Cours 4 - Circuits actifs RF

Pourquoi changer de fréquence ? Le récepteur superhétérodyne

Chapitre 1Durée ≈ 30 minNiveau : BUT 3 GEIIPrérequis : cours 1 (dB, spectre, mélange de deux sinus, analyseur de spectre)

Objectifs du chapitre

Expliquer pourquoi un récepteur transpose le signal reçu vers une fréquence intermédiaire
Calculer la fréquence intermédiaire produite par un mélangeur
Décrire le rôle de chaque bloc d'un récepteur superhétérodyne
Calculer la fréquence image et expliquer comment on s'en protège
Reconnaître le superhétérodyne dans un LNB, une radio FM et un analyseur de spectre

1. Des centaines de chaînes dans un seul câble

Sur des millions de toits, une parabole de 60 cm reçoit en même temps des centaines de chaînes venues d'un satellite à 36 000 km, toutes entre 10,7 et 12,75 GHz. Un simple câble coaxial descend ensuite jusqu'au décodeur… qui n'a jamais vu passer la moindre onde à 12 GHz. Que s'est-il passé dans le petit boîtier au bout du bras ?

Ce boîtier s'appelle le LNB (Low Noise Block converter). Il fait deux choses : il amplifie le signal très faible capté par la parabole, puis il le fait descendre en fréquence, vers 950 à 2 150 MHz. C'est cette « descente » que nous allons comprendre dans ce chapitre. Le LNB sera notre fil rouge tout au long du cours.

Le LNB, au foyer de la parabole, convertit la bande satellite (autour de 11 à 12 GHz) en une bande plus basse, qui voyage bien dans un câble coaxial.

Pourquoi ne pas envoyer directement le signal à 11,5 GHz dans le câble ? Trois raisons, qui valent pour presque tous les récepteurs :

Les pertes d'un câble coaxial augmentent avec la fréquence : à 12 GHz, quelques dizaines de mètres de câble ordinaire absorberaient presque tout le signal.
Le filtrage : il est beaucoup plus facile de réaliser un filtre très sélectif à une fréquence fixe et plus basse que de suivre la station choisie avec un filtre réglable à 12 GHz.
L'amplification : répartir le gain entre deux fréquences différentes évite qu'une partie de la sortie, revenue à l'entrée, fasse osciller la chaîne. Et un amplificateur à fréquence fixe est plus simple à optimiser.

Pourquoi le LNB descend-il le signal vers 1 à 2 GHz avant de l'envoyer dans le câble ?

Parce que le décodeur ne sait démoduler que des signaux analogiques
Parce que les pertes du câble coaxial sont bien plus faibles à 1 ou 2 GHz qu'à 12 GHz
Parce que le satellite émet trop fort et qu'il faut réduire la puissance

2. Mélanger, c'est multiplier

Au cours 1, nous avons vu qu'un circuit non linéaire crée de nouvelles fréquences. Le mélangeur (mixer) exploite volontairement cet effet : il multiplie le signal reçu, de fréquence $f_{R F}$ , par un sinus pur produit sur place par un oscillateur local (OL), de fréquence $f_{O L}$ . La trigonométrie dit ce qui sort :

\cos (2 π f_{R F} t) \cdot \cos (2 π f_{O L} t) = \frac{1}{2} \cos (2 π (f_{R F} - f_{O L}) t) + \frac{1}{2} \cos (2 π (f_{R F} + f_{O L}) t)

On obtient deux nouvelles fréquences : la différence et la somme. Un filtre garde celle qui nous intéresse, presque toujours la différence. C'est la fréquence intermédiaire (FI, en anglais IF) :

f_{F I} = | f_{R F} - f_{O L} |

Point essentiel : la modulation (l'information) portée par le signal RF est conservée. Le mélangeur déplace le signal sur l'axe des fréquences sans changer son contenu, comme on déplace un camion chargé d'une autoroute à une autre.

Exemple chiffré : le LNB

Dans un LNB « universel », l'oscillateur local vaut 9,75 GHz pour la bande basse (10,70 à 11,70 GHz) et 10,60 GHz pour la bande haute (11,70 à 12,75 GHz). Une chaîne émise à 11,5 GHz (bande basse) sort à quelle fréquence ?

Voir la correction

f_{F I} = | f_{R F} - f_{O L} | = 11,5 - 9,75 = 1,75 GHz = 1 750 MHz

La somme, $11,5 + 9,75 = 21,25$ GHz, est éliminée par un filtre. 1 750 MHz est bien dans la plage que le décodeur sait recevoir.

ce qui sort du mélangeur

Fréquence reçue

f_{R F}

: Oscillateur local :

Mélangeur idéal (multiplication parfaite). Les fuites de l'OL et de la RF vers la sortie, et les autres produits de mélange, sont vus au chapitre 5.

f_{F I} = 12,1 - 10,6 = 1,5 GHz = 1 500 MHz

Une chaîne est émise à 12,1 GHz (bande haute, OL à 10,6 GHz). À quelle fréquence sort-elle du LNB, en MHz ?

3. Le récepteur superhétérodyne, bloc par bloc

Le LNB n'est que la première moitié d'un récepteur. La chaîne complète, presque universelle depuis les années 1930, s'appelle le récepteur superhétérodyne (de hétérodyne, « mélange de deux fréquences », et super, pour « supersonique » : la FI est au-dessus des fréquences audibles). Cliquez sur chaque bloc.

le superhétérodyne, bloc par bloc

Cliquez (ou utilisez Tab puis Entrée) sur un bloc pour voir son rôle.

Le plus élégant : pour changer de station, on ne règle que l'oscillateur local. Le filtre FI, lui, reste fixe : c'est toujours lui qui fait le tri, avec la même finesse quelle que soit la station.

Exemple chiffré : la radio FM

Un poste FM classique utilise une FI de 10,7 MHz, avec un oscillateur local placé au-dessus de la station : $f_{O L} = f_{R F} + f_{F I}$ . Pour écouter une station à 98,0 MHz, où faut-il régler l'OL ?

Voir la correction

f_{O L} = f_{R F} + f_{F I} = 98,0 + 10,7 = 108,7 MHz

Vérification : $| 98,0 - 108,7 | = 10,7$ MHz. Pour parcourir toute la bande FM (88 à 108 MHz), l'OL balaie de 98,7 à 118,7 MHz.

Qui a inventé le superhétérodyne ? En août 1917, en pleine guerre, l'ingénieur français Lucien Lévy, affecté au service radio militaire installé à Paris, dépose un brevet sur le principe. En 1918, l'Américain Edwin Armstrong, officier des transmissions détaché à Paris, met au point un récepteur qui fonctionne et le fait breveter. S'ensuit une longue bataille juridique : en 1929, la justice américaine reconnaît l'antériorité de Lévy. L'histoire retient pourtant surtout Armstrong, qui a rendu le récepteur pratique… et qui inventera aussi la FM (cours 1).

f_{O L} = f_{R F} + f_{F I} = 89,0 + 10,7 = 99,7 MHz

Même poste FM (FI de 10,7 MHz, OL au-dessus). Où faut-il régler l'OL pour écouter une station à 89,0 MHz, en MHz ?

4. Le piège : la fréquence image

Le mélangeur calcule une valeur absolue : $| f_{R F} - f_{O L} |$ . Il existe donc deux fréquences d'entrée qui tombent sur la même FI : celle qu'on veut, et une autre, placée symétriquement de l'autre côté de l'OL. C'est la fréquence image.

f_{i m a g e} = 2 f_{O L} - f_{R F} soit f_{i m a g e} = f_{R F} \pm 2 f_{F I}

avec le signe + quand l'OL est au-dessus de la station (radio FM), et le signe − quand il est en dessous (LNB). L'image est toujours à $2 f_{F I}$ de la station voulue.

Vue du mélangeur, la station voulue et l'image sont indiscernables : toutes deux sortent à la FI.

Une fois mélangée, l'image se superpose au signal utile : aucun filtre placé après le mélangeur ne peut plus l'enlever. La seule parade est de l'éliminer avant, avec le filtre de présélection placé en entrée du récepteur. Le chapitre 5 détaillera les autres solutions.

la fréquence image d'un poste FM

Station écoutée : Filtre de présélection (88 à 108 MHz) en entrée

FI de 10,7 MHz, OL au-dessus de la station. Atténuation du filtre : valeur indicative d'un filtre simple.

Avec une FI de 10,7 MHz, l'image d'une station FM se trouve 21,4 MHz plus haut, entre 109,4 et 129,4 MHz… en plein dans les bandes aéronautiques (108 à 137 MHz : radionavigation, puis radiotéléphonie entre les avions et les contrôleurs). Un poste FM sans filtre de présélection, près d'un aéroport, peut entendre la tour de contrôle par-dessus sa station !

Le LNB a le même souci : avec l'OL à 9,75 GHz, l'image d'une chaîne à 11,5 GHz est à $9,75 - 1,75 = 8,0$ GHz. Son entrée, conçue pour la seule bande 10,7 à 12,75 GHz, élimine ces fréquences.

OL au-dessus :

f_{i m a g e} = f_{R F} + 2 f_{F I} = 92,0 + 2 \times 10,7 = 113,4 MHz

(l'OL est à 102,7 MHz, à égale distance des deux).

Un poste FM (FI de 10,7 MHz, OL au-dessus) écoute une station à 92,0 MHz. Quelle est la fréquence image, en MHz ?

5. Le superhétérodyne aujourd'hui

Dans votre laboratoire : l'analyseur de spectre

Au cours 1, l'analyseur de spectre « balayait » les fréquences avec un filtre de largeur RBW. En réalité, ce filtre ne bouge pas : c'est un filtre FI fixe. L'appareil est un superhétérodyne dont l'oscillateur local est balayé : chaque fréquence d'entrée passe à son tour à la FI, et l'écran trace le niveau obtenu en fonction de la fréquence de l'OL. La RBW est simplement la largeur du filtre FI.

Dans votre poche : la conversion directe

Les puces Wi-Fi, Bluetooth et 4G/5G des smartphones utilisent surtout une variante : la conversion directe (ou « zéro-FI »). L'OL est réglé exactement sur la fréquence reçue, la FI vaut donc 0 Hz, et le signal est directement numérisé, avec deux voies en quadrature (I et Q). Plus de fréquence image au sens classique, moins de filtres, une puce plus petite… mais d'autres défauts à corriger par le calcul. Le superhétérodyne reste la référence pour comprendre un récepteur, et il domine toujours dans les instruments, les radars, les liaisons satellite et les récepteurs exigeants.

Classez chaque fonction selon sa place dans la chaîne.

Éliminer la fréquence image
Amplifier le signal en ajoutant le moins de bruit possible
Choisir la station écoutée
Séparer la station voulue de ses voisines avec un filtre fixe et très sélectif
Récupérer l'information (démodulation)

Un mélangeur multiplie le signal par un oscillateur local : il en sort $| f_{R F} - f_{O L} |$ et $f_{R F} + f_{O L}$ . On garde en général la différence, la fréquence intermédiaire. La modulation est conservée.
Transposer vers une FI fixe et plus basse : moins de pertes dans les câbles, filtrage sélectif fixe, gain réparti sans risque d'oscillation. Pour changer de station, on règle l'OL.
Chaîne superhétérodyne : présélection, LNA, mélangeur et OL, filtre et amplificateur FI, démodulateur.
Fréquence image : $f_{i m a g e} = 2 f_{O L} - f_{R F} = f_{R F} \pm 2 f_{F I}$ . Elle doit être éliminée avant le mélangeur.
Le LNB d'une parabole et l'analyseur de spectre sont des superhétérodynes ; les smartphones utilisent surtout la conversion directe.

Avant la suite, vérifiez que vous savez :

donner trois raisons de transposer un signal vers une FI ;
calculer une FI à partir de $f_{R F}$ et $f_{O L}$ , et la fréquence de l'OL à partir de la FI ;
calculer la fréquence image et dire où on l'élimine ;
nommer et ordonner les blocs d'un superhétérodyne.

Invention du superhétérodyne (Lucien Lévy, Edwin Armstrong) : Wikipedia, « Lucien Lévy » ; Columbia University Libraries, archives Armstrong, « The Superheterodyne » ; ETHW, « Superheterodyne Receiver » (consultés le 11/10/2026).
Bandes aéronautiques VHF (108 à 137 MHz) : valeurs usuelles des plans de fréquences aéronautiques.
LNB universel (Europe) : bandes, oscillateurs locaux, FI, commutation, facteur de bruit : Wikipedia « Low-noise block downconverter » ; fiches de LNB universels (NISD, Invacom) (vérifié le 2026-10-11)