Brevet FR2900001A1 — publié le 20071019

FRÉQUENCE RADIO ET SIGNAUX MICRO-ONDES La présente invention se rapporte aux signaux de fréquence radio (RF) et signaux micro-ondes et en particulier à la génération de signaux micro-ondes à haute puissance pour une utilisation dans des radars à haute résolution et des applications à Energie Dirigée. Le document intitulé Microwave generation in pulsed ferrites du J. App. Phys., Vol 37, No.3, 1966 de Shaw H.J., Elliott, B.J., Harker K.J., et Karp A., détaille un procédé pour la conversion d'énergie provenant d'un champ magnétique pulsé en un signal micro-onde dans un guide d'ondes. Le générateur de micro-ondes magnétique pulsé de Shaw repose sur une précession gyromagnétique d'impulsions dirigées dans une petite sphère de Grenat d'Yttrium et de Fer (YIG - Yttrium Iron Garnet ) pour convertir l'énergie provenant d'une impulsion de pompe en un signal micro-onde. Un petit échantillon sphérique (approximativement 1 mm de diamètre) de matériau magnétique est placé dans une cavité de guidage d'ondes micro-ondes. Un champ de polarisation magnétique puissant et constant est appliqué à la sphère magnétique dans le but d'aligner les moments magnétiques à l'intérieur du matériau magnétique. En conséquence, un puissant champ magnétique pulsé est appliqué à la sphère suivant un certain angle au champ de polarisation constant. Le champ magnétique pulsé entraîne un réalignement du vecteur de magnétisation dans la sphère sur une échelle de temps qui est similaire au temps de montée du champ de polarisation constant. Si le temps de montée est suffisamment court, le vecteur de magnétisation ne suit pas simplement le champ pulsé, mais le précède suivant la direction du champ appliqué. Cette précession gyromagnétique persiste pendant un certain temps qui est relatif au processus d'amortissement dans le matériau magnétique. Le vecteur de magnétisation de précession dans le matériau magnétique constitue un oscillateur à la fréquence de précession gyromagnétique. La sphère magnétique est située dans une cavité de guidage d'ondes de telle sorte que l'énergie provenant de l'oscillateur gyromagnétique est couplée dans le guidage d'ondes comme un signal électromagnétique. En conséquence, la sphère magnétique est utilisée comme un transducteur excité par impulsions qui convertit l'énergie provenant du champ magnétique pulsé en un signal micro-onde dans le guidage d'ondes. Les inconvénients de ce procédé de génération de signaux micro-ondes comprennent le fait que la quantité d'énergie et de puissance qui peut être convertie en un signal micro-onde est limitée par la nécessité d'avoir un petit échantillon sphérique de matériau magnétique, habituellement le YIG, pour obtenir une précession totalement cohérente tant temporellement que spatialement et, parce que le champ magnétique pulsé est produit en passant un important courant pulsé à travers une bobine externe, le rapport d'énergie micro-onde produit sur l'énergie stockée dans la bobine est inévitablement faible, puisque le champ magnétique pulsé est appliqué à un grand volume comparé au volume de la sphère. Un objet de la présente invention est de fournir un procédé et un appareil alternatifs pour la génération de signaux RF ou de signaux micro-onde pulsés. Selon un premier aspect de la présente invention, il est proposé un générateur de signaux RF ou micro-ondes comprenant un générateur d'impulsions vidéo et un modulateur de ligne de transmission configuré pour modifier les30 impulsions vidéo générées par précession gyromagnétique excitée par impulsions. Ceci transfèrera une portion de l'énergie de l'impulsion vidéo des basses fréquences à des fréquences RF ou micro-ondes produisant ainsi une forme d'onde résultante avec une composante RF et/ou micro-onde. Dans ce contexte, une impulsion vidéo est définie comme une impulsion électrique avec un temps de montée relativement court par rapport à la largeur d'impulsion, et une amplitude sensiblement constante sur la durée d'impulsion. Quand une impulsion vidéo est alimentée dans une antenne appropriée, une impulsion à Bande Ultra Large (UWB) peut être émise. Des formes d'onde UWB sont intéressantes pour les radars à haute résolution et les applications à Energie Dirigées parce que leur courte durée d'impulsion peut fournir une bonne résolution de la cible, et le contenu d'énergie à spectre très large a le potentiel pour d'être couplé avec une large gamme de caractéristiques sur une cible. Cependant, la majorité de l'énergie dans une forme d'onde d'impulsion vidéo est contenue dans des composants de spectre sous la région des 100 MHz et ainsi n'est pas émise dans la forme d'onde UWB. Il a été remarqué que la modulation de l'impulsion vidéo à une fréquence appropriée produit une impulsion modulée ayant un décalement significatif de contenu d'énergie aux fréquences radio et/ou micro-ondes, représentant une augmentation majeure de l'énergie qui peut être émise par l'antenne. Ainsi, la modulation de la forme d'onde permet que le signal émis soit focalisé à un plus grand degré et d'augmenter le champ d'émission qui peut être produit à une grande distance de la source. De préférence, le modulateur comprend une transmission non-linéaire contenant un matériau magnétique, ayant en outre de préférence d'importantes caractéristiques gyromagnétiques. Comme la modulation des ondes RF et/ou des micro-ondes est produite durant le parcours de l'onde, ceci enlève grandement la restriction sur le volume du matériau magnétique dont souffre l'art antérieur, permettant ainsi que des niveaux de puissance plus grands soient générés. Un matériau non-linéaire peut être utilisé pour former des ondes de choc électromagnétiques dans les lignes de transmission, par exemple, des lignes de transmission coaxiales comme mis en évidence par Katayev, I.G., Electromagnetic shock waves , Lliffe Books Ltd., 1996, et également Weiner M. et Silber L. dans Pulse sharpening effects in ferrites , IEEE Trans Magn 1981, MAG-17, pp1472-1477. Les lignes de transmission peuvent contenir des matériaux magnétiques saturés et peuvent être utilisées pour produire des impulsions électriques présentant des temps courts de montée d'impulsions. Ces dispositifs exploitent les propriétés de magnétisme non-linéaire des matériaux magnétiques pour former une onde de choc électromagnétique c'est-à-dire un changement très rapide dans les champs électriques et magnétiques à l'intérieur de la ligne de transmission. Le taux de changement de ces champs est déterminé par la réponse dynamique limiteuse du matériau magnétique aux puissants champs appliqués. Dans les modes d'exécution pratiques de ces dispositifs, une impulsion électrique est injectée dans la ligne de transmission coaxiale contenant le matériau magnétique. Comme l'impulsion électrique se propage le long de la ligne de transmission, le bord avant de l'impulsion d'entrée est modifié par le magnétisme non-linéarité, le temps de montée de l'impulsion devenant progressivement plus petit jusqu'à ce que le temps de réponse limiteuse soit atteint. Une fois que le temps de réponse limiteuse est atteint, l'impulsion continue de se propager avec ce temps de montée. Ce type de ligne de choc électromagnétique peut être utilisé pour former des impulsions vidéo avec des temps de montée sous la nanoseconde. Un mode d'exécution d'une ligne de transmission de cette invention permet qu'une source d'impulsion vidéo à haute puissance soit modifiée pour donner à la forme d'onde et à la fréquence les caractéristiques d'une source impulsée RF ou micro-onde. Les caractéristiques électriques et magnétiques de la ligne de transmission non-linéaire, et des matériaux de construction, sont choisies pour produire une forte précession gyromagnétique de magnétisation à l'intérieur des composants magnétiques quand une impulsion électrique est injectée dans la ligne de transmission. La précession gyromagnétique induite influence les caractéristiques de propagation de l'impulsion électrique injectée et module l'impulsion aux fréquences RF et/ou micro-ondes. La forme d'onde résultante à la sortie de la ligne de transmission non-linéaire est une impulsion qui est modulée avec un composant RF et/ou micro-onde. Les caractéristiques de modulation sont déterminées par la conception de la ligne de transmission non-linéaire et le choix des matériaux magnétiques appropriés qui démontrent un fort comportement gyromagnétique. Le générateur d'impulsion peut produire une impulsion de pompage. Cette conception autorise qu'une interaction étendue physiquement et électriquement soit réalisée entre le signal de pompage et le matériau magnétique. Les avantages de ce système sont qu'un volume significativement plus important de matériau magnétique peut être excité par une onde voyageant dans une ligne de transmission, et l'énergie dans l'impulsion de pompage est utilisée de manière efficace. En conséquence, l'efficacité de conversion d'énergie de ce dispositif est considérablement plus élevée que celle obtenue avec les dispositifs de l'art antérieur. Le signal RF et/ou le signal de micro-onde qui est généré par précession gyromagnétique dans le matériau magnétique est supportée par la ligne de transmission et apparaît comme une modulation sur l'impulsion vidéo de pompage ; en conséquence, un guide d'onde séparé n'est pas nécessaire pour extraire le signal RF et/ou micro--onde. Le profil spectral de l'impulsion résultante de sortie peut être déterminé par le réglage de la fréquence de sortie en ajustant la fréquence à laquelle les impulsions vidéo sont modulées en variant l'amplitude du champ magnétique axial constant Ha., et/ou l'amplitude de l'impulsion de pompage et/ou les dimensions du matériau magnétique et de la structure coaxiale. Un champ magnétique externe peut être appliqué à la ligne de transmission. Ce champ magnétique peut présenter des composants orientés axialement ou autrement par rapport à la ligne de transmission. De préférence, la ligne de transmission comprend des isolants à faible perte diélectrique tels que du polytétrafluoroéthylène (PTFE) ou le polypropylène. La ligne de transmission peut présenter des conducteurs réalisés en cuivre, en argent ou en d'autres matériaux hautement conducteurs pour minimiser une dissipation par résistance. Selon un second aspect de l'invention, il est proposé une antenne ayant un générateur de signal micro-onde comme décrit précédemment. Selon un troisième aspect de l'invention, il est proposé un procédé de génération de signaux micro-ondes comprenant les étapes de : - génération d'impulsions vidéo à court temps de montée ; et - modification de l'énergie des impulsions vidéo de fréquences sous la gamme RF ou micro-onde en fréquences dans la gamme RF ou micro-onde, produisant ainsi une forme d'onde résultante ayant un composant RF ou micro-onde. On comprendra mieux l'invention à l'aide de la description, faite ci-après à titre purement explicatif, d'un mode de réalisation de l'invention, en référence aux figures annexées : - la figure 1 illustre une comparaison graphique des formes d'onde temporelles d'une forme d'onde vidéo et d'une forme d'onde modulée de façon propre à engendrer un décalement de contenu énergétique significatif par rapport aux fréquences micro-ondes ; - la figure 2 illustre les spectres de Fourier associés avec la forme d'onde vidéo et la forme d'onde vidéo modulée de la figure 1 ; - la figure 3 illustre un diagramme schématique d'un appareil pour la génération de signaux micro-ondes selon 30 l'invention ; - la figure 4 illustre une vue en détail de la disposition géométrique de la structure de la ligne de transmission coaxiale et du matériau magnétique utilisé dans l'appareil de la figure 3 ; la figure 5 illustre une représentation schématique du champ magnétique appliqué à la ligne de transmission non-linéaire de la figure 4. La figure 1 compare la forme d'onde de temps d'une impulsion électrique vidéo typique 1, avec un temps de montée de 0,1 ns et une durée d'impulsion de 1,5 ns et la forme d'onde de temps d'une impulsion micro-onde modulée 2. L'impulsion électrique vidéo peut typiquement être utilisé pour faire fonctionner directement une antenne UWB. La figure 2 montre les spectres de Fourier d'une onde de forme d'impulsion vidéo non modulée 3, et une forme d'onde micro-onde modulée 4. A partir de la figure 2, on peut voir que la majorité de l'énergie dans l'impulsion vidéo 1 est contenue dans les composants spectraux sous la région de 100 MHz et qu'il y a une très faible énergie dans les composants à haute fréquence. Ainsi, une portion importante des composants de l'impulsion vidéo ne seront pas émis par une antenne parce que la plupart des composants présenteront une fréquence en-dessous de l'interruption de l'antenne. Cependant, le spectre de Fourier de la forme d'onde modulée 4 montre un pic majeur 20 à la fréquence de modulation. Cela représente une énergie décalée des fréquences vidéo jusqu'aux fréquences micro-ondes et une augmentation majeure de l'énergie qui peut être émise de façon pratique par une antenne parce qu'une portion importante des composants à impulsions modulées ont des fréquences au-dessus de l'interruption de l'antenne. L'appareil de la figure 3 comprend un générateur d'impulsion vidéo à haute puissance 5. Le générateur d'impulsion 5 produit une impulsion de pompage. L'impulsion de pompage est un signal vidéo à haute puissance avec une durée de typiquement 1 à 10 ns et un temps de montée d'impulsion d'approximativement 0,1 ns. L'amplitude de tension de cette impulsion de pompage est dépendante de l'application et peut être de moins de 10 kV à plusieurs 100 kV. De tels générateurs d'impulsions sont typiquement commutés par des thyratrons hydrogène ou des semi-conducteurs à haute puissance et sont produits par des firmes spécialistes dont Kentech Ltd et FID Technologies GmbH. Le générateur d'impulsions peut aussi contenir une forme quelconque de ligne de choc électromagnétique pour l'affinage de l'impulsion. Le générateur d'impulsions est injecté dans une ligne de transmission non-linéaire 6 (par exemple une ligne de transmission coaxiale) qui contient un matériau magnétique 10 (voir figure 4) qui est choisi pour supporter de fortes caractéristiques gyromagnétiques. Une structure magnétisante 7 est fournie autour de l'extérieur de la ligne de transmission 6 afin d'appliquer une polarisation au matériau magnétique 10. La sortie de la ligne de transmission non-linéaire 6 est alimentée par une structure de charge appropriée 8 telle qu'une antenne. La figure 4 montre la structure d'une ligne de transmission coaxiale 6. Dans ce mode d'exécution, des tores magnétiques 9 sont placés coaxialement autour d'un conducteur central 13 de la ligne de transmission 6. Le matériau magnétique 10 entoure les tores 9. Les tores 9 sont tour à tour entourés par un diélectrique isolant à haute tension 11 tel que du polytétrafluoroéthylène (PTFE) et celui-ci est enfermé par le retour du conducteur 12 de la ligne de transmission 6. En se référant à la figure 5, un champ magnétique constant Hax est généré par la structure magnétique 7 et ce champ est appliqué à la ligne de transmission non linéaire 6 dans une orientation axiale ou suivant d'autres orientations. Le but du champ magnétique constant Hax est d'aligner le vecteur de magnétisation du matériau magnétique 10 le long d'un axe particulier, typiquement la direction axiale de la ligne de transmission 6. L'alignement initial des magnétisations est un préalable pour la stimulation de précession gyromagnétique. La source externe du champ magnétique 7 peut être un solénoïde qui est enroulé autour de la ligne de transmission 6 ou un ensemble d'aimants permanents disposés de manière appropriée. L'impulsion de pompage produit un champ magnétique Hc circonférentiel I/23rr, où I est le courant d'impulsion et r est le rayon moyen du matériau magnétique, dans la ligne de transmission 6, qui fait tourner le vecteur magnétique 10 depuis la direction initiale vers la direction circonférentielle. Le taux selon lequel le vecteur de magnétisation du matériau magnétique 10 est tourné dépend du temps de montée de l'impulsion de pompage, et le temps de montée de l'impulsion de pompage doit en conséquence être aussi court que possible. Un temps de montée suffisamment court vers l'impulsion de pompage amènera le vecteur de magnétisation dans le matériau magnétique 10 à une précession gyromagnétique suivant la direction du réseau appliqué au champ magnétique à un taux défini par l'expression : dM _ yuo MxH + a . Mx dM dt Ms dt où . dM dt est le taux de changement de magnétisation dans le matériau magnétique 10, y est le rapport gyromagnétique, o est la perméabilité de l'espace libre, M est la magnétisation du matériau magnétique 10, H est le champ magnétique appliqué, a est le facteur d'amortissement, M. est la magnétisation de saturation du matériau magnétique 10. La précession du vecteur de magnétisation du matériau magnétique 10 fournit un composant à champ magnétique oscillatoire dans la ligne de transmission 6. Ce composant de champ de précession dans le matériau magnétique s'associe au champ de l'impulsion de pompage pour produire une modulation de l'amplitude de l'impulsion de pompage. La longueur de la ligne de transmission non-linéaire 6 requise pour que le signal modulé amorce son amplitude à état stable est typiquement de 5 à 50 cm. La durée de la modulation micro-onde qui peut être développée en pratique est typiquement dans la région de 1 à 5 ns pour une impulsion unique. La profondeur et la durée de modulation de l'impulsion de pompage dépendent des caractéristiques de précession gyromagnétique du matériau magnétique 10 (habituellement de la ferrite ou du Grenat d'Yttrium et de Fer (YIG - Yttrium Iron Garnet )), et également des mécanismes de perte diélectrique et de conductivité dans la ligne de transmission 6. La précession gyromagnétique est excitée par le bord avant de l'impulsion de pompage et persiste pendant un certain temps qui est déterminé par les mécanismes d'amortissement et de perte à la fois dans le matériau magnétique 10 et la structure de la ligne de transmission 6. Des taux de perte inférieure entraînent des profondeurs de modulation plus importantes et des périodes d'affaiblissement plus longues. La contribution principale à l'affaiblissement de précession est l'amortissement gyromagnétique dans le matériau magnétique 10. Afin de produire le signal de forme d'onde le plus long, il est ainsi préférable d'utiliser des matériaux ayant des pertes gyromagnétiques faibles tels que des matériaux en ferrite structure de grenat sous forme de cristal unique ou polycristalline. Il est également préférable de réduire les pertes de haute fréquence dans la structure de la ligne de transmission 6 en utilisant des isolants à faible perte diélectrique 11 tels que le PTFE ou le polypropylène et également de minimiser une dissipation due à la résistance dans les conducteurs de la ligne de transmission 6 en utilisant des matériaux à haute conductivité tels que le cuivre, l'argent ou l'or. Il est possible de régler la fréquence de sortie. La fréquence de précession gyromagnétique est dépendante des propriétés du matériau magnétique 10 qui est utilisé, de l'amplitude du champ magnétique constant HaX, de l'amplitude de l'impulsion de pompage et des dimensions du matériau magnétique et de la structure coaxiale. L'amplitude du champ magnétique axial HaX et/ou l'amplitude de l'impulsion de pompage peut ainsi être utilisée pour ajuster la fréquence de modulation micro-onde et en conséquence pour déterminer le profil spectral de l'impulsion de sortie résultante. Le dispositif peut être appliqué dans un mode à taux de répétition ultra élevé. La puissance émise est déterminée par le produit de l'énergie d'impulsion par le taux de répétition de l'impulsion. La puissance émise peut ainsi être augmentée en augmentant le taux de répétition d'impulsion. La puissance maximum et le taux de répétition sont limités par des considérations thermiques et de refroidissement. Le temps de récupération après une seule impulsion envoyée est de l'ordre de 5 ns. Ceci signifie qu'il est faisable de diriger la ligne de transmission dans un mode en rafale à des taux de répétition d'impulsion extrêmement élevés jusqu'à un ordre de 100 à 200 MHz ou plus. Des techniques pour générer de telles rafales d'impulsions peuvent impliquer une commutation de semi- conducteur spécialisé ou l'utilisation d'un réseau formant des impulsions (PFN's). Une succession rapide d'impulsions vidéo, soit de même polarité soit de polarité alternée, peut ainsi être utilisée pour produire une succession rapide de signaux micro-ondes, c'est-à-dire créant un train de rafales micro-ondes quasi-continu. REVENDICATIONS 1. Générateur de signal Radio Fréquence (RF) ou micro-onde comprenant un générateur d'impulsion vidéo, un modulateur de ligne de transmission (6) configurée pour modifier les impulsions vidéo générées par une action gyromagnétique excitée par impulsion pour transférer une portion d'énergie des impulsions vidéo depuis des fréquences plus basses vers une fréquence de sortie ayant des fréquences dans la gamme RF ou micro-onde produisant ainsi une forme d'onde résultante RF ou micro-onde. 2. Générateur de signal RF ou micro-onde selon la revendication 1, caractérisé en ce que le modulateur comprend une ligne de transmission (6) non linéaire contenant un matériau magnétique. 3. Générateur de signal RF ou micro-onde selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'un champ magnétique 20 est appliqué à une ligne de transmission (6). 4. Générateur de signal RF ou micro-onde selon la revendication 3, caractérisé en ce que le champ magnétique présente un composant orienté axialement vers la ligne de 25 transmission (6). 5. Générateur de signal RF ou micro-onde selon l'une quelconque des revendications 2 à 4, caractérisé en ce que la ligne de transmission (6) comprend des isolants à faible 30 perte diélectrique. 6. Générateur de signal RF ou micro-onde selon l'une quelconque des revendications 2 à 5, caractérisé en ce quela ligne de transmission (6) présente des conducteurs réalisés en cuivre, argent ou or. 7. Générateur de signal RF ou micro-onde selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le générateur d'impulsion produit une impulsion de pompage. 8. Générateur de signal RF ou micro-onde selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend en outre un réglage de fréquence de sortie pour ajuster la fréquence à laquelle les impulsions vidéo sont modulées. 9. Antenne ayant un générateur de signal RF ou micro-onde selon l'une quelconque des revendications précédentes. 10. Procédé de génération de signaux Radio Fréquence (RF) ou micro-ondes comprenant les étapes de : - génération d'impulsions vidéo à haute puissance ; et, - modification d'énergie des impulsions vidéo depuis des basses fréquences en fréquences dans la gamme RF ou micro-onde, produisant ainsi une forme d'onde avec un composant RF ou micro-onde. 11. Procédé de génération de signaux Radio Fréquence (RF) ou micro-ondes selon la revendication 10, caractérisé en ce que les impulsions vidéo à haute puissance sont générées par une action gyromagnétique excitée par impulsions.