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 4R 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 4R 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 dµt et it * 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