TPH - Cavite Cylindrique - 10-10-21

Département Electronique - 2ème année Olivier PIGAGLIO
1 / 12 mise à jour le : 21 octobre 2010
TP Hyperfréquences
-
Manipulations pratiques
-
Etude d’une cavité cylindrique
Dans ce TP, le dispositif à caractériser est une cavité métallique basée sur un guide
d’ondes circulaire, fermé aux deux extrémités par des parois perpendiculaires à l’axe
du guide. Pour caractériser les premiers modes de résonance de cette cavité, il
faudra déterminer analytiquement chacune des fréquences pour ensuite les vérifier
par la mesure.

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I. Description de la manipulation
Le dispositif à caractériser au cours de ce TP est une cavité cylindrique métallique et le schéma ci-
dessous représente une configuration possible de mesure.
Pour observer expérimentalement les divers modes de résonance, il est possible d’utiliser un
analyseur de réseau soit en réflexion |S11| soit en transmission |S21|. Dans la mesure où l’analyseur
de réseau est utilisé pour un autre TP, on utilisera pour ce TP un générateur Hyperfréquence avec
une mesure de puissance. Cette mesure de puissance pourrait être effectuée au moyen d’un
analyseur de spectre ou d’un Powermeter, qui sont des appareils onéreux, ou dans le cas de ce TP
au moyen d’une diode hyperfréquence et d’un oscilloscope.
L’utilisation d’une diode hyperfréquence et d’un oscilloscope en réception implique de moduler en
basse fréquence le signal hyperfréquence pour observer en bout de chaîne le signal de modulation :
on fait donc ici une détection d’enveloppe !
I.1. Description du banc expérimental
Concernant la forme des signaux aux différents points du montage, les échelles de temps n’ont pas
été respectées puisque la fréquence du signal modulant est de 5kHz alors que les fréquences
d’émission du générateur seront de plusieurs centaines de MHz.
Les explications de ces différentes allures sont données au paragraphe « I.2. Formes des signaux
aux divers points du montage expérimental ».
A
B
C
D
E
F
MODULATEUR
H P 8 4 0 3 A
100.0 0.5
GENERATEUR
H P 8 6 4 8 C
(1)
(2)
(3)
(4)
CAVITE
DIODE DETECTRICE
1N26
OSCILLOSCOPE

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Le banc de mesure schématisé ci-dessus comporte :
• Un générateur RF
(HP8648C de 9kHz à
3200MHz) qui sera utilisé
comme source de
fréquence.
• Un modulateur
(HP8403A) qui permet la
modulation en signaux
carrés du générateur.
• La cavité à
caractériser au cours de ce
TP, qui est réalisée en
laiton et qui a pour
dimension un diamètre
Ф=42,6cm et une longueur
L=66,8cm. Pour permettre
les diverses mesures, six
accès sont prévus sur les
parois de cette cavité, ils
seront repérés de A à F sur
le schéma de principe.
• Une diode détectrice
(1N26) permettant de
mesurer la modulation.
• Un oscilloscope
(HM504-2) permettant
l'observation du signal
détecté par la diode.
• Quatre sondes, 2 de
type dipôle électrique et 2
autres de type boucle
magnétique, permettant de
réaliser l’excitation de la
cavité résonante (émission)
et la mesure de cette
résonance (réception).
I.2. Formes des signaux aux divers points du montage expérimental
Pourquoi module-t-on le signal hyperfréquence ? Comme indiqué à la page précédente, la mesure
d’un signal hyperfréquence de plusieurs centaines de MHz peut être effectuée si ce signal est modulé
à une fréquence plus basse, ici de 5kHz.
On considère que le signal sortant du générateur hyperfréquence (point (1) du montage) est un signal
sinusoïdal compris entre 100MHz et 900MHz pour le TP. En modulant avec un signal de forme carré
et de basse fréquence, on génère alors un « train de sinusoïdes » (point (2) du montage), ce qui se
traduit par l’émission du signal hyperfréquence pendant la moitié du temps et aucune émission l’autre
moitié (avec un rapport cyclique de 0,5). On peut schématiser ce signal par un « train de sinusoïdes ».
Si la fréquence d’émission correspond à celle de la résonance du mode mesuré et si la sonde
d’émission permet d’exciter le champ électromagnétique, alors il y aura résonance dans la cavité. Le
signal hyperfréquence étant modulé par un signal carré de rapport cyclique 0,5 à 5kHz, la résonance
sera également modulée par ce même signal.
Si la sonde de réception permet de capter le champ électromagnétique, alors le signal reçu aura la
même allure qu’en émission dans la cavité avec une décroissance type exponentielle due à la
traversée de la cavité résonante (point (3) du montage). Si il y a résonance dans la cavité, alors
l’amplitude du signal reçu (point (3) du montage) sera maximale. Si il n’y a pas résonance, dans ce
cas le signal capté sera nul.
Pour visualiser ce signal et s’affranchir d’un analyseur de spectre, on utilise une diode hyperfréquence
(ici une diode 1N26) qui fournit une information en tension, tension qui est proportionnelle à la
puissance détectée. Par conséquent, on récupère (point (4) du montage) l’enveloppe du signal de
sortie de la cavité. A l’exception de la décroissance en exponentiel, les « états hauts et bas » du
signal semble continue parce qu’il y a une grande différence entre la fréquence du signal modulant
(de 5kHz) et les fréquences de résonance (comprises entre 100 et 900MHz). Avec un rapport
minimum de 20000 entre les fréquences, on ne voit donc pas de variation sur ces « états hauts et
bas ». Ainsi le signal de sortie (point (4) du montage) peut être visualisé sur un oscilloscope
analogique classique puisque sa fréquence est de 5kHz avec une amplitude allant de quelques

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millivolts à quelques volts. Il s’agit ici d’une détection d’enveloppe permettant de récupérer le signal de
modulation.
Remarque :
Il est possible d’utiliser la modulation interne du générateur HP8648C pour exciter les modes de la cavité.
Toutefois, les temps de montée et de descente de la modulation interne sont un peu plus longs que ceux du
modulateur HP8403A additionnel, c’est pourquoi on l’utilise afin d’avoir des mesures plus précises.
I.3. Utilisation des sondes
Durant toutes les manipulations, la modulation du générateur HP8648C doit être éteinte, « mod
OFF ». Annuler la puissance du générateur en appuyant sur RF ON/OFF pour avoir « RF OFF ».
Régler la puissance de sortie sur –15dBm avant de passer sur « RF ON » pour réaliser une mesure.
S’agissant de champs électromagnétiques, si le mode est excité par un champ électrique, alors le
champ magnétique est également généré puisqu’il est son dual, et vice-versa. Par conséquent,
chaque mode TE ou TM peut être excité indifféremment par une sonde de champ électrique ou de
champ magnétique.
Par définition, une antenne a le même comportement en émission et en réception. De ce fait, si un
accès convient pour générer un des 9 modes à caractériser, il conviendra également pour la mesure
de la résonance. Un accès permettant d’exciter un mode, permettra également de le mesurer !
Il y a donc deux types de sondes pour ce TP : des sondes de champ Electrique et des sondes de
champ Magnétique.
La sonde de champ électrique est réalisée au moyen d’une antenne monopôle qui génère et détecte
un champ électrique parallèle à l’antenne.
La sonde de champ magnétique est réalisée elle à partir d’une boucle qui génère et détecte un champ
magnétique dont les lignes de champ sont perpendiculaires à la boucle.
I.4. Mesure à l’oscilloscope
Les calibres les plus sensibles sur l’oscilloscope sont d’1mV/div, de 2mV/div et 5mV/div. Dans la
mesure où le signal détecté est parfaitement exploitable avec ces 3 calibres les plus sensibles, il n’est
pas nécessaire d’envoyer trop de puissance pour caractériser chaque mode de cette cavité.
Si avec le calibre d’1mV/div et pour une puissance inférieure à 6dBm (4mW) la mesure se fait
correctement à l’oscilloscope, il est inutile d’envoyer le maximum de puissance que peut délivrer le
générateur !!!
POURQUOI EMETTRE UNE PUISSANCE TRES ELEVEE SI AVEC UNE FAIBLE
PUISSANCE LA MESURE SE FAIT CORRECTEMENT ET DONNE LE MEME
RESULTAT ??!!
E
r
B
r

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Le calibre utilisé est affiché en bas à gauche de l’écran de l’oscilloscope comme indiqué sur l’image
suivante :
« Y1 » indique que l’information donnée est l’échelle de tension en ordonnée relative à l’entrée n°1.
« 500mV » indique que dans cet exemple le calibre est de 500mV/division.
« = » indique que la mesure effectuée se fait en DC.
Le signal détecté par la diode 1N26 est une tension négative proportionnelle à la puissance détectée.
Ce signal détecté est de forme carré avec une valeur maximale nulle de tension et une valeur
minimale correspondant au maximum de puissance détectée. Par conséquent, il est souhaitable de
visualiser le signal en « DC » plutôt qu’en « AC » sur l’oscilloscope.
La visualisation en AC supprimera l’offset continu du signal, il faudrait donc faire une mesure crête à
crête du signal. Pour visualiser le maximum de puissance détectée correspondant au sommet du
mode de résonance (à la fréquence centrale), il faudrait visualiser un signal (à calibre constant) ayant
une tension crête à crête maximale.
La visualisation en DC tient compte de l’offset continu su signal. La tension mesurée étant par
définition négative avec cette diode, une augmentation de la puissance du signal Electromagnétique
se traduira sur l’oscilloscope par une augmentation de l’amplitude du signal et donc par une
augmentation (en valeur absolue) de la tension minimale du signal.
I.5. Mesure des fréquences
La fréquence centrale
0
f d’un mode de résonance correspond à la fréquence pour laquelle la
puissance sera maximale. Le coefficient de surtension en charge Qc de la résonance se calcule avec
12
00
ff
f
f
f
Q
c
−
=
∆
= où
1
f et
2
f sont les fréquences de part et d’autre de
0
f pour lesquelles la
puissance du signal est inférieure de 3dB.
Pour relever ces 2 fréquences, il faut délivrer une puissance de façon à ce que le signal ait une
amplitude de n divisions sur l’écran de l’oscilloscope. Il faut ensuite augmenter de +3 dB la puissance
de sortie et cherche les fréquences
1
f et
2
f pour lesquelles on retrouve la même détection de n
divisions. Le générateur délivre au maximum +22dBm, il est donc souhaitable de ne pas dépasser
+19dBm pour la fréquence centrale de façon à pouvoir ajouter les 3dB pour trouver
1
f et
2
f .
A la fin de chaque mesure d’un mode ou avant la première mesure, diminuer
jusqu’à 0dBm et passer en « RF OFF ». Changer les excitations de la cavité.
Pour chaque nouvelle mesure, passer sur « RF ON » et augmenter progressivement
la puissance.