La propagation des ondes hyper fréquences
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Ch.1 : La propagation des signaux (ondes) hyperfréquences 1. L’onde électromagnétique libre ou guidée par une ligne Le but des télécommunications est de transmettre d’un point à un autre un signal porteur d’une information. Pour atteindre cet objectif, on module une porteuse haute-fréquence, ce qui permet de transmettre des signaux sur un même support sans qu’ils se mélangent puisqu’ils ont des fréquences de porteuses différentes. La distance à parcourir peut être très variable et les techniques utilisées différentes : • transmission d’une information audio ou vidéo entre deux maisons, deux villes, d’une information numérique entre le téléphone mobile et sa base, entre le satellite de télévision numérique et le récepteur, etc... Le signal haute-fréquence modulé est transformé en onde électromagnétique par l’antenne et se propage dans l’espace environnant : c’est la propagation libre. • transmission de la porteuse modulée en amplitude, en fréquence ou en numérique (GSM) du mélangeur à l’amplificateur de puissance radiofréquence puis à l’antenne. Le signal HF suit la piste de circuit imprimé ou le tronçon de câble coaxial: c’est la propagation guidée. En réalité, chaque fois que des charges circulent dans un conducteur, elles sont à l’origine d’un champ électrique et un champ magnétique qui accompagnent ces charges dans leur déplacement. Il ne peut y avoir de courant électrique sans onde électromagnétique associée. 1 Lorsqu’un courant circule dans un conducteur, l’onde électromagnétique suit physiquement ce conducteur en étant guidée par celui-ci. Il existe aussi un courant dans une antenne. Ce courant produit une onde électromagnétique qui se propage librement dans l’espace qui entoure l’antenne. L’étude de la propagation guidée consiste à définir les règles qu’il convient de respecter pour transporter de façon correcte un signal haute-fréquence d’un point à un autre par un câble coaxial ou une piste de circuit imprimé. 2. Un support de la propagation guidée : la ligne Historiquement, les premières lignes ont été utilisées pour le télégraphe et le téléphone. Ce type de ligne est simplement constitué par deux conducteurs parallèles séparés par un isolant : c’est la ligne bifilaire, encore d' usage courant aujourd’hui. La circulation d’un courant dans un conducteur s’accompagne d’un champ électromagnétique autour du conducteur et ceci quelle que soit la fréquence du signal. Mais contrairement au cas de la propagation libre, cette onde électromagnétique n’existe qu’au voisinage de la ligne. Les lignes de champ sont resserrées entre et au voisinage des conducteurs : c’est à cet endroit que les champs électrique et magnétique sont les plus intenses. 2 On utilise aujourd’hui essentiellement la ligne coaxiale, constituée par un conducteur central entouré d’un blindage, et la ligne imprimée constituée d’une piste de cuivre sur un substrat isolant comme l’époxy ou le Téflon, l’autre face métallisée réalisant une équipotentielle. Ces lignes sont actuellement utilisées jusqu’à des fréquences de l’ordre de 10 GHz. Pour des fréquences supérieures, les pertes dans le diélectrique deviennent excessives et on préfère utiliser un guide d’onde. 3. Un support de la propagation guidée : le guide d’onde Les guides sont des conducteurs métalliques de section rectangulaire ou circulaire à l’intérieur duquel se propage l’onde électromagnétique. Le passage d’une ligne à un guide et inversement se fait à l’aide d’une antenne placée au bon endroit. L’air étant un très bon diélectrique, les pertes dans les guides sont très faibles. Pour avoir un bon guide, il faut toutefois que les surfaces internes soient parfaitement polies, ce qui pose évidemment des problèmes de fabrication pour les guides de grande longueur qui restent d’un prix très élevé. De ce fait, les guides ne sont utilisés que pour des liaisons à courte distance et les projets de liaisons interurbaines par guides ont été abandonnés. 3 Dans ces guides, l’onde peut se propager suivant différents modes qui correspondent chacun à une certaine répartition des lignes de champ. Contrairement aux lignes qui fonctionnent jusqu’au continu, les guides ont une fréquence de coupure basse qui dépend de leurs dimensions et du mode. Par exemple, pour un guide rectangulaire dont le grand coté vaut a = 5 cm, la fréquence de coupure basse vaut 3 GHz. 4. Un support de la propagation guidée : la fibre optique Il existe un autre type de guide d’onde, entièrement isolant, appelé guide d’onde diélectrique dans lequel l’onde électromagnétique se propage dans un matériau isolant. Ce type de guide est très utilisé actuellement sous la forme de fibre optique. L’onde électromagnétique qui s’y propage est de très haute fréquence (longueur d’onde comprise entre 0,4 et 1,5 micron) et les dimensions du cœur varient entre le micron pour les fibres monomodes et plusieurs dizaines de microns pour les fibres multi modes. Il y a deux types de fibres : 4 • les fibres monomode, dont le diamètre est, en gros, de l' ordre de • les fibres multi modes, dont le diamètre est de plusieurs dizaines de Les fibres monomode ne propagent que le mode fondamental. Ceci est très intéressant puisque l' OEM n' a qu' un seul mode de propagation et son parcours, par réflexions successives à l' intérieur de la fibre, est unique et bien défini : il n' y a donc pas de distorsion de phase et les signaux sont transmis sans déformations. Ces fibres conviennent donc très bien pour la transmission de signaux analogiques. Mais, pour ne propager que le mode fondamental, ces fibres doivent avoir un diamètre de l' ordre de grandeur de la longueur d’onde, ce qui veut dire aux fréquences optiques utilisées, de l' ordre du micron. On peut imaginer l’extrême difficulté de leur réalisation technologique d' une part, et du raccordement de deux tronçons de fibres d' autre part. C' est pourquoi dans bien des applications où il est possible d' accepter une certaine distorsion des signaux transmis - notamment pour la transmission numérique par impulsions – on préfère utiliser des fibres de plusieurs dizaines de microns, qui sont multi modes. Les fibres multi modes propagent donc plusieurs modes qui ont des parcours différents, d' où distorsion de phase pour le signal transmis. En raison de leur diamètre beaucoup plus grand que celui des fibres monomodes, les fibres multi modes présentent les avantages suivants : * moins de difficulté pour raccorder deux tronçons. * transmission d' une plus grande puissance d' autant que l’angle d' admission peut être plus grand. 5 5. L’onde électromagnétique libre L’OEM libre est une onde TEM. Dans le vide, v = c = 1 = 1 0 0 = 4 .10-7 H/m 0 = =3.108 m/s 0 1 .10-9 F/m 36 E = H 0 = Z 0 = 120 = 377 0 Dans un autre milieu, v = 1 1 = r et Z = Z 0 0 = r c 0 r r r Dans un milieu non magnétique : v= c εr et Z = Z0 εr ε0 = permittivité du vide εr = permittivité relative du milieu ε = permittivité du milieu = εr x ε0 µ0 = perméabilité du vide µr = perméabilité relative du milieu µ = perméabilité du milieu = µr x µ0 6 r 7 8
