7 Décembre 2001Thèse présentée par L.Pécastaing1

7 Décembre 2001 Thèse présentée par L.Pécastaing 1

Laboratoire de Génie ElectriqueUniversité de Pau et des Pays de l’Adour

Centre Universitaire de Recherche Scientifique

LGE

CONCEPTION ET REALISATION D’UN SYSTEMEDE GENERATION D’IMPULSIONS HAUTE TENSION

ULTRA BREVES

APPLICATION AUX RADARS LARGES BANDES

2

Contexte de l’étude

Appel d’offre national pour amélioration des performances du démonstrateur radar ULB pour la détection de mines

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

3

Plan de l’exposé

11 - Présentation de l’étude

22 - Générateur d’impulsions HT ultra brèves

33 - Transformateurs à lignes de transmission

44 - Dispositif d’émission complet

55 - Perspectives

66 - Conclusion générale

4

11 - Présentation de l’étude

22 - Générateur d’impulsions HT ultra brèves

33 - Transformateurs à lignes de transmission

44 - Dispositif d’émission complet

55 - Perspectives

66 - Conclusion générale

5

Principe du radar U.L.B. temporel

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

Spectre autour de 500 MHz qui favorise la pénétration de l’onde à travers les écrans naturels

7

Réponse temporelle d’une mine

8

Démonstrateur PULSAR du CELAR

Plateforme mobile

Dispositif d’émission / réception

Dispositif de localisation de la position des antennes pendant la mesure

Micro-ordinateur

9

Performances du dispositif d’émission

Générateur Kentech PBG3 DSRD

Amplitude crête 8,4 kV 12 kV

Temps de montée minimum < 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 GHzSpectre de l’impulsionrayonnée (-20 dB / max)

[50 MHz - 1 GHz] [50 MHz - 1,2 GHz]

Adaptation (< -10 dB) [300 MHz - 2 GHz] [100 MHz - 2,5 GHz]

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)

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

12

11 - Présentation de l’étude

22 - Générateur d’impulsions HT ultra brèves

33 - Transformateurs à lignes de transmission

44 - Dispositif d’émission complet

55 - Perspectives

66 - Conclusion générale

13

Schéma synoptique d’un système d’émission

14

Générateurs d’impulsions haute tension

Réalisation: Principe de la décharge d’une ligne par l’intermédiaire d’un commutateur rapide

Conception: Générateurs à structure de lignes

Problème majeur: Mesure des impulsions commutées dans le domaine de la centaine de picosecondes

Elément fondamental: Commutateur rapide

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

16

Décharge d’une ligne coaxiale

-0,2

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2

Temps

Tens

ion

(V)

V(3)

V(2)

V(1)

t1+t1 t1+2

Impulsion de tension dont les propriétés principales sont :

Amplitude égale à la moitié de la tension de charge

Durée égale à deux fois le temps de propagation dans la ligne

17

Représentation schématique du générateur

Conducteur Intérieur Isolant Conducteur ExtérieurLaiton + tungstène,

d = 10 mmTéflon, r = 2,1 adhésif cuivre,

D = 35 mm

18

Diviseurs de tension

R = Z0 = Z

Z0 >> Z2

Sondes capacitives telles que l’atténuation s’écrit : A = Z2 / (2 Z0)

19

Caractérisation des sondes capacitives

Atténuation -46 dBBande passante -1 dB 11 MHz à 3,3 GHzImpédance 50 Tension maximale 21 kV

-80

-70

-60

-50

-40

-30

-20

-10

0

0 0,5 1 1,5 2 2,5 3

f (GHz)A

tte

nu

atio

n (

dB

)

S21

S11

20

Sondes réalisées au LGE

21

Dispositif expérimental complet

22

Paramétrage de la tension de sortie dans l’Hydrogène

15 bar < P < 50 bar 0,4 mm < d < 1,6 mm

0

5

10

15

20

25

30

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60Pd (bar.mm)

V (

kV

)

95,0.62,0. dPdPkV n

23

0

50

100

150

200

250

15 20 25 30 35 40 45 50

E (kV/mm)

t (p

s)

LGE

O'Rourke2

Smith

O'Rourke1

Martin

Etude du temps de montée en fonction du champ électrique appliqué

X

X V

dk

E

kps

2

2Expressions de la forme :

24

Essais complémentaires

Etude de la durée des impulsions

Etude de la fréquence de répétition

Fonction de la longueur de la ligne de formation

Durée de 610 ps, 870 ps ou 1,6 ns

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

Vs = 18 kV = 130 ps = 610 ps

Vs max 30kV

Hydrogène, P = 40 bar, d = 0,8 mm

-30369

12151821

0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 5,0 5,5 6,0

Temps (ns)

Tens

ion

de s

ortie

(kV

)

26

Simulation SPICE - Schéma

0

LOSSY

T8

V625k

LOSSY

T9

LOSSY

T11

LOSSY

T14

LOSSY

T16

L14 0.3n

R850

L161.2n

R950

C15 1.2p

R5 10M

C17 1.4p

LOSSY

T7

L191.75n

R7 50

U1

110n1 2

C131.45p

L12 1.35n

CO

AX

T15RG58/U

C14 1.1p

C75.5p

27

Simulation SPICE - Résultats

-5

0

5

10

15

20

25

0 1 2 3 4 5 6

Temps (ns)

Te

ns

ion

de

So

rtie

(k

V) Résultat expérimental

Simulation Spice

Conditions expérimentales : d=0,8 mm; P=40bar; VDC=40kVBonne concordance entre résultats expérimentaux et de simulation

28

Bilan de cette étude

Réalisation d’un générateur d’impulsions

Points à améliorer

Amplitude de 30 kVTemps de montée de 100 psDurée à mi-hauteur de 610 psFréquence de 2,5 kHz

Reproductibilité de l’ordre de 10 %

Explications pour analyser les phénomènes physiquesaussi rapides pendant la décharge en cours

29

11 - Présentation de l’étude

22 - Générateur d’impulsions HT ultra brèves

33 - Transformateurs à lignes de transmission

44 - Dispositif d’émission complet

55 - Perspectives

66 - 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

31

Modes secondaires de propagation

Technologie : Amélioration des performances en augmentant l’impédance des lignes secondaires

32

Ferrites

Type Matériau fC (MHz) µi HS (A / m)

A3F4 de chez Philips

[PHI 98]5,5 MHz 900 400

BB1 de chez LCC

[LCC 97]1,5 MHz 2500 350

Choix des matériaux pour notre application

Propriétés magnétiques (µi, µa) : Perméabilité initiale Perméabilité amplitude  

''' jµµµi

Impédance d’un ferrite :

avec et  

SSS jLRZ

e

eS l

AµµL 0

' e

eS l

AµµR 0

''

33

TLT à 4 étages

-5

0

5

10

15

0 50 100 150 200 250 300

t (ns)

Ve

(k

V)

-20

0

20

40

60

Vs

(k

V)

Ve

Vs

Sans ferrite : VS/VE = 2,7

Expérimentation

-5

0

5

10

15

0 50 100 150 200 250 300

t (ns)

Ve

(k

V)

-20

0

20

40

60

Vs

(k

V)

Ve

Vs

Simulation

Avec ferrites : VS/VE = 4

Configuration : Générateur Blumlein, TLT 4 câbles 50 , Charge 200

34

TLT à 10 étages

-0,5

0

0,5

1

1,5

2

2,5

-50 0 50 100 150 200 250 300t (ns)

Ve

(k

V)

-5

0

5

10

15

20

25

Vs

(k

V)

VeVs

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

36

Principe du balun

Principe retenu : TLT à 2 étages à sortie flottante Utilisation de ferrites

37

Réalisation du balun

Paramètres à ajuster :

Longueur des lignes

Type et nombre de ferrites

Minimisation des éléments parasites

Longueur des connexions

Adaptation :

Au niveau de la valeur des impédances

Au niveau de la connectique

38

Caractérisation du balun : symétrisation

39

Caractérisation du balun : adaptation

-40

-35

-30

-25

-20

-15

-10

-5

0

0 1 2 3 4 5 6

f (GHz)

Europulse1880

LGE

1

1,2

1,4

1,6

1,8

2

2,2

2,4

0 1 2 3 4 5 6f (GHz)

TO

SLGEEuropulse 1880

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

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

41

11 - Présentation de l’étude

22 - Générateur d’impulsions HT ultra brèves

33 - Transformateurs à lignes de transmission

44 - Dispositif d’émission complet

55 - Perspectives

66 - Conclusion générale

42

Mesures en chambre anéchoïde

Buts: Evaluation du niveau de rayonnement parasite du générateur Caractérisation du dispositif d’émission complet

43

Rayonnement parasite : dispositif expérimental

44

Rayonnement parasite : résultats

Générateur Amplitude Conditions d’essais NMEPnormalisé

KENTECH HPM1 4,5 kV Utilisation classique 0,036 V

LGE 3 kV Pas de précaution particulière 3 V

LGE 4 kV Blindage et déclenchement câble coaxial 0,033 V

LGE 4 kV Blindage et déclenchement fibre optique 0,029 V

LGE 6 kVBlindage, déclenchement câble

coaxial et ferrites0,003 V

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

45

Rayonnement parasite : blindage et filtrage

Blindage avec boîtier aluminium et filtrage avec ferrites

Atténuation des rayonnements parasites et des résonances de cavités

46

Dispositif d’émission complet

47

Dispositif d’émission complet

Impulsions rayonnées dans l’axe et transformées de Fourier, Plan H

-2

-1

0

1

2

3

4

0 5 10 15 20 25 30 35 40

t (ns)

Vo

sc

illo

sc

op

e (V

)

Balun Europulse 1880

Balun LGE

-40

-35

-30

-25

-20

-15

-10

-5

0

0 0,5 1 1,5 2f (GHz)

dB

Balun Europulse 1880

Balun LGE

Générateur Kentech / Balun Europulse ou Balun LGE / Antenne Ciseaux

Objectif : Caractérisation du dispositif d’émission complet

Mais mauvaise reproductibilité générateur LGE

48

Gain dans l’axe

générateur

reçueaxe V

axeVRG

4

-6

-4

-2

0

2

4

6

8

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6f (GHz)

dB

Balun Europulse 1880

Balun LGE

Configuration : Générateur Kentech, Antenne Ciseaux, Plan H

49

Diagrammes de rayonnement

-25

-20

-15

-10

-5

0

5

10

-200 -150 -100 -50 0 50 100 150 200

Angle (degrès)

dB

300 MHz

600 MHz

900 MHz

-25

-20

-15

-10

-5

0

5

10

-200 -150 -100 -50 0 50 100 150 200

Angle (degrès)

dB

300 MHz

600 MHz

900 MHz

Balun EUROPULSE Balun LGE

Comparaison à 300, 600 et 900 MHz, Plan H

axeV

V

V

VRG

reçue

générateur

générateur

reçue

2

4

50

Bilan comparatif

Niveau de performance équivalent

Contenu spectral des générateurs insuffisant

Essais forts niveaux prochainement

51

11 - Présentation de l’étude

22 - Générateur d’impulsions HT ultra brèves

33 - Transformateurs à lignes de transmission

44 - Dispositif d’émission complet

55 - Perspectives

66 - Conclusion générale

52

Perspectives

Alimentation pulsée réalisée à base de thyristors

Déclenchement du générateur avec une impulsion laser

Désadaptations en extrémité d’antenne Remarques pour évolution future du balun

Conception d’un générateur d’impédance 150

53

Déclenchement du générateur avec une impulsion laser

54

Déclenchement laser : résultats

Jitter inférieur à 1 ns mais mesure plus précise impossible actuellement

Réglage générateur : Vrelaxé = 23 kV VDC = 20 kV P = 13 bar d = 1,4 mm

Réglage laser : = 100 ps = 532 nm E 1 mJ

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

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

57

11 - Présentation de l’étude

22 - Générateur d’impulsions HT ultra brèves

33 - Transformateurs à lignes de transmission

44 - Dispositif d’émission complet

55 - Perspectives

66 - Conclusion générale

58

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

59

60

Paramétrage de la tension de sortie dans divers gaz

0

5

10

15

20

25

30

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60

Pd (bar.mm)

V (

kV)

Hydrogène

Azote

SF6

ndPkV .Formules empiriques du type :

61

Etude du temps de montée en fonction de la distance inter-électrodes et de la pression

100

120

140

160

180

200

220

240

0,8 1 1,2 1,4 1,6 1,8

d (mm)

t (p

s)

P=20 barP=25barP=30 barP=35 barP=40 barP=45 bar

100

120

140

160

180

200

220

240

15 20 25 30 35 40 45 50

P (bar)

d=1mmd=1,2mmd=1,4mmd=1,6mm

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 %

62

Etude du temps de montée en fonction du champ électrique appliqué

Formule proposées par divers auteurs : r

qp

m

EZ

dkns

0

1.)(

0

50

100

150

200

250

300

15 20 25 30 35 40 45 50

E (kV/mm)

t (p

s)

LGE

Martin

Smith

O'Rourke

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 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

64

Modélisation simplifiée d’un ferrite

Description du comportement en fréquence :

Perméabilité relative :

ja

Aj

'''

Introduction de la perméabilité dans SPICE :

avec µ(t) perméabilité temporelle définie par TF inverse

dt

tdµti

l

Ate

e

e *

Saturation : Variation non linéaire de la perméabilité en fonction du courant

65

Comparaison modélisation expérimentale / numérique

-50

0

50

100

150

200

250

300

350

-50 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450

t (ns)

I (A

)

Sans ferrite

10 ferrites B1

Simulation Spice

-50

0

50

100

150

200

250

300

350

-50 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450

t (ns)

I (A

)

Sans ferrite

10 ferrites 3F4

Simulation Spice