PHENOMENES DE PROPAGATION EN …

1 IUT 1 Grenoble Dt G nie Electrique et Informatique Industrielle 2 Physique : ph nom nes de PROPAGATION en radiofr quences Philippe Ferrari - 0 - PHENOMENES DE PROPAGATION EN RADIOFREQUENCES ELECTRONIQUE RAPIDE COURS IUT 1 Grenoble Dt G nie Electrique et Informatique Industrielle 2 Physique : ph nom nes de PROPAGATION en radiofr quences Philippe Ferrari - 1 - SOMMAIRE 1 INTRODUCTION 2 PR AMBULE : MISE EN VIDENCE DES PH NOM NES DE PROPAGATION EN LECTRONIQUE 2 LES FR QUENCES MICRO-ONDES 3 APPLICATIONS DES ONDES LECTROMAGN TIQUES 4 HISTORIQUE 4 QUELQUES APPLICATIONS TYPIQUES 5 CIRCUITS MICRO-ONDES ET M THODES D ANALYSE 7 2 LA LIGNE DE PROPAGATION ANALYSE PAR LA TH ORIE DES CIRCUITS 9 MOD LE CIRCUIT D UNE LIGNE DE PROPAGATION 9 EQUATIONS DIFF RENTIELLES COUPL ES 10 R GIME HARMONIQUE 11 EQUATIONS DE PROPAGATION

2 11 ETUDE G N RALE DES FONCTIONS vxtf ET + vxtf 13 CARACT RISTIQUES DES ONDES : IMP DANCE CARACT RISTIQUE, EXPOSANT DE PROPAGATION , COEFFICIENT DE R FLEXION 15 COEFFICIENTS DE R FLEXION ET DE TRANSMISSION RAPPORT D ONDES STATIONNAIRE (ROS) 17 ADAPTATION D IMP DANCE 21 ADAPTATION PARTIE R ELLE : TRANSFORMATEUR D ONDE 21 ADAPTATION PARTIE IMAGINAIRE : STUB 21 OUTILS D ANALYSE : ABAQUE DE SMITH PARAM TRES S GRAPHES DE FLUENCE 22 ABAQUE DE SMITH 22 PARAM TRES S - MATRICES 31 GRAPHES DE FLUENCE 37 INTRODUCTION AU R GIME TEMPOREL.

3 R FLECTOM TRIE TEMPORELLE 39 PRINCIPE 39 3 PRINCIPES DE LA CAO RF- ONDES 44 MOD LISATION 44 SIMULATION 45 4 PRINCIPES DES APPAREILS DE MESURE RF- ONDES 45 IUT 1 Grenoble Dt G nie Electrique et Informatique Industrielle 2 Physique : ph nom nes de PROPAGATION en radiofr quences Philippe Ferrari - 1 - IUT 1 Grenoble Dt G nie Electrique et Informatique Industrielle 2 Physique : ph nom nes de PROPAGATION en radiofr quences Philippe Ferrari - 2 - 1 Introduction Pr ambule : mise en vidence des ph nom nes de PROPAGATION en lectronique Il s agit ici de montrer que lorsque la fr quence des signaux se propageant sur une ligne augmente, il devient n cessaire de prendre en compte les ph nom nes de PROPAGATION .

4 Nous prenons une exp rience tr s simple qui consiste relier un g n rateur de tension sinuso dale (ggRv, ) une charge cR par l interm diaire de deux fils parall les A-B et C-D (Figure 1). La charge est reli e un voltm tre par un c ble coaxial de un m tre de longueur environ (longueur l). Figure 1. Mise en oeuvre des ph nom nes de PROPAGATION . Compte tenu de la longueur des fils de connexion, si la fr quence du g n rateur est inf rieure 1 MHz environ, la tension lue au voltm tre est videmment : gccglueRRRVV+=. Lorsque l on augmente la fr quence tout en conservant la tension efficace Vg constante, on constate que la tension lue varie. Si l on divise la longueur l par dix, soit un c ble coaxial de longueur 10 cm, on constate que ce ph nom ne se produit pour une fr quence dix fois sup rieure.

5 La tension lue au voltm tre d pend donc de la longueur du c ble coaxial et de la fr quence de fonctionnement. Pour comprendre ce ph nom ne, il faut faire appel la th orie de la PROPAGATION des ondes lectromagn tiques que nous allons d velopper. On peut d j affirmer que pour viter les ph nom nes de PROPAGATION dans les circuits lectroniques, il faut que la dimension de ces circuits soit plus petite que la longueur associ e la longueur d onde des signaux mis en jeu : fv= , avec v la vitesse des signaux et f leur fr quence. Plus la fr quence cro t, plus la longueur d onde diminue, plus les ph nom nes de PROPAGATION sont susceptibles d intervenir. D s l apparition de la miniaturisation apport e par la micro lectronique vers les ann es 1960, les lectroniciens ont cru longtemps qu ils allaient pouvoir viter les m thodes lourdes d analyse lectromagn tique qui permettent de prendre en compte les ph nom nes de PROPAGATION .

6 Mais les ambitions des lectroniciens ne se sont pas limit es qu la miniaturisation des circuits. Du fait du besoin accru de plages de fr quences libres pour les applications de t l communication, les fr quences de fonctionnement ont augment . De plus, la complexit de l architecture des circuits entra ne des couplages entre circuits qui ne peuvent se traiter que gr ce la th orie de l lectromagn tisme. Aucun lectronicien ne peut ignorer aujourd hui les concepts de base de l lectromagn tisme qui interviennent dans l analyse des circuits d lectronique rapide. lueV Rc gV ml1 Rg B A D C B IUT 1 Grenoble Dt G nie Electrique et Informatique Industrielle 2 Physique : ph nom nes de PROPAGATION en radiofr quences Philippe Ferrari - 3 - Dans le domaine de l lectronique rapide, nous consid rons des fr quences sup rieures la centaine de MHz.

7 Nous entrons alors dans le domaine des micro-ondes ou des hyperfr quences, allant de quelques centaines de MHz quelques centaines de GHz (109 Hz). Au-del des GHz, on trouve les THz (1012 Hz). Les fr quences micro-ondes Le terme micro-ondes est utilis pour d crire les ondes lectromagn tiques allant de 1 cm 1 m dans l air, correspondant des fr quences situ es entre 300 MHz et 300 GHz. Dans un milieu diff rent de l air, donc de permittivit relative sup rieure 1, ce spectre est d plac vers le bas car la vitesse de l onde est alors inf rieure la vitesse de la lumi re : rCv =, avec C la vitesse de la lumi re dans le vide, r la permittivit relative du milieu. Les ondes lectromagn tiques poss dant des longueurs d onde situ es entre 1 et 10 mm sont appel es ondes millim triques.

8 Le spectre infrarouge correspond des longueurs d ondes situ es entre 1 m et 1 mm. Ensuite, nous avons le spectre optique visible, le spectre ultraviolet, et finalement les rayons X. Divers modes de classification sont utilis s pour d signer les bandes de fr quence du spectre lectromagn tique. Ces classifications sont r sum es dans les tableaux 1 et 2. La classification en bandes RADAR (Tableau 2) date de la seconde guerre mondiale et demeure toujours d usage aujourd hui m me s il est recommand d utiliser la nouvelle classification militaire. Bande de fr quences D signation Applications typiques 3 3 KHz Very Low Frequency (VLF) Navigation, sonar 30 300 KHz Low Frequency (LF) Balises radio, aide la navigation 300 3000 KHz Medium Frequency (MF) Radiodiffusion AM, radio maritime 3 30 MHz High Frequency (HF) T l phone, t l graphe et fax, Radiodiffusions internationales ondes courtes, radio amateur, 30 300 MHz Very High Frequency (VHF) T l vision, Radiodiffusion FM, contr le du trafique a rien, aide la navigation 300 3000 MHz Ultra High Frequency (UHF)

9 T l vision, communications satellites, sondes radio, surveillance radar, aide la navigation 3 30 GHz Super High Frequency (SHF) Radar satellite, liaisons micro-ondes, communications mobiles, communications satellites 30 300 GHz Extreme High Frequency (EHF) Radar, exp riences Tableau 1. D signation des bandes de fr quence. IUT 1 Grenoble Dt G nie Electrique et Informatique Industrielle 2 Physique : ph nom nes de PROPAGATION en radiofr quences Philippe Ferrari - 4 - Fr quence D signation des bandes micro-ondes Ancienne Nouvelle 500 1000 MHz VHF C 1 2 GHz L D 2 3 GHz S E 3 4 GHz S F 4 6 GHz C G 6 8 GHz C H 8 10 GHz X I 10 12.

10 4 GHz X J 12,4 18 GHz Ku J 18 20 GHz K J 20 26,5 GHz K K 26,5 40 GHz Ka K Tableau 2. D signation militaire des bandes de fr quence micro-ondes. La Figure 2 donne une repr sentation de la correspondance entre fr quence et longueur dans le vide (1=r ). Figure 2. Correspondance fr quence longueur d onde dans le vide. Actuellement, avec le d veloppement de la t l phonie mobile autour de 900 MHz et 1800-2000 MHz, la d nomination Radiofr quences redevient utilis e.