TP HF Manipulation 4 ANTENNES HYPERFREQUENCES

TP HF Manipulation 4 - Antennes
TP HF Manipulation 4
ANTENNES HYPERFREQUENCES
I. Introduction
Une antenne est un dispositif assurant la transmission entre une onde
électromagnétique se propageant en espace libre et une onde guidée dans une ligne de
transmission. L’antenne peut servir à émettre une onde ou inversement à recevoir une onde se
propageant dans l’espace libre.
Les antennes sont utilisées dans des gammes de longueurs d’ondes très différentes
(millimétriques à kilométriques).
Nous allons étudier dans ce TP trois types d’antennes : pyramidal, exponentiel et
paraboloïde afin de mesurer leurs gains et de mesurer les paramètres du diagramme de
rayonnement.
II. Manipulation
A. Présentation du banc de mesure
1. Dispositif d’émission et dispositif de réception
Schéma d’émission
Atténuateur réglable
0 à 50 dB
DiodeGunn
A cos(ω * t )
Avec
antenne
ω = 2Π * f
f = 1000Hz
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Schéma de réception
Antenne de
réception
Indicateur de
Niveau (dB)
Boutons
importants :
Fréquence
gain
2. Réglages
Il est nécessaire de calibrer le générateur.
Pour cela il faut régler F0 à une fréquence de 9300MHz .Une fois cette opération
réalisée, il est nécessaire de relier l’émetteur et le récepteur sans antenne pour les étalonner.
Cette étape consiste dans un premier temps à régler la fréquence de l’indicateur de niveau
pour obtenir un maximum (9300MHz logiquement). Nous fixons ensuite, une fois pour
toutes, le gain du récepteur de manière à avoir une valeur médiane (ici, 1 dB) : ceci est notre
valeur de référence.
B. Mesure de gain par la méthode des 3 antennes
Le gain de l’antenne dans une direction (θ,ϕ) est le rapport de puissance P(θ,ϕ) à la
puissance que rayonnerait la source isotrope par unité d’angle solide, à condition que les
puissances d’alimentations soient les mêmes :
P(θ,ϕ)
G(θ,ϕ)=
Pa 4π
La puissance reçue par une antenne situé à une distance R de l’antenne émettrice est :
λ
Pr=Pa.Ge.Gr
4π R 2
Le gain est obtenu par :
2
( )
G(dB)=10log 4πR + 1 r(dB) avec r = Pr ( r valeur mesurée)
λ 2
Pa
Avec les 3 antennes,
rAB = G A ⋅ G B (
rAC = G A ⋅ GC (
rBC = G B ⋅ GC (
GB = (
4Π RBC
λ
λ
4Π R AB
λ
4Π R AC
λ
4ΠR BC
)2
rAB 4ΠR AB 2
⋅(
) = GA
GB
λ
)2
rAC 4Π R AC 2
⋅(
) = GC
GA
λ
)2
rBC 4Π RBC 2
⋅(
) = GB
GC
λ
) 2 ⋅ rBC ⋅
R
r
GA
λ
⋅(
) 2 = ( BC ) 2 ⋅ BC ⋅ G A
rAC 4Π R AC
R AC
rAC
2
d'
où
GA = (
d'
où
GA =
4Π R AB
λ
) 2 ⋅ rAB (
R AC 2 rAC
) ⋅
RBC
rBC
4Π R AB ⋅ R AC ⋅ rAB ⋅ rAC
⋅
λ
RBC ⋅ rBC
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De la même manière, nous obtenons :
GB =
4Π R AB ⋅ R BC ⋅ rAB ⋅ rBC
⋅
λ
R AC ⋅ rAC
GC =
et
Distance minimale entre antennes
4Π RBC ⋅ R AC ⋅ rBC ⋅ rAC
⋅
λ
R AB ⋅ rAB
2
La distance minimale à appliquer est de 2 D appelée distance de Fraunhofer. A cette
λ
distance, l’onde rayonnée est une onde sphérique et le diagramme de rayonnement est le
même quel que soit la distance.
d =2
D
2
λ
Pour le cornet pyramidal cela donne,
2
2
2
f 2×(0.105) ×9.3.106
d =2 D = 2 D =
=6.8 mm
c
λ
3.108
Mesure de la puissance Pr
Pour mesurer r, il faut faire varier la valeur de A (atténuation) de l’entrée de telle
manière à obtenir une valeur de référence sur l’indicateur de niveau. La différence par rapport
Ao − Ar
à l’étalonnage (30dB) correspond à (A0-Ar). r est alors calculé par : r =10 10
Emission : cornet pyramidal (A) – Réception : cornet exponentiel (B)
rAB =10−
30 − 2,4
10
=1,73.10−3
Emission : cornet pyramidal (A) – Réception : cornet paraboloïde (C)
rAC =10−
30 −11
10
=12,5.10−3
Emission : cornet exponentiel (B) – Réception : cornet paraboloïde (C)
rBC =10−
30 − 6,4
10
=4,36.10−3
Distance entre antennes : RAB = RAC = RBC = 368 cm
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Gain des 3 antennes
Gain de l’antenne à cornet pyramidal : GA = 20,04 dB
Gain de l’antenne à cornet exponentiel : GB = 15,47 dB
Gain de l’antenne paraboloïdale : GC = 24 dB
C. Etude du diagramme de rayonnement d’une antenne
Le diagramme de rayonnement représente les variations de la puissance que rayonne
l’antenne par unité d’angle solide dans les différentes régions de l’espace. Il présente
généralement un lobe principal de rayonnement et des lobes secondaires d’amplitudes
nettement plus faibles.
1. Diagramme de rayonnement du paraboloïde (voir graphique)
θ (°)
0
1
2
4
6
7
10
11
12
14
15
17
20
25
•
Ar(dB)
(Ao-Ar)dB
26
25,5
25
22
17,5
14,6
9,1
11,5
12,5
14,1
14,2
13,1
11
3,3
4
4,5
5
8
12,5
15,4
20,9
18,5
17,5
15,9
15,8
16,9
19
26,7
r = 10
−
A0 − AR
10
0,398
0,355
0,316
0,158
0,056
0,029
0,008
0,014
0,018
0,026
0,026
0,020
0,013
0,002
r/r(max)
1,000
0,891
0,794
0,398
0,141
0,072
0,020
0,035
0,045
0,065
0,066
0,051
0,032
0,005
Angle 2θ3
L’angle 2θ3 est l’angle d’ouverture à 3dB, c’est à dire l’angle que font les deux directions du
lobe principal entre elles selon lesquelles la puissance est divisée par 2 par rapport à la
puissance maximale.
2θ3 = 8°
Vérification par la théorie : 2θ3 = 70×λ/D = 7.5 ° ≈ 8°
•
Maximum du premier lobe secondaire
N1 = 16dB
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Le niveau N1 du premier lobe secondaire doit être inférieur à –20dB pour une application dans
les télécoms. Donc, le N1 obtenu n’est pas très bon.
•
θmin
θmin = 10°
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2. Ouverture à 3dB du cornet pyramidal
Méthode à suivre :
•
•
•
•
Faire pivoter l’antenne de réception de telle manière à obtenir un niveau
maximum de réception.
Régler l’atténuateur d’entrée pour lire la valeur de référence en réception.
Noter la valeur de l’atténuateur par exemple 20 dB .
Nous savons que l’angle θ3 correspond à une atténuation de 3dB. En
conséquence, nous réglons l’atténuateur d’entrée sur la valeur 17dB (20-3).
Il suffit alors de faire pivoter l’antenne de réception de manière à positionner l’aiguille
sur le niveau de référence. L’angle alors formé par rapport au niveau maximum constitue
l’angle θ3.
2θ3 = 15,6 °
3. Diagramme de rayonnement d’une antenne à fentes
Une antenne à fentes est un dispositif constitué d’un ensemble de fentes dont chaque
fente correspond alors à une source élémentaire.
Fréquence Fo correspondant à une direction de rayonnement maximal normale à
l’antenne
d=
λg
2
λg = 2×d = 2×2,16=4,32cm
Grâce à l’annexe II sur les caractéristiques des guides d’ondes rectangulaires, on trouve Fo = 9,5 Ghz
et λ = 3,1555 cm
Variation de la direction de rayonnement maximal
La direction de rayonnement maximal est obtenu par :
cos(α o)= λ − λ
λg 2d
Fo - 250Mhz = 9.25 Ghz
Fo + 250Mhz = 9.25 Ghz
λ = 3,2408 cm et λ = 4,5945 cm
λ = 3,0746 cm et λ = 4,1543 cm
∆αo = 4,582 °
αo= 92,56°
αo= 87,97°
La fréquence influe donc de la direction de rayonnement maximal de manière non
négligeable.
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III.Conclusion
Ce TP nous a permis de mettre en évidence les différences des antennes mises à notre
disposition. A la fréquence d’étude (9300 MHz), l’antenne paraboloïdale apparaît comme la
plus performante (G=22dB). Le cornet pyramidal possède un gain intéressant de l’ordre de 20
dB. Enfin, le plus gros écart de gain vient du cornet pyramidal avec 15,7 dB.
L’étude du diagramme de rayonnement du paraboloïde nous a permis de confondre les
résultats théoriques et pratiques. L’exemple le plus concret est la valeur de l’angle 2θ3.
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