BANC HYPERFREQUENCES

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1 TP BANC HYPERFREQUENCES Objectifs : - Mettre en œuvre un détecteur dans le domaine des ondes centimétriques, - Mesurer une longueur d onde par création d ondes stationnaires, - Tracer une courbe de dispersion expérimentale, et la comparer à la courbe théorique, - Mesurer une vitesse de phase et une vitesse de groupe. 1 Description du matériel : 11 - Préalable : Le Générateur Super Hautes Fréquences, noté par la suite GSHS, nécessite dix minutes de chauffe pour un fonctionnement optimal. Le contact secteur est en bas à gauche : l'activer. Pour ne pas le laisser débiter lorsqu aucune mesure n est effectuée, allumer le voyant ARRET SHF. Remarque : il est possible qu un autre modèle plus convivial de GSHF soit utilisé. Une notice d utilisation simplifiée figure alors sur le dessus de l appareil. 1 - Matériel : Câble coaxial SHF Guide d onde Fente On distingue : - le GSHF à diode Gunn, 7 à 1 GHz, avec ou sans modulation, - un câble coaxial SHF d'impédance caractéristique 50 Ω. Il assure le lien avec le guide d'ondes rectangulaire, - une ligne de mesure constituée d'une section de guide d'onde fendu dans le sens longitudinal sur le grand côté. Une sonde détectrice peut ainsi se déplacer le long du guide, et sa position est repérée sur une échelle millimétrique avec un vernier au dixième de millimètre. Le signal détecté est fourni par une fiche BNC sur le support. L'appareil de mesure est un oscilloscope numérique en couplage de voie DC. Rappels : x Direction de propagation Mode TE 10 se propageant en zigzag Coupure en y = a/ Direction de polarisation

2 * L onde incidente, dans l intervalle de fréquence compris entre 6,56 GHz et 13,1 GHz, est le mode TE 10 : r π y uur Ei = E0 sin exp i ( kx t) ez a * La sonde détectrice délivre une tension V proportionnelle au carré de l amplitude du champ électrique, prise en ur V = α amplitude de E y = a/ : ( ) = / sin π y E 0 a y a Par exemple, si le guide était de longueur infinie, seule se propagerait l onde incidente. Son amplitude vaut, en y=a/, E 0. V serait donc égale à α E 0. * L équation de dispersion, reliant la pulsation au nombre d onde k, est : π ² c² k c + a² =. * Deux nœuds consécutifs d une onde stationnaire sont distants d une demi - longueur d onde. * Dans un guide d onde, vitesse de phase et vitesse de groupe vérifient vϕ. v g = c. 1 ère partie Mise en œuvre d un détecteur dans le domaine des ondes centimétriques Remarque : il est possible qu un autre modèle plus convivial de GSHF soit utilisé. Une notice d utilisation simplifiée figure alors sur le dessus de l appareil. 1 - Réglage initial du générateur SHF : Ajustement fin f GENERATEUR SHF 7 1 GHz DUREE RETARD FREQ RECUR TARAGE COMP CABLE NIVEAU FREQUENCE à 110 dbm f GHz A B C D E F G H I J K L M N O P ARRET SHF Sortie SHF 50Ω Contact secteur Sorties synchro (non utilisées) Entrée modulation extérieure Réglage de la puissance désirée Réglage de la fréquence Eteindre le voyant ARRET SHF : la sortie du signal SHF est alors active. Régler la fréquence à la valeur minimale. Mettre le bouton d'ajustement fin f sur zéro. La précision est de 1/100. Régler la puissance de sortie sur le maximum soit 10 dbm; la valeur de cette puissance apparaît dans la fenêtre sous l'indication Niveau. On découvre ici une nouveauté : les puissances sont exprimées en dbm, telles que P dbm =10.log(P/P 0 ) avec P 0 = l mw. Ainsi pour 10 dbm, la puissance délivrée est de 10P 0, soit 10 mw. Toutes les touches doivent être sorties, sauf la dernière à droite qui est à enfoncer, ce qui signifie "sans modulation". Tarage sur zéro (voyant éteint). Compensation câble sur zéro (voyant éteint).

3 Actuellement, on génère les hyperfréquences avec des cavités résonnantes ou avec des oscillateurs à résistance négative. Un composant actif simule cette résistance négative; il est associé en série avec un circuit RLC. Les technologies sur silicium permettent d'atteindre GHz avec des versions économiques bas niveau adaptées aux applications telles que les téléphones mobiles et des versions de très fortes puissances de l'ordre de quelques kw pour les communications militaires. La technologie carbure de silicium, actuellement en développement, permettra d'atteindre d'ici quelques années les mêmes niveaux que les technologies silicium, mais à des fréquences plus élevées (jusqu'à 10 GHz). Les technologies AsGa (arséniure de gallium), plus coûteuses, permettent un fonctionnement jusqu'à 140 GHz aux basses puissances et des recherches sont en cours pour obtenir de plus fortes puissances. Utilisation du détecteur (sonde de mesure) : 1 - Adaptation : La sonde détectrice possède dans sa partie inférieure une petite antenne qui plonge de quelques millimètres dans le guide d'ondes. La molette supérieure de la sonde permet de régler cette profondeur. L'antenne est reliée à une diode à pointe, ou diode Schottky. Le signal détecté étant très faible, on obtient un signal maximal en amplitude si l'on réalise l'adaptation d'impédance de la ligne. Cette adaptation est réalisée en réglant la ou les molettes inférieures (sans les forcer!), faisant varier des capacités internes. En outre, cette adaptation étant réalisée, il n'y a pas de signal retour vers le guide. Ne jamais toucher la molette supérieure qui règle la pénétration de l'antenne détectrice dans le guide La diode assure alors la démodulation du signal. Un filtre passe-bas en sortie permet de récupérer le signal moyen détecté V. On utilise, pour ce faire, un oscilloscope numérique (f c = 300 MHz) en position DC. - Première mesure : Adapter la sonde de mesure pour une position x donnée (Eviter de placer la sonde sur un minimum!) Faire alors la mesure de la tension continue obtenue. Avant chaque mesure, il sera nécessaire d adapter la sonde. 3 - Modulation d'amplitude du signal hyperfréquence : Sur le GSHF, enfoncer l'avant-dernière touche : cela active la modulation d'amplitude sous la forme d'un signal créneau. Choisir le bon calibre (bouton FREQ RECUR sur x10) et ajuster la fréquence de modulation à environ 50 Hz. Rq : Il est indispensable d enclencher le bouton de calibre pour qu un signal soit délivré. Adapter la sonde pour obtenir un signal optimum. Déplacer latéralement la sonde dans la fente : qu'observe-t-on? 4 Mesure d une longueur d onde : 41 Principe : En fermant le guide par une plaque métallique, on impose une réflexion totale de l'onde électromagnétique incidente, avec un nœud du champ électrique sur cette plaque. L'onde résultante est alors une onde stationnaire. Le déplacement de la sonde détectrice permet de repérer les nœuds du champ électrique, et donc d en déduire la longueur d'onde dans le guide, notée λ g. On rappelle que la distance entre deux nœuds consécutifs est λ g /. 4 Méthode de mesure : Fermer le guide par une plaque métallique correctement vissée. Régler l'adaptation de la sonde détectrice. Déplacer la sonde détectrice : constater que les nœuds du champ électrique ont une amplitude quasi nulle. Pour une meilleure précision, on repère, en utilisant le vernier au 1/10 mm, la distance séparant le plus grand nombre possible de nœuds. n 1 On déduit alors λ = x, où x est l intervalle entre n nœuds : g 1... n λ g / x Répèter cette opération en faisant varier la fréquence par pas de 0,00 GHz (rester entre 6,56 GHz et 13,1 GHz). Ne pas oublier d adapter la sonde à chaque valeur de fréquence!

4 ème partie Courbe de dispersion du guide 1 - Courbe de dispersion expérimentale : 11 Principe : Ayant mesuré la longueur d onde λ g dans le guide, on calcule le nombre d onde k=π/λ g. La connaissance de la fréquence f permet de déduire la pulsation =πf, d'où la courbe de dispersion = f(k). 1 Tracé : Les points de mesure seront : - soit ceux réalisés dans la première partie, - soit ceux réalisés antérieurement et reportés dans le tableau ci-après : f (GHz) 7,00 7,0 7,40 7,60 7,80 8,00 8,0 8,40 8,60 8,80 9,00 9,0 9,40 λ (cm) 1,68 10,36 9,01 8,0 7,34 6,61 6,1 5,8 5,43 5,16 4,91 4,67 4,50 Lancer le tableur d OpenOffice. Régler le format numérique, et notamment le nombre de décimales, par Format / Cellules / Nombres / Scientifique. Entrer les valeurs expérimentales de la longueur d onde (λ s obtient par l en police Symbol) et de la fréquence. Attention à bien entrer les valeurs en unités SI Calculer ensuite k=π/λ g et =πf : s obtient par w en police Symbol π s obtient par la fonction mathématique PI() Une formule est toujours introduite par le signe = Tracer la courbe de dispersion expérimentale fonction de k. Type de diagramme : XY (dispersion) / Lignes seules Mise en page du graphe en l étirant, et en effectuant Fichier / Aperçu / Formater la page / Orientation Paysage avant impression. - Courbe de dispersion théorique : 1 - Valeurs théoriques : On rappelle l expression théorique de la relation de dispersion : π a the = c k +. Construire la colonne des valeurs de the : Une racine carrée s obtient par la fonction mathématique RACINE() c = ms -1 Prendre a = 0,086 m (on pourra mesurer a au pied à coulisse). - Superposition des courbes : Double cliquer sur la fenêtre du graphe. Clic droit de la souris / Plages de données : Onglet Plage de données : cliquer sur l icône situé à droite du rectangle Plage de données, et sélectionner avec la souris toutes les données des colonnes k, et the sur la feuille de données (titres y compris). Valider.

5 3 Mesure de la vitesse de phase et de la vitesse de groupe : Pour un point M de la courbe de dispersion donné : - la pente du segment reliant l origine du graphe au point M correspond à la vitesse de phase définie par : v ϕ = k - la pente la tangente à la courbe en M correspond à la vitesse de groupe définie par : g v d = dk M v g Déduire graphiquement à la fréquence de 8,500 GHz la vitesse de phase et la vitesse de groupe. Effectuer le produit de ces deux vitesses, et le comparer à c. O v ϕ k Conclure. LES HYPERFRÉQUENCES DANS LA VIE DE TOUS LES JOURS : Les hyperfréquences concernent la bande de fréquences 300 MHz à 300 GHz. Elles ont trouvé leurs premières applications pendant la deuxième guerre mondiale, vers 1944, avec les premiers radars de guet. Depuis elles ont envahi notre quotidien : radio, téléphone mobile, radars, monitoring de surveillance d'un malade, télécommunications avec les satellites et entre satellites, radars météo, aide à l'atterrissage des avions, extension des faisceaux hertziens pour le téléphone, extension des réseaux câblés TV par voie terrestre en hyperfréquences, altimétrie radar, géodimètre, radars d'exploration spatiale, radar voiture anticollision, très prometteur, mais pour lequel un problème de responsabilité se pose et en bloque le développement actuel. Pour illustrer, citons quelques applications avec les fréquences utilisées et les puissances mises en œuvres. * MHz, - 5 W : moyens portatifs de communications terrestres militaires. * MHz, W : radiocommunications destinées à l'aviation. * MHz, 4 kw : (IFF) identification ami ennemi pour les engins volants, avec l'analogue (BIFF) pour les moyens au sol et pour la Croix Rouge à 386 MHz. * 900 MHz, 3 W : (GMS) première génération des téléphones mobiles ; 1,8 GHz, 3 W : (DCS) deuxième génération des téléphones mobiles;,1, GHz, 63 W : (UMTS) troisième génération des téléphones mobiles. Au fur et à mesure du développement de ces applications, on monte en fréquence pour trouver des créneaux disponibles, d où l intérêt des recherches dans la technologie AsGa.