Saturation avec injection d’harmonique

Nous avons effectu´e la mesure d’injection d’harmonique pour les fr´equences 5 GHz et 7 GHz, puisque leur harmonique reste comprise dans la bande passante du tube. Dans chaque cas, le principe est le suivant : on a fix´e la puissance d’entr´ee sur fondamentale P e1au niveau qui sature

le tube sans injection d’harmonique. On a fait varier la puissance d’entr´ee sur harmonique P e2, ainsi

que le d´ephasage entre les deux ondes, jusqu’`a trouver la configuration qui optimise la puissance de sortie sur fondamentale P s1. Une fois cette configuration d´etermin´ee et atteinte, nous avons fait une

s´erie de mesures en faisant varier le d´ephasage sur une p´eriode. Dans le cas o`u la fondamentale est `a 5 GHz, c’est la branche harmonique qui est d´ephas´ee, contrairement au cas 7 GHz, o`u l’on d´ephase la branche fondamentale. Cela ´etant, nous avions d´ej`a remarqu´e (et nous l’avons de nouveau v´erifi´e ici) qu’il ´etait ´equivalent de d´ephaser la fondamentale d’un angle θ, ou l’harmonique d’un angle −2θ. Aussi, pour avoir des r´esultats comparables, nous avons trac´e les puissances de sortie en

Fig. 5.5 – Spectres en sortie du tube pour la saturation `a 5 GHz seule (a) et pour la configuration la plus favorable d’injection de 10 GHz en plus de 5 GHz (b). Les valeurs port´ees `a cˆot´e de chaque raie sont celles lues sur les bolom`etres.

fonction du d´ephasage φ2 sur l’harmonique, en modifiant les valeurs de phase dans le cas 7 GHz.

Les configurations optimales ainsi d´etermin´ees correspondent, pour 5 GHz `a : P e1 = 14.27

dBm, P e2= 2.5 dBm et φ2= 357◦; pour 7 GHz, P e1= 3.8 dBm, P e2= −2.55 dBm et φ2= 283◦.

Il faut consid´erer ces valeurs en tenant compte des impr´ecisions de mesures : l’analyseur de spectre a une pr´ecision `a 0.5 dB pr`es ; les bolom`etres sont un peu plus pr´ecis : `a 0.1 dB. Pour ce qui est du d´ephasage : il est lu sur le vernier du d´ephaseur. Or, si ce vernier a une bonne pr´ecision (1◦ pr`es), le d´ephaseur lui mˆeme poss`ede une sorte d’hysteresis : lorsqu’on tourne le vernier dans un sens, il est lin´eaire ; mais lorsqu’on change de sens, on tourne un peu ”`a vide” avant que le d´ephasage change vraiment. Nous avons pris garde `a faire nos mesures en tournant toujours dans le mˆeme sens si bien qu’on a des valeurs pr´ecises de d´ephasage ”relatif”. La valeur ”absolue” du d´ephasage est par contre beaucoup plus incertaine, et moins reproductible : `a 5-10 ◦ pr`es. Les valeurs de d´ephasage indiqu´ees pour la configuration optimale sont peu pr´ecises. Par contre les graphes des puissances de sortie en fonction du d´ephasage, repr´esent´es sur la figure 5.6 donnent une id´ee pr´ecise du comportement du tube en fonction du d´ephasage.

Sur la figure 5.5(b) apparaˆıt le spectre de sortie sur l’analyseur dans le cas optimal pour la fondamentale `a 5 GHz.

On r´eussit ainsi `a extraire 49.85 dBm (ie 97 W) de puissance fondamentale `a 5 GHz en injectant l’harmonique, contre 47.17 dBm sans injection d’harmonique, soit une augmentation de 2.7 dB : c’est une am´elioration tr`es notable, cela revient `a augmenter de 86 % la puissance de sortie sur fondamentale.

A 7 GHz, on extrait 51.38 dBm (ie 137 W) de puissance sur fondamentale au lieu de 49.63 dBm sans injection d’harmonique. Les 1.75 dB gagn´es correspondent cette fois `a une augmentation de 50 %.

Nous retrouvons donc exp´erimentalement le rˆole de l’harmonique que nous avons d´ecrit dans les chapitres pr´ec´edents : il est possible d’augmenter tr`es sensiblement la puissance de sortie d’un signal en injectant dans le tube, en plus de la fondamentale, de l’harmonique 2 dans certaines conditions de phase et d’amplitude.

Sur les deux graphes Φ2/puissances de sortie de la figure 5.6, on retrouve une plage d’environ

une demi-p´eriode de Φ2sur laquelle la puissance de sortie sur fondamentale (P s1) reste au dessus

de la valeur sans injection d’harmonique, et o`u elle ne varie pas brutalement. On retrouve ´egalement la pr´esence d’un creux assez profond. Sur le graphe 7 GHz, il apparaˆıt que les plus grandes valeurs de puissance de sortie sur fondamentale correspondent aux plus faibles de puissance de sortie sur harmonique, et vice-versa : le couplage faisceau/fondamentale/harmonique privil´egie l’une des ondes au d´etriment de l’autre. A 5 GHz, les choses sont plus compliqu´ees du fait de la pr´esence de l’harmonique 3 `a un niveau comparable `a celui des autres fr´equences.

L’effet de l’injection d’harmonique est plus grand `a 5 GHz qu’`a 7 GHz : `a 5 GHz, la puissance de sortie varie sur une plage de 17 dB, tant sur fondamentale que sur harmonique 2, lorsque Φ2

varie. A 7 GHz, cette plage est de 9 dB sur fondamentale, et 7 dB sur harmonique 2. Le rˆole des harmoniques est plus fort `a 5 GHz : l’harmonique 2, `a 10 GHz se trouve au centre de la bande passante, donc elle est plus favoris´ee que l’harmonique 2 de 7 GHz, qui `a 14 GHz, est d´ej`a en fin de bande passante. De plus, l’harmonique 3 de 5 GHz, `a 15 GHz, est ´egalement dans la bande passante, et joue ´egalement un rˆole dans le couplage entre fr´equences. C’est probablement pour la mˆeme raison qu’on a besoin d’injecter un niveau relatif d’harmonique plus ´elev´e `a 7 GHz (6.4 dB de moins que la fondamentale) qu’`a 5 GHz (11.8 dB de moins que la fondamentale).

Fig. 5.6 – Puissances de sortie en fonction du d´ephasage φ2, pour 5 GHz, avec P e1= 14.27 dBm

Fig. 5.7 – Spectre en sortie du tube pour l’injection d’harmonique (fondamentale de 5 GHz) : oscillation.