Description du système GPS

Introduction

La plupart des systèmes de communications mobiles par satellites, qu’ils soient géostationnaires, sur des orbites basses ou elliptiques, requièrent des antennes à polarisation circulaire possédant de plus, un diagramme de rayonnement quasi-omnidirectionnel en azimut. L’intérêt de la polarisation circulaire réside dans une faible dépolarisation de l’onde lors de la traversée de l’ionosphère (effet Faraday) et une détection plus aisée des réflexions liées aux trajets multiples. En effet, entre l’émetteur et le récepteur, les ondes radio subissent des trajets multiples liés aux phénomènes électromagnétiques que sont les réflexions, la réfraction par les milieux diélectriques, la diffraction par les arêtes ou encore la dépolarisation. Ces phénomènes sont d’autant plus complexes qu’existe un nombre important d’objets interrompant le trajet des ondes (bâtiments, véhicules, reliefs en extérieur, murs, mobilier, personnes en intérieur, etc…), et ils peuvent se traduire par une dégradation de la liaison lors de la communication radio [1].

Le but de ce chapitre est de concevoir des réseaux d’antennes imprimées, particulièrement des réseaux log-périodiques à polarisation circulaire droite et gauche fonctionnant dans les bandes d’opérations L1 et L2 du système GPS de fréquence respectives 1575.42 MHz et 1227.60 MHz, et ceci par l’association des antennes de type multi-couches de forme carrée et en anneaux dont leur alimentation est par ouverture.

Description du système GPS

Le GPS est un système de radionavigation qui permet de naviguer n’importe où sur le globe, tant sur la terre et dans l’air que sur la mer. Le système GPS a un potentiel très important qu’on peut résumer en quelques qualités exceptionnelles comme la navigation en trois dimensions, la couverture quasi mondiale et quasi permanente, la précision de localisation et le nombre illimité d’utilisateurs pour un coût de service très faible [2]. Le système GPS NAVSTAR est un système de positionnement par satellite conçu et mis en place par le département de la défense des USA. Le principe général du système GPS repose sur la mesure de la position séparant un récepteur de plusieurs satellites [2].

Le système GPS comprend trois segments [2] :
– Le segment spatial : il est constitué d’une constellation de 24 satellites défilant en orbite polaire (ils se déplacent sur 6 plans orbitaux inclinés de 55◦) et diffusant des signaux radioélectriques. La période orbitale de chaque satellite est d’environ 12heures. Le nombre, l’altitude des satellites et l’inclinaison des plans des orbites sont choisis de telle sorte qu’à tout instant, en tout point de la terre, on puisse voir un nombre minimal de satellites (4 satellites).
– Le segment de contrôle : il est composé de cinq stations au sol qui captent en permanence les signaux GPS sur les deux fréquences L1 et L2. Les stations au sol transmettent en bande S les éphémérides des satellites ainsi que les paramètres d’horloge aux satellites, qui mettent à jour leur message de navigation. Les éphémérides radiodiffusées sont calculées une fois par jour pour chaque satellite.
– Le segment utilisateur : il présente l’ensemble des utilisateurs civils et militaires du système GPS. Ce segment est formé des récepteurs GPS.

La structure du signale GPS

Les signaux GPS sont transportés par deux fréquences porteuses, de fréquences L1 = 1575.43 MHz et L2 = 1227.60 MHz. Ces porteuses sont générées à partir des oscillateurs calés sur les horloges atomiques des satellites, de fréquences fondamentale f = 10.23 MHz. Les signaux L1 et L2 sont modulés par les codes C/A (Coarse/Aquisition) et P(Y) (Precise ou Protected). La porteuse L1 est modulée par le code C/A et P(Y), et L2 uniquement par P(Y). Un troisième code, le message de navigation, vient s’ajouter aux deux codes précédents lors de la génération du signal GPS sur L1 et L2. Le message de navigation contient des informations relatives aux satellites GPS (position, état, décalage d’horloge), des corrections d’effets de propagation atmosphériques liées au passage du signal à travers l’ionosphère et une correction de la dérive de l’horloge du satellite GPS [3].

Réseaux d’antennes log-périodiques à polarisation circulaire pour système GPS par l’association des antennes multi-couches de forme en anneau

Ces réseaux sont conçus pour fonctionner dans la bande de fréquence désirée. Une alimentation déphasée est appliquée qui consiste à utiliser un circuit d’alimentation imprimé avec des branches à chaque élément rayonnant.

Les caractéristiques des antennes utilisées sont :
– Les éléments rayonnants, comme montré sur la figure IV. 12, sont de forme annulaire [7] de rayon et , imprimés sous un substrat de permittivité relative εr1 = 2.2, de hauteur H1 = 1.52 mm et de tangente de perte tgδ1 = 0.001.
– Une couche d’air de hauteur H2 = 15 mm situé au-dessous des éléments rayonnants permettant d’augmenter la bande passante.
– Une alimentation par l’intermédiaire d’une fente de couplage de largeur Wf située dans le plan de masse.
– Une ligne microruban de largeur WL, d’impédance caractéristique Zc = 50  terminée par un stub de longueur Ls. Cette ligne, située sous ce plan de masse, repose sur une couche de substrat de permittivité relative εr3 = 2.2, d’hauteur H3 = 0.762 mm, et de tangente de perte tgδ3 = 0.002 .Pour avoir une polarisation circulaire dans les bandes de fonctionnement L1 et L2 du système GPS, nous avons déterminé par le concept log-périodique, quatre éléments d’antennes couvrant la plage de fréquence allant de 1.1 GHz à 1.575 GHz afin de les associer avec le circuit d’alimentation.

Exemple des antennes fonctionnants dans les bandes du système GPS

C’est la combinaison de deux antennes à éléments rayonnants carrés imprimés dont les coins coupés sont situés sur les mêmes diagonales de l’antenne. Ces éléments rayonnants sont imprimés sur un substrat céramique de permittivité εr et d’épaisseur h1 pour le substrat supérieur et h2 pour le substrat inférieur. Les deux éléments rayonnants reposent sur un substrat de même dimensions latérales a1 x a1 mm². L’élément rayonnant supérieur a une dimension de a2 x a2 et la taille de ses coins coupés est de Δa2. Quant à l’élément rayonnant inférieur, ses dimensions sont de a3 x a3 et la taille de ses coins coupés est de Δa3. Une son de coaxiale, placée à 7,2 mm du centre, excite l’élément rayonnant supérieur en passant à travers un orifice circulaire de 2 mm de diamètre dans le pavé inférieur. Une couche d’air d’épaisseur h2 sépare les pavés supérieur et inférieur.

Table des matières

Introduction générale
Chapitre I : Généralités sur les antennes imprimées
I. 1. Introduction
I. 2. Définition
I. 3. Description d’une antenne microruban
I. 3. 1.Forme des antennes imprimées
I. 3. 2.Choix du matériau de patch
I. 3. 2. 1. Les matériaux diélectriques utilisés
I. 3. 2. 2. Critères de choix du substrat
I. 4. Alimentation par contact
I. 4. 1.Alimentation par ligne microruban
I. 4. 2.Alimentation par sonde coaxiale
I. 4. 3.Alimentation par fibre optique
I. 5. Alimentation par proximité
I. 5. 1.Alimentation par couplage à travers une fente
I. 5. 2.Alimentation par couplage
I. 5. 3.Alimentation par guides d’ondes coplanaires
I. 6. Mécanisme du rayonnement
I. 7. Caractéristiques du rayonnement d’une antenne imprimée 
I. 7. 1.Directivité
I. 7. 2.Gain
I. 7. 3.Diagramme de rayonnement
I. 7. 4.La polarisation
I. 7. 4. 1. La polarisation linéaire
I. 7. 4. 2. La polarisation circulaire
I. 8. Facteur de qualité
I. 9. Problématique au niveau de la bande passante d’une antenne patch
I. 10. Réseau d’antennes 
I. 10. 1. Analyse des réseaux d’antennes
I. 10. 2. Type des réseaux d’antennes
I. 11. Concept périodique 
I. 11. 1. Cas d’un réseau linéaire
I. 11. 2. Réseau bidimensionnel (2D)
I. 11. 3. Techniques d’alimentation d’un réseau linéaire
I. 12. Concept log-périodique
I. 12. 1. Antenne log périodique pour les applications de télésurveillance
I. 12. 2. Antenne imprimée log-périodique basée sur des éléments d’arbres fractales
I. 12. 3. Nouveau réseau d’antenne bowtie linéaire log-périodique en utilisant le model équivalent opérant dans la bande C et la bande Ku
I. 12. 4. Conception d’un réseau d’antenne imprimée Log-périodique Dipôle avec gain élevé pour les applications à ondes millimétriques
I. 13. Diviseur d’impédance
I. 13. 1. Utilisation
I. 14. Les coupleurs
I. 14. 1. Coupleurs directifs (branche Line)
I. 14. 2. Le coupleur de Lange
I. 14. 3. Coupleurs 0-180° en anneau
I. 15. Spectre électromagnétique
I. 15. 1. La bande S
I. 15. 1. 1. Communication par satellite
I. 15. 1. 2. Autres utilisations
I. 15. 2. La bande C
I. 15. 2. 1. L’IEEE C-BAND
I. 15. 3. La bande X
I. 15. 3. 1. Communication par satellite
I. 15. 3. 2. Radar
I. 15. 3. 3. Autres utilisations
I. 16. Exemple des antennes fonctionnants dans les bandes du système GPS 
I. 17. Conclusion
Chapitre II : Modèle équivalent de l’antenne et réseaux d’antennes mono-couches log-périodiques : Analyse et résultats
II. 1. Introduction
II. 2. Modèle équivalent de l’antenne de forme carrée seule
II. 3. Modèle équivalent des réseaux log-périodiques
II. 4. Validation du modèle
II. 4. 1. Réseau d’antennes périodiques mono-couches
II. 4. 2. Réseau d’antennes log-périodiques mono-couches
II. 4. 2. 1. Réseau d’antennes fonctionnant dans la bande S
II. 4. 2. 1. Réseau d’antennes log-périodiques fonctionnant dans la bande C
II. 4. 2. 3. Réseau d’antennes log-périodiques fonctionnant dans la bande X
II. 5. Conclusion
Chapitre III : Réseaux d’antennes Multi-couches log-périodiques : Résultats et Discussions
III. 1. Introduction
III. 2. Résultats de simulation
III. 2. 1. Réseau d’antennes fonctionnant en bande C
III. 2. 1. 1. Réseau d’antennes à 5 éléments
III. 2. 1. 2. Réseau d’antennes à 7 éléments
III. 2. 1. 3. Réseau d’antennes à 9 éléments
III. 2. 2. Réseau d’antennes fonctionnant en bande X
III. 2. 2. 1. Réseau d’antennes à 5 éléments
III. 2. 2. 2. Réseau d’antenne à 7 éléments
III. 2. 2. 3. Réseau d’antennes à 9 éléments
III. 2. 3. Réseaux log-périodiques linéaire 1×18 et plan 2×9 alimentés aux centre opérants en bande C et X
III. 2. 3. 1. Conception du diviseur
III. 2. 3. 2. Réseau log-périodique linéaire 1×18 alimenté au centre opérant en bande C et X
III. 2. 3. 3. Réseaux log-périodique plan 2×9 alimenté au centre opérant en bande C et X
III. 3. Comparaison entre les différents résultats
III. 4. Conclusion
Chapitre IV : Conception des réseaux d’antennes multi-couches logpériodiques à polarisation circulaire pour système GPS
IV. 1. Introduction
IV. 2. Le système GPS
IV. 2. 1. Description du système GPS
IV. 2. 2. La structure du signale GPS
IV. 3. Réseau d’antennes log-périodique à polarisation circulaire pour système GPS 
IV. 3. 1. Procédure de conception
IV. 3. 2. Réseaux d’antennes log-périodiques à polarisation circulaire pour système GPS par l’association des antennes multi-couches de forme carrée
IV. 3. 2. 1. Polarisation circulaire droite RHCP
IV. 3. 2. 2. Polarisation circulaire gauche LHCP
IV. 3. 3. Réseaux d’antennes log-périodiques à polarisation circulaire pour système GPS par l’association des antennes multi-couches de forme en anneau
IV. 3. 3. 1. Polarisation circulaire droite RHCP
IV. 3. 3. 2. Polarisation circulaire gauche LHCP
IV. 4. Conclusion
Conclusion générale
Annexe I
Annexe II
Annexe III
Liste des travaux scientifiques

Télécharger le rapport complet