FR3031189B1 - SWITCHED OSCILLATOR NETWORKS - Google Patents
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Abstract
L'installation d'émission d'une onde électromagnétique à oscillateur commuté comprend : - au moins une ligne (35) de transmission d'une onde électromagnétique jusqu'à une antenne (18) disposée à l'une de ses extrémités, 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), - une source d'impulsions (12) reliée à une première extrémité (47) de la ligne de transmission (35) et - un commutateur (41), relié à une deuxième extrémité (49) de la ligne de transmission (35), opposée à la première extrémité. Elle comprend : - au moins deux lignes oscillantes (14) formée chacune d'une ligne de transmission (35) et d'un commutateur (41), et - une même source d'impulsions (12) reliée en parallèle à la première extrémité de chaque ligne de transmission (35).The transmission installation of a switched oscillator electromagnetic wave comprises: at least one line (35) for transmitting an electromagnetic wave to an antenna (18) disposed at one of its ends, said line transmission unit (35) comprising a core (43), a shield (45) surrounding the core (43) and a dielectric material (46), filling the space between the core (43) and the shield (45), a source of pulses (12) connected to a first end (47) of the transmission line (35) and - a switch (41) connected to a second end (49) of the transmission line (35), opposite to the first end. It comprises: - at least two oscillating lines (14) each formed of a transmission line (35) and a switch (41), and - the same source of pulses (12) connected in parallel with the first end each transmission line (35).
Description
Réseaux d'oscillateurs commutésSwitched oscillator networks
La présente invention concerne une installation d'émission d’une onde électromagnétique à oscillateur commuté comprenant : - au moins une ligne de transmission d’une onde électromagnétique jusqu’à une antenne disposée à l’une de ses extrémités, 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, - une source d’impulsions reliée à une première extrémité de la ligne de transmission, et - un commutateur, relié à une deuxième extrémité de la ligne de transmission, opposée à la première extrémité.The present invention relates to a transmission installation of a switched oscillator electromagnetic wave comprising: at least one transmission line of an electromagnetic wave up to an antenna disposed at one of its ends, said transmission line comprising a core, a shield surrounding the core and a dielectric material, filling the space between the core and the shield, - a pulse source connected to a first end of the transmission line, and - a switch, connected to a second end of the transmission line opposite the first end.
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.HPM (High Power Microwave) systems are systems that generate electromagnetic pulses of extremely high power. They can in particular be used to remotely disable electronic devices such as computers present in their emission area by emitting a high amplitude electromagnetic wave.
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).Mesoband radiation systems are a particular type of HPM system with a moderate bandwidth of around 20%. These systems are intermediate between very broad band systems ("ultra wide band" in English) and narrow band systems ("narrow band" in English).
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.The mesoband systems, with a fixed transmission frequency, concentrate all their energy in a moderate frequency band centered on a single frequency. This frequency must correspond to the frequency likely to disturb the electronic device to be deactivated.
Un exemple d’un tel système de rayonnement mesoband est l’oscillateur commuté (encore appelé SWO ou « switched oscillator » en anglais), développé par Cari 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.An example of such a mesoband radiation system is the switched oscillator (also called SWO or "switched oscillator" in English), developed by Cari Baum and described in the publication "Switched Oscillators", Circuit and Electromagnetic System Design Notes # 45 , Ed. Albuquerque, NM, USA: Air Force Research Laboratory, 2000. It consists of a pulse source connected to a low impedance quarter-wave transmission line. The line is connected to an antenna with a high input impedance.
Les oscillateurs commutés actuels ne donnent pas entière satisfaction. En effet, ils sont conçus pour ne fonctionner qu’à une seule fréquence d’émission, ce qui les rend peu versatiles et risque de compromettre leur efficacité si cette fréquence d’émission ne coïncide pas avec la fréquence de vulnérabilité de la cible.The current switched oscillators are not entirely satisfactory. Indeed, they are designed to operate at a single transmission frequency, which makes them less versatile and may compromise their effectiveness if the transmission frequency does not coincide with the vulnerability frequency of the target.
Il a été envisagé, afin de produire des rayonnements centrés sur plusieurs fréquences distinctes, de prévoir dans la même installation plusieurs oscillateurs accordés à des fréquences différentes. Ces installations sont très complexes et coûteuses à réaliser.It has been envisaged, in order to produce radiations centered on several distinct frequencies, to provide in the same installation several oscillators tuned at different frequencies. These facilities are very complex and expensive to achieve.
Aussi, un but de l’invention est de fournir une installation d’émission à oscillateur commuté versatile et efficace pour un grand nombre de cibles. A cet effet, l’invention a pour objet une installation d’émission d’une onde électromagnétique à oscillateur commuté, caractérisée en ce qu’elle comprend : - au moins deux lignes oscillantes formée chacune d’une ligne de transmission et d’un commutateur, et - une même source d’impulsions reliée en parallèle à la première extrémité de chaque ligne de transmission.Also, an object of the invention is to provide a versatile and efficient switched oscillator transmission facility for a large number of targets. For this purpose, the subject of the invention is an installation for transmitting an electromagnetic wave with a switched oscillator, characterized in that it comprises: at least two oscillating lines each formed of a transmission line and a switch, and - a same source of pulses connected in parallel with the first end of each transmission line.
Selon d’autres caractéristiques, l’invention comprend l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prise(s) isolément ou selon toute combinaison techniquement possible : - chaque ligne oscillante est reliée à une antenne qui lui est propre ; - ladite installation comporte une inductance d’isolement interposée en série entre la première extrémité de la ligne de transmission et la source d’impulsions ; - les lignes oscillantes sont séparées entre elles par un circuit isolateur constitué d’un côté du commutateur et de l’autre côté de l’inductance ; - ladite installation comporte des moyens de mise en conduction simultanée des commutateurs de chaque ligne oscillante ; et - les lignes de transmission des lignes oscillantes présentent toutes des fréquences de résonnance distinctes. 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 haute puissance ; et - la figure 2 est un schéma de principe de l’installation à plusieurs oscillateurs commutés.According to other features, the invention comprises one or more of the following characteristics, taken in isolation or in any technically possible combination: each oscillating line is connected to an antenna which is specific to it; said installation comprises an insulation inductance interposed in series between the first end of the transmission line and the source of pulses; - The oscillating lines are separated from each other by an isolator circuit consisting of one side of the switch and the other side of the inductor; said installation comprises means for simultaneous conduction of the switches of each oscillating line; and the transmission lines of the oscillating lines all have distinct resonance frequencies. The invention will be better understood on reading the description which follows, given solely by way of example, and with reference to the appended drawings, in which: FIG. 1 is a block diagram of a generation installation of high power microwave; and FIG. 2 is a block diagram of the multi-oscillator installation.
Sur la figure 1 est représentée de manière fonctionnelle une installation 10 de génération de micro-ondes haute puissance. Cette installation est propre à mettre hors service des équipements électroniques dans un rayon de quelques mètres.In Figure 1 is shown in a functional manner a high-power microwave generation installation 10. This installation is suitable for decommissioning electronic equipment within a radius of a few meters.
Elle est conçue pour être avantageusement compact. L’installation comporte essentiellement une alimentation haute tension ou générateur d’impulsions 12 relié à plusieurs lignes oscillantes ou résonateurs 14 en quart d’onde au travers de commutateurs haute tension 16 associé à une inductance. Chaque ligne oscillante 14 est reliée en sortie à une charge 18 formée d’une antenne qui lui est propre.It is designed to be advantageously compact. The installation essentially comprises a high-voltage power supply or pulse generator 12 connected to several oscillating lines or quarter-wave resonators 14 through high-voltage switches 16 associated with an inductor. Each oscillating line 14 is connected at the output to a load 18 formed of an antenna of its own.
Elle comporte en outre une unité de commande 20 propre à assurer la commande et le réglage de chaque ligne oscillante 14 et de chaque commutateur 16 associé. 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.It further comprises a control unit 20 adapted to ensure the control and adjustment of each oscillating line 14 and each associated switch 16. The power supply 12 comprises a transportable power source 22. This is for example an electric battery. Alternatively, the source of electrical energy is formed of a fuel cell or a generator associated with a fuel fluid reservoir.
La source d’énergie 22 alimente un convertisseur 24 propre à transformer l’énergie des batteries en une énergie électrique haute tension de l’ordre du kiloVolt.The energy source 22 supplies a converter 24 capable of transforming the energy of the batteries into a high-voltage electrical energy of the order of one 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).The converter 24 is formed for example of a bridge of transistors controlled by a pulse width modulated regulator (known by the acronym PWM in English).
Enfin, l’alimentation 12 comporte après le convertisseur 24, un transformateur de 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.Finally, the power supply 12 comprises, after the converter 24, a Tesla transformer 26 capable of increasing the voltage from a few kilovolts to hundreds of kilovolts. The Tesla transformer is known per se and will not be described further.
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 ligne, d’augmenter la tension de 10 à 30% pour atteindre la tension de claquage de la ligne oscillante 14, comme cela sera décrit ultérieurement.The switch 16 and its associated inductance ensure the connection of the output of the Tesla transformer 26 to the oscillating line 14. It allows, according to the ratio between the capacity of the Tesla transformer and that of the line, to increase the voltage from 10 to 30% to reach the breakdown voltage of the oscillating line 14, as will be described later.
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.The oscillating line 14 is suitable for transforming the low frequency voltage signal into a high frequency signal from a few hundred megahertz to a few gigahertz.
La figure 2 est un schéma de principe d’un système à oscillateurs commutés mis en œuvre dans l’installation de la figure 1. On retrouve sur cette figure, l'alimentation haute tension unique 12 reliée aux lignes oscillantes 14, elle-même reliée à l’antenne 18 associée formant la charge.FIG. 2 is a block diagram of a switched oscillator system implemented in the installation of FIG. 1. This figure shows the single high voltage supply 12 connected to the oscillating lines 14, itself connected to the associated antenna 18 forming the charge.
Plus précisément, la ligne oscillante 14 comporte une ligne de transmission 35 formée d’un condensateur. Il comporte en outre un 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.More specifically, the oscillating line 14 comprises a transmission line 35 formed of a capacitor. It further comprises a switch formed by a spark gap 41 able to produce an electric arc when a breakdown voltage is applied across its terminals and thus cause a sudden discharge of the oscillating line.
La ligne de transmission 35 comporte une âme interne 43 et 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 elles-mêmes reliées 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.The transmission line 35 comprises an inner core 43 and an outer sheath 45 between which is disposed a dielectric 46. On a first side 47 of the transmission line 35, the core 43 is connected to the antenna 18. The sheath 45 is connected to a terminal of the power supply 12 themselves connected to ground. At its other end noted 49, the transmission line 35 has its core 43 and its sheath 45 connected to the two terminals of the spark gap 41.
La seconde borne de l’alimentation 12 est reliée à l’âme 43 de chaque ligne de transmission 35 depuis la première extrémité 47 de la ligne au travers d’une impédance d’isolation 50, formée par exemple d'une inductance et d’un interrupteur 52 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 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 est inférieure à l’impédance Zc de la ligne de transmission 35. La source de haute tension 12 est configurée pour charger la capacité formée par la ligne de transmission 35 à travers l'impédance Zs + Ze lorsque le commutateur 41 est ouvert. Lorsque le commutateur 41 se ferme par création 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 y est de nouveau réfléchie, ainsi de suite. La tension est progressivement atténuée après chaque réflexion, avec une décroissance exponentielle. L’installation 10 est ainsi propre à fournir un signal sinusoïdal amorti à l’antenne 18.The second terminal of the power supply 12 is connected to the core 43 of each transmission line 35 from the first end 47 of the line through an insulation impedance 50, formed for example by an inductance and a switch 52 connected in series. The internal impedance of the pulse source 12 denoted Ze and the overvoltage impedance denoted Zs are much greater than the input impedance Za of the antenna 18, which itself is greater than the characteristic impedance Zc of the transmission line 35 (Zs + Ze> Za> Zc). Thus, the impedance Za of the antenna 18 is smaller than the impedance Zc of the transmission line 35. The high voltage source 12 is configured to charge the capacitance formed by the transmission line 35 through the impedance Zs + Ze when the switch 41 is open. When the switch 41 closes by creating an arc in the spark gap, a pulse voltage propagates through the transmission line 35. Due to the mismatch between the characteristic impedance Zc of the transmission line 35 and the input impedance Za of the antenna 18, when the voltage reaches the antenna 18, part of it is transmitted to the antenna 18 and a part is reflected back. The reflected voltage moves to the switch 41 then closed and is reflected again, so on. The voltage is gradually attenuated after each reflection, with an exponential decay. The installation 10 is thus able to provide a sinusoidal signal damped at the antenna 18.
On comprend que l’éclateur 41 d’un côté, et l’inductance 50 de l’autre forment un circuit isolateur entre les lignes oscillantes 14 assurant leur séparation lors des phases de résonnance des lignes oscillantes 14.It is understood that the spark gap 41 on one side and the inductance 50 on the other form an insulator circuit between the oscillating lines 14 ensuring their separation during the resonance phases of the oscillating lines 14.
Suivant un premier mode de réalisation et afin d’assurer un étalement du spectre du signal émis par les différentes antennes 18, les lignes de transmission 35 présentent des fréquences de résonnance distinctes les unes des autres et l'installation comporte des moyens de mise en conduction simultanée des commutateurs 41 de chaque ligne oscillantes 14. A cet effet, les inductances 50 sont dimensionnées pour assurer une gestion des retards permettant d’obtenir des tensions synchrones sur les éclateurs 41. Les éclateurs 41 sont dimensionnés pour avoir une disruption avec une faible dispersion.According to a first embodiment and in order to ensure a spread of the spectrum of the signal emitted by the different antennas 18, the transmission lines 35 have resonance frequencies that are distinct from one another and the installation comprises means for turning on the conduction simultaneous switches 41 of each oscillating line 14. For this purpose, the inductances 50 are sized to provide a delay management to obtain synchronous voltages on the spark gaps 41. The spark gaps 41 are sized to have a disruption with low dispersion .
Pour améliorer le synchronisme de la mise en conduction, les moyens de mise en conduction simultanée des commutateurs 41 comportent un système de déclenchement synchrone propre à appliquer simultanément une tension supplémentaire de faible énergie et de forte valeur entre les bornes de chaque éclateur 41.To improve the synchronism of the conduction, the simultaneous conduction means of the switches 41 comprise a synchronous triggering system able to simultaneously apply an additional voltage of low energy and high value between the terminals of each spark gap 41.
En variante, les moyens de mise en conduction simultanée des commutateurs 41 comportent des moyens de production simultanée de faisceaux laser dans les espaces définis entre les bornes des éclateurs.In a variant, the simultaneous conduction means of the switches 41 comprise means for simultaneous production of laser beams in the spaces defined between the terminals of the spark gaps.
Suivant une variante, les fréquences d’oscillation des lignes de transmission 35 sont identiques et le déclenchement des lignes de transmission étant synchrone, les signaux émis par les antennes 18 sont en phase conduisant à une augmentation de la puissance émise.According to one variant, the oscillation frequencies of the transmission lines 35 are identical and the tripping of the transmission lines being synchronous, the signals emitted by the antennas 18 are in phase leading to an increase in the transmitted power.
Suivant un autre mode de réalisation, l’installation est dépourvue de moyens de synchronisation de la mise en conduction des commutateurs 41, le signal de sortie issu des différentes antennes est alors chaotique permettant de former un générateur de bruit de haute puissance.According to another embodiment, the installation is devoid of synchronization means of the conduction of the switches 41, the output signal from the different antennas is then chaotic to form a high-power noise generator.
Dans ce mode de réalisation, les fréquences de résonnances des lignes de transmission 35 sont identiques ou non.In this embodiment, the resonant frequencies of the transmission lines 35 are identical or different.
En variante, l'alimentation 12 ne comporte pas de transformateur de Tesla mais comporte un générateur de MARX. Tous les générateurs pulsés conviennent.Alternatively, the power supply 12 does not include a Tesla transformer but includes a MARX generator. All pulsed generators are suitable.
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