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Emetteur radarNous décrivons les différentes parties d'un radar de navigation moderne, à commencer par la partie émetteur.
Magnétron et modulateurL'émetteur se compose d'un magnétron qui envoie une impulsion de très haute puissance (un radar pour la navigation maritime a une puissance instantanée de 25kW). Comme le magnétron ne travaille qu'une microseconde par milliseconde, la puissance moyenne est assez faible, de l'ordre de 250W (le magnétron est moins puissant qu'un magnétron dans un four à micro-ondes). Le magnétron fonctionne pendant un court instant, pendant qu'il est alimenté en haute tension.Le modulateur génère les impulsions à partir de la haute tension, c'est une sorte d'interrupteur électronique qui travaille à haute vitesse. La tension de chauffage du filament est présente en permanence.
DuplexeurLe signal est envoyé à l'antenne via un guide d'onde qui est une sorte de tuyau creux. Il produit moins de pertes qu'un cable coaxial. Le signal en retour est reçu par la même antenne et arrive via le même guide d'onde. Le signal émis et l'écho en retour passent donc par le même canal.Le récepteur est connecté sur le même guide d'onde, mais pour éviter sa destruction par le puissant signal émis par le magnétron, il doit être protégé pendant l'émission. Le circuit qui protège le récepteur est appellé un duplexeur. Pour les puissance normales on utilise un circulateur à ferrite, pour les puissances plus élevées un tube TR (transmit receive switch) et/ou un réseau de diodes PIN. Le circulateur se compose d'un anneau en ferrite et de 3 entrées/sorties. Le signal "tourne" uniquement dans un sens, il peut aller de la porte 1 à la porte 2, de la porte 2 à la porte 3 (et éventuellement de la porte 3 à la porte 1). La ferrite est fortement magnétisée par un champ magnétique axial, ce qui produit une vitesse de propagation différente dans les deux sens.
Le circulateur ne peut pas être ouvert car cela pourrait modifier le champ magnétique interne, ce qui changerait la fréquence à laquelle le circulateur est étalonné. La perte dans le sens conducteur est très faible (quelques dB), elle est de 30dB dans le sens inverse à la conduction. Une telle atténuation est suffisante pour protéger le récepteur dans les radars usuels. Si nécessaire on peut ajouter un autre système de protection sur l'entrée du récepteur. Un autre type de duplexeur est le T/R switch. Il se compose d'un tube à décharge gazeuse. Quand le radar émet, la forte énergie émise transforme le gaz en plasma conducteur qui bloque alors le passage du signal vers le récepteur. Le gaz met un certain temps à être ionisé: pour réduire les risques de destruction du récepteur om met souvent une tension continue sur le tube pour qu'il y ait une ionisation, mais pas de plasma. La diode PIN est une diode spéciale qui a une zone intrinsèque (entre la zone N et P) qui est faiblement dopée. Cette zone est donc peu conductrice dans les circonstances normales. Quand on applique un signal de très haute fréquence sur la diode, les électrons présents dans la couche intrinsèque n'ont pas le temps de sortir de la zone et transforment la zone intrinsèque en zone de basse impédance. En mettant la diode en conduction, on la transforme en conducteur, en la polarisant dans le sens inverse on ouvre la diode. La large zone intrinsèque fait que la capacité parasite de la diode ouverte est très faible. Cet effet est également présent avec les diodes normales, mais l'effet est particulièrement exploité dans les diodes PIN utilisées comme interrupteur hautes fréquences. La diode PIN peut servir comme interrupteur ON ou OFF selon la configuration (TR switch et ATR switch, anti transmit receive switch). Elle permet de couper la liaison entre l'antenne et le récepteur, et à la fois mettre l'entrée du récepteur à la masse pendant l'émission, ce qui produit une atténuation très importante du signal.
Durée d'émissionLa durée de l'émission détermine la portée du radar. On a donc interêt à allonger la durée d'émission. Mais pendant que le radar émet, il ne voit pas les échos. Une durée d'émission plus longue ne permet pas de discerner deux cibles situées l'une derrière l'autre (elles se confondent en une seule tache). On va donc adapter la durée d'émission à la portée qu'on veut obtenir.
Il est également interessant d'avoir une fréquence de répétition la plus élevée possible, ce qui permet par intégration des différents échos de mieux faire apparaitre les cibles sur l'écran. Mais une fréquence de répétition plus élevée limite la portée du radar. Une fréquence de répétition de 800µs (1250Hz) limite la portée du radar à environ 100km: les échos plus lointains sont reçus alors que le radar émet à nouveau. Pour réduire les parasites certains systèmes vont légèrement modifier la fréquence de répétition selon un cycle déterminé (staggered PRF). Cela permet de réduire certains parasites issus d'autres radars ou d'autres appareils utilisant la même bande de fréquences. Comme la fréquence de répétition varie, la position de l'émetteur parasite varie également à chaque impulsion. Les cibles balayées par notre radar sont stables dans le temps, tandis que les cible balayées par un autre radar se déplacent de façon incohérente. L'intégration des échos fait alors disparaitre ces échos parasites.
Bande de fréquencesLe radar peut utiliser plusieurs bandes de fréquences selon sa fonction. Les radars de navigation utilisent principalement la bande X qui produit un bon compromis (fréquences centrées sur 10GHz, longueur d'onde de 3cm).Les bandes L (1 à 2GHz) et S (2 à 4GHz) ont une plus longue portée et sont principalement utilisées pour la surveillance (radars cotiers, radars longue portée trafic aérien). La bande K (18GHz et plus) est utilisée pour les radars à courte portée (radars pour déterminer les excess de vitesse, radars de proximité pour voitures intelligentes,...). Ce radar est également utilisé pour détecter les précipitations. L'atténuation du signal est plus importante et la portée du radar est très réduite. Ci dessous l'impulsion du magnétron d'un radar de navigation qui a une portiée trop faible.
Le radar a une puissance de 30kW (qui est atteinte ici), mais la puissance diminue brusquement. Le radar fonctionne normalement en short pulse (SP: 0.05µs), mais est trop peu sensible en medium pulse (MP: 0.25µs) et totalement hors tolérance en long pulse (LP: 0.9µs, non indiqué ici).
Le problème est causé ici par l'alimentation haute tension dont les condensateurs ne gardent pas leur charge. Les condensateurs haute tension sont chargés normalement, mais sont vidés trop rapidement, même avant la fin de l'impulsion medium pulse. A droite une charge fictive qui va atténuer le signal du magnétron. En principe on va utiliser un facteur d'atténuation plus fort pour éviter de détruire la diode de détection. L'énergie qui n'est pas transmise à la diode est transformée en chaleur comme dans un magnétron ménager. La suite de la description du radar moderne: le récepteur |
Supposons que le signal est envoyé via la porte 1. Il se dirige des deux cotés, mais à cause de sa vitesse de propagation différente il arrive en phase sur l'entrée 2 et en anti-phase sur l'entrée 3. Le signal peut ainsi être prélevé sur la porte 2 tandis qu'il n'y a pratiquement pas de signal sur la porte 3. Le circulateur doit être adapté à la fréquence d'émission du magnétron pour avoir un déphasage correct.
Pour effectuer cette mesure on monte à la place de l'atenne une charge fictive et on prélève un faible pourcentage du signal, par exemple 1/1000000 (1 millionième ou -60dB). Le signal du radar passe par une une diode calibrée et le signal est envoyé à l'oscilloscope.
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