EP1982347B1

EP1982347B1 - Dispositif de couplage entre une antenne a plasma et un generateur de signal de puissance

Info

Publication number: EP1982347B1
Application number: EP07712164A
Authority: EP
Inventors: Emmanuel Marquis
Original assignee: Thales SA
Current assignee: Thales SA
Priority date: 2006-02-07
Filing date: 2007-02-07
Publication date: 2009-09-30
Anticipated expiration: 2027-02-07
Also published as: ATE444560T1; CA2641764C; EP1982347A1; IL193280A; FR2897207A1; US20090015489A1; DE602007002616D1; IL193280A0; US7965241B2; CA2641764A1; ES2333177T3; FR2897207B1; WO2007090850A1

Description

La présente invention se rapporte à un dispositif de couplage entre une antenne à plasma et un générateur de signal de puissance, ainsi qu'à un procédé d'utilisation d'une antenne à plasma comportant un tel dispositif de couplage.
Les antennes radioélectriques classiques (métalliques) fonctionnent généralement dans une bande de fréquences étroite, et leurs dimensions sont proportionnelles à la longueur d'onde de fonctionnement. Dans les domaines des basses fréquences (« L.F. »), très basses fréquences (« V.L.F. ») et extrêmement basses fréquénces(« E.L.F. »), la hauteur des antennes de type "quart-d'onde" devrait atteindre plusieurs centaines de mètres à plusieurs centaines de kilomètres (par exemple 750 m à 100 kHz), ce qui rend leur construction très difficile ou même irréalisable. De plus, elles ne peuvent en aucun cas être facilement déplaçables. Or, ces domaines de fréquences sont utilisés notamment pour les communications avec les sous-marins en plongée.
Pour résoudre ces problèmes, il est connu d'utiliser des antennes dites « antennes à plasma », par exemple d'après le brevet US-3,404,403 . Ce brevet décrit une antenne à plasma comprenant une source laser pulsée, des moyens pour focaliser le faisceau laser en différents points pour ioniser une colonne d'air et des moyens pour coupler un signal à la base de la colonne d'air ionisée, cette colonne faisant fonction d'élément rayonnant pour émettre et/ou recevoir un signal radioélectrique. On connaît également des antennes à plasma d'après le brevet US-6,087,993 et le brevet FR-2 863 782 . Dans le premier document, il s'agit de rendre l'antenne déplaçable et de diminuer la longueur de la colonne d'air ionisée en modulant le courant d'excitation du générateur d'ionisation et en concentrant la production d'électrons dans au moins une partie de cette colonne. Dans le second, on emploie un laser femtoseconde pour générer un filament dans la colonne d'air ionisée.
Les antennes à plasma décrites dans ces documents et fonctionnant par ionisation d'air sont furtives et ne nécessitent aucune infrastructure, à l'inverse des antennes classiques. Cependant, dans toutes ces antennes à plasma connues, le couplage entre la colonne de plasma et le générateur électrique de puissance qui génère le signal à émettre n'est pas optimisé. En effet, par exemple le susdit brevet français FR-2 853 782 décrit un dispositif de couplage capacitif (de l'ordre de quelques pF) ou inductif dont l'impédance est très faible, ce qui dégrade nettement le transfert de puissance entre le générateur électrique et l'antenne.
La présente invention a pour objet un dispositif de couplage entre une colonne de plasma faisant fonction d'antenne et un générateur de signal de puissance, dispositif qui permette un très bon transfert de puissance entre le générateur électrique et la colonne de plasma lorsque celle-ci est formée. La présente invention a également pour objet une antenne utilisant un tel dispositif, antenne pouvant fonctionner à de très basses fréquences. Enfin, la présente invention a pour objet un procédé de formation d'une colonne de plasma en vue de constituer une antenne.
Le dispositif de couplage conforme à l'invention est associé à un laser et il est caractérisé en ce qu'il comporte au moins deux électrodes conductrices percées chacune d'un trou, ces trous étant coaxiaux, les électrodes étant reliées d'une part à une source de haute tension continue et d'autre part à un générateur de signal de puissance, le laser étant disposé de façon que son faisceau arrive selon l'axe desdits trous des électrodes.
La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description détaillée d'un mode de réalisation, pris à titre d'exemple non limitatif et illustré par le dessin annexé, sur lequel :

la figure 1 est un schéma simplifié d'un dispositif conforme à l'invention pour la création d'une antenne à plasma;
les figures 2 à 6 sont des schémas simplifiés du dispositif de la figure 1 montrant les différentes phases successives d'un exemple de mise en oeuvre de l'invention pour la création d'une antenne à plasma;
la figure 7 est un chronogramme simplifié illustrant les phases de mise en oeuvre des figures 2 à 6;
la figure 8 est un schéma simplifié d'une variante du dispositif de l'invention; et
la figure 9 est un chronogramme d'une variante du procédé de l'invention, avec deux tirs laser.

La présente invention est décrite ci-dessous en référence à la création d'une colonne d'air ionisée, et il est bien entendu que l'ionisation de cette colonne peut se réduire à une ionisation filamenteuse au niveau de l'axe de symétrie, comme décrit dans le susdit brevet français, FR-2 863 782 lorsque l'on utilise un laser du type femtoseconde. Il est également bien entendu que le mode de réalisation préféré du dispositif de l'invention, tel que décrit ci-dessous, comporte deux électrodes percées de trous coaxiaux, mais le dispositif de l'invention peut comporter un nombre plus élevé d'électrodes. Le dispositif décrit ci-dessous est représenté dans une position orientée de façon que la colonne de plasma qu'il permet de créer soit verticale, mais il est bien entendu que ce dispositif peut avoir n'importe quelle autre orientation, afin que l'antenne soit par exemple horizontale. L'antenne à plasma obtenue selon l'invention est décrite ici en tant qu'antenne d'émission, mais il est bien entendu qu'elle peut également être utilisée en réception, à condition, bien entendu, de garder branché le générateur basse ou très basse fréquence décrit ci-dessous.
Le dispositif représenté en figure 1 comporte deux plaques métalliques 1, 2 formant électrodes et percées chacune d'un trou 3, 4 respectivement, les deux trous étant coaxiaux, leur axe commun étant référencé 5. La forme de ces électrodes n'est pas critique. Elles peuvent par exemple être circulaires ou polygonales. Les trous 3 et 4 sont percés de préférence au centre de ces électrodes.
Les électrodes 1 et 2 sont reliées d'une part via des résistances ballast 6 et 7 respectivement, à une source de haute tension 8, une résistance 9 étant branchée entre les deux électrodes, au niveau de leur jonction avec les résistances 6 et 7. Sur les figures suivantes, cette résistance 9 n'est pas représentée, mais il est bien entendu qu'elle peut être présente. Le pôle positif de la source 8 est relié, de préférence, à l'électrode 2 (en particulier lorsque ces électrodes sont disposées horizontalement et à faible distance du sol). D'autre part, les électrodes 1 et 2 sont reliées via des condensateurs d'isolation en continu 10, 11 respectivement et une ligne 12, de préférence coaxiale, à un émetteur de puissance 13 de basse ou très basse fréquence et à haute tension crête, qui peut être proche ou éloigné des électrodes 1, 2 de l'antenne. Le blindage de la ligne 12 est relié à la terre. La distance D entre les électrodes 1 et 2 est fonction de la valeur de la haute tension de la source 8. De façon générale, cette distance D doit être supérieure à la distance de claquage entre les électrodes dans le milieu ambiant en l'absence de colonne de plasma, et être inférieure à la distance de claquage entre les électrodes en présence de la colonne de plasma.
Un laser d'amorçage 14 est disposé sous l'électrode 1, de façon que l'axe du faisceau qu'il produit soit confondu avec l'axe 5 au moins juste avant d'atteindre l'électrode 1. Ainsi, si l'on désire disposer le laser 14 de façon que son axe de sortie soit horizontal, on dispose alors un miroir qui renvoie son faisceau de sortie selon l'axe 5. On peut aussi disposer un miroir semi-transparent sur l'axe 5 si l'on veut utiliser deux lasers. On peut utiliser aussi deux lasers par exemple en dédiant l'un aux tirs et l'autre à l'entretien de la colonne ionisée formant antenne.
Selon certains des modes de réalisation typiques de l'invention, nullement limitatifs, les électrodes 1 et 2 sont circulaires et ont un diamètre de quelques dizaines de centimètres à quelques mètres, leur distance mutuelle D est d'environ 50 cm à 1 m, le diamètre des trous 3 et 4 est d'environ 1 cm. La tension de la source 8 est d'environ 10 à 20 kV, et la puissance fournie par l'émetteur 13 peut être comprise entre quelques centaines de Watts et quelques MW. La puissance moyenne qu'il délivre doit être suffisante pour entretenir le plasma engendré par la source haute tension 8.
On va d'abord exposer à l'aide du schéma de la figure 6 et du chronogramme de la figure 7 les différentes phases successives de la création d'une antenne à plasma à l'aide du dispositif de l'invention, dans le cas d'un tir unique du laser 14. Ensuite, en référence aux figures 2 à 6 et au chronogramme de la figure 9, on exposera les différentes étapes de la formation de l'antenne plasma dans le cas de deux tirs du laser 14. Pour des raisons de présentation des explications, ces phases sont exposées consécutivement, mais il est bien entendu que dans les faits ces phases peuvent être simultanées ou quasi simultanées.
On suppose qu'initialement aucun des éléments 8, 13 et 14 n'est activé. Pour illustrer la chronologie des différentes phases, on se référera aux repères temporels T0 à T4 du chronogramme de la figure 7.
A l'instant T0, on active la source de haute tension 8.
A l'instant T1, on effectue un tir du laser 14, focalisé sur l'axe 5, au-delà de l'électrode 2. Ce tir produit simultanément une décharge entre les électrodes 1 et 2 (colonne d'air ionisée 17 entre ces électrodes) et la formation d'une colonne ionisée 18, plus fine que la colonne 17, centrée sur l'axe 5.
A l'instant T2, on active le générateur 13, qui injecte de la puissance dans l'antenne « virtuelle » constituée par les colonnes de plasma 17 et 18 et qui entretient l'ionisation de ces colonnes, car, comme illustré en figure 7, la différence de potentiel instantanée V_DC entre les électrodes 1 et 2 est constante à partir de l'instant T1 (voir relations ci-dessous). On remarquera qu'il faut respecter entre les instants T1 et T2 un temps minimal (typiquement de l'ordre de quelques dizaines de nanosecondes) pour que la colonne de plasma soit bien établie entre les électrodes 1 et 2.
Le signal délivré par l'émetteur 13 peut s'écrire sous la forme: $V_{AC} = A cos (ωt),$
tandis que la tension appliquée par la source 8 aux électrodes 1 et 2 est de la forme -/+ V_DC.
Les potentiels instantanés des électrodes 1 et 2 sont de la forme : $V_{E 1} = V_{AC} - V_{DC}$
$V_{E 2} = V_{AC} + V_{DC}$

ce qui fait qu'il y a constamment la même différence de potentiel entre les électrodes 1 et 2.
En régime d'émission, les électrodes 1 et 2 étant portées au même potentiel alternatif, il n'y a pas de déperdition de puissance alternative, cette puissance étant injectée en quasi totalité dans l'antenne à plasma et contribuant à l'entretien du plasma.
A la fin de l'émission (T3), le signal de l'émetteur 13 étant supprimé, la colonne ionisée 18 formant antenne disparaît rapidement (entre T3 et T4), et par là-même l'antenne disparaît.
On a représenté en figure 8 une variante du dispositif des figures 1 à 6.
Sur cette figure 8, les mêmes éléments que ceux des figures 1 à 6 sont affectés des mêmes références numériques. Dans ce dispositif de la figure 8, afin d'introduire une asymétrie de potentiel continu entre les électrodes 1 et 2, on utilise à la place de la résistance 9 de la figure 1 un montage potentiométrique formé par exemple par une résistance fixe 19 en série avec une résistance variable 20, ces deux résistances étant branchées entre les électrodes 1 et 2, leur point commun étant relié à la terre. Le réglage du potentiomètre ainsi formé permet un réglage fin des potentiels appliqués aux électrodes 1 et 2, afin de compenser les pertes de courant continu absorbé par l'antenne conductrice à plasma. En effet, la résistance de fuite du côté de l'électrode 2 est plus faible.
En variante de l'invention (voir chronogramme de la figure 9), après l'activation de la source de haute tension (T0), on effectue un premier tir laser (T1), localisé sur l'axe 5 entre les deux électrodes, puis un deuxième tir laser (T2) focalisé sur le même axe 5, mais au-delà de l'électrode 2, puis on active le générateur 13 (T3). L'antenne plasma disparaît (T5) peu après la fin de l'activation du générateur 13 (T4). Dans le détail les différentes étapes de ce processus sont les suivantes :
Figure 2 : après avoir activé la source haute tension 8 (T0), le laser 14 est activé (T1) pour effectuer un premier « tir » focalisé sur l'axe 5, entre les électrodes 1 et 2, afin de créer par décharge haute tension une fine colonne de plasma conducteur 15 entre ces deux électrodes.
Figure 3 : le tir laser provoque la décharge haute tension 16 dans la colonne 15 de plasma, entre les électrodes 1 et 2.
Figure 4 : La décharge 16 a pour effet d'élargir la colonne de plasma conducteur entre les électrodes 1 et 2, la colonne élargie étant notée 17. On notera qu'après la création de l'antenne à plasma, il est possible de court-circuiter les condensateurs 10 et 11, et ce, jusqu'à la fin de l'utilisation de l'antenne à plasma. Le rôle du générateur haute tension 8 est alors d'entretenir la colonne ionisée 17 rendue conductrice. On notera que les phénomènes illustrés en figures 2 à 4 sont pratiquement simultanés, et ont été décomposés pour en faciliter la description.
Figure 5 : On effectue un deuxième tir du laser 14 (T2), focalisé sur l'axe 5, au-delà de l'électrode 2. Ce deuxième tir entraîne la formation d'une colonne de plasma 18 en continuité de conduction électrique avec la colonne 17. Etant donné que le laser 14 est préférentiellement du type femtoseconde, la colonne 18 se réduit alors à des filaments de plasma, comme décrit par exemple dans le susdit brevet français FR-2 863 782 , et sa longueur peut atteindre plusieurs kilomètres, ce qui lui confère les caractéristiques nécessaires à une antenne basse (ou très basse) fréquence.
Figure 6 : on active l'émetteur 13 (T3), qui injecte de la puissance, alternative dans l'antenne « virtuelle. » constituée par les colonnes de plasma 17 et 18 et qui entretient l'ionisation de ces colonnes, car, comme illustré en figure 9, la différence de potentiel instantanée V_DC entre les électrodes 1 et 2 est constante à partir de l'instant T1 (comme expliqué ci-dessus en référence à la figure 7).
En conclusion, grâce au dispositif de l'invention, outre les avantages inhérents à l'antenne à plasma proprement dite, le couplage conductif entre les électrodes et l'antenne, on obtient un très bon rendement du transfert de puissance entre le générateur 13 et l'antenne (ces électrodes étant portées au même potentiel alternatif instantané, pratiquement toute la puissance alternative est injectée dans l'antenne). En outre, ce dispositif est très économique, puisqu'il ne nécessite qu'une source de haute tension à basse puissance.

Claims

Dispositif de couplage entre une colonne de plasma faisant fonction d'antenne et un générateur électrique de signal de puissance, associé à un laser (14), caractérisé en ce qu'il comporte au moins deux électrodes conductrices (1, 2) percées chacune d'un trou (3, 4), ces trous étant coaxiaux, les électrodes étant reliées d'une part à une source de haute tension continue (8) et d'autre part à une source de signal alternatif de puissance (13), le laser étant disposé de façon que son faisceau arrive selon l'axe (5) desdits trous des électrodes.
Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le laser est un laser de type femtoseconde.
Dispositif selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu'il comporte entre les deux des électrodes un montage potentiométrique (19, 20) pour assurer un réglage fin des potentiels appliqués à ces électrodes.
Procédé d'utilisation d'une antenne à plasma comportant un dispositif de couplage selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'il comporte les étapes suivantes : activation de la source de haute tension, tir du laser, créant un plasma entre les électrodes et au-delà, sur l'axe (5) commun des trous des électrodes, activation du générateur de signal de puissance jusqu'à la fin de la période d'émission.
Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'entre l'instant du tir laser et l'activation du générateur de signal de puissance, on respecte un temps minimal (Tm) de l'ordre de quelques dizaines de nanosecondes.
Procédé d'utilisation d'une antenne à plasma comportant un dispositif de couplage selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'il comporte les étapes suivantes : activation de la source de haute tension, premier tir du laser, focalisé entre les électrodes, sur l'axe (5) commun des trous des électrodes, deuxième tir du laser, focalisé au-delà de la deuxième électrode, sur le même axe commun, activation du générateur de signal de puissance jusqu'à la fin de la période d'émission.