Les caractéristiques. physiques

Transcription

1 Les caractéristiques radi-électriques Anne Claire LEPAGE Enseignant-Chercheur à Télécm ParisTech Caractéristiques des antennes Il existe 2 grandes familles de caractéristiques pur une antenne utilisée dans une liaisn spatiale : Les caractéristiques physiques Les caractéristiques radi-électriques Les caractéristiques physiques ses dimensins et sa masse snt tut particulièrement critiques à brd d un satellite ; ses prpriétés mécaniques : par exemple, pur une statin sl, sa résistance au vent ses prpriétés thermiques : les dimensins varient-elles lrs des variatins de température, surtut à brd du satellite ù l n peut cnstater des variatins entre -120 et +150 C suivant l éclairement u nn du sleil? Les caractéristiques radiélectriques vnt impacter les perfrmances de la liaisn spatiale : L impédance d entrée de l antenne Sn diagramme de raynnement et sn gain Sa plarisatin CNES / Le Daré Pascal, 1999 Antenne altimètre du satellite Jasn en essais dans le BCMA (Base Cmpacte de Mesure d'antenne)

2 Les Aller définitins plus lin Figure 1 : Les différentes puissances dans la chaîne d émissin 1- L impédance d entrée de l antenne Prenns une antenne fnctinnant en émissin : celle-ci est reliée à un générateur via une ligne de transmissin, qui peut être par exemple un câble caxial, un guide d nde, Quel est l bjectif d une antenne à l émissin? ð Raynner tut le signal envyé par le générateur avec le minimum de pertes de puissance! Pur cela, n dit s intéresser au cefficient de réflexin du signal lrsqu il arrive à l entrée de l antenne. Cnsidérns P i, la puissance émise par le générateur et qui est transprtée par la ligne de transmissin jusqu à l antenne. P r est la puissance réfléchie par l antenne à cause du phénmène de désadaptatin que nus abrdns plus lin : cette puissance est perdue. Il faut dnc qu elle sit minimale! Idéalement, P r est nulle : l antenne est alrs parfaitement adaptée à la ligne de transmissin. P ant est la puissance qui est injectée dans l antenne. Dnc P ant = P i - P r Attentin : P ant n est pas exactement la puissance qui est raynnée par l antenne! En effet, il peut y avir des pertes sur l antenne à cause des cnducteurs métalliques nn parfaits, etc. La puissance raynnée est dnc P ray P ant! Cmment calculer la puissance réfléchie P r? A l extrémité de la ligne de transmissin, l antenne est cnsidérée, pur le signal, cmme une impédance Z ant qui peut être cmplexe. D après la thérie des lignes de transmissin, le cefficient de réflexin Γ ant à l endrit ù se truve l impédance Z ant dépend de l impédance caractéristique Z c de la ligne de transmissin et s exprime cmme ainsi On peut dnc en déduire la puissance réfléchie par l antenne P r. NB : Γ ant peut être cmplexe. Cmment btenir une puissance réfléchie nulle? Lrsque l antenne a une impédance Z ant égale à l impédance caractéristique de la ligne de transmissin Z c, alrs Γ ant = 0! C est le cas idéal! La puissance réfléchie est nulle et la ttalité de la puissance du générateur est transmise à l antenne! Mais cmme Γ ant dépend de la fréquence du signal envyé par le générateur, n ne peut pas btenir la cnditin Γ ant = 0 sur tute la bande de fréquence du signal transmis mais n essaie de minimiser la réflexin en juant sur la gémétrie de l antenne u en insérant à l entrée de l antenne un circuit d adaptatin. Remarque : Γ ant peut être nté S 11.

3 Les angles (θ, φ) Figure 2 : Diagrammes de raynnement 3D (gain en db) et diagramme dans le plan yoz (gain en db) AC Lepage Le diagramme de raynnement Nus avns défini précédemment la puissance raynnée par l antenne P ray. Mais cmment cette puissance est-elle répartie dans l espace? Pur certaines antennes, par exemple, les antennes à réflecteur parablique, la puissance est cncentrée dans une certaine plage angulaire, plus u mins grande : ces antennes snt dites directives. On les truve sur les satellites mais aussi au sl. Elles nécessitent un pintage vers le destinataire de la liaisn. En revanche, les antennes mnidirectinnelles raynnent de la même façn dans un plan de l espace. Elles ne nécessitent pas de pintage particulier, et snt utilisées, par exemple, sur les terminaux de téléphnie mbile par satellites (u sur vtre smartphne). On décrit la répartitin de la puissance d une antenne dans l espace grâce au diagramme de raynnement. Quelle est la grandeur tracée sur un diagramme de raynnement? Ca dépend! En général, la directivité u le gain! Définissns d abrd la directivité. La gémétrie d une antenne est généralement définie à l aide des crdnnées cartésiennes (x, y, z). Pur décrire sn diagramme de raynnement, n utilise plutôt les angles des crdnnées sphériques (θ, φ) cmme le mntre la figure de gauche. θ est repéré par rapprt à l axe Oz et φ se truve dans le plan xoy et est repéré par rapprt à l axe Ox. Diagrammes 3D et 2D On peut tracer le diagramme de raynnement en 3 dimensins afin de visualiser la directin dans laquelle l antenne va raynner le plus de puissance (dans ntre exemple, il s agit de l axe Oz). On peut également représenter des plans de cupe en 2D (ici, le plan yoz).

4 La directivité d une antenne dans la directin (θ, φ) est le rapprt entre la densité de puissance surfacique U(r, θ, φ) raynnée par l antenne dans cette directin à la distance r et la densité de puissance qui serait raynnée par une antenne istrpe raynnant la même puissance ttale P ant. U(r, θ, ϕ) U(r, θ, ϕ) D( θ, ϕ) = = 2 Uis (r) Pant / 4π r La directivité n a pas d unité. En général, n l exprime en décibels : D(θ, φ) db = 20 lg D(θ, φ) NB: si la directivité est supérieure à 1 (u 0 db) dans certaines directins, c est-à-dire qu elle raynne plus que l antenne istrpe, elle est nécessairement inférieure à 1 dans d autres directins, puisque la puissance ttale raynnée est la même pur ces deux antennes. Quelle est la différence entre directivité et gain? Le gain G(θ, φ) dans la directin (θ, φ) est une grandeur prche de la directivité. Il est défini cmme : G(θ, φ) = η D(θ, φ) η est l efficacité de l antenne : c est un chiffre cmpris entre 0 et 1 qui reflète les pertes présentes sur l antenne (c est la différence entre P ant et P ray vue au chapitre 1 : P ray = η P ant ). Plus η est prche de 1, plus la puissance injectée dans l antenne est raynnée, dnc plus l antenne est efficace! Pur une antenne parablique, une valeur typique est η = Finalement, quels snt les paramètres imprtants pur le raynnement? - la valeur du gain maximum : c est cette valeur que vus avez utilisée dans le bilan de liaisn en semaine 4. - l uverture à 3 db, θ 3dB, u uverture à mipuissance : c est la plage angulaire définie sur un diagramme en 2D dans laquelle le gain (u la directivité) vaut G db G max, db 3 (u G = G max /2 si n ne travaille pas en db). En général, plus θ 3dB est faible, plus le gain maximal est imprtant, mais plus le pintage devrait faire appel à des techniques élabrées! - Le niveau des lbes secndaires Plus le gain des lbes secndaires est imprtant, plus l antenne envie de la puissance dans des directins indésirables, par exemple vers le satellite visin de celui qui est visé : cela pse des prblèmes d interférences qui snt une préccupatin majeure des pérateurs de flttes de satellites. Le niveau des lbes secndaires est dnc très critique pur les statins sl! Applicatin immédiate : D après la figure 2 : - Le gain maximum est G max, db = 14.1 db - L uverture à 3 db est θ 3dB = 33 - Le niveau du 1 er lbe secndaire est de 0.3 db. Il y a dnc un écart de 13.8 db entre le gain maximum et le gain du 1 er lbe secndaire. Les définitins La densité surfacique de puissance La densité surfacique de puissance U(r, θ, φ) est la puissance raynnée par unité de surface (exprimée en W/m²) dans la directin (θ, φ) et à la distance r de l antenne. L antenne istrpe Une antenne istrpe raynne de la même façn dans tutes les directins de l espace! Il n est pas pssible de cncevir une telle antenne mais celleci sert de référence. Sa densité surfacique de puissance U is (r) ne dépend alrs que de r et de la puissance ttale raynnée P ant définie dans le chapitre 1 : U is (r) = P ant /(4πr²) en suppsant qu il n y ait pas de pertes sur l antenne istrpe (P is, ant = P is, ray ).

5 Aller plus lin La plarisatin des signaux utilisés dans une liaisn spatiale La plupart des signaux utilisés dans une liaisn spatiale nt une plarisatin circulaire. Figure 3 : Plarisatin rectiligne u linéaire et plarisatin circulaire X. Begaud Une antenne émet une nde électrmagnétique qui est décrite par 3 vecteurs : - k, le vecteur d nde qui est clinéaire à la directin de prpagatin - E, le vecteur champ électrique - H, le vecteur champ magnétique La plarisatin d une antenne est en fait la plarisatin de l nde émise par celle-ci. On la définit en s intéressant à la façn dnt se prpage le vecteur E. Plarisatin rectiligne u linéaire : La plarisatin de l nde est dite rectiligne u linéaire lrsque le champ électrique E se prpage en maintenant une directin cnstante dans le temps 3- La plarisatin Plarisatin circulaire : La plarisatin de l nde est dite circulaire lrsque le champ électrique E décrit une hélice à sectin drite circulaire au curs du temps. Si n prjette l extrémité de E sur un plan rthgnal (cf Figure 3), n btient un cercle. Ce cercle peut être décrit en fnctin du temps dans un sens u dans l autre : n parle alrs de plarisatin circulaire drite u gauche. Plarisatin elliptique : Dans ce cas, l extrémité du vecteur E décrit une ellipse lrsque de sa prjectin dans un plan rthgnal à la prpagatin. Cmme pur la plarisatin circulaire, n distingue la plarisatin elliptique drite et gauche. En effet, la traversée de l atmsphère (insphère, nuages de glace et cuches de pluie), peut induire une rtatin de plarisatin d un angle α. Pur une plarisatin circulaire, cette rtatin n aura pas d effet. En revanche, pur une plarisatin rectiligne, la directin du champ E turne de l angle α. Au niveau de l antenne de réceptin, la puissance du signal injecté dans l antenne sera alrs plus faible qu attendue, vire nulle si α = 90. Les signaux à plarisatin linéaire pur une liaisn spatiale snt uniquement utilisés en bande Ku (bande des signaux de diffusin TV) car les effets de l atmsphère snt limités et peuvent être cmpensés à ces fréquences (entre 10 et 15 GHz envirn).