Travaux Pratiques d'hyperfréquence

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1 Travaux Pratiques d'hyperfréquence GLEE604 Sommaire : 1 Ligne en régime impulsionnel 2 Ligne en régime harmonique : étude en fonction de la fréquence 3 Ligne en régime harmonique : étude en fonction de la position Préparation (avant le TP!) : Les questions à préparer sont notées par ce symbole :

2 TP1 Ligne en régime impulsionnel Consigne Placer les Tés permettant d effectuer les mesures à l oscilloscope sur l oscilloscope! Introduction L objectif de cette partie est de mettre en évidence et d étudier expérimentalement les phénomènes liés à la propagation et à la réflexion des signaux électriques dans les circuits à constantes réparties. Les lignes étudiées sont des câbles coaxiaux avec pertes. 1 Réflexion en bout de ligne Régler le générateur pour avoir des impulsions dont la durée n excède pas 0, 1 µs, et dont la période de récurrence soit supérieure à 10 µs. L amplitude des impulsions n est pas fondamentale (10 V à vide par exemple). Connecter la ligne de 40 m entre le générateur (lui même connecté à la voie 1 de l oscilloscope) la deuxième voie de l oscilloscope en sortie de ligne. Corriger si nécessaire la largeur de l impulsion afin d observer un signal correct en sortie (durée de l impulsion très inférieure au temps de propagation sur la ligne). Relever précisément les oscillogrammes observés sur les deux voies en mesurant l amplitude des impulsions ainsi que leur position relative. Ajouter 60 m de ligne et relever précisément les oscillogrammes observés sur les deux voies en mesurant l amplitude des impulsions ainsi que leur position relative. Remplacer la ligne par une résistance 50 Ω et mesurer l amplitude de l impulsion observée sur la voie 1. Question 1.1 Comparer l amplitude de l impulsion délivrée par le générateur à vide, puis chargé par 40 m de ligne, puis avec 100 m et enfin par une résistance 50 Ω. En déduire que l impédance caractéristique de la ligne est de 50 Ω. GMEE

3 Question 1.2 Expliquer pourquoi les Tés doivent être placés sur l oscilloscope. Question 1.3 Expliquer la provenance de chaque impulsion observée. Vous pouvez utiliser la méthode du tableau. Question 1.4 Commenter les variations du décalage temporel entre les impulsions en fonction de la longueur de la ligne. Question 1.5 Déterminer la vitesse de propagation sur la ligne. Comparer à la vitesse de la lumière. En déduire la constante diélectrique de l isolant utilisé pour cette ligne. Question 1.6 Déduire de ces mesures l affaiblissement sur une longueur de propagation (e α l ), ainsi que la constante d affaiblissement α. On rappelle que pour une ligne avec perte on peut écrire : V s = Ve e α l, avec V e et V s les tensions respectivement en entrée et en sortie de ligne. 2 Détermination du coefficient de réflexion au niveau de la charge Relever les oscillogrammes en entrée et sortie d une ligne de 100 m pour une terminaison de 150 Ω, de 22 Ω, ainsi que 0 Ω. Mesurer soigneusement les niveaux d impulsion. Question 2.1 Dans le cas d une ligne avec pertes, donner l expression des amplitudes des 3 impulsions observées dans le cas d une charge Z L quelconque et en fonction de la constante d affaiblissement α. Question 2.2 À partir de ces expressions, imaginer deux méthodes pour déterminer le coefficient de réflexion en bout de ligne. La première méthode sera basée sur les mesures effectuées uniquement sur la voie 1, connaissant la valeur de la constante d affaiblissement α. La deuxième méthode ne nécessite pas la détermination de α et est basée sur la mesure des impulsions sur la voie 2 connaissant les valeurs des impulsions mesurées en configuration circuit-ouvert. GMEE

4 Question 2.3 À partir des mesures effectuées, déterminer le coefficient de réflexion au niveau de la charge de deux façons différentes. Comparer avec la théorie. 3 Réflexion sur le générateur Brancher une charge 50 Ω en parallèle à l entrée du câble (sur l oscilloscope avec un Té supplémentaire). Relever les oscillogrammes observés en entrée et en sortie de la ligne. Ajouter maintenant une charge 50 Ω en sortie du câble et relever les oscillogrammes. Question 3.1 Expliquer dans chaque cas les relevés effectués. Vous pouvez utiliser la méthode du tableau. Question 3.2 Dans le premier cas étudié, comparer les deux premières impulsions mesurées sur la voie 1. En déduire le coefficient de réflexion en entrée de la ligne. 4 Mélange onde incidente - onde réfléchie Enlever la charge en entrée du câble. Charger la ligne par un circuit-ouvert (câble directement connecté à l oscilloscope). Augmenter progressivement la durée de l impulsion et observer les phénomènes qui se produisent. À partir de quelle largeur d impulsion observe-t-on un mélange entre l onde incidente et l onde réfléchie? GMEE

5 TP2 Ligne en régime harmonique : étude en fonction de la fréquence Consigne Placer les Tés permettant d effectuer les mesures à l oscilloscope sur l oscilloscope! Introduction L onde émise se propage à la même vitesse que dans le cas d une impulsion, toutefois, le fait que le signal soit permanent (un signal sinusoïdal) et non unique (une impulsion), produit un mélange entre ondes incidente et réfléchie appelé onde stationnaire. 1 Ondes progressives 1.1 Rappels théoriques Le câble de longueur l et d impédance caractéristique R c est alimenté par un générateur sinusoïdal E g d impédance interne R g = R c. Il est fermé en sortie par une charge Z L = R c. Le câble est donc adapté et le signal est transmis à la charge sans réflexion mais avec un retard. Dans ce cas le régime qui s établit sur cette ligne est appelé régime d ondes progressives. Ce régime correspond au régime de fonctionnement d une ligne le plus favorable pour le transport d énergie. On a dans ce cas : v e (t) = V e cos(ωt) et v s (t) = V s cos(ωt + ϕ), (1) avec v e (t) et v s (t) respectivement les tensions d entrée et de sortie de la ligne, et ϕ le déphasage entre la sortie et l entrée. Pour les calculs, nous préférons la représentation suivante qui est moins lourde : Le déphasage s exprime par la relation : v e (t) = V e e jωt et v s (t) = V s e (jωt+ϕ) = V s e jϕ e jωt. (2) ϕ = ω t = ωl v = 2π f l v = βl. (3) GLEE604 - TP hyperfréquences