Brevet FR3031191A1 — publié le 20160701

Oscillateur commuté compact dans un diélectrique liquide La présente invention concerne une installation d'émission d'une onde électromagnétique à oscillateur commuté comprenant : - une ligne de transmission d'une onde électromagnétique jusqu'à une antenne disposée à une première extrémité, ladite ligne de transmission comprenant une âme, un blindage entourant l'âme et un matériau diélectrique, remplissant l'espace entre l'âme et le blindage, et - un éclateur, relié à une deuxième extrémité de la ligne de transmission, opposée à la première extrémité, l'éclateur comportant deux électrodes reliées respectivement à l'âme et au blindage et entre lesquelles est disposé un liquide diélectrique de commutation. Les systèmes HPM (hautes puissances micro-ondes) sont des systèmes générant des impulsions électromagnétiques de puissance extrêmement élevée. Ils peuvent notamment être utilisés pour désactiver à distance des appareils électroniques tels que des ordinateurs présents dans leur zone d'émission par émission d'une onde électromagnétique de forte amplitude. Les systèmes de rayonnement mesoband constituent un type particulier de système HPM présentant une largeur de bande modérée, de l'ordre de 20%. Ces systèmes sont intermédiaires entre les systèmes très large bande (« ultra wide band » en anglais) et les systèmes à bande étroite (« narrow band » en anglais). Les systèmes mesoband, à fréquence d'émission fixe, concentrent toute leur énergie dans une bande de fréquence modérée centrée sur une seule fréquence. Cette fréquence doit correspondre à la fréquence susceptible de perturber l'appareil électronique à désactiver. Un exemple d'un tel système de rayonnement mesoband est l'oscillateur commuté (encore appelé SWO ou « switched oscillator » en anglais), développé par Carl Baum et décrit dans la publication « Switched Oscillators », Circuit and Electromagnetic System Design Notes #45, Ed. Albuquerque, NM, USA : Air Force Research Laboratory, 2000. Il se compose d'une source d'impulsions reliée à une ligne de transmission quart d'onde de faible impédance. La ligne est connectée à une antenne avec une impédance d'entrée élevée. Les oscillateurs commutés comportent une ligne d'oscillation associée à un éclateur permettant la création d'un arc électrique lorsque la différence de potentiel aux bornes de la ligne d'oscillation atteint une valeur prédéterminée. L'éclateur comporte classiquement deux bornes en regard, entre lesquelles est interposé un matériau diélectrique. 3031191 2 Pour optimiser le système, il est nécessaire d'avoir une commutation rapide et avec peu de perte c'est à dire une résistance et inductance de l'arc faible. Pour obtenir ce résultat, il est nécessaire d'avoir un arc électrique de taille sub-millimétrique. Pour avoir à la fois un arc de petite taille, et une tension de plusieurs dizaines de kV, il est nécessaire 5 d'avoir un diélectrique ayant une disruption supérieure à 50 kV/mm. Les diélectriques pour répondre à cette problématique sont complexes à mettre en oeuvre. Ils peuvent être de type gazeux et souvent en surpression, ou sous très faible pression (vide). Cela implique une manipulation complexe, et un système avec une bonne 10 étanchéité. Un autre inconvenant est le temps de relaxation du diélectrique. Pour fonctionner avec une récurrence de la dizaine d'Hertz à la centaine d'Hertz, il est nécessaire d'avoir une circulation du gaz ou du liquide. Ce qui implique une pompe et un réservoir. Un but de l'invention est de fournir une installation d'émission à oscillateur 15 commuté qui soit simple et peu coûteux. A cet effet, l'invention a pour objet une installation d'émission d'une onde électromagnétique à oscillateur commuté du type précité caractérisée en ce que le liquide diélectrique de commutation a une conductivité inférieure à 10 pS/cm, une rigidité diélectrique supérieure ou égale à 10 kV/mm et un temps de relaxation inférieur à 50 ms. 20 Selon d'autres caractéristiques, l'invention comprend l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prise(s) isolément ou selon toute combinaison techniquement possible : - le liquide diélectrique de commutation a une conductivité comprise entre 0,1 pS/cm et 10 pS/cm ; 25 - le liquide diélectrique de commutation a une rigidité diélectrique comprise entre 10 kV/mm et 300 kV/mm permettant l'obtention de fréquences très élevées ; - le liquide diélectrique de commutation a une permittivité relative comprise entre 50 et 100; - le liquide diélectrique de commutation a un temps de relaxation compris entre 30 10-4 ms et 10-1ms ; - le liquide diélectrique de commutation est une solution aqueuse ; - le liquide diélectrique de commutation comprend des composés non ioniques choisis parmi le glycol et la glycérine ; et - le liquide diélectrique de commutation est constitué d'eau déminéralisée. 3031191 3 L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple, et faite en référence aux dessins annexés, sur lesquels : la figure 1 est un schéma bloc d'une installation de génération de micro-ondes 5 haute puissance ; - la figure 2 est un schéma de principe d'un système d'oscillateur commuté ; et - la figure 3 est une vue schématique d'un premier système d'oscillateur commuté. Sur la figure 1 est représentée de manière fonctionnelle une installation 10 de 10 génération de micro-ondes haute puissance. Cette installation est propre à mettre hors service des équipements électroniques dans un rayon de quelques mètres à quelques dizaines de mètres. Elle est conçue pour être avantageusement compact. L'installation comporte essentiellement une alimentation haute tension ou 15 générateur d'impulsion 12 relié à une ligne oscillante ou résonateur 14 en quart d'onde au travers d'un commutateur haute tension 16 associé à une inductance. La ligne oscillante est reliée en sortie à une charge 18 formée d'une antenne. Elle comporte en outre une unité de commande 20 propre à assurer la commande et le réglage de la ligne oscillante 14 et du commutateur 16. 20 L'alimentation 12 comporte une source d'énergie 22 transportable. Il s'agit par exemple d'une batterie électrique. En variante, la source d'énergie électrique est formée d'une pile à combustible ou d'un groupe électrogène associé à un réservoir de fluide combustible. La source d'énergie 22 alimente un convertisseur 24 propre à transformer l'énergie 25 des batteries en une énergie électrique haute tension de l'ordre du kiloVolt. Le convertisseur 24 est formé par exemple d'un pont de transistors commandés par un régulateur à modulation de largeurs d'impulsions (connu sous l'acronyme PWM en anglais). Enfin, l'alimentation 12 comporte après le convertisseur 24, un transformateur de 30 Tesla 26 propre à augmenter la tension de quelques kilovolts à des centaines de kilovolts. Le transformateur de Tesla est connu en soi et ne sera pas décrit plus avant. Le commutateur 16 et son inductance associée assurent la connexion de la sortie du transformateur de Tesla 26 à la ligne oscillante 14. Il permet, selon le rapport entre la capacité du transformateur de Tesla et celle de la ligne d'augmenter la tension de 10 à 35 30% pour atteindre la tension de claquage de la ligne oscillante 14, comme cela sera décrit ultérieurement. 3031191 4 La ligne oscillante 14 est propre à transformer le signal de tension basse fréquence en un signal haute fréquence de quelques centaines mégahertz à quelques gigahertz. La figure 2 est un schéma de principe d'un système d'oscillateur commuté mis en 5 oeuvre dans l'installation de la figure 1. On retrouve sur cette figure, l'alimentation haute tension 12 reliée à la ligne oscillante 14, elle-même reliée à l'antenne 18 formant la charge. Plus précisément, la ligne oscillante 14 comporte une ligne de transmission 35 formée d'un condensateur de caractéristiques variables ou non. Il comporte en outre un 10 interrupteur formé d'un éclateur 41 propre à produire un arc électrique lorsqu'une tension de claquage est appliquée à ses bornes et ainsi provoquer une décharge brutale de la ligne oscillante. La ligne de transmission 35 et l'éclateur 41 seront décrits plus en détails en regard de la figure 3. Globalement, la ligne de transmission 35 comporte une âme interne 43 et 15 une gaine externe 45 entre lesquelles est disposé un diélectrique 46. D'un premier côté 47 de la ligne de transmission 35, l'âme 43 est reliée à l'antenne 18. La gaine 45 est reliée à une borne de l'alimentation 12, elle-même reliée à la masse. A son autre extrémité notée 49, la ligne de transmission 35 a son âme 43 et sa gaine 45 reliées aux deux bornes de l'éclateur 41. 20 La seconde borne de l'alimentation 12 est reliée à l'âme 43 depuis la première extrémité 47 de la ligne au travers d'une inductance d'isolement 50 et d'un interrupteur 52, correspondant au commutateur 16, montés en série. L'impédance interne de la source d'impulsions 12 notée Ze et l'impédance de surtension notée Zs sont très supérieures à l'impédance d'entrée Za de l'antenne 18, qui 25 est elle-même supérieure à l'impédance caractéristique Zc de la ligne de transmission 35 (Zs + Ze > Za > Zc). Ainsi, l'impédance Za de l'antenne 18 et l'impédance Zc de la ligne de transmission 35 ne sont pas identiques. La source de haute tension 12 est configurée pour charger la capacité formée par la ligne de transmission 35 à travers l'impédance Zs lorsque le commutateur 41 est ouvert. Lorsque le commutateur 41 se ferme par création 30 d'un arc dans l'éclateur, une tension impulsionnelle se propage à travers la ligne de transmission 35. Du fait de la non-concordance entre l'impédance caractéristique Zc de la ligne de transmission 35 et l'impédance d'entrée Za de l'antenne 18, lorsque la tension atteint l'antenne 18, une partie de celle-ci est transmise à l'antenne 18 et une partie est réfléchie en retour. La tension réfléchie se déplace vers le commutateur 41 alors fermé et 35 y est de nouveau réfléchie, ainsi de suite. La tension est progressivement atténuée après 3031191 5 chaque réflexion, avec une décroissance exponentielle. L'installation 10 est ainsi propre à fournir un signal sinusoïdal amorti à l'antenne 18. La figure 3 illustre une installation d'oscillateur commuté 1 selon l'invention. On retrouve sur cette figure, la ligne de transmission 35 avec l'âme 43, le blindage 5 45 entourant l'âme 43 et le matériau diélectrique 46, remplissant l'espace entre l'âme 43 et le blindage 45. Le commutateur 41 illustré sur la figure 3 est avantageusement un éclateur dont l'électrode active 130 est formée par l'extrémité 49 de l'âme 43 de la ligne de transmission 35 opposée à l'antenne 18. L'éclateur comprend également une électrode de masse 132 10 disposée coaxialement à l'électrode active en regard de celle-ci. L'électrode de masse 132 est séparée de l'électrode active 130 par un espace inter-électrode 134. L'espace inter-électrode 134 est empli par un matériau diélectrique de commutation 135. Le matériau diélectrique de commutation est une solution liquide avec une conductivité inférieure à 10pS/cm, une rigidité diélectrique supérieure ou égale à 10 kV/mm et un 15 temps de relaxation inférieur à 50 ms. Le temps de relaxation diélectrique est le temps nécessaire au rétablissement de la neutralité électrique. Il est donnée par : T4-= or 20 Td : Temps de Relaxation diélectrique(s) : Conductivité (S/m) s: Permittivité diélectrique (F/m) Des exemples de temps de relaxation sont fournis dans le tableau ci-dessous. Matériaux 0 EtEn Ta Cuivre 5.8 x 107 1 1.5 x 10-19 Eau déminéralisé 2 x 104 81 3.6 x 10-6 Huile de mais 5 x 10"" 3.1 0.55 Mica 1041 - 10-15 5.8 5.1 - 5.1 x 104 25 Le matériau diélectrique est ici par exemple de l'eau déminéralisée seule. En variante, l'eau déminéralisée est additionnée de glycol ou de glycérine. Suivant encore une autre variante, le matériau diélectrique est essentiellement du glycol ou de la glycérine sans eau. 30 Dans le mode de réalisation représenté sur la figure 3, le commutateur 41 ne communique pas d'un point de vue fluidique avec la ligne de transmission 35. En particulier, une paroi de séparation 136 s'étend entre le commutateur 41 et le reste de la ligne de transmission 35. 3031191 6 Dans ce cas, l'installation comprend avantageusement une conduite de distribution 138 de matériau diélectrique de commutation débouchant dans l'espace inter-électrode 134. Cette conduite de distribution 138 est notamment reliée en amont à un réservoir 140 de matériau diélectrique de commutation. 5 Selon un mode de réalisation, l'installation 10 comprend des moyens de renouvellement du matériau diélectrique de commutation contenu dans l'espace inter-électrode 134 par mise en communication avec le réservoir 140 au travers d'une vanne 142 et éventuellement une pompe de remplissage et vidange au travers d'une sortie 144. Un tel renouvellement permet de remplacer le matériau diélectrique de commutation 10 après un certain nombre de commutations pour éviter qu'il ne soit trop pollué du fait des arcs électriques de commutation. Avantageusement, l'amplitude de l'onde micro-ondes produite est réglable par réglage de la tension d'éclatement du commutateur 41. A cet effet, la ligne oscillante 14 comporte des moyens de réglage de la tension 15 d'éclatement du commutateur 41. Le matériau diélectrique utilisé et notamment l'eau déminéralisée ont avantageusement une conductivité de quelque pS/cm et notamment comprise entre 0,1 pS/cm et 10 pS/cm. L'eau n'est pas un parfait isolant et engendre des pertes dans le système, mais les phénomènes sont assez rapides pour que la conductivité de l'eau ne 20 soit pas un problème majeur. Le matériau diélectrique et notamment l'eau déminéralisée ont une rigidité diélectrique de l'ordre de 50 kV/mm et notamment comprise entre 10 kV/mm et 300 kV/mm, ceci permet d'obtenir un espace inter-électrode 134 sub millimétrique donc une inductance d'arc très faible ( 800MHz), et une permittivité relative de 80 et de préférence comprise entre 50 et 150. Il est possible d'utiliser des eaux encore plus pures, pour optimiser le système. Le temps de relaxation diélectrique du matériau diélectrique et notamment de l'eau déminéralisée est sensiblement égale à 3,6.10-3 ms et est notamment compris entre 10-4 ms et 10"1 ms. 30 En variante, un mélange d'eau déminéralisée et de glycol ou glycérine ou autre est utilisé pour adapter les caractéristiques de l'eau (conductivité, permittivité, rigidité diélectrique, solubilité). Par exemple un mélange glycol/eau permet de diminuer la permittivité tout en gardant la rigidité diélectrique. L'eau reste à pression atmosphérique. 35 Le système utilise un cycle fermé, une fois des éclateurs 41 remplie d'eau, le système devient indépendant et peut fonctionner pendant plusieurs heures. REVENDICATIONS1.- Installation (10) d'émission d'une onde électromagnétique à oscillateur commuté comprenant : - une ligne (35) de transmission d'une onde électromagnétique jusqu'à une antenne (18) disposée à une première extrémité, ladite ligne de transmission (35) comprenant une âme (43), un blindage (45) entourant l'âme (43) et un matériau diélectrique (46), remplissant l'espace entre l'âme (43) et le blindage (45), et - un éclateur (41), relié à une deuxième extrémité (49) de la ligne de transmission (35), opposée à la première extrémité, l'éclateur comportant deux électrodes (130, 132) reliées respectivement à l'âme (43) et au blindage (45) et entre lesquelles est disposé un liquide diélectrique de commutation (135), caractérisée en ce que le liquide diélectrique de commutation (135) a une conductivité inférieure à 10 pS/cm, une rigidité diélectrique supérieure ou égale à 10 kV/mm et un temps de relaxation inférieur à 50 ms. 2.- Installation selon la revendication 1, caractérisée en ce que le liquide diélectrique de commutation (135) a une conductivité comprise entre 0,1 pS/cm et 10 pS/cm. 3.- Installation selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que le liquide diélectrique de commutation (135) a une rigidité diélectrique comprise entre 10 kV/mm et 300 kV/mm permettant l'obtention de fréquences très élevées. 4.- Installation selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que le liquide diélectrique de commutation (135) a une permittivité relative comprise entre 50 et 100. 5.- Installation selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que le liquide diélectrique de commutation (135) a un temps de relaxation compris entre 104 ms et 10-1ms. 6.- Installation selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que le liquide diélectrique de commutation est une solution aqueuse. 7.- Installation selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que le liquide diélectrique de commutation (135) comprend des composés non ioniques choisis parmi le glycol et la glycérine. 8.- Installation selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que le liquide diélectrique de commutation est constituée d'eau déminéralisée.