COURS ELN2 Premier Semestre

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    21-Oct-2015

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<ul><li><p>IUT 1 Grenoble Dt Gnie Electrique et Informatique Industrielle 2 Physique : phnomnes de propagation en radiofrquences </p><p>Philippe Ferrari - 0 - </p><p>PHENOMENES DE PROPAGATION EN RADIOFREQUENCES </p><p>ELECTRONIQUE RAPIDE </p><p>COURS </p></li><li><p>IUT 1 Grenoble Dt Gnie Electrique et Informatique Industrielle 2 Physique : phnomnes de propagation en radiofrquences </p><p>Philippe Ferrari - 1 - </p><p>SOMMAIRE 1 INTRODUCTION 2 </p><p>1.1 PRAMBULE : MISE EN VIDENCE DES PHNOMNES DE PROPAGATION EN LECTRONIQUE 2 1.2 LES FRQUENCES MICRO-ONDES 3 1.3 APPLICATIONS DES ONDES LECTROMAGNTIQUES 4 1.3.1 HISTORIQUE 4 1.3.2 QUELQUES APPLICATIONS TYPIQUES 5 1.4 CIRCUITS MICRO-ONDES ET MTHODES DANALYSE 7 </p><p>2 LA LIGNE DE PROPAGATION ANALYSE PAR LA THORIE DES CIRCUITS 9 </p><p>2.1 MODLE CIRCUIT DUNE LIGNE DE PROPAGATION 9 2.2 EQUATIONS DIFFRENTIELLES COUPLES 10 2.3 RGIME HARMONIQUE 11 2.3.1 EQUATIONS DE PROPAGATION 11 </p><p>2.3.2 ETUDE GNRALE DES FONCTIONS </p><p>vxtf ET </p><p>+</p><p>vxtf 13 </p><p>2.3.3 CARACTRISTIQUES DES ONDES : IMPDANCE CARACTRISTIQUE, EXPOSANT DE PROPAGATION, COEFFICIENT DE RFLEXION 15 2.3.4 COEFFICIENTS DE RFLEXION ET DE TRANSMISSION RAPPORT DONDES STATIONNAIRE (ROS) 17 2.4 ADAPTATION DIMPDANCE 21 2.4.1 ADAPTATION PARTIE RELLE : TRANSFORMATEUR DONDE 21 2.4.2 ADAPTATION PARTIE IMAGINAIRE : STUB 21 2.5 OUTILS DANALYSE : ABAQUE DE SMITH PARAMTRES S GRAPHES DE FLUENCE 22 2.5.1 ABAQUE DE SMITH 22 2.5.2 PARAMTRES S - MATRICES 31 2.5.3 GRAPHES DE FLUENCE 37 2.6 INTRODUCTION AU RGIME TEMPOREL : RFLECTOMTRIE TEMPORELLE 39 2.6.1 PRINCIPE 39 </p><p>3 PRINCIPES DE LA CAO RF-ONDES 44 </p><p>3.1 MODLISATION 44 3.2 SIMULATION 45 </p><p>4 PRINCIPES DES APPAREILS DE MESURE RF-ONDES 45 </p></li><li><p>IUT 1 Grenoble Dt Gnie Electrique et Informatique Industrielle 2 Physique : phnomnes de propagation en radiofrquences </p><p>Philippe Ferrari - 1 - </p></li><li><p>IUT 1 Grenoble Dt Gnie Electrique et Informatique Industrielle 2 Physique : phnomnes de propagation en radiofrquences </p><p>Philippe Ferrari - 2 - </p><p>1 Introduction </p><p>1.1 Prambule : mise en vidence des phnomnes de propagation en lectronique Il sagit ici de montrer que lorsque la frquence des signaux se propageant sur une ligne </p><p>augmente, il devient ncessaire de prendre en compte les phnomnes de propagation. Nous prenons une exprience trs simple qui consiste relier un gnrateur de tension sinusodale ( gg Rv , ) une charge cR par lintermdiaire de deux fils parallles A-B et C-D (Figure 1). La charge est relie un voltmtre par un cble coaxial de un mtre de longueur environ (longueur l). </p><p>Figure 1. Mise en oeuvre des phnomnes de propagation. </p><p>Compte tenu de la longueur des fils de connexion, si la frquence du gnrateur est infrieure 1 MHz environ, la tension lue au voltmtre est videmment : </p><p> gc</p><p>cglue RR</p><p>RVV+</p><p>= . </p><p>Lorsque lon augmente la frquence tout en conservant la tension efficace Vg constante, on constate que la tension lue varie. Si lon divise la longueur l par dix, soit un cble coaxial de longueur 10 cm, on constate que ce phnomne se produit pour une frquence dix fois suprieure. La tension lue au voltmtre dpend donc de la longueur du cble coaxial et de la frquence de fonctionnement. Pour comprendre ce phnomne, il faut faire appel la thorie de la propagation des ondes lectromagntiques que nous allons dvelopper. On peut dj affirmer que pour viter les phnomnes de propagation dans les circuits lectroniques, il faut que la dimension de ces circuits soit plus petite que la longueur associe la longueur donde des signaux mis en jeu : </p><p> fv</p><p>= , </p><p>avec v la vitesse des signaux et f leur frquence. Plus la frquence crot, plus la longueur donde diminue, plus les phnomnes de propagation sont susceptibles dintervenir. Ds lapparition de la miniaturisation apporte par la microlectronique vers les annes 1960, les lectroniciens ont cru longtemps quils allaient pouvoir viter les mthodes lourdes danalyse lectromagntique qui permettent de prendre en compte les phnomnes de propagation. Mais les ambitions des lectroniciens ne se sont pas limites qu la miniaturisation des circuits. Du fait du besoin accru de plages de frquences libres pour les applications de tlcommunication, les frquences de fonctionnement ont augment. De plus, la complexit de larchitecture des circuits entrane des couplages entre circuits qui ne peuvent se traiter que grce la thorie de llectromagntisme. Aucun lectronicien ne peut ignorer aujourdhui les concepts de base de llectromagntisme qui interviennent dans lanalyse des circuits dlectronique rapide. </p><p>lueV Rc gV </p><p>ml 1</p><p>Rg </p><p>B A </p><p>D C </p><p>B </p></li><li><p>IUT 1 Grenoble Dt Gnie Electrique et Informatique Industrielle 2 Physique : phnomnes de propagation en radiofrquences </p><p>Philippe Ferrari - 3 - </p><p>Dans le domaine de llectronique rapide, nous considrons des frquences suprieures la centaine de MHz. Nous entrons alors dans le domaine des micro-ondes ou des hyperfrquences, allant de quelques centaines de MHz quelques centaines de GHz (109 Hz). Au-del des GHz, on trouve les THz (1012 Hz). </p><p>1.2 Les frquences micro-ondes Le terme micro-ondes est utilis pour dcrire les ondes lectromagntiques allant de 1 cm </p><p> 1 m dans lair, correspondant des frquences situes entre 300 MHz et 300 GHz. Dans un milieu diffrent de lair, donc de permittivit relative suprieure 1, ce spectre est dplac vers le bas car la vitesse de londe est alors infrieure la vitesse de la lumire : </p><p> r</p><p>Cv</p><p>= , </p><p>avec C la vitesse de la lumire dans le vide, r la permittivit relative du milieu. Les ondes lectromagntiques possdant des longueurs donde situes entre 1 et 10 mm sont appeles ondes millimtriques. Le spectre infrarouge correspond des longueurs dondes situes entre 1 m et 1 mm. Ensuite, nous avons le spectre optique visible, le spectre ultraviolet, et finalement les rayons X. Divers modes de classification sont utiliss pour dsigner les bandes de frquence du spectre lectromagntique. Ces classifications sont rsumes dans les tableaux 1 et 2. La classification en bandes RADAR (Tableau 2) date de la seconde guerre mondiale et demeure toujours dusage aujourdhui mme sil est recommand dutiliser la nouvelle classification militaire. </p><p>Bande de frquences </p><p>Dsignation Applications typiques </p><p>3 3 KHz Very Low Frequency (VLF) </p><p>Navigation, sonar </p><p>30 300 KHz Low Frequency (LF) </p><p>Balises radio, aide la navigation </p><p>300 3000 KHz Medium Frequency (MF) </p><p>Radiodiffusion AM, radio maritime </p><p>3 30 MHz High Frequency (HF) </p><p>Tlphone, tlgraphe et fax, Radiodiffusions internationales ondes courtes, radio amateur, </p><p>30 300 MHz Very High Frequency (VHF) </p><p>Tlvision, Radiodiffusion FM, contrle du trafique arien, aide la navigation </p><p>300 3000 MHz Ultra High Frequency (UHF) </p><p>Tlvision, communications satellites, sondes radio, surveillance radar, aide la navigation </p><p>3 30 GHz Super High Frequency (SHF) </p><p>Radar satellite, liaisons micro-ondes, communications mobiles, communications satellites </p><p>30 300 GHz Extreme High Frequency (EHF) </p><p>Radar, expriences </p><p>Tableau 1. Dsignation des bandes de frquence. </p></li><li><p>IUT 1 Grenoble Dt Gnie Electrique et Informatique Industrielle 2 Physique : phnomnes de propagation en radiofrquences </p><p>Philippe Ferrari - 4 - </p><p> Frquence Dsignation des bandes micro-ondes </p><p> Ancienne Nouvelle 500 1000 MHz VHF C 1 2 GHz L D 2 3 GHz S E 3 4 GHz S F 4 6 GHz C G 6 8 GHz C H 8 10 GHz X I 10 12,4 GHz X J 12,4 18 GHz Ku J 18 20 GHz K J 20 26,5 GHz K K 26,5 40 GHz Ka K </p><p>Tableau 2. Dsignation militaire des bandes de frquence micro-ondes. </p><p>La Figure 2 donne une reprsentation de la correspondance entre frquence et longueur dans le vide ( 1=r ). </p><p>Figure 2. Correspondance frquence longueur donde dans le vide. </p><p>Actuellement, avec le dveloppement de la tlphonie mobile autour de 900 MHz et 1800-2000 MHz, la dnomination Radiofrquences redevient utilise. Cette dnomination couvre approximativement la bande 300 MHz 3 GHz. Compte tenu de la dimension des composants et circuits intgrs, dans la bande UHF et jusqu environ 1 GHz, la majorit des circuits de communication sont raliss laide dlments localiss, rsistance, inductances, capacits, tels quon les connat en lectronique (technologie CMS). Entre 1 et 100 GHz, ces lments localiss sont remplacs, grce des quivalences, par des circuits raliss laide de lignes de propagation. Ltude de ces circuits spcifiques sera effectue dans le cours dlectronique du second semestre. </p><p>1.3 Applications des ondes lectromagntiques </p><p>1.3.1 Historique Lintrt pour les frquences micro-ondes est apparu pour un grand nombre de raisons. La </p><p>plus basique est le besoin toujours croissant de bandes spectrales pour les applications radiofrquences et toutes les applications pour lesquelles seules les frquences micro-ondes peuvent tre utilises. La bande de frquence 1 GHz (109 Hz) 1 THz (1012 Hz) contient 1000 fois la bande de frquence DC 1 GHz, on comprend ainsi pourquoi les frquences micro-ondes sont si largement utilises dans un contexte de besoin croissant de nouvelles plages de frquence. Au dpart, durant la seconde guerre mondiale et les annes qui suivirent, lingnierie micro-onde tait synonyme dingnierie RADAR (Radio Detection And Ranging) du fait du fort dveloppement de systme micro-ondes impuls par le besoin de radars trs haute rsolution </p><p>f </p><p>3 MHz </p><p>100 m </p><p>30 MHz </p><p>10 m </p><p>300 MHz</p><p>1 m </p><p>3 GHz</p><p>10 cm </p><p>30 GHz </p><p>1 cm </p><p>300 GHz </p><p>1 mm HF VHF UHF SHF EHF </p></li><li><p>IUT 1 Grenoble Dt Gnie Electrique et Informatique Industrielle 2 Physique : phnomnes de propagation en radiofrquences </p><p>Philippe Ferrari - 5 - </p><p>capables de dtecter et de localiser les avions et troupes ennemies. Les radars actuels, sous leurs diverses formes, anti-missiles, anti-feu, mto, guidage de missiles, contrle du trafique des aroport, , reprsente encore une utilisation majeure des micro-ondes. Cette utilisation est lie la ncessit davoir des antennes possdant un diagramme de rayonnement le plus fin possible, c'est--dire dont le faisceau est le plus troit possible, comme ce qui peut tre ralis par voie optique laide de LASERs. La capacit pour une antenne focaliser le rayonnement sur un faisceau troit est limite par les phnomnes de diffraction, qui sont caractriss par la taille relative de lantenne (ouverture rayonnante) par rapport la longueur donde. Par exemple, une antenne de type parabole produit un cne de rayonnement possdant un angle douverture A donn par lexpression simple suivante : </p><p> 0/</p><p>140DA</p><p>= , </p><p>o D est le diamtre de la parabole, 0 est la longueur donde dans le vide. Ainsi une antenne de diamtre 90 cm peut produire un faisceau possdant un angle douverture de 4,7 10 GHz. Un faisceau de ce type peut dj donner une information tout fait correcte sur une cible vise par un radar. Pour atteindre la mme finesse de faisceau 100 MHz, lantenne doit possder un diamtre 100 fois plus important, savoir 90 m. Il est ainsi clair que lon doit travailler des frquences suffisamment leves afin de minimiser la taille des antennes. Les frquences micro-ondes permettent dobtenir des antennes de lordre de quelques mm quelques dizaines de cm, correspondant la taille des circuits ou systmes utiliss, et pouvant tre embarqus (avions, bateaux, satellites). Cette simple explication explique galement pourquoi les signaux radio ne peuvent tre transmis en bande de base (frquences audibles de 50 Hz 15 KHz environ) car cela ncessitera des antennes de plusieurs centaines de km de long. Nous reviendrons sur ces aspects importants la fin de ce cours lorsque nous discuterons des antennes. Plus rcemment, les frquences micro-ondes ont commenc tre largement utilises dans les systmes de communication. Du fait que les communications micro-ondes seffectuent vue en espace libre, nous avons alors vu apparatre des antennes places au sommet de tours ou de pics montagneux. Trs rapidement, les satellites gostationnaires ont t utiliss pour les communications micro-ondes comme stations relais. Le premier plac en orbite fut Telstar, lanc en 1962 et fournissant la premire transmission tlvision en direct des Etats-Unis vers lEurope. Depuis, les satellites sont trs largement utiliss pour des objectifs de communication, de surveillance, ou pour collecter des donnes atmosphriques ou mtorologiques. Pour la tlvision, la bande C est la plus utilise aux Etats-Unis. La transmission ou canal de monte (terre ! satellite) utilise la bande 5,9 6,4 GHz, et la rception ou canal de descente utilise la bande 3,7 4,2 GHz. Pour la rception, des antennes paraboliques de 2,4 m de diamtre sont gnralement utilises, puis la tlvision est diffuse par cble au sol vers les particuliers. Une seconde bande a galement t attribue pour la diffusion directe vers le particulier, principalement utilise en Europe et au Japon : 14 14,5 GHz pour la transmission et 10,95 11,2 GHz ou 11,45 11,7 GHz pour la rception. Dans cette bande, lantenne doit possder un diamtre de 90 cm pour une rception correcte. Ce sont les antennes visibles sur nombre de toits ou balcons. </p><p>1.3.2 Quelques applications typiques Le dveloppement successif du tlphone, de la radiodiffusion, de la tlvision, des </p><p>ordinateurs, ont abouti un volume de donnes changes considrable et dont le transfert entre diffrents lieux seffectue par lintermdiaire dondes lectromagntiques guides dans des cbles ou des fibres, ou rayonnes dans lair par lintermdiaire dantennes. Pour tenter de satisfaire tous les utilisateurs, le spectre hertzien a t divis en diffrentes plages ou bandes de frquences attribues essentiellement pour les applications militaires, les tlcommunications civiles et la radionavigation. La rpartition des frquences est effectue par lUnion Internationale des </p></li><li><p>IUT 1 Grenoble Dt Gnie Electrique et Informatique Industrielle 2 Physique : phnomnes de propagation en radiofrquences </p><p>Philippe Ferrari - 6 - </p><p>Tlcommunications (UIT), organisme international dont le sige est Genve et qui dpend de lONU. Si llectronicien peut se permettre lutilisation de nimporte quelle frquence lorsquil travaille avec des circuits blinds, il devient rprhensible lorsquun lment de son circuit rayonne et savre susceptible de gner lenvironnement (problme de compatibilit lectromagntique CEM). Le spectre hertzien, comme on la vu, est ainsi divis par plages de largeur variable attribues des utilisations bien spcifiques, aucune plage jusquaux micro-ondes ntant laisse libre. LUIT remet priodiquement jour un recueil dutilisation du spectre hertzien dont le volume est semblable celui dun dictionnaire classique. Le Tableau 1 donne les applications principales par bandes de frquences. Nous donnons ci-dessous quelques applications et leur bande de frquence prcise. </p><p> 87 107 MHz : plage utilise en radiolectricit pour les missions en Modulation de Frquence (FM). </p><p> 54 216 MHz : transmission des canaux tlvision dits VHF par voie terrestre. 470 890 MHz : transmission des canaux tlvision dits UHF par voie terrestre. 890 960 MHz : Technologie GSM pour la tlphonie mobile. 1710 1880 MHz : Technologie DCS 1800 pour la tlphonie mobile. 2450 2500 MHz : fours micro-ondes et applications civiles (radar, ). 60 GHz : rseaux de transmission courte porte intra-muros. 77 GHz : rada...</p></li></ul>