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1 Electron S.R.L. Design Production & Trading of Educational Equipment B4510 UNIITE DIIDACTIIQUE LIIGNE DE TRANSMIISSIION MANUEL D IINSTRUCTIIONS Electron S.R.L. - MERLINO - MILAN ITALIE Tel ( ) Fax Web electron@electron.it B4510_05.DOC 09/2005 1

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3 SOMMAIRE 1 - INTRODUCTION 2 - EXERCICES No. 1 - Impédance caractéristique No. 2 - Atténuation No. 3 - Atténuation versus fréquence No. 4 - Impédance No. 5 - Ondes stationnaires No. 6 - Vitesse de phase et retard de phase No. 7 - Propagation des impulsions le long de la ligne 3 - GUIDE DE L INSTRUCTEUR 2

4 1 INTRODUCTION Le mot ligne, associé avec transmission, décrit un système câblé, de point à point. L énergie mise dans la ligne voyage le long des conducteurs vers la charge et, à l exception des petites pertes dans les fils, ne perd pas d énergie par rayonnement. Une ligne de transmission est considérée n importe quel moyen d emprisonnement électrique utilisé pour guider le flux d énergie par contact physique entre deux points d un système. Les conducteurs d énergie tombent dans les deux suivantes classes fondamentales de lignes de transmission: 1. Lignes parallèles bifilaires 2. Lignes coaxiales L unité didactique B4510 est un exemple de ligne du second type, longueur 100m, subdivisée en tronçons de 25m chacun, interconnectables pour obtenir la longueur entière. Les expériences et les investigations qu on fera sur ce type de ligne peuvent être facilement extrapolées et adopté à lignes du premier type. Le mot coaxial décrit un type de câble dans lequel les deux fils partager un axe central. Le conducteur plus grand doit être un tube creux de façon que le plus petit conducteur puisse s y adapter le long de l axe central. Pour tenir les conducteurs dans une position relative fixe, des entretoises sont positionnées internement au conducteur plus grand. Quand une isolation solide est utilisée pour la séparation, la constante diélectrique sera celle de l isolant. Le conducteur externe entoure complètement le conducteur central et est normalement mis à la masse. Le conducteur externe, mis à la masse, agit comme un blindage pour éviter le rayonnement du signal du câble ainsi que pour empêcher d entrer les interférences et le bruit qui pourraient affecter le signal désiré. A cause de cette disposition, le câble coaxial est également appelé câble blindé. 3

5 2 EXERCICES EXERCICE No. 1 IMPEDANCE CARACTERISTIQUE La constante de propagation Y et l impédance caractéristique Z o sont des paramètres utilisés pour décrire les propriétés de transmission d une ligne. Elles sont liées à d autres paramètres propres à toutes les lignes, comme capacité, inductance, résistance et conductance par unité de longueur. Les paramètres par unité de longueur sont habituellement indiqués par les symboles habituels fournis par une apostrophe: R, C, L et G sont respectivement la résistance, la capacité, l inductance, la conductance. R', C', L' et G' sont respectivement résistance, capacité, inductance, conductance par unité de longueur (mètre). Procéder comme suit: Mettre un court-circuit à la fin de la ligne et mesurer la résistance entre les conducteurs à l autre extrémité, avec un ohmmètre. Diviser par la longueur de la ligne (100m). Le résultat est R'. Avec la ligne encore court-circuité à un bout, mesurer l inductance entre les deux conducteurs de l autre extrémité en utilisant un pont de mesure RLC. Encore une fois diviser cette valeur par la longueur de la ligne pour obtenir L'. Avec la ligne ouverte aux deux extrémités mesurer la capacité entre les conducteurs, en utilisant le pont RLC. Calculer C'. Avec la ligne ouverte aux deux extrémités, mesurer la conductance. Utiliser un ohmmètre électronique (très haute impédance). Calculer G'. L impédance caractéristique de la ligne est, dans sa forme générale: Z O R' + JωL' G' + JωC' Vérifier avec un calcul à la fréquence de 1MHz que les valeurs mesurées pour R' et G' sont si petites par rapport aux autres deux termes qu elles peuvent être ignorées. Calculer pourtant L' Z O = C' Comparer ce résultat à l impédance nominale du câble, 50Ω. 4

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7 EXERCICE NO. 2 ATTENUATION L atténuation dans une ligne est due à pertes de puissance active dans la résistance ohmique R' et la conductance G'. L atténuation est définie dans un forme générale comme le rapport entre l amplitude de sortie et l amplitude d entrée. L atténuation de l amplitude peut être exprimée en db comme: V A V = 20Log V Mesurer l atténuation de la ligne comme suit: Fermer la ligne sur son impédance nominale de 50Ω. Utiliser l ohmmètre pour régler correctement l une des deux charges variables fournies. Connecter un générateur sinusoïdal à l autre extrémité. En supposant que le générateur ait une impédance de 50Ω, vous n avez besoin d aucune autre disposition pour l adapter à la ligne. En supposant que le générateur ait, par exemple, une impédance de sortie de 10Ω, régler l autre charge variable de l unité didactique à la différence entre 50Ω et cette valeur (c est à dire 40Ω) et placer la en série entre générateur et ligne. Si le générateur a impédance plus haute de 50Ω, effectuer une correcte adaptation en mettant une résistance adéquate en parallèle. Régler le générateur pour (par exemple) 70KHz et 5Vpp. Mesurer les tensions à différents points intermédiaires: 25, 50, 75m et 100m. Si vous utiliser un oscilloscope pour cette mesure, il est très pratique de mesurer les valeurs crête à crête. Vous pouvez aussi procéder avec un Voltmètre efficace vrai (RMS). Dans ce cas toutes les valeurs devront être RMS. Calculer les atténuations avec la formule ci-dessus. Calculer l atténuation pour les différents tronçons et ensuite le total. Voir que les atténuations exprimées en db s additionnent tandis que si vous répéter les calculs pour rapports de tension, vous devrez multiplier les diverses contributions pour obtenir le total. Mesurer les amplitudes d entrée et de sortie avec un oscilloscope à différentes valeurs de fréquence. Calculer l atténuation à chaque point de mesure. out in 5

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10 Note: vous pourriez être tenté d utiliser un oscilloscope double-canal avec une sonde à l entrée et un autre à la sortie de la ligne. Cela est ERRONE, puisque de cette façon les deux extrémités du blindage du câble seront court-circuitées à travers l oscilloscope. Si cette "boucle parasite " a une basse impédance, les mesures seront erronées (à haute fréquence). La connexion d une seule sonde à la masse à un bout de la ligne est même PIRE, parce que la sonde gauche, non reliée à la masse, captera du bruit. En conclusion, quand on travaille à haute fréquence (à basse fréquence les effets mentionnés ci-dessus sont pratiquement négligeables), utiliser une seule sonde de l oscilloscope, mouvant la sonde et sa masse d un bout à l autre de la ligne, tel que requis par l expérience. Egalement utiliser des niveaux du signal qui soient le plus hauts possibles, pour que les valeurs mesurées se distinguent nettement du bruit. Exécuter d abord une exploration sommaire de la gamme de 50KHz à 5MHz pour voir où le point de coupure est situé approximativement (le point à -3dB est celui où la tension de sortie devient fois l entrée), puis procéder avec mesures plus soignées dans le proximité de ce point. Tracer les résultats sur un papier logarithmique pour faciliter la recherche du point à -3dB. 6

11 EXERCICE NO. 3 ATTENUATION VERSUS FREQUENCE L atténuation d une ligne n est pas constante lorsque la fréquence augmente, puisque plusieurs effets dépendant de la haute-fréquence deviennent de plus en plus importants et ajoutent des pertes aux pertes données par R' et G' seulement. Un de ces effets est le soi-disant "effet de peau". La fonction Atténuation-versus-Fréquence est aussi appelée la caractéristique de fréquence de la ligne. La portion de la caractéristique de fréquence pour laquelle l atténuation reste remarquablement constante s appelle Bande Passante de la ligne. La fréquence de coupure de la ligne est définie comme la valeur de fréquence pour laquelle l atténuation augmente de 3dB sur la valeur au centre de la bande. Afin de mesurer la fréquence de coupure de la ligne, procéder comme suit: Préparer l unité didactique comme expliqué pour l Exercice 1, c est à dire fermée sur une charge adaptée à un bout et avec un générateur adapté sur l autre. Régler le générateur pour une sinusoïde, 5Vpp. Enregistrer et tracer la réponse en fréquence, puis localiser le point à 3dB pour déterminer la fréquence de coupure. 7

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13 EXERCICE NO. 4 IMPEDANCE L impédance d une ligne, comme on la voit du côté générateur, est déterminée par les caractéristiques physiques de la ligne et aussi par la fréquence et enfin par les conditions de charge à l extrémité. Nous allons mesurer l impédance d entrée de la ligne en trois conditions de charge: ouverte, court-circuitée et adaptée, c est à dire terminée par l impédance caractéristique. Procéder comme suit: Mettre en place l appareil comme montré dans les Fig. 4A et B. Les mesures seront effectuées à différentes valeurs de fréquence, convenablement choisies, par exemple: 0.1, 0.5, 1, 5, 10, 50, 100, 200, 300, 400, 500KHz et ainsi de suite jusqu à 1Mhz par étapes de 100KHz chacune. Utiliser une amplitude du signal d entrée constante: par exemple 10Vpp. A chaque point de mesure enregistrer la tension à l entrée de la ligne (V i ) et le courant d entrée. Ce dernier peut être calculé comme le rapport de la chute de tension sur R à la valeur de R. A partir de la tension d entrée et du courant, calculer le module de l impédance d entrée comme suit: VI VI ZI = = R I V I Au même point de mesure (même fréquence) enregistrer le déphasage entre la tension d entrée et le courant d entrée. Cela peut être fait en affichant la tension d entrée sur le canal 1 (Y1) et la chute de tension V 1 sur le canal 2 (Y2) de l oscilloscope double trace. Déclencher l oscilloscope par Y1. Mesurer la période de l onde V i qui apparaît sur l écran (en mm). Mesurer le retard entre les ondes V i et V 1 par la distance (en mm) des respectives intersections avec l axe horizontal. Calculer le déphasage (en degrés) comme: 1 ϕ = retard(mm) 360 période(mm) 8

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16 Une fois les résultats des mesures sont rassemblés, tracer le module et la phase de l impédance sur des graphiques montrant la fréquence sur l axe horizontal, en échelle logarithmique. Répéter la procédure pour les cas où la ligne est court-circuitée à l extrémité et fermée sur une charge adaptée. Construire les graphiques comme ci-dessus à nouveau. 9

17 EXERCICE NO. 5 ONDES STATIONNAIRES Dans une ligne, la puissance qui circule du générateur à la charge se réfléchit au côté de la charge; l amplitude de la réflexion dépend du degré de désadaptation de la charge à la ligne. L onde directe et l onde réfléchie se superposent et génèrent les soi-disant "ondes stationnaires" dans la ligne. Dans l expérience on examinera le diagramme de l onde stationnaire le long de la ligne, et on mesurera le rapport d onde stationnaire (ROS), dans le trois cas de ligne ouverte (charge infinie), ligne adaptée (charge égale à l impédance caractéristique de la ligne) et ligne court-circuitée (charge nulle). Utiliser le lay-out montré en Figure 5. Etudier d abord le cas de ligne ouverte: Régler le générateur pour une sinusoïde de 10Vpp, 50KHz. Progressivement augmenter la fréquence, à amplitude constante, pour chercher la première valeur de fréquence à laquelle la tension de sortie atteint le maximum. Augmenter la fréquence plus loin et trouver la fréquence du deuxième et troisième pic des tensions de sortie. Enregistrer ces valeurs et noter que le rapport entre les valeurs mesurées devrait être: f 3 = 2 f 2 = 4f 1. La situation des ondes stationnaires dans la ligne au trois fréquences de mesure devrait être telle que représentée dans la Figure 5C. Vérifier cela en mesurant les tensions aux points intermédiaires (25, 50 et 75m). Dessinez les graphiques pour chaque fréquence de travail, tracez les valeurs mesurées. Répéter les mesures aux points intermédiaires et à l extrémité pour les cas de ligne court-circuitée et ligne adaptée. Encore tracer les résultats sur des graphiques comme ci-dessus. Calculer le ROS pour la ligne ouverte en prenant sur les graphiques que vous avez construits les valeurs maximum et minimum enregistrés le long de la ligne. Utiliser cette formule pour le ROS: Vmax S = V Enfin calculer le Coefficient de Réflexion comme: min R = S 1 S

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21 EXERCICE NO. 6 VITESSE DE PHASE AND RETARD DE PHASE La propagation des signaux le long de la ligne se produit à une vitesse qui est nettement inférieure à la vitesse de la lumière, et est liée à la caractéristique de la ligne. La vitesse de la lumière est la vitesse maximale théorique de propagation des ondes électromagnétiques dans l espace ouvert. Comme résultat du temps de propagation non nul, les signaux apparaissent à la sortie de la ligne avec un certain retard sur l entrée. Avec cette expérience, on va mesurer la Vitesse de Phase et le Retard de Phase. Utiliser l organisation de la Fig. 6. Appliquer une sinusoïde de 5Vpp. A une donnée valeur de fréquence (par exemple 1MHz), mesurer l angle de phase entre le signal de sortie et le signal d entrée. - Calculer la vitesse de phase, v, avec la formule: v = f l 360 ϕ Où: f = fréquence, l = longueur de la ligne. Comparer la valeur de v trouvée précédemment avec la suivante autre formule pour v en fonction des paramètres physiques de la ligne (se référer aux précédents Exercices pour les valeurs de L et C) : v = 1 L' C' Le retard de phase, t, est défini comme le quotient de la longueur de la ligne, l, à la vitesse de phase, v : Calculer t pour notre cas. t = l v 11

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23 EXERCICE NO. 7 PROPAGATION DES IMPULSIONS LE LONG DE LA LIGNE Dans une ligne alimentée par un générateur d impulsions d un côté et terminée sur une certaine charge à l autre, les impulsions sont réfléchies vers l arrière de la charge au générateur, comme résultat d une désadaptation de la charge à l impédance caractéristique de la ligne. Si l impédance du générateur n est pas adaptée à la ligne, cette onde réfléchie est encore partialement réfléchie et ainsi de suite. Utiliser la disposition montrée dans la Fig. 7 et procéder comme suit: Régler le générateur d impulsions pour une fréquence de répétition de 200KHz et une durée d impulsion de 0.5microsec. Utiliser une impulsion positive avec une amplitude de 5V. Adapter le générateur à la ligne et étudier d abord le cas de ligne ouverte à l autre extrémité (charge infinie). Observer la forme d onde du côté générateur avec l oscilloscope. Cela a pour résultat la superposition de l onde réfléchie à l onde transmise. Répéter pour différentes conditions de charge (R = 0 et R = impédance caractéristique). Esquisser et enregistrer les formes d onde observées pour chaque cas. 12

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25 4 GUIDE DE L INSTRUCTEUR 1 - Planification Les travaux de laboratoire sur cette unité didactique peuvent être programmés après que l étudiant a familiarisé sur les procédures de gestion générales des instruments de laboratoire, et évidemment après qu il a étudié le sujets des lignes de transmission du point de vue théorique dans un Cours de télécommunications. 2 - Sécurité Le B4510 est fabriqué suivant des normes adéquates dans ce qui concerne la sécurité du personnel et de l appareil lui-même. Le module ne nécessite d aucune alimentation. Seulement la connexion et l utilisation des instruments de laboratoire ordinaires est nécessaire, pour lesquels les procédures générales de sécurité d un laboratoire s appliquent. 13