PARTIE A : Mesure d'antennes microondes. I. Mesure du coefficient de réflexion et de la bande passante d antennes microrubans à l analyseur de réseaux

Transcription

1 PARTIE A : Mesure d'ntennes microondes L objectif de ce TP est de crctériser différents types d ntennes microondes pr l mesure de leurs principux prmètres spécifiques : Mesure à l nlyseur de réseux vectoriel du coefficient de réflexion, de l fréquence de résonnce et de l bnde pssnte d une ntenne ptch fonctionnnt à 5,8 GHz ; Mesure des digrmmes de ryonnement dns les plns E et H insi que du gin d un cornet électromgnétique et d une ntenne à fentes dns une chmbre néchoïque à l fréquence de 9,3 GHz. I. Mesure du coefficient de réflexion et de l bnde pssnte d ntennes microrubns à l nlyseur de réseux On se propose de mesurer à l nlyseur de réseux vectoriel le coefficient de réflexion d ntennes imprimées en fonction de l fréquence et de déterminer leur bnde nominle de fonctionnement. Les ntennes à crctériser sont une ntenne ptch de forme rectngulire (figure 1) ou un réseu de qutre ntennes rélisé à prtir d un seul élément (figure ). Ces ntennes ont été rélisées en technologie microrubn sur un substrt de verre téflon d épisseur h = 0,8 mm et de permittivité reltive εr =,57. Les éléments ryonnnts métllisés sont en cuivre. L ntenne ptch de forme rectngulire est limentée pr une ligne microrubn d impédnce crctéristique 50 Ω dont le point de jonction est sur l xe de symétrie de l élément ryonnnt. L encoche de l ligne d limenttion permet d obtenir une bonne dpttion d impédnce. Les dimensions de l ntenne ptch seule sont : W = 3,71 mm ; L = 15,6 mm et l = 3,5 mm Pour mesurer le coefficient de réflexion de ces ntennes en fonction de l fréquence, on dispose d'un nlyseur de réseux vectoriel fonctionnnt jusqu à 0 GHz et connecté à une interfce USB/GPIB. L W l Figure 1 : Schém de l ntenne ptch rectngulire TP4 Crctéristion d ntennes microondes 1

2 Figure : Schém du réseu d ntennes ptch 1. Etlonner l nlyseur de réseux en réflexion (1-port clibrtion) dns l bnde de fréquences 5-6,6 GHz.. Connecter l'une des deux ntennes à l'ccès de l'nlyseur de réseux qui été étlonné. Procéder ensuite à l'cquisition utomtique des données à l'ide du logiciel ADS vi l'interfce USB/GPIB et récupérer les mesures dns un composnt hypothétique (boîte noire) portnt le nom SP, situé dns l bibliothèque Dt Items. Resimuler le comportement de l'ntenne entre 5-6,6 GHz en précisnt bien le nombre de points de mesure. 3. Visuliser le module du coefficient de réflexion (prmètre S11) en décibels de l ntenne en fonction de l fréquence. En déduire l fréquence de résonnce f0 de l ntenne étudiée. Noter l vleur du module de S11 à l résonnce. 4. L bnde pssnte de ce type d ntennes imprimées est générlement imposée pr les vritions rpides de l impédnce d entrée du ptch. On l hbitude de prendre pour critère d utilistion du ptch l bnde de fréquences dns lquelle le Tux d Ondes Sttionnires (T.O.S ou V.S.W.R, en nglis) est inférieur à. Visuliser le T.O.S de l'ntenne dns l bnde de fréquences 5-6,6 GHz en rjoutnt dns l fenêtre Schemtic l fonction VSWR permettnt de clculer directement le T.O.S à prtir du prmètre S11 mesuré. En déduire l lrgeur f de l bnde pssnte de l ntenne mesurée. Clculer le rpport f/f0. 5. Représenter sur un bque de Smith l impédnce d entrée de l ntenne étudiée en fonction de l fréquence puis mesurer s vleur à l résonnce. Conclure. II. Mesure de digrmmes de ryonnement et de gins d ntennes dns une chmbre néchoïque On se propose de mesurer les digrmmes de ryonnement (plns E et H) insi que le gin de deux ntennes différentes (cornet électromgnétique et ntenne à fentes) dns une chmbre néchoïque à l fréquence de 9,3 GHz. II.1. Description du mtériel Les prois de l chmbre néchoïque sont tpissées d'un revêtement bsorbnt le ryonnement électromgnétique. L structure lvéolire de ce revêtement permet d'obtenir une réflexion ssez fible sous incidence oblique. TP4 Crctéristion d ntennes microondes

3 Les crctéristiques d'tténution sont limitées à des fréquences supérieures à une fréquence pour lquelle l longueur d'onde dns le vide est du même ordre de grndeur que l dimension des lvéoles. L distnce R entre l'ntenne source qui est un cornet pyrmidl et l'ntenne à étudier doit être mesurée précisément. Les montges utilisés en émission et en réception sont schémtisés respectivement à l figure 3 et à l figure 4. Le montge utilisé en émission (figure 3) comporte une diode GUNN comme source microondes qui excite le guide d'ondes selon le mode fondmentl TE01, à une fréquence voisine de 9,3 GHz. L puissnce fournie est de l'ordre de 100 mw. Un isolteur connecté à l sortie de l source permet de protéger le générteur hyperfréquence contre d'éventuelles ondes réfléchies. On dispose églement d'un tténuteur clibré pour régler l puissnce d'émission et tténuer complètement le signl lorsque l'on doit pénétrer dns l chmbre néchoïque. Cet tténuteur ser églement utilisé pour mesurer le gin des ntennes à tester. Antenne d'émission (Cornet pyrmidl) Atténuteur clibré isolteur Oscillteur à diode Gunn +11V limenttion Msse V vrible Réglge fréquence Figure 3 : Montge utilisé à l'émission L'onde hyperfréquence émise pr un cornet pyrmidl (ntenne d'émission) est reçue pr l'ntenne à tester. Cette ntenne montée en réception est plcée sur une tble tournnte pouvnt pivoter dns un pln verticl ou horizontl (plns E et H) (figure 4). L puissnce du signl reçu est mesurée à l'ide d'un wttmètre (Boonton). Cette mesure est trnsférée à un ordinteur qui reçoit églement les informtions de positionnement en provennce de l bse tournnte. Le digrmme de ryonnement est ffiché en temps réel sur l'écrn de l'ordinteur pendnt l mesure. L'cquisition et l'ffichge des données sont utomtiquement pris en chrge pr le logiciel Ant3 (version.0.8) qui fonctionne dns un environnement MS-Windows. Le logiciel Ant3 est un trceur de digrmmes d'ntennes utilisé pour mesurer et nlyser le ryonnement des ntennes. Les digrmmes de ryonnement mesurés peuvent être enregistrés en rectngulire ou en polire, en linéire ou en logrithme (décibels) et normlisés pr rpport à l vleur mximle de l puissnce recueillie. Des mrqueurs peuvent être utilisés pour l recherche de l'ouverture à 3 db insi que pour déterminer les lobes secondires. TP4 Crctéristion d ntennes microondes 3

4 dfc xcvwxc qsdfgbqd qsdfgbqd qsdfgbqd Précutions à prendre vnt les mesures : Régler l tension d'limenttion (entre 9 et 10 V) du générteur à diode Gunn de fçon à être à l fréquence désirée. Utiliser le fréquencemètre pour vérifier l vleur de l fréquence. Mnipuler l'tténuteur clibré vec "douceur". Revêtement bsorbnt Chmbre néchoïque Sonde du wttmètre Antenne de réception Emission Bse tournnte Ouvrir Enregistrer Imprimer Quitter H V dbm Pilotge de l bse tournnte Wttmètre Boonton Ordinteur Figure 4 : Montge utilisé à l réception II.. Etude d un cornet pyrmidl Deux cornets pyrmidux identiques sont montés à l'émission et à l réception. Leur dimensions (nnexe) sont : = b = 78 mm Pour le pln E : L = 10 mm et l = 16 mm Pour le pln H : L = 149 mm et l = 155 mm 1. Relever le digrmme de ryonnement du cornet à 9,3 GHz dns les plns E et H. Utiliser une représenttion en polire puis crtésienne et normliser les digrmmes pr rpport à l puissnce mximle recueillie pr l ntenne à tester (ntennes d émission et de réception lignées).. Déterminer les ouvertures à 3 db dns les deux plns. Les comprer ux vleurs théoriques du cornet données dns l rticle (voir nnexe). Commenter. 3. Mesurer le gin des cornets pyrmidux montés en émission et en réception en utilisnt l méthode directe. TP4 Crctéristion d ntennes microondes 4

5 4. Clculer le gin théorique de ces cornets en utilisnt l formule 13 de l'rticle donné en nnexe. Comprer les résultts obtenus et discuter les cuses d'écrts possibles. Le gin mesuré des cornets servir de gin étlon pour déterminer le gin de l ntenne à fentes à l'ide de l méthode de comprison. II.3. Etude d une ntenne à fentes L'ntenne à mesurer est constituée d'un réseu de 8 fentes résonnntes de longueur /, percées dns le grnd côté d'un guide d'ondes rectngulire limenté en mode TE 01. Les fentes sont espcées de g/ (g étnt l longueur d'onde dns le guide) et déclées lterntivement de mm pr rpport à l'xe du grnd côté du guide (figures 5 et 6). Une étude à l nlyseur de réseux de l vrition du module du coefficient de réflexion en fonction de l fréquence permis d ccorder mécniquement l ntenne pour optimiser son ryonnement à l fréquence de 9,3 GHz : l ccord à 9,3 GHz de l ntenne est obtenu pour une position de l vis micrométrique de 11 mm. Ce réseu est étudié en régime d'ondes sttionnires, le piston de court-circuit mobile permettnt d'mener un ventre de chmp électrique u centre des fentes. Figure 5 : Schém de l ntenne à fentes z M θ O ϕ y x φ m Figure 6 : Schém de l ntenne à fentes 1. Mesurer le gin de l'ntenne schnt que l ntenne cornet précédente sert d'étlon à 9,3 GHz. On utiliser pour cel l méthode de comprison.. Trcer les digrmmes de ryonnement dns les plns E et H. Commenter l llure des digrmmes obtenus. TP4 Crctéristion d ntennes microondes 5

6 3. Dns le pln H, déterminer expérimentlement l'ouverture à 3 db correspondnte puis les directions dns lesquelles le ryonnement est nul. Comprer ux vleurs théoriques (zéros du fcteur de réseu). Les formules permettnt de trcer les digrmmes de ryonnement en puissnce à grnde distnce (OM >> ) d'une fente fine (l << ) (figure 7), résonnte (L = /) dont l loi y j t d'éclirement est de l forme E π ω = E0 cos( )e x E et H << sont données pr : L ζ 0 Dns le pln E (φ = 0 ou π) : r E = 1 Dns le pln H (φ = π/ ou 3π/) : π cos( sin θ) r( H θ ) = cosθ z E L l y x Figure 7 : Schém d une fente On rppelle que le fcteur de réseu en puissnce d'un lignement de N sources espcées régulièrement de d, le déphsge entre deux sources djcentes vlnt δ et ryonnnt chcune l même puissnce s écrit sous l forme suivnte : Dns le pln E : F E = 1 (cr π ϕ = ) Nψ πd sin( ) ψ = cosϕ +δ 1 Dns le pln H : F H ( θ ) = vec : N ψ sin( ) π ϕ= θ Dns notre cs, les fentes qui sont déclées pr rpport à l xe du grnd côté du guide d ondes sont limentées en phse (δ=0). Le digrmme de ryonnement du réseu de fentes est donné pr le principe de multipliction des digrmmes : R( θ, φ) = F ( θ, φ) r( θ, φ) TP4 Crctéristion d ntennes microondes 6

7 ANNEXE : Article sur les cornets électromgnétiques 8,3. Cornets électromgnétiques 8,31. Principes et digrmmes de ryonnement - On ppelle cornet un guide d ondes à section progressivement croissnte se terminnt pr une ouverture ryonnnte. Il est possible, à l ide des équtions de Mxwell, de déterminer l réprtition des chmps électrique et mgnétique dns ce guide et d en déduire l distribution d mplitude et de phse sur l ouverture : ce trvil été fit pr plusieurs uteurs, notmment BARROW et CHU, et l on trouver à ce sujet un excellent exposé dns un ouvrge de M. de BROGLIE [I.b.9]. Cependnt, on obtient une bonne pproximtion en considérnt que les ondes qui se propgent dns le cornet sont des ondes sphériques centrées sur l gorge de celui-ci, c est-à-dire sur le point d intersection des rêtes de l évsement. Suivnt que cet évsement se fit dns un seul pln ou dns les trois dimensions, le cornet est dit sectorl ou pyrmidl. Ainsi, les figures 11. et 11.b représentent respectivement un cornet sectorl dns le pln E et un cornet sectorl dns le pln H. L figure 11.c représente un cornet pyrmidl. Fig. 11 : Cornets électromgnétiques Dns les 3 cs, le cornet est excité pr un guide d ondes rectngulire trvillnt sur le mode TE 01, ce qui est le cs le plus cournt. On ppelé l ouverture du cornet dns le pln H et b son ouverture dns le pln E. Si l on considère un pln médin du système (figure 113), on voit que les fronts d onde sont des cercles tels que MM, centrés sur O et que, sur l embouchure AB, les régions périphériques sont ffectées d un retrd de phse sur les régions centrles. Pour que le cornet présente le mximum de gin et un digrmme ussi étroit que possible, il fut que ces retrds de phse soient négligebles. En dmettnt 45 comme retrd mximl dmissible, on trouve que l ngle φ doit être tel que : sin φ (0) Dns ces conditions, les digrmmes de ryonnement peuvent être déduits du tbleu V, ce qui donne : cos π sin θ π Pour le pln H : E( θ ) = (03) π π sin θ 4 Pour le pln E : b sin π sin θ E( θ ) = b πb sin θ (04) Ces formules supposent que l distribution d mplitude sur l ouverture reproduit l distribution à l gorge, c està-dire l réprtition des chmps du mode TE 01. Fig.113 : Coupe pr le pln médin d un cornet Des mesures fites sur un grnd nombre de cornets montrent que les ouvertures à 3 db des digrmmes sont un peu différentes de celles indiquées dns le tbleu. On trouve : θ = 68 (05) Pour le pln H : ( ) Pour l pln E : ( ) 3 θ = 56 (06) b 3 Pour éclirer des réflecteurs, on utilise presque toujours des cornets de fibles dimensions. Il est lors intéressnt de connître leurs digrmmes. Comme les prois externes, prcourues lors pr des cournts, prticipent u ryonnement, les formules (03) et (04) ne sont plus pplicbles. On peut nénmoins continuer à se servir des formules (05) et (06) pour les ouvertures à 3 db. Qunt ux ouvertures à 10 db, elles sont lors données pr : Pour le pln H : ( θ 10 ) = (07) θ = 88 (08) Pour le pln E : ( ) 10 vec : < 3 et b <,5 On peut insi trcer pproximtivement le digrmme du cornet pour dégrossir un clcul. L reltion (0) conduit à des cornets reltivements longs. Si l on veut utiliser ces cornets comme ntennes ynt un gin un peu importnt, ce qui donne des vleurs de et de b de plusieurs, on ser conduit à un mtériel encombrnt. Il vut mieux lors ccepter des vritions de phse sur l ouverture et ugmenter φ. Mis il existe des reltions bien définies entre les différentes dimensions du cornet qui conduisent lors à une vleur mximle du gin pour un cornet de longueur L déterminée : un cornet qui stisfit à ces conditions est TP4 Crctéristion d ntennes microondes 7

8 dit cornet optiml. Le tbleu XVI [I.b.1] donne les crctéristiques des cornets optimux, déduites des trvux de RHODES. Tbleu XVI Crctéristiques des cornets optimux d près RHODES Ouverture des digrmmes à 3 db : θ 3 degrés Angle u sommet (φ) degrés Longueur L Pln E Pln H Pln E Pln H ,8 11, , , ,5 10 7,8 5,5 4,1 3,5 3 On peut d illeurs trcer les digrmmes de ryonnement de cornets présentnt des vritions de phse sensibles sur l ouverture, en dmettnt toujours que les distributions d mplitudes sont celles qui ont conduit ux formules (01) et (0). Si l est l longueur du côté du cornet (figure 113), l vrition de phse mximle en A ou B est : α= pour le pln H et 8 l (09) b α= pour le pln E 8 l Les figures 114 et 115 permettent de clculer les digrmmes de ryonnement dns le pln H et dns le pln E. α est en prmètre et θ est l ngle entre l xe du cornet et l direction où l on clcule le chmp. Fig. 115 :Vleurs reltives du chmp dns le pln E 8,3. Gin L connissnce du gin d un cornet est très importnte, soit que celui-ci soit utilisé pour éclirer un prboloïde, soit qu il soit utilisé comme ntenne. Dns ce dernier cs, on se sert souvent d un cornet comme étlon de gin. Les formules qui donnent les gins des cornets ont été étblies pr SCHELKUNOFF. Pour un cornet sectorl dns le pln E, on : 64 R b b b GE = C + S (10) πb R b R b où C (x) et S (x) désignent les intégrles de FRESNEL : π π q π q C( x) = cos dq S(x) = sin dq 0 0 et où R b est l longueur de l rête correspondnt à b. Les intégrles de FRESNEL peuvent être trouvées dns des tbles de fonctions. Pour un cornet sectorl dns le pln H, on : {[ ] [ ] } 4πbR GH = C(u) C(v) + S(u) S(v) 1 R vec : u = + R π (11) 1 R v = R et où R est l longueur de l rête correspondnt à. Pour un cornet pyrmidl : Fig. 114 : Vleurs reltives du chmp dns le pln H π G = G H G E 3 b (1) TP4 Crctéristion d ntennes microondes 8

9 Ces formules sont d un clcul ssez lborieux. On peut clculer le gin vec une bonne pproximtion à l ide de l expression suivnte : b GdB 10 = 1+ log ( A + B) (13) où A et B, exprimés en db, sont donnés pr le tbleu XVII. Tbleu XVII Vleurs de A et B correspondnt à l formule (13) en db Pln H Pln E α A α A α B α B 0,05 0,10 0,15 0,0 0,5 0,30 0,35 0,05 0,05 0,10 0,15 0,45 0,65 0,90 0,40 0,50 0,60 0,70 0,80 0,90 1 1,0 1,80,50 3,5 3,95 4,60 5,0 0,05 0,10 0,15 0,0 0,5 0,30 0,35 0,1 0,15 0,30 0,60 0,9 1,35 1,95 0,40 0,50 0,60 0,70 0,80 0,90 1 Les vleurs de α sont données pr l formule (09),6 4 5, ,9 11 TP4 Crctéristion d ntennes microondes 9