HYPERFRÉQUENCES

D'après la définition la plus couramment admise, les hyperfréquences représentent des ondes électromagnétiques dont la longueur d'onde est de l'ordre du centimètre, et que l'on utilise notamment en technique radar et en transmission hertzienne.

En fait, les hyperfréquences (appelées encore ondes U.H.F., initiales de ultra high frequencies) débordent largement les longueurs d'onde centimétriques, tant du côté des ondes décimétriques que du côté des ondes millimétriques. Les limites en fréquence sont donc très floues. Les utilisateurs ont pris coutume de caractériser par des symboles alphanumériques certaines « bandes » de fréquences particulièrement utilisées (bandes P, L, S, C, X, K, K₁, K_U, Q, V et W, centrées respectivement autour des fréquences 0,3, 1, 3, 5, 8, 23, 20, 16, 41, 51 et 78 GHz).

Le radar a beaucoup contribué au développement des hyperfréquences : les études faites pendant et après la Seconde Guerre mondiale, au Massachusetts Institute of Technology ont conduit à la mise au point d'ouvrages consacrés au fondement, à la technologie et aux techniques de mesure des hyperfréquences. Par la suite, de nouveaux domaines d'utilisation sont apparus, par exemple dans les télécommunications spatiales ou terrestres par faisceau hertzien et dans les appareils de contre-mesures (capables de détecter une émission U.H.F. quelconque et de la brouiller).

L'introduction des dispositifs à semiconducteurs et des ferrites a fait entrer le domaine des U.H.F. dans une phase de renouvellement perpétuel, avec pour tendances principales l'emploi de matériaux à l'état solide et la miniaturisation.

Générateurs d'hyperfréquences

Tubes générateurs d'hyperfréquences

Le magnétron

Le magnétron est le premier en date des générateurs d'hyperfréquences (Začek, 1924). Sa structure est celle d'une diode en forme de cylindre. Après les stades successifs d'anodes pleines, puis fendues, les anodes possèdent actuellement des cavités cylindriques. Un champ magnétique de plusieurs dixièmes de tesla est appliqué parallèlement à l'axe de symétrie ; les électrons issus de la cathode se déplacent dans le vide et sont soumis à l'action d'un champ électrique H.F. et d'un champ magnétique qui lui est perpendiculaire.

Magnétron à cavité

Magnétron à cavité. 

Crédits : Encyclopædia Universalis France

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La théorie complète de la trajectoire des électrons (qui sont soit ralentis, soit accélérés), compte tenu de la charge d'espace et des vitesses initiales, est complexe. En fonctionnement continu, la puissance de l'onde hyperfréquence émise peut atteindre quelques kilowatts ; en fonctionnement impulsionnel, les magnétrons peuvent produire une puissance de crête de plusieurs mégawatts avec un facteur de forme (rapport entre la puissance de crête et la puissance moyenne émise) variant de 500 à 2 000. De tels magnétrons, accordables sur une bande de 10 à 15 p. 100 de la fréquence de fonctionnement, se trouvent dans toutes les gammes de fréquence radar, depuis la bande L jusqu'à la bande W. Ce ne sont plus aujourd'hui les émetteurs radars par excellence car le temps de commutation d'une fréquence d'émission à une autre est beaucoup trop long – de l'ordre de quelques secondes –, ce qui rend les émetteurs radar à magnétron beaucoup trop sensibles aux brouilleurs. On est donc passé à des chaînes d'émission pilotées, à fréquences aléatoires.

Le klystron

Le klystron à deux cavités a fait son apparition en 1939. Son fonctionnement est fondé sur la modulation de vitesse des électrons. Un faisceau électronique passe successivement dans un « premier espace de modulation » d'un volume résonnant (rhumbatron), en forme de tore et délimité par les grilles G1 et G2, puis dans un « espace de glissement » équipotentiel où les électrons se groupent par paquets, enfin dans un second rhumbatron (grilles G3 et G4) accordé sur la fréquence du premier, où les électrons induisent un champ électromagnétique d'intensité très supérieure à l'intensité du champ dans le premier. Le système décrit fonctionne en amplificateur : le gain en puissance peut atteindre quelques dizaines d'unités. En mettant en cascade plusieurs cavités, il est possible d'obtenir des tubes donnant plusieurs mégawatts de puissance de crête avec toutefois une étroite bande de fréquence (quelques pour-cent).

Klystron à deux cavités

Klystron à deux cavités. 

Crédits : Encyclopædia Universalis France

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Pour qu'un klystron à deux cavités fonctionne en oscillateur, il suffit d'établir une boucle de réaction entre les deux rhumbatrons à l'aide d'un tronçon de ligne coaxiale de longueur déterminée, ou mieux d'utiliser un klystron ref [...]

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Magnétron à cavité
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Klystron à deux cavités
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Tube à ondes progressives
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Tube à champs croisés
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