A. GENERALITES SUR LES RECEPTEURS

Résumé —  Un radiomètre millimétrique comporte une antenne, un ensemble d'éléments traitant les radiofré­quences et dont certains peuvent être "quasi optiques", un ensemble d'éléments à fréquence intermédiaire suivi d'une chaîne d'acquisition des données recueillies. Le mélangeur est l'élément-clef du récepteur. Parmi les diffé­rents types de radiomètre, celui dit "à puissance totale" offre la meilleure sensibilité.

 

 

 

 

 

1. DESCRIPTION GENERALE D'UN RADIOMETRE

La figure 1 est le schéma simplifié d'un radiomètre millimétrique à plusieurs canaux de fréquence. C'est un exemple car il y a plusieurs manières de séparer les différents canaux ; il est simplifié car n'y figure pas, entre autres, de dispositif d'étalonnage.

 

 

 

Figure 1 : exemple simplifié d'un radiomètre millimétrique à plusieurs canaux.

 

L'antenne reçoit le rayonnement électromagnétique issu du milieu à observer. Si l'ensemble des fréquences à étudier est vaste (trop large pour un seul mélangeur), on effectue une première séparation de fréquences. Chacune des bandes est alors envoyée sur un mélan­geur qui ramène chaque radiofréquence nRF vers une "fréquence intermédiaire", plus basse et plus facile à traiter, nFI = ïnOL – nRF ï. Le signal à fréquence intermédiaire est ensuite ampli­fié, éventuellement de nouveau séparé en plusieurs canaux, puis "détecté" (il passe dans un appareil que l'on nomme un peu abusivement "détecteur"), avant d'être intégré.

Suivant les fréquences véhiculées, les liaisons entre les divers éléments sont des guides (rectangulaires, coaxiaux) ou sont immatérielles (propagation en espace libre).

Historiquement, au fur et à mesure de la montée en fréquence, il a toujours été plus fa­cile (moins bruyant), dans les premiers temps de la recherche, de commencer par abaisser la fréquence reçue, au moyen d'un mélangeur, avant d'amplifier le signal. Aujourd'hui, c'est vrai pour les fréquences millimétriques, sauf peut-être au-dessous d'environ 60 GHz, où des amplificateurs peu bruyants commencent à apparaître.

Nous allons décrire succinctement quelques éléments figurant sur le schéma précédent, en particulier ceux dont nous ne reparlerons plus dans les chapitres suivants.

 

 

 

 

 

2. DIFFERENTES PARTIES

L'antenne est souvent de type Cassegrain (centré ou offset). Près de son foyer on peut disposer (si nécessaire) un ensemble de séparation de fréquences quasi optique, terminé, pour chaque bande, par un cornet à l'entrée de chaque mélangeur ; ces derniers éléments sont décrits dans le chapitre B.

 

Mélangeurs

Le mélangeur est le cœur d'un récepteur dit superhétérodyne. Il comporte un élément non linéaire (diode), qui produit, à partir des fréquences du signal nRF et d'un oscillateur local nOL, des fréquences du type m nRF + n nOL, m et n étant des entiers relatifs. Quand le produit mn est égal à –1, il s'agit de la fréquence intermédiaire nFI. Pour une description théorique des mélangeurs dits résistifs, qui sont les plus courants, voir Saleh [1971], Held & Kerr [1978], Siegel et al. [1984], quelques-uns des articles compilés par Kollberg [1984] ; plus récemment Kreisler et al. [1985] et Boucenna [1986].

Le domaine de fréquence du signal observé peut être au-dessus ou au-dessous de la fré­quence de l'oscillateur local. Deux bandes, supérieures et inférieures, ou "signal" et "image" (ou image et signal) suivant certaines appellations (noter la similitude dans les initiales, qui nous permettra de désigner les deux bandes par les indices ou exposants I et S ), symétriques par rapport à la fréquence de l'oscillateur local, sont ramenées sur la bande à fréquence inter­médiaire. Signalons que c'est souvent avec l'amplification et le filtrage dans la chaîne à fré­quence intermédiaire que la bande "FI" en question, et par conséquent les bandes de radiofré­quence, sont effectivement définies.

Suivant les observations que l'on mène, l'information utile provient des deux bandes ou bien d'une seule. Dans le second cas, on cherche quelquefois à filtrer l'une des deux bandes — appelée alors "image"—, pour ne conserver que la bande du "signal". Cela peut être la si­tuation en radioastronomie par exemple, lorsqu'on cherche à détecter ou analyser une raie spectrale "tenant" dans une seule bande. Pour les applications qui nous intéressent, les raies de l'oxygène à 118 GHz ou de l'eau à 183 GHz sont au contraire très larges, et l'on tire parti de la (relative) symétrie de leur forme par rapport à leur fréquence centrale pour doubler l'information qui ne proviendrait que d'une bande ; la fréquence de l'oscillateur local est alors choisie égale à la fréquence centrale de la raie (figure 2). Notons que pour les questions de sensibilité radiométrique DT, la largeur de la bande avant détection n'est pas à multiplier ou diviser par deux suivant que l'on filtre ou non une éventuelle bande image : la bande à prendre en compte est simplement la bande équivalente de bruit du signal juste avant la détection. En revanche c'est la température de bruit qu'il faut définir adéquatement (chapitre D).

 

 

Figure 2 : bandes S et I d'un mélangeur.

 

Le choix de la fréquence centrale et de la largeur de la bande FI résulte de considérations diverses sur le domaine de fréquence que l'on souhaite observer et la faisabilité et les perfor­mances attendues du mélangeur et de l'amplificateur FI. Généralement la bande FI est large de quelques dizaines à quelques centaines de MHz, et est située autour d'une fréquence de l'ordre de quelques centaines de MHz à quelques GHz.

Les réalisations de mélangeurs millimétriques sont diverses, suivant les fréquences, les performances voulues, les difficultés de fabrication, la possibilité ou la volonté de les refroidir à 20 K ou à 2 K pour diminuer leur bruit ou simplement les faire fonctionner. Un mélangeur dit "classique" utilise une diode Schottky sur arséniure de gallium, avec "contactage" d'un fil (whisker) de quelques microns de diamètre, sur une anode de la diode ; l'oscillateur local et le signal arrivent sur la diode par la même voie, ce qui peut nécessiter le couplage quasi optique des deux ondes si l'on cherche à limiter leur affaiblissement.

Voir tous les articles de la compilation de Kollberg [1984] et, pour les réalisations du DEMIRM, les publications de Beaudin & Gheudin [1984], Pagani [1986] et Ruffié [1987] pour les structures de type classique, Ruffié [1987] et Jégou et al. [1989] pour les mélangeurs à diodes beam-lead, Letrou [1985] pour les mélangeurs S.I.S. (Supraconducteur-Isolant-Supraconducteur).

 

Oscillateurs, multiplicateurs de fréquence

Pour les oscillateurs locaux, sont utilisées surtout des diodes de type Gunn à AsGa ou InP. Ils sont équipés d'une "boucle de phase" (phase lock) si l'on souhaite obtenir une grande pureté et stabilité de fréquence. Avec ces diodes on ne peut produire des fréquences plus hautes que 120 GHz environ, si bien qu'au-delà de cette limite il faut rajouter des multiplica­teurs ("doubleurs", "tripleurs", ...) de fréquence. Ces derniers ont souvent une structure voi­sine de celle des mélangeurs de type classique, avec une diode engendrant des fréquences harmoniques de la fréquence incidente. Outre le célèbre ouvrage de base écrit par Penfield & Rafuse [1962], les références bibliographiques sont à choisir parmi celles données pour les mélangeurs classiques.

 

Chaîne à fréquence intermédiaire et derniers éléments

A la sortie du mélangeur est placé un amplificateur FI dont la principale caractéristique est d'être à très faible bruit (en tant que premier de la chaîne). Ces dernières années, il y a eu un développement phénoménal des amplificateurs dits à HEMT (High Electron Mobility Transistor), SDHT (Selectively Doped Heterjunction Transistor), TEGFET (Two-dimensional Electron Gas Field-Effect Transistor) ou MODFET (MOdulation Doped Field Effect Transistor. Voir, parmi d'autres, le livre de Ladbrooke [1989] et les rapports du NRAO (National Radio Astronomy Observatory, Charlottesville, Virginie). Après ce premier amplifi­cateur, on place éventuellement des filtres, d'autres amplificateurs pour amener le si­gnal au niveau adéquat (environ –20 dBm) pour le détecteur, et un dispositif séparateur de fréquences si le même mélangeur a été affecté pour plusieurs canaux. Le détecteur est quadra­tique : il élève au carré le signal qu'il reçoit [Kraus, 1986]. Il est suivi d'un ou plusieurs filtres passe-bas, dont on peut voir le dernier comme un intégrateur, puis d'un convertisseur analo­gique-numérique ; on peut utiliser aussi un convertisseur tension-fréquence et un compteur. Dans les deux cas le but est de déterminer le niveau moyen du signal reçu, pendant la durée t de la mesure (l'intégration).

 

Pour plus de détails sur les questions liées à l'intégration des signaux ou à leur échan­tillonnage, et pour des exemples de radiomètres à basses fréquences, avec mesures de sensi­bilités DT, consulter Skou [1989]. Cette même référence décrit les radiomètres de type push-broom, dont nous n'avons pas parlé.

 

 

 

 

 

3. DIFFERENTS TYPES DE RADIOMETRES

3.a. Radiomètre à puissance totale

La figure 1 omettait une partie essentielle : celle réalisant l'étalonnage de l'instrument. Pour l'instant nous nous contentons de donner quelques généralités. Les considérations quan­titatives et les calculs précis sont renvoyés au chapitre C.

Sans l'étalonnage, on ne connaît pas la relation exacte liant le niveau de sortie à la tem­pérature apparente à l'entrée du récepteur : cette relation dépend du gain de la chaîne, de la lar­geur de bande, de la température de bruit du récepteur. Il faut étalonner celui-ci en relevant sa réponse lorsqu'il observe deux sources de rayonnement, de températures de bruit parfaitement connues (figure 3).

 

 

Figure 3 : radiomètre à puissance totale.

 

Un radiomètre est dit à puissance totale lorsqu'il n'a pas d'autre source de référence que ses sources d'étalonnage.

L'étalonnage doit se faire souvent car les caractéristiques du récepteur, en particulier les gains des amplificateurs FI, ont tendance à varier rapidement, avec la température ambiante par exemple. Comme nous le verrons au chapitre C, la sensibilité d'un radiomètre à puissance totale, perturbé entre deux étalonnages par des variations de gain DG, est :

 

 

                                                                 (1)

 

 

Les notations sont les mêmes que pour la relation I.A.-(7). B est la largeur de la bande équivalente avant détection ; elle est supérieure à la largeur à 3 dB de la bande du filtre précé­dant le détecteur et définissant le canal de fréquence. t est le temps d'intégration d'un intégra­teur idéal. Voir les tableaux 7-1 et 7-2 de Kraus [1986].

 

 

 

3.b. Autres types

Ces systèmes sont décrits en détail par Ulaby et al. [1981]. Il sont tous destinés à ré­duire ou supprimer l'effet de ces variations de gain.

 

– Dicke non équilibré. Dans ce système, l'entrée du récepteur est connectée alterna­tivement à l'antenne et à une source de bruit de référence, de température T0 proche des tem­pératures d'antenne TA que l'on mesure. La période de commutation est de l'ordre du millième de seconde. Par le biais d'un démodulateur, placé entre le détecteur et l'intégrateur, on obtient un niveau de sortie proportionnel à TA – T0. La sensibilité est :

 

 

                                             (2)

 

 

 

– Dicke équilibré. Un radiomètre de type Dicke non équilibré pour lequel la tempé­rature d'antenne varie peu autour de T0 a donc une sensibilité deux fois plus mauvaise que la sensibilité d'un radiomètre à puissance totale idéal, c'est-à-dire sans variation de gain. Mais si la température d'antenne varie de façon importante, les variations de gain sont toujours gê­nantes. On cherche alors, par rétroaction (la boucle de retour commence juste après l'intégrateur), à rendre égales les températures fournies au récepteur lorsque celui-ci est connecté à l'antenne puis à la source. Différentes méthodes sont employées : contrôle de la température de référence, injection de bruit sur la voie de l'antenne. Une autre solution pour obtenir "l'équilibrage" consiste, toujours par feed-back, à moduler le gain de la chaîne FI avant le détecteur.

 

– Enfin, sans vouloir faire de prétérition, nous ne citerons pas les techniques de contrôle automatique de gain (radiomètre de Hach par exemple, où l'électronique com­mence à devenir bien compliquée), le radiomètre à addition de bruit (dont l'intérêt est d'éviter l'usage d'un commutateur de Dicke), les récepteurs de Graham, à corrélation, et interférométrique. Pour ces trois derniers types [Kraus, 1986], on utilise en fait deux en­sembles de réception RF (Radio(-)Fréquence) et FI, et deux antennes pour les deux derniers types.

 

Pour tous ces types de radiomètre, sauf pour ceux utilisant plusieurs ensembles de ré­ception, la sensibilité radiométrique est au moins deux fois plus mauvaise que la sensibilité idéale.

 

Ces radiomètres sont plus lourds et complexes qu'un simple radiomètre à puissance to­tale. En outre les systèmes de commutation rapide avant l'ensemble de réception sont coûteux en termes de températures de bruit. Si l'on arrive à garantir, pour les amplificateurs, des stabi­lités de gain qui permettent d'espacer suffisamment les étalonnages, et si l'on souhaite obtenir la meilleure sensibilité radiométrique possible, le choix du radiomètre à puissance to­tale est le plus naturel.

 

 

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