15/10/2015 1 Conception d’oscillateurs RF et micro-ondes Annick PLAGELLATPENARIER Master 2 EEA 2015-2016 2 PLAN • Introduction • Caractéristiques • Oscillateurs « basse-fréquence » ▫ ▫ ▫ ▫ ▫ Caractéristiques Conditions d’oscillation Stabilisation Circuits à base de L et C Oscillateurs à quartz • Oscillateurs Micro-ondes ▫ ▫ ▫ ▫ Conditions d’oscillation Diodes Oscillateurs à transistors Oscillateurs à diélectriques résonants • Oscillateurs à fréquence variable • Ampli et oscillateurs très fortes puissances 1 15/10/2015 3 Introduction • Oscillateurs : ▫ ▫ ▫ ▫ constitués d’éléments actifs + passifs Générateurs de signaux RF jusqu’à quelques GHz Micro-ondes 1GHz à 100GHz • Deux types : ▫ A relaxation entre 2 états d’équilibre instable Comportement non-linéaire Signaux distordus Pas utilisables en tant que source ▫ Oscillateurs sinusoïdaux Base des sources hyperfréquences Caractérisés par : f, P, stabilité, pureté spectrale… • Conditions de démarrage identique en BF et en HF, mais exprimées différemment ▫ BF : critère de Brakhausen, exprimées en impédances ▫ HF : formalisme paramètres S 4 Caractéristiques • Puissance de sortie • Fréquence • Pureté spectrale : se traduit par la prépondérance de la raie fondamentale sur les raies harmoniques. ▫ qualifiée de bonne si l'amplitude du second harmonique est au moins inférieure de 30 dB à celle de la raie fondamentale dBc 2 15/10/2015 5 Caractéristiques • Bruit de phase ▫ Le mouvement désordonné des charges électriques au sein du composant fluctuations de tension et de courant caractérisant ce qu’on appelle le bruit propre de l’amplificateur. ▫ modification de la phase du signal parcourant la boucle et change donc la fréquence des oscillations. ▫ Soit V(t) =V0[1+(t)][cos(20t +(t))] avec (t) et (t) : modulation d’amplitude et de phase du signal. Les densités spectrales de puissance S (f) et S (f), en rad2/Hz (ou dB.rad2/Hz) et V2/Hz, : répartition fréquentielle de (t) et (t) . En général, bruit d’amplitude de la source négligeable devant bruit de phase. La modulation de phase du signal provoque un étalement de la puissance du signal sur une bande de fréquence autour de la fréquence centrale ▫ stabilité en fréquence des oscillateurs ▫ domaine fréquentiel :variations de la puissance de sortie autour de fo 6 Caractéristiques • Bruit de phase ▫ à une certaine distance fm de fo, dans une bande de fréquence de largeur 1 Hz, dBc/Hz. 3 15/10/2015 7 Caractéristiques • Bruit de phase ▫ Mesure : Asservir un oscillateur de référence de même fréquence que l’oscillateur à tester au moyen d’une boucle de phase avec meilleure stabilité Un mélangeur, utilisé comme détecteur de phase, délivre alors après filtrage, un signal d’erreur V1 proportionnelle aux fluctuations de phase. La densité spectrale des fluctuations de phase mesurée à l’analyseur de spectre FFT 8 Caractéristiques • Jitter ▫ Ecart temporel entre le front idéal, et le front réel. ▫ Aléatoire, ▫ Caractérisé par sa densité spectrale de puissance ST(f) (en s2/Hz), sa puissance PT (en s2) ou sa valeur efficace Jitterrms (en s) ▫ Lien avec bruit de phase : bruit de phase d'une porteuse sinusoïdale, modifie l'instant de passage par 0 de cette porteuse gigue de phase (ou jitter). Soit le signal de porteuse s(t) = A.sin(2f0t +(t)), Ou s(t) = A.sin(2f0 (t +(t)/2f0)) Jitter : T(t)=(t)/2f0 Donc 4 15/10/2015 9 Caractéristiques ▫ Remarque : Jitter constant : bruit de phase est d'autant plus grand que la fréquence de la porteuse f0 est grande .....un jitter de 5ps est évidement moins gênant a un fréquence de 1MHz (période 1ms) qu'a une fréquence de 10Ghz (période 100ps).... Exemple de calcul 10 Caractéristiques 5 15/10/2015 11 Caractéristiques • Temps de commutation : important en synthèse de fréquence où il est nécessaire de faire passer la fréquence d'une valeur à une autre en un temps le plus court possible. Il caractérise la dynamique de l'oscillateur ▫ Slew rate : (en MHz/μs) vitesse de passage de F1 à F2 ▫ Temps d’établissement : (en μs) ▫ Dérivé à long terme : (en MHz/s) : variation de la fréquence après un temps considéré comme long devant le temps d'établissement = Flointain / tlointain 12 Caractéristiques 6 15/10/2015 13 Oscillateurs basse fréquence Ve(p) M ++ • Condition d’oscillation : ▫ Oscillateur : amplificateur avec contre-réaction ▫ Fonction de transfert en boucle fermé est : H ( p ) = 1 ▫ conditions d'oscillation de Barkhausen : BF N A (p) Vs(p) B (p) A( p ) A( p ) B ( p ) A( p) B( p) 1 arg(A( p)) arg(B( p)) 2k ▫ Influence d'une très petite variation du gain en boucle ouverte avec réel positif, Si on a : A( j 0 ) B( j 0 ) 1 Si on a : A( j 0 ) B( j 0 ) 1 pas de signal signal divergent à 0. ▫ Donc pour que le signal oscillant puisse apparaître il faut que le système vérifie pour une certaine pulsation 0: . A( j 0 ) B ( j 0 ) 1 14 Oscillateurs basse fréquence • Stabilisation de l’oscillation ▫ signal qui apparaît à la pulsation 0 divergent ▫ amplitude croît exponentiellement. ▫ amplitude l'amplificateur sort de sa plage de fonctionnement linéaire distorsion ▫ amplitude est réduite par rapport au régime linéaire. ▫ gain équivalent diminue lorsque l'amplitude augmente. ▫ Donc, à partir d'une certaine amplitude le gain de la boucle sera rigoureusement égal à 1 : condition de Barkhausen Aeq( j 0 ) B( j 0 ) 1 7 15/10/2015 15 Oscillateurs basse fréquence • Stabilité en fréquence ▫ Une variation de T° modifie la valeur des éléments choix des composants qui varient peu avec la température. ▫ Une variation de la tension d'alimentation provoque une modification du point de fonctionnement des éléments actifs, ce qui entraîne une variation des capacités parasites. ▫ Le vieillissement des composants actifs. • Influence de la variation de la phase Petite variation de phase d de l'ampli déplacement de la pulsation il faut variation de phase de la réaction, importante possible grand coefficient de qualité induit un soit la plus 16 Oscillateurs basse fréquence • Topologie en petit signal ▫ ▫ ▫ ▫ Nœuds 3 et 4 connectés, V2=0V Impédance de sortie grande Y0=0 Alors ▫ Si Y1,2,3 (Y1,2,3 = jB1,2,3 ) imaginaires pures et Yi réel (Yi = Gi) ▫ Alors valable si une B différente des autres et, B2 et B3 différentes 8 15/10/2015 17 Oscillateurs basse fréquence ▫ On peut aussi écrire ▫ Avec ▫ Alors ▫ Donc X1 et X2 identiques 18 Oscillateurs basse fréquence ▫ Bipolaire : base commune • Colpitts ▫ FET : source commune R, Re et Rc : Polarisation R : résistance très grande (M) C3 : condensateur de liaison C4 : condensateur de découplages Le réseau de réaction L, C1 et C2 Vcc Rc R1, R2 et Re : Polarisation R : résistance très grande (M) C3 : Mise à la masse de la base CL : condensateur de liaison L1 empêche l'énergie HF de se propager dans l'alimentation Le réseau de réaction L2, C1 et C2. Base commune : fréquences plus élevées Vcc M N R1 L L1 CL C3 R Re C4 C1 C2 C3 C1 R2 Re L2 C2 9 15/10/2015 19 Oscillateurs basse fréquence ▫ Schéma équivalent petit signal Req correspond à Rc // résistance de sortie du FET. Le gain G() = vs/ve se met sous la forme suivante : G ( ) LC 2 2 g m Req 1 jReq C1 C 2 LC1C 2 3 Req gmve ve L C1 Req osc PI{G()} = 0 osc La condition G osc 1 Req L ve C 2 vs -Reqgmve C1 C2 v s C1 C 2 LC1C 2 conduit à: C2 g m C1 20 Oscillateurs basse fréquence • Hartley Vcc Rc M R C4 N C3 C L2 L1 Re C5 ▫ Gain G ( ) g m Req L2 C 2 L C 2 2 1 1 jReq C 1 L2 C 2 L1 ▫ Pulsation de résonnance osc ▫ La condition Gosc 1 conduit à: 1 C L1 L2 Req L1 g m L2 10 15/10/2015 L osc L1 osc 1 1 L L1 2 C osc C osc 21 Oscillateurs basse fréquence • Clapp ▫ Meilleure stabilité qu'un oscillateur Colpitts : L remplacé par L1 en série avec C, ▫ variation de la phase + rapide autour de la pulsation Vcc Rc M N L1 C3 R Re C4 C1 C C2 ▫ oscillation lorsque l'impédance de l'ensemble self L1 en série avec le condensateur C sera équivalente à l'impédance de la self L : L osc L1 osc osc 1 C1 C 2 1 L1 C1C 2 C 1 L1C eq 1 1 L L1 2 C osc C osc 1 1 1 1 C eq C1 C 2 C 22 Oscillateurs basse-fréquence • Clapp à fréquence variable ▫ Pour réaliser un oscillateur à fréquence variable on peut remplacer le condensateur variable C par une diode varicap. ▫ On rappelle qu'une diode varicap est une diode polarisée en inverse, la capacité C diode d'une telle diode varie comme l'inverse de la racine carrée de la tension de polarisation Vpol (Vbi : potentiel de diffusion) Exercice 11 15/10/2015 23 Oscillateur à quartz • Quartz ▫ Matériau piézoélectrique : Champ E apparition de forces mécaniques. Inversement, effort mécanique exercé parallèlement à une direction du cristal appelée axe mécanique charges électriques sur deux faces perpendiculaires à l'axe électrique ▫ Si quartz entre les armatures d'une capacité, différence de potentiel entre les armatures déformation du cristal. Quand tension extérieure disparaît cristal : forme initiale, après oscillations amorties; Pendant oscillations tension alternative à la fréquence de vibration mécanique du quartz aux bornes de la capacité. électrodes ▫ Schéma équivalent . L, C et R : inertie mécanique, élasticité et viscosité C’ capacité des électrodes La lamelle est équivalente à condensateur C 0 r S d S surface et D : l'épaisseur de la lamelle de quartz. On montre que L d2 R d2 C 1 d2 quartz R C' L C 24 Oscillateur à quartz ▫ Ordre de grandeur fréquences de vibration : entre 10kHz et 30MHz. Jusqu'à 150MHz le quartz vibre sur un harmonique (trois, cinq…). C’ est de l'ordre de 10pF. R : pertes du matériau soumis au champ alternatif, quelques dizaines d'ohms, elle dépende de la façon dont a été taillé le quartz, c'est à dire l'angle entre la perpendiculaire aux faces et les axes cristallographiques. L et C pas de réalité physique, L : très grande de l'ordre du mH C : très petite de l'ordre de quelques fF. Q est compris entre quelques 104 et 106 pour les meilleurs quartz. quartz 27MHz : L = 3.5mH, C = 10fF, R = 30 et C' = 3pF, Q environ 2000 12 15/10/2015 25 Oscillateur à quartz ▫ Comportement en fréquence Impédance complexe Z : Z 1 LC jRC RCC ' j C C ' LCC ' 2 2 3 L'impédance du quartz varie autour de 2 fréquences de résonance série de la branche motionnelle (R, L, C) : fs, Z est minimale f s parallèle ou "d'anti-résonance " : fp, Z est maximale fp 1 2 1 2 LC C C' LCC ' Entre fs et fp quartz = bobine (L en série avec R) Avant fs et après fp quartz = capacité (C en série avec R). 26 Oscillateur à quartz ▫ Oscillateur à résonance série du quartz Pour f proche de fs, impédance du condensateur C’ >> impédance de RLC. Quartz circuit résonant série LC oscillateur Clapp quartz au voisinage de fs : oscillateur Pierce 2 osc : LC eq osc 1 1 1 1 1 1 C eq C1 C 2 C 4 C Cc est la capa imposée par le constructeur 1 1 1 1 C c C1 C 2 C 4 C4 permet d'ajuster la fréquence d'oscillation et d'éviter que le quartz ne soit soumis à une tension continue. 13 15/10/2015 27 Oscillateur à quartz Rp ▫ Oscillateur à résonance parallèle du quartz Pour f proche de fp : quartz circuit résonnant parallèle Rp LC RC ' 2 Lp Colpitts à quartz 1 LC '² Cp Lp L2 C ' 3 C C C ' Cp Vcc M C1 N C2 Re ▫ Remarques : Le quartz utilisé joue le rôle d'inductance. La réactance varie de 0 à l’infini entre fs et fp, la self équivalente peut prendre toutes les valeurs. Il existera donc une fréquence entre fs et fp qui vérifiera les conditions d'oscillation. fs et fp très proches fosc : très précise. La valeur indiquée sur les composants : fs. En pratique la résonance série est plus stable que la résonance parallèle. 28 Oscillateur à quartz ▫ Oscillateur en mode harmonique Pour des fréquences élevées (>20-30 MHz) : harmoniques 3 ou 5, Ces quartz sont dits travailler en mode harmonique (overtone). C'est la taille particulière du quartz qui permet ceci. Le constructeur donne la fréquence finale d'oscillation (par exemple 65MHz P5). Pour forcer un quartz à osciller sur un mode différent de son fondamental il faut ajouter dans la boucle un élément qui constitue un filtre passe bande autour de la fréquence désirée. L4 et C4 ont une de résonance série égale à la fréquence fondamentale du quartz empêchant ainsi l'oscillation sur le fondamental Vcc M C1 L4 C4 C2 N Re 14 15/10/2015 29 Oscillateurs micro-ondes • Conditions d’oscillation : ▫ De façon générale on peut écrire : Comme Alors Donc et 30 Oscillateurs micro-ondes ▫ Application à 1 port Dans ce cas La condition d’oscillation d’écrit Donc 15 15/10/2015 31 Oscillateurs micro-ondes ▫ Diodes Impédance de charge : Z S RS jX S XS Xin RS Rin ZS Dispositif à résistance négative Loi de Kirchoff : Z S Z in I 0 Le courant I est non nul, condition devient : R S Rin 0 Zin Impédance d’entrée : Z in Rin jX in Dépend du courant (ou de la tension) Dépend de la fréquence On peut écrire : Z in ( I , j ) Rin ( I , j ) jX in ( j ) X S X in 0 ZS est passive, RS >0 , Rin <0, pour avoir oscillation XS=-Xin : conditionne la fréquence d’oscillation La condition s’écrit aussi : S Z S Z 0 Z in Z 0 Z in Z 0 1 Z S Z 0 Z in Z 0 Z in Z 0 in 32 Oscillateurs micro-ondes Condition de démarrage Rin ( I , j ) R S 0 Il faut circuit instable à une fréquence telle que ▫ Signal transitoire ou bruit oscillation à la fréquence . ▫ Comme I augmente Rin devient moins négative jusqu'à Rin ( I 0 , j 0 ) R S 0 X in ( I 0 , j 0 ) X S 0 ▫ L'oscillation sera alors stable ▫ 0 diffère de la pulsation de départ Autre vision Circuit RLC : Si R<0 : exp croissante ▫ exercice 16 15/10/2015 33 Oscillateurs micro-ondes ▫ Quadripôle S 1 L 2 Actif Passif S ' S 0 0 L Condition d’oscillation S11 S12 S det S 21 S 22 0 0 1 0 0 L 0 1 D’où S11S 1S22L 1 S12 S21S L 0 Et donc 1 S S S11 12 21 L in 1 S 22L S ou S S 1 S 22 12 21 S out L 1 S11S 1 S in et 1 L out 34 Oscillateurs micro-ondes ▫ oscillations en entrée se retrouvent en sortie Oscillation stable : Sin=1 S’écrit aussi De plus L 1 S11S S 22 S S S S S out S 22 21 12 S 22 1 S11S 1 S11S Lout=1 : condition d'oscillation pour la sortie est donc bien satisfaite 17 15/10/2015 35 Oscillateurs micro-ondes • Diodes ▫ Diodes Gunn : c.f. cours M. Varani « Compo hyper : GMEE316 » Transfer Electron Device, Matériau GaAs ou InP 1 à 300 GHz Impédance différentielle négative Petits, légers, bon marché développement radar bas coût Oscillateur Le résonateur d’un tronçon de guide terminé en CC : CC dans le plan de la diode Rd environ -10Ω, démarrage des oscillations ▫ Cd de l’ordre du pF adaptation inductive 36 Oscillateurs micro-ondes ▫ Diodes IMPATT impact avalanche and transit time 1 à 100 GHz Inconvénient : bruits important, du à la nature statistique de la procédure d’avalanche. Exploite effets combinés d’avalanche dans jonction PN et transit à travers le SC pour produire oscillations Dispositif à résistance différentielle négative 18 15/10/2015 37 Oscillateurs micro-ondes ▫ Diode RTD : Diode Tunnel Résonante : Deux réservoirs d’électrons séparés par deux barrières et un puits de potentiel. Donc 4 hétérojonctions entre le matériau possédant un gap élevé (par exemple GaAlAs) et le matériau à plus faible gap du puits et des réservoirs (par exemple GaAs). Si puits est suffisamment étroit (< 10 nm), niveaux d’énergie possibles quantifiés et généralement les diodes sont réalisées pour avoir deux niveaux seulement permis Etats discrets de conduction résistance différentielle négative 38 Oscillateurs micro-ondes Résistance négative Réseau de charge S • Oscillateurs à transistors ▫ ▫ ▫ ▫ Réseau de sortie Transistor transistors FET ou bipolaires. Pour ampli T inconditionnellement stable, Pour un oscillateur, dispositif avec K<<1 configurations le plus utilisées sont BC ou EC pour les bipolaires et SC ou GC pour les FET ▫ Après choix du montage S in out L cercle de stabilité en sortie L doit être choisi de façon à ce que ZL produise une résistance négative en entrée Ensuite ZS doit être choisie pour être adaptée à Zin. Rin varie devient de moins en moins négative Il faut : RS Rin 0 On choisit RS Rin 3 X S X in 19 15/10/2015 39 Oscillateurs micro-ondes • Exemple de réalisation d'oscillateur à transistor ▫ Oscillateur à 4GHz, transistor FET en source commune S11 0.72 116 S 21 2.6076 S12 0.0357 S 22 0.73 54 On ajoute inductance 5nH sur la grille pour augmenter l’instabilité : pour ça on étudie la valeur de K en fonction de L et on chosit L tel que K <1 et le plus petit possible Nouveaux paramètres S S '11 2.18 / 35 S ' 21 2.7596 S '12 1.2618 S ' 22 0.52155 Cercles de stabilité en sortie CL S '22 ' S '11* * 1.0833 RL S ' 22 2 ' 2 S '12 S ' 21 S ' 22 2 ' 2 0.665 Région stable est à l'intérieur du cercle de stabilité Grand choix de Lin doit être grand on choisit L 0.59 104 Z L 20 j35 40 Oscillateurs micro-ondes On calcule in S' S' in S '11 12 21 L 3.96 2.4 1 S ' 22 L On en déduit Zin : par abaque, ou calcul D’où Zs : ZS Z in Z 0 1 in 84 j1.9 1 in Rin jX in 28 j1.9 3 !!! Erreur sur le schéma : 0,258et non 0,238 20 15/10/2015 41 0scillateurs micro-ondes • Oscillateurs à diélectriques résonants ▫ Pourquoi? Q pour un oscillateur à lignes microstrip maximum :1000. Les résonateurs diélectriques : Q très grand Compacts Facilement intégrables Céramique : matériau avec grande stabilité en température. de plus en plus répandus en micro-ondes A la résonance, la longueur d’onde dans le résonateur est égale à son diamètre D. La fréquence de résonance dépend de r, du diamètre du cylindre et de son environnement. 42 0scillateurs micro-ondes ▫ Principe Pour influencer circuit : coupler diélectrique à une ligne Lignes champs magnétiques du mode fondamental du résonateur TE10 soit de même configuration que celle du quasi TEM de la ligne microstrip Configuration série ou parallèle Dans une boîte métallique pour éviter Les perturbations extérieures Donc ne pas dégrader Q Posé sur une entretoise : facilite le couplage, meilleure tenue en T° 21 15/10/2015 43 Oscillateurs micro-ondes ▫ Schéma équivalent Configuration parallèle : Fonctionne comme un filtre passe-bande avec un grand Q. Ce filtre permet de réaliser une contre-réaction entre l'entrée et la sortie Configuration série : Impédance entre deux tronçons de ligne Résonateur : circuit RLC parallèle. Couplage entre le diélectrique et la ligne : transformateur de rapport N. Coupage déterminé par l'écart entre le diélectrique et le tronçon de ligne. C Diélectrique résonant d Diélectrique résonant ll d L R d g/4 Circuit d'adaptation lr Z0 g/4 ls lr Z0 1 N Z0 Zd Z0 44 Oscillateurs micro-ondes C L R ▫ Schéma équivalent d’un DR couplé à une ligne 1 N On a N Z2 Z1 On montre que Z0 Zd N 2R 1 j 2Q 0 avec 0 Q Zd Z0 R RC 0 0 L Le coefficient de couplage entre la ligne et le diélectrique est défini par R 0 L Q N 2R Qe R L N 2 0 L 2Z 0 RL = 2Z0 est la résistance des 2 tronçons de ligne de part et d'autre du diélectrique. Dans le cas où un des tronçon de ligne ouverte a une longueur /4 (ramène un court-circuit), RL=Z0. A la résonance 2 ▫ Le coef de réflexion Z 0 N2 R Z 0 déterminer et donc N2R Z 0 N R Z 0 1 ▫ Fréquence de résonance, Q RLC 22 15/10/2015 45 Oscillateurs micro-ondes • Exemple de réalisation d’un DRO ▫ Oscillateur à 2.4GHz, transistor bipolaire, EC S12 0.445 S11 1.8130 S 21 3.836 Diélectrique résonnant g/4 ll ls lr 'S S 22 0.7 63 S in out Z0 L Le diélectrique est positionné à une longueur /4 Le travail consiste à trouver la valeur de lr, ll et ls. Il n'est pas utile de tracer les cercles de stabilité car nous allons choisir une valeur de S tel que out soit très grande. 46 Oscillateurs micro-ondes 23 15/10/2015 47 Oscillateurs micro-ondes 48 Oscillateurs à fréquence variable • • • • la fréquence d’oscillation, la puissance du signal de sortie, la bande passante pour une variation de la tension de commande, la linéarité de la bande passante: variation linéaire de la fréquence en fonction de la tension de contrôle, • la réjection de la deuxième harmonique : exprimée en dB, • le facteur de Pushing, qui correspond à la variation de la fréquence du VCO due à une variation de la tension d’alimentation. Pour un oscillateur à transistor bipolaire, on considère en général lors de l’estimation du Pushing, une variation de la tension de commande Vbe. Ce facteur est généralement exprimé en MHz/V et est défini comme :Kp = Δf/ΔVbe 24 15/10/2015 49 Oscillateurs à fréquence variable • le facteur de Pulling, qui correspond à la variation de la fréquence du VCO due à une variation de la charge connectée en sortie. Pour diminuer ce phénomène, on peut utiliser un étage tampon unilatéral en sortie du VCO pour isoler la charge du résonateur. Cet étage tampon est généralement constitué d’un transistor monté en collecteur commun, • stabilité en température, • le bruit de phase : exprimé en dBc/Hz • Le facteur de mérite (FOM : Figure Of Merit), exprimé en dBc/Hz. ▫ C’est un paramètre qui permet de comparer les VCO en normalisant le bruit de phase par rapport à la fréquence d’oscillation et à la puissance consommée. ▫ FOM = pnoise(Δf)−20log (fosc/Δf )+10log(Pdiss), fosc : fréquence centrale de la porteuse, pnoise(Δf) Pdiss la puissance totale consommée en mW. 50 Oscillateurs à fréquence variable • Oscillateur à varactor (varicap) ▫ le plus utilisé dans les applications de systèmes de communications (chaîne d'émission et de réception). ▫ Pour l’implémentation d’un VCO, on a besoin de trois éléments basiques : une inductance, un varactor et une résistance négative. ▫ L’inductance et le varactor forment le circuit résonant, et les pertes du résonateur sont représentées par une résistance parallèle équivalente. Ces trois éléments sont dépendants de la fréquence. ▫ Les pertes doivent être compensées par la résistance négative. 25 15/10/2015 51 Oscillateurs à fréquence variable • Oscillateur à varactor (varicap) ▫ jonction PN polarisée en inverse dont la largeur de la zone de déplétion forme une capacité variable en fonction de cette tension inverse. ▫ Technologiquement, il s’agit le plus souvent en hyperfréquences d’un contact schottky sur un substrat en silicium ou en arséniure de gallium dopé N. ▫ Quelque soit le substrat, il existe deux types de profil de dopage : profil abrupte (dopage linéaire dans la zone de déplétion) profil hyper abrupte (dopage non linéaire dans la zone de déplétion) 52 Oscillateurs à fréquence variable • Oscillateur à varactor (varicap) ▫ Profil abrupte facteur de qualité élevé bande d’accord de tension très grande. meilleures performances en bruit de phase ▫ Profil hyper abrupte caractéristique d’accord beaucoup plus linéaire car meilleure linéarité entre la valeur de sa capacité et de la tension a ses bornes. Meilleurs choix pour une large bande de commande de la fréquence d’oscillation. Inconvénient : facteurs de qualité bien inferieurs Niveau de bruit de phase plus élevé que dans le cas précédent. 26 15/10/2015 Emetteur de très forte puissance • Deux différents types de concevoir la chaîne d’émission : ▫ A base d’oscillateur : Tube hyperfréquence (typiquement magnétron) produit le signal RF Modulateur : génère le pulse POT : Power Oscillator Transmitter ▫ A base d’amplificateurs : PAT : Power Amplifiers Transmitters Génération du signal stable + Amplificateurs : amplitron, klystron, ampli états solides Tubes hyperfréquences • Tubes classiques à grille ▫ Triodes, tétrodes, pentodes ▫ La triode : cathode émettrice d'électrons, anode réceptrice, grille Tension sinusoïdale appliquée entre entre G et C Création d’un courant entre A et C ==> amplifié par ddp A/C . 27 15/10/2015 Tubes à action longitudinale • Principe : ▫ Cathode : donnant naissance au faisceau ▫ Electrode de focalisation ▫ Anode : potentiel accélérateur Klystrons TOP • Klystrons ▫ 1° cavité : reçoit signal à amplifier qui module en vitesse le faisceau ▫ Dernière cavité : reçoit le signal amplifié ▫ Les électrons accélérés ont tendance à rattraper les électrons ralentis ==> formation de paquets d’électrons ▫ Puissance crête : 10 à 30MW ▫ Puissance moyenne 10 à 200kW Klystrons 28 15/10/2015 Klystrons reflex • Oscillateur : • Principe : ▫ ▫ ▫ ▫ ▫ ▫ électrons émis par la cathode accélérés par une ddp en direction de la cavité. Traversent la cavité une fois Sont réfléchis par le réflecteur Re-traversent la cavité Les électrons voient leur vitesse modulée pendant la traversée de la cavité. ▫ ce qui conduit à la formation de paquets d’électrons ▫ Si le potentiel réflecteur est tel que les paquets d’électrons retraversent la cavité alors que le champ électrique est dans le même sens, il y a un transfert d’énergie vers le champ de la cavité. TOP • Tubes à ondes progressives • TWT : travelling waves tube ▫ ▫ ▫ ▫ ▫ ▫ ▫ ▫ (1) Cathode; (2) Entrée du signal HF (3) Aimants permanents; (4) Atténuateur; (5) Hélice; (6) Sortie du signal HF ; (7) Enveloppe; (8) Collecteur d'électrons • Pour obtenir une bonne interaction entre le faisceau et l'onde ==> v axiales voisines • Propagation d’une onde le long d’un fil dans le vide avec v = c ==> augmenter la longueur de son trajet pour la synchroniser au faisceau, ==> forme d’hélice. • Pendant déplacement dans le tube, les électrons sont légèrement freinés par l'onde, donc communiquent à celle-ci une partie de leur énergie ==> L'amplitude de l'onde plus grande à la fin de l'hélice qu'à son début ==> le signal a été amplifié. 29 15/10/2015 TOP • Ring and loop • Ring and bar • Coupled cavity Tubes à champs croisés • Les électrons se déplacent ▫ entre 2 électrodes parallèles planes ou circulaires ▫ dans un champ E et un champ H transversal. • Mouvement à accélération transversale constante • Champ électrique hyperfréquence complémentaire au niveau de l’anode • Les électrons + un champ longitudinal retardateur ▫ ▫ ▫ ▫ ▫ diminution de la vitesse. courbure de la trajectoire diminue Les électrons vont vers l’anode, Ils passent d’un potentiel faible à V0 et peuvent ainsi céder au milieu l’énergie potentielle qu’ils perdent dans cette translation 30 15/10/2015 Tubes à champs croisés • Les électrons + un champ accélérateur ▫ ▫ ▫ ▫ Augmentation de la vitesse. Courbure de la trajectoire augmente Les électrons retourne vers la cathode, Consomment de l’énergie (en quantité plus faible que le 1° cas) • Bilan global en faveur du 1°cas. • Si vitesse de phase de l ’onde hyper est synchronisée avec vitesse d'entraînement du faisceau ==> Prélèvement de l’énergie du faisceau par l’onde 62 Tubes à champs croisés Amplificateur à champs croisés et trajectoire des électrons en l’absence de signal de radiofréquences. Injection d’un signal de radiofréquences par l’un des guides d’ondes dans une première cavité résonante, ce qui débute l’amplification. Mouvement des rayons de charges dans un amplificateur à champs croisés. 31 15/10/2015 Magnétrons • Oscillateur • Un champ électrique continu est appliqué entre l'anode et la cathode. • Ce champ a une tension de l'ordre de plusieurs kV • Aimants ▫ B perpendiculaire à l'axe anode/cathode, ▫ mouvement circulaire autour de la cathode • Ces charges vont entrer en interaction avec les cavités résonnantes du bloc anodique qui deviennent le support d'oscillations électromagnétiques. • En fait le rayonnement électromagnétique (les micro-ondes pour le four) est dû à la vibration des électrons dans les cavités résonnantes. • Taille cavité donne la fréquence Magnétrons 32