Soutenance mémoire
Un sondeur microonde Martien
Le projet MAMBO (Mars Atmosphere Microwave Brightness Observer) s’inscrit dans la proposition d’un instrument radiométrique opérant à la frontière du domaine millimétrique et submillimétrique dans le cadre de la mission Mars Premier 2007 du CNES. Cette proposition a été faite par un consortium de laboratoires dont le Laboratoire de Météorologie Dynamique (LMD) de l’IPSL – Université Pierre & Marie CURIE et le Laboratoire d’Etude du Rayonnement de la Matière en Astrophysique (LERMA) de l’Observatoire de Paris, en collaboration avec d’autres entités : le Jet Propulsion Laboratory (JPL) de la NASA, le Max Planck Institut für Aeronomie (MPAE), L’observatoire de Bordeaux, le Swedish Space Corporation (SSC) et le Millilab à l’Helsinki University of Technology (HUT).
La mission Mars Premier Orbiter 2007 du CNES consistait en un satellite d’exploration de la planète Mars, qui, dans sa version finale, devait embarquer l’instrument NETLANDER composée de quatre atterrisseurs destinés entre autres à l’étude sismique de la planète. Au cours de la Réponse à Appel d’Offre (RAO), l’instrument MAMBO a été proposé pour être embarqué sur l’Orbiter. Ce chapitre reprend les points forts de la RAO [Forget 03].
Nous allons maintenant décrire plus précisément les objectifs scientifiques auquel l’instrument MAMBO répond, sa conception technique et ses spécifications radiométriques.
Les objectifs scientifiques de MAMBO
Le sondeur microonde MAMBO est dédié à l’étude et la caractérisation de la composition et de la dynamique de l’atmosphère martienne, avec une sensibilité sans précédent. Pour cela, le radiomètre doit analyser l’émission thermique de l’atmosphère aux longueurs d’ondes submillimétriques grâce à la spectroscopie hétérodyne. Cette technique sera utilisée pour la première fois dans le cadre d’une mission martienne. En pratique, MAMBO effectuera des observations atmosphériques aux limbes et au nadir grâce à des récepteurs hétérodynes dédiés à la télédétection de raies moléculaires dans la bande 320-350 GHz. Ces raies sont les suivantes : H2O, CO, 13CO, HDO, O3 et H2O2.
L’instrument MAMBO permet alors une cartographie tridimensionnelle, avec une excellente résolution spatiale, de l’atmosphère de Mars en étudiant les caractéristiques suivantes : Les vents : la haute résolution spectrale et spatiale permettra d’utiliser les profils de raies moléculaires de CO et 13CO et leur décalage Doppler pour estimer la vitesse des vents. Les mesures aux limbes permettront de mesurer la vitesse des vents d’environ 20 km et 110 km d’altitude avec une précision d’environ 15 m/s. Ces mesures fourniront des informations clés sur la dynamique de l’atmosphère martienne. La température : les profils de température seront extraits des données de CO et 13CO avec une résolution spatiale verticale de 5 km, indépendamment de la quantité de poussière présente et des saisons. L’instrument MAMBO aura la sensibilité nécessaire pour permettre la restitution des profils de température jusqu’à 120 km d’altitude. La vapeur d’eau : des profils de vapeur d’eau seront extraits des observations de la raie d’H2O depuis la surface jusqu’à une altitude de 60 km, avec une résolution spatiale verticale de 5 km. Le rapport D/H : le rapport isotopique sera cartographié de manière précise de 0 à 40 km d’altitude par spectroscopie simultanée des raies d’H2O et de HDO. Le peroxyde d’hydrogène (H2O2) : Cette espèce n’a été détectée que très récemment sur Mars à partir d’observations terrestres à 362 GHz [Clancy 04], [Encrenaz 04]. D’après certains modèles, ce constituant joue un rôle clé dans la photochimie de l’atmosphère martienne (contrôle de H2, O2 et CO), et principalement dans l’oxydation du sol martien, problème bien connu en exobiologie. Ozone : Les profils d’ozone seront mesurés jusqu’à 70 km d’altitude, simultanément avec la vapeur d’eau. Cela permettra de mieux comprendre la relation entre ces deux espèces. Le monoxyde de carbone : les variations de cette espèce seront estimées jusqu’à 120 km d’altitude, donnant des indices précieux sur les transports méridionaux dans l’atmosphère de Mars. La science de surface : l’instrument MAMBO effectuera une cartographie détaillée de l’émission microonde de surface. En effectuant des observations en polarisation verticale et horizontale, sous différents angles d’incidences et à différentes heures locales, il sera possible d’estimer 1) la rugosité de surface, 2) la variation la sensibilité à la profondeur de pénétration donnant des informations sur la nature du sol (dunes de sables, présences de roches carbonées), 3) la variation des caractéristiques de couche de glace de CO2, 4) la proportion de glace d’eau dans la sub-surface. Quelques-uns de ces objectifs sont étudiés dans la 3ème partie de ce manuscrit.
Présentation de l’instrument MAMBO
Choix de la bande de fréquence
La spectroscopie hétérodyne en ondes millimétriques et submillimétriques peut être effectuée sur une gamme de fréquences étendue, typiquement de quelques GHz, jusqu’à pratiquement 1000 GHz. De façon à choisir la meilleure bande spectrale pour MAMBO, certaines fréquences ont été présélectionnées, correspondant aux fréquences des raies rotationelles du CO. Ces lignes sont réparties tous les 115 GHz, autour de 115 GHz, 230 GHz, 345 GHz, 460 GHz, 575 GHz, etc… . Pour une taille d’antenne donnée, des fréquences élevées permettent d’obtenir un faisceau plus étroit, ce qui améliore la résolution spatiale du sondage aux limbes et permet de cartographier plus précisément le sol martien. Cependant, avec les technologies actuelles en semiconducteurs , le niveau de bruit augmente linéairement avec la fréquence. Un système est donc deux fois plus bruyant à 600 GHz qu’à 300 GHz. Or la sensibilité du récepteur joue un rôle clé dans la mesure de la vitesse des vents par effet Doppler. Finalement, le compromis idéal a été trouvé dans la bande 320-350 GHz.
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Table des matières
Introduction générale
I) Un sondeur microonde Martien
I.1) Introduction
I.2) Les objectifs scientifiques de MAMBO
I.3) Présentation de l’instrument MAMBO
I.3.1) Choix de la bande de fréquence
I.3.2) Description générale de l’instrument
I.3.3) La tête de réception hétérodyne en ondes submillimétriques
I.3.4) Le design du processeur FI
I.3.5) Les spectromètres utilisés
II) Fonctionnement du mélangeur subharmonique
II.1) Principe de fonctionnement de la diode Schottky
II.1.1) Le modèle physique de la diode Schottky
II.1.2) Le modèle électrique de la diode Schottky
II.1.3) L’implantation physique de la barrière en technologie planaire
II.1.4) Les paramètres de diode utilisés
II.2) La simulation d’un mélangeur idéal utilisant une paire de diodes Schottky anti-parallèles
II.2.1) Le principe du mélange subharmonique – avantages & inconvénients
II.2.2) La simulation non linéaire du circuit par la méthode de l’Equilibrage Harmonique
II.2.3) Le modèle de bruit de la diode Schottky
II.2.4) Résultat des simulations non linéaires
II.2.5) La simulation de la diode en régime linéaire
II.3) Analyse du composant planaire SD1T7-D20
II.3.1) La simulation Electromagnétique 3D
II.3.2) Le circuit équivalent
II.3.3) Résultats des simulations
Conclusion du chapitre
III) Validation de la modélisation à l’aide d’un prototype de mélangeur à 330 GHz
III.1) Description du prototype de mélangeur MAMBO
III.2) Construction du modèle numérique avec HFSS et ADS
III.2.1) L’environnement de la paire de diodes
III.2.2) Les filtres microrubans RF et OL
III.2.3) Le couplage OL – transition guide-ligne microruban
III.2.4) Le schéma équivalent complet
III.3) Comparaison entre les simulations et les mesures
III.3.1) Procédure de détermination des performances simulées
III.3.2) Description du banc de mesure du mélangeur MAMBO
III.3.3) Calcul de la température effective des charges chaudes et froides
III.3.4) Comparaison entre les mesures et les simulations
III.4) Etude de la sensibilité de l’architecture du mélangeur
III.4.1) 1er type de mélangeur : diodes dans le guide RF
III.4.2) 2ème type de mélangeur : diodes dans le canal
Conclusion du chapitre
IV) Conception du mélangeur LERMA sans accord mobile
IV.1) Le modèle numérique du mélangeur
IV.1.1) L’environnement de la paire de diodes dans le canal
IV.1.2) Les filtres RF et OL
IV.1.3) La transition large-bande guide-ligne suspendue
IV.2) Les résultats de l‘optimisation en régime linéaire
IV.2.1) l’optimisation globale du mélangeur
IV.2.2) Conséquences sur la puissance d’OL
IV.2.3) Comportement du circuit mélangeur en FI
IV.2.4) La transition guide rectangulaire- guide circulaire
IV.2.5) Le cornet intégré
IV.3) Fabrication du mélangeur
IV.3.1) Fabrication des circuits RF et FI sur substrat de quartz – procédure salle blanche
IV.3.2) Amincissement et découpe des circuits sur quartz
IV.3.3) Réalisation des pièces mécaniques
IV.3.4) Le montage des diodes et du circuit dans le mélangeur
IV.4) Tests hétérodynes du mélangeur
IV.4.1) Tests du mélangeur avec cornet intégré
IV.4.2) Comparaison entre les simulations et les mesures
IV.4.3) Test du mélangeur V2.0 avec cornet externe
Conclusion
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