DPC/SPP/SPLe 10 octobre 1986MESUREUR DE CHAMP HYPERFREQUENCE A
CONSOMMATION MINIMALEEXPERIMENTATION AVEC UNE SOURCE CENTIMETRIQUE
(KLYSTRON 10 GHz)Par: Dr. Oleg Eric ANITOFFCharg de recherche au
C.N.R.S.,Centre dEtudes Nuclaires de SACLAY, DESICP/DPC/SPPCette
note dcrit un dispositif mesureur de champ hyperfrquence (10 70
GHz), de faibles encombrement et consommation (alimentation sous
2,5 4,8 Volts; minimum 2,4 V et 100uA ainsi quune source
centimtrique dessais (KLYSTRON TH 6975) modulable par gnrateur de
fonction.La bande passante du rcepteur atteint 160 kHz avec une
tension dalimentation de 4,5 Volts et 1 milliampre. Des
amplificateurs faibles drive de conception trs rcente (OPA21E,
TLC251, TLC271) sont utiliss.1) DETECTEURS HYPERFREQUENCE:On
considre ici que les dispositifs simples un seul tage, les systmes
htrodyne tant trop couteux et encombrants (sauf pour les
applications les plus rcentes la tlvision par satellite bande 12
GHz, o des rcepteurs intgrs existent).Un rcepteur htrodyne ncessite
au moins un oscillateur local accordable, un mlangeur avec un
rsonateur dentre et un amplificateur frquence intermdiaire.Les
dtecteurs 1 tage peuvent tre classs en deux catgories:1) 1.
Dtecteur diode:Le matriau est du silicium ou de larsniure de
gallium et le contact mtallique (jonction Schottky) est fixe,
ventuellement avec un pont dair pour minimiser les capacits
parasites (boitier Beam lead,ou mobile (pointe ou whisker
positionne par une vis micromtrique).Les dtecteurs monobloc (pointe
fixe) fonctionnent jusqu' 150 GHz, alors que des dtecteurs pointe
tungstne ajustable fonctionnent jusqu' 3 THz.Les principaux
constructeurs (Alpha, NEC, Hughes, Thomson, RTC) en proposant
plusieurs sortes:
GENREFREQUENCESENSIBILITE POUR UN COURANT DE:MAXIMUM
1microampre100microampresAsGa Planar20GHz420 60 mV580 40 mVP-Si
Barrire20GHz60mVnulleP ou N-Si40GHz70mV200mVBarrire faibleN-Si
Barrire40GHz140mV300mVmoyenneLa tension de jonction est lie courant
par:V =kT/q eff lni/is o qeff est la charge effective du porteur et
is le courant de saturation. Conformment cette expression,
lincrment de diffrence de potentiel par dcade est : (
V)i2/i1=10=kT/qeff ln 10 = 60 mVCette progression est effectivement
observe (aux variations de lordre de 20% de charge effective prs )
pour les diodes AsGa, et Si faible et moyenne barrire.Le courant de
saturation est plus faible dun facteur 104 105pour lAsGa (ce qui
est raisonnable, puisque le niveau de Fermi est 0,85 eV de la bande
de valence et non 0,5 eV pour le silicium), donc les dtecteurs AsGa
sont moins sensibles, mais indispensables au dessus de50GHz, les
dtecteurs Si tungstne whisker tant trop fragiles. Les dtecteurs
barrire nulle au silicium dop positivement sont trs sensibles, et
la charge effective des porteurs tend asymptotiquement vers zro
faible diffrence de potentiel.Seul Alpha propose de tels dtecteurs,
sous forme danneau de 4.Limpdance dynamique (ou impdance vido dans
les circuits large bande ) est la drive premire de la
caractristique tension/courant:Zdyn = dV/di = kT/qeff 1/iSoit :
(Zdyn) 1 uA = 26 kohms ; (Zdyn) 100 uA = 260 ohmsEn mesureur de
champ continu, on doit faire fonctionner la diode sans
polarisation.La plupart des diodes disponibles, et en particulier
celles larsniure de Gallium, ncessitent une polarisation pour tre
dbloques (courant de 1 50 microampres, suivant la bande passante,
de 1 200MHz), ce qui ajoute du Schottky (bruit rsultant de la
quantification de la charge lectrique):EnS = Zdyn (2qeff ipB) 1/2 =
kT (2B/qeff ip)1/2Dans le cas des diodes larsniure de gallium
(diodes AP380 de THOMSON, pour application nominale jusqu 35GHz, en
T):Vdirect = 600 mV ip = 1,5 microampres; et Zdyn = 500 kiloohms ip
= 0
On a les tensions et puissance de bruit suivantes, 50 KHz et 1
MHz: BANDE PASSANTE
AsGa T 35 GHz 50kHz 1MHzZdynEnSEnJEntPntEnSEnJEntPntIp = 0100
kn.a.4,6V4,6V 2.10-16n.a.21214,4.10-16Ip =1 uA20
k3,52,34,29.10-1616101918.10-15Ip = 10
uA26001,100,81,47,6.10-1653,56,114.10-15Un courant de polarisation
de 1 A et suffisant vu la faible capacit dentre de lamplificateur
et le cblage ultra court, sans coaxial. Avec 50 kHz de bande
passante, limit par le produit gain bande de lamplificateur vido
(500 kHz gain 10), la tension de bruit est 19 microvolts.Les
rsultants de mesure correspondent bien cette valeur (2 millivolts
efficaces avec un amplificateur approximatif 100, dpendant du
signal reu par le dtecteur) . Lamplificateur vido doit prsenter un
gain de 100, avec une bande passante de 50 kHz 2MHz, et tre suivi
dun comparateur de gain 100(sensible 2 mV) pour la mise en forme
digitale et le commande du registre dcalage (74HC164, ou circuit
plus complet: 65C51).Il est intressant tout dabord de pouvoir dune
trs basse tension dalimentation, compatible avec les circuits
HCMOS: 2,5 5,5 volts.Ceci peut tre ralis avec les nouveaux
amplificateurs Texas LINCMOS, dont les sries TLC250 fonctionnent ds
3 volts, ce qui convient.Le produit gain-bande nest encore que de
500 kHz: ainsi, 2 tages en cascade sont ncessaires pour un gain de
100 avec une bande passante de 50 kHz.Pour une bande passante plus
tendue, le MC 1733 pourrait tre utilis. Il sagit dun amplificateur
de conception ancienne et consommant 10 mA sous 3 V (alors que
2TLC271 consomme 2 mA produit gain bande maximum) avec un gain
maximum de 200 sous 3 V et une bande passante de 30 MHz.Une telle
bande passante nest pas ncessaire, et dautres amplificateurs plus
modernes devraient permettre datteindre un gain de 100 2MHz.Le OPA
37 atteint un produit gain bande de 63 MHz, avec une tension
dalimentation minimum de 4 V moins de 3 mA.Le OPA 21 peut tre
aliment sous 2,5 V, mais son produit gain bande nest que de 300
kHz.Pour la mesure de champ proprement dite (et cela est aussi
utilis par la mesure en RESONANCE PARAMAGNETIQUE ELECTRONIQUE),
avec un dtecteur Schottky faible barrire, il est intressant de
mesurer le signal continu dtect sans polarisation, avec une
rsolution de 1 microvolts.Le premier dispositif de ce genre
utilisait un amplificateur Harris HA2905 entre par chopper et
aliment en 15 Volts, amplificateur qui nest plus fabriqu.Dsormais,
des rsultats satisfaisants sont obtenus avec les TLC271 ou OPA21E
(Burr Brown) (drive inferieure 1 microvolt par degr), ou mieux
TSC918/TSC911 de Teledyne (drive 0,15 V/K).Les premiers ncessitent
une alimentation 2,4 Volts et les amplificateurs monolithiques
chopper de teledyne ncessitent 5 volts.Ces tensions peuvent tre
obtenues avec un petit convertisseur transistors, permettant
lalimentation sur une pile unique.La figure 1 reprsente un mesureur
de champ, utilisant une diode Schottky au silicium est un
amplificateur en continu de gain 1000 quip dun HA2905, lequel peut
tre remplac, dans lordre de stabilit croissante, par OPA21E,
TLC271, TSC918/911.Cette configuration est utilisable pour la
mesure du champ des metteurs et la dtection en RPE. La bande
passante est fix par le produit gain-bande de lamplificateur
unique: 300 500 Hz gain 1000.La figure 2 reprsente un rcepteur
digital 50 kbauds quip dun T de diodes Schottky AsGa et dun
amplificateur de gain 100(2xTLC271).Une bande passante de quelques
mgabauds devrait pouvoir tre obtenue avec un MC1733 et un
comparateur rapide, tel quun LM311 (alimentation en monotension 5 6
volts) ou un MC 1710.
1) 2. Dtecteur superraction:Le dtecteur superraction est un
oscillateur dont le fonctionnement est priodiquement interrompu: la
phase du train donde est alors affecte par le signal incident,
lequel est dmodul sous la forme de lenveloppe du courant
doscillateur. Cette disposition attenue le bruit de Schottky et
amliorela slectivit, en raison de limpdance dynamique ngative de
loscillateur, de coefficients de surtension suprieurs 1000 peuvent
tre obtenus.En principe, une amlioration de sensibilit dun facteur
10 par rapport la dtection directe pourrait tre atteinte. Il est
dsormais ais de raliser des oscillateurs jusqu 20 GHz (transistor
AsGa effet de champ et rsonateur dilectrique au Zirconate de
Baryum, ou rsonateur Grenat dYttrium/YIG).La fonction de transfert
du dtecteur superraction rsulte de lquation de Whitehead:VS/ Vi =
KFq 2C (eG0 toff/2C ) /G1O : VS/ Vi est le gain du dtecteur K est
le rendement du dtecteur denveloppe Fq est la frquence
dinterrupteur de loscillateur C est la capacit du rsonateur G1 est
la conductance de loscillateur en fonction G0 est la conductance de
charge du rsonateur ltat bloqu Toff est la dure de ltat bloqu.
Conformment au thorme de Shanon, Fq doit tre suprieur 2 fois la
frquence de la modulation transmise (soit 100 kHz 50 kbaud). Ce
procd, qui devrait tre intressant, na pas encore fait lobjet de
recherches.
2) MONTAGE DE MESURE AVEC SOURCE A KLYSTRON MODULE
KLYSTRON TH6975 10mW 9375MHz dans un boitier et le mme
seulNormalement, une alimentation dcoupage 300Volts/30mA et 6V3/
200mA pourrait tre intgre dans le boitier.En raison de ses
disponibilit et commodit de modulation, un klystron oscillateur TH
6975 (oscillateur 10 GHz) a t utilis pour la mise au point des
montages dcrits.
Rappelons-en le principe de fonctionnement:Les lectrons mis par
la cathode chauffe sont acclrs dans le potentiel de lanode (+ 300
V), couple la cavit rsonante, laquelle communique avec le guide
donde et une antenne dilectrique (prisme de plexiglas taill la
scie) travers un iris.Le faisceau dlectrons (30 mA, soit 9 W)
traverse une premire fois lanode et est rflchi par le
rflecteur.Pour certains potentiels du rflecteur, le faisceau rflchi
est en phase avec le faisceau incident, et le klystron oscille.Ces
potentiels sont, dans le cas de TH 6975: -30, -55 et 100 V.Le
troisime mode (-100 V) fournit la puissance de sortie la plus leve
(10mW).La modulation du klystron en amplitude se fait trs
facilement en superposant un signal de modulation de forme
quelconque et damplitude 1 2 Veff, fourni par un gnrateur de
fonction transistors ou le transmetteur srie dun priphrique ACIA de
microordinateur (modulation RS 232 / V24 / V35).La bande passante
de modulation atteint aisment quelque MHz, avec une puissance de
modulation insignifiante en raison de la haute impdance du
rflecteur.Ce montage trs commode, qui doit tre aliment en hautes
tensions ( -300V, -410 V, chauffage 6V3) permet lmission
(ventuellement jusqu quelque dizaines de mtres) de faisceau modul
en amplitude par un signal analogique digital.Le montage est
reprsent en figure 3.
Puissance de bruit diode.
Relation avec VRF dveloppement en Fonction de Bessel
Soit: 28
RENDEMENT DE DETECTION EN FONCTION DE LA TENSION CRETE RF
AUTRES GENERATEURS: de gauche droite
1) Cavit bande X ##10GHz pour diode Gunn 10 100 mW
3) Cavit avec diode Impatt H.P. 1 Watt 12GHz, alimentation
82Volts/0,2A
4) Diode Gunn commerciale 95GHz 10mW. Le montage des guides
donde est beaucoup plus dlicat que pour la bande X (10
12GHz).Transceiver Hemt avec 2SK677 Sony (Matech)(shema)
Oscillateur dimension 0,6x0,6 mm au foyer dune lentilleSony:
Voircatalogues EPNVoir Matech 3 avenue Charles de Gaulle94475
Boissy St Leger [45.69.52.20]Transmission TV satelliteAntenne
mettrice:ouverture0,8 x 1,7Gain:En radians En degrsGT = 44,8
dBFraction de puissance reue (antenne rceptrice 1m2)800000 km2
couvertsGame dantenne rceptrice (diamtre 1m; = 3)
Pr = +50 -119 = - 69 dBm (- pertes atmosphriques)(100W
mis)Sensibilit rcepteur avec prampli # 201 B; F = 3dB:Pn = F kT B =
5 10-14W = - 103 dBm2 6 106S/N = 35 dBFree Space Path LossPt + Gt +
GR Fspl = Pt + PrFspl = PT + Gt + GR + - Pr = 50 + 45 + 36 + 68 =
199dB
Frquence de transitions en fonction du courant metteur1) aux
faible
2) Aux forts
Bibliographie: Techniques radioNelson Busher, Ulrich Rohde;
Communication Receivers Pace Electronics; Microwave of RF Vol 26
n3, March 87; pp 329 338Norman E.Dye, Danny Scnell; RF Power
Transistors catapult into High Power Systems of RF ; Vol 6 n3,
March 87; pp 344 351James C.Wiltse ; The ascent mm-waves; Microwave
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Retroreflectance from a dense distributors of spherical particles ;
J 0pt Soc Am , Vol 1(1984) pp831 835ER Mendez, KA ODonnell;
Observations of depolarisation; Option Com, Vol 61 (1987) pp 91 -
95Application de:emtteur:
ld(k)fTfT/k2N91851,511,5/7,5=1,56004002N35703,50,57,5/1,75=4,314003302N5109144,532,5/63=0,51200geometrie
diff Special baseBFR9650,2510,25/1,25=8,23500430
Calcul dune parabole en ondes hertziennes.Parabole : lieu des
points quidistants dun foyer et dune directrice
yFf
yl = -
/2xol2 = x2 +f2 =2y2 (1-cos)cos2 = avec t = tg (1 cos2)= soity =
+
Considrons un cornet, douverture 2 (antenne hyperfrquence)Au
foyer:Quelle est la relation entre distance focale, diamtre 2d de
la parabole et angle douverture 2?x = d: 1-max = 1 + =soit: avec
(cas purement imaginaire!)
on trouve:
:
Prenons maintenant la surface dcoupe sur sphre par le faisceau
mis par lantenne.On appelle gain de lantenne le rapport de cette
surface la surface de la sphre .Langle de divergence de faisceau
est limit par diffraction:
ou et la longueur donde
r12dRhSt
si Exemple:
Reflxion par une feuille dilctrique(Microwave of RF, Vol 26 n3
March 87, pp 85 86, A.Kumar, Acetylne black rubber reduces target
RCS)
Distance far Field une antenne :(D: diamtre)
Caoutchouc au charbon dactylne 30%: = 5,50 + 0,54 40%: = 8,00 +
3,30(Dans le deuxime cas : optimum t/Mesure de Phase / Frquence mme
revue, pp 91 98 montage comparateur avec CMOS dont 74HC688(2 of
V.A.Shvartsman)(dispositif brvet)Trs intressants pour les mesures
de bruit de phase jusqu 1 Hertz (trs suprieurs aux analyseurs de
spectre)Voir: 1) v.A.Shvartsman, Perpetuel Pulse width counter;
IEEE Trans. Instr. Meas., Vol IM34,n4, Dec 85; Part II,
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Microstipline and Dielectric Resonator; IEEE MTT Trans; Jan 83, pp
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Impdance dune ligne coaxialerireCapacit:
Inductance: par le conducteur central (la contribution du
conducteur extrieur est nulle, voir verso)
r
Car
(formule juste, vrifie sur ligne air wiltron 18A50: )
Ligne: effet magntique des conducteurs extrieurr lR-rR
avec Cette intgrale dfinie sur est nulle.(Schma)Inversion dune
fonction Calcul itratif
branche if sup
PrintAlgorithme de calcul dune racine carre