Thèse UNIVERSITE DE LIMOGES Docteur de l’Université de Limoges

UNIVERSITE DE LIMOGES
ECOLE DOCTORALE Science – Technologie – Santé
FACULTE des Sciences de Limoges
Année : 2008 Thèse N° [49/2008]
Thèse
pour obtenir le grade de
Docteur de l’Université de Limoges
Discipline : « Electronique des Hautes Fréquences et Optoélectronique »
Financée par
L’institut franco-allemand de recherches de Saint-Louis
Présentée et soutenue par
Benoît MARTIN
le 17 octobre 2008
Thèse dirigée par Michèle LALANDE
et Bruno BEILLARD
JURY :
Rapporteurs
M. Jean LAROUR Directeur de Recherche CNRS
M. Pascal PIGNOLET Professeur à l’Université de Pau
Examinateurs
Mme. Michèle LALANDE Professeur à L’Université de Limoges
M. Bernard JECKO Professeur à L’Université de Limoges
M. Bruno CASSANY Ingénieur CEA/DAM CESTA
M. René VEZINET Ingénieur DGA au Centre d’Etudes de Gramat
M. Philippe DELMOTE Chercheur ISL
Invités
M. Jean-Claude BRION Directeur de la société EUROPULSE
M. Eric MERLE Ingénieur CEA/DAM CESTA
M. Lionel MERLAT Chercheur ISL
Etude et conception d’un étage de mise en
forme d’impulsions ultra-large-bande de forte
puissance

i

TABLE DES MATIÈRES
TABLE DES MATIÈRES ............................ ii
LISTE DES TABLEAUX ............................. vi
LISTE DES FIGURES .............................. vii
I Contexte de l’étude 5
CHAPITRE 1 : LE CONCEPT D’ARME HYPERFRÉQUENCE ..... 6
1.1 La guerre électronique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
1.1.1 Définitions ............................ 6
1.1.2 Les composantes de la guerre électronique . . . . . . . . . . . 6
1.1.3 L’arme hyperfréquence . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
1.2 Les sources d’agressions électromagnétiques . . . . . . . . . . . . . . 9
1.2.1 L’impulsion électromagnétique d’origine nucléaire (IEMN) . . 9
1.2.2 Les sources à bande étroite (BE) et ultra-étroite (BUE) . . . . . 19
1.2.3 Impulsions large bande (LB) et ultra large bande (ULB) . . . . 28
1.3 Eléments de vulnérabilité et susceptibilité . . . . . . . . . . . . . . . . 34
CHAPITRE 2 : LE PROJET GIMLI ..................... 37
2.1 Objectifsduprojet ............................ 37
2.2 Spécifications............................... 37
2.3 Objectifdelathèse ............................ 38
II Technologies et concepts pour l’ULB de forte puissance 39
CHAPITRE 3 : LE GÉNÉRATEUR DE MARX COMPACT ........ 40
3.1 Principe et technologie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
3.2 Performances et limitations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40

iii
3.2.1 Impédance interne et transfert d’énergie . . . . . . . . . . . . . 41
3.2.2 Capacités parasites . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
3.2.3 Répétitivité............................ 46
3.3 Panorama des générateurs de Marx compacts . . . . . . . . . . . . . . 46
CHAPITRE 4 : LA COMMUTATION PAR ÉCLATEUR .......... 49
4.1 Introduction................................ 49
4.2 Claquagestatique............................. 50
4.2.1 Avalanche électronique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
4.2.2 Critere de Townsend . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
4.2.3 LoidePaschen .......................... 53
4.2.4 Streamer ............................. 55
4.3 Claquage en régime pulsé . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
4.3.1 Phase pré-avalanche . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
4.3.2 Phase d’avalanche . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
4.3.3 Phase de conduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
4.3.4 Effetsinductifs .......................... 62
4.3.5 Influence des impédances amont et aval . . . . . . . . . . . . . 63
4.3.6 Claquage multi-canal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
4.3.7 Conclusion ............................ 65
4.4 Temps de rétablissement après un claquage . . . . . . . . . . . . . . . 65
4.4.1 Mélangedegaz.......................... 66
4.4.2 Fluxgazeux............................ 66
4.4.3 Influence du SF6......................... 66
CHAPITRE 5 : MISE EN FORME D’IMPULSIONS BIPOLAIRE . . . . 68
5.1 Introduction................................ 68
5.2 Ligneàondesgelées ........................... 68
5.3 Convertisseur à ligne Blumlein . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72

iv
CHAPITRE 6 : ANTENNES ULB ...................... 81
6.1 Positionement du problème . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
6.2 Panorama des antennes ULB . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
6.2.1 Les antennes log périodiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
6.2.2 Antennes à ondes progressives . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
6.2.3 Les antennes à ouverture rayonnante . . . . . . . . . . . . . . . 88
6.2.4 Antennes IRA (Impulse Radiating Antenna) à réflecteur . . . . 89
III Conception, caractérisation et validation d’un étage de mise
en forme d’impulsions bipolaires 91
CHAPITRE 7 : DIMENSIONNEMENT ET RÉALISATION ........ 92
7.1 Choixtechnologiques........................... 92
7.1.1 Choix de la forme du signal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
7.1.2 Choix de la mise en forme d’impulsion . . . . . . . . . . . . . 93
7.2 Description et choix des matériaux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
7.3 Convertisseur monopolaire vers bipolaire . . . . . . . . . . . . . . . . 96
7.3.1 Calculs des diamètres de T1,T2 et T3 . . . . . . . . . . . . . . 96
7.3.2 Calculs de la longueur de T1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
7.3.3 Dimensionnement du circuit ouvert et de la ligne T2 . . . . . . 98
7.4 Conception des éclateurs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
7.4.1 Géométrie des électrodes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
7.4.2 Ligneamont ........................... 107
7.5 Géométrie des interfaces . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
7.5.1 Interface d’entrée . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110
7.5.2 Bague de guidage de la cathode . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
7.5.3 Cône de terminaison du circuit ouvert . . . . . . . . . . . . . . 112
7.5.4 Jonction entre les trois lignes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
7.5.5 Sortie du dispositif de mise en forme . . . . . . . . . . . . . . 115
7.6 Simulations ................................ 116