TPS 3 : Antenne, Partie 1

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1 TPS 3 : Antenne, Partie 1 TPS 3/ANT/1

2 Objectif : retrouver par la pratique les paramètres essentiels d une antenne RF, omni directionnelle et directive. 1 Préparation - Donner la formule du bilan de liaison en espace libre (formule de Friis) ainsi que les unités correspondantes ; l exprimer en db. - Donner pour une antenne isotrope émettant une puissance moyenne P, à une distance d, la densité surfacique de puissance et l amplitude du champ électrique. - Donner la relation donnant la distance à partir de laquelle le modèle de propagation en espace libre ne fonctionne plus. AN he=49cm, hr=49cm, f=2,45ghz - Donner la formule du bilan de liaison pour un modèle à 2 rayons à distance moyenne et grande ; donner l expression de la position des maximums successifs de densité surfacique de puissance. 2 Gain d une antenne 2.1 Réaliser le montage suivant en utilisant, pour l émission et la réception, deux antennes ABIX identiques distantes d environ 2m. La fréquence de l oscillateur RF est fixée à f=2,45ghz. Les paramètres requis sont manquants ou erronés. Photo de la manipulation Positionner les antennes pour recevoir une raie de puissance maximale. A partir du bilan de liaison, déterminer le gain d une antenne ABIX ; comparer à la documentation technique du constructeur ABIX ; en déduire les pertes de la liaison. Calculer et mesurer (avec le mesureur de champ) la densité surfacique de puissance et l amplitude du champ électrique au niveau de l'antenne de réception ; conclusion. 2.2 Reprendre le schéma ci-dessus en remplaçant l antenne de réception par une antenne directive DLINK. Positionner les antennes pour recevoir une raie de puissance maximale. A partir du bilan de liaison, déterminer le gain de l antenne DLINK ; comparer à la documentation technique du constructeur DLINK. TPS 3/ANT/2

3 3 Tracé de diagrammes de rayonnement Reprendre l installation de la question 2.2. Relever et tracer le diagramme de rayonnement horizontal de l antenne de réception. Estimer son ouverture. Comparer à la documentation constructeur. 4 Modèle à 1 rayon/2 rayons avec 2 antennes ABIX Déterminer, à partir de la hauteur des antennes d émission et de réception, la distance à partir de laquelle il faut utiliser le modèle de propagation à 2 rayons. Conclusion. Poser maintenant les 2 antennes sur la table et reprendre le bilan de liaison ; conclusion. TPS 3/ANT/3

4 Annexe 1 Antenne ABIX 2,5 GHz Antenne d'intérieure omnidirectionnelle pour réseau WiFi 4dBi pour le remplacement des antennes classique de 2dbi fournie avec votre carte réseau ou votre point d'acces Wifi - Fonctionne sur les fréquences allant de 2.4GHz à 2.5GHz pour les réseau IEEE802.11b/g/n - Gain de 4 décibels permettant de dédoubler la couverture de votre WiFi - Spectre radio de 40 degrés Vertical et de 360 degrés Horizontal - câble de très basse capacitance avec connecteur RP-SMA longueur 90cm - Dimension de l'antenne 48 x 198,8 mm 2 Antenne DLINK ANT accroît le rayon d action des réseaux sans fil 2,4GHz b/g - angle réglable pour une transmission optimale des signaux - souplesse d installation avec 3 options possibles : pose sur surface plane, montage mural, - fixation magnétique - couverture sur 68 à l horizontale et 80 à la verticale - fonctionne avec tous les appareils sans fil 2,4GHz équipés d un connecteur RPSMA ou RP-TNC - fournie avec une rallonge de 1,5 m - Frequency Range : 2.4GHz to 2.5GHz - Impedance : 50 ohm normal - VSWR : 1.92 max. - Return Loss : -10 db max. - Antenna Structure : 1/2 dipole array reflector - Peak Gain (without cable loss) : GHz (typical) - Admitted Power : 1 watt - Cable Loss (1.5m) : 2.45GHz - H-Plane : -3dBi, 68 - E-Plane : -3dBi, 80 - Extension Cable : Filotex 50 ohm - Antenna Cover : ABS - Antenna Base : PC - Color : Metallic gray - Dimensions : Panel: 80 x 80 x 15.6 mm - Base: 85 x 65 x 34 mm / Weight : 202 grams (antenna only) - Operating Temperature : -20 to 65 C TPS 3/ANT/4

5 3 Oscillateur BHE 2,5 GHz TPS 3/ANT/5

6 TPS 3 : Antenne, Partie 2 Initiation à la simulation d'antennes NEC2 (Numerical Electromagnetic Code) est, comme son nom l'indique, un code de calcul permettant de résoudre les équations de Maxwell sous forme intégrale. Le logiciel 4NEC2 version offre une interface graphique aisée pour modéliser des structures rayonnantes composées de fils conducteurs et pour en simuler le comportement par calcul des champs électromagnétiques produits par une ou plusieurs sources. Le but de cette manipulation est donc de s'initier à l'utilisation d'un tel logiciel en découvrant ses multiples fonctionnalités à partir d'exemples simples d'antennes filaires. I Présentation de l'interface de 4NEC2X La fenêtre de base du logiciel apparaît au démarrage du programme. C'est de cette fenêtre que l'on a accès à toutes les fonctions. On y trouve des menus déroulants classiques mais également des touches d'accès direct aux fonctions essentielles. Gestion des fichiers/file : On peut gérer les ouvertures de fichiers et enregistrements à partir du menu File ou des touches Open, Save et Save as. La plus grande partie de la fenêtre est occupée par le descriptif de la structure en cours. Les informations principales sont : - le nom du fichier utilisé; - la fréquence de travail; - la longueur d'onde correspondante; Création d un élément rayonnant : Plusieurs méthodes de créations d antennes sont à notre disposition : CTRL+F1 : ouvre un notepad contenant la description de l antenne ; CTRL+F2 : ouvre un notepad NEC contenant la description de l antenne ; il affiche plus d informations ; CTRL+F3 : ouvre un éditeur graphique d antenne ; CTRL+F4 : ouvre le nouvel éditeur NEC. Résultats : TPS 3/ANT/6

7 Une fois la structure de l'antenne, le générateur, la fréquence de travail et le plan de sol définis, on peut en calculer les caractéristiques de fonctionnement. On s'intéressera particulièrement aux données : - Currents : valeurs des courants créés sur les éléments conducteurs; - SWR : variations du ROS sur une plage de fréquence déterminée; - FarField Plot : tracé du diagramme de rayonnement en champ lointain de l'antenne. - Window/3D viewer: vue en 3D des courants, diagramme de rayonnement, - Window/Smith Chart : trace sur un abaque de Smith, l impédance/coefficient de réflexion de l antenne Paramètres communs Pour créer une structure filaire, on va ouvrir l éditeur NEC2 NEW (CTRL F4) puis choisir une fréquence (900 MHz) dans l onglet Freq/Ground. Pour plus de facilité, on peut choisir de donner toutes les longueurs en fraction de longueur d'onde (dans l onglet Symbol/rubrique Scaling). Si on veut par la suite se rendre compte des grandeurs fixées, on peut facilement revenir en millimètres. Maintenant, pour créer une structure, on va dans Geometry pour définir un fil (Wire). Tout est déterminé en coordonnées cartésiennes. On donne les coordonnées de début et de fin du fil rayonnant, son rayon et également le nombre de segments utilisés. Les segments correspondent à la discrétisation du fil en éléments petits par rapport à la longueur d'onde où les courants vont être calculés et les champs déduits. Plus les segments sont petits, plus la précision du calcul sera importante. Pour placer une source, on va dans Source/Load et on désigne un numéro de fil, le pourcentage de longueur par rapport à son point de départ où on place cette source, le type d'alimentation (tension ou courant), le module et la phase. Ensuite on définit un éventuel plan de sol dans Freq/Ground. On peut aussi regarder en 3D le diagramme de rayonnement, la répartition des courants, en allant dans Window/3D Viewer. 2 Antenne symétrique courte Commencez par modéliser une antenne de taille totale /10, en espace libre, d'épaisseur très faible. On place la source au centre. Visualisez les courants, l'impédance d'entrée et le diagramme de rayonnement. Vérifiez par le calcul le gain maximum trouvé. Quel est le type de gain donné par ce logiciel? 3 Antenne demi-onde On va maintenant s'intéresser à une antenne de taille /2, en espace libre, en fil également très fin. On place la source au centre. De même, regardez les résultats en terme de courants, d'impédances et de diagramme. TPS 3/ANT/7

8 Vérifier la polarisation du champ (visualiser etheta, ephi dans Pattern/Show Next Pattern). Cette antenne n'est naturellement pas adaptée. Regardez l'influence d'une variation du diamètre du fil. Regardez également l'impact du placement du point d'alimentation. Dans la pratique, on utilise des dipôles légèrement inférieurs à la demie longueur d'onde, pourquoi? Comparez les performances. 4 Antenne dipôle sur mode supérieur En gardant une alimentation au centre, regardez le diagramme de rayonnement d'antennes plus grandes :,, 3... Toujours en espace libre. 5 Antenne monopôle sur plan de masse infini On va simuler un monopôle quart d'onde sur plan de masse (Perfect Gnd). Vérifiez la répartition du courant et les caractéristiques de rayonnement. Regardez l'adaptation. On va corriger cette adaptation en plaçant une charge complexe. Que devient le gain et pourquoi? 6 Antenne dipôle sur plan réflecteur Si on utilise le plan infini comme plan réflecteur pour un dipôle, visualisez l'influence pour différents modes de fonctionnements, à des hauteurs de /4 et /2. 7 Antenne tourniquet Modélisez deux dipôles perpendiculaires en espace libre. Quelle forme de diagramme obtienton? Vérifiez par le calcul. Quelle polarisation est obtenue selon la direction? TPS 3/ANT/8