Récepteurs (super)hétérodynes

Les récepteurs hétérodynes sont fréquemment utilisés en radioastronomie surtout pour de grandes résolutions spectrales. Les premiers récepteurs de radioastronomie (pour des fréquences de l'ordre du MHz) utilisaient la technique dite hétérodyne (ou aussi superhétérodyne, tombé en désuétude bien que plus correct). Aujourd'hui, cette méthode est utilisée pour des récepteurs infrarouges expérimentaux, mais c'est une méthode standard pour des fréquences allant jusqu'au THz. Les récepteurs hétérodynes ne se limitent pas à une utilisation pour la radioastronomie, mais s'utilisent aussi pour la radio ou la télévision, la transmission hertzienne en général. Le principe hétérodyne est utilisé dans d'autre domaines tels que les modems, les horloges atomiques ou les systèmes de brouillage de l'armée.

Astronomie et récepteur hétérodynes

Les récepteurs utilisés en radioastronomie se distinguent de tous les autres par l'utilisation de la technique dite hétérodyne. Cette technique a l'avantage d'obtenir une très grande résolution en fréquence (ν/Δν >10⁶). Les récepteurs hétérodynes sont très utiles pour faire de l'interférométrie en tension.
Pour détecter le faible signal électromagnétique de sources astronomiques, il faut des récepteurs très sensibles et très stables. Le récepteur est conçu de façon à obtenir le meilleur rapport signal sur bruit possible. Pour déterminer le signal que l'on peut détecter, on utilise l'équation radiométrique :



Où T_Rx est la température de bruit du récepteur, Δt le temps d'intégration et Δν la gamme de fréquence. ΔT représente la fluctuation de bruit (bruit blanc, sans erreur systématique telle que dérive du gain du récepteur). Conventionnellement, un signal est considéré détecté si son amplitude est au moins 5 fois plus grande que ΔT. On parle d'une détection à 5 σ.

Principe de la réception hétérodyne

Un récepteur hétérodyne est constitué essentiellement de quatre parties : un oscillateur local, un mélangeur qui engendre le battement du signal de l'oscillateur local avec le signal reçu, un amplificateur de fréquence intermédiaire accordé (les parties centrale du schéma ci–dessous) et un détecteur.


Le fonctionnement consiste à convertir le signal radio reçu (Radio Frequency - ν_RF) en un signal avec une fréquence plus basse (Fréquence Intermédiaire - ν_FI) pour permettre un traitement plus aisé (les composants à basse fréquence sont beaucoup plus faciles à construire/acheter). A noter qu'il existe des applications pour lesquelles la conversion se fait vers le haut (pour émettre par exemple). Pour cela, on va coupler le signal reçu (le signal RF) avec un autre signal de fréquence proche de la fréquence RF mais plus puissant. Ce deuxième signal sera créé par un oscillateur (Oscillateur Local - ν_OL) Un mélangeur vas nous permettre de sortir de ces deux signaux un signal FI, tel que:



Le mélangeur est un élément non-linéaire (une diode dont la réponse en courant n'est pas proportionnelle à la tension par exemple). Par non-linéarité de sa réponse, Il va fournir le carré de la somme des deux signaux. Le signal de sortie comporte alors un signal dont la fréquence est la différence de la fréquence des deux signaux entrants et la somme, utile pour une conversion vers le haut par exemple mais sans utilité pour une conversion vers le bas, ainsi que généralement d'autres fréquences indésirables qui sont des produits d'intermodulation du 3e ordre ou supérieur :



Les fréquences trop élevées ne sont pas utiles, les trois premiers termes ne sont donc pas pris en compte. On retrouve donc bien la fréquence intermédiaire FI.