HYPERFRÉQUENCES

Amplificateurs à faible bruit

Maser amplificateur

Le fonctionnement des masers est fondé sur la création d'un milieu amplifiant les micro-ondes qui le traversent. Ce milieu amplifiant est obtenu par le phénomène d'émission stimulée dans un système d'atomes dont les populations ont été inversées. L'énergie correspondant aux hyperfréquences par la relation E = hf est de l'ordre de 10^-5 eV. Pour trouver les états dont les énergies propres diffèrent de cet ordre de grandeur, il faut faire appel aux transitions entre les sous-niveaux de Zeeman des corps paramagnétiques produits par la présence d'un champ magnétique extérieur. Les corps utilisés sont tous obtenus par diffusion aléatoire d'un ion paramagnétique dans une matière monocristalline : alumine (saphir), émeraude, rutile, tungstate de calcium.

Deux techniques de réalisation des masers sont utilisées. Pour les masers à cavité, le milieu amplifiant est placé dans une cavité à micro-onde, ce qui a l'inconvénient de réduire la bande passante d'amplification. Pour réaliser les masers à ondes progressives, on allonge artificiellement le parcours de l'onde dans le matériau en utilisant des modes d'ondes lentes dans des structures où la vitesse de groupe de l'onde est réduite. On peut ainsi obtenir des bandes passantes de l'ordre de 50 MHz. Le maser qui a équipé les stations terminales d'Andover et de Pleumeur-Bodou, construit dans les années 1960 par les Bell Laboratories est représenté schématiquement sur la figure.

Maser à cavité

Schéma simplifié d'un maser à cavité. 

Crédits : Encyclopædia Universalis France

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Maser à ondes progressives : projet Telstar

Structure du maser à ondes progressives des stations au sol du projet Telstar. 

Crédits : Encyclopædia Universalis France

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Les masers ne sont actuellement employés que pour les télécommunications spatiales, la détection spatiale et la radioastronomie, où ils sont concurrencés par les amplificateurs paramagnétiques à diode et par les amplificateurs à transistors à faible bruit. Pour d'autres applications, leur très faible température de bruit est souvent inutile, quand les bruits supplémentaires parasites captés par l'antenne sont très supérieurs à celui du récepteur ; c'est le cas de la plupart des radars, des systèmes de communications classiques et des radars militaires devant fonctionner en présence de brouillage. Leur bande passante est faible (moins de 1 p. 100), ce qui leur aliène les débouchés vers les radars agiles, la radiométrie à grande bande, les récepteurs d'écoute, etc. La structure propre des masers à cavité et à propagation d'onde est relativement simple et surtout extrêmement robuste, mais les appareils produisant le champ magnétique et le froid sont encombrants et de maintenance difficile. L'introduction des électro-aimants supraconducteurs a considérablement simplifié ce problème, et tous les masers modernes sont actuellement munis d'un tel dispositif, peu encombrant, sans consommation, stable, qui permet de donner au cryostat des formes minimisant ses pertes.

Amplificateur paramétrique

Un amplificateur paramétrique est constitué essentiellement par une réactance non linéaire C qui reçoit l'énergie à deux fréquences différentes : le signal à amplifier de fréquence f₁ et le signal de pompe, qui fournit l'énergie d'alimentation à l'amplificateur à la fréquence f_p.

Le fonctionnement de tels amplificateurs est caractérisé par un transfert d'énergie à la fréquence de pompe vers des signaux à autres fréquences (signal et idler ou bande latérale supérieure). J. M. Manley et H. E. Rowe (1956) ont fait l'étude théorique de ces échanges d'énergie. Leurs résultats sont résumés dans ces deux relations :

f₁ et f_p sont les fréquences des signaux appliqués à l'élément non linéaire ; mf₁ + nf_p sont les fréquences résultant de leurs battements (m et n entiers) ; W_mn représente l'énergie disponible dans le système à la fréquence mf₁ + nf_p.

Les relations précédentes mettent en évidence la possibilité de réaliser des dispositifs amplificateurs qui peuvent se classer en deux catégories, dépendant du choix de la fréquence de battement sélectionnée.

Dans l'amplificateur à bande latérale supérieure, les fréquences considérées sont f₁, f_p et f₁ + f_p = f₂.

Des relations (1), on tire :

W_p représente l'énergie disponible dans la réactance non linéaire. Les équations (2) et (3) montrent qu'il y a transfert du signal (W₁) et de la pompe (W_p) vers le signal de fréquence f₂ = f_p + f₁. Le système est inconditionnellement stable et le gain en puissance vaut :

Comme il est en général nécessaire, pour masquer convenablement le bruit des étages suivants (mélangeur et préamplificateur), qu [...]

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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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