Brevet FR2913831A1 — publié le 20080919

La présente invention concerne un générateur d'impulsions à hautes fréquences pour aérien en phase, convenant particulièrement bien à la production de plusieurs signaux électriques pulsés à hautes fréquences. Dans le domaine des générateurs de hautes fréquences et d'hyperfréquences de grande puissance, il est avantageux de pouvoir faire fonctionner plusieurs sources dans un aérien en phase. L'expression "puissance élevée" désigne les puissances de crête d'au moins 1 MW et de préférence des puissances de crête pouvant atteindre au moins 100 MW. En outre, dans le présent mémoire, l'expression "hautes fréquences" est utilisée pour désigner le rayonnement depuis les hautes fréquences jusqu'aux hyperfréquences ou micro-ondes du spectre électromagnétique. Il est souhaitable de faire travailler plusieurs sources émettrices individuelles de hautes fréquences dans un aérien dans lequel la phase relative d'émission de hautes fréquences pour chaque élément peut être réglée. Cette disposition permet la création de puissances élevées du rayonnement à distance de la source de l'aérien en phase et permet aussi la formation d'un faisceau dirigé d'un rayonnement. Le fonctionnement des émetteurs d'un aérien en phase est courant pour les faibles puissances, pour chaque élément de l'aérien, par exemple à moins de 100 kW, mais les sources existantes à hautes fréquences qui sont utilisées pour des impulsions à hautes fréquences de puissances élevées pouvant atteindre 100 MW et plus ne peuvent pas travailler dans des aériens en phase. Les sources classiques de hautes fréquences et d'hyper- fréquences de grandes puissances sont des magnétrons, des klystrons et des tubes à ondes progressives. En général, ces dispositifs travaillent par création d'un faisceau d'électrons qui passe dans une structure mécanique périodique. Le faisceau d'électrons interagit avec la structure mécanique et de l'énergie est extraite du faisceau d'électrons pour la production d'un champ à hautes fréquences ou en hyperfréquences à l'intérieur de la structure mécanique qui est habituellement une cavité. L'énergie à hautes fréquences ou 2 en hyperfréquences est alors extraite de la emvù .a manière nécessaire. Des émetteurs radars ont utilisé des dispositifs à faisceau d'électrons et cavité résonnante de ce type et des aériens en phase ont été mis au point par utilisation de ces dispositifs. De manière classique, la formation du faisceau dans un ensemble d'éléments émetteurs à hautes fréquences est réglé par balayage de phase et balayage de retard temporel. De manière classique, des circuits déphaseurs à balayage de phase sont incorporés à la sortie de chaque élément modulateur à hautes fréquences, les déphaseurs étant commandés électroniquement afin qu'ils règlent l'excitation en phase de chacun des éléments rayonnants. Des déphaseurs classiques mettent en oeuvre habituellement des diodes ou des composants à base d'une ferrite. La capacité de gestion de puissance de ces déphaseurs à diodes est en général limitée à une puissance de crête d'environ 1 kW et la capacité de gestion de puissance des déphaseurs classiques à ferrite est limitée à une puissance de crête d'environ 100 kW. Dans le cas du balayage à retard dans le temps, des retards variant par quantités élémentaires sont introduits de manière classique entre chaque modulateur de haute fréquence et l'élément rayonnant correspondant. Ces retards peuvent être introduits par l'incorporation de lignes à retard commutées ou de circulateurs commutés, mais ces dispositifs à retard à commande électronique classique ont aussi une capacité de gestion de puissance qui est limitée à une puissance de crête d'environ 100 kW. Il est donc nécessaire de disposer d'un générateur d'impulsions à hautes fréquences pour aérien en phase de type perfectionné de façon générale, qui permet un réglage électronique de la phase relative des différentes parties incorporées qui produisent les impulsions à hautes fré- quences avec une puissance élevée de crête, par exemple de 100 MW ou plus. Dans un premier aspect, l'invention concerne un générateur d'impulsions à hautes fréquences pour aérien en 3 phase, destiné à produire plusieurs signaux électriques pulsés à hautes fréquences, qui comprend plusieurs unités génératrices d'impulsions à hautes fréquences, ayant chacune un circuit électrique dispersif non linéaire qui comporte au moins un élément non linéaire comprenant 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 l'élément non linéaire au moins pour modifier l'amplitude du défaut de linéarité de l'élément et à faire varier ainsi le moment du signal électrique de sortie à hautes fréquences qui est créé, et un dispositif d'ajustement de la valeur des signaux de commande incorporé à chaque unité et destiné à faire varier les phases relatives des signaux de sortie des unités génératrices d'impulsions à hautes fréquences dans un aérien en phase d'une impulsion à la suivante. De préférence, chaque circuit électrique dispersif non linéaire d'unité comprend plusieurs éléments non linéaires sous forme de selfs interconnectées en série, un premier ensemble de condensateurs de couplage reliant chacun le côté d'entrée d'une self au côté de sortie de la self suivante sous forme alignée pour assurer la dispersion, et un second ensemble de condensateurs disposés parallèlement les uns aux autres afin que chaque condensateur du second ensemble connecte le côté d'entrée d'une self différente à une ligne électrique commune. Il est commode que le matériau de l'élément ou de chaque élément non linéaire soit un matériau ferromagnétique sensible à un champ magnétique, et que le dispositif pro-ducteur du signal de commande soit 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 l'ajustement de l'état initial de l'élément linéaire et la modification du comportement de l'élément non linéaire pendant la modulation d'un signal à hautes fréquences de grande puissance destiné à modifier le moment auquel le signal à hautes fréquences est transmis par l'unité génératrice. Chaque dispositif de production d'un signal de commande comprend avantageusement une source d'un courant continu de faible puissance 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 depuis le côté de sortie du circuit électrique dispersif non linéaire à la sortie du signal à hautes fréquences. De préférence, le matériau de l'élément ou de chaque élément non linéaire est un matériau ferroélectrique sen- sible à un champ électrique, et chaque dispositif producteur d'un signal de commande est destiné à produire un champ électrique de faible valeur variable qui est appliqué au matériau ferroélectrique pour l'ajustement de l'état initial de l'élément non linéaire et la modification du comportement de l'élément non linéaire pendant la modulation d'un signal à hautes fréquences et de grande puissance afin que le moment de l'émission du signal à hautes fréquences par l'unité génératrice soit modifié. Il est commode que le dispositif d'ajustement du signal de commande soit une commande à ordinateur reliée à chaque source de courant continu de faible puissance et destinée à faire varier la valeur des signaux de commande transmis à chaque unité. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront mieux de la description qui va suivre d'exemples de réalisation, faite en référence aux dessins annexés sur lesquels : la figure 1 est un schéma d'un circuit électrique dispersif non linéaire faisant partie d'une unité généra- trice d'impulsions à hautes fréquences utilisée dans un générateur selon l'invention, la figure 2 est un graphique représentant la variation de la fréquence d'oscillation avec la vitesse de phase représentant un exemple de courbe de dispersion corres- pondant au circuit de la figure 1, et la figure 3 est une vue schématique d'un générateur d'impulsions à hautes fréquences pour aérien en phase selon la présente invention. Un signal pulsé à hautes fréquences est produit selon la présente invention par modulation d'une impulsion électrique dans un circuit électrique dispersif non linéaire portant la référence générale 1 sur la figure 1 des dessins annexés. Une impulsion électrique qui a un court temps de montée et une partie supérieure plate, bien que cette partie supérieure plate ne soit pas primordiale, est injectée dans le circuit 1 au point 2. Les caractéristiques dispersives et non linéaires du circuit 1 modifient la configuration de l'impulsion qui est injectée au point 2 avec production d'une impulsion de sortie à hautes fréquences au point 3. Le circuit 1 ne nécessite pas la production de faisceaux d'électrons puis l'interaction avec une structure mécanique résonnante, et le circuit peut être réalisé à l'état solide ou sous forme de semi-conducteur car il ne contient aucun élément sous vide, aucun aimant de grande dimension et aucune source de gaz. Le processus de formation des hautes fréquences dans le circuit 1 est un processus complexe qui repose sur l'interaction de la dispersion et du défaut de linéarité. Des facteurs tels que le rendement de création des hautes fréquences, la fréquence du signal de sortie à hautes fréquences et la durée de l'impulsion de sortie à hautes fréquences dépendent de détails particuliers des caractéristiques dispersives et non linéaires du circuit. Cependant, l'utilisation d'un circuit dispersif non linéaire 1 permet la formation de signaux à hautes fréquences ayant des puissances de crête extrêmement élevées, capables de produire des impulsions dont les puissances de crête sont supérieures ou égales à 100 MW. Le générateur d'impulsions à hautes fréquences pour aérien en phase selon l'invention tel que représenté sur la figure 3 des dessins annexés est destiné essentiellement à produire plusieurs signaux électriques pulsés à hautes fréquences 3a, 3b, 3c et 3d. A cet effet, le générateur comporte plusieurs unités génératrices d'impulsions à hautes fréquences 4, 4a, 4b et 4c. Le nombre d'unités utilisées dépend du nombre de signaux à hautes fréquences de sortie qui est nécessaire au point 3. Chaque unité 4, 4a, 4b, 4c a un circuit électrique dispersif non linéaire tel que représenté sur la figure 1 des dessins annexés, comprenant au moins un élément non linéaire tel qu'une self 5 contenant un matériau sensible à des signaux de faible puissance. Chaque unité 4, 4a, 4b et 4c comporte aussi un dispositif 6 destiné à produire un signal 7 de commande de puissance variable et à appliquer le signal 7 à l'élément non linéaire au moins 5 pour modifier l'amplitude du défaut de linéarité de l'élément 5 et faire ainsi varier le moment du signal de sortie électrique à hautes fréquences créé au point 3. Une variation du défaut de linéarité des circuits 1 est obtenue par sélection de composants non linéaires qui sont sensibles à des signaux de commande de faible puissance. Ainsi, les éléments non linéaires 5 contiennent un matériau, par exemple ferromagnétique, qui est sensible à un champ magnétique ou un matériau ferroélectrique qui est sensible à un champ électrique de faible valeur. Un signal 7 de commande de faible valeur, par exemple un courant ou un champ électrique relativement petit, est utilisé pour l'ajustement de l'état initial de l'élément non linéaire 5 dans chaque circuit 1 afin que le comportement de l'élément 5 soit modifié lors de la modulation du signal à hautes fréquences de grande puissance, puis pour changer le moment de la création du signal de sortie à hautes fréquences produit au point 3. L'ajustement des signaux de commande 7 de chaque circuit 1 permet alors des changements de phase relative des signaux de sortie des circuits 1 dans un aérien en phase, d'une impulsion à la suivante. Bien que la figure 3 des dessins annexés représente un mode de réalisation de l'invention dans une application qui utilise un matériau magnétique saturable pour les éléments 5, donnant des caractéristiques non linéaires, il faut noter que l'invention n'est pas limitée à l'utilisation de tels matériaux magnétiques saturables pour les éléments 5 qui peuvent aussi être constitués de matériaux ferroélectriques. Ainsi, dans le circuit de la figure 1 qui fait partie de chaque unité 4, il existe plusieurs éléments non 7 linéaires 5 sous forme de selfs interconnectées en série. Un premier ensemble de condensateurs de couplage 8, ayant chacun une capacité C' et reliant chacun le côté d'entrée d'une self 5 au côté de sortie de la self suivante 5 sous forme alignée pour assurer la dispersion, fait aussi partie de chaque circuit 1. En outre, chaque circuit 1 comprend un second ensemble de condensateurs 9 disposés parallèlement les uns aux autres afin que chaque condensateur 9 relie le côté d'entrée d'une self différente 5 à une ligne électrique commune 10. Chaque self 5 a une inductance Lo et chaque condensateur 9 a une capacité Co. Six selfs 5 sont représentées dans le circuit de la figure 1 et correspondent aux six sections d'une ligne de transmission à inductance-capacité, mais on peut utiliser autant de selfs que nécessaire. Les condensateurs 8 donnent des caractéristiques dispersives supplémentaires à la ligne de selfs pour accroître la convergence de l'énergie de l'impulsion d'entrée au point 2 vers le signal de sortie hautes fréquences au point 3. La position des condensateurs dispersifs ou de couplage 8 indiquée sur la figure 1 n'est qu'un exemple et des propriétés dispersives convenables peuvent être obtenues avec le circuit 1 dans d'autres dispositions de condensateurs ou d'autres éléments à selfs. Dans le cas d'un générateur de puissance élevée, l'impulsion d'entrée qui est injectée au point 2 dans le circuit 1 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 dans le circuit de la figure 1, la vitesse de propagation de l'impulsion étant déterminée en partie par la valeur de l'élément inductif Lo parmi les éléments ou selfs 5. Dans le circuit de la figure 1 et le mode de réalisation de la figure 3, un défaut de linéarité peut être ajouté au circuit 1 par incorporation d'un matériau magné-tique saturable dans chaque self 5. Par exemple, les selfs 5 peuvent être formées d'un fil conducteur qui est enfilé dans des perles magnétiquement douces de ferrite saturable. 8 Dans ce cas, le champ magnétique associé à l'impulsion d'entrée de 2kA est appliqué à un toroïde de ferrite en direction circonférentielle. Pendant que le matériau magné-tique est à un état non saturé, sa présence accroît la valeur de l'inductance de chaque circuit à une valeur supérieure à L0. Si le matériau magnétique est mis à force à un état saturé, la valeur de l'inductance tombe à la valeur inférieure de limitation Lo. Le matériau magnétique non linéaire peut être utilisé pour la propagation d'impulsions d'entrée le long de la ligne de transmission par le circuit 1. La présence du matériau magnétique non saturé dans chacun des éléments 5 inhibe la circulation du courant le long du circuit si bien que la vitesse de propagation de l'avant de l'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 vers la sortie du circuit 1 à une vitesse partiellement déterminée par l'état initial de l'élément 5 de circuit non linéaire. Si une impulsion électrique ayant une partie supérieure plate est injectée au point 2 dans le circuit 1, de l'énergie est transférée à une composante oscillante du signal à hautes fréquences. L'impulsion à hautes fréquences est formée au flanc avant de l'impulsion injectée d'entrée et le flanc avant du premier cycle à hautes fréquences coïncide avec le flanc avant de l'impulsion injectée lors de la propagation dans le circuit 1. L'effet du changement de vitesse de propagation de l'impulsion injectée dans le circuit de la figure 1 est un changement du moment d'arrivée de l'impulsion à hautes fréquences au point 3 de sortie. Ainsi, pour un matériau ferromagnétique de l'élément 5, le dispositif 6 qui produit le signal de commande comme représenté sur la figure 3 est une source d'un courant continu de faible puissance qui est appliqué au point 7 au côté d'entrée du circuit 1 avec la tension élevée d'entrée et qui est renvoyé à la source 6 depuis le côté de sortie du circuit 1 aux points 3, 3a, 3b, 3c, 3d de sortie du signal à hautes fréquences. Ainsi, l'état initial de chaque élément non linéaire 5 peut être 9 ajusté à l'aide du signal de commande 7 de manière que la vitesse de propagation de l'impulsion d'entrée soit réglée et en conséquence que le moment d'arrivée de l'impulsion de sortie à hautes fréquences au point 3 soit réglée. Dans le cas d'un défaut de linéarité mettant en oeuvre un matériau magnétique saturable, l'état initial du matériau magnétique peut être ajusté par circulation d'un petit courant continu habituellement inférieur à 100 mA dans les selfs 5. L'injection du courant continu avant l'injection de l'impulsion d'intensité élevée au point 2 établit l'état de l'élément non linéaire 5 afin que le circuit 1 permette une vitesse particulière de propagation. La variation du niveau 7 du signal de commande en courant continu permet alors la variation de la synchronisation de l'impulsion à hautes fréquences au point 3 de sortie du circuit 1. La fréquence de l'impulsion à hautes fréquences pro-duite au point 3 par chaque circuit 1 dépend de la vitesse de phase, cette dépendance étant indiquée sur la figure 2 pour un exemple de circuit 1 de transmission dispersif non linéaire. Ainsi, sur la figure 2, la courbe de dispersion est représentée au point 11. Une variation de l'état initial des éléments ou selfs 5 introduit aussi certains changements de fréquence des impulsions à hautes fréquences au point 3 en plus du changement du moment de l'impulsion à hautes fréquences au point 3. Cependant, l'amplitude des changements du défaut de linéarité des composants du circuit 1 qui sont nécessaires pour provoquer des changements notables de la fréquence d'oscillation à hautes fréquences sont bien supérieurs à ceux qui sont nécessaires pour provoquer des changements notables du moment de l'impulsion de sortie à hautes fréquences au point 3. Ainsi, le moment relatif des signaux à hautes fréquences peut être modifié sans introduction de variations importantes de la fréquence des impulsions à hautes fréquences provenant de chaque unité 4, 4a, 4b, 4c de l'aérien en phase. Les caractéristiques des circuits 1 peuvent être telles que la fréquence d'oscillation à hautes fréquences est relativement insensible à la variation de la vitesse de phase. Comme l'indique la figure 3, le passage du signal de commande en courant continu à partir de la source 6 s'effectue par l'intermédiaire de dispositifs de protection de circuit 12 qui protègent la source 6 contre une impulsion à haute tension qui est aussi injectée dans le circuit 1 au point 2. Le passage d'un signal de commande en courant continu de faible valeur dans les selfs 5 dans chaque circuit 1 produit un champ magnétique autour de chaque self 5 qui est couplé au matériau magnétique saturable de chaque self 5. Le signal 7 de commande en courant continu est utilisé pour l'établissement de l'état initial du matériau magnétique saturable dans chaque self 5 et est utilisé en fait pour la mise du matériau magnétique saturable à un certain point de sa boucle d'hystérésis. La position initiale, réglée peut varier de façon continue entre les valeurs positive et négative de saturation du matériau magnétique saturable par sélection de l'intensité du courant continu du signal 7 de manière convenable. Le générateur selon l'invention, tel que représenté sur la figure 3, comprend un ensemble de circuits 1 en phase et un dispositif 6 de production de signaux de commande sous forme d'un ensemble parallèle. Chaque circuit 1 est utilisé comme unité d'un aérien en phase et est commandé par un seul dispositif 13 d'ajustement de la valeur du signal de commande 7 transmis à chaque circuit 1 dans chaque unité 4, 4a, 4b et 4c afin que les phases relatives des signaux 3a, 3b, 3c et 3d provenant des unités 4, 4a, 4b et 4c varient dans un aérien en phase, d'une impulsion à la suivante. Comme représenté dans le mode de réalisation de la figure 3, chaque unité 4, 4a, 4b et 4c a son propre générateur associé 14, 14a, 14b et 14c d'impulsions d'entrée respectivement. Il est avantageux que le dispositif 13 d'ajustement de signaux de commande soit une commande à ordinateur directement reliée à chaque source 6 de courant continu de faible puis-sance par des lignes 15 et fasse varier la valeur du signal de commande 7 donné dans chaque unité 4, 4a, 4b et 4c. Bien que, dans le générateur selon l'invention tel que représenté sur la figure 4, quatre unités d'un aérien soient 11 représentées, le générateur peut avoir en pratique un nombre quelconque d'unités 4, 4a, 4b, 4c. Chaque antenne rayonnante, non représentée, est pilotée par un circuit dispersif non linéaire séparé 1, et chaque circuit est commandé par sa propre source 6. L'impulsion d'entrée injectée dans chaque circuit 1 peut être dérivée aussi d'une seule source d'impulsions d'entrée (non représentée) et, dans ce cas, une impulsion de très grande puissance est produite et est divisée pour alimenter les circuits individuels 1. Ainsi, le générateur de la figure 3 permet l'utilisation d'une alimentation en courant continu de faible puissance et relativement simple pour le réglage du moment relatif du signal de sortie d'un certain nombre d'unités 4 génératrices d'impulsions à hautes fréquences de très grande puissance. La variation de la valeur du courant du signal de commande 7 peut être réalisée en un temps court, par exemple inférieur à 1 ms. Cette technique augmente considérablement la puissance de crête qui peut être produite par un aérien en phase d'unité à hautes fréquences. Cette disposition permet aussi un ajustement rapide des phases relatives des unités 4. Il est bien entendu que l'invention n'a été décrite et représentée qu'à titre d'exemple préférentiel et qu'on pourra apporter toute équivalence technique dans ses élé-25 ments constitutifs sans pour autant sortir de son cadre. REVENDICATIONS 1. Générateur d'impulsions à hautes fréquences pour aérien en phase, destiné à produire plusieurs signaux électriques pulsés à hautes fréquences, caractérisé en ce qu'il comprend plusieurs unités (4, 4a, 4b, 4c) génératrices d'impulsions à hautes fréquences, ayant chacune un circuit électrique dispersif non linéaire (1) qui comporte au moins un élément non linéaire (5) comprenant un matériau sensible à des signaux de faible puissance, et un dispositif (6) destiné à produire un signal de commande de puissance variable et à appliquer le signal de commande à l'élément non linéaire (5) au moins pour modifier l'amplitude du défaut de linéarité de l'élément et faire varier ainsi le moment du signal électrique de sortie à hautes fréquences qui est, créé, et un dispositif (13) d'ajustement de la valeur des signaux de commande incorporé à chaque unité (4, 4a, 4b, 4c) et destiné à faire varier les phases relatives des signaux de sortie des unités (4, 4a, 4b, 4c) génératrices d'impulsions à hautes fréquences dans un aérien en phase d'une impulsion à la suivante. 2. Générateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que chaque circuit électrique dispersif non linéaire (1) d'unité (4, 4a, 4b, 4c) comprend plusieurs éléments non linéaires (5) sous forme de selfs interconnectées en série, un premier ensemble (8) de condensateurs de couplage reliant chacun le côté d'entrée d'une self au côté de sortie de la self suivante sous forme alignée pour assurer la dispersion, et un second ensemble (8) de condensateurs disposés parallèlement les uns aux autres afin que chaque condensateur du second ensemble (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 (5) est un matériau ferromagnétique sensible à un champ magnétique, et le dispositif (6) de production du signal de commande est destiné à produire un courant électrique variable relativement petit qui crée un champ magnétique variable de faible valeur qui est appliquéau matériau ferromagnétique pour l'ajustement de l'état initial de l'élément linéaire et la modification du comportement de l'élément non linéaire (5) pendant la modulation d'un signal à hautes fréquences de grande puissance destiné à modifier le moment auquel le signal à hautes fréquences est transmis par l'unité génératrice (4, 4a, 4b, 4c). 4. Générateur selon la revendication 3, caractérisé en ce que chaque dispositif (6) de production d'un signal de commande comprend une source d'un courant continu de faible puissance appliqué au côté d'entrée du circuit électrique dispersif non linéaire (1) avec un signal d'entrée â haute tension et qui est renvoyé à la source depuis le côté de sortie du circuit électrique dispersif non linéaire (1) à la sortie du signal à hautes fréquences. 5. Générateur selon l'une des revendications 1 et 2) caractérisé en ce que le matériau de l'élément ou de chaque élément non linéaire (5) est un matériau ferroélectrique sensible à un champ électrique, et chaque dispositif (6) de production d'un signal de commande est destiné à produire un champ électrique de faible valeur variable qui est appliqué au matériau ferroélectrique pour l'ajustement de l'état initial de l'élément non linéaire (5) et la modification du comportement de l'élément non linéaire (5) pendant la modulation d'un signal à hautes fréquences et de grande puissance afin que le moment de l'émission du signal à hautes fréquences par l'unité génératrice (4, 4a, 4b, 4c) soit modifié. 6. Générateur selon la revendication 4,/caractérisé en ce que le dispositif (13) d'ajustement du signal de commande est une commande à ordinateur reliée à chaque source de courant continu de faible puissance et destinée à faire varier la valeur des signaux de commande transmis à chaque unité (4, 4a, 4b, 4c).