Transformation de front d’ondes par des méthodes
matricielles
Comportement du champ en fonction de la distance
L’espace entourant un système rayonnant de dimensions maximales Dmax est divisé en trois zones de rayonnement (Fig. 1.1). Le champ EM se propage dans l’espace avec des propriétés qui évoluent en fonction de la distance. La première zone dite région de champ proche réactif est définie comme l’espace entourant immédiatement l’antenne sous test (AST) et dans laquelle le champ réactif (ondes évanescentes) est prédominant. Ces ondes évanescentes ne participent pas au rayonnement de l’antenne puisque l’énergie réactive associée tend vers zéro lorsque la distance R entre le système rayonnant et le point d’observation tend vers l’infini. Pour la plupart des antennes, la limite extérieure de cette région est souvent prise égale à 0.62q D3 max/λ, ou λ est la longueur d’onde dans le vide. La zone du champ proche (CP) rayonné ou la zone de Fresnel se situe entre la région du champ réactif et celle du champ lointain (CL). Dans cette zone, le champ évanescent n’existe plus. En revanche, le champ EM rayonné dépend encore de la distance d’observation. Il comporte non seulement une composante transverse mais aussi une composante radiale et la densité de puissance rayonnée varie avec la distance R. La limite intérieure est prise égale à la distance 0.62q D3 max/λ et la limite extérieure est de l’ordre 2D2 max/λ. Figure 1.1 – Définition des trois zones du champ électromagnétique. En champ lointain (zone de Fraunhofer) la distribution du champ EM est essentiellement indépendante de la distance d’observation. Dans cette région, les composantes du champ EM sont transversales et la distribution angulaire est indépendante de la distance radiale. Les champs électrique et magnétique sont reliés simplement par l’impédance d’onde dans le vide et la densité de puissance rayonnée décroît d’une façon monotone. C’est dans cette zone que sont définies les caractéristiques d’un système rayonnant. La limite du CL commence à partir de 2D2 max/λ.
Outils de caractérisation du rayonnement EM
Mesure d’antennes
L’objectif de la mesure d’antenne est d’obtenir les paramètres tels que le gain, la directivité, le diagramme de rayonnement, le niveau des lobes secondaires ou la bande passante. Pour la mesure du diagramme de rayonnement nous disposons de trois principales méthodes de mesure. – La mesure directe à grande distance, dite la mesure en champ lointain. – Les bases compactes. – Les techniques de mesure du champ proche dans les différents systèmes de coordonnées.
La mesure directe à grande distance : bases longues
Mesurer la réponse de l’antenne sous test (AST) en CL consiste à l’illuminer par une onde plane ou localement plane. Bien que cette condition ne soit pas idéalement réalisable, elle peut être approchée quand l’AST est placée loin de la source de l’éclairement. En tournant l’antenne sur elle-même sans modification de la direction d’arrivée de l’onde plane, nous mesurons le diagramme de rayonnement de l’antenne F~ (θ, φ) décrit par l’équation suivante : E~ (r, θ, φ) = F~ (θ, φ) exp(−jkr) r + o( ~r r ) (1.1) Figure 1.2 – Mesure directe en CL avec une antenne illuminée par une onde localement plane. À grande distance, la courbure du front d’onde sphérique δ (Fig. 1.2) produit par la source est considérée comme petite sur l’ouverture de l’AST. Nous essayons de quantifier la différence de phase (entre la courbure du front d’onde sphérique et l’ouverture de l’AST). À la distance r = 2D2 max/λ, le déphasage maximal sur la surface de l’antenne ne dépasse pas π/8, et on peut supposer que nous sommes à la limite inférieure de la zone du CL. Cette condition tend à réduire la distance de mesure en CL en acceptant un éventuel déphasage qui ne dépasse pas 22.5 ◦ . Cette méthode de mesure du diagramme de rayonnement présente les inconvénients suivants : – La limite de la région du CL r ≥ 2D2 max/λ est trop longue. En conséquence, il devient difficile de contrôler et de garder les réflexions indésirables dues au sol ou aux objets environnants en dessous d’un niveau acceptable. – Dans de nombreux cas, il peut être difficile de déplacer l’antenne à partir de l’environnement d’exploitation vers le site de mesure. – En général, ces techniques de mesure, sont onéreuses.
Les bases compactes
Figure 1.3 – (a) : principe des bases compactes (b) : serrations. Pour répondre aux exigences d’une mesure protégée contre les conditions environnementales, des bases de mesure dites compactes utilisant des systèmes focalisants pour générer une onde plane uniforme sur l’AST ont été développées dans les années soixante [3]. Le réflecteur d’une base compacte est montré à la Fig. 1.3, où une antenne source est utilisée pour illuminer le réflecteur qui convertit les ondes sphériques en ondes planes. Cette méthode présente l’avantage de pouvoir régénérer une onde plane à une distance beaucoup plus courte que celle qui serait nécessaire en mesure directe 2D2 max/λ. Ainsi, nous pouvons caractériser des AST plus grandes qu’en mesure directe et à plus haute fréquence. Néanmoins, l’onde plane créée par le réflecteur dépend de la qualité de sa surface. Les imperfections d’usinage (défauts de surface) sont d’autant plus sensibles que la fréquence est haute. Par ailleurs, à des fréquences plus basses, lorsque la taille du réflecteur est inférieur à 20λ environ [3], l’approximation de l’optique géométrique n’est plus vérifiée et la diffraction par les bords augmente fortement. Pour diminuer cette diffraction, les bords du réflecteur sont souvent taillés en forme de dent de scie dites « serrations ». Malgré cela, la base compacte perd de sa précision en basses fréquences.
La technique de mesure en champ proche
La troisième technique de caractérisation consiste à mesurer le champ EM sur une surface proche de l’AST puis, par un procédé numérique, à transformer le champ mesuré pour déterminer le CL de l’AST dans toutes les directions de l’espace. Ces mesures sont réalisées dans des chambres anéchoïques. Le principe de cette technique consiste à remplacer L’AST par des sources équivalentes distribuées sur la surface de mesure. Ces sources ne sont autres que les deux composantes tangentielles du CP électrique et/ou magnétique sondées sur cette surface. Le rayonnement de ces sources équivalentes reproduit le comportement de l’AST, y compris le CL. En principe la surface de mesure doit être fermée, même si parfois on peut négliger toute partie de cette surface sur laquelle le champ est nul (très faible). Il est possible d’utiliser des surfaces de mesure planaires pour la mesure des AST très directives (antenne cornet, antenne à réflecteur). Pour des surfaces de mesure cylindriques les antennes doivent être directives dans un plan (antenne station de base). En revanche les mesures sphériques sont adaptées à toutes les sortes d’antennes. En ce qui concerne les avantages et les inconvénients des trois techniques de caractérisation du champ EM, nous pouvons dire que la technique du champ proche est la plus avantageuse. Les bases compactes permettent une grande rapidité mais un coût beaucoup plus important avec une précision légèrement moindre. La caractérisation en CL montre une précision moyenne quand les mesures sont réalisées in situ et des problèmes de disponibilité (conditions météorologiques) quand les mesures ont lieu en espace libre. Par ailleurs, l’utilisation d’un réseau de sondes et la méthode de diffusion modulée en mesure CP offre la possibilité d’effectuer des mesures en temps quasi réel.
Mesure rapide de champ proche
En général, la mesure classique du CP combine deux aspects. Le premier consiste à échantillonner le champ EM (critère de Nyquist) et le deuxième à assurer un déplacement mécanique afin de balayer toute la surface de mesure. La combinaison de ces deux aspects nécessite un temps assez long. La technique de diffusion modulée permettrait de réduire ce temps par un facteur de 10 à 100, tout en maintenant un degré raisonnable de précision. Cependant l’utilisation de cette technique introduit d’autres sources d’imprécisions (le couplage mutuel entre les sondes de mesure). Figure 1.4 – Montage expérimental pour la mesure rapide au moyen d’un réseau de sondes par la méthode de la diffusion modulée. La méthode de diffusion modulée s’applique aux trois principaux systèmes d’acquisition du champ proche : planaire, cylindrique, ou sphérique. L’AST peut être soumise à un seul type de mouvement de rotation autour d’un axe de rotation et la mesure le long de l’autre dimension se fait par l’intermédiaire d’un balayage électronique linéaire pour la géométrie cylindrique ou layage électronique circulaire pour une géométrie sphérique. Comme expliqué dans [4], ce n’est pas le signal délivré par la sonde de mesure vers le récepteur qui est mesuré, mais c’est le champ diffracté par les sondes de mesure qui est capturé et mesuré par l’AST (configuration monostatique), ou une antenne auxiliaire (configuration bi-statique) comme le montre la Fig. 1.4. On pourrait aussi bien utiliser un réseau de sondes pour mesurer directement le signal sur les sites d’éléments. Cependant, un multiplexeur micro-ondes avec un nombre très élevé de canaux est nécessaire pour connecter les sondes au récepteur. La technique de diffusion modulée est une méthode qui permet d’éviter un tel multiplexeur à micro-onde et le coût et la complexité liés. La méthode de mesure en CP exploitant la diffusion modulée présente un avantage de rapidité par rapport aux autres méthodes de caractérisation d’antennes.
Remerciement |
