Sources hyperfrquences tubes : klystron, carcinotron diode Gunn oscillateur Dtecteurs hyperfrquences

1
Sources hyperfréquences tubes klystron,
carcinotron diode Gunn oscillateur Détecteurs
hyperfréquences - élément nonlinéaire diode -
détecteur Schottky - détecteur balistique
Mesure de puissance - méthodes et types de
wattmètres - incertitudes
introduction au projet
Plan
2
Klystron


Principe constitution dun faisceau délectron
modulé en intensité par champ existant dans
cavité 1
3
Klystron


cavité 1
cavité 2
Ouvertures dans cavités cavité 1 grilles 2 et
3 cavité 2 grilles 4 et 5

• Faisceau délectrons émis à la cathode, se
  déplace selon z
• Tension V3(t) - V2 (t) fonction du champ RF dans
  cavité 1
• (V3-V2) (t) cos ( 2 p fr1 t)
• si au temps t1 V3-V2 (t1)gt0 ? électrons
  accélérés entre 2 et 3 (pompent E)
• si au temps t2 V3-V2 (t2)lt0 ? électrons
  ralentis entre 2 et 3 (rendent E)
• en moyenne pas de perte dénergie E dans
  cavité 1
• car autant délectrons ralentis
  quaccélérés sur période

4
Klystron


z
5
V3-V2
4
v1
v2
t
3
t1
t2
t3

• Entre 3 et 4 e- émis en t1 en 3 ont une vitesse
  v1
• supérieure à celle v2 des
  e- emis en t2
• ? regroupement des électrons en paquets entre 4
  et 5
• si tension RF V5-V4 lt 0 pour paquet e- arrivant
  en t3
• e- ralentis? transfèrent leur énergie à
  cavité 2
• La tension V5-V4 se construit delle-même pour
  ralentir le paquet
• Source car accumulation dénergie dans cavité 2
• plus d e- dans paquet (ralentis) quen dehors
  (accélérés)

5
Klystron réflexe


Klystron à une seule cavité réinjection des
électrons dans cavité via tension de réflecteur
6
Klystron réflexe


z
V1-V2
t
1
t1
t2
t3
Electrons émis à la cathode La tension de
réflecteur VR est négative ? ralentit les
électrons et les renvoie vers la cavité
7
Klystron réflexe
1
VR
2
En t4 VG2 VG1 gt 0 e- accélérés
? pompent énergie En t5 VG2
VG1 lt 0 e- ralentis
? restituent énergie
? entretien oscillation
Oscillation entretenue si délai moyen t entre
émission et retour vaut (n3/4) T t est réglé par
VR
8
Klystron réflexe

• Réglage
• Ajuster dimensions cavité pour avoir fo
• Régler VR pour avoir maximum P

VR
Modulation de puissance P ? via modulation de VR
par signal carré
9
Sources hyperfréquences tubes klystron,
carcinotron diode Gunn oscillateur Détecteurs
hyperfréquences - élément nonlinéaire diode -
détecteur Schottky - détecteur balistique
Mesure de puissance - méthodes et types de
wattmètres - incertitudes
Plan
10
Tube à ondes rétrogrades (carcinotron)

z

• Hélice soumise à champ RF
• Flux délectrons entre cathode et collecteur au
  cur hélice,
• maintenu selon z par champ magnétique

11
Tube à ondes rétrogrades


Regroupement des e- en paquets
12
Tube à ondes rétrogrades


cathode
collecteur
Regroupement des e- en paquets
La vitesse des électrons est ajustée (via
Vcathode) par rapport à la fréquence RF de
manière à ce que les électrons soient décélérés à
leur arrivée au collecteur
13
Sources hyperfréquences tubes klystron,
carcinotron diode Gunn oscillateur Détecteurs
hyperfréquences - élément nonlinéaire diode -
détecteur Schottky - détecteur balistique
Mesure de puissance - méthodes et types de
wattmètres - incertitudes
Plan
14
Diode à transfert électronique (Gunn)
anode
Contacts Au
Active layer (GaAs ou InP)
e
cathode
Matériaux ? AsGa ou InP Propriétés ? f en
oscillation souvent proportionnelle à 1/e (10 GHz
si e10 µm) ? fréquence limite de fonctionnement
(150 GHz) limitée par le temps de transfert
intervallée (InP meilleur que GaAs) ? bruit
important Applications ? oscillateur faible
puissance simple et peu coûteux ? radars
Doppler, anticollision, détecteur dintrusion,
ouvre-porte
Source G. Salmer, A. Cappy, E. Constant,
Institut d Electronique et de Microélectronique
du Nord (IEMN), Novembre 2001
15
Diode Gunn

• Dans vallée principale
• meff1 faible ? mobilité m1 élevée
• Dans vallée secondaire
• meff2 élevée ? mobilité m2 faible
• Transition dune vallée à lautre
• si champ E élevé gt Ec

J n q vdérive n q m E
16
Sources hyperfréquences tubes klystron,
carcinotron diode Gunn oscillateur Détecteurs
hyperfréquences - élément nonlinéaire diode -
détecteur Schottky - détecteur balistique
Mesure de puissance - méthodes et types de
wattmètres - incertitudes
Plan
17
Oscillateurs à base de transistors


ZA
ZA
ZL
ZL
série
parallèle
Principe Génération dune impédance ZA
nonlinéaire négative par ajout de charges
adéquates aux accès du transistor
Condition doscillation GA GL 1 argGA
arg GL 2 n p
18
Evolution du facteur de bruit des composants
microondes
8-12 GHz
26-40 GHz
75-110 GHz
Source G. Salmer, A. Cappy, E. Constant,
Institut d Electronique et de Microélectronique
du Nord (IEMN), Novembre 2001
19
Oscillateurs à base de transistors


Condition doscillation
Ex réalisation à laide de transistors MOS
FET sur technologie SOI
Fo 5.65 GHz consommation 4.8 mW bruit de phase
de 87 dBc/Hz _at_ 1 MHz
20
Sources hyperfréquences tubes klystron,
carcinotron diode Gunn oscillateur Détecteurs
hyperfréquences - élément nonlinéaire diode -
détecteur Schottky - détecteur balistique
Mesure de puissance - méthodes et types de
wattmètres - incertitudes
Plan
21
Mesures hyperfréquences de composants

• Mesure de dipole
• caractérisé par son facteur de réflexion
  complexe
• permet dobtenir limpédance/admittance complexe
• nécessite la mesure/détection dondes incidentes
  et réfléchies
• Mesure de quadripole
• facteur de réflexion aux deux accès
• facteur de transmission aux deux accès
• concept de matrice de répartition
• plusieurs notions de gain associées

22
Détection

Principe utilisation de la nonlinéarité dune
diode conversion de la tension hyperfréquence
en une composante continue
23
Détection

Génération dun courant dont la composante DC
vaut
24
Détection

Principe conversion de la tension
hyperfréquence en une composante continue
supprimé par filtrage
25
Détection

Si filtres idéaux
Prf
r
r
IDC
IDC source de courant fonction de V
Ro
Ro
C
V
Circuit RF
Circuit DC ou vidéo
Sensibilité en courant
Sensibilité en tension
26
Détection

Prf
r
r
IDC
Ro
Ro
C
V

• Attention
• pour maximiser les sensibilités ? adapter le
  circuit RF à la ligne dentrée
• prise en compte du bruit généré par la diode
• ? sensibilité tangentielle du détecteur
• Pentrée telle que

27
Sources hyperfréquences tubes klystron,
carcinotron diode Gunn oscillateur Détecteurs
hyperfréquences - élément nonlinéaire diode -
détecteur Schottky - détecteur balistique
Mesure de puissance - méthodes et types de
wattmètres - incertitudes
introduction au projet
Plan
28
Schottky detectors Agilent HSCH 9161
Cut-off 100 GHz
29
Sources hyperfréquences tubes klystron,
carcinotron diode Gunn oscillateur Détecteurs
hyperfréquences - élément nonlinéaire diode -
détecteur Schottky - détecteur balistique (_at_UCL)
Mesure de puissance - méthodes et types de
wattmètres - incertitudes
Plan
30
Transport électronique diffusif
Echelle macroscopique interaction électrons
avec impuretés du réseau

• Transport  diffusif 
• limité par collisions
• fixé par application dun champ
• électrique E

e-
W
L
E
31
Transport électronique balistique
Hypothèse dimensions W, L lt le

• pas de diffusion par impuretés
• réflexions aux parois du canal
• ? Transport  balistique 
• fixé par géométrie du canal

e-
W
G1/R indépendante de L
L
Limite entre transport diffusif et
balistique diffusif si W, L gt le balistique
si W, L lt le
32
Matériau pour transport balistique- 2DEG
Ec
Ef
Ev
GaInAs
AlInAs
33
Matériau pour transport balistique- 2DEG

- - -

• Avantage
• neutralité respectée gaz créé par dopage
  (atomes ionisés)
• ns doping 46 1012/cm2 ns gas 14
  1012/cm2
• séparation gaz / impuretés de dopage (spacer)
• pas ou peu dimpuretés dans plan du gaz
• ? transport balistique

34
Fabrication de canaux balistiques
IEMN/SEM
35
Paramètres transport balistique en hétérostructure
le
e-
e-
W
W
L lt le
L gt le
36
Performances hautes fréquences du canal balistique
Notion de fréquence de coupure associée fT 1 /
2p tbal 1 THz
37
Small is different
Nanojonction symétrique
e- ?Vc lt 0
38
Small is different
Vérification expérimentale
Vc
W 100 nm lt le 130 nm ? comportement non
linéaire
W 200 nm gt le 130 nm ? comportement diffusif
2ème avantage nanocanaux balistiques transport
balistique permet fonctions non linéaires
39
Applications hautes fréquences du transport
balistique
Vc - a V2in
T/2
t
DC component

Vc - a VRF2 ( cos 2wt 1)/2
T

• Signal de sortie
• composante DC - a VRF2 /2
• détecteur quadratique signal entrée
• composante à fréquence 2w
• doubleur de fréquence

signal dentrée Vin VRF cos w t

t
si L, W lt le, fonctions préservées jusquau THz ?
40
Application Détecteur quadratique
fin w/2p
Vc DC - a VRF2/2
? Détection tension Vc DC indépendante de
fréquence signal Vin
à vérifier jusquau THz ??
41
Fonctionnement détecteur jusquaux THz ?
Limitation en fréquence due au produit RC Ri
4 kW C 1...5 fF ? fc 50 GHz
42
Fonctionnement détecteur jusquaux THz ?
HF11 High access resistances
HF12 High cross-talk capacitances 3.25 fF
HF13 Cross-talk capacitances 1.2 fF
43
Fonctionnement détecteur jusquaux THz ?
44
Sources hyperfréquences tubes klystron,
carcinotron diode Gunn oscillateur Détecteurs
hyperfréquences - élément nonlinéaire diode -
détecteur Schottky - détecteur balistique
Mesure de puissance - méthodes et types de
wattmètres - incertitudes
Plan
45
Mesures de puissance

Méthodes
électroniques
thermiques
électromécaniques
bolométriques
divers
calorimétriques
bolomètre fil film thermistor
thermocouple
calorimètres
Mesure externe à lélément dissipant
Modification resistance interne
46
Mesures de puissance - Méthodes thermiques

Calorimètre puissance RF absorbée par
masse/fluide DT masse/fluide proportionnel à la
puissance absorbée idéal si adiabatique Bolomètr
e fil/film absorbant la puissance RF élévation
de température du fil/film résistance du
fil/film fonction de la température DR fil/film
proportionnel à la puissance absorbée Thermistor
bolomètre où le fil/film est remplacé par une
bille semiconductrice
47
Mesures de puissance

Wattmètre à pression de radiation courant induit
par champ RF sur plaquette interaction champ
magnétique/courant pression de
radiation mesure de la torsion de la
plaquette Wattmètre à force électrique charges
induites aux extrémités dune plaquette
métallique interaction avec champ électrique
RF force proportionnelle à la puissance
Détecteurs électroniques - tube à gaz D
courant dû au signal RF proportionnel à puissance
RF - défocalisation faisceau délectrons
baisse courant collecté si P croissant - effet
Hall champ E induit J sur lequel agit H gt
Fem - redresseur (ou  rectifieur ) quadratique
48
Sources hyperfréquences tubes klystron,
carcinotron diode Gunn oscillateur Détecteurs
hyperfréquences - élément nonlinéaire diode -
détecteur Schottky - détecteur balistique
Mesure de puissance - méthodes et types de
wattmètres - incertitudes
Plan
49
Théorie des circuits - rappels

I1
I2

ZL
Z12 I2
Z21 I1
Vg
V1
V2
-
quadripole

• Puissance fournie au quadripôle par le générateur

• Puissance fournie à la charge par le quadripôle

• Gain de puissance fournie

Zout et Z21I1 obtenu par Thévenin
50
Théorie des circuits - rappels

I1
ZgRgjXg

ZLRLjXL
Vg
V1
-

• Puissance fournie à une charge ZL par un
  générateur dimpédance Zg

• Si RL gt 0 et Rg gt 0 la puissance maximale
  fournie à la charge par le quadripôle
• est obtenue pour

et est notée puissance disponible
51
Mesures de puissance

Principe on connecte une charge à la source de
puissance on mesure la puissance absorbée par
cette charge la charge est en fait le wattmètre
(bolomètre par ex) But connaître la puissance
maximum délivrée par la source grâce à
mesure wattmètre
a1
b2
G
?G
b1
a2
N.B GG, GL définis p/r Zr arbitraire
générateur
wattmètre
incidente
réfléchie
puissance fournie à la charge
obtenu pour GL GG
puissance disponible
52
Mesures de puissance - incertitude

Principe on connecte une charge à la source de
puissance on mesure la puissance absorbée par
cette charge
53
Mesures de puissance - incertitude

Incertitude due à la phase des G en général on
ne connaît que le TOS
Si générateur adapté
Si charge adaptée
? dans les deux cas la correction à apporter pour
trouver Pdisp est connue
54
Mesures de puissance - incertitude

Ligne dimpédance Zc
puissance fournie à la charge
puissance disponible
N.B GG, GL définis p/r Zr arbitraire
 maximum  de puissance disponible
? pertes dues à mésadaptation p/r Zc
? incertitude sur pertes dues à
mésadaptation p/r Zc
55
Mesures de puissance - incertitude

? incertitude sur pertes dues à la mésadaptation
conjuguée
ex TOSG 1.8 GG 0.286 TOSL 1.35 GL 0.149
incertitude 0.74dB
? incertitude sur pertes dues à la mésadaptation
par rapport à Zc
ex TOSG 1.54 GG 0.212 TOSL 1.24 GL 0.107
incertitude 0.39dB
56
Application Caractérisation dun générateur

? Mesure au wattmetre 1 mW ? TOS wattmetre lt
1.2 ? TOS générateur lt 1.1
? 1.0019 mW lt Pdisp lt 1.0194 mW
? Si TOS générateur 1
? Pdisp 1.002 mW si TOSL1.2