Table des matières Table des matières 7 Table des matières 8 Table des matières INTRODUCTION……………………………………………………………………… p 15 CHAPITRE 1 : Présentation de l’étude………………………………………………. p 21 1.1 - Le Radar Ultra Large Bande (ULB)………………………………………. p 23 1.1.1 - Principe et généralités……………………………………………….. p 23 1.1.2 - Définition d’un spectre ULB………………………………………… p 25 1.1.3 - Avantages des radars ULB………………………………………….. p 26 1.2 - Démonstrateur PULSAR du CELAR pour la détection de mines……… p 26 1.2.1 - Principe et structure du démonstrateur PULSAR…………………… p 27 1.2.2 - Limitations actuelles du dispositif…………………………………… p 32 1.3 - Objectifs du travail de thèse………………………………………………. p 33 1.3.1 - Réalisation d’un générateur d’impulsions HT ultra brèves de forme réglable……………………………………………………………… p 33 1.3.2 - Réalisation d’un dispositif d’adaptation d’impédance couvrant la bande 30 kHz - 3 GHz……………..……………………………….. p 34 1.3.3 - Evaluation des performances du dispositif complet…………………. p 34 1.4 - Les outils expérimentaux nécessaires pour l’ULB……………………….. p 35 1.4.1 - Les générateurs haute tension………………………………………. p 35 1.4.1.1 - Principe général de la commutation électrique de puissance….. p 35 1.4.1.2 - Les différentes technologies de commutateurs à fermeture……. p 39 1.4.1.2.1 - Les éclateurs solides ou liquides 1.4.1.2.2 - Les semi-conducteurs 1.4.1.2.3 - Les commutateurs à gaz (ou dans le vide) 1.4.1.3 - Paramètres électriques à optimiser pour l’ULB……………….. p 42 1.4.1.3.1 - Temps de montée et largeur d’impulsion 1.4.1.3.2 - Jitter 1.4.1.3.3 - Fréquence de répétition 1.4.1.4 - Principales applications des générateurs d’impulsions ultra brèves…………………………………………………………… p 43 9 Table des matières 1.4.1.4.1 - Réalisations à base de dispositifs à semi-conducteurs 1.4.1.4.2 - Réalisations utilisant des commutateurs à gaz 1.4.2 - L’alimentation du générateur……………………………………….. p 49 1.4.3 - Les dispositifs d’adaptation d’impédances : les baluns………..…… p 50 1.4.4 - Les antennes ULB…………………………………………………… p 51 1.4.4.1 - Impédance d’entrée de l’antenne………………………………. p 51 1.4.4.2 - Définition du gain………………………………………………. p 52 1.4.4.3 - Coefficient de dispersion……………………………………….. p 54 1.4.5 - Les oscilloscopes…………………………………………………….. p 55 1.4.5.1 - Les oscilloscopes à échantillonnage direct…………………….. p 56 1.4.5.2 - Les oscilloscopes séquentiels………………………………….. p 56 1.5 - Conclusion du chapitre……………………………………………………. p 57 CHAPITRE 2 : Générateur d’impulsions HT ultra brèves………………………… p 59 2.1 - Technologie utilisée : commutateur à gaz pressurisé…………………… p 61 2.1.1 - Description du générateur…………………………………………… p 61 2.1.1.1 - Principe…………………………………………………….…… p 61 2.1.1.2 - Technologie……………………………………………….……. p 62 2.1.2 - Eclateur pressurisé à structure de ligne de transmission………..…… p 64 2.1.3 - Choix du gaz………………………………………………………… p 64 2.1.4 - Processus physiques pendant la décharge…………………………… p 66 2.2 - Moyens de mesure : diviseurs pour les expériences de haute tension……... p 69 2.2.1 - Principe de fonctionnement des atténuateurs HT……………………. p 69 2.2.2 - Réalisations et caractérisations d’atténuateurs de tension 50 …….. p 71 2.3 - Paramétrages et performances réalisés…………………………………… p 76 2.3.1 - Dispositif expérimental……………………………………………… p 76 2.3.2 - Influence de la pression et de la distance inter électrodes sur la tension de sortie…………………………………………………….. p 77 2.3.3 - Etude de la durée des impulsions……………………………………. p 79 2.3.4 - Etude du temps de montée……………………………..…………… p 80 2.3.4.1 - Détermination expérimentale………..………………………… p 80 10 Table des matières 2.3.4.2 - Etude du temps de montée en fonction du champ électrique dans le commutateur……………………………………………. p 82 2.3.4.3 - Etude du temps de montée en fonction de la distance interélectrodes…………………………………………………..…… p 87 2.3.5 - Etude de la fréquence de répétition………………………………….. p 88 2.4 - Modélisation sur logiciel SPICE…………………………………………… p 90 2.4.1 - Description……………………………………………….…………. p 90 2.4.2 - Résultats………………………..…………………………………… p 92 2.4.2.1 - Comparaisons manipulations / simulations……………………. p 92 2.4.2.2 - Analyses statistiques de Monte Carlo………………………….. p 95 2.5 - Conclusion du chapitre…………………………………………………….. p 97 CHAPITRE 3 : Transformateur à lignes de transmission (TLT)…………………… p 99 3.1 - Position du problème……………………………………………………….. p 101 3.1.1 - Principe de fonctionnement d’un TLT………………………………. p 101 3.1.2 - Etat de l’art………………………………………………………….. p 104 3.1.2.1 - Optimisation du gain en tension……………………………….. p 104 3.1.2.2 - Réalisation d’adaptateurs d’impédances……………………….. p 105 3.1.3 - Technologie utilisée…………………………………………………. p 111 3.2 - Optimisation du gain en tension…………………………………………… p 112 3.2.1 - Dispositif expérimental……………………………………………… p 112 3.2.2 - TLT à 4 étages sans ferrite………………………………………….. p 115 3.2.2.1 - Analyse des courants secondaires……………………………… p 116 3.2.2.2 - Mesure du gain en tension……………………………………… p 117 3.2.2.3 - Modélisation des lignes secondaires de propagation…………… p 117 3.2.2.4 - Simulation du TLT sans ferrite………………………………… p 119 3.2.3 - Les ferrites dans les applications haute tension…………………….. p 120 3.2.3.1 - Présentation des ferrites………………………………………… p 120 3.2.3.2 - Utilisation des ferrites dans le domaine de la haute tension……. p 122 3.2.3.3 - Choix des matériaux ferrites pour notre application…………… p 123 3.2.3.4 - Ferrites dans le cadre de notre application : simulation expérimentale…………………………………………………… p 124 11 Table des matières 3.2.3.5 - Simulation numérique………………………………………….. p 127 3.2.3.5.1 - Description du modèle de ferrite ultra simplifié 3.2.3.5.2 - Comparaison modélisation expérimentale / numérique 3.2.4 - TLT avec ferrites…………………………………………………….. p 131 3.2.4.1 - Transformateur à 2 étages………………………………..…….. p 131 3.2.4.2 - Transformateur à 4 étages……………………………………… p 134 3.2.4.3 - Transformateur à 10 étages…………………………………….. p 136 3.2.4.4 - Discussion……………………………………………………… p 137 3.3 - Réalisation d’un dispositif d’adaptation d’impédances (balun)………… p 139 3.3.1 - Caractéristiques du balun à réaliser…………………………………. p 139 3.3.2 - Réalisation………………………………………………………….... p 140 3.3.3 - Caractérisations……………………………………………..……..… p 142 3.3.3.1 - Symétrisation des impulsions en sortie………………………… p 142 3.3.3.2 - Optimisation du volume et de la bande passante………………. p 144 3.4 - Conclusion du chapitre…………………………………………………….. p 147 CHAPITRE 4 : Dispositif d’émission / réception complet Perspectives…………………………………………………………. p 149 4.1 - Evaluation des performances du dispositif complet……………………… p 151 4.1.1 - Description du matériel……………………………………………… p 151 4.1.1.1 - Antennes de type Ciseaux de l’IRCOM……………………….. p 151 4.1.1.2 - Chambre anéchoïde de Général Electronique à Brive…………. p 152 4.1.2 - Conditions d’essais………………………………………………….. p 154 4.1.2.1 - Configuration pour l’évaluation des rayonnements parasites….. p 154 4.1.2.2 - Configuration pour la mesure du rayonnement de l’antenne Ciseaux…………………………………………………………. p 155 4.1.3 - Principaux résultats………………………………………………….. p 156 4.1.3.1 - Rayonnement parasites au niveau du générateur………………. p 157 4.1.3.2 - Impulsions rayonnées dans l’axe et transformées de Fourier….. p 160 4.1.3.3 - Détermination des gains dans l’axe…………………………….. p 162 4.1.3.4 - Diagrammes de rayonnement en site et en gisement…………… p 163 4.1.3.5 - Bilan comparatif des deux baluns……………………………… p 164 12 Table des matières 4.2 - Perspectives…………………………………………………………………. p 165 4.2.1 - Déclenchement du générateur à l’aide d’une alimentation pulsée réalisée à base de thyristors…………………………………………. p 165 4.2.1.1 - Circuit de puissance……………………………………………. p 165 4.2.1.2 - Circuit de commande…………………………………………… p 165 4.2.1.3 - Circuit de protection……………………………………………. p 166 4.2.1.4 - Performances actuelles du prototype…………………………… p 167 4.2.2 - Déclenchement du générateur à l’aide d’une impulsion laser Evaluation du jitter de déclenchement………………………………. p 168 4.2.2.1 - Dispositif expérimental………………………………………… p 169 4.2.2.2 - Déclenchement du générateur à l’aide d’une impulsion laser….. p 169 4.2.2.3 - Allure de l’impulsion en sortie de générateur………………….. p 170 4.2.2.4 - Evaluation du jitter de déclenchement…………………………. p 171 4.2.2.5 - Analyses et perspectives……………………………………….. p 172 4.2.3 - Conception d’un générateur et d’atténuateurs de tension 150 ……. p 173 4.2.3.1 - Essais préliminaires…………………………………………….. p 174 4.2.3.1.1 - Atténuateur de tension 150 4.2.3.1.2 - Conception du générateur 150 4.2.3.2 - Analyses et perspectives……………………………………….. p 176 4.2.4 - Mise en évidence de désadaptations entre le générateur et l’antenne Perspective relative à l’évolution future du balun………………….. p 180 CONCLUSION GENERALE…………………………………………………………. p 185 REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES……………………………………….…….. p 193 ANNEXES………………………………………………………………………………. p 205 13 Table des matières 14