Technologie micro-ondes : génération, transmission et communication

Communication par micro-ondes

Les micro-ondes sont des ondes électromagnétiques de fréquence supérieure à 300 MHz, avec une longueur d'onde inférieure à 1 mètre. La communication qui les utilise comme support de transmission est appelée communication par micro-ondes.

Rôle des ondes EM et des antennes

En communication micro-ondes, les signaux modulés sont rayonnés par une antenne émettrice dans l'atmosphère, puis captés par l'antenne réceptrice. Les micro-ondes dépendent principalement des cavités résonnantes et des guides d'ondes pour leur génération et transmission. La cavité résonnante est une cavité métallique (ou vide) dans un matériau conducteur, accordée sur une fréquence précise.

La transmission se fait par ondes électromagnétiques, aussi appelées communication en « ligne de vue » (line-of-sight) : les signaux propagés dans l'atmosphère sans support physique, captés par l'antenne réceptrice. Les deux antennes doivent se faire face sur les pylônes d'émission et de réception.

Les micro-ondes (0,3–300 GHz) se divisent en trois bandes :

• Bande UHF (ultra-haute fréquence) : 0,3 à 3 GHz
• Bande SHF (super-haute fréquence) : 3 à 30 GHz
• Bande EHF (extrêmement haute fréquence) : 30 à 300 GHz

Les tubes conventionnels ne peuvent générer de micro-ondes en raison de limitations (inductance, capacitance entre électrodes, vitesse des électrons). Il faut des tubes spéciaux — générateurs micro-ondes — capables de produire quelques watts à plusieurs centaines de watts : magnétron, klystron, tube à onde progressive. Utilisés comme oscillateurs et amplificateurs micro-ondes. Détail du magnétron ci-dessous.

Le magnétron : principe et fonctionnement

Le magnétron est une diode cylindrique utilisée comme oscillateur micro-ondes, donc générateur. Inventé par les scientifiques britanniques Randall et Boot.

Construction du magnétron

Structure cylindrique : huit cavités d'anode en cuivre permanent autour d'une cathode en tungstène chauffée. Le nombre de cavités doit être pair. Leur taille détermine la fréquence d'oscillation. Cavités espacées de 300° ou 450°. Un câble coaxial connecté à l'une d'elles extrait le signal micro-ondes ; pour les fortes puissances, on utilise des guides d'ondes.

Le principe repose sur l'interaction entre un champ électrique radial et un champ magnétique axial — même principe que le tube à onde progressive. Pour générer des micro-ondes, il faut créer un champ électrique autour du tube.

Le champ électrique produit un mouvement rectiligne entre cathode et anode ; le champ magnétique, un mouvement circulaire. Les électrons émis par la cathode chauffée ne vont donc pas en ligne droite.

• Champ magnétique nul : l'électron va droit à l'anode (trajectoire X).
• Champ magnétique faible : trajectoire légèrement courbée (Y).
• Champ magnétique optimal : la vitesse de l'électron augmente près de l'anode grâce au champ magnétique, générant les hautes fréquences souhaitées.
• Champ magnétique trop fort (champ de coupure) : l'électron effleure l'anode et revient vers la cathode (Z).
• Champ encore plus fort : les électrons reviennent en masse sur la cathode, l'échauffent dangereusement.

En maintenant une valeur précise du champ magnétique, on obtient la fréquence désirée. Le magnétron produit 900 MHz à 2,5 GHz avec une puissance de 300 W à 10 kW, à ~70 % de rendement.