GELE5223 Chapitre 6 :Sources hyperfréquences
Gabriel Cormier, Ph.D., ing.
Université de Moncton
Automne 2010
Gabriel Cormier (UdeM) GELE5223 Chapitre 6 Automne 2010 1 / 37
Introduction
Contenu
Contenu
Sources à haute puissance : klystron, traveling-wave tube, magnétron
Sources semi-conducteur : diode Gunn, diode IMPATT
Circuits oscillatoires
Sécurité
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Tubes hyperfréquences
Tubes hyperfréquences
Source principale de signaux dans les systèmes radar à hautepuissance.
Magnétron : le plus utilisé. Fournit plusieurs kW de façon continue, etmême des MW en pulse. Utilisé dans les fours micro-ondes.Traveling-wave tube (TWT) : souvent utilisé dans les satellites.Klystron : peut produire des petites et grandes puissances. Pour desapplications à faible puissance, les sources semi-conducteurs sontutilisées maintenant.
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Tubes hyperfréquences
Tubes hyperfréquences
Deux types principaux de tubes :
Cavité électromagnétique : klystron et certains magnétronsCircuits à onde lente : TWT
Les 2 types utilisent un faisceau d’électrons
Deux méthodes d’analyse :
Approche ballistique : on étudie le comportement d’un électron endétail, et on suppose que tous les électrons se comportent de la mêmefaçon,Approche des champs : on analyse le faisceau complet comme s’il secomportait comme un fluide.
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Tubes hyperfréquences
Faisceau d’électrons
V
d
Anode oucollecteur
Sourced’électrons
Cathode
2aVitesse des électrons :
v0 =
√2V e
m
= 5.93× 105V 0.5 m/s
Pour d faible, le faisceau a une largeur constante.
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Tubes hyperfréquences
Création d’une onde hyperfréquence
On ajoute une cavité résonante.
V
d
Anode oucollecteur
Sourced’électrons
Cathode
Cavité résonante
Sortie
La cavité résonante récupère de l’énergie du faisceau.
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Tubes hyperfréquences
Klystron
On ajoute une deuxième cavité résonante.
V
l
Anode oucollecteur
Sourced’électrons
Cathode
Entrée
Cavité résonante
Sortie
La modulation avec un signal d’entrée permet d’atteindre des gains élevés,jusqu’à 75dB à 1GHz.
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Tubes hyperfréquences
Klystron à réflexion
On ajoute une deuxième source.
V Vr
s
Réflecteur
Sourced’électrons
Cathode
Entrée
Cavité résonante
Sortie
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Tubes hyperfréquences
Klystrons
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Tubes hyperfréquences
Klystrons
Exemples :Modèle Fréquence Puissance Bande Gain Tension Courant Fournisseur
(GHz) (MW) (MHz) (dB) (kV) (A)L5859 0.805 12 3 50 180 155 L3 Comm.L5782 2.7 – 3.0 1.5 15 53 80 44 L3 Comm.L-4941 1.4 – 1.5 8 6 (-3dB) 35 14 1.76 L3 Comm.L-4863 7.9 – 8.4 0.83 40 (-1dB) 45 5.6 0.47 L3 Comm.L-4369 10 – 10.25 2 8 (-1dB) 50 10.2 1.06 L3 Comm.TV2030 (secret) 20 – 43 245 240 Thales Gr.TH2066U 2.998 7.5 – 51 162 110 Thales Gr.TH2103A 3.7 0.65 – 47 65 65 Thales Gr.TH2463A 17.3 – 18.1 0.0017 65 (-1dB) 47 12.2 0.61 Thales Gr.
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Magnétron
Magnétron
Le magnétron est comme un klystron circulaire.
Une série de cavités résonantes est arrangé de façon cylindriqueautour d’une cathode, elle aussi cylindrique.
Le magnétron est utilisé dans les fours micro-ondes.
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Magnétron
Magnétron
Sortie
Des électrons circulent entre l’anodeet la cathode. Les cavités résonantesextraient de l’énergie des électrons etproduisent l’onde hyperfréquencevoulue.
La cavité est généralement de l’ordre du quart de longueur d’onde.
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Magnétron
Magnétron
Il existe plusieurs types de magnétrons, selon le type de cavitérésonante :
Rising Sun : Réduit les modes non désirés. Cavités rectangulaires.Coaxial : Augmente la séparation entre les modes.
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Magnétron
Magnétron
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Magnétron
Magnétrons
Exemples :Modèle Fréquence Puissance Tension Courant Fournisseur
(GHz) (kW) (kV) (A)
L-3858 2.45 2.5 7.2 0.56 L3 Comm.
L-4850 4.4 – 4.8 0.9 3 2 L3 Comm.
L-4754 16 – 17 55 14.7 15 L3 Comm.
L-4064E 34.85 125 19 27.5 L3 Comm.
L-4928 2.9 – 3.1 1000 45 50 L3 Comm.
TH 3068 Bande X 200 22 27.5 Thales Gr.
MC 567 1.22 – 1.37 2400 40 150 Thales Gr.
TH 3062 3.7 1000 36 75 Thales Gr.
TH 3074A 8.5 – 9.5 220 21.5 27.5 Thales Gr.
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Traveling-Wave Tube
Traveling-Wave Tube
Le TWT fonctionne un peu comme le klystron : il utilise un faisceaud’électrons comme source primaire.
On utilise un solénöıde qui enveloppe le faisceau d’électrons afaind’obtenir un champ magnétique constant pour guider les électrons.
À l’intérieur du solénöıde, on insère un fil de cuivre hélicöıdal quitraverse la totalité du tube ; ceci sert de guide d’onde pour l’énergieRF.
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Traveling-Wave Tube
Traveling-Wave Tube
V
Entrée Sortie
Solénöıde
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Traveling-Wave Tube
TWT
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Traveling-Wave Tube
TWT
Exemples :Modèle Fréquence Puissance Gain Tension Courant Fournisseur
(GHz) (kW) (dB) (kV) (A)
L5844 9.7 – 9.9 20 60 -23 4.5 L3 Comm.
L5737 7.5 – 18.0 1 50 -11 1.6 L3 Comm.
L5990 10.0 – 10.5 0.125 27 -4.1 0.165 L3 Comm.
L6083 18.0 – 40.0 0.02 30 -8.0 0.12 L3 Comm.
L6024 40.0 – 46.0 0.04 30 -8.0 0.11 L3 Comm.
TH 4021 Bande X 4 39 11.7 1.7 Thales Gr.
TH 3627 16.0 – 17.0 2 56 13 1 Thales Gr.
TH 3864 27.5 – 30.0 0.1 64 — — Thales Gr.
TH 3972 43.5 – 45.5 0.3 52 — — Thales Gr.
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Dangers d’utilisation
Dangers d’utilisation
Les tubes hyperfréquences opèrent à de très hautes tensions et à descourants élevés ; il est très dangereux d’utiliser de tels appareils.
De plus, ces sources produisent des rayons X.
En dessous de 15kV, les rayons X ne présentent pas de danger.Entre 15kV et 50kV, il est assez facile de bloquer les rayons X avec duverre à plomb ou de l’acier.Au-dessus de 50kV, il faut un panneau en plomb pour bloquer cetteradiation.
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Dangers d’utilisation
Exemple : four micro-ondes
Les micro-ondes résidentiels opèrentà des tensions de 3000 à 5000V. Lemagnétron opère à 2.45GHz ; il peutgénérer de l’interférence aveccertains appareils (réseau sans fil,cellulaires, téléphones sans fil).
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Sources semi-conducteur
Sources semi-conducteur
Il y a 2 sources semi-conducteur principales d’hyperfréquences : ladiode Gunn et la diode IMPATT. Ce sont des circuits à résistancenégative.
Ces 2 composantes sont utilisées comme sources à faible puissancedans des systèmes de transmission et réception.
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Sources semi-conducteur
Diode Gunn
La conductivité de la diode Gunn ne suit pas un tracé linéaire.
I
VVT
Zone de haute mobilité
Zone de faible mobilité
Zone de résistivité négative
−RdCd
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Diode IMPATT
Diode IMPATT
IMPATT : IMPact ionization Avalanche Transit Time. Cet acronymedécrit le phénomène associé avec la tension de claquage d’unejonction p-n et le transport de charges à travers une zone de dérive.
On a démontré que s’il y a un délai de phase de plus de 90◦ entrel’application d’une tension RF et et le courant avalanche que la diodese comporte comme une résistance négative.
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Diode IMPATT
Diode IMPATT
E
p+ n i n+
Zone de dérive
Zone avalanche
V La diode est polarisée juste endessous de la tension declaquage. L’application d’unsignal RF cause l’effetavalanche.Si le délai entre l’application etle temps de transit estsupérieur à 90◦, la diode opèrecomme une résistancenégative.
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Circuits oscillatoires
Circuits oscillatoires
Un oscillateur hyperfréquences transforme de l’énergie DC à de lapuissance RF ; c’est une composante essentielle de tout système detélécommunications.
Ces circuits utilisent une diode ou un transistor pour produire unsignal sinusöıdal.
Le bruit est la principale source pour commencer les oscillations ;ensuite, des éléments non-linéaires vont stabiliser les oscillations.
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Circuits oscillatoires
Oscillateur à 1 port
RL
XL
Rin
Xin
ΓL Γin
I
Dispositif àrésistancenégative
Somme des tensions :
(ZL + Zin)I = 0
Puisqu’il y a des oscillations,I 6= 0.
On a donc :
RL +Rin = 0XL +Xin = 0
}Pour une charge passive, il faut que Rin < 0
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Circuits oscillatoires
Oscillateur à 1 port
RL
XL
Rin
Xin
ΓL Γin
I
Dispositif àrésistancenégative
Puisque Zin = −ZL,
ΓL =1
Γin
Pour maintenir les oscillations, on peut démontrer que :
∂(XL +Xin)
∂ω>> 0
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Circuits oscillatoires
Oscillateurs à transistor
On ajoute une charge ZT qui rend le transistor instable.
Réseaude charge
Transistor[S]
Réseau determinaison
Résistance négative
ΓL Γin Γout ΓT
Selon les cercles de stabilité, on choisit ΓT pour avoir une granderésistance négative à l’entrée.
Γin =S11 −∆ΓT1− S22ΓT
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Circuits oscillatoires
Oscillateurs à transistor
Selon l’équation précédente, on calcule Rin et Xin, puis RL et XL.
On choisit RL de sorte que RL +Rin < 0.
Typiquement, on utilise RL = −Rin/3, et XL = −Xin
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Sécurité
Sécurité
Standard IEEE C95.1-2005 :
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Mise à terre
Mise à terre
Il est très important que les équipements soient branchés à une mise àterre de façon correcte.
À haute fréquences, il peut facilement exister des différences depotentiel le long des chemins de retour de mise à terre.
On doit minimiser la différence de potentiel entre les circuits branchésà une même mise à terre.
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Mise à terre
Impédance d’un fil
Pour un conducteur circulaire (fil plein) de rayon a, la résistance AC est :
Rac =l
σ2πaδs
Son inductance est approximativement :
L = 2× 10−7l[ln
(2l
a
)− 1]
[H]
À hautes fréquences, l’inductance peut dominer.
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Mise à terre
Exemple
Calculer l’impédance de 1cm de fil AWG24 en cuivre, à 1GHz.
Pour du AWG24, le rayon est 0.255mm. Alors,
δs =1√πfµσ
= 2.09× 10−6
ce qui donne Rac = 51.5mΩ.L’inductance est :
L = 2× 10−7(0.01)[ln
(0.02
0.255× 10−3
)− 1]
= 6.7 nH
et donc l’impédance totale de la ligne est :
Zl = Rac + jωL = 0.05 + j42 Ω
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Mise à terre
Connexions à la terre
Circuit 1 Circuit 2 Circuit 3
Source
À éviter !
Circuit 1 Circuit 2 Circuit 3
Source
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Mise à terre
Exemple
Si on utilise du fil AWG24 pour brancher les 3 circuits à la masse, calculerla différence de potentiel entre les points A, B et C, à 100MHz.
Circuit 11mA ↓
Circuit 21mA ↓
Circuit 31mA ↓
A B C
4cm 4cm4cm
Circuit équivalent :
↓1mA ↓1mA ↓1mA
j24Ω j24Ωj24Ω
A B C
On obtient :
|VA| = |j24|(3) = 72 mV|VB | = |VA|+ |j24|(2) = 120 mV|VC | = |VB |+ |j24|(1) = 144 mV
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Conclusion
Conclusion
Les points clés de ce chapitre sont :
Sources hyperfréquences.
Oscillateurs.
Mise à terre des circuits.
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IntroductionTubes hyperfréquencesMagnétronTraveling-Wave TubeDangers d'utilisationSources semi-conducteurDiode IMPATTCircuits oscillatoiresSécuritéMise à terreConclusion