Note d'application: P08A09 Dimensionnement et mise en œuvre d'un étage HF

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1 Note d'application: P08A09 Dimensionnement et mise en œuvre d'un étage HF Étudiant: Bayard victorien Tuteurs: M. Pasquier & M. Laffont Cette note d'application concerne le projet génie électrique: Générateur de stimuli électromagnétique pour cellules vivantes. Cette note est là pour appuyer les choix du projet, mettre en évidence le travail restant et caractériser l'étage HF du système réalisé en projet.

2 Sommaire Introduction Voltage Control Oscilator (VCO) Rappel sur le principe du système Justification de ce choix Tests des VCO Amplificateur Dimensionnement de l amplificateur Test de l amplificateur Bilan amplificateur Câbles Dimensionnement des câbles Test sur l atténuation des câbles Antenne GSM Fabrication de l antenne Mesure de l adaptation d impédance... 9 Conclusion Annexe : théorie sur l adaptation d impédance Table des Figures Figure 1 : Photo d'un VCO... 4 Figure 2 : Montage mesurant le spectre d'émission des VCO... 4 Figure 4 : Fondamental de fréquence du VCO Wifi... 5 Figure 3 : Fondamental de fréquence du VCO GSM... 5 Figure 6 : Spectre pour le VCO Wifi... 6 Figure 5a et 5b : Spectre étroit et étendu pour le VCO GSM... 6 Figure 7 : Photo de l'amplificateur ZRL Figure 8 : Spécifications techniques des câbles SMA... 8 Figure 9 : Antenne GSM utilisée... 9 Figure 10 : Synoptique de la connectique... 9 Figure 11 : Montage pour la mesure d'adaptation

3 Introduction Cette note d'application concerne le projet génie électrique: Générateur de stimuli électromagnétique pour cellules vivantes. Elle est là pour appuyer les choix du projet, mettre en évidence le travail restant et caractériser l'étage HF du système réalisé en projet. Celle-ci reprend un à un tous les éléments constituant l étage HF du produit réalisé par M. Bostmembrun et M. Bayard du département Génie électrique troisième année. 3

4 1 Voltage Control Oscilator (VCO) 1.1 Rappel sur le principe du système La solution choisie pour le projet est basée sur l utilisation de deux VCO. L un fonctionnant autour de 900 MHz ZX que l on appellera dorénavant «VCO GSM» et l autre, dans la bande de fréquence du Wifi i.e. 2,4 GHz désigné dans ce rapport «VCO Wifi». Ces fréquences, une fois fixées, ne pourront plus être modifiées sauf par remaniement de la carte qui sera montée. Ces composants, comme leur nom l indique, sont commandés en tension. Figure 1 : Photo d'un VCO 1.2 Justification de ce choix Ce choix technique s est avéré être le plus intéressant. En effet, au lieu de commander les composants directement, nous aurions pu entamer sa fabrication. Cependant, plusieurs problèmes seraient survenus, qui sont les suivants : Précision non garantie sur les fréquences d émissions. Instabilité du système. Coût. En effet, un composant coute environ 55$, soit 110$ les deux. Or, si nous avions fabriqué ces oscillateurs, il aurait fallu créer deux cartes différentes qui auraient coutées 40 chacune sans compter les composants. Soit un cout total d environ 100. Temps. Cela aurait demandé beaucoup de temps pour créer ces oscillateurs. Ce qui aurait grandement contrarié la livraison du projet à temps. Compatibilité Electromagnétique. Nous aurions certainement eu des problèmes d immunité de nos cartes «oscillateurs». 1.3 Tests des VCO Une fois l ensemble monté et en fonction, nous avons réalisé des expérimentations au laboratoire du Lasmea à Clermont-Ferrand. Concernant ces composants, l objectif était de vérifier le spectre d émission et la puissance d émission. Ces expériences ont été réalisées par M. Girard, M. Bostmembrun et moi-même. A la sortie des VCO nous avons branché l analyseur de spectre avec un atténuateur de 30 db entre les deux comme on l observe à la Figure n 1 : Figure 2 : Montage mesurant le spectre d'émission des VCO 4

5 Nous avons obtenu respectivement les résultats suivants pour les deux fréquences souhaitées, GSM et Wifi. Figure 3 : Fondamental de fréquence du VCO GSM Figure 4 : Fondamental de fréquence du VCO Wifi Les mesures sont effectuées avec une atténuation de 10dB sur l analyseur de spectre, donc, en plus de l atténuateur, il faut ajouter une valeur de 10 db soit un ajout de 40dB à la mesure. Le tableau suivant recense les mesures obtenues : Mesure \ Composant VCO GSM VCO Wifi Fréquence en GHz 1,031 2,365 Puissance en dbm Les fréquences relevées sont correctes et correspondent à nos attentes. Il reste toutefois un réglage a effectuer sur la carte afin de se positionner à la fréquence de 920 MHz pour le VCO GSM. 2 Amplificateur 2.1 Dimensionnement de l amplificateur Comme l indique les puissances obtenues aux sorties des deux VCO il est nécessaire d amplifier ce signal. En effet, pour avoir en sortie de notre antenne GSM un signal de 2W (33dBm) il faut, si le gain de l antenne est unitaire, un signal d au moins 2W en entrée de l antenne. Or, à 20 dbm on est seulement à 0,1W. L utilisation d un ampli est donc justifiée. L amplificateur est à large bande [700 ; 3500] MHz. 5

6 2.2 Test de l amplificateur Le but de cette manipulation et d observer le gain de l ampli aux deux fréquences de fonctionnement. Il s agit du même montage que précedement sauf qu on se branche à la sortie de l ampli et lui est relié en entrée à la sortie du VCO. Les Figures 5a et 5b montrent le spectre observé pour le VCO GSM : Figure 5a et 5b : Spectre étroit et étendu pour le VCO GSM On remarque que l amplificateur a amplifié également les harmoniques du fondamental. En effet, la figure 5b met en évidence jusqu à cinq harmoniques. Cependant, le second harmonique est inférieur de 15 db au fondamental, ce qui est important pour les tests. Pour le VCO Wifi on observe le spectre suivant : Figure 6 : Spectre pour le VCO Wifi Dans ce cas, le signal observé est très propre il n y a aucune harmonique. Dans les deux cas, il est à noter que le pic de fréquence est largement au-dessous du plancher du bruit, l amplificateur est efficace. 6

7 Suite à ces mesures avec l analyseur de spectre, les puissances d émission sont observées. Le tableau suivant présente les puissances d émission pour chaque VCO relié à l ampli : Mesure \ Composant VCO GSM & Ampli VCO Wifi & Ampli Fréquence en GHz 1,031 2,343 Puissance en dbm +36,5 +16,7 Deux points sont à dégager : La puissance du signal à la fréquence autour de 2,4 GHz n a pas été amplifiée, de +20 dbm le signal devient avec l ampli à +16,7 dbm. On ne peut cependant pas affirmer que la puissance ai diminué, car la mesure de la figure n 6 est moins précise que celle effectuée sans amplificateur à la figure n 4 (c.f: le niveau de référence). On observe un léger décalage en fréquence pour la fréquence autour de 2,4GHz, de 2,365 GHz le signal avec l amplificateur passe à 2,343 GHz. 2.3 Bilan amplificateur L amplificateur répond à nos attentes : Les signaux attendus sont aux puissances et aux fréquences souhaitées. Pour le Wifi, 20 dbm est suffisant. Les signaux ne sont pas perturbés par le bruit ou par des harmoniques trop puissants. Figure 7 : Photo de l'amplificateur ZRL

8 3 Câbles 3.1 Dimensionnement des câbles Deux câbles assurent la liaison entre les VCO, l amplificateur et les antennes (pour l instant uniquement l antenne GSM). Ce sont des câbles rigides, pour permettre ainsi une meilleure maniabilité pour les mesures. Ces câbles ont une longueur de 50 cm chacun et une connectique mâle-mâle SMA. Sur le site internet de radiospares -là où ils ont été commandés- on peut lire les informations suivantes : Figure 8 : Spécifications techniques des câbles SMA Une donnée est particulièrement importante. Il s agit de l atténuation. En effet, d après ces spécifications techniques, nos câbles doivent avoir une atténuation inférieure à 0,5 db. Le test résumé dans la partie suivante va permettre de vérifier cette donnée. 3.2 Test sur l atténuation des câbles A l aide d un générateur on injecte un signal à la puissance donnée et à nos deux fréquences de fonctionnement. Si on relie le générateur à l analyseur de spectre avec un de nos câbles on peut en déduire l atténuation. On remarque que pour un signal d entrée de 0 dbm on obtient un signal de -0,39 dbm. L atténuation est donc de -0,39 dbm ce qui correspond à la datasheet des câbles. Cette atténuation est suffisamment négligeable pour ne pas en prendre compte. 8

9 4 Antenne GSM 4.1 Fabrication de l antenne L antenne GSM a été fabriquée par nos soins. La figure 9 suivante montre le type d antenne utilisée. Celle-ci a été récupérée sur un portable Sagem. Figure 9 : Antenne GSM utilisée Pour assurée la liaison entre le câble branchée à la sortie de l ampli et cette même antenne, il a fallu fabriquer une connectique. Le synoptique de la connectique est le suivant (voir figure 10) : Figure 10 : Synoptique de la connectique Avant même de faire quelque mesure que ce soit, on remarque qu il y a beaucoup de liaison, elles sont aux nombres de 4. On peut donc supposer que l adaptation sera mauvaise (voir annexe). 4.2 Mesure de l adaptation d impédance Toujours au Laboratoire du Lasmea et en compagnie de M. Girard, des mesures d adaptation d impédance de l antenne ont été effectuées. Comme l indique l annexe il suffit de mesurer la puissance émise à l antenne et la puissance réfléchie par celle-ci. La puissance absorbée est ainsi donnée par la différence des deux puissances mesurées. 9

10 La figure n 11 suivante indique le montage effectué. Figure 11 : Montage pour la mesure d'adaptation Dans ce montage il y a un coupleur qui «prélève» un signal atténué de 40 db à la fois pour l émission et la réflexion. Le montage ci-dessus est effectué pour la mesure de la puissance d émission, il y a donc un bouchon de 50Ω à la sortie qui donne la puissance réfléchie atténuée de 40 db afin de dissiper ce signal. Cependant, ce montage est non indicatif, car les résultats sont donnés lorsque le coupleur est à la sortie de l amplificateur et non à la sortie du VCO comme le montre la Figure n 11. Pour la mesure de la puissance émise ou réfléchie une sonde de puissance est associée à la borne correspondante. Celle-ci relie le coupleur à un mwattmètre Anritsu ML2437A. Les résultats sont les suivants : Puissance Mesure en dbm Puissance émise +35,6 Puissance réfléchie +34,8 Puissance absorbée +0,08 Seulement 0,08 db de puissance sont absorbés par l antenne, alors que celle-ci reçoit +35 dbm environ. Le ROS de cette antenne est donc de 88, on est très loin des bonnes antennes qui ont un ROS inférieur à 2. 10

11 Conclusion Cette note reprend quatre notions fondamentales caractérisant l étage Haute Fréquence du projet : Générateur de stimuli électromagnétique pour cellules vivantes. Ces notions sont la fréquence, la puissance, l adaptation et l atténuation. Les fréquences correspondent à ce qu on attend du système, c'est-à-dire autour du domaine de fonctionnement du GSM et du Wifi. Les puissances obtenues sont de +36,5 dbm soit 4,4 Watt pour le GSM (2 fois la norme autorisée qui est de 2W) et +16,7dBm pour le Wifi soit 47 mw (la norme est à 100 mw). Ces résultats sont satisfaisants. L atténuation des câbles est négligeable. Par contre, l adaptation de l antenne GSM est très mauvaise, il serait donc intéressant de reprendre son adaptation. De plus, l antenne Wifi n est pas fournie, il faudrait donc la commander avec les caractéristiques appropriées, avec un gain d au moins 4 db, de connectique SMA femelle, dont on connaisse le diagramme de rayonnement et qui puisse être facilement utilisée lors des tests effectués par les Génie Biologique. 11

12 Annexe : théorie sur l adaptation d impédance Si on symbolise un système par un schéma électrique comme suit: On obtient la puissance reçue en sortie: Pa = Ua I Pa = Za I U I = Za + Zc 2 Pa = Za ( Za + Zc) U 2 2 Si Zc est égal à 50 ohms il faut que Za soit égal à Zc pour maximiser Pa. Si Za Zc il y a établissement d une onde o- dans la ligne perturbant la transmission d information. Si Za=Zc, il y a établissement d une onde o+ seule transmis à la charge Za ce qui donne une : => Maximisation du transfert de puissance Coefficient de réflexion : Γ = V V + = Z Z a a Z + Z C C A noter que le S11= 20 log Γ Il est donc nécessaire d adapter l impédance de l antenne et du raccord à l impédance du montage. Celle-ci est qualifiée en mesurant le ROS (Rapport d onde stationnaire ou SWR ou VSWR ) ROS = (P direct+ P réfléchie) / (P direct-réfléchie) 12

13 Le ROS est mesurable facilement avec l analyseur de réseau, ou avec un wattmètre (voir test effectué) A noter que le S11= P-/P+, ainsi avec un wattmètre si on mesure la puissance incidente et la puissance réfléchie, on obtient le S11. ROS Puissance incidente en % (P+) Puissance réfléchie par la charge en % (P-) ,9 11, infini