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Laboratoire de Génie Electrique
Université de Pau et des Pays de l’Adour
Centre Universitaire de Recherche Scientifique
LGE
CONCEPTION ET REALISATION D’UN SYSTEME
DE GENERATION D’IMPULSIONS HAUTE TENSION
ULTRA BREVES
APPLICATION AUX RADARS LARGES BANDES
7 Décembre 2001
Thèse présentée par L.Pécastaing
1
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
2
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
5 - Perspectives
6 - Conclusion générale
3
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
6 - Conclusion générale
4
Principe du radar U.L.B. temporel
5
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
 Spectre autour de 500 MHz qui favorise la pénétration
de l’onde à travers les écrans naturels
6
Réponse temporelle d’une mine
7
Démonstrateur PULSAR du CELAR
 Plateforme mobile
 Dispositif d’émission / réception
 Dispositif de localisation de la
position des antennes pendant
la mesure
 Micro-ordinateur
8
Performances du dispositif d’émission
Générateur
Kentech PBG3
DSRD
8,4 kV
12 kV
< 120 ps
100 ps
Fréquence
1 kHz
100 Hz
Antennes
Vivaldi
Ciseaux
Gain dans l’axe
-6 dB à 100 MHz
5 dB à 1 GHz
-8 dB à 100 MHz
5 dB à 1 GHz
Spectre de l’impulsion
rayonnée (-20 dB / max)
Adaptation (< -10 dB)
[50 MHz - 1 GHz]
[50 MHz - 1,2 GHz]
Amplitude crête
Temps de montée minimum
[300 MHz - 2 GHz] [100 MHz - 2,5 GHz]
9
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)
10
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
11
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
6 - Conclusion générale
12
Schéma synoptique d’un système d’émission
13
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
14
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
15
Décharge d’une ligne coaxiale
Impulsion de tension dont les
propriétés principales sont :
1,2
V(3)
1
0,8
Tension (V)
Amplitude égale à la moitié de la
tension de charge
V(2)
V(1)
0,6
0,4
0,2
Durée égale à deux fois le temps
de propagation dans la ligne
0
-0,2
t1
t1+t0
t1+2t0
Temps
16
Représentation schématique du générateur
Conducteur Intérieur
Laiton + tungstène,
d = 10 mm
Isolant
Téflon, r
= 2,1
Conducteur Extérieur
adhésif cuivre,
D = 35 mm
17
Diviseurs de tension
R = Z0 = Z
Z0 >> Z2
Sondes capacitives telles que l’atténuation s’écrit :
A = Z2 / (2 Z0)
18
Caractérisation des sondes capacitives
f (GHz)
0
0,5
1
1,5
2
2,5
Attenuation (dB)
-10 0
3
-20
-30
-40
-50
-60
S21
-70
S11
-80
Atténuation
Bande passante -1 dB
Impédance
Tension maximale
-46 dB
11 MHz à 3,3 GHz
50 
21 kV
19
Sondes réalisées au LGE
20
Dispositif expérimental complet
21
Paramétrage de la tension de sortie
dans l’Hydrogène
15 bar < P < 50 bar
0,4 mm < d < 1,6 mm
30
25
V (kV)
20
15
10
5
0
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
55
60
Pd (bar.mm)
V  k  P.d   0,62  P.d 
n
0 , 95
22
Etude du temps de montée en fonction
du champ électrique appliqué
k
d 
t  ps   2X  k 2   
E
V 
Expressions de la forme :
250
X
LGE
O'Rourke2
200
Smith
O'Rourke1
150
t (ps)
Martin
100
50
0
15
20
25
30
35
40
45
50
E (kV/m m )
23
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
Pas de limitation due au temps de recouvrement du gaz
Fréquence maximale de 2,5 kHz
24
Allure d’une impulsion produite
par le générateur
Tension de sortie (kV)
Hydrogène, P = 40 bar, d = 0,8 mm
21
18
15
12
9
6
3
0
-3 0,0
Vs = 18 kV
t = 130 ps
 = 610 ps
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5
3,0
3,5
4,0
4,5
5,0
5,5
6,0
Vs max  30kV
Temps (ns)
25
Simulation SPICE - Schéma
C17
1.4p
C15 1.2p
T16
T9
L14 0.3n
T7
LOSSY
V6
25k
C7
5.5p
110n
1
U1
L12 1.35n
2
T8
LOSSY
LOSSY
LOSSY
L16
1.2n
T11
T14
LOSSY
LOSSY
R8
50
0
1.75n
L19
C13
1.45p
R9
50
T15
RG58/U
C14
C O AX
R5 10M
1.1p
R7 50
26
Simulation SPICE - Résultats
Conditions expérimentales : d=0,8 mm; P=40bar; VDC=40kV
Bonne concordance entre résultats expérimentaux et de simulation
Tension de Sortie (kV)
25
Résultat expérimental
20
Simulation Spice
15
10
5
0
0
1
2
3
4
5
6
-5
Tem ps (ns)
27
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 %
Explications pour analyser les phénomènes physiques
aussi rapides pendant la décharge en cours
28
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
6 - Conclusion générale
29
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
30
Modes secondaires de propagation
 Technologie :
 Amélioration des performances en augmentant l’impédance
des lignes secondaires
31
Ferrites
 Propriétés magnétiques (µi, µa) :
Perméabilité initiale
µi  µ '  jµ''
Perméabilité amplitude
 Impédance d’un ferrite :
Z S  RS  jLS
A
avec LS  µ'  µ0 e
et
le
RS  µ''  µ0
Ae

le
 Choix des matériaux pour notre application
Type
Matériau
3F4 de chez Philips
A
[PHI 98]
B1 de chez LCC
B
[LCC 97]
fC (MHz)
µi
HS (A / m)
5,5 MHz
900
400
1,5 MHz
2500
350
32
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
Ve (kV)
5
0
-5
50
100
150
t (ns)
200
250
60
Ve
Vs
40
20
0
15
0
300
10
40
5
20
0
0
-20
-5
50
100
150
200
0
300
250
t (ns)
-20
33
Vs (kV)
Vs
10
60
Ve (kV)
Ve
Vs (kV)
15
Simulation
TLT à 10 étages
25
Ve
Vs
Ve (kV)
2
20
1,5
15
1
10
0,5
5
0
0
-0,5 -50
0
50
100 150
t (ns)
200
250
Vs (kV)
2,5
 Gain en tension :
VS/VE  10
300-5
34
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
35
Principe du balun
Principe retenu :
 TLT à 2 étages à sortie flottante
 Utilisation de ferrites
36
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
37
Caractérisation du balun : symétrisation
38
Caractérisation du balun : adaptation
S11<-10dB de 180MHz à 5,2GHz
S11<-15dB de 190MHz à 2,9GHz
2,4
LGE
Europulse 1880
2,2
2
TOS
Adaptation quasi-identique
jusqu’à 1 GHz
1,8
1,6
1,4
Au delà, meilleure adaptation
du balun LGE jusqu’à 5 GHz
1,2
1
0
1
2
3
f (GHz)
4
5
6
39
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
40
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
6 - Conclusion générale
41
Mesures en chambre anéchoïde
Buts:
 Evaluation du niveau de rayonnement parasite du générateur
 Caractérisation du dispositif d’émission complet
42
Rayonnement parasite : dispositif expérimental
43
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
Générateur
Amplitude
Conditions d’essais
KENTECH HPM1
4,5 kV
Utilisation classique
NMEP
normalisé
0,036 V
LGE
3 kV
Pas de précaution particulière
3V
LGE
4 kV
Blindage et déclenchement câble coaxial
0,033 V
LGE
4 kV
Blindage et déclenchement fibre optique
0,029 V
LGE
6 kV
Blindage, déclenchement câble
coaxial et ferrites
0,003 V
44
Rayonnement parasite : blindage et filtrage
Blindage avec boîtier aluminium et filtrage avec ferrites
 Atténuation des rayonnements parasites et des résonances de cavités
45
Dispositif d’émission complet
46
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
0
4
-5
3
Balun Europulse 1880
Balun LGE
-10
Balun LGE
-15
2
dB
V oscilloscope (V)
Balun Europulse 1880
1
-20
-25
-30
0
0
5
10
15
20
-1
25
30
35
40
-35
-40
0
-2
0,5
1
f (GHz)
1,5
2
t (ns)
47
Gain dans l’axe
Configuration : Générateur Kentech, Antenne Ciseaux, Plan H
Gaxe
 4R  Vreçue axe


   Vgénérateur
8
6
dB
4
2
0
-2
Balun Europulse 1880
-4
Balun LGE
-6
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
1,2
1,4
1,6
f (GHz)
48
Diagrammes de rayonnement
Comparaison à 300, 600 et 900 MHz, Plan H
 4R  Vreçue   
G    

   Vgénérateur 
2
 Vgénérateur 


 V axe 
 reçue

Balun EUROPULSE
Balun LGE
10
10
300 MHz
5
300 MHz
5
600 MHz
900 MHz
0
600 MHz
900 MHz
0
-5
dB
dB
-5
-10
-10
-15
-15
-20
-20
-25
-200
-150
-100
-50
0
Angle (degrès)
50
100
150
200
-25
-200
-150
-100
-50
0
50
100
150
Angle (degrès)
49
200
Bilan comparatif
Niveau de performance équivalent
Contenu spectral des générateurs insuffisant
Essais forts niveaux prochainement
50
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
6 - Conclusion générale
51
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
 Déclenchement du générateur avec une impulsion laser
52
Déclenchement du générateur avec une
impulsion laser
53
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
 Jitter inférieur à 1 ns mais mesure plus précise impossible
actuellement
54
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
55
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
56
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
6 - Conclusion générale
57
Conclusion générale
Réalisation d’un générateur d’impulsions HT ultra brèves
Réalisation d’un adaptateur d’impédances large bande
 Appui sur des simulations SPICE associées
58
59
Paramétrage de la tension de sortie
dans divers gaz
V  k  P.d 
n
Formules empiriques du type :
30
25
V (kV)
20
15
10
Hydrogène
5
Azote
SF6
0
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
55
60
Pd (bar.mm)
60
Etude du temps de montée en fonction de la
distance inter-électrodes et de la pression
240
220
t (ps)
200
180
160
P=20 bar
P=25bar
P=30 bar
P=35 bar
P=40 bar
P=45 bar
140
120
100
0,8
1
1,2
1,4
1,6
Diminution de 40 % de la
distance diminue le temps de
montée de 8 %
1,8
d (m m )
Augmentation de 45 % de
la pression diminue le temps
de montée de 30 %
61
Etude du temps de montée en fonction
du champ électrique appliqué
k1.d   
t (ns )  p q  
Z E  0 
m
Formule proposées par divers auteurs :
r
300
LGE
Martin
250
Smith
t (ps)
200
O'Rourke
150
100
50
0
15
20
25
30
35
40
45
50
E (kV/m m )
62
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 107-108 V.m-1
 Emission électronique par effet de champ E=E0
 Faible chauffage du gaz
 Temps de recouvrement réduit
 Forts taux de répétition
63
Modélisation simplifiée d’un ferrite
 Description du comportement en fréquence :
Perméabilité relative :      '    j ' '   
A
a  j
 Introduction de la perméabilité dans SPICE :
Ae
dµt 
et    it *
le
dt
avec µ(t) perméabilité temporelle définie par TF inverse
 Saturation : Variation non linéaire de la perméabilité en
fonction du courant
64
Comparaison modélisation
expérimentale / numérique
350
Sans ferrite
300
10 ferrites B1
Simulation Spice
250
I (A)
200
150
100
50
0
-50
-50
0
50
100
150
200
250
300
350
400
450
t (ns)
350
Sans ferrite
300
10 ferrites 3F4
Simulation Spice
250
I (A)
200
150
100
50
0
-50
0
50
100
150
200
250
300
350
400
450
-50
t (ns)
65