7 décembre 2001thèse présentée par l.pécastaing1
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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
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