Laboratoire de Génie Electrique Université de Pau et des Pays de l’Adour Centre Universitaire de Recherche Scientifique LGE CONCEPTION ET REALISATION D’UN SYSTEME DE GENERATION.
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Transcript Laboratoire de Génie Electrique Université de Pau et des Pays de l’Adour Centre Universitaire de Recherche Scientifique LGE CONCEPTION ET REALISATION D’UN SYSTEME DE GENERATION.
Laboratoire de Génie Electrique
Université de Pau et des Pays de l’Adour
Centre Universitaire de Recherche Scientifique
LGE
CONCEPTION ET REALISATION D’UN SYSTEME
DE GENERATION D’IMPULSIONS HAUTE TENSION
ULTRA BREVES
APPLICATION AUX RADARS LARGES BANDES
7 Décembre 2001
Thèse présentée par L.Pécastaing
1
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
2
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
3
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
Principe du radar U.L.B. temporel
5
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
6
Réponse temporelle d’une mine
7
Démonstrateur PULSAR du CELAR
Plateforme mobile
Dispositif d’émission / réception
Dispositif de localisation de la
position des antennes pendant
la mesure
Micro-ordinateur
8
Performances du dispositif d’émission
Générateur
Kentech PBG3
DSRD
8,4 kV
12 kV
< 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 GHz
Spectre de l’impulsion
rayonnée (-20 dB / max)
Adaptation (< -10 dB)
[50 MHz - 1 GHz]
[50 MHz - 1,2 GHz]
Amplitude crête
Temps de montée minimum
[300 MHz - 2 GHz] [100 MHz - 2,5 GHz]
9
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)
10
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
11
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
12
Schéma synoptique d’un système d’émission
13
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
14
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
15
Décharge d’une ligne coaxiale
Impulsion de tension dont les
propriétés principales sont :
1,2
V(3)
1
0,8
Tension (V)
Amplitude égale à la moitié de la
tension de charge
V(2)
V(1)
0,6
0,4
0,2
Durée égale à deux fois le temps
de propagation dans la ligne
0
-0,2
t1
t1+t0
t1+2t0
Temps
16
Représentation schématique du générateur
Conducteur Intérieur
Isolant
Conducteur Extérieur
Laiton + tungstène,
d = 10 mm
Téflon, r = 2,1
adhésif cuivre,
D = 35 mm
17
Diviseurs de tension
R = Z0 = Z
Z0 >> Z2
Sondes capacitives telles que l’atténuation s’écrit :
A = Z2 / (2 Z0)
18
Caractérisation des sondes capacitives
f (GHz)
0
0,5
1
1,5
2
2,5
Attenuation (dB)
-10 0
3
-20
-30
-40
-50
-60
S21
-70
S11
-80
Atténuation
Bande passante -1 dB
Impédance
Tension maximale
-46 dB
11 MHz à 3,3 GHz
50
21 kV
19
Sondes réalisées au LGE
20
Dispositif expérimental complet
21
Paramétrage de la tension de sortie
dans l’Hydrogène
15 bar < P < 50 bar
0,4 mm < d < 1,6 mm
30
25
V (kV)
20
15
10
5
0
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
55
60
Pd (bar.mm)
V k P.d 0,62 P.d
n
0,95
22
Etude du temps de montée en fonction
du champ électrique appliqué
k2
d
t ps X k2
E
V
Expressions de la forme :
250
X
LGE
O'Rourke2
200
Smith
O'Rourke1
150
t (ps)
Martin
100
50
0
15
20
25
30
35
40
45
50
E (kV/m m )
23
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
24
Allure d’une impulsion produite
par le générateur
Tension de sortie (kV)
Hydrogène, P = 40 bar, d = 0,8 mm
21
18
15
12
9
6
3
0
-3 0,0
Vs = 18 kV
t = 130 ps
= 610 ps
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5
3,0
3,5
4,0
4,5
5,0
5,5
6,0
Vs max 30kV
Temps (ns)
25
Simulation SPICE - Schéma
C17
1.4p
C15 1.2p
T1 6
T9
L1 4 0.3n
T7
LOSSY
V6
25 k
C7
5.5p
11 0n
1
U1
L1 2 1.35 n
2
T8
LOSSY
LOSSY
LOSSY
L1 6
1.2n
T1 1
T1 4
LOSSY
LOSSY
R8
50
0
1.75 n
L1 9
C13
1.45 p
R9
50
T1 5
RG58 /U
C14
C O AX
R5 10 M
1.1p
R7 50
26
Simulation SPICE - Résultats
Conditions expérimentales : d=0,8 mm; P=40bar; VDC=40kV
Bonne concordance entre résultats expérimentaux et de simulation
Tension de Sortie (kV)
25
Résultat expérimental
20
Simulation Spice
15
10
5
0
0
1
2
3
4
5
6
-5
Tem ps (ns)
27
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
28
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
29
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
30
Modes secondaires de propagation
Technologie :
Amélioration des performances en augmentant l’impédance
des lignes secondaires
31
Ferrites
Propriétés magnétiques (µi, µa) :
Perméabilité initiale
µi µ' jµ''
Perméabilité amplitude
Impédance d’un ferrite :
Z S RS jLS
A
avec LS µ' µ0 e
et
le
RS µ'' µ0
Ae
le
Choix des matériaux pour notre application
Type
Matériau
3F4 de chez Philips
A
[PHI 98]
B1 de chez LCC
B
fC (MHz)
µi
HS (A / m)
5,5 MHz
900
400
1,5 MHz
2500
350
[LCC 97]
32
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
Ve (kV)
5
0
-5
50
100
150
t (ns)
200
250
60
Ve
Vs
40
20
0
15
0
300
10
40
5
20
0
0
-20
-5
50
100
150
200
0
300
250
t (ns)
-20
33
Vs (kV)
Vs
10
60
Ve (kV)
Ve
Vs (kV)
15
Simulation
TLT à 10 étages
25
Ve
Vs
Ve (kV)
2
20
1,5
15
1
10
0,5
5
0
0
-0,5 -50
0
50
100 150
t (ns)
200
250
Vs (kV)
2,5
Gain en tension :
VS/VE 10
300-5
34
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
35
Principe du balun
Principe retenu :
TLT à 2 étages à sortie flottante
Utilisation de ferrites
36
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
37
Caractérisation du balun : symétrisation
38
Caractérisation du balun : adaptation
S11<-10dB de 180MHz à 5,2GHz
S11<-15dB de 190MHz à 2,9GHz
2,4
LGE
Europulse 1880
2,2
2
TOS
Adaptation quasi-identique
jusqu’à 1 GHz
1,8
1,6
1,4
Au delà, meilleure adaptation
du balun LGE jusqu’à 5 GHz
1,2
1
0
1
2
3
f (GHz)
4
5
6
39
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
40
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
41
Mesures en chambre anéchoïde
Buts:
Evaluation du niveau de rayonnement parasite du générateur
Caractérisation du dispositif d’émission complet
42
Rayonnement parasite : dispositif expérimental
43
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
Générateur
Amplitude
Conditions d’essais
KENTECH HPM1
4,5 kV
Utilisation classique
NMEP
normalisé
0,036 V
LGE
3 kV
Pas de précaution particulière
3V
LGE
4 kV
Blindage et déclenchement câble coaxial
0,033 V
LGE
4 kV
Blindage et déclenchement fibre optique
0,029 V
LGE
6 kV
Blindage, déclenchement câble
coaxial et ferrites
0,003 V
44
Rayonnement parasite : blindage et filtrage
Blindage avec boîtier aluminium et filtrage avec ferrites
Atténuation des rayonnements parasites et des résonances de cavités
45
Dispositif d’émission complet
46
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
0
4
-5
3
Balun Europulse 1880
Balun LGE
-10
Balun LGE
-15
2
dB
V oscilloscope (V)
Balun Europulse 1880
1
-20
-25
-30
0
0
5
10
15
20
-1
25
30
35
40
-35
-40
0
-2
0,5
1
f (GHz)
1,5
2
t (ns)
47
Gain dans l’axe
Configuration : Générateur Kentech, Antenne Ciseaux, Plan H
Gaxe
4R Vreçue axe
Vgénérateur
8
6
dB
4
2
0
-2
Balun Europulse 1880
-4
Balun LGE
-6
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
1,2
1,4
1,6
f (GHz)
48
Diagrammes de rayonnement
Comparaison à 300, 600 et 900 MHz, Plan H
4R Vreçue
G
Vgénérateur
2
Vgénérateur
V axe
reçue
Balun EUROPULSE
Balun LGE
10
10
300 MHz
5
300 MHz
5
600 MHz
900 MHz
0
600 MHz
900 MHz
0
-5
dB
dB
-5
-10
-10
-15
-15
-20
-20
-25
-200
-150
-100
-50
0
Angle (degrès)
50
100
150
200
-25
-200
-150
-100
-50
0
50
100
150
Angle (degrès)
49
200
Bilan comparatif
Niveau de performance équivalent
Contenu spectral des générateurs insuffisant
Essais forts niveaux prochainement
50
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
51
Perspectives
Alimentation pulsée réalisée à base de thyristors
Conception d’un générateur d’impédance 150
Désadaptations en extrémité d’antenne
Remarques pour évolution future du balun
Déclenchement du générateur avec une impulsion laser
52
Déclenchement du générateur avec une
impulsion laser
53
Déclenchement laser : résultats
Réglage générateur :
Vrelaxé = 23 kV
VDC = 20 kV
P = 13 bar
d = 1,4 mm
Réglage laser :
= 100 ps
= 532 nm
E 1 mJ
Jitter inférieur à 1 ns mais mesure plus précise impossible
actuellement
54
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
55
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
56
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
57
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
58
59
Paramétrage de la tension de sortie
dans divers gaz
V k P.d
n
Formules empiriques du type :
30
25
V (kV)
20
15
10
Hydrogène
5
Azote
SF6
0
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
55
60
Pd (bar.mm)
60
Etude du temps de montée en fonction de la
distance inter-électrodes et de la pression
240
220
t (ps)
200
180
160
P=20 bar
P=25bar
P=30 bar
P=35 bar
P=40 bar
P=45 bar
140
120
100
0,8
1
1,2
1,4
1,6
Diminution de 40 % de la
distance diminue le temps de
montée de 8 %
1,8
d (m m )
Augmentation de 45 % de
la pression diminue le temps
de montée de 30 %
61
Etude du temps de montée en fonction
du champ électrique appliqué
k1.d
t (ns) p q
Z E 0
m
Formule proposées par divers auteurs :
r
300
LGE
Martin
250
Smith
t (ps)
200
O'Rourke
150
100
50
0
15
20
25
30
35
40
45
50
E (kV/m m )
62
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
63
Modélisation simplifiée d’un ferrite
Description du comportement en fréquence :
Perméabilité relative : ' j ' '
A
a j
Introduction de la perméabilité dans SPICE :
Ae
dµt
et it *
le
dt
avec µ(t) perméabilité temporelle définie par TF inverse
Saturation : Variation non linéaire de la perméabilité en
fonction du courant
64
Comparaison modélisation
expérimentale / numérique
350
Sans ferrite
300
10 ferrites B1
Simulation Spice
250
I (A)
200
150
100
50
0
-50
-50
0
50
100
150
200
250
300
350
400
450
t (ns)
350
Sans ferrite
300
10 ferrites 3F4
Simulation Spice
250
I (A)
200
150
100
50
0
-50
0
50
100
150
200
250
300
350
400
450
-50
t (ns)
65