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Récepteur superhétérodyne

Les signaux de radiofréquence reçus par l’antenne du radar doivent être transformés en signal de vidéofréquences pour en extraire les données sur les échos de retour des cibles. Pour cela, un système radar se sert d’un récepteur superhétérodyne dont les composantes principales se retrouvent dans le diagramme ci-dessous:

RF
FI
Vidéo
OL

Figure 1 : Diagramme des composantes d’un récepteur superhétérodyne.

RF
FI
Vidéo
OL

Figure 1 : Diagramme des composantes d’un récepteur superhétérodyne.

Diagramme des composantes d’un récepteur superhétérodyne.
RF
FI
Vidéo
OL

Figure 1 : Diagramme des composantes d’un récepteur superhétérodyne.

Principe

La figure 1 montre le diagramme des composantes d’un récepteur superhétérodyne. Le signal de radiofréquences (RF) venant de l’antenne passe par un filtre qui ne laisse passer que la gamme de fréquences désirées. Le signal passe ensuite dans un mélangeur qui l’ajoute à une onde produite par un oscillateur local stable. Les deux signaux entrent en battement à une fréquence intermédiaire (FI) qui est la différence de fréquences entre les deux ondes, c’est le procédé de changement de fréquence, dit hétérodyne.

L’onde venant de l’oscillateur est automatiquement ajustée afin d’avoir toujours la même différence de fréquence avec celle du signal RF ce qui permet d’avoir une FI constante sur toute la plage de fréquences du récepteur. Le signal FI est ensuite envoyé vers un amplificateur qui augmente son intensité. Finalement, il passe dans un détecteur qui par démodulation en tirera la composante finale de vidéofréquences.

Un récepteur superhétérodyne diminue ainsi la fréquence du signal reçu depuis celle de la porteuse radar à une fréquence intermédiaire plus base qu’il sera plus facile ensuite d’amplifier et de démoduler pour obtenir un signal de vidéofréquences.

Filtre de présélection

La réception commence par le signal issu de l'antenne. Celui-ci comprend la fréquence sur laquelle on veut se caler mais également d’autres fréquences ambiantes. Un filtre d'antenne, placé avant l'amplificateur, élimine les fréquences indésirables de façon à éviter que des signaux éventuels de forte amplitude ne saturent l'amplificateur haute fréquence (HF). Les limites de ce filtre sont choisies afin d’éliminer toute fréquence image parasite. La largeur de bande du récepteur ne doit pas être plus grande que la fréquence intermédiaire (FI).

L’amplificateur assure ensuite une première amplification. Il est conçu de façon à obtenir le meilleur rapport signal sur bruit possible. Il est important qu’il introduise le moins de bruit interne pour obtenir une meilleure réception.

Le récepteur sur plusieurs radars anciens n’utilisait pas ce stade de filtre et pré-amplification et envoyait le signal reçu directement à un mélangeur à cristaux. Cela avait certains désavantages dont celui de permettre la réception de signaux de fréquences parasites provenant de sources différentes.

Mélangeur

Le mélangeur, comme son nom l’indique, prend le signal pré-amplifié (fTX) et le combine à une onde produite par l’oscillateur local (foscillateur local). Ces deux ondes entrent en battement à une fréquence intermédiaire (FI) double par changement de fréquence:

  • fIF = frxflocal oscillator
  • fIF = flocal oscillatorfrx


Le spectre de sortie est donc composé deux bandes latérales, positives et négative, identiques. La mesure ne peut être faire que sur l’amplitude absolue du signal, en général sur la différence suivante fFI = | foscillateur localfrx |

La fréquence non désirée, dite fréquence image, doit être à l'extérieur de la bande passante du filtre subséquent.

Par exemple, un récepteur qui opère à une fréquence intermédiaire de 60 MHz doit utiliser un oscillateur local dont la fréquence sera toujours à 60 MHz au-dessus du signal reçu. Un tel récepteur qui reçoit des signaux de 1030 MHz doit donc utiliser un oscillateur de 1090 MHz pour l’hétérodynage. Ce sera l’onde à FI qui sera amplifiée par la suite et envoyée au détecteur de signal. Tout signal à 60 MHZ qui sort du mélangeur sera ainsi accepté comme venant de la FI et passé au convertisseur.

Dans un récepteur sans pré-filtre de radiofréquence, le spectre de fréquences contenu dans le signal venant de l’antenne est très large. Normalement, les fréquences non désirées tomberont à l’extérieur de la plage de la FI et seront rejetés. Il peut cependant parfois arriver que des signaux parasites donnent un battement à FI. Ainsi dans le même exemple, un signal provenant d’un autre émetteur mais à 1150 MHz produit dans le mélangeur un battement à la fréquence intermédiaire de 60 MHZ (|1150 – 1090| = 60 MHz) qui se mélangera au signal provenant de la fréquence 1030 MHz et causera une interférence par fréquence image.

Filtre FI

Le filtre de fréquence intermédiaire permet de ne garder que la fréquence désirée du signal de sortie du mélangeur. Il est conçu pour avoir une ou plusieurs bandes passantes étroites qui n’affectent pas la puissance du signal. Lorsque la largeur de l’impulsion radar est variable, par exemple un mélange de courtes et longues impulsions, la bande passante doit être adaptée à celle des différents retours.

Amplificateur FI

Après la conversion à la FI, le signal passe par une série d’amplificateurs qui donnent la plus grande partie du gain du récepteur. Cette étape d’amplification de fréquence intermédiaire doit être adaptée afin de pouvoir faire varier la bande passante et le gain du récepteur. La bande passante du récepteur est définie par celle de ces amplificateurs et le gain doit être variable afin d’obtenir une tension constante à la sortie pour toutes les partie du signal.

Détecteur
Enveloppe
Radiofréquence

Figure 2 : Signal passant par le détecteur vu à l’oscilloscope.

Signal passant par le détecteur vu à l’oscilloscope. 
(cliquer pour pleine grandeur: 640·480px = 22 kilooctets)
Enveloppe
Radiofréquence

Figure 2 : Signal passant par le détecteur vu à l’oscilloscope.

Le détecteur dans un récepteur de micro-ondes sert à convertir l’impulsion à FI en impulsion de vidéofréquences.

Figure 3 : Un détecteur simple.

A simple detector with a diode

Figure 3 : Un détecteur simple.

Le plus simple détecteur est un circuit à diode. Il extrait l’enveloppe de l’impulsion revenant d’une cible: la diode laisse seulement passer la tension positive et le condensateur dans le circuit est un filtre passe-bas qui bloque les variations de tension de la fréquence FI. En plus de la modulation d’amplitude (MA), il est possible d’avoir un détecteur qui extrait d’autres types de modulation.

Amplificateur vidéofréquence

L’amplificateur de vidéofréquences reçoit le signal sortant du détecteur et en augmente la puissance afin qu’il soit possible de stimuler l’affichage radar. Il est essentiellement un circuit RC (résistance-condensateur) couplé à un amplificateur utilisant un transistor à fort gain capable de traiter une large bande de fréquences.

La sortie du récepteur est normalement « émettodyne »: amplifiée de telle sorte que la son amplitude demeure stable. La faible impédance de sortie est ajustée à celle du câble vers l’afficheur qui est soit un tube cathodique ou, plus récemment, un écran d’ordinateur.

Oscillateur local

L’oscillateur local engendre une onde continue en fréquence qui sera mélangée avec le signal pour le descendre à une fréquence intermédiaire

La plupart des récepteurs radar utilisent une fréquence intermédiaire (FI) dans le domaine des mégahertz, généralement entre 30 et 75 MHz. Celle-ci est extraite en mélangeant le signal reçu avec celui d’un oscillateur local (OL). Ce dernier est donc essentiel au fonctionnement du récepteur et doit être non seulement être ajustable en fréquence mais aussi très stable. Par exemple, un oscillateur de 3 000 MHz qui varie seulement de 0,1 % donnera un décalage de 3 MHz à la FI, ce qui est égal à la bande passante de la plupart des récepteurs et ce qui diminuerait grandement le gain espéré du signal de sortie.

La puissance de sortie des oscillateurs est faible (20 à 50 milliwatts) parce que la plupart des récepteurs utilise un mélangeur à cristal qui en demande peu.

La sortie de l’oscillateur doit être ajustable sur une gamme de fréquences de plusieurs MHz dans la zone de 4 000 MHz. Il doit en effet suivre toute variation de la fréquence du faisceau radar pour maintenir la différence de fréquences qui donne FI. Le meilleur moyen est un oscillateur dont la fréquence s’ajuste en variant la tension à ses bornes.

La fréquence de l’oscillateur est soit inférieure ou supérieure à celle de la porteuse. Un amplificateur sélectif en amont du convertisseur permet de filtrer les fréquences images ce qui ajoute à la sensibilité du récepteur.