Cours phénomènes de propagation en radiofréquences électronique rapide, tutoriel électronique document PDF.
1 INTRODUCTION
1.1 PRÉAMBULE: MISE EN ÉVIDENCE DES PHÉNOMÈNES DE PROPAGATION EN ÉLECTRONIQUE
1.2 LES FRÉQUENCES MICRO-ONDES
1.3 APPLICATIONS DES ONDES ÉLECTROMAGNÉTIQUES
1.3.1 HISTORIQUE
1.3.2 QUELQUES APPLICATIONS TYPIQUES
1.4 CIRCUITS MICRO-ONDES ET MÉTHODES D’ANALYSE
2 LA LIGNE DE PROPAGATION – ANALYSE PAR LA THÉORIE DES CIRCUITS
2.1 MODÈLE CIRCUIT D’UNE LIGNE DE PROPAGATION
2.2 EQUATIONS DIFFÉRENTIELLES COUPLÉES
2.3 RÉGIME HARMONIQUE
2.3.1 EQUATIONS DE PROPAGATION
2.3.3 CARACTÉRISTIQUES DES ONDES:IMPÉDANCE CARACTÉRISTIQUE,EXPOSANT DE PROPAGATION,
COEFFICIENT DE RÉFLEXION
2.3.4 COEFFICIENTS DE RÉFLEXION ET DE TRANSMISSION – RAPPORT D’ONDES STATIONNAIRE (ROS)
2.4 ADAPTATION D’IMPÉDANCE
2.4.1 ADAPTATION PARTIE RÉELLE:TRANSFORMATEUR ¼D’ONDE
2.4.2 ADAPTATION PARTIE IMAGINAIRE: « STUB»
2.5 OUTILS D’ANALYSE:ABAQUE DE SMITH –PARAMÈTRES S –GRAPHES DE FLUENCE
2.5.1 ABAQUE DE SMITH
2.5.2 PARAMÈTRES S – MATRICES
2.5.3 GRAPHES DE FLUENCE
2.6 INTRODUCTION AU RÉGIME TEMPOREL:RÉFLECTOMÉTRIE TEMPORELLE
2.6.1 PRINCIPE
3 PRINCIPES DE LA CAO RF-µONDES
3.1 MODÉLISATION
3.2 SIMULATION
4 PRINCIPES DES APPAREILS DE MESURE RF-µONDES
Résumé sur radiofréquences électronique rapide
1 Introduction
1.1 Préambule : mise en évidence des phénomènes de propagation en électronique
Il s’agit ici de montrer que lorsque la fréquence des signaux se propageant sur une ligne augmente, il devient nécessaire de prendre en compte les phénomènes de propagation. Lorsque l’on augmente la fréquence tout en conservant la tension efficace Vg constante, on constate que la tension lue varie. Si l’on divise la longueur l par dix, soit un câble coaxial de longueur 10 cm, on constate que ce phénomène se produit pour une fréquence dix fois supérieure. La tension lue au voltmètre dépend donc de la longueur du câble coaxial et de la fréquence de fonctionnement. Pour comprendre ce phénomène, il faut faire appel à la théorie de la propagation des ondes électromagnétiques que nous allons développer. On peut déjà affirmer que pour éviter les phénomènes de propagation dans les circuits électroniques, il faut que la dimension de ces circuits soit plus petite que la longueur λ associée à la longueur d’onde des signaux mis en jeu.
Plus la fréquence croît, plus la longueur d’onde diminue, plus les phénomènes de propagation sont susceptibles d’intervenir. Dès l’apparition de la miniaturisation apportée par la microélectronique vers les années 1960, les électroniciens ont cru longtemps qu’ils allaient pouvoir éviter les méthodes lourdes d’analyse électromagnétique qui permettent de prendre en compte les phénomènes de propagation. Mais les ambitions des électroniciens ne se sont pas limitées qu’à la miniaturisation des circuits. Du fait du besoin accru de plages de fréquences libres pour les applications de télécommunication, les fréquences de fonctionnement ont augmenté. De plus, la complexité de l’architecture des circuits entraîne des couplages entre circuits qui ne peuvent se traiter que grâce à la théorie de l’électromagnétisme. Aucun électronicien ne peut ignorer aujourd’hui les concepts de base de l’électromagnétisme qui interviennent dans l’analyse des circuits d’électronique rapide.
1.2 Les fréquences micro-ondes
Le terme « micro-ondes » est utilisé pour décrire les ondes électromagnétiques allant de 1 cm à 1 m dans l’air, correspondant à des fréquences situées entre 300 MHz et 300 GHz. Dans un milieu différent de l’air, donc de permittivité relative supérieure à 1, ce spectre est déplacé vers le bas car la vitesse de l’onde est alors inférieure à la vitesse de la lumière :
Les ondes électromagnétiques possédant des longueurs d’onde situées entre 1 et 10 mm sont appelées ondes millimétriques. Le spectre infrarouge correspond à des longueurs d’ondes situées entre 1 µm et 1 mm. Ensuite, nous avons le spectre optique visible, le spectre ultraviolet, et finalement les rayons X. Divers modes de classification sont utilisés pour désigner les bandes de fréquence du spectre électromagnétique. Ces classifications sont résumées dans les tableaux 1 et 2.
La classification en bandes RADAR (Tableau 2) date de la seconde guerre mondiale et demeure toujours d’usage aujourd’hui même s’il est recommandé d’utiliser la nouvelle classification militaire.
1.3 Applications des ondes électromagnétiques
1.3.1 Historique
L’intérêt pour les fréquences micro-ondes est apparu pour un grand nombre de raisons. La plus basique est le besoin toujours croissant de bandes spectrales pour les applications radiofréquences et toutes les applications pour lesquelles seules les fréquences micro-ondes peuvent être utilisées. La bande de fréquence 1 GHz (109Hz) à 1 THz (1012Hz) contient 1000 fois la bande le fréquence DC – 1 GHz, on comprend ainsi pourquoi les fréquences micro-ondes sont si largement utilisées dans un contexte de besoin croissant de nouvelles plages de fréquence.
Au départ, durant la seconde guerre mondialeet les années qui suivirent, l’ingénierie micro-onde était synonyme d’ingénierie RADAR (Radio Detection And Ranging) du fait du fort développement de système micro-ondes impulsé par le besoin de radars à très haute résolution.
1.3.2 Quelques applications typiques
Le développement successif du téléphone, de la radiodiffusion, de la télévision, des ordinateurs, ont abouti à un volume de données échangées considérable et dont le transfert entre différents lieux s’effectue par l’intermédiaire d’ondes électromagnétiques guidées dans des câbles ou des fibres, ou rayonnées dans l’air par l’intermédiaire d’antennes. Pour tenter de satisfaire tous les utilisateurs, le spectre hertzien a été divisé en différentes plages ou bandes de fréquences attribuées essentiellement pour les applications militaires, les télécommunications civiles et la radionavigation. La répartition des fréquences est effectuée par l’Union Internationale des Télécommunications (UIT), organisme international dont le siège est à Genève et qui dépend de l’ONU.
1.4 Circuits micro-ondes et méthodes d’analyse
Comme on l’a souligné, les phénomènes de propagation mis en évidence au paragraphe 1.1 imposent le recours à des circuits et méthodes d’analyse spécifiques dès lors que la longueur d’onde correspondant à la fréquence ne pleut plus être considérée comme très élevée vis-à-vis des dimensions du circuit (rapport 10 à 20 minimum). L’une des exigences essentielle pour un circuit micro-onde est alors de pouvoir transmettre correctement (sans distorsion et pertes) un signal d’un point à un autre. Cela nécessite le transport de l’énergie sous la forme d’une onde électromagnétique se propageant. L’utilisation de deux fils parallèles est impossible pour des fréquences supérieures à quelques dizaines de MHz. Les paires torsadées peuvent être utilisées jusqu’à environ la centaine de MHz sur des distances de quelques mètres. Ensuite les utilisateurs ont recours à des supports de transmission spécifiques, appelées « lignes de propagation » ou « lignes de transmission ».
2 La ligne de propagation – Analyse par la théorie des circuits
Les phénomènes de propagation sur les lignes à plusieurs conducteurs s’étudient à l’aide des équations de Kirchoff : loi des mailles et loi des nœuds. La démarche est la suivante :
1. Construction d’un modèle de la ligne de propagation.
2. Etablissement des équations différentielles couplées régissant la propagation d’une onde de tension ou de courant sur la ligne.
3. Résolution de des équations différentielles couplées en régime harmonique: ondes progressives et régressives, vitesse de phase, longueur d’onde.
4. Caractéristiques des ondes : mise en évidence des concepts d’impédance caractéristique, d’exposant de propagation, et de coefficient de réflexion.
5. Introduction d’outils d’analyse : abaque de Smith, paramètres S.
6. Analyse temporelle des phénomènes de propagation : résolution des équations différentielles dans le domaine temporel.
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