Chap. IV : L’AMELIORATION DE LA PUISSANCE DES SIGNAUX . D’UN RADAR A ONDE CONTINUE.

La performance du signal dans la transmission que ça soit à l’émission et à la réception nécessite l’analyse de certains paramètres tels que nous l’avons illustré dans l’hypothèse de ce travail.

Dans ce dernier chapitre, nous tenterons d’affirmer nos hypothèses que nous nous sommes fixées au départ En effet, nous allons aussi voir certains paramètres influençant la puissance.

IV.1 PUISSANCE

Il existe une difference importante entre un système de transmission de type telecommunication et un système de type radar. Parmi les differences notables, nous en avons relevé deux dans l’expression du bilan de liaison.

Cas des telecommunications

Pr=PeGe Gr ( λ4 πd )

2

A =Pe Ge Gr λ ²

(4 π ) ² d ²A

Cas du radar

Pr=Pe Ge Gr λ ² σ

(4 π )3 d 4A

Dans ces équations, Pr est la puissance de l’émetteur, Ge le gain à l’émission, Gr

celui à la réception, λla longueur d’onde de l’onde, d la distance entre l’émetteur et le récepteurdans les cas d’un système type de télécommunication et la distance de la cible dans le cas du radar, σune surface caractérisant réflexion de l’onde par la cible et A un coefficient d’atténuation incluant divers phénomènes physiques réduisant l’efficacité de la transmission.

Partant de l’équation du radar nous remarquons que la puissance à la réception Pr dépend directement de la puissance à l’émission Pe et du gain de l’antenne, donc si le gain des antennes augmente la puissance augmente également et diminues ensemble.

IV.1.2 LES PARAMETRES POUR L’AMELIORATION DE . .

… PUISSANCE

IV.1.2.1. Gain de l’antenne

Le gain étant le rapport de la puissance émise de lobe principal sur la puissance qu’émettrait une antenne isotrope. Le gain est ainsi défini pour l’antenne d’émission et l’aire équivalente pour une antenne de réception. Ce gain est généralement mesuré en dBi pour décibel isotrope (en comparaison avec une antenne

isotrope). G=4 πS

λ2 Avec

S= πD2

4 d’où G=( πD

λ )2

GdBi=10 log [K ( πD

λ )2]

Le gain d’une antenne dans l’espace est représenté graphiquement en trois dimensions ou en coupe de son diagramme de rayonnement L’angle d’ouverture d’une antenne correspond à l’angle formé par les courbes à-3 dBi de la puissance émise. Il peut être caractérisé en azimut (coupe horizontale du diagramme de rayonnement) ou en élévation (coupe verticale). Le corollaireà ces propriétés est qu’une antenne à fort gain est forcément très directive, ce qui veut dire qu’elle présente un angle d’ouverture faible.La surface équivalente radar est une aire fictive rendant compte de la puissance réfléchie par la cible. Cette surface doit être aussi faible que possible pour ne pas être détecté parle radar. L’expression ci-haut montre que le gain est fonction du diamètre de l’antenne, cela nous permet de dire que la puissance en dépend aussi.

Seuil de réception Les récepteurs sont caractérisés par leurs sensibilités. La sensibilité d’un récepteur est la très basse puissance qu’un récepteur peut détecter pour son bon fonctionnement.

IV.2.2.3 BILAN DE LIAISON

La puissance reçue par le radar Pr issue d’une cible située `a la distance dn’est qu’une faible portion de la puissance moyenne émise par le radar Pe. L’équation radar, ou bilan de liaison, relie la puissance reçue provenant de la cible aux paramètres du radar

Pr=Pe

Ge Gr λ2σ

(4 π )3 d4A

Le bilan est calculé pour savoir si la puissance à la réception Pr n’est pas inférieure au seuil. Il permet aussi d’évaluer les gains et les pertes d’une liaison.

IV.2.2.4 Le bruit thermique

La puissance de la cible chute rapidement en fonction de sa distance, en 1/d4. Le signal acquis peut donc êtreextrêmement faible. Des étages d’amplification en réceptionsont nécessaires pour exploiter les données reçues par le radar. La chaîned’amplification va introduire du bruit qui va s’ajouter au signal reçu. Ce bruit issu des composants ´électroniques en réception s’appelle le bruit thermique. Il est généralementmodélise par un bruit blanc gaussien. La puissance moyenne du bruit thermique en réception est définie par

No = kbT0Br

No = puissance de bruit (W) kB = constante de Boltzmann = 1,3806 × 10-23J.K-1

T = température effective (K) Br = bande passante du récepteur (Hz)

La bande passante du récepteur est sa bande équivalente de bruit, c’est au minimum la bande passante demandée par la modulation utilisée. Dans un cas réel, la température effective de réception doit tenir compte de tous les bruits : espace, récepteur, etc…

Pour limiterla densité de puissance de bruit, il est recommandé de limiter la température au niveau du récepteur.

IV.2.2.5 Rapport signal sur bruit

Le rapport signal sur bruit est un indicateur de la qualité de la transmission d'une information.Pour détecter la présence de cibles, le radar compare la puissancereçue d’une cible avec le niveau de bruit ambiant. Le rapport de puissance entre la cible etle bruit thermique s’appelle le Rapport Signal sur Bruit (RSB).

Plus ce niveau est élevé, plus la détection de la cible sera aisée. Le RSB initial en sortie de la chaıne d’amplification s’écrit

RSBini=Pr

N o

=Pe

Ge Gr λ2 σ

(4 π )3 d4A

Le RSBini est très petit devant 1 et doit être fortement amélioré par le traitement du signal reçupour que le signal utile dépasse le niveau de bruit. Le gain de traitement optimal Gint que l’on peut espérer est égal au produit BTint, où Tint est le temps d’intégrationcohérent des données.Le RSB post-traitement s’écrit alors

RSBpost=Pr

N o

Gint

Les performances de détection du système radar sur bruit blanc sont ainsi calculéesà partir de ce RSB post-traitement.Comme nous le voyons dans l’expression ci-haut le rapport signal sur bruit évolue inversement proportionnel à la densité de puissance de bruit. Pour améliorer ce rapport nous ne devons pas non seulement limiter la puissance sur bruit, mais aussi augmenter la puissance à la réceptionen agissant sur la puissance à l’émission (les amplificateurs de puissance) et les gains des antennes.

IV.2.2.6 Adaptation de la ligne à l’antenne

La liaison entre l’émetteur et l’antenne ou antenne récepteur est souvent par câble coaxial. Pour le meilleur transfert de l’énergie, il faut qu’il y ait adaptation de la ligne à la charge. Prenons le cas de la figure où une ligne de transmission alimente une antenne d’une puissance maximale.

HF Za : impédance de la charge (=75 ohm)

Pour obtenir une transmission maximale de la puissance de la ligne, il faut que l’impédance de la ligne caractéristique soit égale à 75 ohm. Donc Zc = 75 ohm, alors Z de l’antenne = 75 ohm (Z charge).

Si l’impédance caractéristique n’est pas égale à l’impédance de l’antenne, une partie de la puissance se réfléchit d’où diminution de la puissance incidente.

La notion d’adaptation d’impédance est très capitale en électronique pour le meilleur transfert et l’amélioration de la puissance.

Quand la condition Za = Zc n’est pas respectée, toute l’énergie de l’onde n’est pas absorbée par la charge (antenne)

V aller (onde incidente) ou Vi

VZc Za.

IV.2.2.6.1 Le coefficient de réflexion

Quand la condition Za = Zc n’est pas respectée, toute l’énergie de l’onde n’est pas absorbée par la charge (antenne)

On définit le coefficient de réflexion Γ = VretourValler avec

Γ=ZL−ZC

Z L+ZC

ZL= impedancede charcge au point X = 0 ⟹

Г =

ZO−ZC

Z0+ZC

Le taux d’onde stationnaire TOS est égal à :

V retour (onde réfléchie) ou Vr

1

V aller+V retourV aller−V retour

=V aller

V retour.1+ V retour

V aller

1−V retourV aller

TOS=1+Γ1−Γ

En tout endroit on a :

Z=

V aller+V retourI aller−I retour

=V allerI aller

.1+ V retour

V aller

1−I retourI aller =ZC

1+Γ1−Γ

TOS=

ZZC

Pour :

- Un TOSde 1 = Z= Zc toute l’énergie est rayonnée (adaptation d’impédance)

- Un TOS de 1,5 = Z est diffèrent de Zc 4% de la puissance est réfléchie

- Un TOS de 2 = Z est diffèrent de Zc 11% de la puissance est réfléchie

- Un TOS de 3 = Z est diffèrent de Zc 25% de la puissance est réfléchie

- Un TOS de 4 = Z est diffèrent deZc 36% de la puissance est réfléchie

1Cours hyperfréquence, G3 Electronique, ISTA/Goma, par Mathieu Ruchogoza, DEA

Nous remarquons que plus Tos est plus grand, plus la puissance réfléchie est trop grande raison pour laquelle les radars et tous les équipements des transmissions, on veuille à tout moment sur la puissance réfléchie.

IV.2.3 IMPACT DE LA RESISTANCE DE RAYONNEMENT SUR LA PUISSANCE

L’énergie fournie par une source (émetteur) est absorbée par l’antenne. Cette dernière, au lieu de la transformée à chaleur, elle la dissipe sous forme de rayonnement électromagnétique. Cela suppose une résistance ; c’est la résistance de rayonnement.

IV.2.3.1 Résistance de rayonnement

La puissance rayonnée par une antenne dipôle est donnée par :

P =π n I 0

² L ²3 λ ²

Cette expression montre que la puissance rayonnée prélevée à la source (émetteur) est proportionnelle à I 0

2; l’antenne se comporte donc comme une

résistance R tel que P = R I 0

2

2 , cette résistance s’appelle résistance de

rayonnement et vaut 2 π n L2

3 λ2 soit R = 2 π n L2

3 λ2 .

Cette expression montre que cette résistance diminue et augmente avec la fréquence.

Partant de P = R I 0

2

2 , nous dirons I 0

2=2 PR .

La dernière expression nous permet de conclure, en disant ; plus la résistance de rayonnement est grande, plus l’énergie est limitée.

Pour vaincre cette inertie, il faut augmenter la puissance à l’émission ; de ce fait, les amplificateurs sont nécessaires. Pour éviter la distorsion du signal dans la bande passante, il est important que ces amplificateurs travaillent en régime de saturation.

IV.2.4. Réduction des pertes en espace libre d'un système radar

Au fur et à mesure on s’éloigne de la station d’émission, l’onde connait l’atténuation qui traduit les pertes en espace libre.

Les systèmes radar constituent un cas particulier, car le signal y subit un premier affaiblissement sur son trajet entre l'émetteur et la cible et un second affaiblissement sur son trajet entre la cible et le récepteur. Pour un radar utilisant la même antenne à l'émission et à la réception, on peut exprimer l'affaiblissement d'espace libre A0r :

A0r = 103,4 + 20 logf + 40 log d – 10 log dB

où:

  : section droite de la cible radar (m2)

d : distance entre le radar et la cible (km)

f: fréquence du système (MHz).

La section droite de cible radar d'un objet est le rapport de la puissance totale diffusée isotrope équivalente à la puissance surfacique incidente.

Nous remarquons que les pertes augmentent directement avec la distance. Pour limité ces pertes nous devons limite la fréquence du travail, du fait que la cible peut être mobile, d’où la distance.

IV.2.5. Pertes des d'antennes

Les antennes sont à l'origine de pertes par désadaptation et n'ont pas un rendement idéal. La puissance reçue de l’'équation précédente peut donc se compléter :

e

Pr=Pe Gr Ge λ2σA

(4 π )3 d4 (1−|S11|2) (1−|S22|

2)

Avec :

S11 est le coefficient de réflexion sur l'antenne d'émission

S22 est le coefficient de réflexion sur l'antenne de réception

Les coefficients de réflexion influence la puissance reçue, ils varient entre 0 et 1. Lorsque l’un de ce coefficient vaut 0 la puissance et nul (réflexion totale). 

IV.2.6 Pertes par désadaptation de polarisation

Les antennes d'émission et de réception ne fonctionnent pas forcément avec la même polarisation (par exemple, une polarisation circulaire à l'émission et une polarisation rectiligne à la réception). De plus, dans le cas où les deux polarisations sont rectilignes, il peut se trouver que les directions de

polarisation ne soient pas alignées. On rajoute à la formule le terme pour tenir compte de cette désadaptation.

La formule complète devient alors :

Pr=

Pe Gr Ge λ2σA

(4 π )3 d4 (1−|S11|2) (1−|S22|

2).

IV.2.7 Réduction des interférences

Le traitement du signal est nécessaire pour éliminer les interférences (dues à des sources radio autres que celle du radar) ainsi que les échos parasites. On utilise les techniques suivantes:

Élimination en suivant seulement les échos qui bougent (Visualisation descibles mobiles).

Filtrage des échos en utilisant leur vitesse Doppler : les échos parasites et les interférences ont généralement des vitesses nulles.

Corrélation avec des radars de surveillance secondaires : il s'agit d'un dispositif qui envoie depuis la cible un signal lorsqu'il reçoit un faisceau radar. Ce signal identifie la cible et, selon le cas, son altitude et sa vitesse.

Processus adaptatif temps-espace : en utilisant une antenne réseau à commande de phase pulsée et les vitesses Doppler qu'on en obtient, on peut analyser la moyenne des fréquences et en faire ressortir le pic qui indique la cible.

Taux de fausse alarme constant : il s'agit de déterminer le niveau de bruit moyen continuel en chaque point de l'affichage radar et de ne garder que les échos ayant un retour supérieur à celui-ci.

Masque digital du terrain qui permet d'éliminer les échos qui proviendraient de tous le niveau du sol.

CONCLUSION ET RECOMMANDATION

Dans notre travail d’amélioration de la puissance des signaux d’un radar à onde continue, nous avons soulevé quelque contrainte et donner quelques pistes pour parvenir à l’amélioration de la puissance.

Nous sommes arrivés à confirmer nos hypothèses à répondant aux questions que nous nous sommes fixés au départ. En touchant les gains, nous avons bien montré que la puissance à dépend, pour cette raison il est recommandé d’augmenté le gain des antennes, en augmentant plus ses diamètres. La notion d’adaptation nous a aussi intéressé dans laquelle nous montrons le but d’adaptation d’impédance et laconséquencedu non adaptation.

Pour le meilleur transfert de la puissance, les antennes doivent être adapté à leur ligne (impédancecaractéristique vu que la liaison antenne et équipement est souvent par câble coaxiale).

Pour cette raison nous recommandons la surveillance d’impédance en fin de limité la puissance réfléchi. Pour vaincre la résistance de rayonnement il est aussi recommandé que les amplifications travail à mode saturation.

Ces quelques lignes viennent de résumé notre travail.