Etude et réalisation d’un ensemble autonome d’émission d’ondes électromagnétiques de forte puissance

Le domaine d’activité des fortes puissances électriques pulsées (FPEP) regroupe un grand nombre d’aspects correspondant à une multitude d’applications dont il est difficile de proposer un inventaire exhaustif. Les secteurs industriels susceptibles d’être concernés par cette technique sont donc aussi variés que l’agro-alimentaire, le médical, le pharmaceutique, la métallurgie, l’avionique, la chimie ou l’électronique.

Depuis quelques années, la génération d’ondes électromagnétiques de fortes puissances semble être une des applications majeures du domaine des FPEP. Dans chaque cas, le générateur FPEP est constitué d’une source d’énergie primaire et d’une charge, séparées par un système d’amplification de puissance qui fait transiter l’énergie depuis cette source vers la charge. Lorsque cette dernière est une antenne, il est possible de générer des ondes électromagnétiques sous la forme d’impulsions. La bande de fréquence couverte par l’onde rayonnée peut couvrir un spectre très large. Cette technique présente, alors, un intérêt certain dans une variété importante d’applications civiles et militaires. On peut citer, par exemple, les radars impulsionnels ultra large bande (ULB) pour la détection de mines enfouies dans le sol ou le sauvetage de personnes ensevelies, la réalisation de simulateurs IEMN (Impulsion ElectroMagnétique Nucléaire) pour les tests de compatibilité électromagnétique et de vulnérabilité de matériels électronique et informatique, les systèmes de communications ULB et le brouillage électromagnétique dont le principe consiste à focaliser une puissance électromagnétique vers une cible identifiée pour compromettre la mission de celle-ci en perturbant, ou en détruisant, les composants électroniques qui la constituent.

L’augmentation de la portée et de l’amplitude des champs électromagnétiques émis par ces dispositifs rayonnants fait l’objet de plusieurs projets à travers le monde. Les deux principaux axes de recherche sont :

– l’association de dispositifs de moyenne puissance à un réseau d’antennes. On accumule ainsi, dans l’axe du réseau d’antennes, l’énergie produite par plusieurs sources. La principale difficulté dans la réalisation d’un tel réseau d’antennes ULB fonctionnant en régime impulsionnel tient à la possibilité de déclencher sans jitter significatif (écart statistique du délai temporel entre l’application de l’impulsion de déclenchement et la commutation) le générateur associé à chaque antenne (jitter < 20ps). Les techniques de génération habituelles à éclateurs à gaz ou électroniques souffrent d’un jitter trop important pour effectuer un déclenchement assez précis. Une des solutions semble être l’utilisation de photocommutateurs déclenchés par lasers ultra rapides. La maîtrise des retards des signaux issus de chaque source permettrait, de plus, d’effectuer un dépointage électronique du rayonnement et pourrait apporter ainsi de nouvelles perspectives aux systèmes radars ULB impulsionnels.

– l’augmentation de la puissance des générateurs (jusqu’à quelques dizaines de GW), tout en veillant à conserver aux systèmes des dimensions réduites pour permettre des applications concrètes. Les efforts à mener aujourd’hui pour atteindre ces objectifs portent sur les sources primaires d’énergies (à base de batterie d’accumulateurs, de convertisseurs de tension continus ou de chargeurs rapides), les composants de base (commutateurs, matériaux isolants, composants discrets haute tension), les générateurs haute tension impulsionnels récurrents (de types Marx, transformateur Tesla ou association de semi-conducteurs principalement) et l’optimisation des structures de ces derniers. L’amélioration du gain et des performances des antennes est également un facteur clé pour accroître la portée des dispositifs. La conception et la réalisation d’un élément rayonnant compact et capable de supporter de très fortes puissances pulsées constituent également un véritable challenge.

C’est dans ce contexte que s’inscrit ce travail de thèse. Il a fait l’objet, pendant trois années, d’une collaboration entre le Laboratoire de Génie Electrique de l’Université de Pau et des Pays de l’Adour, le laboratoire XLIM de l’Université de Limoges (site délocalisé de Brive) et la société THALES par le biais d’une bourse CIFRE accordée par l’Association Nationale de la Recherche Technique.

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Table des matières

Introduction
Chapitre 1 Contexte de l’étude – Les Micro-ondes de Forte Puissance vers un concept impulsionnel
I- Applications des Micro-ondes de Forte Puissance dans le domaine Ultra Large Bande
1- Les radars impulsionnels Ultra Large Bande
1.1- Principe du système radar en régime impulsionnel
1.2- Principe de l’imagerie SAR
1.3- Quelques applications des radars ULB
1.3.1- Dans le domaine civil
1.3.2- Dans le domaine de la défense
2- Le Brouillage Electromagnétique
3- Durcissement et tests de vulnérabilité de matériel électrique
3.1- Face à un nouvel environnement électromagnétique
3.2- Couplage des ondes électromagnétiques aux équipements électriques
3.3- Effets des ondes électromagnétiques sur les composants électroniques
II- Génération des Micro-ondes de Forte Puissance
1- Technologies impulsionnelles bande étroite
1.1- Les tubes à faisceaux linéaires
1.2- Les tubes à champs croisés
1.2.1- Le magnétron
1.2.2- Le MILO
1.3- Un autre type de tube : le Vircator
2- Technologies impulsionnelles Ultra Large Bande
2.1- La source haute tension pulsée
2.1.1- La source d’énergie primaire
2.1.2- Le chargeur haute tension pulsé
2.1.2.1- Principe général de la commutation de puissance
2.1.2.2- Les générateurs multiplicateurs de tension
2.1.3- Les circuits de mise en forme de l’impulsion haute tension
2.1.3.1- Les principaux dispositifs de commutation à fermeture
2.1.3.2- Les commutateurs à semi-conducteurs
2.1.3.3- Les lignes de mise en forme de l’impulsion (Pulse Forming Line)
2.2- Le balun
2.3- Les antennes ULB
3- Focus sur deux projets majeurs de l’ULB
3.1- Le projet JOLT
3.2- Le projet de l’IHCE de Tomsk
III- Objectifs du travail de thèse
1- Réalisation d’un dispositif autonome rayonnant Ultra Large Bande « tout électrique»
2- Evaluation des performances du dispositif complet
Chapitre 2 Les générateurs de Marx et les dispositifs de mesure haute tension associés dans le domaine de la nanoseconde
I- Le générateur de Marx à éclateurs à gaz
1- Introduction
2- Principe de fonctionnement
2.1- Première approche
2.2- Bilan énergétique
3- Etude de la phase de charge des condensateurs
4- La commutation des éclateurs
5- Phase de décharge / Schéma équivalent du générateur
II- Optimisation pour un fonctionnement nanoseconde et subnanoseconde
1- Remarques générales sur la réalisation mécanique du générateur
2- Ajout d’un condensateur de « peaking »
III- Développement de moyens de mesure pour l’acquisition de transitoires rapides en haute tension
1- Mesure des hautes tensions transitoires
2- Etude et caractérisation de diviseurs capacitifs à capacité de tête réglable
2.1- Principe de fonctionnement
2.2- Etalonnage
2.3- Conclusions
3- Réalisation de diviseurs capacitifs spécifiques à lignes
3.1- Principe de fonctionnement
3.2- Réalisations mécaniques
3.2.1- Première technologie de fabrication
3.2.2- Amélioration des performances par l’utilisation d’une feuille de kapton cuivrée
Conclusion