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ce blog est à vocation informative et éducative sur les sciences physiques en particulier et sur les autres sciences en général...il ouvre des pistes de réflexion, fournit des explications à la demande, propose des solutions...
il est aussi à vocation humaniste...c'est pourquoi d'autres rubriques sont ouvertes: art, philosophie, poésie...

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Mercredi 21 novembre 2007
publié dans : i-e 6: CFBS Faisceaux Hertziens


troisième leçon

Introduction


- que signifie le terme espace libre?

c'est l'espace proposé à la propagation du faisceau entre l'emetteur et le récepteur, dénué de tout obstacle occultant ( masque) réfléchissant ( miroir)  diffractant ( objet à bord ou semi occultant) ou absorbant ( feuillage, hydrométéores), bref un espace "vide" .

- que signifie celui d'atténuation ?

l'atténuation  est en électronique le rapport entre grandeur de sortie sur grandeur d'entrée, exemple :

tension d'entrée 10V  tension de sortie  2V    
atténuation :    A  = 0,2  sans unité

puissance d'entrée  100 W     de sortie  50 W  
atténuation :  A = 50/100  = 0,5   toujours sans unité

en fait, l'atténuation est une amplification < 1

Cette atténuation, peut aussi s'exprimer en niveau d'atténuation
:

                        A dB = 10 log A

pour les 2 exemple ci-dessus cela donnerait :

AdB = 10 log 0,2 = -7    et  A dB = 10 log 0,5 = -3

Faisceaux Hertziens:

soit Pe la puissance de l'émetteur au niveau du dipôle émetteur  et  Ge le gain de l'antenne

cherchons la puissance reçue par l'antenne de gain Gr ( et d'aire équivalente Ar )

soit f la fréquence d'émission de la porteuse  c la célérité du FH

( et donc lambda = c/ f  sa longueur d'onde )

soit d la distance émetteur-récepteur

PIRE de l'émetteur:  PIRE = Pe.Ge   

Eclairement (reçue par l'antenne du récepteur:  

S = PIRE / 4pid2 en propagation isotrope équivalente.

Puissance ( à demi hauteur) reçue par l'antenne et concentrée sur le dipôle récepteur: 

Pr = S.Ar = PIRE.Ar /  4pi d2

rappel sur les gains (voir leçon 2) :  G = 4pi A / lambda2  

où A est toujours l'aire équivalente à demi puissance.

donc Pr = PIRE. Gr.lambda2/ 4pi.4pi d
( faire le calcul crayon en main )

soit PIRE.Gr.lambda2/ ( 4pi d)2 ( ne pas lâcher le crayon!)

comme lambda = c / f, on aboutit à la relation:

Pr = PIRE. Gr.c2/ (4pifd)2

Enfin, à partir de l'expression de la PIRE, on obtient :
 

                                 Pr = PeGec2 /(4pifd)2


par définition le terme  c2 / ( 4pifd)2  est l'AEL   ( atténuation en espace libre).


son niveau dB est donné par    AELdB = 20 logc -20log4pi - 20logf - 20logd

avec c = 3 108 m/s dans l'air sec, 4pi = 12,56... on obtient le développement suivant:

AELdB =  169,5  - 21,98  -20 logf - 20 log d = 147,5 - 20log f - 20log d

unités pratiques pour le calcul de l'AELdB:  f en GHz et d en km

avec fGHz = f / 109  et d km = d / 103  on obtient :

AELdB = 147,5 - 20 log (fGHz.109) - 20 log (dkm.103)

or  20log109 = 180      et  20log103= 60   d'où :     

         
AELdB= - 92,5 - 20 logfGHz - 20 logdkm

commentaire:  l'AEL est en niveau négatif et sa valeur absolue augmente avec:

- la fréquence: les fréquences élevées sont plus atténuées que les fréquences basses

- la distance qui en augmentant atténue la puissance recue


bilan hertzien en espace libre, d'antenne à antenne:

Pr = Pe.Ge.Gr.AEL devient en niveau de puissance bien sûr: 

10 log P = 10log Pe + 10logGe + 10logG + 10 log AEL

avec Pe en mW et Pr en mW le bilan devient 


Pr
dBm =  PedBm + GedB + GrdB - ( 92,5 + 20 log fGHz +20 logdkm)

exemple classique:  

niveau de puissance émetteur:  40dBm  ( 10 W = 1000 mW ) 
                                                        gain GedB = 30

fréquence 2 GHz     distance 50 km  

récepteur: gain GrdB = 30


AELdB = - 92,5 - 20 log 2 - 20 log 50 = - 128,2

PrdBm = 40 + 30 + 30 -128,2 = -28,2 dBm  

conversion en puissance: Pr mW  = 10 PrdBm/10 = 1,51 mW = 1514 mW


leçon précédente 2: Puissance rayonnée, PIRE, Gain
leçon suivante      4: Ellipsoïde de Fresnel
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Mardi 19 décembre 2006
par jean marie bourven publié dans : i-e 6: CFBS Faisceaux Hertziens
voici la correction des exercices posés hier et proposés en évaluation ce jour aux TSO 5 bis
( option électronique)

première partie:

étude physiquesdes conditions d'émission:

1) longueur d'onde lamda (cm) = 30/ f(GHz)                     AN: lamda = 14.3 cm
2) Ge = 10 GedB/10                                                         AN:10 27,8/10 = 603
3) Ge = 4piA/lamda²                                                      AN:  A = 1 m²
4) PIRE = GePe                                                           AN: PIRE = 1205W
5) S = PIRE/4pid²                                                         AN: S = 240 nW/m²
6) Pr = SD²                                                                  AN: Pr = 86 nW
7) Pr (dBm) = 10 log 8610-9 / 103  ( car 1 mW = 103nW)  AN: PrdBm = - 40,7 dBm
8) E = rac² (Sz)                                                            AN: E = 9.5 mV/m
9) AS = gamma.l                                                          AN: 0,07.30 = 2.1dB
10) Pr dBm = PrdBm - AS                                             AN: PrdBm = -42,8 dBm  *

* NB:  "des dBm - des dB  donne des dBm" ou encore XdBm - Y dB = (X-Y)dBm

seconde partie:

a) la stratégie revient à extraire d de l'équation des télécommunications

soit en calcul linéaire par  Pr = PeGeGr( lamda/4pid)²

soit en calcul log par PrdBm = PedBm + GedB + GrdB - 92,44 - 20logfGHz - 20 logdkm

b) on obtient après calcul numérique:

20logdkm = 66,11 AN: log d = 3.30                              AN:  dkm = 10 3.3 = 2000 km

bien sûr cette valeur de la portée est tout à fait théorique, et ne peut s'appliquer en vision directe du fait de la rotondité de la Terre...par contre elle montre les limites de la détection en distance " satellitaire" par exemple.

troisième partie:


1)  rayon de l'ellipsoïde au dessus de l'obstacle:

          ro = rac²( lamdad1/d)                                      AN: ro = 18m

     rayon de l'ellipsoïde au centre (d/2)

         r = 1/2rac²(lamda.d)                                        AN: r = 18,5m

2) correction de rotondité de la Terre

      on posera k= 1 à défaut d'autres données sur la réfraction

      h = d² / 8a où a = rayon terrestre = 6370km

                                                                             AN:  h = 7,8m

 
le relèvement du profil "Terre plate + obstacle" se fait suivant la figure ci-dessous:



le calcul donne donc pour l'élévation théorique des antennes E et R: 

                                        H = 7,8 + 8 + 18,5 = 34,3m

compte tenu de l'élévation des promontoires naturels de E et R :

relèvement de E   He = H - 25 = 9.3m

relèvement de R   Hr = H - 10 = 24,3m




bravo aux stagiaires: Nicolas, Eric, Frédéric, Nicolas et Guillaume qui ont passé cette épreuve avec succès !

à bientôt pour le traitement en ondelettes ( prévu pour Février ) bonnes fêtes à vous 5





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Lundi 18 décembre 2006
par jean marie bourven publié dans : i-e 6: CFBS Faisceaux Hertziens

Faisceaux Hertziens                exercices d’application              JMB / DGA-CFBS

 

première partie

 

milieu de propagation : air sec  z = 377 W  c = 3.108 m.s-1

porteuse du signal étudié : harmonique de 2,1 GHz

antenne d’émission  GEdB = 27,8    au niveau du dipôle émetteur:  Pe = 2W

antenne de réception : D = 6 dm

distance émetteur récepteur  d = 20 km

 

étude physique des conditions d’émission:

 

1) déterminer la longueur d’onde l de la porteuse

 

2) calculer le gain Ge de l’antenne émettrice

 

3) déterminer l’aire équivalente A de cette antenne

 

4) calculer la PIRE de l’émetteur

 

étude physique des conditions de réception:

 

5) calculer le vecteur de Poynting S reçu à la distance d

 

6) calculer la puissance Pr reçue par l’antenne de réception lorsqu’elle est  normale au vecteur

     de Poynting S

 

7) calculer son niveau de puissance Pr dBm

 

8) en déduire la valeur du champ électrique E  reçu par le dipôle récepteur placé au foyer de

    cette antenne

 

amenée du signal aux équipements de détection :

 

des feeders de longueur 30m relient l’antenne de réception aux équipements électroniques

coefficient de pertes : 0,07 dB/m

 

9) calculer l’affaiblissement supplémentaire AS par les feeders

 

10) en déduire le niveau de  puissance P’rdBm effectivement reçue par la détection

seconde partie :


cf  la doc technique ci-dessus ( SODIELEC société sise à St Georges de Luzançon  12 )

 

pour calculer la portée théorique en air sec du faisceau suivant émis par une antenne de dimension 180 cm et capturée par une antenne cornet :   f = 4,4 Ghz

 

a) procéder à la mise au point d’une méthode de calcul

 

b) réaliser le calcul

 

troisième partie : profil de terrain et tir en visibilité horizontal (TVH)

 

le FH ci-dessus est tiré à partir d’un promontoire de 25m vers une cible situé à 6 km de distance et de hauteur naturelle 10m

 

 le profil de terrain est relevé ci-dessous:


1) évaluer le dégagement du premier ellipsoïde de Fresnel

 

2) calculer la correction de rotondité entre les deux horizons d’altitude 0m

 

3) calculer les hauteurs de pylônes pour passer le TVH au-dessus de la rotondité et des obstacles


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Dimanche 19 novembre 2006
par jean marie bourven publié dans : i-e 6: CFBS Faisceaux Hertziens
                     une édition intégrale de mes interventions et conférences

                    "Faisceaux Hertziens et Electronique Hautes-Fréquences"

                       dispensées depuis 5 ans  au CFBS de Bourges

          pour le compte des personnels civils et militaires du Ministère de la Défense

                        est  mise en ligne sur ce blog .



elle comprend:

- une présentation des notions élémentaires

- une série de petits exercices corrigés

- une étude de liaison par FH numérique (cas concret)

 
La présentation des articles est progressive et se fait dans l'ordre de lecture  et non dans l'ordre chronologique de leur écriture.

Ce cours sur les faisceaux hertziens est un résumé des interventions que je mène au sein de la Délégation Générale à l'Armement (DGA) sur le site du CFBS de Bourges; ce cours est destiné au personnels civils et aux techniciens militaires du Ministère de la Défense

Il n'a absolument rien de confidentiel, et ne traite dans ce blog, que de l'aspect physique et technologique des FH...

Il peut donc être utile à tous ceux qui s'intéressent à la télécommunication

Concernant les illustrations présentes, certains clichés ont été trouvés sur le Net, par le moteur de recherche Google ( si j'omets de citer les auteurs qu'ils me pardonnent et me le fassent savoir, je corrigerai ces oublis sans faute) d'autres clichés et tous les schémas sont de ma main ( je les mets à la disposition de tous, sans copyright, ils peuvent être sans aucun problème copiés et reproduits).


Certains liens sont extrêment intéressants à consulter, par exemple celui de Olivier Guillard, très riche en illustrations photographiques ( consulter la liste des liens )

http://pagesperso-orange.fr/oguillard/




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Dimanche 19 novembre 2006
par jean marie bourven publié dans : i-e 6: CFBS Faisceaux Hertziens

Première leçon: définitions et caractéristiques générales des FH








un faisceau hertzien est une liaison haute fréquence "point à point " destinée à véhiculer sur une porteuse harmonique un signal analogique ou un signal numérique, enfermé dans un ellipsoïde de Fresnel.


hautes fréquences: ce sont les fréquences allant approximativement de 300 kHz à 30 GHz

point à point: signifie que le tir du faisceau est dirigé de l'émetteur ( fixe ou mobile)  vers un récepteur bien ciblé, en général fixe, contrairement au broadcasting qui "arrose" l'espace pour atteindre une infinité de récepteurs ( exemple: émetteur radio, TNT, WiFi )

- afin de concentrer ce tir, le dipôle émetteur est placé au foyer d'une parabole

- afin d'augmenter sa sensibilité, le dipôle récepteur est lui aussi placé au foyer d'une parabole

- afin de franchir certains obstacles naturels, arbres et reliefs, bâtiments, rotondité de la Terre sur les distances  > 5 km ...les paraboles sont surélevées par rapport au sol à l'aide de mats métalliques, ou montées aux sommets de promontoires naturels

exemple de  mât hertzien   ( origine du cliché:  Internet )


voici ci-dessus un mât hertzien constitué de son pilône et équipé de paraboles d'émission et/ou de réception: certaines sont équipées d'un radôme qui protège le dipôle des intempéries, la parabole en bas à droite présente un dipôle non protégé suspendu par des bracons (sustentes le liant à la parabole)

la porteuse: c'est une onde électromagnétique entretenue le temps de l'émission

c'est elle qui est caractérisée par la fréquence:

en VHF cette fréquence va de 30 à 300 MHz
en UHF de 300 MHz à 3 GHz 
en SHF de 3 à 30GHz
en EHF ( ondes millimétriques) de 30 à 300 GHz ...
          ( typiquement de 37,5 à 40 et de 50 à 60 à GHz pour les FH militaires)
 
comme elle vibre suivant une loi sinusoïdale: E = Ê e jwt

on la qualifie de porteuse
harmonique

voici un schéma de sa structure spatio-temporelle



le signal:
  c'est l'information qui va se superposer, se combiner à la porteuse...

il peut être analogique ( modulation d'amplitude ou de modulation de fréquence)...


mais il est de plus en plus souvent numérique ( modulation de type MDP ou modulation MAQ )

un signal numérique est bien plus facile à crypter ( communications confidentielles ou classifiées) qu'un signal analogique, de plus sa qualité de réception est bien meilleure à faible puissance émise


l'ellipsoïde de Fresnel
: zone de l'espace rejoignant le centre de l'émetteur au centre du récepteur caractérisé par le fait que l'ensemble des rayons qui se propagent à l'intérieur de son enveloppe ( en forme d'ellipsoïde) ne se détruisent pas mutuellement par interférence; le rendement en puissance transmise y est optimal.


-leçon suivante 2:la puissance d'émission, la propagation  la puissance reçue
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