Utilisation des hyperfréquences dans les systèmes radars

Les ondes électromagnétiques ont été mises en évidence par Heinrich Hertz à la fin du XIXe siècle sans leur trouver une application concrète. C’est seulement quelques années plus tard que Guglielmo Marconi utilisa ces ondes pour transmettre de l’information. L’utilisation des ondes radio pour la détection de cible est pour la première fois mise en place par Christian Hulfsmeyer en 1904 avec son « Telemobiloskop » pour détecter la présence de bateaux. D’abord destiné au domaine maritime, le radar a connu un essor fulgurant pendant la Seconde Guerre mondiale. Il passa d’un statut d’expérience scientifique à une application concrète. Il fut particulièrement utile pendant la bataille d’Angleterre. Après la guerre, le principe des radars a continué à être développé et les radars ont fait leur apparition dans le domaine civil où ils sont par exemple utilisés pour la météorologie. Les radars militaires ont cherché quant à eux à toujours être supérieurs à ceux de l’ennemi pour détecter les cibles les plus indiscernables, les plus rapides ou bien avoir la plus grande portée de détection. L’élément essentiel du système d’émission du radar est l’amplificateur de puissance disposé en front-end juste avant l’antenne.

Parmi les premiers moyens disponibles pour l’amplification des signaux haute fréquence, les premiers amplificateurs utilisaient des tubes à vide. Ils se démarquaient des triodes de l’époque par leur meilleur gain en puissance et ils permettaient une augmentation de la fréquence de la porteuse. Les tubes à vide ont été inventés en 1937 au Royaume-Uni par les frères Varian. Les tubes à vide sont de type O dans lequel le champ de propagation des électrons et le champ magnétique sont parallèles ou bien M lorsqu’ils sont perpendiculaires. Le modèle le plus simple est le klystron où un champ d’électrons va permettre de générer un signal RF amplifié.

Cette technique de tubes à vide est très volumineuse et nécessite des très hautes tensions. La maîtrise et la compréhension de plus en plus importante des semi-conducteurs ont permis de mettre au point un autre élément d’amplification de puissance : le transistor. Le transistor est devenu le composant de base des systèmes d’amplification RF. Depuis les premiers transistors bipolaires, sont arrivés les transistors à effet de champ pour monter en fréquence jusqu’à la technologie HEMT GaN pour la montée en puissance qui a fait l’objet de nombreuses recherches ces dernières années. Les performances des amplificateurs à base de GaN permettent d’atteindre des niveaux de puissance et de fréquence suffisamment élevés pour qu’ils soient utilisés dans des radars, notamment dans la bande S.

Les performances des radars étant liées à la comparaison entre les formes d’ondes émises et reçues, il est fondamental de posséder une bonne maîtrise du signal transmis. C’est de cette nécessité d’un signal radar constitué d’impulsions parfaitement définies et connues qu’est née la caractéristique de stabilité d’impulsion à impulsion plus souvent appelée par son anglicisme « stabilité pulse à pulse ». Elle permet de caractériser la variation d’amplitude et de phase à chaque instant de l’impulsion entre les impulsions successives d’une rafale radar. La stabilité pulse à pulse ayant une influence directe sur les capacités de détection, c’est dans ce contexte qu’il est devenu nécessaire de réaliser une analyse non-linéaire plus poussée de ce critère de performance radar.

La société Thalès Air Systems (TR6) a fait des radars son cœur de métier. Qu’ils soient destinés à des applications militaires ou bien civiles pour la surveillance du trafic aérien, les radars nécessitent tous l’émission de signaux RF puissants. La technologie GaN présente les caractéristiques idéales pour réaliser des amplificateurs de puissance dédiés aux applications radars. C’est pour cela que Thalès souhaite intégrer de plus en plus d’amplificateurs RF GaN dans ses systèmes. Toutefois, il est nécessaire au préalable d’évaluer cette technologie en terme de stabilité pulse à pulse en plus des autres critères couramment utilisés habituellement pour les amplificateurs tels que le rendement, le gain, la puissance ou les distorsions AM/AM et AM/PM.

Ces travaux ont été réalisés en mettant en parallèle deux aspects. D’une part, la conception et la réalisation d’un banc de mesure d’enveloppe du signal radar, pour permettre l’extraction de la stabilité pulse à pulse d’un amplificateur HEMT GaN. D’autre part, la réalisation d’un amplificateur de puissance et la mise en œuvre de simulations non-linéaires spécifiques en transitoire d’enveloppe ont permis de proposer une méthode inédite d’optimiser le modèle électrothermique et le modèle de pièges à partir de la mesure de la stabilité pulse à pulse.

Le terme radar est issu de l’acronyme anglais RAdio Detection And Ranging. Initialement destiné à des applications militaires, le système radar a connu un essor rapide durant la Seconde Guerre mondiale. Aujourd’hui, les systèmes radar sont aussi très largement répandus dans des applications civiles telles que la surveillance du trafic aérien, la météorologie ou encore la sécurité automobile. Le radar est donc aujourd’hui un système indispensable et très largement utilisé qu’il serve à surveiller un territoire ou pour éviter des collisions.

Utilisé dans un cadre militaire, les spécifications essentielles du radar sont liées à la détection la plus précise possible des cibles de plus en plus furtives dans des environnements brouillés ce qui nécessite une maîtrise parfaite de l’ensemble du système que constitue un radar tant au niveau matériel des chaînes d’émission et de réception qu’au niveau logiciel pour le traitement des données.

Table des matières

INTRODUCTION
I.Présentation générale des systèmes radar
I.1 Introduction
I.2 Principes généraux des radars
Utilisation des hyperfréquences dans les systèmes radars
I.2.1.1 Caractéristiques d’une onde radar
I.2.1.2 Utilisation des impulsions radar pour la localisation de cibles
Emission et réception
Equations radar
I.3 Le critère de stabilité pulse à pulse dans les radars
Définition des instabilités pulse à pulse
I.3.1.1 Représentation vectorielle de Fresnel
I.3.1.2 Représentation dans le domaine temporel
I.3.1.3 Les causes aléatoires d’instabilité pulse à pulse
I.3.1.4 Les causes déterministes d’instabilité
Les méthodes de calcul de la stabilité pulse à pulse
I.3.2.1 Stabilité calculée par méthode écart-type
I.3.2.2 Stabilité calculée par méthode RMS (Root Mean Square)
I.4 Conclusion
II. L’amplification de puissance en technologie HEMT GaN
II.1 Introduction
II.2 Le transistor HEMT GaN de puissance
Le Nitrure de Gallium
Le transistor HEMT GaN
Caractéristiques spécifiques des HEMTs GaN pour les applications radar en bande S
II.3 Modèle non linéaire initial du transistor HEMT GaN 8×250 µm
Méthodes générales de modélisation non linéaire du HEMT
II.3.1.1 Modèle électrique petit signal
II.3.1.2 Modèle électrique non linéaire
II.3.1.2.1 La source de courant non-linéaire IDS
II.3.1.2.2 Les diodes non linéaires
II.3.1.2.3 L’effet d’avalanche
II.3.1.2.4 Les capacités non-linéaires
II.3.1.2.5 La dépendance thermique des éléments du modèle
Validation du modèle non linéaire du HEMT GaN (8×250μm) en régime pulsé
II.3.2.1 Validation I-V
II.3.2.2 Validation en paramètres [S]
II.3.2.3 Validation en forte puissance
II.4 Méthode de conception pour l’amplification haut rendement large-bande
Conception du réseau d’adaptation
Application à un démonstrateur GaN HEMT (8×250µm) 10W en bande S
II.4.2.1 Résultats de conception
II.4.2.2 Validation en mesures impulsionnelles fort-signal load-pull
CONCLUSION

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