GELE5223 Chapitre 6 : Sources hyperfréquences

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1 GELE5223 Chapitre 6 : Sources hyperfréquences Gabriel Cormier, Ph.D., ing. Université de Moncton Automne 2010 Gabriel Cormier (UdeM) GELE5223 Chapitre 6 Automne / 37

2 Introduction Contenu Contenu Sources à haute puissance : klystron, traveling-wave tube, magnétron Sources semi-conducteur : diode Gunn, diode IMPATT Circuits oscillatoires Sécurité Gabriel Cormier (UdeM) GELE5223 Chapitre 6 Automne / 37

3 Tubes hyperfréquences Tubes hyperfréquences Source principale de signaux dans les systèmes radar à haute puissance. Magnétron : le plus utilisé. Fournit plusieurs kw de façon continue, et même 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 des applications à faible puissance, les sources semi-conducteurs sont utilisées maintenant. Gabriel Cormier (UdeM) GELE5223 Chapitre 6 Automne / 37

4 Tubes hyperfréquences Tubes hyperfréquences Deux types principaux de tubes : Cavité électromagnétique : klystron et certains magnétrons Circuits 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 en détail, et on suppose que tous les électrons se comportent de la même façon, Approche des champs : on analyse le faisceau complet comme s il se comportait comme un fluide. Gabriel Cormier (UdeM) GELE5223 Chapitre 6 Automne / 37

5 Faisceau d électrons Tubes hyperfréquences Source d électrons Cathode d 2a Anode ou collecteur Vitesse des électrons : 2V e v 0 = m = V 0.5 m/s V Pour d faible, le faisceau a une largeur constante. Gabriel Cormier (UdeM) GELE5223 Chapitre 6 Automne / 37

6 Tubes hyperfréquences Création d une onde hyperfréquence On ajoute une cavité résonante. Source d électrons Sortie Cavité résonante Anode ou collecteur Cathode d V La cavité résonante récupère de l énergie du faisceau. Gabriel Cormier (UdeM) GELE5223 Chapitre 6 Automne / 37

7 Tubes hyperfréquences Klystron On ajoute une deuxième cavité résonante. Source d électrons Entrée Sortie Cavité résonante Anode ou collecteur Cathode l V La modulation avec un signal d entrée permet d atteindre des gains élevés, jusqu à 75dB à 1GHz. Gabriel Cormier (UdeM) GELE5223 Chapitre 6 Automne / 37

8 Klystron à réflexion Tubes hyperfréquences On ajoute une deuxième source. Source d électrons Entrée Sortie Cavité résonante Réflecteur Cathode s V V r Gabriel Cormier (UdeM) GELE5223 Chapitre 6 Automne / 37

9 Tubes hyperfre quences Klystrons Gabriel Cormier (UdeM) GELE5223 Chapitre 6 Automne / 37

10 Klystrons Tubes hyperfréquences Exemples : Modèle Fréquence Puissance Bande Gain Tension Courant Fournisseur (GHz) (MW) (MHz) (db) (kv) (A) L L3 Comm. L L3 Comm. L (-3dB) L3 Comm. L (-1dB) L3 Comm. L (-1dB) L3 Comm. TV2030 (secret) Thales Gr. TH2066U Thales Gr. TH2103A Thales Gr. TH2463A (-1dB) Thales Gr. Gabriel Cormier (UdeM) GELE5223 Chapitre 6 Automne / 37

11 Magnétron Magnétron Le magnétron est comme un klystron circulaire. Une série de cavités résonantes est arrangé de façon cylindrique autour d une cathode, elle aussi cylindrique. Le magnétron est utilisé dans les fours micro-ondes. Gabriel Cormier (UdeM) GELE5223 Chapitre 6 Automne / 37

12 Magnétron Magnétron Sortie Des électrons circulent entre l anode et la cathode. Les cavités résonantes extraient de l énergie des électrons et produisent l onde hyperfréquence voulue. La cavité est généralement de l ordre du quart de longueur d onde. Gabriel Cormier (UdeM) GELE5223 Chapitre 6 Automne / 37

13 Magnétron Magnétron Il existe plusieurs types de magnétrons, selon le type de cavité résonante : Rising Sun : Réduit les modes non désirés. Cavités rectangulaires. Coaxial : Augmente la séparation entre les modes. Gabriel Cormier (UdeM) GELE5223 Chapitre 6 Automne / 37

14 Magne tron Magne tron Gabriel Cormier (UdeM) GELE5223 Chapitre 6 Automne / 37

15 Magnétrons Magnétron Exemples : Modèle Fréquence Puissance Tension Courant Fournisseur (GHz) (kw) (kv) (A) L L3 Comm. L L3 Comm. L L3 Comm. L-4064E L3 Comm. L L3 Comm. TH 3068 Bande X Thales Gr. MC Thales Gr. TH Thales Gr. TH 3074A Thales Gr. Gabriel Cormier (UdeM) GELE5223 Chapitre 6 Automne / 37

16 Traveling-Wave Tube Traveling-Wave Tube Le TWT fonctionne un peu comme le klystron : il utilise un faisceau d électrons comme source primaire. On utilise un solénoïde qui enveloppe le faisceau d électrons afain d obtenir un champ magnétique constant pour guider les électrons. À l intérieur du solénoïde, on insère un fil de cuivre hélicoïdal qui traverse la totalité du tube ; ceci sert de guide d onde pour l énergie RF. Gabriel Cormier (UdeM) GELE5223 Chapitre 6 Automne / 37

17 Traveling-Wave Tube Traveling-Wave Tube Entrée Solénoïde Sortie V Gabriel Cormier (UdeM) GELE5223 Chapitre 6 Automne / 37

18 TWT Traveling-Wave Tube Gabriel Cormier (UdeM) GELE5223 Chapitre 6 Automne / 37

19 TWT Traveling-Wave Tube Exemples : Modèle Fréquence Puissance Gain Tension Courant Fournisseur (GHz) (kw) (db) (kv) (A) L L3 Comm. L L3 Comm. L L3 Comm. L L3 Comm. L L3 Comm. TH 4021 Bande X Thales Gr. TH Thales Gr. TH Thales Gr. TH Thales Gr. Gabriel Cormier (UdeM) GELE5223 Chapitre 6 Automne / 37

20 Dangers d utilisation Dangers d utilisation Les tubes hyperfréquences opèrent à de très hautes tensions et à des courants 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 du verre à plomb ou de l acier. Au-dessus de 50kV, il faut un panneau en plomb pour bloquer cette radiation. Gabriel Cormier (UdeM) GELE5223 Chapitre 6 Automne / 37

21 Dangers d utilisation Exemple : four micro-ondes Les micro-ondes résidentiels opèrent à des tensions de 3000 à 5000V. Le magnétron opère à 2.45GHz ; il peut générer de l interférence avec certains appareils (réseau sans fil, cellulaires, téléphones sans fil). Gabriel Cormier (UdeM) GELE5223 Chapitre 6 Automne / 37

22 Sources semi-conducteur Sources semi-conducteur Il y a 2 sources semi-conducteur principales d hyperfréquences : la diode Gunn et la diode IMPATT. Ce sont des circuits à résistance négative. Ces 2 composantes sont utilisées comme sources à faible puissance dans des systèmes de transmission et réception. Gabriel Cormier (UdeM) GELE5223 Chapitre 6 Automne / 37

23 Diode Gunn Sources semi-conducteur La conductivité de la diode Gunn ne suit pas un tracé linéaire. Zone de haute mobilité I Zone de résistivité négative C d R d V T Zone de faible mobilité V Gabriel Cormier (UdeM) GELE5223 Chapitre 6 Automne / 37

24 Diode IMPATT Diode IMPATT IMPATT : IMPact ionization Avalanche Transit Time. Cet acronyme décrit le phénomène associé avec la tension de claquage d une jonction 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 entre l application d une tension RF et et le courant avalanche que la diode se comporte comme une résistance négative. Gabriel Cormier (UdeM) GELE5223 Chapitre 6 Automne / 37

25 Diode IMPATT Diode IMPATT E V p + n i n + Zone de dérive Zone avalanche La diode est polarisée juste en dessous de la tension de claquage. L application d un signal RF cause l effet avalanche. Si le délai entre l application et le temps de transit est supérieur à 90, la diode opère comme une résistance négative. Gabriel Cormier (UdeM) GELE5223 Chapitre 6 Automne / 37

26 Circuits oscillatoires Circuits oscillatoires Un oscillateur hyperfréquences transforme de l énergie DC à de la puissance RF ; c est une composante essentielle de tout système de télécommunications. Ces circuits utilisent une diode ou un transistor pour produire un signal sinusoïdal. Le bruit est la principale source pour commencer les oscillations ; ensuite, des éléments non-linéaires vont stabiliser les oscillations. Gabriel Cormier (UdeM) GELE5223 Chapitre 6 Automne / 37

27 Oscillateur à 1 port Circuits oscillatoires X L R L I X in R in Dispositif à résistance négative Somme des tensions : (Z L + Z in )I = 0 Puisqu il y a des oscillations, I 0. Γ L Γ in On a donc : } R L + R in = 0 X L + X in = 0 Pour une charge passive, il faut que R in < 0 Gabriel Cormier (UdeM) GELE5223 Chapitre 6 Automne / 37

28 Oscillateur à 1 port Circuits oscillatoires X L R L I X in R in Dispositif à résistance négative Puisque Z in = Z L, Γ L = 1 Γ in Γ L Γ in Pour maintenir les oscillations, on peut démontrer que : (X L + X in ) ω >> 0 Gabriel Cormier (UdeM) GELE5223 Chapitre 6 Automne / 37

29 Oscillateurs à transistor Circuits oscillatoires On ajoute une charge Z T qui rend le transistor instable. Réseau de charge Transistor [S] Réseau de terminaison Γ L Γ in Γ out Γ T Résistance négative Selon les cercles de stabilité, on choisit Γ T pour avoir une grande résistance négative à l entrée. Γ in = S 11 Γ T 1 S 22 Γ T Gabriel Cormier (UdeM) GELE5223 Chapitre 6 Automne / 37

30 Circuits oscillatoires Oscillateurs à transistor Selon l équation précédente, on calcule R in et X in, puis R L et X L. On choisit R L de sorte que R L + R in < 0. Typiquement, on utilise R L = R in /3, et X L = X in Gabriel Cormier (UdeM) GELE5223 Chapitre 6 Automne / 37

31 Sécurité Sécurité Standard IEEE C : Gabriel Cormier (UdeM) GELE5223 Chapitre 6 Automne / 37

32 Mise à terre Mise à terre Il est très important que les équipements soient branchés à une mise à terre de façon correcte. À haute fréquences, il peut facilement exister des différences de potentiel le long des chemins de retour de mise à terre. On doit minimiser la différence de potentiel entre les circuits branchés à une même mise à terre. Gabriel Cormier (UdeM) GELE5223 Chapitre 6 Automne / 37

33 Impédance d un fil Mise à terre Pour un conducteur circulaire (fil plein) de rayon a, la résistance AC est : R ac = l σ2πaδ s Son inductance est approximativement : [ L = l ln ( 2l a ) ] 1 À hautes fréquences, l inductance peut dominer. [H] Gabriel Cormier (UdeM) GELE5223 Chapitre 6 Automne / 37

34 Exemple Mise à terre Calculer l impédance de 1cm de fil AWG24 en cuivre, à 1GHz. Pour du AWG24, le rayon est 0.255mm. Alors, δ s = ce qui donne R ac = 51.5mΩ. L inductance est : L = (0.01) 1 πfµσ = [ ( ln et donc l impédance totale de la ligne est : Z l = R ac + jωl = j42 Ω ) ] 1 = 6.7 nh Gabriel Cormier (UdeM) GELE5223 Chapitre 6 Automne / 37

35 Connexions à la terre Mise à terre Source Circuit 1 Circuit 2 Circuit 3 À éviter! Source Circuit 1 Circuit 2 Circuit 3 Gabriel Cormier (UdeM) GELE5223 Chapitre 6 Automne / 37

36 Exemple Mise à terre Si on utilise du fil AWG24 pour brancher les 3 circuits à la masse, calculer la différence de potentiel entre les points A, B et C, à 100MHz. 4cm Circuit 1 1mA Circuit 2 1mA Circuit 3 1mA A B C 4cm 4cm Circuit équivalent : 1mA 1mA 1mA A B C j24ω j24ω j24ω On obtient : V A = j24 (3) = 72 mv V B = V A + j24 (2) = 120 mv V C = V B + j24 (1) = 144 mv Gabriel Cormier (UdeM) GELE5223 Chapitre 6 Automne / 37

37 Conclusion Conclusion Les points clés de ce chapitre sont : Sources hyperfréquences. Oscillateurs. Mise à terre des circuits. Gabriel Cormier (UdeM) GELE5223 Chapitre 6 Automne / 37