Antennes et Propagation radio

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1 Antennes et Propagation radio GEL-4202/GEL-7019 Dominic Grenier Département de génie électrique et de génie informatique Université Laval Québec, Canada G1V 0A6 Hiver 2015 c DG-Antennes, 1996,2002,2006,2007,2009,2012 c DG-Propagation, 1997,2002,2007,2011

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3 NOTES : Les unités lorsque différentes des unités SI courantes ( m, kg, W, V, A,...) ou lorsque ambiguïtés possibles, seront indiquées entre crochets [ ]. Les vecteurs sont identifiés par l identificateur en caractère gras (e.g. E). Les composantes d un vecteur sont spécifiées par l entremise de leur coordonnée mise en indice inférieur (e.g. E x ou E θ ). Les phaseurs et les quantités complexes qui en découlent, avec un module et une phase, sont plutôt représentés par leur identificateur surmonté d une barre (e.g. Ē ou Ēθ ou Z a ). Ainsi, les vecteurs-phaseurs sont identifiés par l identificateur en caractère gras surmonté d une barre (e.g. Ē). Finalement, les modules d un phaseur (en valeur crête pour les antennes et en valeur efficace pour la propagation) ou d une quantité complexe, ainsi que les scalaires, sont identifiés par leur identificateur régulier (e.g. E ou E θ ou Z a ou h). Ce document a été produit par L A TEX.

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5 Table des matières 1 Antennes, Introduction Paramètres d antenne Introduction Impédance Résistance de rayonnement Circuit avec antenne Efficacité de rayonnement Intensité de rayonnement Diagramme de rayonnement Angle solide du faisceau Directivité et gain Figure de mérite Ouverture ou longueur effective Ouverture vs directivité Électromagnétisme du rayonnement Introduction Équation du rayonnement Potentiel vecteur retardé Fonction de Green Base la la fonction de Green Application à l équation du rayonnement Équation de Poisson modifiée Région des champs des antennes Champs lointains Intensité de rayonnement Dualité électromagnétique Principe de la dualité Potentiel vecteur électrique Intensité de rayonnement magnétique Réciprocité Théorème de réciprocité de Lorentz Réciprocité en électromagnétisme

6 vi TABLE DES MATIÈRES Réciprocité pour antennes Réciprocité pour canal de transmission Antennes élémentaires Dipôle élémentaire Potentiel vecteur Distribution des champs Champs lointains Paramètres Surface élémentaire Champs lointains Courants dans le rapport η o Antennes filiformes Introduction Dipôle court Dipôle général Dipôle λ/ Autres formes de dipôle Dipôle λ et plus Dipôle replié Dipôle magnétique ou antenne boucle Yagi-Uda Alimentation d un dipôle Adaptation Balun Balun split-coax Balun Roberts Balun autotransformateur Balun bobine 1 : Monopôle Valeurs pour antennes filiformes Antennes-réseaux Introduction Principe des antennes-réseaux Réseau linéaire Facteur de réseau linéaire Pointage du faisceau Alimentation uniforme Facteur de réseau linéaire uniforme Facteur de réseau graphique rapide Rayonnement transversal et longitudinal Paramètres du réseau linéaire uniforme

7 TABLE DES MATIÈRES vii 6.5 Alimentation non-uniforme Placement des zéros Pondération de Dolph-Tchebychev Directivité d un réseau linéaire Axes du réseau linéaire Réseau planaire uniforme Réseau quelconque en 3D Expression générale Couplage mutuel entre les éléments Réseau de N = 2 éléments isotropes Généralisation à N éléments isotropes Couplage entre éléments F e = sin θ Antennes à ouverture Introduction Principe d équivalence Équivalence de Love Équivalences avec conducteurs Équivalence à une ouverture Sources de type onde plane Ouverture élémentaire Approximation pour grandes ouvertures Expression de la directivité Ouverture rectangulaire Cornet pyramidal Analyse du rayonnement Efficacité d ouverture Approximation onde plane Conception Réflecteur parabolique Diagramme de symétrie circulaire Efficacité de la surface de réflexion Antennes microrubans Introduction Modèle par cavité Champs dans la cavité Rayonnement par les ouvertures Diagrammes de rayonnement Directivité Facteur de qualité et efficacité Modèle par ligne de transmission Effets de bord

8 viii TABLE DES MATIÈRES Impédance d entrée Efficacité de rayonnement Adaptation Réseautage Antennes à large-bande Introduction Antenne bicônique Bicônique infinie Bicônique finie Antenne spirale Principe de Babinet Log-périodique Géométrie Conception Conclusion Méthode des moments Introduction Principe de base Équation de Pocklington Dérivation générale Supposition d un fil mince Modélisation de source Solution de la MoM Projection sur fonctions de test Application au rayonnement Fonctions de base Paramètres obtenus Stabilité numérique Propagation, Introduction Introduction Modes de propagation Ondes d espace et de surface Applications et modes Espace libre Introduction Pertes de dispersion et d absorption Équation de Friis Champ incident du signal direct Décibels et unités logarithmiques absolues Affaiblissement de liaison

9 TABLE DES MATIÈRES ix 12.7 Absorption dans le milieu Gaz Hydrométéores Végétation, édifices Diffraction Introduction Zones de Fresnel Définition Dimensions Points particuliers de la 1ère zone Diffraction par un écran Intégrales de Fresnel Intensité du champ Diffraction par deux écrans Méthode de Bullington Méthode de Deygout Réfraction troposphérique Introduction Indice et coïndice de réfraction Variables climatiques Relation de Smith-Weintraub Modèle de troposphère standard Courbure des ondes et facteur K Types de réfraction Horizon et portée Représentation terre plane Indice et coïndice de réfraction modifiés Types de réfraction Conduits troposphériques Liens micro-ondes Introduction Profil de propagation Dégagement du lien Principe Rapport signal-à-bruit Calculs de pertes Ondes d espace Introduction Expression analytique Coefficient de réflexion

10 x TABLE DES MATIÈRES Nature du sol Conditions aux limites Expressions Polarisation horizontale Polarisation verticale Comportement du coefficient de réflexion Surfaces rugueuses Approximation terre plane Incidence rasante Interfranges Terre courbe Calculs des paramètres Divergence Environnement complexe Introduction Processus stochastiques reliés à la propagation Théorème central limite, pdf gaussienne Pdf log-normale, de Rayleigh, et de Rice Modèles empiriques de l affaiblissement de parcours Modèle par ajustement du coefficient de puissance Modèle de Okumura Modèle de Okumura-Hata Modèle de COST-Hata Modèle statistique de l ombrage Évanouissement Types de canaux Largeur de bande de cohérence Temps de cohérence Modélisation statistique du canal à bande étroite Canal de Rayleigh NLOS Canal de Rice LOS Canal large bande Modèle de Clarke Autres paramètres de l évanouissement Résumé des cas de figure Ondes de surface Introduction Paramètres du sol Facteur d atténuation de surface Terre plane Chartes de propagation

11 TABLE DES MATIÈRES xi 18.5 Problèmes de propagation Trajets mixtes Couverture de l émetteur Ondes ionosphériques Introduction Descriptions préliminaires Influences du soleil Couches de l ionosphère Physique des plasmas Équation dynamique Indice de réfraction Constante d atténuation Couche D Mécanique de réflexion Sélection en fréquence Fréquences critique et maximum utilisable Fréquence minimum utilisable Fréquence optimale de travail Portée atteinte Hauteur virtuelle Portée terre plane Portée terre sphérique Pertes ionosphériques Traitement d antenne Formulation des signaux Formation de voies Maximum de vraisemblance Projection dans sous-espace orthogonal (MUSIC) Effet du bruit non-idéal Détermination du nombre de sources Corrélation des sources Effets de la corrélation Possibilité de traitement : lissage spatial Facteur de corrélation résiduel Bidirectivité Version racines de MUSIC Simulations numériques Matrice de covariance des signaux reçus

12 xii TABLE DES MATIÈRES A Système de coordonnées A-417 A.1 Transformations scalaires A-417 A.2 Transformations d éléments différentiels A-417 A.3 Transformations vectorielles A-418 B Table des symboles B-420

13 Chapitre 1 Antennes, Introduction Les antennes servent pour communiquer sur de grandes distances, car les communications sur petites distances sont moins coûteuses avec l emploi de câbles ou de guides d ondes. Aujourd hui cependant, on communique par voie hertzienne entre une station de base et une station mobile très rapprochées e.g. à l intérieur d une même pièce pour éviter le filage. espace circuit électrique Antenne élément de transition Figure 1.1 Représentation schématiques de l antenne. résistance de rayonnement impédance d entrée température de bruit Antenne distribution de courant diagrammes de rayonnement largeur du faisceau directivité & gain ouverture effective Figure 1.2 Paramètres schématiques de l antenne. Les figures 1.1 et 1.2 montrent le rôle d une antenne comme élément de transition entre le circuit électrique et l espace environnant. En effet, l antenne, du point de vue électrique, est représentée par une simple impédance complexe dont la partie réelle inclue

14 1-2 Antennes, Introduction une composante reliée à la puissance émise dans l espace. La façon dont l antenne rayonne la puissance émise dépend de sa géométrie ; la densité de puissance n est pas forcément isotrope (uniforme dans toutes les directions) mais plus élevée dans certaines directions au détriment de d autres directions (directivité de l antenne ou sa capacité directionnelle) selon des caractéristiques spatiales. La distribution du courant est le lien entre les deux domaines : le courant à l entrée dépend de l impédance vue côté circuit ; ce courant se distribuera sur la structure formant l antenne, le champ électromagnétique rayonnée sera formé de la contribution provenant de chaque élément de courant. La figure 1.2 dresse aussi la liste des paramètres importants d une antenne. On reconnaît principalement la résistance de rayonnement, les diagrammes de rayonnement, la directivité et le gain, et l ouverture effective. La connaissance des paramètres des antennes demeure essentielle pour bien comprendre les qualités d une antenne. Certaines antennes ont des caractéristiques qui les rendent intéressantes pour certaines applications mais absolument inappropriées pour d autres. Il faudra commencer par une présentation des paramètres importants (chapitre 2). Ces paramètres doivent pouvoir se calculer théoriquement d après la géométrie de l antenne. Puisque l antenne convertit l énergie électrique 1 en énergie électromagnétique, une étude basée sur le rayonnement électromagnétique à partir des équations de Maxwell sera entreprise (chapitre 3). L antenne élémentaire, linéaire ou surfacique, aide à mieux comprendre l application des concepts électromagnétiques du rayonnement et le lien avec les paramètres de l antenne (chapitre 4). Comme il existe toute une panoplie d antennes et que leurs études peuvent devenir rapidement d une grande complexité, on se limitera à la présentation de quelques unes des formes les plus usuelles. On pense surtout aux antennes filiformes (chapitre 5) qui, à cause de leur prix de revient, se retrouvent partout. L introduction d éléments parasites forme une antenne Yagi-Uda qui permet une certaine directivité. On pense aussi au groupement d antennes ou antenne-réseau (chapitre 6). Les antennes-réseaux offrent à l utilisateur une flexibilité maximale par le contrôle de plusieurs paramètres, contrôle se réalisant de manière permanente ou adaptative avec ou non le support d unités de traitements numériques des signaux DSP ( Digital Signal Processing ). Elles deviennent alors des antennes dites intelligentes par le biais d algorithmes de traitement d antenne. Suivra l étude des antennes large-bande (chapitre 9), dont la célèbre log-périodique que l on voit sur le toit des maisons à la campagne. Dans un chapitre subséquent, l antenne à ouverture (chapitre 7) dont le cornet pyramidal, sert de point de départ pour ceux et celles qui auront à travailler avec des coupoles paraboliques. La rayonnement par des ouvertures explique 1 En réalité, ce sont les champs électromagnétiques qui emmagasinent l énergie mais Kirchoff a simplifié le modèle avec sa théorie des circuits.

15 aussi comment opèrent les antennes micro-rubans (chapitre 8), qu on retrouve de plus en plus à des fréquences d opération élevées à cause de leur coût de fabrication dérisoire. Finalement, une brève présentation de la méthode des moments (MoM) (chapitre 10) montre comment il est possible de trouver numériquement la distribution du courant sur une structure rayonnante. En effet, dans de nombreux cas, la distribution est obtenue par déduction à partir de connaissances acquises. 1-3

16 1-4 Antennes, Introduction Exercices Question 1 Profitez de la relative accalmie d un début de session, munissez-vous d un appareilphoto et observez autour de vous la multitude d antennes qui nous entourent. Ramenez en classe les clichés les plus originaux ; Classez les antennes selon les grandes familles en feuilletant les chapitres qui s y rapportent pour vous aider (filiforme, Yagi-Uda, réseau, à ouverture, micro-ruban, large-bande) ; Cherchez à connaître l usage de chacune et leur fréquence d opération. Réponses : 1. du plaisir en perspective.

17 Chapitre 2 Paramètres d antenne 2.1 Introduction Une antenne est un élément passif permettant le transfert de l énergie électrique (au sens large) vers l énergie électromagnétique ou vice-versa. L antenne émettrice tire sa puissance de l émetteur qui l alimente, étant vue comme une charge. L antenne réceptrice fournit la puissance captée au récepteur, agissant comme une source avec sa propre impédance interne. En théorie cependant, on préfère supposer une source courant à l émission et une source tension à la réception, même si émission et réception sont liées à des phénomènes semblables au point de vue antenne selon le théorème de réciprocité (qui sera discuté plus loin). En vertu du théorème de réciprocité, on choisit la configuration émettrice ou réceptrice de l antenne qui facilite la compréhension et/ou les calculs. 2.2 Impédance Pour évaluer l impédance d une antenne, on assume une antenne en émission. L antenne est alors considérée comme une charge à l entrée de laquelle existe un courant Īin et une tension V in. Le rapport de ces deux quantités fournit l impédance Z in (ou mieux encore, Z a ): Z a = V in Ī in = R a + jx a (2.1) On considère simplement l antenne comme un circuit électrique ayant cette même impédance lors des calculs de transfert de puissance. Cela semble facile mais l impédance que présentent les antennes est une fonction complexe et ce, même pour les structures les plus simples. Comme toute impédance, celle de l antenne comprend une partie réelle R a (active) et une partie imaginaire X a (réactive) telles que :

18 2-6 Paramètres d antenne la partie réactive est due aux champs d induction au voisinage de l antenne ; elle est capacitive pour les antennes électriquement courtes un peu comme l impédance vue près d un circuit ouvert en régime sinusoïdal permanent autrement, elle est inductive ou capacitive ; la partie active est reliée aux champs rayonnés et aux pertes joules Résistance de rayonnement Pour les antennes, la puissance totale émise <P t > est reliée au courant crête 1 Ī in mesuré à l entrée de l antenne via la résistance de rayonnement vue à l entrée R ri qui n est pas une résistance dissipative physique : <P t > = 1 2 R rii 2 in. (2.2) Cette résistance s ajoute à celle des pertes joules (ou pertes en général) pour former la partie réelle de l impédance de l antenne : R pertes est la résistance qui provoque : les pertes ohmiques ou thermiques R ohm ; les pertes dans le diélectrique R die ; R a = R ri + R pertes. (2.3) les pertes de retour (conductivité du sol) pour les monopôles R sol. La résistance R ri est la responsable du rayonnement de l antenne, car sans elle aucune puissance active fournie à l antenne n est émise. On a donc intérêt à l avoir la plus élevée possible pour accroître l importance des champs rayonnés. Le symbole R r est réservé à la résistance de rayonnement, laquelle est calculée à partir de l amplitude maximale de la distribution du courant sur l antenne : <P t > = 1 2 R ri 2 max. (2.4) Si l amplitude maximale se situe au niveau des bornes, alors R r = R ri. Exemple 2.1 Un dipôle est formé de deux fils opposés se connectant sur chacun des conducteurs d une ligne de transmission. La résistance de rayonnement à l entrée d un dipôle court de longueur totale h (au sens électrique i.e. h λ) s exprime ainsi : R rid court 20π 2 ( h λ) 2. Cependant, lorsque le dipôle atteint une longueur totale de λ/2 appelé dipôle demi-onde la résistance de rayonnement à l entrée vaut environ 75 Ω. 1 En utilisant le courant efficace I rms = I crète / 2, on obtient <P t > = R ri I 2 in rms.

19 2.2 Impédance 2-7 Un dipôle d une longueur de 1.5 m émet une puissance totale de 1 W. Estimez l amplitude du courant d entrée aux fréquences de 100 MHz (FM commercial) et 1 MHz (AM commercial). La puissance émise dépend du courant à l entrée et de la résistance de rayonnement à l entrée selon (2.2) : <2Pt > I in =. R ri Il faut donc évaluer R ri avant toute chose. Or, pour un dipôle, il faut connaître le rapport h/λ : (h/λ) 100 MHz =(1.5/3) = 0.5 (h/λ) 1 MHz =(1.5/300) = Le dipôle correspond à un dipôle demi-onde à 100 MHz : (I in ) 100 MHz = 2/75 = A. Par contre, le dipôle correspond à un dipôle court à 1 MHz : (R ri ) 1 MHz =20π 2 (0.005) 2 = Ω (I in ) 1 MHz = 2/ =20.13 A! Circuit avec antenne Pour permettre un transfert maximal de puissance, on adapte l émetteur ou le récepteur selon la configuration émettrice ou réceptrice respectivement à la fréquence centrale d opération f c.lafigure2.1 montre le circuit équivalent de la source ou récepteur adapté à l antenne. La syntonisation consiste simplement à l ajustement d un circuit d adaptation jusqu à ce qu il forme un circuit résonnant avec Z a à la fréquence f c.pource faire, il faut que l impédance d entrée de l antenne soit égale au conjugué de celle de l émetteur/récepteur avec circuit d adaptation telle que vue aux bornes de l antenne. Ainsi : les parties réelles de l antenne et du circuit complet émetteur/récepteur/adaptation sont identiques ; la partie imaginaire de Z a est ajustée pour annuler celle de sortie de l émetteur/récepteur avec circuit d adaptation à la fréquence d opération. On note que pour un système adapté, la tension crête au récepteur V r vaut la moitié de celle induite avec circuit ouvert V co, soit celle mesurée aux bornes de l antenne réceptrice non reliée à un récepteur. En conséquence, lorsque les pertes sont négligeables, la puissance reçue <P r > s exprime : <P r > = V co 2 (2.5) 8R ri

20 2-8 Paramètres d antenne générateur a b antenne onde émise V g Ī in V in R tx jx tx a b R pertes R ri jx a récepteur a b antenne onde incidente R rx jx rx V r a b R a jx a V co Figure 2.1 Circuit équivalent émission ou réception Efficacité de rayonnement Comme dans tout circuit à pertes, une fraction plus ou moins appréciable de la puissance fournie se retrouve à la sortie. Dans le cas d une antenne, la sortie représente l émission ; les pertes sont liées à la résistance de pertes. Plus faible est la résistance de pertes, meilleure est l efficacité. L efficacité de rayonnement de l antenne qu on note par ε r considère le rapport de la puissance rayonnée < P t > à la puissance fournie à l entrée de l antenne <P in > : ε r = <P t > <P in > = R ri (2.6) R ri + R pertes 2.3 Intensité de rayonnement L onde électromagnétique rayonnée à distance suffisante de l antenne se comporte comme une onde plane i.e. le champ électrique et le champ magnétique sont orthogonaux entre eux et orthogonaux à la direction de propagation de l onde (celle-ci s éloigne de l antenne qui en est la source). Les concepts de l onde plane peuvent donc être appliqués ici. Or, on sait que le vecteur de Poynting P indique la quantité de puissance électromagnétique instantanée qui se propage par unité de surface. Pour connaître la densité de puissance en moyenne dans le temps, il faut réaliser : <P > = 1 { } 1 P dt =Re T T 2Ē H. (2.7) } {{ } P On obtient alors la densité de puissance moyenne < P >. Lenouveauvecteur P est appelé vecteur complexe de Poynting. Comme l antenne a la propriété de concentrer la puissance émise dans une ou des directions privilégiées de manière similaire à une lentille,

21 2.3 Intensité de rayonnement 2-9 cette densité de puissance obtenue du vecteur de Poynting moyen varie selon la direction d observation 2 Ψ. Dans le système de coordonnées sphériques Ψ correspond à la paire (θ, φ), on écrit <P >=<P (r, θ, φ)>, doncē = Ē(r, θ, φ). Dans un milieu uniforme, la vitesse de propagation est indépendante de la direction. Ainsi, l onde électromagnétique rayonnée par une antenne possède des fronts d ondes sphériques centrés sur l antenne émettrice (le rayon de la sphère correspondant à un front d onde particulier correspond à la vitesse de propagation multipliée par le temps depuis son émission par l antenne). La figure 2.2 illustre un front d onde issu de l antenne. Ce front s éloigne avec une vitesse uniforme de l antenne ce qui fait que le rayon de la sphère croît avec le temps. Il ne faut pas oublier que l intégrale du vecteur depoynting moyen sur une surface fermée donne la puissance émanant du volume délimité par la surface en supposant aucune perte dans le milieu de propagation. La densité de puissance, quant à elle, diminuera donc selon l inverse de la surface de la sphère soit en 1/r 2. TX r RX Figure 2.2 Émission en espace libre. La distance r à laquelle sont effectuées les mesures est donc un paramètre qui influence la valeur de <P (r)>. Pour obtenir une quantité indépendante de la distance, on utilise le concept d angle solide dont les unités sont les stéradians ou sr. L angle solide Ω est formé par le rapport de la surface S sur une sphère sous-tendue par l angle solide au rayon au carré de cette sphère (2.3) : Ω= S r 2. (2.8) Il y a donc 4π surfaces de r 2 mètres carrés dans une sphère de rayon r, donc4π sr pour l angle solide de la sphère complète, 2π sr pour l hémisphère, etc. On définit alors l intensité de rayonnement K en W/sr, laquelle est indépendante de r mais varie selon la direction donnée : K(θ, φ) =<P(r, θ, φ)> r 2 = E2 (r, θ, φ) r 2 = E2 θ (r, θ, φ)+e2 φ (r, θ, φ) r 2. (2.9) 2η o 2η o Il est possible d obtenir la puissance totale émise < P t > en intégrant K(θ, φ) sur les 4πsr. Cela découle directement de l intégrale du produit scalaire de la densité de puissance sur une surface fermée ; en choisissant une sphère, on maximise le produit scalaire en tout 2 On utilise la notation Ψ pour faire référence à une direction.