Contexte de l’étude

1. Thèse présentée par L.Pécastaing

2. 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

3. 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

4. 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

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

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. 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

13. Schéma synoptique d’un système d’émission

14. 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

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 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

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

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

23. Etude du temps de montée en fonction du champ électrique appliqué Expressions de la forme :

24. 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

25. Allure d’une impulsion produite par le générateur Hydrogène, P = 40 bar, d = 0,8 mm Vs = 18 kV  = 130 ps  = 610 ps Vs max  30kV

26. Simulation SPICE - Schéma

27. Simulation SPICE - Résultats Conditions expérimentales : d=0,8 mm; P=40bar; VDC=40kV Bonne concordance entre résultats expérimentaux et de simulation

28. 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

29. 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

30.  Principe de fonctionnement :  Impédances d’entrée : ZE = Z0 / N et de sortie : ZS = N.Z0  Amplification théorique : VS/VE = N Transformateurs à lignes de transmission (TLT) Objectifs :  Amplificateur de tension pour alimentation pulsée  Dispositif d’adaptation d’impédances entre générateur et antennes

31. Modes secondaires de propagation  Technologie :  Amélioration des performances en augmentant l’impédance des lignes secondaires

32. Propriétés magnétiques (µi, µa) : Perméabilité initiale Perméabilité amplitude  Impédance d’un ferrite : avec et  Choix des matériaux pour notre application Ferrites

33. Simulation 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

34. TLT à 10 étages  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 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

38. Caractérisation du balun : symétrisation

39. Caractérisation du balun : adaptation 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. 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

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  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 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

48. Gain dans l’axe Configuration : Générateur Kentech, Antenne Ciseaux, Plan H

49. Diagrammes de rayonnement Comparaison à 300, 600 et 900 MHz, Plan H Balun EUROPULSE Balun LGE

50. Bilan comparatif Niveau de performance équivalent Contenu spectral des générateurs insuffisant Essais forts niveaux prochainement