Etude et conception d'un étage de mise en forme d'impulsions ultra ...

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Les impulsions ultra large bande (ULB) se caractérisent par leur grande étendue spectrale. A l’image d’un Dirac, cette propriété se traduit dans le domaine temporel, par une durée très brève. La commission américaine des communications (FCC) définit les signaux ULB par une largeur de bande de 20 % de la fréquence centrale. Néanmoins, dans le cas où cette largeur est superieure à 500 MHz, le signal peut être considéré comme ULB quelque soit la fréquence centrale. Ces impulsions se distinguent des signaux harmoniques traditionnels par l’absence de porteuse. En effet, la plupart des dis- positifs radiofréquences utilisent la modulation d’une porteuse haute fréquence afin de décaler le signal en bande de base vers la bande d’émission. Ainsi, une source ULB rayonne directement en bande de base. Longtemps restée en marge de l’électronique harmonique classique, la technologie ULB profite depuis les années 90 de l’émergence de nouvelles applications et connaît un essor important. Outre la détection et l’identification de cibles, les télécommunications exploitent les caractéristiques fréquentielles particulières des signaux ULB. De plus, les progrès technologiques réalisés au cours des dix dernière années, tant sur les générateurs que sur les outils d’acquisition et d’analyse permettent aujourd’hui de développer des systèmes ULB concrets. Par conséquent, la gamme d’applications des impulsions ULB s’est étendue à de nombreux domaines comme par exemple le traitement des tumeurs [1]. Les propriétés des signaux ULB peuvent être également exploitées dans l’attaque électronique dès lors que la puissance transportée par le rayonnement électromagnétique est suffisante pour perturber un circuit. La source devient alors une arme à énergie diri- gée. Le terme de micro-onde de forte puissance (MFP) est généralement employé pour qualifier ce type de système même si les fréquences couvertes ne sont pas exclusivement dans le domaine des hyperfréquences. Après 2001, le défi posé par la lutte contre le terrorisme a fait naître un nouveau besoin pour des systèmes compacts de forte puissance, fiables et robustes capables de neutraliser des circuits électroniques à distance. Cette demande est également expri- mée dans le domaine de la sécurité et notamment pour ce qui concerne l’arrêt de véhi- cules suspects ou la protection des infrastructures critiques. Dans ce contexte, l’Institut 2
Franco-allemand de Recherches de Saint-Louis (ISL) a lancé en 2005 le projet GIMLI (Générateur d’Impulsion Modulée en Largeur et en Intensité). Cette étude vise à déve- lopper une source ULB de forte puissance et compacte pour les applications de défense et sécurité. Ce travail de thèse s’inscrit dans le cadre de ce projet. L’objectif est d’étudier et de concevoir un dispositif de mise en forme ULB compact pour le prototype GIMLI. La première partie de ce mémoire replace l’étude dans son contexte. Les sources MFP devenant une composante de la guerre électronique, il est nécessaire d’en préciser leur place. Après avoir introduit ces concepts, une revue des sources MFP est réalisée en distinguant les différents types d’agressions électromagnétiques et les technologies associées. La fin de cette première partie est consacrée au projet GIMLI. Les objectifs de ce travail de thèse sont également exposés. L’architecture du prototype GIMLI se compose des trois blocs suivants : – générateur d’impulsions haute tension ; – mise en forme d’impulsions ULB ; – antenne ULB. La seconde partie du mémoire est dédiée à l’analyse des briques technologiques d’in- térêt pour le projet. Dans ce but, le principe et les principales limitations des générateurs de Marx compacts sont discutés avant de consacrer un chapitre à la commutation par éclateur, une technologie commune à de nombreux systèmes MFP. Deux solutions pour la mise en forme bipolaire ULB sont présentées et le principe de fonctionnement est décrit en détail. Cette seconde partie se termine par un tour d’horizon des antennes pour l’ULB. La troisième partie détaille la conception, la caractérisation et la validation expéri- mentale du dispositif de mise en forme. Les choix technologiques sont argumentés et le processus de dimensionnement est ensuite exposé. Dans cette partie, une géométrie d’éclateur ’dentelé’ est proposée afin de favoriser les claquages multicanaux et ainsi ga- rantir des temps de commutation rapides. La simulation numérique 3D permet d’estimer la valeur du champ électrique le long des surfaces du système. L’efficacité des solutions limitant les renforcements locaux de champs est mise en évidence par les résultats pré- 3
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Ligne longue ligne courte 50 MHz -
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[39] B. Martin. Générateur de mar
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