propagation guidee imacs 3a - Etud.insa

Travaux Pratiques Ondes et propagation
Propagation guidée - 1 -
PROPAGATION GUIDEE
Ce TP est consacré à la génération et à la propagation guidée de rayonnements électromagnétiques.
Nous étudierons ici des rayonnements dont les fréquences sont comprises entre 3.10
8
et 3.10
11
Hz
(domaine des micro-ondes) pour le guide d’onde métalliques, et d’environ 5.10
16
(domaine du visible)
pour les fibres optiques. Les courants continus ou de basse fréquence se propagent sur de simples
fils conducteurs. Il en va différemment en haute fréquence où le fil conducteur devient une antenne. Si
l’on désire canaliser le rayonnement, et transmettre sur de longues distance, on doit avoir recours à
des lignes plus complexes telles que des câbles coaxiaux, des lignes bifilaires, des conducteurs creux
(de section quelconque, mais habituellement rectangulaire, circulaire, elliptique ou coaxiale), dont les
dimensions sont en rapport avec la longueur d’onde.
Dans ce TP les micro-ondes sont produites par un générateur hyperfréquence délivrant un signal
électromagnétique à une antenne à cornet. Cette antenne est plus amplement étudiée dans le TP
Propagation libre. Les guides d’ondes que nous étudierons ici sont soit des lignes de Lecher (lignes
bifilaires du nom de leur inventeur E. Lecher, 1890), soit des guides métalliques creux circulaires ou
rectangulaires et des fibres optiques.
Les objectifs de ce TP sont :
• Se familiariser avec des dispositifs à ondes décimétriques et micro-ondes : générateur, détecteur,
antennes, lignes…
• Observer les effets liés à la propagation dans un guide d’onde métallique
• Se familiariser avec des dispositifs de propagation guidée et mesurer des paramètres importants
comme le taux d’ondes stationnaires (TOS).
• Etudier le couplage dans une fibre optique.
I – PROPAGATION DES ONDES LE LONG DE LIGNES DE LECHER
I – 1 Notions de base
Lors de l’irradiation d’un champ électromagnétique haute fréquence dans une ligne de Lecher, une
onde de tension  entre les deux fils se propage dans la direction de la ligne :
 (I – 1)
avec    et  
sa fréquence  et sa longueur d’onde  coïncident avec la fréquence et la longueur d’onde du champ
électromagnétique irradié.
La tension oscillante entre les fils correspond à une répartition de la charge le long des fils oscillant à
la même fréquence, dont le décalage fournit un courant
I
se propageant le long des fils, à la même
fréquence que la tension (Figure 1) :
(I – 2)

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Propagation guidée - 2 -
Figure 1 : propagation d'ondes de tension et de courant
le long d'une ligne bifilaire.
Nota : l’expression
signifie que l’onde se propage
selon les
x
croissants
I – 1- 1 Ligne de Lecher à extrémité court-circuitée :
Si les deux fils à la fin de la ligne de Lecher   sont court-circuités,   . Il se forme
une onde réfléchie déphasée de 180° par rapport à l ’onde incidente. Pour une onde de tension
incidente  se déplaçant de gauche à droite et un pont de court-circuit en   , il
apparaît une onde réfléchie  . Les deux ondes se superposent pour former une
onde stationnaire (cf cours : chapitre II)
 (I – 3)
Comme il doit toujours y avoir un passage de courant au pont de court-circuit, l’onde de courant
incidente   est réfléchie sans saut de phase, c’est-à-dire que l’onde de courant
réfléchie a la forme  . Les deux ondes se superposent pour former l’onde
stationnaire :
 (I – 4)
Les équations (I - 3) et (I - 4) montrent que les nœuds de l’onde de tension correspondent exactement
aux ventres de l’onde de courant et que les ventres de l’onde de tension correspondent exactement
aux nœuds de l’onde de courant. Les nœuds de tension se trouvent en   , donc à
une valeur égale à un multiple de en avant de l’extrémité de la ligne.
I – 1 - 2 Ligne de Lecher à extrémité ouverte :
La situation change si l’extrémité de la ligne de Lecher reste ouverte. Une tension est maintenant
appliquée en permanence à l’extrémité, l’onde de tension incidente est donc réfléchie sans saut de
phase alors que le courant à l’extrémité ouverte est toujours égal à zéro et que l’onde directe est donc
réfléchie avec saut de phase. Pour les ondes stationnaires qui s’établissent, on obtient les deux
équations :
 (I – 5)
 (I – 6)
qui résultent des équations (I - 3) et (I - 4) valables pour l’extrémité fermée en permutant  et .
I – 1 - 3 Ligne de Lecher à terminaison adaptée en impédance :
Il n’y a pas formation d’ondes stationnaires si les extrémités de la ligne de Lecher sont reliées par une
résistance ohmique qui correspond à l’impédance caractéristique de la ligne. Dans ce cas, les ondes

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Propagation guidée - 3 -
directes de courant et de tension ne sont pas réfléchies à l’extrémité de la ligne. La puissance fournie
est dissipée entièrement par la résistance.
I – 2 Manipulations
Mise en garde : ne pas rester en mode émission plus longtemps que nécessaire pour la
réalisation de l’expérience, y mettre fin immédiatement après la fin de l’expérience en
débranchant l’adaptateur secteur.
Les micro-ondes sont transmises à la ligne de Lecher via une boucle d’induction courbée vers
l’intérieur de l’antenne (Figure 2, schéma de droite). Si la ligne est terminée par un court-circuit, une
onde stationnaire de tension  issue de la superposition des ondes incidente ( ) et réfléchie ( )
s’installe le long de la ligne selon l’équation :
 (I – 7)
Les nœuds de tension se trouveront aux distances   , ( étant mesuré à partir du
court-circuit).
Figure 2 : dispositif expérimental permettant de sonder l'onde stationnaire dans la ligne de Lecher
(gauche). Transmission des micro-ondes de l'antenne à cornet à la ligne de Lecher (droite).
Consignes de sécurité :
La puissance micro-onde libérée par l’antenne à cornet est approximativement 10-15 mW, ce
qui n'est pas dangereux pour l'expérimentateur. Cependant, pour que vous soyez préparés à
manipuler des systèmes micro-onde avec une puissance plus élevée, vous devriez faire
attention à certaines règles de sûreté :
- Ne jamais regarder directement dans le cornet de transmission de l'antenne
- Avant de placer un élément dans l'installation expérimentale, toujours
débrancher l’émetteur.

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Propagation guidée - 4 -
A - Montage, appareils de mesure
Pour sonder la différence de potentiel le long de la ligne, on utilise une sonde de champ électrique
que l’on oriente perpendiculairement au champ électrique entre les deux fils (Figure 2, gauche).
L’orientation du champ électrique est représentée sur la figure 1. Dans la sonde, des fils courts
soudés à une diode à haute fréquence, agissent comme des antennes dipolaires pour les micro-
ondes. Une couche de haute résistance faite de graphite capture le signal reçu. Les fils de cuivre dans
la partie inférieure sont torsadés pour éviter l’apparition de forces électromotrices induites par le
champ magnétique alternant. Le signal de sortie de la sonde de champ est envoyé à un multimètre via
un redresseur haute fréquence (voir TP Propagation libre).
- Positionner la sonde de champ électrique face à l’antenne cornet.
- Régler la fréquence de modulation afin que le multimètre reçoive un maximum de signal.
- Faire coulisser le cavalier sur la ligne de LECHER et l’insérer sur le support en PVC.
- Ajuster la hauteur des lignes de Lecher à la hauteur de la diode haute-fréquence de la sonde
de champ électrique.
- Avec un bout de scotch, fixer le maintien des lignes de Lecher pour que la sonde de champ
électrique puisse être manœuvrée parallèlement aux lignes.
- Ajuster la hauteur des lignes en fonction de la hauteur de la boucle d’induction de la ligne de
Lecher et positionner l’antenne à cornet de façon à ce que la boucle d’induction puisse y
entrer (Figure 2).
- Optimiser l’orientation de l’antenne afin d’obtenir un maximum de signal le long de la ligne
B - Mesures
- détermination de la longueur d’onde :
quelle méthode proposez-vous pour déterminer la longueur d’onde  du rayonnement ? Faites la
mesure de  le plus précisément possible
- démonstration du caractère ondulatoire du rayonnement :
en relevant la valeur du champ le long de la ligne tous les 2 mm, mettez en évidence le caractère
d’ondes stationnaires du rayonnement. Tracez le graphe .
C - Exploitation des résultats
Rédiger quelques lignes sur les observations que vous venez de faire
II – ETUDE DES GUIDES D’ONDES METALLIQUES
II – 1 Guide souple
Cette expérience, très qualitative, présente un double objectif :
- Démontrer le guidage quasiment sans pertes des micro-ondes dans un guide d’onde métallique.
- Démontrer le guidage «courbe» des micro-ondes le long d’un guide d’onde métallique jusqu’à un lieu
arbitraire.
Même les très forts faisceaux de micro-ondes divergent dans une direction transverse lorsque qu’ils
se propagent dans un espace libre faisant ainsi décroître l’amplitude du champ avec l’accroissement

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Propagation guidée - 5 -
de la distance dans la direction de propagation. Ce désavantage peut être atténué si les micro-ondes
sont guidées par un guide d’onde. Le guide d’onde est complètement isolé de l’espace environnant
par des parois conductrices et peut avoir, par exemple, une section circulaire. A l’intérieur du guide
d’onde, les ondes électromagnétiques dont la longueur d’onde est inférieure à une longueur d’onde
limite
k
λ
peuvent être transférées quasiment sans pertes. Si les parois sont faites d’un matériau
flexible, les ondes peuvent même être guidées le long du « chemin courbé » à n’importe quel endroit
de la pièce.
Figure 3 : montage expérimental pour le guidage des micro-ondes le long d’un guide d’onde métallique
flexible.
A - Montage
L'installation expérimentale est illustrée par la Figure .
- Aligner l'antenne à cornet horizontalement, vissez la tige de 24,5 cm dans le socle et
maintenez-la dans un endroit stable.
- Relier l'oscillateur de Gunn à la sortie OUT de l’amplificateur par l'intermédiaire d'un fil BNC.
- Connecter la sonde de champ électrique à l'entrée de l’amplificateur et le voltmètre à la sortie
- Placer la sonde de champ électrique face à l’antenne à cornet. DC OUT de l’alimentation de la
diode Gunn.
- Régler la fréquence de modulation avec le bouton d’ajustement de fréquence (a) de sorte que
le multimètre reçoive le maximum de signal.
B - Mesures
- Placer la sonde de champ électrique devant le centre de l’antenne cornet à
approximativement 1m et mesurer le signal reçu.
- Tenir d’une main le guide d’onde flexible dans l’antenne cornet à une profondeur d’environ
1cm. Tenir l’autre bout devant la sonde de champ électrique, mesurez le signal reçu.
- Mettre la sonde de champ électrique derrière l’antenne cornet où le signal reçu doit être
quasiment nul U=0V.
- Maintenir le guide d’onde flexible entre l’antenne cornet et la sonde de champ électrique et
mesurer U de nouveau.
- Déformer le guide d’onde et mesurer U encore une fois.
C - Exploitation des résultats
Rédiger quelques lignes sur les observations que vous venez de faire