Tp03 Propagation Et Rayonnement Radio

TP03TP03 : Propagation et Rayonnement radio: Propagation et Rayonnement radio 3BTEL043BTEL04

SOMMAIRE

I. Etude d’une antenne PATCH en bande L 21. Description de l’antenne Patch 2

a. Antenne 2b. Fonctionnement en Bande L. 3

2. Mesure de la bande de fonctionnement de l’antenne et de la puissance émise par l’antenne 3

a. Mesure de la puissance. 3b. Bande de fréquence d’utilisation de l’antenne. 5

3. Etude de la transmission entre 2 antennes Patch 5a. Calcul de la zone de Fraunhofer 5b. Synoptique du banc de mesure utilisé 6

4. Diagramme de rayonnement de l’antenne Patch 8

II. Etude de l’effet Doppler 105. Synoptique du banc de test 106. Fonctionnement du banc de test 107. Calcul de la vitesse maximale du mobile 138. Calcul théorique 13

ANNEXE 151. Code Matlab pour le tracé du diagramme de rayonnement dans le plan horizontal 152. Code Matlab pour le tracé du diagramme de rayonnement dans le plan vertical 16

De Oliveira JoséDe Oliveira JoséDe Villardi de Montlaur SébastienDe Villardi de Montlaur Sébastien PagePage 1/18Emiliyanov GrigoriyEmiliyanov Grigoriy


I. Etude d’une antenne PATCH en bande L

1. Description de l’antenne Patch

a. Antenne

Une antenne à éléments rayonnants imprimés, communément appelée antenne patch est une ligne microbande de forme particulière. Elle se compose d’un plan de masse et d’un substrat diélectrique dont la surface porte un ou plusieurs éléments métalliques (figure 1).

L’antenne que nous utilisons dans notre TP est une antenne patch de dimensions 75mm*60mm, composée d’un substrat en verre-téflon et d’un élément rayonnant en cuivre ainsi que d’un plan de masse.

Remarque :

Le mécanisme de rayonnement d’une antenne patch rectangulaire se comprend aisément à partir de sa forme géométrique. Lorsque vous excitez la ligne d’alimentation avec une source RF, une onde électromagnétique va se propager sur cette ligne puis va rencontrer l’élément rayonnant (de largeur plus grande que la ligne, donc plus apte à rayonner..). Une distribution de charge va s’établir à l’interface Substrat / Plan de masse, sur et sous l’élément rayonnant.


Substrat diélectrique( verre-téflon )

Elément rayonnant( cuivre )

Figure 1 : Antenne à élément imprimé


Avantages et inconvénients d’une antenne PATCH :

Inconvénients Avantages

Bande passante étroite, souvent associée avec les problèmes de tolérances (géométriques et physiques)

Faible poids, encombrement réduit, configurations conformes possibles

Généralement faible gain ( 6 dB) Faible coût de fabrication, production en masse possible

La plupart des antennes rayonnent uniquement dans le demi-plan

Polarisation linéaire et circulaire pour les télécommunications

Supportent uniquement des faibles puissances ( 100 W)

Antennes multibandes, multipolarisations possibles

Pertes de rayonnement par ondes de surfaces Compatibilité avec les circuits hybrides et MMIC

Réseaux d’alimentation et d’adaptation fabriqués simultanément avec l’antenne

b. Fonctionnement en Bande L.

La bande de fréquence que l’on utilise est la bande L qui correspond à une plage de fréquences de 0.39GHz jusqu’à 1.55GHz.

Les longueurs d’onde correspondant à ces valeurs limites sont les suivantes : λ1 = 76.9 cm et λ1 = 19.6 cm.

2. Mesure de la bande de fonctionnement de l’antenne et de la puissance émise par l’antenne

a. Mesure de la puissance.

On ajuste la puissance du générateur de manière à avoir 13 dBm. On effectue ensuite la mesure de la puissance réfléchie en entrée de l’antenne suivant le montage ci-dessous :



Le signal de réflexion obtenue en fonction de la fréquence est présenté sur la figure suivante :

Nous voyons que la puissance réfléchie est minimale autour de 1.464 GHz. C’est pour cette raison que nous allons nous intéresser à cette région de fréquence. La figure suivante est un zoom sur cette plage.


Analyseur de spectre

ANTENNE


Tenant compte des 20 dB de perte du coupleur, les mesures de la puissance réelle sont les suivantes :

f, GHz 1.4 1.42 1.447 1.455 1.4635 1.471 1.485 1.5Préfl, dBm 11.6 10 10 7 0.27 7 10 10

b. Bande de fréquence d’utilisation de l’antenne.

D’après les résultats établis précédemment, nous concluons que l’antenne est utilisable dans la bande [1.455 GHz ; 1.471 GHz]. Le coefficient de réflexion ρ est minimale (-12.73 dB ou 0.23) pour une fréquence f0=1.4635 GHz. La puissance réelle transmise est de :

= 12.76 dBm

A la frequence f1=1.4 GHz le coefficient de réflexion est de -1.4dB ou 0.85 et la puissance réelle transmise et de 7.4 dBm.

Alors, nous pouvons conclure que l’adaptation de l’antenne est optimale pour une fréquence de 1.4635 GHz et le coefficient de réflexion est de – 12.73 dB ou 23 %.



3. Etude de la transmission entre 2 antennes Patch

La relation fondamentale à utiliser est l’équation du bilan d’une liaison Emission Réception entre deux aériens :

Avec :G : Gain en puissance de l’antenne

: Longueur d’onde D : Distance entre les deux antennesLes mesures permettent de déterminer l'affaiblissement dû à la propagation en espace libre.

Pour réaliser les mesures nous nous placerons au delà de la zone de Fraunhofer.

a. Calcul de la zone de Fraunhofer

La zone de Fraunhofer est la région qui s’étend depuis la zone de 2L²/ (L est la plus grande dimension de l’antenne) jusqu’à l’infini. Il est licite de considérer la propagation de l’onde comme celle d’une onde sphérique issue d’un point. Les champs et les intensités suivent respectivement des variations en 1/R et 1/R2, que multiplie une fonction des angles θ et φ, invariante avec R. C’est seulement dans cette région que les notions de diagramme et de directivité, et donc de gain, peuvent être utilisées sans faire référence à la distance de l’antenne.

C’est donc aussi à partir de cette distance que seront utilisées les principales approximations permettant le calcul du champ rayonné, c’est aussi la distance à laquelle on pourra mesurer les caractéristiques de l’antenne à l’infini.

Distance de Fraunhofer :

Avec L : dimension maximale de l’antenneL=7,5 cm

Pour calculer la distance de Fraunhofer on se placera à la fréquence f0=1.4635GHz.



b. Synoptique du banc de mesure utilisé

On considère que les deux antennes Patch sont identiques. Le banc de mesure permettant de mesurer le gain de l’antenne est le suivant :

Nous observons la puissance de réception Pr sur l’analyseur de spectre, la puissance d’émission Pe étant réglée sur le Marconi à 13 dBm.Pour la courbe suivante on place les antennes à 1m l’une de l’autre.


Générateur Marconi

Antenne 2

D

Antenne 1 Analyseur de spectre

Puissance reçue par l’antenne de réception pour une distance de 0.75m

Puissance reçue par l’antenne de réception pour une distance de 1m


Conclusions : On constate que l’antenne de réception reçoit un maximum de puissance pour la fréquence correspondant au minimum de puissance réfléchie par l’antenne d’émission. Ce résultat n’est pas surprenant puisque l’on a considéré que les antennes étaient parfaitement identiques.En effet l’antenne de réception réfléchissant le moins à cette fréquence cela revient à dire qu’elle recevra un maximum de puissance (conservation de l’énergie).On a donc :

Puisque l’on a considéré les antennes identiques on en déduit la relation suivante :

Avec :PR : puissance reçue par l’antenne de réceptionPG : puissance délivrée par le générateurD : distance entre les deux antennes

Le tableau suivant représente les résultats ainsi obtenus :D (m) 0.75 1 1.25

Pr (dBm) -15.51 -16.7 -21.4G (dB) 2.3 3 1.6

Conclusions :


F2=F0= 1,4635 GHz

Puissance reçue par l’antenne de réception pour une distance de 1,25m


On constate que quelques soit la distance à laquelle se trouve les antennes l’une de l’autre les gain relevés restent à peu près constant. En effet lorsque les antennes sont près la puissance à la réception est élevée mais la distance est faible. A contrario lorsque les antennes sont éloignées la puissance reçue est faible mais la distance est élevée.

Ainsi on remarque que la distance compense la perte de puissance due à l’éloignement des antennes pour donner un gain d’antenne d’environ 3dB ce qui est typique de ce type d’antennes.

4. Diagramme de rayonnement de l’antenne Patch

Nous constatons sur le diagramme de rayonnement ci-dessus qu’il y a des lobes secondaires pour une ouverture d’environ 30°. Les appareils de mesures ainsi que le type d’antenne que l’on utilise ne nous permet pas de les distinguer parfaitement. En effet on ne visualise pas le retour à zéro du lobe principal.



Lorsque l’on dispose les antennes verticalement on constate que le maximum de puissance rayonnée n’est pas obtenue dans l’axe mais pour une ouverture de 10°.



II. Etude de l’effet Doppler

5. Synoptique du banc de test

Un autre synoptique était cependant possible :Au lieu d’utiliser un détecteur d’enveloppe on aurait pu utiliser un coupleur 3dB afin de réaliser la transposition adéquat pour se ramener en bande de base.

6. Fonctionnement du banc de test

Un découpleur est placé entre le générateur et l’antenne pour récupérer les puissances réfléchies par l’antenne et le mobile en mouvement.

Le mobile (cylindre métallique) réfléchit l’onde incidente. Une onde réfléchie vient ainsi se superposer à l’onde incidente. De plus le mobile est en mouvement, l’onde réfléchie n’a pas la même fréquence que l’onde émise.

En sortie du découpleur nous avons la superposition de l’onde incidente et de l’onde réfléchie. Ce sont des signaux situés en hyperfréquences.


Générateur

Détecteur d’enveloppe

Découpleur Antenne

Oscilloscope

Générateur

50Ω Coupleur3dB

Oscilloscope

Découpleur Antenne


Le détecteur d’enveloppe permet de ramener en bande de base la superposition de l’onde incidente et de l’onde réfléchie pour pouvoir les visualiser sur l’oscilloscope.

A la sortie du découpleur, on récupère deux composantes :

Une sinusoïde en à la fréquence d’adaptation de l’antenne (1,4635GHz),

qui est le signal fournit par le générateur.

Une sinusoïde en , qui correspond au décalage introduit par le

mobile en mouvement.

En sortie du détecteur d’enveloppe, on récupère une composante continue et un signal dont la fréquence est accélérée ou ralentie par le mobile en mouvement, c’est la fréquence Doppler

.

Lorsque le mobile est à un ‘sommet’, sa vitesse est nulle donc la fréquence de l’onde réfléchie est identique à celle de l’onde incidente => la fréquence observée à l’oscilloscope est nulle. De Oliveira JoséDe Oliveira JoséDe Villardi de Montlaur SébastienDe Villardi de Montlaur Sébastien PagePage 12/18Emiliyanov GrigoriyEmiliyanov Grigoriy

temps

tension Amplitude et fréquence max.

Amplitude et fréquence min.

Horizontale

Vitesse nulle et SER min.

Vitesse max et SER max.

positiondu mobile

Vitesse nulle et SER min.

Amplitude et fréquence min.


De plus la surface présentée par le mobile (SER) est minimum, ce qui se traduit par une amplitude faible à l’oscilloscope.Lorsque le mobile est à la verticale, sa vitesse est maximale et sa SER est maximale. D’où une fréquence élevée et une forte amplitude visualisées à l’oscillo.Ces deux cas extrêmes étant expliqués, on comprend alors l’allure de la tension relevée par l’oscilloscope.

Le problème d’amplitude provient de la SER car le mobile est un cylindre qui est présenté à l’antenne de façon verticale comme on peut le voir sur le schéma ci-dessus. D’après les diagrammes de rayonnement que nous avons obtenu dans la première partie nous pouvons prévoir que si le cylindre était présenté à l’antenne de façon horizontale on n’aurait pas de variation d’amplitude au cours du temps puisque lors de son mouvement le mobile présenterait toujours la même SER comme on peut le voir ci-dessous.


Horizontale

Vitesse nulle

Vitesse max

positiondu mobile

Vitesse nulle

Visualisation temporelle de la fréquence Doppler pour une position du mobile horizontale


7. Calcul de la vitesse maximale du mobile

La fréquence la plus élevée correspond au moment où la vitesse du mobile est le plus grande.Nous mesurons la période la plus faible à l’aide des curseurs, nous trouvons : T = 100 ms.

La fréquence Doppler lorsque la vitesse du mobile est maximale est de 10Hz.Or on peut déterminer la vitesse maximale du mobile à partir de la relation suivante :

Avec :c = 3.108 m.s-1

F0 = 1,4635 GHzFd = Fmax = 10 Hz (fréquence Doppler)

D’où :

8. Calcul théorique

Vérifions maintenant le résultat obtenu, à l’aide d’un calcul théorique simple utilisant les lois fondamentales de la physique.

mv2+mgΔz=constante=Em (énergie mécanique)

Cette relation se caractérise par le fait que lorsque l’énergie potentielle est maximale la vitesse du mobile est minimale. De même lorsque l’énergie cinétique du mobile est maximale (vitesse maximale car on a un corps de masse constante) l’énergie potentielle est minimale.

Nos relevés on été réalisés pour un angle de laché de 45°.

Le principe de conservation de l’énergie mécanique appliqué au mobile donne :


Ecinétique+Epotentielle=constante

θ=45°l=17 cm

m=1Kg


avec l : longueur du fil en considérant le mobile comme un corps ponctuel de masse 1Kg : angle du lâchéPour obtenir la relation du dessus on a considéré la position où le mobile est à hauteur maximale (vitesse nulle) et quand le mobile a une vitesse maximale (hauteur minimale).

Ce qui donne avec l = 17cm et = 45° :

Ce résultat est en accord avec la vitesse trouvée en pratique.


vmax = 0,988 m/s


ANNEXE

1. Code Matlab pour le tracé du diagramme de rayonnement dans le plan horizontal

%Definition de l'angle en degrésTHETA=0:5:180;

%InitialisationR=ones(1,37);P=ones(1,37);

%Conversion en radianTHETA=(THETA-90).*(pi/180);

%Puissances relevées pour différentes valeurs anglesR(1,1)=-15.6;R(1,2)=-15.8;R(1,3)=-16;R(1,4)=-16.3;R(1,5)=-16.7;R(1,6)=-17.3;R(1,7)=-18;R(1,8)=-18.2;R(1,9)=-19.3;R(1,10)=-19.9;R(1,11)=-20.5;R(1,12)=-21.5;R(1,13)=-22;R(1,14)=-22.3;R(1,15)=-23.1;R(1,16)=-23.6;R(1,17)=-24.3;R(1,18)=-25.3;R(1,19)=-25.8;

%Les valeurs ont été entrées dans l'ordre inversefor h=1:19 P(1,20-h)=R(1,h);end

%Symétrie par rapport à l'axe des 0°k=1;for i=20:37 P(1,i)=P(1,(19-k)); k=k+1;endDe Oliveira JoséDe Oliveira JoséDe Villardi de Montlaur SébastienDe Villardi de Montlaur Sébastien PagePage 16/18Emiliyanov GrigoriyEmiliyanov Grigoriy


%Conversion en linéairefor j=1:37 P(1,j)=10^(P(1,j)/10)end

%Tracé du graphiquepolar(THETA,P);title('Diagramme de rayonnement sur le plan horizontal');

2. Code Matlab pour le tracé du diagramme de rayonnement dans le plan vertical

%Definition de l'angle en degrésTHETA=0:5:180;

%InitialisationR=ones(1,37);P=ones(1,37);

%Conversion en radianTHETA=(THETA-90).*(pi/180);

%Puissances relevées pour différentes valeurs anglesR(1,1)=-17.8;R(1,2)=-17.6;R(1,3)=-17.5;R(1,4)=-17.8;R(1,5)=-18.3;R(1,6)=-18.9;R(1,7)=-19.4;R(1,8)=-20;R(1,9)=-20.5;R(1,10)=-21.5;R(1,11)=-22.2;R(1,12)=-22.7;R(1,13)=-23.2;R(1,14)=-24;R(1,15)=-25;R(1,16)=-25.3;R(1,17)=-25.8;R(1,18)=-28;R(1,19)=-30;

%Les valeurs ont été entrées dans l'ordre inversefor h=1:19De Oliveira JoséDe Oliveira JoséDe Villardi de Montlaur SébastienDe Villardi de Montlaur Sébastien PagePage 17/18Emiliyanov GrigoriyEmiliyanov Grigoriy


P(1,20-h)=R(1,h);end

%Symétrie par rapport à l'axe des 0°k=1;for i=20:37 P(1,i)=P(1,(19-k)); k=k+1;end

%Conversion en linéairefor j=1:37 P(1,j)=10^(P(1,j)/10)end

%Tracé du graphiquepolar(THETA,P);title('Diagramme de rayonnement sur le plan vertical');


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