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 of RF ; Vol 26 n3, March 87; pp 325 328 (ref)Autres outils dans Microwave of RF Vol 26 n3

Rtrodiffusion par les surfaces trs irrgulier (et atmosphre)BibliographieW.A.Flood, Wave Propagation, Microwave of RF Vol 26 n8 August 87 p 65 L4 refA.Ishimaru, Y Kuga;Attenuaton constante of a coherent field is a dense distributions of particles ; J 0pt Soc Am , Vol 72 (1982) pp1317 1320Y Kuga, A Ishimaru 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, pp620-6302)V.A.Schvartsman, A pression Frequency to voltage converter/demodulator, RF Design, Vol 9 n6, June 1986, pp 57 Bibliographie Rsonateurs Dilectriques (Dc 1987)Revue consulter: IEEE Transactions ou Parts, Hybride, PackagingJohn Pustai; Dielectric Resonators become more popular and more challenging; Microwave of RF, Vol 26 n9; Sep 87; pp 76 81P.Guillon, XH Jiao, P Auxemery,LA Bermudez Whispering Gallery Modes Herald DR MM WAVE OSE Microwave of RF, Vol 26 n9, Sept 87, pp 85 96D.Kayfez, P.Guillon; Dielectric Resonators; Artech House, 1986JR Wait; Electromagnetic Whispering Gallery Modes in a Dielectric Rod; Radio science, Vol 2 n39, Sept 67, p 1005 1017LB Felsen, T.Ishihara; High Frequency Surface Field Excited by a point source on a Concave Perfectly Conducting Cylindrical Boundary Radio science Vol 14, n2, 1979, pp205 216Weinstein, Open Resonators and Open Waveguide; the Golem Press 1969C.Vedrenne, J.Arnaud; Whispering Gallery Modes of Dielectric Resonators, IEEE Proc H; Vol 129, August 82, pp 183 187X.H Jiao, P Guillon, J Obregon; Technical Analysis of the coupling between whispering Gallery Modes and Transmissions lines.Electron. Lett, Vol 21, n3, January 85,p 88 89Roger Jacanes; Paving the Way for Stabilized DR Oscillators Microwave of RF, Vol 26 n9, Sept 87, pp 103 108D.Kayfez; Elementary Functions procedure simplifies DR Design, Microwave System News; Jun 82, p 133P.champagne, Better Coupling of model of DR to Microstrip ensures repeatability; Microwave of RF, Vol 26 n9, Sept 87,pp 113 118A.Khanna, Oscillateurs Microondes Stable Intgrant Transistors et Rsonateurs Dilectriques; Thse de Doctorat; Universit de Limoges; Sept 81P.Guillon Y.Garrant; Connections to Accurate Resonant Frequencies of Dielectric Resonators; IEEE Trans ou MTT, Vol MTT 28 n4 Apr 80; p 434T.Itoh, R.Rudockas; New Method for Computing the Frequencies of Dielectric Resonators; IEEE Trans on MTT Vol MTT 25; n1 Jan 77; pp 52 54JS .Hornsby, AGopinath; Numerical Analisys of Dielectric Loader Waveguide with a Microstrip Line Finite Difference Method IEEE Trans on MTT; Vol MTT 17; n9 sep 69; pp 684 - 690P.Guillon et al; Coupling parameters between a Dielectric Resonators and a Microstrip Line; IEEE Trans on MTT Vol MTT 33; Mars 85; pp 222 226K..Rajesh, Mongia, Bharah Bhat; Simple Equation Quickly Design Cylindrical Drs; Microwave of RF Vol 26 n9 Sep 87 pp 121 128H.Jaworski, MW Pospieszalski; An Accurate Solution of the Dielectric Resonators Problem; IEEE Trans MTT 27; 79; pp 639 643D.Kayfez, A.W.Glisson, J.James; computed Modal Field Distributions for Isolated Dielectric Resonators Problem; IEEE Trans MTT 32, 1964; pp 1609 1616M.Tsuji, H Shigesawa, K.Takiyama; On the Complex Resonant Frequency of Open Dielectric Resonators; IEEE trans MTT 31; 1983; pp 392 396R.K Monghia, B.Bhat; Accurate Resonant Frequencies of Cylindrical Dielectric Resonators usmig a Simple Analytical Technique; Electronic Letters; Vol 21, 85, pp 479 480T.Hiyashia, T.Nakino; Resonant Frequency Stability of the Dielectric Resonator on a Dielectric Substrate; IEEE Trans MTT 29; 1981; pp 1048 1052Anne Julien,PH Guillon Coupling Analysis Matches Spherical DRS to Microstrip line, Microwave of RF; Vol 26 n9 Sep 87pp 133 140JJ.Broc, On the Characteristics of Electromagnetic Resonate Cavities Formed by two Concentric Spheres; CR Acad sci Paris Vol 230 1950, pp 198 - 200M.Gastine; Rsonances Electromagntiques dchantillons Dilectriques; Thse de 3me cycle, Facult dOrsay 1967Affolter, Eliasson; Electromagnetic Resonances and of Factor of Lossy Dielectric Spheres;IEEE MTT Trans; Vol 9, Sep 1973Komatsu, Murakami; Coupling Coefficient between Microstipline and Dielectric Resonator; IEEE MTT Trans; Jan 83, pp 34 - 40

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