Brevet FR2870651A1 — publié le 20051125

Z 13934 La présente invention concerne un générateur d'impulsions dispersives non linéaires destiné à produire des signaux électriques pulsés à haute fréquence. On connaît déjà des générateurs de hautes fréquences et d'hyperfréquences de puissance élevée et il est souhaitable que ces générateurs permettent un changement rapide de la fréquence du signal de sortie à haute fréquence. Ces générateurs doivent produire des impulsions de grande puissance à haute fréquence avec des puissances de crête par exemple supérieures à 100 kW. Par raison de commodité1l 'expression "à haute fréquence" utilisée dans le présent mémoire désigne les rayonnements à haute fréquence, très haute fréquence et jusqu'aux hyperfréquences du spectre électromagnétique. Il est souhaitable de pouvoir ajuster la fréquence de sortie d'un générateur de hautes fréquences de puissance élevée de manière rapide et sur une plage d'accord relativement large. Par exemple, il est utile de pouvoir ajuster la fréquence du signal de sortie en un temps de l'ordre de 0,1 à 1 ms, permettant une variation de la fréquence à des fréquences de répétition d'impulsions de 1 à 10 kHz. Des exemples de générateurs de hautes fréquences de puissance élevée sont les magnétrons, les klystrons et les tubes à ondes progressives. Ces dispositifs fonctionnent en général par création d'un faisceau d'électrons qui passe dans une structure mécanique périodique réalisée de manière que le faisceau d'électrons interagisse avec la structure mécanique, si bien que de l'énergie est extraite du faisceau d'électrons pour la production d'un champ à haute fréquence ou en hyperfréquences à l'intérieur de la structure mécanique qui est normalement une cavité. Les caractéristiques du signal de sortie à haute fréquence de ces dispositifs connus sont fixées en partie par la réalisation de la structure mécanique, et les caractéristiques du faisceau d'élec- trons et la structure déterminent ensemble la plage des fréquences d'oscillations à haute fréquence qui peut être supportée et le facteur de qualité de la cavité. De tels dispositifs peuvent jouer le rôle d'amplificateurs d'un petit signal à haute fréquence. Des oscillateurs de grande puissance, tels que les magnétrons, ont été mis au point pour produire des puis- sances de 'sortie atteignant quelques mégawatts avec des plages d'Accord d'environ 10 Le signal de sortie à haute fréquence des magnétrons est accordé par ajustement mécanique de la cavité et les magnétrons à très grande puissance ont habituellement des plages d'accord relativement petites. Des magnétrons spécialisés qui comportent des disques tournant rapidement peuvent ajuster rapidement la fréquence de sortie à hautes fréquences d'une impulsion à une autre mais sont limités à des puissances relativement faibles de sortie, inférieures à 1 MW, avec une agilité limitée en fré- quence résultant de diagrammes fixes de variation cyclique. Des amplificateurs à klystron peuvent être utilisés pour la production de puissances élevées de sortie à haute fréquence avec une fréquence accordable par variation de la fréquence du signal d'entrée à hautes fréquences de faible puissance. Lorsque la puissance de crête d'un klystron augmente, la largeur de bande est réduite et la plage efficace d'accord est réduite en conséquence. Des amplificateurs à tubes à ondes progressives ont été mises au point avec des largeurs de bande d'un octave, mais cette caractéristique limite la puissance de fonctionnement à des valeurs relativement faibles, habituellement inférieure à 100 kW. Pour des niveaux plus élevés de puissance, la largeur de bande est réduite à environ 10 à 15 ô à une puissance de 1 MW. Ainsi, aux niveaux de puissance qui dépassent quelques mégawatts, les générateurs de hautes fréquences classiques à faisceaux d'électrons ont de faibles largeurs de bande et des petites plages d'accord. Les magnétrons de grande puissance nécessitent des ajustements mécaniques de la cavité pour l'ajustement de la fréquence de sortie de la haute fréquence. Des amplificateurs, par exemple à klystron et à tubes à ondes progressives, ont des largeurs de bande très limitées à des niveaux élevés de puissance avec une agilité réduite de manière correspondante pour le changement de fréquence. Il est donc nécessaire de disposer d'un générateur de hautes fréquences qui peut travailler à des niveaux de puissance relativement élevés, de préférence pouvant atteindre 1 GW, avec une bonne aptitude aux changements de fréquences. Dans un premier aspect, l'invention concerne un générateur d'impulsions dispersives non linéaires destinées à produire des signaux électriques pulsés à haute fréquence, qui comprend un circuit électrique dispersif non linéaire comprenant" au moins un élément non linéaire formé d'un matériau sensible à des signaux de faible puissance, et un dispositif destiné à produire un signal de commande de puissance variable et à appliquer le signal de commande à au moins l'élément non linéaire pour modifier la valeur du défaut de fréquence créé. De linéaire forme de linéarité de l'élément et faire varier ainsi la de sortie du signal électrique à haute fréquence préférence, le circuit électrique dispersif non comprend plusieurs éléments non linéaires sous selfs interconnectées en série, un premier arran- gement de condensateurs de couplage reliant chacun le côté d'entrée d'une self au côté de sortie de la self suivante et dans l'alignement pour donner des caractéristiques disper- sives, et un second arrangement de condensateurs placés en parallèle les uns aux autres afin que chaque condensateur du second arrangement connecte le côté d'entrée d'une self différente à une ligne électrique commune. De manière commode, le matériau de l'élément ou de chaque élément non linéaire est un matériau ferromagnétique sensible à un champ magnétique, et le dispositif destiné à produire le signal de commande est destiné à produire un courant électrique variable relativement petit qui crée un champ magnétique variable de faible valeur qui est appliqué au matériau ferromagnétique pour ajustement de l'état initial de l'élément non linéaire et pour modifier le comportement de l'élément non linéaire pendant la modulation d'un signal à hautes fréquences de puissance élevée afin que 2870651 4 la fréquence du signal à hautes fréquences transmis par le générateur soit modifiée. De manière avantageuse, le dispositif destiné à produire le signal de commande comprend une source d'un courant continu ',de, faible puissance qui est appliqué au côté d'entrée du circuit électrique dispersif non linéaire avec un signal d'entrée à haute tension et qui est renvoyé à la source par le côté de sortie du circuit électrique dispersif non linéaire à la sortie du signal à haute fréquence, et une commande à ordinateur destinée à faire varier la valeur du courant continu de faible puissance pour faire varier la fréquence du signal de sortie à haute fréquence. Dans une variante, le matériau de l'élément ou de chaque élément non linéaire est un matériau ferroélectrique sensible à un champ électrique, et dans lequel le dispositif destiné à reproduire le signal de commande est destiné à produire un champ électrique variable de faible valeur qui est appliqué au matériau ferroélectrique pour ajuster l'état initial de l'élément non linéaire et modifie le comportement de l'élément non linéaire pendant la modulation d'un signal à haute fréquence de puissance élevée afin que la fréquence du signal à haute fréquence transmis par le générateur soit changée. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront mieux de la description qui va suivre d'exemples de réalisation, faite en référence au dessin annexé sur lequel: la figure 1 est un schéma d'un générateur d'impulsions dispersives non linéaires dans un premier mode de réali- sation de l'invention, et la figure 2 est un schéma d'un exemple de courbe de dispersion d'un circuit électrique dispersif non linéaire utilisé dans le mode de réalisation de la figure 1. Un générateur d'impulsions dispersives non linéaires dans un premier mode de réalisation de l'invention est représenté sur la figure 1 et il est destiné à produire des signaux électriques pulsés à hautes fréquences. A cet effet, il utilise un circuit électrique dispersif non linéaire portant la référence 1 et comprenant au moins un élément non linéaire, tel que des selfs 2, formé d'un matériau sensible à des signaux de faible puissance. Une impulsion électrique à haute tension qui a un court temps de montée et une partie supérieure plate est injectée dans le circuit 1 en 3. Les caractéristiques dispersives et non linéaires du circuit 1 modifient la forme de l'impulsion et sont telles qu'elles donnent une impulsion de sortie à haute fréquence en 4 à partir de l'impulsion d'entrée. Le circuit 1 est de préfé- rence à:seii-conducteur. Le générateur d'impulsions représenté sur la figure 1 comprend aussi un dispositif portant la référence générale 5, destiné à produire un signal 6 de commande de puissance variable et à appliquer le signal 6 à au moins l'un des éléments non linéaires tels que les selfs 2 en un point 3 d'entrée à haute tension pour modifier l'amplitude du défaut de linéarité de l'élément et faire ainsi varier la fréquence de sortie du signal électrique 4 à haute fréquence qui est créé. Le circuit 1 comporte plusieurs éléments non linéaires sous forme de selfs 2 interconnectées en série, un premier arrangement de condensateurs 7 de couplage reliant chacun le côté d'entrée d'une self 2 au côté de sortie de la self suivante 2 sous forme alignée, pour l'obtention de la dispersion. Ces condensateurs 7 ont une valeur C' et donnent des caractéristiques dispersives supplémentaires au circuit 1 pour accroître la conversion d'énergie de l'impulsion d'entrée en 3 en signal de sortie à haute fréquence en 4. La disposition des condensateurs de couplage 7 représentés sur la figure 1 n'est qu'un exemple et des propriétés dispersives convenables peuvent être obtenues dans le circuit 1 par d'autres dispositions de condensateurs ou d'autres éléments inductifs. Il faut aussi bien noter que, bien que l'impulsion d'entrée en 3 ait habituellement un faible temps de montée et une partie supérieure plate, aucun de ces aspects n'est essentiel. Il faut aussi noter que, sur la figure 1, le circuit 1 comprend six tronçons, mais un nombre plus ou moins grand de tronçons peut être utilisé le cas échéant. Un second arrangement de condensateurs 8 fait aussi partie du circuit 1 et comporte une capacité To placée en parallèle avec les autres capacités afin que chaque conden- sateur 8 connecte le côté d'entrée d'une self différente 2 à une ligne électrique commune 9. Chaque self 2 a une inductance Lo. L'impulsion d'entrée injectée au point 3 est une impulsion à haute tension, par exemple de 50 kV. Le courant associé à cette impulsion a aussi une valeur élevée, par exemple de 2 kA. L'impulsion d'intensité élevée se propage de gauche à droite sur la figure 1, la vitesse de propagation étant déterminée en partie par la valeur de l'induc- tance Lp des selfs 2. L'ajustement rapide de la fréquence à la sortie à haute fréquence 4 sur une large plage de fréquences peut être obtenu avec le générateur de la figure 1 par ajustement du défaut de linéarité du circuit 1. La variation du défaut de linéarité du circuit est obtenue par sélection d'un élément non linéaire, tel que les selfs 2, formé d'un matériau sensible à des signaux 6 de commande de faible puissance. Par exemple, les éléments tels que la self 2 peuvent contenir un matériau qui est un matériau ferromagnétique sensible à l'application des champs magnétiques de faible valeur ou un matériau ferroélectrique sensible à l'application de champs électriques de faible valeur. Le signal 6 de commande est un courant relativement petit ou un champ électrique relativement petit qui est utilisé pour l'ajustement de l'état initial du matériau non linéaire, cet ajustement modifiant le comportement des éléments non linéaires tels que 2 pendant la modulation du signal à haute fréquence de puissance élevée et modifiant en conséquence la fréquence du signal de sortie à haute fréquence. L'ajustement du signal de commande 6 permet alors des changements de la fréquence de sortie à haute fréquence en 4, sous forme pulsée. Ainsi, dans le mode de réalisation de la figure 1, le matériau de l'élément linéaire est un matériau ferromagnétique sensible à un champ magnétique. Le matériau ferromagnétique est un matériau magnétique saturable et les selfs 2 sont de préférence formées d'un fil conducteur qui est enfilé dans des perles magnétiques tendres de ferrite qui peut se saturer (non représentées). Dans ce cas, le champ magnétique associé au courant de l'impulsion d'entrée au point 3 (habituellement à 2 kA) est appliqué au toroïde de ferrite en direction circonférentielle. Lorsque le matériau magnétique est à un état non saturé, sa présence accroît la valeur de chaque inductance du circuit à une valeur supérieure à Lo. Si le matériau magnétique est mis à force à un état saturé, la valeur de l'inductance tombe à la valeur limite inférieure de Lo. Ainsi, lorsque le signal de commande 6 est un courant électrique variable relativement petit, un champ magnétique variable de faible valeur est créé au niveau des selfs 2 pour l'ajustement de l'état initial de l'élément non linéaire 2 et pour la modification de son comportement pendant la modulation d'un signal à haute fréquence de puissance élevée afin que la fréquence du signal à haute fréquence transmis au point 4 soit changée. Le matériau magnétique non linéaire qui est incorporé à la self 2 peut être utilisé pour assurer la propagation de l'impulsion d'entrée par le circuit 1. La présence du matériau magnétique non saturé dans chacune des selfs du circuit empêche la circulation du courant le long de la ligne de transmission dans le circuit 1 si bien que la vitesse de propagation de la grande impulsion d'entrée est réduite par la présence du matériau magnétique non saturé. En conséquence, l'impulsion de courant injectée se propage de l'entrée 3 vers le point de sortie 4 à une vitesse qui est déterminée en partie par l'état initial de l'élément non linéaire ou self 2. Les caractéristiques dispersives du circuit 1 donnent l'effet naturel selon lequel la vitesse de phase d'un signal oscillant dépend de la fréquence d'oscillation du signal. La figure 2 représente un exemple de courbe de dispersion d'un circuit tel que représenté sur la figure 1, sur laquelle il est manifeste que la vitesse de phase d'un signal oscillant dans le circuit 1 dépend de la fréquence d'oscillation du signal. Lorsqu'une impulsion électrique a une partie supérieure plate et est injectée dans le circuit 1 au point 3, de l'énergie est transférée à une composante du signal oscillant dont la fréquence d'oscillation est déterminée par une courbe telle qu'indiquée par la référence 10 sur la figure 2. Chaque valeur de la vitesse de phase a une valeur correspondante de la fréquence d'oscillation. L'effet du changement de la vitesse de propagation de l'impulsion injectée dans le générateur de la figure 1 est un changement de la fréquence du signal à haute fréquence qui est excité dans le circuit 1. L'utilisation du dispositif 5 pour l'ajustement de la condition initiale de la self ou élément non linéaire 2 permet le réglage de la vitesse de propa- gation de l'impulsion d'entrée et en conséquence le réglage de la fréquence du signal de sortie à haute fréquence au point 4. Dans le cas d'un défaut de linéarité à base d'un matériau magnétique saturable, l'état initial du matériau magnétique peut être ajusté par circulation d'un petit courant continu habituellement inférieur à 1 A dans les selfs 2. L'injection du courant de sens, constituant un signal de commande 6, avant l'injection de l'impulsion de courant élevé au point 3 établit la condition dé l'élément non linéaire ou self 2 si bien que le circuit 1 produit une fréquence particulière de sortie à haute fréquence. La variation du niveau du courant continu du signal de commande 6 permet la variation de la fréquence de sortie à haute fréquence. Comme représenté sur la figure 1, le dispositif 5 comporte une source 11 d'un courant continu de faible puissance qui est appliqué du côté d'entrée du circuit électrique dispersif non linéaire 1 au point 3 et qui est renvoyé vers la source depuis le côté de sortie au point 4. Ainsi, le courant continu circule dans chacune des selfs 2 de ligne de transmission. Le passage du courant continu dans les selfs 2 produit un champ magnétique, autour de chaque self, couplé au matériau magnétique saturable dans chaque self. Les signaux 6 de réglage de courant continu peuvent être utilisés pour l'établissement d'une condition initiale du matériau magnétique saturable dans chaque self 2 et en fait ils sont utilisés pour l'établissement du matériau magnétique saturable à un certain point de sa boucle d'hystérésis. La position de réglage initial peut être modifiée de façon continue entre des valeurs positive et négative de saturation du matériau magnétique saturable par sélection de l'intensité du courant continu de façon convenable. Le dispositif 5 comprend aussi des éléments 12 de protection de circuit destinés à protéger la source 11 contre l'impulsion à haute tension qui est injectée au point 3 vers le circuit 1. L'ajustement du signal 6 en courant continu peut être obtenu en un temps court et, par exemple dans le générateur de la figure 1, la fréquence de sortie peut être changée en moins de 1 ms. Le dispositif 5 comprend aussi une commande 13 d'ordinateur et la fréquence de l'impulsion de sortie à haute fréquence peut présenter des gradins, de manière linéaire, d'une impulsion à une autre, dans toute la plage d'accord du générateur. Il est aussi possible de produire des fréquences aléatoires à haute fréquence d'une impulsion à une autre dans les limites de la plage d'accord de la source de haute fréquence ou de produire des signaux de sortie à haute fréquence statistiquement pondérés afin que l'énergie émise soit optimisée en fonction de la fréquence. La plage d'accord des hautes fréquences qui peuvent être créées par un générateur tel que représenté sur la figure 1 peut être d'au moins 20 % de la fréquence nominale centrale. Il s'agit d'une large plage par rapport aux gêné- rateurs classiques de hautes fréquences de puissance élevée. De préférence, le circuit dispersif non linéaire 1 doit être réalisé afin qu'il donne une grande variation de la fréquence d'oscillation pour une petite variation de la vitesse de phase. Bien entendu, diverses modifications peuvent être apportées par l'homme de l'art aux générateurs qui viennent d'être décrits uniquement à titre d'exemple non limitatif sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1. Générateur d'impulsions dispersives non linéaires destiné à produire des signaux électriques pulsés à haute fréquence, caractérisé en ce qu'il comprend un circuit électrique dispersif non linéaire (1) comprenant au moins un élément non linéaire (2) formé d'un matériau sensible à des signaux de faible puissance, et un dispositif (5) destiné à produire un signal de commande de puissance variable et à appliquer le signal de commande à au moins l'élément non linéaire pour modifier la valeur du défaut de linéarité de l'élément et faire varier ainsi la fréquence de sortie du signal électrique à haute fréquence créé. 2. Générateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le circuit électrique dispersif non linéaire (1) comprend plusieurs éléments non linéaires sous forme de selfs (2) interconnectées en série, un premier arrangement (7) de condensateurs de couplage reliant chacun le côté d'entrée d'une self (2) au côté de sortie de la self suivante alignée pour donner des caractéristiques disper- sives, et un second arrangement (8) de condensateurs placés en parallèle les uns aux autres afin que chaque condensateur du second arrangement (8) connecte le côté d'entrée d'une self différente à une ligne électrique commune. 3. Générateur selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que le matériau de l'élément ou de chaque élément non linéaire (2) est un matériau ferromagnétique sensible à un champ magnétique, et le dispositif (5) destiné à produire le signal de commande est destiné à produire un courant électrique variable relativement petit qui crée un champ magnétique variable de faible valeur qui est appliqué au matériau ferromagnétique pour ajustement de l'état initial de l'élément non linéaire (2) et pour modifier le comportement de l'élément non linéaire pendant la modulation d'un signal à hautes fréquences de puissance élevée afin que la fréquence du signal à hautes fréquences transmis par le générateur soit modifiée. 4. Générateur selon la revendication 3, caractérisé en ce que le dispositif (5) destiné à produire le signal de commande comprend une source (11) d'un courant continu de faible puissance qui est appliqué au côté d'entrée du circuit électrique dispersif non linéaire avec un signal d'entrée à haute tension et qui est renvoyé à la source par le côté de sortie du circuit électrique dispersif non linéaire à la sortie du signal à haute fréquence, et une commande (13) à ordinateur destinée à faire varier la valeur du courant continu de faible puissance pour faire varier la fréquence du signal de sortie à haute fréquence. 5. Générateur selon l'une des revendications 1 et 2, rl caractérisé en ce que le matériau de l'élément ou de chaque élément non linéaire (2) est un matériau ferroélectrique sensible à un champ électrique, et dans lequel le dispositif (5) destiné à produire le signal de commande est destiné à produire un champ électrique variable de faible valeur qui est appliqué au matériau ferroélectrique pour ajuster l'état initial de l'élément non linéaire et modifier le comportement de l'élément non linéaire pendant la modulation d'un signal à haute fréquence de puissance élevée afin que la fréquence du signal à haute fréquence transmis par le générateur soit changée.