes, le générateur et une partie de l’instrumentation. Le démonstrateur est également doté d’un dispositif de localisation de la position des antennes au cours des mesures et d’un PC qui assure le pilotage du banc, la visualisation des mesures et la sauvegarde des données.  Micro-ordinateur

9 Performances du dispositif d’émission
Deux générateurs sont actuellement utilisés pour ces expérimentations: un générateur Kentech PBG3 de niveau de tension maximum de 8,4 kV ainsi qu ’un générateur basé sur l ’utilisation de Drift Step Recovery Diodes délivrant une tension maximale de 12 kV. Les temps de montée sont de l’ordre de 100 ps. Deux types d’antennes peuvent être montés sur le positionneur du banc. Ces antennes sont des réalisations spécifiques de l’IRCOM. Les caractéristiques principales de ces antennes associées à des dispositifs d’adaptation sont reportés sur le tableau du bas. On peut souligner notamment que le paramètre caractérisant l’adaptation à -10 dB est compris entre 300 MHZ et 2 GHz pour l’antenne Vivaldi et entre 100 MHz et 2,5 GHz pour l’antenne Ciseaux. Ce dernier paramètre a d’ailleurs fait l’objet d’une étude spécifique au cours de ma thèse.

10 Limitations actuelles du démonstrateur
 Fort couplage entre antennes d’émission et de réception  Bande passante insuffisantes des couples baluns / antennes  Tensions délivrées par les générateurs actuels insuffisantes (12 kV) Les premiers résultats ont permis de mettre en évidence les limitations actuelles de ces expérimentations, à savoir : • le fort couplage entre les antennes d’émission et de réception qui limite la dynamique lors de l’acquisition ; • la limitation en bande passante des couples baluns / antennes qui ne permet pas d’acquérir des informations utiles au-delà de 2 GHz. Ils sont donc mal adaptés pour fonctionner avec des générateurs qui délivrent des impulsions de temps de montée de l’ordre de 100 ps ; • l’intérêt de travailler avec des impulsions de plus forts niveaux ( 20 kV) pour favoriser la détection d’objets de très petites dimensions

11 Objectif du travail de thèse
 Réaliser un générateur d’impulsions HT ultra brèves (25 kV; 100 ps) de fortes puissances et de forme réglable  Réaliser un dispositif d’adaptation d’impédances couvrant le contenu spectral des impulsions du générateur  Evaluer les performances du dispositif complet en chambre anéchoïde L’essentiel du travail effectué pendant ma thèse a été d’étudier, de développer et de réaliser un générateur d’impulsions haute tension de forme réglable ainsi que les dispositifs de mesure associés. Les éléments essentiels du cahier des charges ont été proposés par le CELAR. En particulier, le générateur à intégrer dans le démonstrateur PULSAR doit délivrer des impulsions d’amplitudes supérieures à 25 kV (sur 50 ) avec un temps de montée minimum de 100 ps. Parallèlement à cette étude du générateur, mon travail a également porté sur la conception et la réalisation d’un adaptateur d’impédances (balun) destiné à être inséré entre le générateur d’impulsions 50  et les antennes bifilaires  de l’IRCOM. Ce balun doit couvrir tout le contenu spectral des impulsions délivrées par le générateur réalisé et permettrait ainsi d’augmenter la bande passante du système complet. Enfin, mon travail a également consisté à mettre en oeuvre la caractérisation du dispositif d’émission comprenant un générateur 50 , le balun ainsi réalisé et une antenne Ciseaux en chambre anéchoïde afin notamment de quantifier le rayonnement parasite du générateur et de déterminer le gain dans l’axe ainsi que les diagrammes de rayonnement.

12 1 - Présentation de l’étude
2 - Générateur d’impulsions HT ultra brèves 3 - Transformateurs à lignes de transmission 4 - Dispositif d’émission complet 5 - Perspectives Je vais maintenant aborder la seconde partie de mon exposé qui concerne le générateur d’impulsions haute tension ultra brèves. 6 - Conclusion générale

13 Schéma synoptique d’un système d’émission
Les systèmes d’émission des radars ULB qui m’ont particulièrement intéressés au cours de ma thèse sont donc principalement constitués de l’association du générateur délivrant des impulsions ultra rapides de fortes puissances et de l’antenne adaptée permettant le rayonnement de tout le contenu spectral de l’impulsion (de 30 MHz à 3 GHz par exemple). Comme nous le verrons ultérieurement, deux alternatives sont envisageables pour alimenter le générateur d’impulsions ultra brèves : -soit utiliser une alimentation haute tension continue; -soit utiliser une alimentation pulsée à fronts raides. Deux solutions seront proposées: soit un générateur basé sur la commutation de thyristors, soit une alimentation pulsée type Blumlein amplifiée par un transformateur à lignes de transmission de gain élevé.

14 Générateurs d’impulsions haute tension
Conception: Générateurs à structure de lignes Réalisation: Principe de la décharge d’une ligne par l’intermédiaire d’un commutateur rapide Elément fondamental: Commutateur rapide  Problème majeur: Mesure des impulsions commutées dans le domaine de la centaine de picosecondes Commençons tout d’abord par le générateur d’impulsions en lui même. Compte tenu de la rapidité des phénomènes mis en jeu, le générateur d’impulsion ultra brèves ne peut être conçu qu’à partir d’une structure de lignes de transmission. Sa réalisation repose sur le principe de la décharge d’une ligne par l’intermédiaire d’un commutateur rapide. Nous avons opté pour un commutateur à gaz pressurisé. Il est l’élément fondamental du générateur puisqu’il doit tenir des tensions continues de l’ordre de la centaine de kiloVolts et des pressions de l’ordre de 50 bar. Il doit aussi résister à l’échauffement du aux décharges successives. Concernant la caractérisation du générateur, le problème majeur concerne la mesure des impulsions haute tension commutées dans le domaine de la centaine de picosecondes.

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 l’Hydrogène Le commutateur à gaz pressurisé est constitué de deux électrodes en laiton terminées par des hémisphères en tungstène afin d’avoir une érosion minimale à leur niveau. Une partie de mon étude a été consacrée au choix du gaz de remplissage du commutateur. Il s’est avéré que les décharges les plus rapides et les taux de répétition les plus élevés ont été obtenus dans l’hydrogène.

16 Décharge d’une ligne coaxiale
Impulsion de tension dont les propriétés principales sont : Amplitude égale à la moitié de la tension de charge Avant de nous intéresser à la constitution mécanique de ce générateur, il me semble opportun de rappeler brièvement le principe de base d’une décharge de ligne de transmission avec le logiciel SPICE afin de suivre, temporellement, l’évolution de l’onde de tension-courant dans la ligne. Les nœuds 1 et 2 sont préalablement chargés à une tension de référence de 1 V. A t = t1, l’interrupteur se ferme. Les potentiels des nœuds 2 et 3 passent alors à 0,5 V et une onde de tension commence à se propager de 2 vers 1. Quand cette onde parvient en 1 au temps t1+0 (temps de propagation dans la ligne), elle subit une réflexion totale vers la sortie (car RHT est une résistance de forte valeur). Le potentiel du nœud 1 passe donc de 1 V à 0 V. Quand cette onde réfléchie parvient ensuite en 2 et 3 (à t1+20), le potentiel des nœuds 2 et 3 passe alors de 0,5 V à 0 car l’interrupteur est resté fermé. Ainsi, une impulsion rectangulaire de tension est produite aux bornes de la résistance de charge. Ses caractéristiques principales sont une amplitude égale à la moitié de la tension de charge et une durée correspondant à deux fois le temps de propagation dans la ligne de transmission. Durée égale à deux fois le temps de propagation dans la ligne

17 Représentation schématique du générateur
Ainsi, le générateur est constitué d’une ligne de formation coaxiale, d’impédance caractéristique de 50 , chargée par une alimentation HT qui peut être continue ou pulsée à travers une résistance de forte valeur, d’un éclateur à gaz pressurisé et d’une ligne de transmission dite d’adaptation. L’impédance de 50  doit demeurer constante le long des différentes lignes et plus particulièrement dans la ligne d’adaptation où les diamètres du conducteur intérieur et du conducteur extérieur varient simultanément dans le but de conserver un rapport constant pendant ces changements de section. Cette disposition particulière nous permet de concevoir un générateur dont la réalisation est relativement simple tout en évitant des désadaptations importantes au niveau des connexions. .

18 Sondes capacitives telles que l’atténuation s’écrit :
Diviseurs de tension R = Z0 = Z Z0 >> Z2 Un problème important est de mesurer des tensions dont le temps de montée peut être aussi rapide que 100ps et l’amplitude aussi élevée que 30kV. Il faut réaliser des sondes dédiées à la mesure d’impulsions transitoires rapides qui doivent présenter un temps de réponse subnanoseconde. Il s’agit de sondes capacitives haute tension. Leur principe consiste à remplacer un tronçon de câble coaxial, d’impédance caractéristique Z0, par un tronçon de deux câbles coaxiaux concentriques, d’impédances caractéristiques Z1 et Z2, avec Z0=Z1+Z2. La tension à mesurer dans la ligne Z1 est prélevée par l’intermédiaire d’un câble coaxial adapté à chacune de ses extrémités. Le prélèvement s’effectue, généralement, à égale distance des extrémités de la ligne d’impédance Z2, région où le mode TEM de propagation est le mieux établi. Dans ces conditions, l’atténuation s’écrit Sondes capacitives telles que l’atténuation s’écrit : A = Z2 / (2 Z0)

19 Caractérisation des sondes capacitives
Un analyseur de réseau (Wiltron B) permet de mesurer la réponse fréquentielle des sondes réalisées sur ce principe. Les paramètres en réflexion et en transmission ont été étudiés jusqu’à plus de 3 GHz. Les coefficients de transmission obtenus sont linéaires et constants en fonction de la fréquence. Ainsi, le coefficient de transmission de la sonde principalement utilisée au cours de nos essais est de -46 dB avec une bande passante comprise entre MHz et 3,3 GHz. La fréquence de 3,3 GHz est la fréquence la plus élevée dans notre application : elle permet de mesurer des impulsions ayant des temps de montée aussi rapides que 105 ps. Compte tenu des niveaux de tension admissibles par les oscilloscopes, l’utilisation d’atténuateurs à large bande mais basse tension est donc indispensable pour caractériser les impulsions ayant une amplitude de quelques dizaines de kilovolts. Ces atténuateurs coaxiaux sont insérés entre le diviseur à lignes et l’oscilloscope.

20 Sondes réalisées au LGE
Cette photographie présente deux de nos réalisations. On peut remarquer que ces sondes sont équipées de connecteurs de type N à leurs extrémités pour permettre une association plus commode avec les dispositifs qui doivent leurs être associés. Un connecteur de type SMA permet de relier la sonde capacitive à un oscilloscope, via les atténuateurs large bande basse tension.

21 Dispositif expérimental complet
Pour caractériser notre générateur, nous avons utilisé ce dispositif expérimental où apparaissent un diviseur capacitif et la sonde de tension subnanoseconde dont je viens d’expliquer le fonctionnement. Le diviseur capacitif est inséré entre deux résistances de charge haute tension de fortes valeurs pour avoir accès à la fréquence de répétition du système. Les impulsions délivrées par le générateur sont mesurées par une sonde subnanoseconde. L’acquisition est assurée soit par un oscilloscope monocoup de 3 GHz de bande passante, soit par un oscilloscope séquentiel de 6 GHz de bande passante Par ailleurs, une alimentation continue 100 kV, 3 mA est principalement utilisée pour charger la ligne de formation.

22 Paramétrage de la tension de sortie
dans l’Hydrogène 15 bar < P < 50 bar 0,4 mm < d < 1,6 mm Divers paramétrages ont été réalisés afin d’améliorer les caractéristiques des impulsions produites par le générateur, à savoir la tension de sortie, le temps de montée, la durée à mi-hauteur et la fréquence de répétition. Par exemple, un paramétrage de la tension de sortie a été effectué en fonction du produit pression-distance inter-électrodes (P.d) dans l’hydrogène. On obtient une variation quasi-linéaire de la tension en fonction du produit Pd. Cette caractéristique est conforme à la théorie de Paschen. Des impulsions dont l’amplitude avoisine 30 kV peuvent être obtenues lorsque le produit P.d dépasse 55 bar.mm.

23 Etude du temps de montée en fonction du champ électrique appliqué
Expressions de la forme : L’objectif principal suivant est de réduire au maximum le temps de montée. Divers paramétrages ont été effectués afin de mettre en évidence quels sont les réglages qui minimisent sa valeur. Sur ce graphe, le temps de montée des impulsions est représenté en fonction du champ électrique dans l’éclateur. Nos points expérimentaux et les courbes représentatives de relations trouvées dans la littérature sont présentés Les divers résultats sont tout à fait comparables. On notera aussi que les temps de montée les plus rapides sont obtenus avec les valeurs des champs électriques les plus élevés. En effet, à distance constante, le temps de montée diminue lorsque la tension de sortie augmente. Des temps de montée aussi rapides que 100 ps peuvent être obtenus avec des champs électriques dépassant 45 kV.mm-1.

24 Essais complémentaires
Etude de la durée des impulsions Fonction de la longueur de la ligne de formation Durée de 610 ps, 870 ps ou 1,6 ns Etude de la fréquence de répétition La durée des impulsions et leur fréquence de répétition ont également fait l’objet d’essais complémentaires. La durée à mi-hauteur des impulsions est fonction de la longueur de la ligne de formation. Cette longueur a été modifiée pour conduire à des durées variables. Le taux de répétition du système dépend quand à lui de la nature du gaz, de l’énergie des impulsions et de la rapidité de l’alimentation de puissance à charger la ligne de formation après chaque décharge. Etant donné que l ’énergie commutée est de l’ordre du mJ, le temps de recouvrement du gaz ne peut pas limiter les performances du générateur. Ainsi, une fréquence maximale de 2,5 kHz a pu être atteinte en chargeant la ligne de formation au moyen d’une alimentation continue Pas de limitation due au temps de recouvrement du gaz Fréquence maximale de 2,5 kHz

25 Allure d’une impulsion produite
par le générateur Hydrogène, P = 40 bar, d = 0,8 mm Vs = 18 kV  = 130 ps  = 610 ps Est présentée ici l’allure type d’une impulsion produite par le générateur. Dans ces conditions expérimentales, une impulsion de 18 kV est générée, le temps de montée est de 130 ps et la durée à mi-hauteur est de 610 ps. Je rappelle que la tension maximale obtenue au cours de nos essais avoisine 30 kV. Vs max  30kV

26 Simulation SPICE - Schéma
Une simulation sur le logiciel SPICE a été menée de pair avec la réalisation pour en optimiser les performances. Cette simulation vise à déterminer les éléments limitants du circuit. Ces éléments sont localisés dans la simulation afin de modéliser à la fois les terminaisons réelles des lignes de transmission; les désadaptations aux connexions des lignes et la phase de décharge comme étant une capacité court-circuitée par une inductance et une faible résistance en série. Le front de courant est ainsi généré par la fermeture très rapide du commutateur, ceci est modélisé par une augmentation contrôlée de la conductivité dans l’intervalle.

27 Simulation SPICE - Résultats
Conditions expérimentales : d=0,8 mm; P=40bar; VDC=40kV Bonne concordance entre résultats expérimentaux et de simulation La forme de l’impulsion simulée est maintenant comparée à celle de l’impulsion expérimentale précédente. La bonne concordance obtenue nous permet de valider le modèle de circuit précédent.

28 Bilan de cette étude Réalisation d’un générateur d’impulsions
Amplitude de 30 kV Temps de montée de 100 ps Durée à mi-hauteur de 610 ps Fréquence de 2,5 kHz  Points à améliorer Reproductibilité de l’ordre de  10 % Finalement, un générateur d ’impulsions haute tension ultra brèves a été réalisé. Ses caractéristiques principales sont une amplitude maximale proche de 30 kV, un temps de montée minimal de 100 ps, une durée à mi-hauteur variable et une fréquence maximale de 2,5 kHz. Néanmoins, deux points restent à améliorer : - en effet, pour répondre complètement au cahier des charges qui nous a été fourni, un paramètre essentiel reste à améliorer. Il concerne la reproductibilité des impulsions qui doit être diminuée à + ou - 5%. Elle est aujourd’hui de l’ordre de + ou - 10 %. La solution que nous allons exploiter dans les mois à venir, consiste à utiliser non pas une alimentation continue mais plutôt une alimentation pulsée à fronts raides afin d’initier la décharge avec une tension de charge toujours constante. Ces considérations ont été à l’origine de deux études au laboratoire. L’une d’entre elle concerne un amplificateur de tension, elle sera brièvement présentée à la suite de mon exposé. - le second problème qui nous a gêné, notamment lors de la simulation SPICE, est que les explications concernant les phénomènes physiques qui régissent la rupture diélectrique du gaz dans le commutateur sont encore en cours d’analyse. Explications pour analyser les phénomènes physiques aussi rapides pendant la décharge en cours

29 1 - Présentation de l’étude
2 - Générateur d’impulsions HT ultra brèves 3 - Transformateurs à lignes de transmission 4 - Dispositif d’émission complet 5 - Perspectives Je vais maintenant aborder la troisième partie de mon exposé qui concerne les transformateurs à lignes de transmission que je nommerai TLT par la suite. 6 - Conclusion générale

30 Transformateurs à lignes de transmission (TLT)
 Objectifs :  Amplificateur de tension pour alimentation pulsée  Dispositif d’adaptation d’impédances entre générateur et antennes  Principe de fonctionnement :  Impédances d’entrée : ZE = Z0 / N et de sortie : ZS = N.Z0  Amplification théorique : VS/VE = N Ce travail a été guidé par deux objectifs majeurs. Le premier consiste à réaliser un amplificateur de tension pour une utilisation comme alimentation pulsée pour le générateur que je viens de décrire. Le second objectif est d’utiliser le même procédé pour réaliser un dispositif d’adaptation d’impédances entre le générateur coaxial 50 et des antennes bifilaires 200 conçues par l’IRCOM. Un transformateur à lignes est constitué de N lignes identiques qui sont connectées en parallèle en entrée et en série en sortie. Si Z0 est l’impédance de chacune des lignes et N est le nombre de lignes constituant le TLT, alors l’impédance d’entrée est Z0 / N et celle de sortie N.Z0. De plus, si l’impulsion d’entrée a une amplitude VE, celle que l’on retrouve en sortie a, théoriquement, les mêmes caractéristiques temporelles et une amplitude N.VE. L’amplification du TLT parfait adapté est, par conséquent, égale au nombre d’étages.

31 Modes secondaires de propagation
Toutefois, le fonctionnement du TLT est plus complexe. En effet, quand l’impulsion de tension atteint la sortie de chaque ligne, les tresses de masse côté sortie sont portées à des potentiels croissants, alors que les tresses des mêmes câbles, côté entrée, se trouvent à la masse. Ces lignes jouent, alors, le rôle de lignes de transmission secondaires. Un mode secondaire se propage vers l’entrée où il est réfléchi vers la sortie. Pour obtenir des performances optimales du transformateur, il est évident que l’on veillera à minimiser, au mieux, les effets du mode secondaire qui se manifestent notamment sur l’allure du signal de sortie par une chute du gain en tension. La technologie utilisée doit permettre d’améliorer les performances de ces TLT en augmentant la valeur de l’impédance secondaire de chaque ligne parasite.  Technologie :  Amélioration des performances en augmentant l’impédance des lignes secondaires

32 Ferrites  Propriétés magnétiques (µi, µa) : Perméabilité initiale
Perméabilité amplitude    Impédance d’un ferrite : avec et  Choix des matériaux pour notre application La solution que nous avons choisie consiste à insérer des tores de ferrites sur les tresse de masse de chaque ligne du TLT Les propriétés magnétiques des ferrites sont communément données au travers de la perméabilité initiale (µii) qui est donnée par les constructeurs en fonction de la fréquence. La perméabilité initiale, significative pour les petits signaux, doit être remplacée, dans nos applications, par la perméabilité d’amplitude (µa), qui dépend du matériau, de l’amplitude du champ appliqué et de la fréquence. Dans le cas où un dipôle est constitué par un tore de matériau ferrite placé autour d’un conducteur central, la composante µ’ induit sur l’impédance (ZS) créée une composante selfique (LS) importante jusqu’à une fréquence dite de coupure tandis que la composante µ’’ induira une composante résistive (RS) plus haut en fréquence. Dans l’optique de proposer une impédance de valeur maximum sur la plus large bande de fréquence possible, on a choisi d’associer deux familles de composés complémentaires en fréquence de coupure et en valeur de perméabilité. Leurs caractéristiques sont synthétisées sur ce tableau. .

33 Générateur Blumlein, TLT 4 câbles 50 , Charge 200 
TLT à 4 étages Configuration : Générateur Blumlein, TLT 4 câbles 50 , Charge 200   Sans ferrite : VS/VE = 2,7  Avec ferrites : VS/VE = 4 Expérimentation Simulation En opérant de cette manière, pour un système comprenant un générateur Blumlein, un TLT 4 étages et une charge de 200, le gain en tension peut évoluer depuis 2,7 jusqu’à 4 grâce à une optimisation du nombre et de la position des ferrites sur les tresses comme on peut le constater sur cet oscillogramme. Une modélisation prenant en compte à la fois les modes secondaires de propagation dans le TLT et le comportement des ferrites dans des applications forts courant et transitoires rapides fournit ici des résultats en bon accord avec l’expérience.

34 TLT à 10 étages  Gain en tension : VS/VE  10
Pour obtenir un rapport d’amplification plus élevé, nous avons testé ce système. A l’entrée du TLT, l’ impulsion générée à une amplitude de 2kV. Après une optimisation empirique du nombre de ferrites et du nombre de tours de câbles, la tension de sortie est alors de 20 kV. Le gain obtenu est ainsi très proche de sa valeur théorique de 10.  Gain en tension : VS/VE  10

35 Dispositif d’adaptation d’impédances (balun)
Pourquoi un balun ?  Adaptation de l’impédance  Symétrisation des impulsions sur brins de l’antenne 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 jusqu’à 30 kV Intéressons nous maintenant au balun qui peut également être réalisé à partir d’une structure de TLT. L’objectif assigné aux baluns est double puisqu’il doit assurer une bonne adaptation d’impédances entre le générateur et l’antenne et également l’excitation de l’antenne avec des impulsions symétriques. Pour notre application, le balun doit assurer une adaptation entre le générateur coaxial d’impédance 50 et les antennes bifilaires 200 . Cette adaptation doit être efficace sur une large bande de fréquence de 100 MHz à 3 GHz par exemple. Il doit enfin supporter des hautes tensions transitoires pouvant atteindre 30kV.

36 Principe du balun Principe retenu :
 TLT à 2 étages à sortie flottante  Utilisation de ferrites Le principe retenu consiste à réaliser un TLT à 2 étages à sortie flottante. Au niveau du TLT, deux lignes coaxiales de 100 sont associées en parallèle en entrée et en série en sortie. Les impédances d’entrée et de sortie sont alors bien de 50 et de 200 . Tant que l’effet de court-circuit ne peut se manifester, c’est-à-dire pour les durées inférieures à celles d’un aller et retour dans ce câble, le fonctionnement impulsionnel est celui attendu : les signaux s’associent en parallèle à l’entrée puis se retrouvent en série à la sortie. En régime impulsionnel long, donc aux basses fréquences, on peut considérer que le balun se comporte comme les transformateurs à lignes qui ont fait l’objet de l’étude concernant l’optimisation du gain en tension. Les effets des modes secondaires de propagation se manifestent et ils doivent être minimisés au moyen de ferrites. En résumé, le fonctionnement aux fréquences élevées est donc défini par les câbles et les connexions tandis que le fonctionnement aux fréquences basses est conditionné par les ferrites.

37 Réalisation du balun Adaptation :
 Au niveau de la valeur des impédances  Au niveau de la connectique Paramètres à ajuster :  Longueur des lignes  Type et nombre de ferrites  Minimisation des éléments parasites  Longueur des connexions L’adaptation doit s’effectuer à deux niveaux : -bien sûr au niveau des valeurs des impédances, sachant que le fait de travailler sur une bande fréquentielle aussi large peut conduire à une réalisation technique complexe ; -mais également au niveau de la connectique, car les antennes utilisées dans nos applications n’ont pas une géométrie compatible avec leur circuit d’alimentation à savoir un câble coaxial. Il est donc nécessaire de réaliser une transition permettant de passer d’une géométrie à l’autre avec le minimum de perturbations. Pour la réalisation finale, divers paramètres doivent être ajustés : -la longueur des lignes dépend de la durée de l’impulsion ; -le type et le nombre de ferrite dépendent de la valeur de l’impédance souhaitée en basses fréquences ; -les capacités parasites au niveau des connexions doivent être minimisées et ne doivent pas être chargées. Des matériaux magnétiques peuvent être positionnés en ces points afin d’isoler ces jonctions ; -la longueur des connexions est choisie par rapport à la puissance appliquée au balun et à la bande passante souhaitée. Un compromis entre ces deux notions doit être trouvé.

38 Caractérisation du balun : symétrisation
Dans un premier temps, nous avons cherché à vérifier le principe de la symétrisation à l’aide de ce montage. La validation de ce procédé consiste à à symétriser les signaux pour avoir +V sur l’une des voies de l’oscilloscope et -V sur l’autre. Au niveau du balun, deux câbles de 1 m de long sont montés dans un dispositif parallèle / série. Sur cet oscillogramme, les temps de montée et de descente des impulsions sont de 2 ns. Les amplitudes sont, à peu de chose près, égales et de signes opposés. Les premiers essais sont donc validés.

39 Caractérisation du balun : adaptation
S11<-10dB de 180MHz à 5,2GHz S11<-15dB de 190MHz à 2,9GHz Adaptation quasi-identique jusqu’à 1 GHz Au delà, meilleure adaptation du balun LGE jusqu’à 5 GHz L’étape suivante a consisté à optimiser le volume et la bande passante du prototype sachant que la disposition et le nombre de ferrites pour symétriser les impulsions sont maintenant bien moins contraignants que dans le cas précédent. En effet, les impulsions délivrées par le générateur ont généralement une durée inférieure à 1ns. Pour caractériser cette réalisation, des mesures du paramètre en réflexion (S11) et du taux d’onde stationnaire (TOS) de l’association de notre balun avec une antenne bifilaires 200  de l’IRCOM sont réalisées. Ces résultats sont représentés en bleu sur ces courbes. Le S11 est ainsi inférieur à -10 dB de MHz à 5,2 GHz et inférieur à -15 dB de 190 MHz à 2,9 GHz. Ces mesures sont comparées à celles d’un dispositif associant un balun semblable à celui équipant le démonstrateur PULSAR avec la même antenne 200. L’adaptation de ces systèmes est quasi-identique jusqu ’à 1GHz. Au delà, le balun LGE est mieux adapté jusqu’à une fréquence dépassant 5GHz.

40 Bilan de cette étude Réalisation d’un TLT 10 étages de gain optimum et de grande compacité Réalisation d’un balun 50  / 200  dans une large bande fréquentielle Après une étude poussée des TLT et plus particulièrement de leurs modes secondaires, un TLT 10 étages de grande compacité qui amplifie avec un gain optimum a été réalisé au moyen de ferrites. Toujours à partir du principe des TLT, un balun destiné à être intercalé entre le générateur d’impulsions 50  et une antenne 200  a été réalisé. Ses performances, notamment en termes de bande passante et de puissance à transiter, semblent satisfaisants. Les premiers essais de caractérisation d’un ensemble associant un générateur 50, ce balun et une antenne bifilaires font l’objet de la suite de mon exposé. .

41 1 - Présentation de l’étude
2 - Générateur d’impulsions HT ultra brèves 3 - Transformateurs à lignes de transmission 4 - Dispositif d’émission complet 5 - Perspectives La quatrième partie de mon exposé est donc consacrée aux premiers essais de caractérisation du dispositif d’émission complet. 6 - Conclusion générale

42 Mesures en chambre anéchoïde
Buts:  Evaluation du niveau de rayonnement parasite du générateur  Caractérisation du dispositif d’émission complet Ces essais ont été réalisé conjointement avec l’équipe rayonnement de Brive en chambre anéchoïde. Leurs buts sont de quantifier le rayonnement parasite du générateur et de caractériser un dispositif d’émission complet avec une attention particulière pour les performances de notre balun.

43 Rayonnement parasite : dispositif expérimental
Le premier essai consiste à évaluer les performances, en terme de niveau d’émission parasite, de notre générateur chargé sur 50 . Le générateur est commandé de l’extérieur de la chambre à l’aide d’un générateur externe de déclenchement, émettent une impulsion monocoup. Une antenne Ciseaux de réception associée à un balun, qui ont été caractérisés par l’équipe de Brive permet de capter le signal parasite émis.

44 Rayonnement parasite : résultats
 Comparaison à une mesure de référence d’un générateur Kentech HPM1 (4,5 kV; 250 ps; 670 ps)  Mesure du Niveau Maximum d’Emission Parasite (NMEP) dans diverses configurations Ces résultats expérimentaux sont comparés à une mesure de référence réalisée avec un générateur Kentech de type HPM1. Le niveau maximum d’émission parasite (NMEP) est mesuré dans des configurations différentes. La mesure de référence réalisée à l’aide du générateur Kentech donne un NMEP très faible de 0,036V. Après s’être assuré de la linéarité des phénomènes, les NMEP ont été normalisés par rapport à la mesure de référence. Il passe ainsi de 3V environ à 0,003V grâce à l’apport conjugué d’un boîtier de blindage en aluminium et à un positionnement particulier de matériaux magnétiques dans le boîtier. Ce résultat apparaît maintenant comme étant négligeable par rapport au niveau de bruit ambiant.

45 Rayonnement parasite : blindage et filtrage
Blindage avec boîtier aluminium et filtrage avec ferrites  Atténuation des rayonnements parasites et des résonances de cavités Le boîtier est réalisé en aluminium, avec une épaisseur telle que seules les ondes électromagnétiques dont les fréquences sont très basses peuvent se propager par effet de peau et sortir. Aussi, des matériaux magnétiques ont été ajoutés à l’intérieur du boîtier. De fortes pertes sont ainsi introduites en hautes fréquences pour les rayonnements parasites et pour gêner la mise en place de résonances de cavités éventuelles. Vue l’efficacité de ces essais, cette configuration sera probablement retenue pour un réalisation définitive.

46 Dispositif d’émission complet
Les expérimentations suivantes avaient pour but de mesurer le rayonnement des systèmes générateur / balun / antenne Ciseaux dans toutes les directions afin de déterminer, à la fois, les formes des impulsions rayonnées, les diagrammes de rayonnement et le gain dans l’axe dans les plans H (polarisation V-V) et E (polarisation H-H). Le système d’émission est posé sur un plateau tournant permettant une mesure sur 360° pour des angles incrémentés par pas de 10°.

47 Dispositif d’émission complet
Objectif : Caractérisation du dispositif d’émission complet Mais mauvaise reproductibilité générateur LGE Générateur Kentech / Balun Europulse ou Balun LGE / Antenne Ciseaux Impulsions rayonnées dans l’axe et transformées de Fourier, Plan H Nous avons du nous limiter à une comparaison de baluns à cause de la mauvaise reproductibilité des amplitudes des impulsions délivrées par notre générateur lorsque la ligne de formation est chargée avec une alimentation continue ou une alimentation pulsée à front lent. Au cours de cette première étude, sont ainsi comparées les performances des baluns EUROPULSE et du balun LGE. Le balun EUROPULSE a des caractéristiques semblables à celui équipant le banc PULSAR Nous avons utilisé ici le générateur Kentech HPM1 de 4,5kV d ’amplitude. Les impulsions rayonnées dans l’axe dans le plan H et les transformées de Fourier correspondantes sont superposées sur ces deux graphes. Nous n’observons pas ici de différences notables.

48 Gain dans l’axe Configuration : Générateur Kentech, Antenne Ciseaux, Plan H Le gain dans l’axe est maintenant représenté en fonction de la fréquence pour les deux baluns dans le plan H. Il est notamment exprimé en fonction de la tension délivrée par le générateur Vgénérateur. Les gains obtenus sont supérieurs à 6 dB de 700 MHz à 1,6 GHz et sont encore quasiment identiques quel que soit le balun utilisé.

49 Diagrammes de rayonnement
Comparaison à 300, 600 et 900 MHz, Plan H Balun EUROPULSE Balun LGE Les diagrammes de rayonnement dans le plan H ont été déterminés à 300, 600 et 900 MHz. Les diagrammes sont encore très semblables quel que soit le balun utilisé. Les baluns fournissent ainsi des résultats pratiquement identiques au niveau des valeurs du gain dans l’axe, de l’angle d’ouverture et du niveau de rayonnement arrière.

50 Bilan comparatif Niveau de performance équivalent
Contenu spectral des générateurs insuffisant Finalement, au cours de ces expérimentations, les deux baluns ont fourni des niveaux de performances pratiquement identiques :le fonctionnement de notre balun est donc validé. Pour le générateur Kentech, comme pour notre générateur à ces niveaux de tensions relativement basses, les bandes fréquentielles ne s’étendent pas au delà de 1,2 GHz ; c’est pourquoi, la meilleure adaptation de notre balun avec l’antenne Ciseaux observée au moyen du paramètre S11 n’est pas décelable dans ces essais. Il faut aussi rappeler que la bande fréquentielle du générateur précédemment décrit augmente avec la valeur de la tension délivrée et que cette dernière peut atteindre 30 kV. Des essais forts niveaux doivent être réalisés prochainement avec ce générateur lorsque l’alimentation pulsée sera opérationnelle. Ils permettront de le tester mais aussi d’évaluer la possible saturation des couples balun / antenne. Essais forts niveaux prochainement

51 1 - Présentation de l’étude
2 - Générateur d’impulsions HT ultra brèves 3 - Transformateurs à lignes de transmission 4 - Dispositif d’émission complet 5 - Perspectives Dans la cinquième partie, diverses pistes qui pourraient orienter les recherches futures sont proposées. Ces pistes ont fait l’objet d’essais préliminaires et sont en cours d’analyse. 6 - Conclusion générale

52 Perspectives  Alimentation pulsée réalisée à base de thyristors
 Conception d’un générateur d’impédance 150   Désadaptations en extrémité d’antenne  Remarques pour évolution future du balun Dans le manuscrit, les expérimentations réalisées sur quatre d’entre elles, ainsi que les différentes perspectives qui en découlent sont présentées. Elles concernent : -la réalisation d’une alimentation pulsée basée sur la commutation de thyristors, -la conception d’un générateur d’impédance caractéristique de 150 et des moyens de mesure associés, -la mise en évidence de désadaptations en extrémité d’antenne qui ont conduit à fournir des remarques pour une évolution future du balun, -et enfin le déclenchement du générateur avec une impulsion laser et la mesure du jitter associé. Je me propose de décrire plus en détail cette dernière perspective. Il semblerait en effet très intéressant de travailler un mode déclenché en minimisant le jitter de déclenchement, notamment si on envisageait de coupler plusieurs systèmes d’émission afin d’en augmenter la puissance. Des essais préliminaires ont donc été réalisée avec l’équipe Optique Cohérente de Limoges afin d’étudier la faisabilité de ce déclenchement par impulsion laser.  Déclenchement du générateur avec une impulsion laser

53 Déclenchement du générateur avec une impulsion laser
Partant de cette idée, ces expérimentations visent à fixer les ordres de grandeur des divers paramètres à ajuster et d’évaluer la possibilité d’obtenir des jitters très faibles. Pour s’affranchir, dans un premier temps, des problèmes de synchronisation, nous avons utilisé une alimentation continue et non l’alimentation pulsée. En prévision de ces essais, un hublot en BK7 a été inséré au niveau de l’éclateur du générateur de manière à pouvoir focaliser le faisceau laser dans l’intervalle inter-électrodes. Cette modification n’entraîne pas de désadaptation notable au niveau du générateur.

54 Déclenchement laser : résultats
Réglage générateur : Vrelaxé = 23 kV VDC = 20 kV P = 13 bar d = 1,4 mm Réglage laser :  = 100 ps  = 532 nm E  1 mJ Le réglage des paramètres concernant le générateur est conservé pendant toute la durée des essais; seul le laser a fait l’objet de modifications en vue d’une amélioration du retard et du jitter. Pour mesurer ce dernier, une petite fraction de la lumière du laser est envoyée sur un photomultiplicateur et l’impulsion délivrée par le générateur est prélevée par le biais d’une sonde capacitive subnanoseconde. Une statistique sur 100 impulsions est systématiquement effectuée. Cet oscillogramme présente les résultats obtenus lorsque les impulsions laser sont de 100ps de durée à une longueur d’onde de 532nm. L’énergie de chaque impulsion est de l’ordre de 1 mJ. Le jitter apparaît ici comme étant inférieur à 1 ns mais les moyens de mesure, affectés pour l’instant à ces essais, ne nous permettent pas de réaliser une mesure plus précise.  Jitter inférieur à 1 ns mais mesure plus précise impossible actuellement

55 Déclenchement laser : observations
Jitter amélioré avec :  Diminution de la longueur d’onde de l’impulsion laser  Augmentation de sa durée  Augmentation de son énergie  Augmentation de la pression dans l’éclateur Nos premiers résultats sont en accord avec les observations de chercheurs ayant travaillé sur le sujet. En effet, pour diminuer le jitter, les tendances générales observées sont les suivantes : la longueur d’onde doit être la plus faible, la durée la plus longue et l’énergie la plus élevée possibles. On peut également ajouter que le jitter diminue lorsque la pression augmente.

56 Déclenchement laser : perspectives
Prochaines manipulations :  Meilleur contrôle de la reproductibilité des impulsions laser  Insertion d’une seconde visée optique  Longueur d’onde plus proche de l’ultra violet  Durée des impulsions laser plus importante  Détecteur optique avec temps de réponse plus faible Pour réaliser des expérimentations plus fines et plus performantes, il devient indispensable : -de mieux contrôler la reproductibilité des impulsions laser par un tri sélectif des impulsions ; -d’insérer, au niveau de l’éclateur pressurisé, une deuxième visée optique afin de mieux maîtriser la position du point de focalisation du faisceau laser ; -de travailler avec une longueur d’onde se rapprochant de l’ultra violet ; -d’augmenter d’avantage la durée de l’impulsion laser ; -de disposer d’un détecteur optique dont le temps de réponse est plus faible que celui du PM utilisé actuellement. D’après les données publiées sur le sujet et nos premiers résultats expérimentaux, l’objectif de déclencher par laser notre générateur coaxial à commutateur pressurisé avec un jitter très faible semble envisageable à moyen terme.

57 1 - Présentation de l’étude
2 - Générateur d’impulsions HT ultra brèves 3 - Transformateurs à lignes de transmission 4 - Dispositif d’émission complet 5 - Perspectives Pour terminer, je vous propose de récapituler l’essentiel des résultats expérimentaux et de modélisation que j’ai pu développés pendant mes trois années de thèse. 6 - Conclusion générale

58 Conclusion générale Réalisation d’un générateur d’impulsions HT ultra brèves Réalisation d’un adaptateur d’impédances large bande Un générateur d’impulsions haute tension ultra brèves a été réalisé. Le test de ce générateur a nécessité la conception de sondes appropriées. Les résultats sont en grande partie conformes au cahier des charges proposé par le CELAR. Un balun destiné à être inséré entre le générateur d’impulsions ultra brèves et les antennes bifilaires équipant le démonstrateur PULSAR a également été réalisé. Ses performances en particulier vers les hautes fréquences permettent d’envisager des radars travaillant sur un spectre de fréquence plus élevé. Des simulations ont fourni une aide à l’ensemble de ces réalisations en mettant en évidence certains phénomènes qui pouvaient limiter les performances des systèmes. Les bonnes concordances obtenues entre les résultats expérimentaux et de modélisation ont permis la validation de ces simulations.  Appui sur des simulations SPICE associées

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60 Paramétrage de la tension de sortie
dans divers gaz Formules empiriques du type : Ces mêmes essais ont été réalisés avec du SF6 et de l’azote. Les formules empiriques du type V=k(Pd)n. sont reportées sur ce graphe. On obtient les résultas attendus à savoir que la tenue diélectrique du SF6 est environ trois fois supérieures à celle de l’hydrogène et celle de l’azote.

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 % L’objectif principal suivant est de réduire au maximum le temps de montée. Divers paramétrages ont été effectués afin de mettre en évidence quels sont les réglages qui minimisent sa valeur. Apparaissent ici les études du temps de montée en fonction de la distance inter-électrodes et en fonction de la pression dans de l’hydrogène . Une diminution de 40 % de la distance inter-électrodes, à pression constante, ne diminue le temps de montée que de 8% environ. Par contre, une augmentation de 45 % de la pression dans le commutateur diminue ce même temps de 30% environ.

62 Etude du temps de montée en fonction du champ électrique appliqué
Formule proposées par divers auteurs : Les résultats dont nous avons pu disposé pour établir une comparaison avec nos résultats expérimentaux sont très fragmentaires. Les formules proposées par ces laboratoires sont de ce type où  est le ... Si l’on reproduit nos points expérimentaux et les courbes représentatives de ces relations dans de l’hydrogène, on obtient ce graphe où le temps de montée des impulsions est exprimé en fonction du champ électrique dans l’éclateur. Le désaccord entre les divers résultats est ici relativement important.

63 Processus physiques pendant la décharge
 Pas de relation directe entre la vitesse des électrons et le temps de commutation  Temps de montée de l’impulsion 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=E0  Faible chauffage du gaz  Temps de recouvrement réduit  Forts taux de répétition

64 Modélisation simplifiée d’un 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 Comparaison modélisation expérimentale / numérique