Contribution à l'étude théorique et numérique d'un dispositif de protection microonde par décharge plasma

Contribution to the theoritical and numerical study of a plasma-based microwave power limiter

• Auteur / Autrice : Lucas Fuster
• Direction : Thierry Callegari, Romain Pascaud
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Ingénierie des plasmas
• Date : Soutenance le 07/03/2023
• Etablissement(s) : Toulouse 3
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Génie électrique, électronique, télécommunications et santé : du système au nanosystème (Toulouse ; 1999-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Plasma et Conversion d'Energie (Toulouse ; 2007-....)
• Jury : Président / Présidente : Olivier Pascal
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Thierry Callegari, Romain Pascaud, Olivier Leroy, Khaled Hassouni, Gerjan Hagelaar
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Geneviève Mazé-Merceur, Mohamed Chaker

Mots clés

Mots clés contrôlés

Ondes de surface

Plasmas microondes

Mots clés libres

Limiteur de puissance microonde

Décharge plasma-microonde

Modélisation plasma

Onde de surface-onde de fuite

Onde d'ionisation

Raccordement modal

Microwave power limiter

Plasma-microwave discharge

Plasma modelling

Surface wave-leaky wave

Ionisation wave

Mode matching

Résumé

Les systèmes de réception microonde sont susceptibles d'être détériorés ou détruits lorsqu'ils sont soumis à des agressions électromagnétiques de fortes puissance (HPM). L'intégration d'éléments actifs tels que les diodes PIN permet en général de protéger les éléments sensibles des chaines de réception, cependant, elles peuvent également être détruites si la puissance du signal reçu est trop importante. Par conséquent, de nouvelles études ont vu le jour afin d'exploiter les propriétés des plasmas de décharge pour la limitation de puissance. Ceux-ci ont depuis longtemps été utilisés dans les tubes et limiteurs T/R afin de protéger les chaînes de réception des RADAR. Récemment, une nouvelle structure de limiteur en ''ligne microruban suspendue'' intégrant une micro-décharge plasma localisée à une dizaine de millibars dans l'argon a été proposée, et ses capacités de protection ont été expérimentalement démontrées pour des agressions allant jusqu'à 20 W. Dans ces travaux de thèse, nous poursuivons le développement et l'optimisation de ce limiteur de puissance. Pour ce faire, nous avons proposé une modélisation numérique du dispositif à partir d'un code de simulation multi-physique développé au laboratoire LAPLACE, afin de simuler l'interaction entre les microondes et le plasma. Conjointement, plusieurs modèles analytiques ont été développés afin, notamment, de comprendre comment s'opère le couplage de l'onde et du plasma. L'évaluation expérimentale des performances du limiteur à forte puissance (jusqu'à 100 W) a également été conduite. Finalement, l'exploitation des données obtenues numériquement, analytiquement et expérimentalement a permis de proposer une nouvelle topologie en ''ligne microruban inversée'' présentant de meilleures performances notamment en termes de tenue en puissance et de temps de recouvrement.

Microwave receiving systems may be damaged or destroyed when they are subjected to High Power Microwave pulses (HPM). The integration of active components such as PIN diodes usually protects the sensitive elements of the receiving systems, but they can also be destroyed if the received power is too high. Therefore, new studies about limiters based on plasma discharges have been proposed to handle high power threats. Indeed, plasma discharges have long been used in T/R tubes and T/R limiters to protect RADAR receiving chains. Recently, a new plasma-based power limiter in a ''suspended microstrip line'' at around ten millibar in argon has been proposed, and its protection capabilities have been experimentally demonstrated for microwave up to 20 W. Here, we continue the development and optimisation of this power limiter. To this end, we proposed a numerical modelling of the device using a multi-physics simulation code developed at the LAPLACE laboratory, in order to simulate the interaction between the microwaves and the plasma. At the same time, several analytical models were developed in order to understand how the coupling between the wave and the plasma operates. The experimental evaluation of the limiter performances for high power microwave pulses (up to 100 W) was also conducted. Finally, the datas obtained numerically, analytically and experimentally have made it possible to propose a new plasma-based power limiter in an ''inverted microstrip line'' with better performances, particularly in terms of power handling and recovery time.