Systèmes et propagation pour les télécommunications RF et HF
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Systèmes et propagation pour les télécommunications RF et HF
Master M1 IST – IFIPS E 2 UE 434 Université Paris XI - ENS Cachan Systèmes et propagation pour les télécommunications RF et HF Examen du 5 septembre 2005 Durée : 3 heures. Aucun document n'est autorisé. Seules les calculatrices de la formation sont acceptées. Les portables doivent être éteints. Les parties I et II doivent être rédigées sur des copies séparées. Deux copies par étudiant doivent donc être remises en fin d’épreuve. I. Antennes A - Questions de cours On considère une ouverture rayonnante de forme rectangulaire dans le plan z = 0. Elle s'étend entre x = -a/2 et +a/2 suivant l'axe (Ox) et y = -b/2 et +b/2 suivant l'axe (Oy). Le champ électrique r r dans le plan de l'ouverture (loi d'illumination) est de la forme E ouv = E ouv ( x , y) e x . Le point d'observation M, de coordonnées sphériques (r,θ,ϕ), est situé à grande distance de l'ouverture. La r r caractéristique vectorielle de rayonnement de l'ouverture est notée F = F(α, β) e pol où (α,β,γ) sont r les coordonnées cartésiennes du vecteur u repérant la direction d'observation (OM). La longueur d'onde d'émission est notée λ. 1. A quelles conditions le point M peut-il être considéré à grande distance de l'ouverture ? 2. Exprimer α, β et γ en fonction de θ et ϕ. 3. Donner la relation liant F(α,β) à Eouv(x,y) puis celle liant le champ électrique rayonné en M à la r caractéristique vectorielle F . 4. Définir en quelques mots (et équation(s) si nécessaire) la directivité d'une antenne. B - Exercice : Ouverture rayonnante carrée On considère l'ouverture rayonnante décrite dans la partie I.A. On suppose de plus a = b >> λ. 1. Dans le cas d'une loi d'illumination uniforme, calculer F(α,β) puis tracer en la justifiant l'allure du diagramme de rayonnement dans le plan x = 0. Qu'en est-il dans le plan y = 0 ? 2004-2005 1 Master M1 IST – IFIPS E 2 2. UE 434 Université Paris XI - ENS Cachan Exprimer dans les conditions énoncées précédemment la largeur ∆θ du lobe principal de rayonnement en fonction de λ et a puis calculer le niveau Ns de lobe secondaire. 3. r Toujours dans les mêmes conditions, calculer la directivité de l'ouverture dans la direction u telle que α = β = 0 et γ = 1. On rappelle que : 2 D(α; β) = 4π ∫∫ E(x, y) e jk ( α.x +β.y ) dx dy ouverture ∫∫ E λ 2 2 ( x, y) dx dy ouverture ⎛ πy ⎞ 4. La loi d'illumination s'exprime désormais sous la forme : E' ( x; y) = E 0 cos 2 ⎜ ⎟ . Démontrer ⎝ a ⎠ que la F(α, β) = caractéristique vectorielle de rayonnement peut s'écrire sous la forme jkE 0 A(α) B(β) où A(α) est une loi obtenue à la question 1 et : 2π ⎛ πaβ ⎞ sin ⎜ ⎟ a π2 λ ⎠ ⎝ B(β) = 2 πaβ 2 ⎛ πaβ ⎞ 2 π −⎜ ⎟ λ ⎝ λ ⎠ L'allure du diagramme de rayonnement dans le plan y = 0 est donnée pour a = 10λ sur la figure Diagramme de rayonnement suivante : 1 0,8 0,6 0,4 0,2 0 -1 -0,5 0 0,5 1 Cosinus directeur α 5. Comparer qualitativement ce diagramme de rayonnement à celui tracé à la question 1 puis exprimer dans le cas de la loi E' et dans le plan y = 0 la largeur ∆θ' du lobe principal de rayonnement en fonction de λ et a. Calculer enfin le niveau Ns' de lobe secondaire. 2004-2005 2 Master M1 IST – IFIPS E 2 UE 434 Université Paris XI - ENS Cachan 6. Calculer la directivité de dans la direction α = β = 0 et γ = 1. Comparer l'expression obtenue au cas de la loi d'illumination uniforme. Conclusion ? II. Circuits et composants A - Questions de cours 1. Quels sont les paramètres physiquement mesurables d’un quadripôle utilisé dans le domaine des hyperfréquences ? Préciser leur signification. 2. Que représente l'abaque de Smith ? 3. Si on considère une impédance ZL placée à la fin d'un tronçon de ligne sans pertes et d'impédance caractéristique RC et de longueur d, comment obtient-on à l'aide de l'abaque de Smith la valeur de l'impédance Zr ramenée en entrée de ligne ? 4. Rappeler la définition d'un stub. Pourquoi utilise-t-on ce composant passif pour réaliser des adaptations d'impédance ? B - Exercice : Etude d'un quadripôle et adaptation d'impédance 1 - Adaptation d'impédance On se place dans la situation décrite à la question II.A.3. et schématisée sur la figure suivante. On prendra ZC = 50 Ω. On a ZL = (25 + j100) Ω, la vitesse des ondes électromagnétiques sur la ligne est u = 2,1 × 108 m.s-1, la fréquence est f = 2,5 GHz et on donne d = 1,63 cm. B A ZL d a) Donner l'expression de l'impédance vue au point B en fonction de ZL, ZC, d, u et f. b) Placer les points A et B sur l'abaque de Smith et en déduire la valeur de l'impédance au point B (des abaques de Smith sont donnés en annexe). 2004-2005 3 Master M1 IST – IFIPS E 2 UE 434 Université Paris XI - ENS Cachan c) Déterminer la position et la longueur du stub permettant d'adapter l'impédance vue au point B à l'impédance caractéristique Z C (donner les différentes solutions éventuelles). d) Réaliser l'adaptation d'impédance vue au point B à l'aide de composants réactifs discrets. 2 - Paramètres S Le constructeur de l'amplificateur TSH690 fournit les paramètres S mesurés à diverses fréquences. A 900 MHz on obtient : Coefficient S11 S12 S 21 S 22 Module 0,374 0,013 7,783 0,438 Argument -154,1° 89,7° 155,8° 166,4° L'amplificateur est chargé par une impédance égale à l'impédance caractéristique Z C = 50 Ω . a) Donner le coefficient de réflexion ρin puis l'impédance Zin à l'entrée (port 1) de l'amplificateur en fonction des paramètres S de l'amplificateur et de ZC. Application numérique. b) Donner l'expression de ρin puis de Zin quand l'amplificateur est chargé par une impédance quelconque ZL. 2004-2005 4