Limiteur de puissance hyperfréquence à diodes à

LIMITEUR DE PUISSANCE HYPERFREQUENCE A DIODES A VIDE
DISTRIBUEES
Alain Phommahaxay1, Gaëlle Lissorgues1, Pierre Nicole2
1
Université Paris–Est – ESIEE – ESYCOM, 2 boulevard Blaise Pascal, 93162 Noisy le Grand
2
Thales Systèmes Aéroportés, 2 avenue Gay-Lussac, 78851 Elancourt
E-mail: [email protected] [email protected]
Résumé. L’étude d’un limiteur de puissance
hyperfréquence destiné à la protection des systèmes
radio communicants contre des impulsions
électromagnétiques de forte puissance est traitée dans
cet article. Un nouveau type de composants basés sur
les phénomènes d’émission électronique a été
développé afin de faire face à des scénarios émergents
où les solutions de protection classiques s’avèreraient
inefficaces.
La période de répétition de ces signaux trep est
généralement beaucoup plus grande par rapport à la
durée des impulsions tpul. De plus la relation liant la
tension Vmax générée avec la puissance crête P est
donnée par :
V2
P = max
Z0
où Z0 est l’impédance caractéristique du système.
Forme d'onde impulsionnelle
I. INTRODUCTION
Récepteur
Limiteur
Antennes
Amplificateurs
Filtres
Emetteur
Fig. 1 – Position d’un limiteur de puissance dans une
chaîne de transmission radio.
II. MICRO-ONDES DE FORTE PUISSANCE
L’évolution des sources micro-onde de puissance au
cours du temps permet d’envisager de nouveaux
scénarios d’emploi, notamment l’utilisation de sources
puissantes et compactes à très courte distance.
Des générateurs impulsionnels de forte puissance,
dont un exemple de forme d’onde est représenté sur la
Fig. 2, peuvent générer des puissances crêtes P de
l’ordre du gigawatt à des fréquences f supérieures au
gigahertz pendant des durées d’impulsion tpul très
faibles [1-4].
t
rep
Tension (u.a.)
Les futurs systèmes d’écoute pour la guerre
électronique auront à résoudre des problèmes de plus
en plus ardus liés à deux types de contraintes :
- détecter et reconnaître des signaux de plus en plus
variés en puissance et en fréquence,
- se protéger contre les dispositifs de brouillage.
La fonction d’un limiteur de puissance, placé
immédiatement après une antenne réceptrice comme
indiqué sur la Fig. 1, est d’éviter la saturation ou la
mise hors fonction des éléments sensibles situés en
aval, en particulier la chaîne d’amplification à faible
niveau.
V
max
t
pul
Temps (u.a.)
Fig. 2 – Forme d’onde de puissance
De telles sources comme les systèmes basés sur une
bombe à compression de flux magnétique ou sur des
sources magnétrons commencent à poser des
problèmes de sécurité en particulier vis-à-vis des
équipements électroniques embarqués dans le
domaine de l’aéronautique. Le Tableau I récapitule les
caractéristiques des sources impulsionnelles les plus
communes.
Tableau I – Caractéristiques des sources de puissance
Type de source
P (GW)
f (GHz)
tpul (ns)
Klystron [1]
15
1
100
Magnétron [2]
5
1-3
100-500
>1
40
1
0,1-1
100
0,04
UWB
<200
Laser à électron
libre [3]
Compression de
flux [4]
Source solide [4]
III. INFLUENCE SUR LES SYSTEMES
Les matériels aéronautiques civils et militaires doivent
rester opérationnels sous des champs électriques de
fortes intensités. Ainsi ils doivent supporter
respectivement 3kV/m ou 20kV/m à 10 GHz suivant
les recommandations de l’aviation civile (FAA
N8110.71) ou des normes militaires (MIL-STD-464).
Or ces valeurs peuvent être dépassées dans des
scénarios terroristes ou militaires [5], générant ainsi
des interférences avec des équipements embarqués
tels que le GPS ou les systèmes d’anti-collision.
De manière générale la relation reliant les puissances
émises Pe et reçues Pr par deux antennes de gain
respectifs Ge et Gr séparées par une distance d est
donnée par :
GG
Pr = Pe e r 2 λ 2
( 4π d )
où λ est la longueur d’onde du signal de fréquence f
(λ=c/f) avec c la vitesse de la lumière dans le vide.
En négligeant l’atténuation atmosphérique, il est
possible d’obtenir le réseau de courbes de la Fig. 3
pour des gains d’antennes de 30 dB et une puissance
d’émetteur de 1 GW. La puissance reçue à 1 km et à
10 GHz est par exemple supérieure à 5kW, valeur qui
sera retenue dans un scénario de référence.
De telles valeurs sont nettement supérieures aux
puissances admissibles par les amplificateurs faibles
bruits typiques. Ces derniers peuvent en effet être
détruits par de telles impulsions et doivent donc être
protégés par des dispositifs adéquats.
Puissance en sortie et dissipée (u.a.)
Caractéristiques d'un limiteur de puissance idéal
Puissance en sortie
Pertes
Sans limiteur
Puissance incidente (u.a.)
Fig. 4 – Puissances en réception pour différentes
fréquences et distances.
Ces dispositifs doivent présenter des pertes minimes
pour des signaux incidents de faible niveau.
L’évolution de ces pertes à plus forte puissance doit
ensuite être proportionnelle à la puissance incidente
au-delà d’un certain seuil.
Les limiteurs actuels sont principalement basés sur la
déviation d’une partie du courant d’une ligne de
transmission par des diodes discrètes de type Schottky
ou PIN en utilisant des topologies similaires à la
Fig. 5 constituée d’une mise en cascade de cellules de
type « écrêteur de tension ».
Puissance crête en réception lors d'une attaque
1 GW
Fig. 5 – Topologie classique de limiteur à semiconducteur.
Puissance
1 MW
1 kW
1W
1 mW
100 MHz
1m
10 m
100 m
1 km
10 km
100 km
1 GHz
10 GHz
100 GHz
Fréquence
Fig. 3 – Puissances en réception pour différentes
fréquences et distances.
IV. METHODES DE PROTECTION
Outre le blindage électromagnétique, difficilement
mis en œuvre dans les applications embarquées, une
méthode de protection des systèmes radiorécepteurs
est l’utilisation d’un dispositif de limitation de
puissance, dont les caractéristique idéales sont
illustrées sur la Fig. 4, placé entre l’antenne et les
amplificateurs faible bruit.
Ces différentes cellules vont chacune dissiper une
fraction de la puissance incidente, la dissipation
maximum étant assurée par le premier étage. Or leur
survie à ces impulsions de forte puissance n’est pas
garantie [6-8].
Des études de Thalès Air Defence [6], Raytheon [7],
TNO [8] ont en effet montré une défaillance de ce
type de dispositifs pour des puissances RF CW de
10 W maximum au-delà de 1 GHz ou de plusieurs
centaine de watts avec des impulsions de plusieurs
centaines de microsecondes. Les diodes semiconductrices sont en effet détruites par échauffement
dû au passage d’un courant de forte intensité.
De nouvelles technologies de composants doivent
donc être développées. L’utilisation de matériaux à
large bande interdite comme le nitrure de gallium
pourrait permettre d’améliorer la tenue en puissance
des limiteurs actuels dans une certaine mesure.
En effet, leur survie n’est pas garantie dans les
scénarios envisagés dans nos applications. Il est donc
nécessaire d’envisager des solutions alternatives aux
semi-conducteurs.
V. LIMITEUR DE PUISSANCE PROPOSE
-20
S11 (dB)
Mesure
-30
Simulation
-40
-50
0
5
10
15
20
Fréquence (GHz)
0.0
Simulation
S21 (dB)
Pour faire face à ces puissances, le limiteur proposé et
faisant l’objet d’un dépôt de brevet est basé sur la
dissipation progressive de l’onde électromagnétique le
long d’une ligne de transmission chargée par des
diodes à vide comme indiqué sur la Fig. 6. Il s’agit
alors d’exploiter les phénomènes d’émission
électronique et les interactions entre une onde
électromagnétique et un plasma.
Dans notre cas, le courant ne circule pas dans un
semi-conducteur mais entre deux électrodes
métalliques séparées par le vide ou un gaz neutre. Il
n’y a donc aucun risque de destruction d’une jonction
semi-conductrice par exemple. Tout phénomène
disruptif pouvant apparaître (décharges électriques
hyperfréquences par exemple) est dans ce cas
réversible et n’entraîne pas de dégradation du
dispositif.
-0.1
Mesure
-0.2
0
5
10
15
20
Fréquence(GHz)
Fig. 8 – Performances hyperfréquences petits signaux
Fig. 6 – Topologie de limiteur distribué à émission
électronique.
Ces composants sont réalisés en salle blanche à
l’ESIEE en utilisant des méthodes de micro
fabrication dérivées des microsystèmes. Des
réalisations ne nécessitant qu’un niveau de masque
sont ainsi illustrées sur la Fig. 7.
Les performances de ces dispositifs sont comparables
à celles de lignes de transmission, à savoir :
- une bonne adaptation (paramètre S11
inférieur à -20 dB) sur une large bande de
fréquence
- de faibles pertes d’insertion (environ 0,1 dB
soit 1,6 dB/cm).
A titre de comparaison, les limiteurs classiques
présentent des pertes d’insertion sur tranche
supérieures à 1,5 dB aux alentours de 10 GHz [8].
V.2 Caractérisation en puissance
Ces composants de 5 mm de longueur ont ensuite été
encapsulés et mis en boîtier manuellement comme
présenté sur la Fig. 9. Les pertes d’insertion après
cette étape sont alors de 1,8 dB à 12 GHz dont 0,8 dB
provienne de la mise en boîtier elle-même. Le limiteur
présente donc des pertes inférieures à 1 dB soit
2 dB/cm.
Fig. 7 – Vue au microscope électronique d’un limiteur
de puissance distribué
V.1 Performances hyperfréquences
Ces dispositifs de 600 µm de longueur ont été
caractérisés sur tranche à l’aide d’un analyseur de
réseau vectoriel jusqu’à 20 GHz à basse puissance
(1 mW).
Les différents paramètres S correspondants se
trouvent sur la Fig. 6 et ont été comparés à des
simulations électromagnétiques effectuées à l’aide de
Lorentz-HF d’Integrated Engineering Software.
Fig. 9 – Démonstrateur mis en boîtier
Ce type de dispositif présente donc des performances
hyperfréquences d’ores et déjà supérieures aux
limiteurs à semi-conducteurs pour le type
d’applications visées dans les domaines de
l’aéronautique et de la défense.
Les dispositifs ont ensuite été caractérisés au GERAC,
une filiale de Thalès spécialisée dans les essais de
compatibilité électromagnétique.
Le banc de caractérisation en puissance est illustré sur
la Fig. 10. Un générateur RF permet de générer une
porteuse hachée par un signal basse fréquence. Ce
signal est ensuite injecté dans un amplificateur à tube
à onde progressive. Un isolateur permet de protéger
l’amplificateur des retours de puissance tandis que
deux coupleurs directionnels permettent de prélever
une partie des signaux réfléchis et transmis. Les
formes d’onde associées sont ensuite enregistrées par
des détecteurs à diodes reliés à un oscilloscope. La
chaîne est enfin terminée par un atténuateur et une
charge.
Oscilloscope
Détecteur
VI. CONCLUSION
Un démonstrateur a permis de valider le concept de
limiteur de puissance à émission électronique. Les
performances hyperfréquences de ce type de
dispositifs sont supérieures aux solutions à semiconducteurs actuellement connues pour les
applications visées.
REMERCIEMENTS
Cette étude est financée par une bourse doctorale de la
DGA ainsi que par le projet Recherche Exploratoire et
Innovation n°0634033.
Nous tenons à remercier Bernard Sutra et Serge
Blasquez de Thalès Systèmes Aéroportés pour avoir
permis les caractérisations au GERAC.
Détecteur
REFERENCES
Limiteur
Isolateur
Coupleur
Coupleur
Générateur BF
Atténuateur
Charge
Générateur RF
Amplificateur RF
Puissancemètre
Fig. 10 – Banc de mesure en puissance
Un exemple de réponses temporelles (issues des
détecteurs de crête) à une impulsion de 2 kW et 1 µs à
12 GHz est illustré en Fig. 11 en utilisant ce banc de
caractérisation. Le dispositif limite bien la puissance
en sortie à 250 W après un transitoire à 600 W.
Compte tenu de la puissance réfléchie (150 W) en
régime établi, le composant a permis de dissiper une
puissance de 1600 W sur une longueur de ligne de
5 mm et comportant 170 diodes à vide.
150 W
Puissance
Reflected
réfléchie
power
250 W
Puissance
Transmitted
transmise
power
600 W
150 ns
Temps de
Reaction
réponse
Time
150 ns incluant
également le banc
de mesure
1 µs
1 µs
pulse
Fig. 11 – Réponse à une impulsion de 2 kW à 12 GHz
[1] D. Shiffler, T.K. Statom, T.W. Hussey, O.
Zhou, P. Mardahl, “High-power Microwave
Source”, in Modern Microwave and MillimeterWave Power Electronics, pp. 691-730, 2005,
Wiley Interscience.
[2] F. Sabath, M. Backstrom, B. Nordstrom, D.
Serafin, A. Kaiser, B. Kerr, D. Nitsch,
“Overview of four European high-power
microwave narrow-band test facilities”, IEEE
Transactions on Electromagnetic Compatibility,
vol. 46, (no. 3), pp. 329-334, 2004.
[3] G. Ni, B. Gao, J. Lu, “Research on high power
microwave weapons”, in Proceedings of the
Asia-Pacific Microwave Conference 2005,
APMC 2005, pp. 4, December, 2005, Suzhou,
China.
[4] T. Weise, M. Jung, D. Langhans, M. Gowin,
“Overview of directed energy weapon
developments”, in Proceedings of the 12th
Symposium on Electromagnetic Launch
Technology, EML 2004, pp. 483-489, May,
2004, Sunbird, USA.
[5] D.J. Serafin, D. Dupouy, “Potential IEMI
threats against civilian air traffic”, in
Proceedings of the XXVIIIth URSI General
Assembly, October, 2005, New Delhi, India.
[6] M. Stanislawiak, C. Tolant, H. Polaert, P.
Eudeline, “Protection des futures chaînes de
réception radar”, 13emes Journées Nationales
Microondes, Mai, 2003, Lille, France.
[7] D.G. Smith, D.D. Heston, J. Heston, B. Heimer,
K. Decker, “Designing reliable high-power
limiter circuits with GaAs PIN diodes”, in
Technical Digest of the IEEE International
Microwave Symposium, MTT-S 2002, pp. 12451247, June, 2002, Seattle, WA, USA.
[8] A.P.M. Maas, J.P.B. Janssen and F.E. van Vliet,
“Set of X-Band Distributed Absorptive Limiter
GaAs MMICs”, in Proceedings of the 4th
European Radar Conference, EuRAD 2007, pp.
17-20, October, 2007, Munich, Germany.