IUT de Grenoble - RT TpAntenne13.doc - 1 01/02/13

RESEAUX & TELECOMMUNICATIONS RT2A TP3c Antenne

Module TRC3

2012-13

1 Présentation

L’objectif modeste de ce TP est de mettre en évidence les principaux éléments qui caractérisent une antenne. Une antenne est un dispositif rayonnant qui permet la transmission d’un signal dans un milieu ouvert entre au moins deux dispositifs. Chaque dispositif étant équipé d’une antenne (différente ou non). Le choix de l’antenne dépend de l’application choisie et de la zone de couverture désirée(zone de l’espace où le signal doit être capté). Les principales caractéristiques des antennes sont : - le gain, la répartition spatiale de l’énergie rayonnée (diagramme de rayonnement) et l’angle d’ouverture

à –3 dB - la polarisation - le TOS et la bande passante de l’antenne (vu dans le TP avec l’analyseur vectoriel). La présente étude portera sur des antennes de type cornet montée sur des banc hyperfréquence. Le matériel utilisé étant d’un prix exorbitant le plus grand soin sera demandé.

2 Rappels et compléments théoriques

2.1 Gain d’une antenne La puissance PR reçue à une distance R grande devant les dimensions des antennes et de la longueur d’onde est donnée par la relation :

( )Pe

R

GeGr2

20

4

..Pr

πλ

=

Ge et Gr représentent respectivement les gains de l’antenne d’émission et de l’antenne de réception, λ0 la longueur d’onde dans le vide et PE la puissance d’émission.

2.2 Polarisation d’une onde L’onde en sortie du cornet est polarisée de manière rectiligne c’est à dire que le champ E pointe toujours dans la même direction. Il existe certains types d’antennes où cette polarisation peut être circulaire ou elliptique ceci se traduisant par une rotation spatiale de E. Dans le cas d’une polarisation rectiligne et si le cornet tourne autour de son axe longitudinal d’un angle α, alors on a la relation suivante

α2CosPP ROR ×=

IUT de Grenoble - RT TpAntenne13.doc - 2 01/02/13

2.3 Diagramme de rayonnement C’est une représentation de la répartition des champs ou de la puissance dans les différentes directions de l’espace. Il est normalement constitué de deux diagrammes correspondant à la répartition du champ E et du champ H. Exemple : représentation en coordonnées polaires

2.4 Zones de champs La loi de rayonnement en 1/R2 dépend de la distance entre les antennes d’émission et de réception. Pour que cette loi soit vérifiée il faut une distance minimale de 2d2/λ0 où d représente la plus grande dimension des antennes. Cette condition vérifiée on dit que l’on est en champ lointain.

3 Préparation

3.1 Gain d’une antennne Déterminer en dB le gain d’une antenne en fonction des puissances, de la distance et de la longueur d’onde (on suppose que les antennes d’émission et de réception sont identiques et donc ont le même gain). Application numérique : F = 8 GHz R = 0,50 m PE = 12 dBm PR = - 4 dBm

3.2 Limite du champ lointain Les dimensions de l’antenne cornet étant de 7,5*6,5cm, déterminer pour une fréquence comprise entre 9 et 10GHz la distance minimum pour positionner les antennes en champ lointain.

IUT de Grenoble - RT TpAntenne13.doc - 3 01/02/13

4 Mesures

Le matériel utilisé dans cette manipulation est relativement fragile surtout les micromètres qui ne devront en aucun cas être forcés. Il sera aussi nécessaire de prendre le plus grand soin de l’analyseur de spectre (attention à une chute) ainsi qu’à la connectique.

4.1 Réglage du signal d’émission. On utilise un analyseur de spectre BK précision pour effectuer la mesure de puissance. Dans un premier temps, l’analyseur est connecté sur le guide par l’intermédiaire d’une transition guide coaxiale pour mesurer la puissance d’émission PE.

Procéder aux réglages suivants : SAVE-LOAD : PRESET (pour réinitialiser l'analyseur) SPAN : Full RBW : auto (� 3M) VBW : auto (� 30K) SWEEP : AUTO (� 0,3s – POS) SCALE : 10dB/d REFER : 0dBm RS232C /TRACE : CURR /BAUD : 19200 Observer la raie la plus à droite. Pointer-la avec le marqueur (MKR /peak). Noter sa fréquence, (elle doit-être supérieure à 8 GHz) et sa puissance (elle doit-être autour de –10 dBm ). Demander l'aide d'un enseignant si nécessaire. • Donner la valeur de la puissance d’émission PE

et de sa fréquence F (elle doit être entre 7 et 9 GHz). En déduire la longueur d'onde λ en espace libre.

Pour faire une copie d'écran il faut utiliser l'application AK2650 et suivre la procédure suivante :

Sur l’analyseur : - RS232C / TRACE : CURR - RS232C / BAUD : 19200

S'assurer que l'analyseur BK2658 soit bien connecté, par liaison série, au PC – Par exemple COM1 Sur le PC : - Lancer l'application par Démarrer / RT-Telecom/ AK 2650 - S'il y a une demande, choisir de lancer l'application en tant qu'utilisateur "normal" - Renseigner sur le type d'appareil dans Option/ Setup / Model : 2658 - Renseigner sur le port série dans Option/ Setup /ComPort : en général COM 1 - Renseigner sur le débit de la liaison série : Option/ Setup / Baud rate : 19200 Pour faire la copie d'écran : - File / HardCopy • Faire une copie d'écran de la puissance d'émission après avoir marqué la raie choisie.

IUT de Grenoble - RT TpAntenne13.doc - 4 01/02/13

4.2 Mesure du gain d’un cornet On démonte ensuite la transition et on positionne les 2 antennes cornets identiques en émission et en réception. Installer l’analyseur en réception et à l’aide du marqueur, vérifier que la fréquence de fonctionnement est toujours FE (elle doit être entre 7 et 9 GHz) mais que la puissance PR est plus faible que la puissance d’émission PE

Effectuer la manipulation pour des distances de 0,25m, 0,5m et 1m avec les 2 cornets.

• A l’aide d’Excel, remplir un tableau de ce type :

R en m F en GHz

(à rappeler) λλλλ en m Pe en dBm (à rappeler) Pr en dBm G en dB

0,25 0,5

1

• Faire une copie d'écran de la puissance reçue pour R = 1m. • Calculer le gain GdB des 2 antennes en calculant la moyenne des 3 gains ainsi trouvés.

4.3 Mesure du gain de la parabole Recommencer la manipulation avec la parabole en réception pour des distances de 0,5m, 1m et 2m Prendre par défaut le gain du cornet d’émission GE = +15dB

• A l’aide d’Excel, remplir un tableau de ce type :

R en m F en GHz

(à rappeler) λλλλ en m Pe en dBm (à rappeler) Pr en dBm GE en dB G R en dB

0,5 15 1 15 2 15

• Faire une copie d'écran de la puissance reçue pour R = 1m. • Calculer le gain GR de la parabole en calculant la moyenne des 3 gains ainsi trouvés. • Tracer le rapport Pr/Pe(dB) en fonction de R (en échelle logarithmique). • Déterminer une relation simple quand on double la distance.

IUT de Grenoble - RT TpAntenne13.doc - 5 01/02/13

4.4 Diagramme de Polarisation Positionner de nouveau les antennes cornet identiques en émission et réception. Ecarter-les de R = 50 cm.

• Mesurer alors la puissance reçue PRO. • Faire une copie d'écran de la puissance PRO.

Faire pivoter l’antenne sur son axe longitudinal (Cf figure ci-contre), entre 0 et 80°. Vérifier que la puissance PR est de plus en plus faible par rapport à PRO (dans l’axe soit α = 0°) lorsque l’angle α augmente. Nous allons mesurer l’influence de l’angle α sur la puissance reçue PR ou plutôt sur la perte de puissance (PR/PR0)dB = PRdBm - PROdBm

Mesurer entre 0° et 80° (inutile au-delà car on mesure des réflexions parasites), la puissance reçue PR . Entrer ces mesures dans le tableau Excel « rayonnement.xls / feuille polarisation » mis à votre disposition sur l’intranet (Rubrique TP). Calculer pour chaque valeur de l’angle α le rapport en dB de PR par rapport à la puissance PRO dans l’axe. • Faire une copie d'écran de la puissance reçue pour 15°. • Insérer le tableau dans votre compte-rendu

Le diagramme de polarisation doit se dessiner dans le graphique • Insérer le graphe de polarisation PR/PR0, en coordonnées polaires, illustrant ce tableau

Remplir la colonne cos2α en calculant (en dB) cette valeur en fonction de α. Attention le paramètre de la fonction COS d'Excel doit être en radians. • Insérer le tableau complet entre 0° et 80° dans votre compte-rendu. • Insérer les 2 graphes, en coordonnées polaires, illustrant ce tableau

Vérifier la dépendance en cos2α .

IUT de Grenoble - RT TpAntenne13.doc - 6 01/02/13

4.5 Diagramme de rayonnement

4.5.1 Diagramme de rayonnement de l’antenne CORNET Monter le joint tournant et positionner les antennes à 50 cm.

• Mesurer alors la puissance reçue PRO. • Faire une copie d'écran de la puissance PRO.

Faire tourner l’antenne entre 0° et 80° côté opposé au mur (sinon il y a des réflexions parasites) en mesurant le rapport Pr/Pro (en dB). Pro représente la puissance quand les antennes sont alignées. Vérifier que la puissance PR est de plus en plus faible par rapport à PRO (alignement soit α = 0°) lorsque l’angle α augmente. Nous allons mesurer l’influence de l’angle α sur la puissance reçue PR ou plutôt sur la perte de puissance : (PR/PR0)dB = PRdBm - PROdBm

Mesurer entre 0° et 80°, la puissance reçue PR . Entrer ces mesures dans le tableau Excel « rayonnement.xls / feuille rayonnement » mis à votre disposition sur l’intranet (Rubrique TP). Calculer pour chaque valeur de l’angle α le rapport en dB de PR par rapport à la puissance PRO dans l’alignement.

• Faire une copie d'écran de la puissance reçue pour 15°. • Insérer le tableau dans votre compte-rendu

Le diagramme de rayonnement doit se dessiner dans le graphique

• Insérer le graphe de rayonnement PR/PR0, en coordonnées polaires, illustrant ce tableau • Déterminer le ½ angle d’ouverture à –3 dB en tournant l'antenne jusqu'à ce que la puissance PR

soit 3dB au dessous de la puissance PRO. Quelle est alors la valeur de PR ? Quel est la valeur du ½ angle d’ouverture à –3 dB

4.5.2 Diagramme de rayonnement de l’antenne PARABOLE Effectuer le même travail pour la parabole en réception après avoir écarté les 2 antennes de 1m. • Mesurer alors la puissance reçue PRO. • Faire une copie d'écran de la puissance PRO. • Faire une copie d'écran de la puissance reçue pour α = 15°. • Insérer le tableau de mesures entre 0° et 80° dans votre compte-rendu • Insérer le graphe de rayonnement PR/PR0, en coordonnées polaires, illustrant ce tableau • Déterminer le ½ angle d’ouverture à –3 dB en tournant l'antenne jusqu'à ce que la puissance PR

soit 3dB au dessous de la puissance PRO. Quelle est alors la valeur de PR ? Quel est la valeur du ½ angle d’ouverture à –3 dB

• Que peut-on dire du lien entre gain de l’antenne et angle d’ouverture ?

IUT de Grenoble - RT TpAntenne13.doc - 7 01/02/13

4.6 Méthode des 3 antennes On utilise 3 antennes différentes notées A1, A2 et A3. On effectue, pour les 3 couples d’antennes différents, la mesure du rapport Pr/Pe. La mesure est effectuée à une distance de 1m. A1 cornet A2 parabole A3 fente du guide d’onde (pas d’accessoire en sortie) • Faire une copie d'écran de la puissance de réception en marquant la raie choisie pour A1-A2 • Faire une copie d'écran de la puissance de réception en marquant la raie choisie pour A3-A2 • Faire une copie d'écran de la puissance de réception en marquant la raie choisie pour A3-A1 • Remplir ce tableau

couple Pe Pr Pr/Pe(dB)

A1 A2

Cornet en Emission Parabole en Rec.

A3 A2

Fente en Emission Parabole en Rec.

A3 A1

Fente en Emission Cornet en Rec.

On rappelle que Gi(dB) + Gj(dB)= (Pr/Pe )i,j(dB) + 20Log(4πR /λ). On notera K la valeur 20Log(4πR /λ). • Rappeler la valeur de F . Calculer K • Déterminer G1, G2 et G3 en fonction des (Pr/Pe )i,j(dB) et de K. • Calculer les trois gains en dB.