La détection hétérodyne

La détection hétérodyne avec HIFI

Cette technique consiste à changer la fréquence du signal reçu afin que celui-ci soit par la suite manipulé (notamment amplifié) le plus efficacement possible par les éléments de la chaîne électronique.

L'invention de la technique hétérodyne

Le travail pionnier sur la détection hétérodyne date de 1901, lorsque l'inventeur-ingénieur canadien Reginald Fessenden souhaita rendre audible les signaux transmis en code Morse. Il fallu attendre 1918 pour le développement de la technique telle que nous la connaissons maintenant grâce à l'ingénieur et inventeur Edwin Howard Armstrong. Auparavant, un signal reçu était amplifié par un amplificateur qui devait pouvoir gérer une large gamme de fréquences mais qui fonctionnait de façon optimale uniquement sur une gamme réduite. L'apport d'Armstrong fut d'utiliser un mélangeur pour produire un signal de fréquence pré-déterminé (appelée fréquence intermédiaire) à partir du signal reçu et du signal émis par un oscillateur local stable. Le signal ainsi obtenu peut être amplifié par un amplificateur fonctionnant à une fréquence proche de la fréquence intermédiaire.

Plus particulièrement, il n'existe pas d'amplificateur capable d'amplifier les faibles signaux émis par les molécules à des fréquences élevées, telles celles visées par HIFI (~ 500-1900 GHz). Par contre, à plus basses fréquences, on dispose de bons amplificateurs, petits, légers et à faible consommation énergétique. Grace à la technique hétérodyne, on peut donc utiliser ces amplificateurs performants et adéquats pour un observatoire spatial, et ainsi détecter l'émission des molécules à hautes fréquences.

La détection hétérodyne avec HIFI

HIFI a été conçu pour observer des signaux dont les fréquences sont comprises entre 480 et 1250 GHz, et entre 1412 et 1910 GHz. Ces gammes sont séparées en 7 bandes: 480-640 GHz, 640-800 GHz, 800-960 GHz, 960-1120 GHz, 1120-1250 GHz, et 1410-1910 GHz, numérotées respectivement de 1 à 7. Pour chaque bande, HIFI permet d'observer la polarisation verticale (V) et horizontale (H) du signal, c'est-à-dire l'orientation du champ électrique, une des deux composantes (l'autre étant le champ magnétique) du signal reçu, qui n'est autre qu'une onde électromagnétique.

Le signal collecté par le miroir de 3,5 m de diamètre d'Herschel est traité par les différentes parties d'HIFI qui sont principalement:
- un séparateur produisant 14 faisceaux (2 polarisations dans chacune des 7 bandes)
- un système de 14 mélangeurs placés dans un cryostat à 1.7 K
- un système d'oscillateurs locaux produisant 7 signaux qui sont combinés à ceux du ciel par les mélangeurs afin de produire les signaux de fréquences intermédiaires
[voir l'animation pour une vue d'un oscillateur local et d'un mélangeur en action]
- un système d'amplificateurs de ces signaux, à température de 100 K
- deux spectromètres mesurant l'intensité du signal en fonction de la fréquence:
    - un spectromètre à large bande, le WBS (Wide Band Spectrometer), qui permet d'obtenir des données sur 4 GHz instantanés, divisés en canaux de 1,1 MHz.
    - un spectromètre à bande étroite mais à très haute résolution, le HRS (High Resolution Spectrometer), qui est quant à lui est modulable: sa bande passante varie de 230 à 1840 MHz et est divisée en canaux de 0,125 à 1 MHz de large respectivement.

L'ensemble est contrôlé par un système de microprocesseurs qui gère les ordres d'observation et permet de collecter les spectres obtenus.

La participation française à HIFI

- le CESR est le laboratoire responsable de la réalisation du spectromètre HRS, de ses étalonnage et de son intégration dans l'instrument HIFI.
- le LAB était responsable de la partie d'amplification et de découpage en sous-bandes du signal de fréquences intermédiaires et a participé aux campagnes de qualification du matériel de vol.
- le LERMA et l'IRAM ont réalisé les mélangeurs de la bande 1.
- l'IAS a réalisé la cellule de gaz (source spectrale de laboratoire fournissant un spectre de transitions moléculaires reelles) qui a permis d'étalonner HIFI.