Sujet du TP - Olivier PIGAGLIO

ENSEEIHT – 2ème année Electronique
TP Hyperfréquences
Manipulations pratiques
TP n°3
Coupleur directif
TPH3- 1
mise à jour le : 26 novembre 2008
ENSEEIHT – 2ème année Electronique
L'objectif de ce TP est la mesure du coefficient de couplage et de la directivité d’un
coupleur directif en croix réalisé en technologie guide d’onde.
I. Principe et description d’un coupleur
I.1. Qu’est-ce qu’un coupleur ?
Un coupleur est un dispositif hyperfréquence passif dont l’utilité principale est de transférer
un signal sur une voie couplée pour asservir un dispositif amont ou pour récupérer le signal
émis et en faire un traitement avec ou sans un autre signal (un exemple de cela sera donné
ci-après).
Il est possible de réaliser un coupleur gravé sur substrat, le couplage dans ce cas se fait par
rayonnement entre deux lignes parallèles. La valeur du couplage du dispositif est alors
obtenu par les longueurs des lignes, l’espacement des lignes et les surfaces vues par les
lignes (longueur x épaisseur pour deux lignes gravées sur la même couche ou longueur x
largeur pour deux lignes gravées l’une sous l’autre sur des couches différentes). Ci-dessous
un coupleur réalisé en micro-ruban (http://paginas.fe.up.pt/~hmiranda/etele/microstrip/ ,
fC =1,83GHz , ∆f =1,01GHz , C =11,2dB ).
Coupleur directif en micro-ruban
Il est également possible de réaliser un coupleur en guide. Généralement, les deux lignes
sont perpendiculaires (coupleur en croix), mais elles peuvent également être parallèles. Le
couplage se fait alors par des ouvertures rayonnantes qui permettent un transfert d’énergie
entre la voie principale et la voie couplée. Il existe plusieurs formes d’ouvertures rayonnantes
et leurs calculs peuvent se faire par des équations ou par des abaques. Ci-dessous, un
coupleur en croix réalisé en guide commercialisé par la société FLANN
(http://www.flann.com/Products_Home/Couplers/couplers.html , fC de 3 à 115GHz, ∆f de
40 à 80%, C de 20, 30, 40 ou 50dB).
Coupleur directif en croix réalisé en guide d’onde
Comme il a été dit au tout début, il est possible d’utiliser le coupleur pour avoir une
information sur le niveau de puissance transmis. Un coupleur de 30 dB (par exemple) permet
d’avoir un signal atténué de 30 dB sur la voix couplée par rapport à la voie principale. En
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connaissant cette valeur de couplage, il est donc possible de connaître la puissance émise
afin de l’augmenter ou de la diminuer (si l’appareil de réception est trop sensible ou pas
assez) ou simplement de connaître la puissance émise pour effectuer un bilan de liaison. De
plus, un coefficient de couplage de l’ordre de 30dB ou plus permet également d’avoir un
niveau de puissance sur la voie couplée moins fort pour ne pas détériorer l’électronique
d’asservissement.
Il est également possible d’utiliser un coupleur pour avoir comme information la fréquence
d’émission qui peut être mélangée avec une autre fréquence (par exemple la fréquence
reçue par une autre électronique qui correspondrait à la fréquence d’émission réfléchie par
un objet en mouvement, auquel cas la fréquence reçue est la somme de la fréquence émise
et de la fréquence Doppler induite par ce déplacement). En mélangeant la fréquence
d’émission (obtenue sur la voie couplée) et la fréquence reçue, il est possible d’en faire la
FFT pour obtenir les caractéristiques à déterminer. Dans cet exemple, le paramètre utile qu’il
faut obtenir est la fréquence.
Les étudiants sont conviés à se reporter au cours de « Dispositifs passifs hyperfréquences »
pour en savoir plus.
I.2. Définition
Un coupleur est un octopôle symétrique dont les bras sont couplés par paires. Ainsi, si les
bras 1 et 2 d’une part, 3 et 4 d’autre part sont respectivement découplés, la matrice des
coefficients de réflexion d’un coupleur directif parfait est de la forme :
0 0 s13 s14
[S]= 0 0 s14 s13
s13 s14 0 0
s14 s13 0 0
2
1
Si on place un générateur dans le bras 1, une charge quelconque
(non adaptée) en 3 et des indicateurs de puissance dans les bras 2
et 4 (A2=0 et A4=0), on obtient :
⎧ B1=s13.A3
⎪B2=s14.A3
⎨ B 3=s .A1
⎪B 4=s13.A1
14
⎩
3
4
Ainsi, l’onde qui circule dans le bras 2 est proportionnelle à l’onde réfléchie par la charge,
alors que l’onde qui circule dans le bras 4 est proportionnelle à l’onde incidente. Si on insère
ce coupleur dans un circuit dans lequel circulent deux ondes en sens inverse, on obtient
donc la séparation de ces deux ondes suivant leur sens de propagation.
I.3. Grandeurs caractéristiques
En pratique, le découplage des bras 1 et 2, et des bras 3 et 4 n’est jamais parfait. C’est à
dire que s12≠0 , et la matrice [S] est alors de la forme :
0 s12 s13 s14
s
[S]= 12 0 s14 s13
s13 s14 0 s12
s14 s13 s12 0
⎧B1=0
⎪ B2=s12.A1
avec ⎨
, si on place un générateur sur le bras 1 et des
B3=s .A1
⎪ B 4=s13.A1
14
⎩
indicateurs de puissance adaptés en 2, 3 et 4.
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Coefficient de couplage
Il correspond au rapport entre la puissance émise dans le bras 1 et la puissance transmise
dans le bras 4, les bras 2 et 3 étant adaptés.
2
P1 = A1 = s14 2= s41 2
P4 B4 2
C =10.logc=10.log( P1 )=20.log( s14 )
P4
d’où
Directivité
Elle correspond au rapport entre la puissance transmise dans le bras 4 et la puissance
transmise dans le bras 2, les bras 2, 3 et 4 étant adaptés.
2
2
P4 = P4 . P1 = B4 = s41
P2 P1 P2 B2 2 s12 2
D=10.logd =10.log( P4 )=20.log( s14 )
P2
s12
d’où
Isolation
Elle est fonction du coefficient de couplage et de la directivité du coupleur.
I =10.log(c.d)=C + D
I.4. Description du banc de mesure
Galvanomètre pour
mesure sur porte-cristal
détecteur
Ligne de mesure
Galvanomètre pour
ligne de mesure (ROS)
Atténuateur
Ondemètre à cavité
Isolateur
Générateur à
diode GUNN
Atténuateur à couteau
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Coupleur
Charges adaptées
Plongeur à position et
enfoncement variable
Porte cristal
détecteur
Banc de mesure
Pour la détection de puissance, la polarité du galvanomètre de gauche est : le signal est sur
l’âme centrale du coaxial (fiche banane mâle rouge dans l’embase banane rouge) et la
masse est sur la tresse extérieure du coaxial (fiche banane mâle noire dans l’embase
banane noire).
Pour la mesure du ROS, la polarité du galvanomètre de droite est inversée et est la
suivante : le signal est sur la tresse extérieure du coaxial (fiche banane mâle noire dans
l’embase banane indiquée par « + ») et la masse est sur l’âme centrale du coaxial (fiche
banane mâle rouge dans l’embase banane indiquée par « G »).
Précaution importante : afin de ne pas risquer de détruire le détecteur,
ramener l’atténuation à une valeur supérieure à 30 dB (voir de préférence
l’atténuation maximale) avant toute modification des configurations, cela
évite ainsi de détériorer les diodes de mesure. Désatténuer ensuite
progressivement pour faire chaque mesure.
Les charges adaptées ici sont des guides d’ondes rectangulaires dans lesquels sont placés
des morceaux de bois de forme « pyramidale » et recouverts de graphite faisant office
d’absorbants.
Les guides utilisés (standard WR90) ont des sections rectangulaires et disposent d’interfaces
de fixation carré. Par conséquent, il faudra veiller à assembler les divers éléments tout en
préservant un « bon alignement » des guides, c’est à dire à ne pas croiser l’orientation de
deux guides successifs.
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II. Manipulations
Dans la théorie, le Rapport d’Onde Stationnaire se déduit de la relation ROS =
Vmax
.
Vmin
Toutefois, la mesure du ROS se fait ici au moyen d’une diode qui est utilisée en zone
quadratique, ce qui signifie que la tension que délivre la diode est une fonction de la
puissance élevée au carré. De ce fait, la mesure de ROS sera donnée par ROS =
Vmax
.
Vmin
Ces deux diodes fonctionnent en zone quadratique mais ne sont pas polarisées de la même
façon, c’est pourquoi sur les galvanomètres, les deux mesures ne sont pas connectées dans
le même sens.
Pour la mesure sur le galvanomètre, la grandeur lue est un courant. Dans la mesure où
l’impédance de ce galvanomètre est fixe, les diodes fournissent une tension et le
galvanomètre fournit une indication en courant. Sur ce dernier est indiqué à quel courant
correspond l’échelle de graduation, toutefois se rapport K (en A/div) n’a pas besoin d’être
connu pour mesurer le ROS.
ROS = Vmax = Imax×Z galva = Imax = Graduationmax×K
Vmin
Imin×Z galva
Imin
Graduationmin×K
R= Graduationmax
Graduationmin
II.1. Optimisation de la mesure et fréquence d’émission
Afin d’avoir un maximum d’amplitude de détection pour la mesure, il faudra optimiser la
sensibilité de la diode dans le porte-cristal détecteur en oeuvrant avec les deux stubs ainsi
que le court-circuit.
Pour cela, désatténuer de façon à détecter du signal sur le galvanomètre (environ 20
divisions). Dévisser légèrement l’écrou du premier stub de façon à ce qu’il soit possible
d’enfoncer ou de retirer ce stub mais qu’il ne soit pas totalement libre. Dans l’hypothèse où le
cristal détecteur serait totalement désadapté, en oeuvrant trop rapidement on pourrait
envoyer trop de signal trop rapidement et ça pourrait la détériorer, donc œuvrer avec
délicatesse et sans précipitation. Une fois ce premier stub réglé, le serrer, faire de même
avec le deuxième stub puis avec le court-circuit.
Si en adaptant en oeuvrant sur un stub ou sur le court-circuit la détection sur le
galvanomètre dépasse les 100 graduations, il va de soi qu’il faudra atténuer le signal.
Une fois le réglage effectué, il n’aura plus à être touché jusqu’à la fin du TP.
La fréquence d’émission de la diode Gunn sera vérifiée au moyen de l’ondemètre à cavité.
Pour cela, en utilisant la molette de l’ondemètre on vient déformer la cavité et lorsque celle-ci
est accordée sur la fréquence émise elle vient prélever une partie de l’énergie véhiculée.
Cette absorption d’énergie se traduit par une diminution du signal détecté sur la
galvanomètre et au maximum de déviation sur la gauche, l’ondemètre sera adapté à la
fréquence d’émission et celle-ci se lis (en MHz) sur l’ondemètre directement. Avant de
passer à la mesure suivante, ré-atténuer au maximum.
-
Relever la fréquence du générateur.
Dérégler l’ondemètre afin que celui-ci ne perturbe pas la mesure.
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II.2. Mesure des Rapports d’Ondes Stationnaires
Mesure du ROS des charges adaptées
- Placer en bout de ligne chacune des 3 charges adaptées pour en mesurer le ROS ;
- Repérer les charges d’après leur référence pour déterminer laquelle a le meilleur ROS.
C’est cette charge qui sera utilisée comme charge adaptée de référence ( R0 ) ;
- Penser à ré-atténuer au maximum après chaque mesure.
Mesure du ROS dans la ligne principale
- Alimenter le coupleur par le bras 1 ;
- Placer les charges adaptées sur les 3 autres accès en plaçant la meilleure des charges
sur le bras 3 ;
- Mesurer le ROS de la ligne principale ( R1 ).
Mesure du ROS dans la ligne dérivée
- Alimenter le coupleur par le bras 2 ;
- Placer les charges adaptées sur les 3 autres accès en plaçant la meilleure des charges
sur le bras 4 ;
- Mesurer le ROS de la ligne principale ( R2 ).
Comparer les valeurs de R1 et R2 avec R0 . Ces valeurs paraissent-elles correctes ?
Pourquoi ?
II.3. Mesure des coefficients de couplage et de directivité
Pour déterminer les paramètres de ce coupleur, il est possible de mesurer les puissances
sur chaque bras et de calculer C (dB) et D (dB). Toutefois, dans ce TP, la mesure se fera au
moyen d’une diode (dans un cristal détecteur) qui fournira un courant. Ces paramètres
seront donc déterminés par des différences d’atténuation pour mesurer une même
puissance sur les divers accès.
4
Puissance
incidente
Puissance bras isolé
P(4)=P(2)-DdB=P0-CdB-DdB
1
Puissance
mesurée P0
3
Puissance bras couplé
P(2)=P0-CdB
2
Le bras 2 du coupleur est le bras de la ligne dérivée sur lequel le signal sera le plus
important puisqu’on atténue plus l’onde incidente, de la valeur de la directivité. La
détermination des bras 2 et 4 sera donc faite par la mesure.
- Atténuer au maximum ;
- Les bras 2 et 4 sont terminés par des charges adaptées et le bras 3 par le porte cristal
détecteur ;
- Désatténuer progressivement de façon à obtenir une déviation sur le galvanomètre.
Noter l’atténuation a1 qui correspond à une déviation de 4 divisions et l’atténuation a1 '
qui correspond à une déviation de 20 divisions ;
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-
-
Atténuer au maximum ;
Mettre la charge adaptée sur le bras 3 et le porte cristal détecteur sur l’un des accès de
la voie dérivée ;
Désatténuer progressivement pour essayer de visualiser 20 divisions sur le
galvanomètre. Si c’est possible, noter l’atténuation a2 ' correspondant à ces 20 divisions,
sinon l’atténuation a2 correspondant à 4 divisions ;
Atténuer au maximum ;
Mettre le porte cristal détecteur sur l’autre accès de la voie dérivée ;
Si la mesure précédente a permis de mesurer l’atténuation a2 ' pour 20 divisions, relever
l’atténuation a2 correspondant à 4 divisions, sinon relever a2 ' .
On en déduit les paramètres du coupleur par :
et
C dB = a '1 − a '2
D dB = a2 − a 1 − C dB
II.3. Autre méthode pour la mesure de la directivité
La directivité d’un coupleur directif est sa capacité à séparer les ondes allée et retour, ou
ondes émises et réfléchies. Généralement, la directivité ne peut être mesurée facilement et
directement puisque cela implique de mesurer un faible signal masqué par la puissance
couplée d’une onde réfléchie sur le bras couplé. Deux méthodes de mesure sont possibles,
la première est la méthode directe (mesure précédente) et la deuxième est la méthode
indirecte (ci-après) pour laquelle le défaut de directivité entraîne une puissance non nulle
détectée dans le bras 2.
-
-
Atténuer au maximum ;
Placer un plongeur à position et enfoncement variables suivi d’une charge adaptée sur le
bras 3 et le porte-cristal détecteur sur le bras 2. Il faut annuler le signal reçu sur le porte
cristal-détecteur en jouant sur la position et l’enfoncement du plogeur.
Ensuite, mesurer le ROS sur la ligne de mesure.
La mesure du module du coefficient de réflexion Γ de cette impédance particulière permet
alors de déterminer la directivité du coupleur. Déterminer le ROS R .
De Γ = R−1 , on obtient :
R+1
DdB =20.log( 1 )
Γ
Réitérer les mesures du coefficient de couplage et de la directivité (en utilisant une
des 2 méthodes) en alimentant par le bras 3. Qu’en déduire pour le coupleur ?
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