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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


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.




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.



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.



Création d’une onde hyperfréquence

On ajoute une cavité résonante.

V

d

Anode oucollecteur


Cathode

Cavité résonante

Sortie

La cavité résonante récupère de l’énergie du faisceau.



Klystron

On ajoute une deuxième cavité résonante.

V

l

Anode oucollecteur


Cathode

Entrée


Sortie

La modulation avec un signal d’entrée permet d’atteindre des gains élevés,jusqu’à 75dB à 1GHz.



Klystron à réflexion

On ajoute une deuxième source.

V Vr

s

Réflecteur


Cathode

Entrée


Sortie



Klystrons



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.


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.


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.


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.


Magnétron

Magnétron


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.


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.


Traveling-Wave Tube

Traveling-Wave Tube

V

Entrée Sortie

Solénöıde


Traveling-Wave Tube

TWT


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.


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.



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).


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.



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


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.


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.




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.



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



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



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



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


Sécurité

Sécurité

Standard IEEE C95.1-2005 :


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.


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.


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


Mise à terre

Connexions à la terre

Circuit 1 Circuit 2 Circuit 3

Source

À éviter !

Circuit 1 Circuit 2 Circuit 3

Source


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


Conclusion

Conclusion

Les points clés de ce chapitre sont :

Sources hyperfréquences.

Oscillateurs.

Mise à terre des circuits.


IntroductionTubes hyperfréquencesMagnétronTraveling-Wave TubeDangers d'utilisationSources semi-conducteurDiode IMPATTCircuits oscillatoiresSécuritéMise à terreConclusion

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