Puissance isotrope rayonnée équivalente ou PIRE

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Emetteur radio

Un émetteur d’ondes radioélectriques est un équipement électronique de télécommunications, qui par l’intermédiaire d’une antenne radioélectrique, rayonne des ondes électromagnétiques dans l’espace hertzien.

Fonctionnalités

La fonction générale d’un émetteur radio est de transformer le signal utile contenant l’information en onde radioélectrique de puissance suffisante pour assurer la liaison à un récepteur. Il assure donc successivement [4] :
• La modulation du signal, en amplitude (AM), fréquence (FM), phase (PM) ou impulsion. Celle-ci est précédée éventuellement du traitement du signal et du codage.
• L’amplification à la puissance souhaitée, très variable, de quelques milliwatts en Wi-Fi, à quelques mégawatts en télécommunications sous-marines.
• Le couplage à l’espace hertzien par l’intermédiaire de l’antenne, celle-ci pouvant éventuellement être rotative ou orientable.
Caractéristiques générales

Puissance rayonnée

La puissance isotrope équivalente rayonnée, ou PIRE est la caractéristique essentielle de la portée d’une liaison, donc de la couverture d’un émetteur. C’est la puissance générée par l’amplificateur final, multipliée par le gain de l’antenne dans la direction du ou des récepteurs (les pertes de la ligne et autres pertes, devant être retranchées).
Remarque :
• En radiodiffusion AM, les antennes étant généralement omnidirectionnelles, et de gain proche de l’unité, les stations sont souvent définies par leur puissance radioélectrique seule.
• En télévision terrestre, les antennes sont généralement omnidirectionnelles, mais avec un rayonnement maximum vers l’horizon. La PIRE est alors très supérieure à la puissance radioélectrique.
• En faisceaux hertziens, diffusion satellitaire ou radar, le gain d’antenne, généralement de type
parabole, peut atteindre 40 à 60 dB.
Ces spécifications principales de fréquence, modulation, puissance, gains d’antenne, sont liées par le bilan de liaison nécessaire à l’application.

Emissions parasites

Un émetteur peut émettre, outre le signal utile, plusieurs types de signaux non désirés :
• Les émissions harmoniques, dues aux non-linéarités de l’étage final. Ces harmoniques sont des fréquences multiples de la fréquence d’émission. Elles sont réduites par filtrage entre émetteur et antenne.
• Des émissions parasites dues à des oscillations temporaires de l’étage final en certains points de tension ou de charge.
• Des émissions dans les canaux proches, dues également à la non-linéarité de l’étage final par intermodulation, ou au manque de filtrage dans les étages de modulation.
• Des émissions parasites diverses, non harmoniques et loin du canal. Elles peuvent être dues aux changements de fréquence, fuites d’oscillateurs, etc. Une conception de filtrage interne et de blindages mutuels les minimise, ainsi qu’un choix correct de plan de fréquence.
Toutes ces émissions parasites sont spécifiées par des normes de l’UIT, selon la puissance, la fréquence et le type de service.

Zone de couverture

La puissance rayonnée, la distance et la propagation définissent le niveau de réception, selon l’équation des télécommunications (équation de Friis). Cette couverture permet de définir les auditeurs possibles en radiodiffusion ou télévision, ou le service dans un réseau.
La couverture peut être définie avec précision si la propagation est stable, et les lobes d’antennes précisément connus, comme en télévision satellitaire ou en téléphonie mobile. Au contraire, la propagation fluctuante MF ou HF, ne permet que des couvertures statistiques, ou variables selon le jour et l’heure.

Générateur de la fréquence pilote

Comme en réception, la génération de fréquence porteuse utilise des techniques variées, oscillateur
à quartz fixe ou commuté, multiplicateur de fréquence, ou synthétiseur.

Ligne de transmission et antenne

La ligne de transmission peut être de type coaxial, de type guide d’onde en faisceaux hertziens ou radars, ou encore une ligne haute impédance bifilaire.
La variété des antennes utilisées selon les applications est plus grande que celle des schémas d’émetteur.
Dans tous les cas, l’adaptation des impédances entre l’étage amplificateur final et l’antenne, ainsi que la ligne de transmission éventuelle, sont critiques. Un circuit passif adaptateur d’antenne est utilisé si l’antenne ne présente pas l’impédance caractéristique demandée par l’étage de sortie.

Récepteur radio

Un récepteur radio (poste de radio, transistor, tuner, autoradio, etc.) est un appareil électronique destiné à capter, sélectionner et décoder les ondes radioélectriques émises par les émetteurs radio Les signaux formés par les ondes électromagnétiques sont captés par une antenne. Celle-ci, quelle qu’elle soit, reçoit de nombreux signaux qu’il faut différencier [5]. Un récepteur doit donc être capable de :
• Sélectionner, parmi les nombreux signaux, le signal désiré ;
• Amplifier ce signal afin de permettre son traitement ultérieur ;
• Démoduler le signal, qui est modulé en amplitude, en fréquence, en phase ou de type numérique, afin de récupérer une copie fidèle du signal original, appelé signal modulant.
Caractéristiques essentielles
Tout récepteur radio possède trois caractéristiques fondamentales : 1’ amplification, la sensibilité et la sélectivité.

Amplification

Comme les signaux captés sont généralement très petits (microvolts ou millivolts), il est nécessaire d’amplifier le signal.

Sensibilité

La sensibilité d’un récepteur définit sa capacité à recevoir des émetteurs faibles ou lointains.

Sélectivité

La sélectivité d’un récepteur décrit l’aptitude du récepteur à séparer le signal désiré de signaux perturbateurs (autres émetteurs, par exemple) à des fréquences voisines.

Commande automatique de gain

Presque tous les récepteurs disposent, d’une manière ou d’une autre, d’une commande automatique de gain (CAG) qui règle le gain des amplificateurs HF et/ou Fréquence Intermédiaire (FI), en fonction de la puissance du signal d’entrée. En l’absence d’un tel dispositif, le récepteur serait surchargé ; la réponse d’un amplificateur surattaqué n’est plus linéaire et le signal de sortie est distordu et trop fort. En principe, le niveau sonore de sortie d’un récepteur FM ne varie pas en fonction du niveau du signal, mais un étage d’amplification surchargé produit une distorsion, c’est pourquoi on trouve également un circuit de CAG dans un récepteur FM. Les récepteurs de télévision requièrent une CAG précise pour maintenir un niveau de contraste correct. Tout circuit de CAG est un système asservi. Dans un simple récepteur AM, le détecteur à diode fournit une tension continue commode qui peut commander le courant de polarisation (et donc le gain) des amplificateurs HF.

Réducteur de bruit

De nombreux récepteurs, y compris la plupart des récepteurs de télévision, disposent d’un circuit de réduction du bruit qui élimine les effets des bruits impulsionnels, comme celui des impulsions transitoires produites par les systèmes d’allumage des automobiles. Les impulsions parasites sont tellement fines qu’elles peuvent perturber les étages FI. Le taux d’utilisation du récepteur reste élevé et la pointe de tension est parfaitement audible (ou visible dans le cas d’un récepteur de télévision). Il faut procéder au déblocage avant que la bande passante ne soit très réduite parce que les filtres allongent la durée des impulsions.

Traitement numérique du signal dans un récepteur

Le filtrage et la détection au sein d’un récepteur peuvent en principe être traités de façon numérique, tout au moins après une première amplification et une réduction de la largeur de bande. Le traitement numérique d’un signal FI permet d’obtenir l’amplitude et la réponse en phase recherchées

Conclusion

Ce premier chapitre nous a donné les caractéristiques fondamentales d’un émetteur et d’un récepteur radio, ainsi que les équations qui régissent la propagation d’une onde électromagnétique. Ces notions essentielles seront utilisées pour examiner le fonctionnement des émetteurs et récepteurs et évaluer leurs performances.

ANTENNE RADIOELECTRIQUE

Introduction

Définition 

Les antennes sont des dispositifs utilisés pour rayonner le champ électromagnétique dans l’espace ou pour le capter [6].
Le transport d’énergie par une onde électromagnétique va donc permettre le transfert d’information sans support physique à travers un canal ou une liaison radioélectrique, à condition que l’onde électromagnétique soit modulée par un signal informatif.

Caractéristiques d’une antenne

Préambule

Quel que soit la fréquence de fonctionnement de l’antenne, quel que soit sa structure physique, le rayonnement des antennes est caractérisé par des propriétés communes [7]. Ces propriétés doivent permettre de répondre aux questions suivantes :
• Comment une antenne rayonne-t-elle la puissance qui lui est fournie dans l’espace ? Dans quelle(s) direction(s) ?
• Avec quelle efficacité se fait le transfert d’énergie entre la puissance de l’émetteur et la puissance rayonnée ?
• Sur quelle bande de fréquence l’antenne rayonne de manière optimale ?
• Quelles sont les propriétés données par l’antenne à l’onde électromagnétique émise ?
Remarque : Nous allons considérer uniquement des antennes émettrices. Cependant, il est nécessaire de supprimer toute distinction entre antenne émettrice et antenne réceptrice, en introduisant le principe de réciprocité : toute structure qui reçoit une onde électromagnétique peut transmettre une onde électromagnétique. Une antenne passive peut réciproquement être utilisée en émission et en réception. Les propriétés de l’antenne resteront les mêmes qu’elle soit utilisée en émission ou en réception.

Antenne passive

Une antenne est dite passive si elle se comporte de manière linéaire. Concrètement, il existe une relation linéaire entre la puissance électrique incidente et la puissance rayonnée. Si le signal d’entrée est sinusoïdal, l’onde électromagnétique produite l’est aussi. Si on double la puissance du signal d’entrée, celle transportée par l’onde double aussi. Si aucun dispositif non linéaire n’est placé en entrée du circuit, l’antenne est alors généralement considérée comme passive.

Diagramme de rayonnement d’une antenne

Puissance rayonnée par une antenne

Une antenne sert à convertir une puissance électrique en une puissance rayonnée, c’est-à-dire transportée par une onde électromagnétique, qui peut se propager dans toutes les directions de l’espace. Les directions dans lesquelles cette puissance vont dépendre des caractéristiques de l’antenne.
Commençons par exprimer la puissance rayonnée par une antenne quelconque, dont le centre est placé au centre d’un repère sphérique (Figure 2.01) et connectée à une source qui lui fournit une puissance électrique PA.

Puissance isotrope rayonnée équivalente ou PIRE

La puissance rayonnée équivalente d’une antenne (PIRE ou EIRP en anglais) est un terme souvent utilisé en télécommunication (principalement dans le bilan de liaison) qui définit, dans la direction de rayonnement maximal, la puissance électrique qu’il faudrait apporter à une antenne isotrope pour obtenir la même puissance rayonnée dans cette direction. Elle est obtenue par l’équation suivante : PIREGPA

Modèle électrique et comportement fréquentiel

Une antenne rayonne efficacement sur une bande de fréquence étroite qui correspond à sa Fréquence de résonance. Lorsqu’un signal variable excite une antenne, des charges sont mis en mouvement le long de l’antenne donnant naissance à un rayonnement. La résonance correspond à une situation où ces charges sont en oscillation permanente. Pour représenter ce résonant qui varie avec la fréquence, il est possible de modéliser l’antenne par un circuit passif RLC équivalent.
La connaissance de ce modèle est cruciale pour déterminer comment l’antenne va convertir la puissance électrique incidente en puissance rayonnée. Afin d’éviter toute perte liée à la désadaptation entre la source électrique et l’antenne, il est nécessaire d’assurer les conditions d’adaptation.

Modèle électrique d’une antenne

On peut résumer le comportement de l’antenne passive (qui présente un comportement linéaire) ainsi : une antenne stocke des charges (comportement capacitif = stockage sous forme d’énergie électrique), s’oppose aux variations des courants qui y circulent (comportement inductif = stockage sous forme d’énergie magnétique) et dissipe une partie de l’énergie (pertes ohmiques et par rayonnement. D’un point de vue électrique, une antenne passive peut donc être modélisée par un circuit équivalent RLC et l’impédance Zin vue à l’entrée de l’antenne, noter que les valeurs du modèle ne sont valides que sur des bandes étroites.

Table des matières

INTRODUCTION GENERALE
CHAPITRE 1 EMETTEUR ET RECEPTEUR D’ONDE RADIOELECTRIQUE
1.1 Introduction
1.2 Généralités sur les ondes radio
Union International des Télécommunications
Spectre radiofréquence
Propagation de l’onde radio
1.3 Emetteur radio
Fonctionnalités
Caractéristiques générales
Fonctionnement
1.4 Récepteur radio
Fonction
Caractéristiques essentielles
Commande automatique de gain
Réducteur de bruit
Traitement numérique du signal dans un récepteur
1.5 Conclusion
CHAPITRE 2 ANTENNE RADIOELECTRIQUE
2.1 Introduction
2.2 Caractéristiques d’une antenne
Préambule
Antenne passive
Diagramme de rayonnement d’une antenne
Angle d’ouverture
Directivité
Gain
Rendement
Lien entre gain et angle d’ouverture
Puissance isotrope rayonnée équivalente ou PIRE
2.3 Modèle électrique et comportement fréquentiel
Modèle électrique d’une antenne
Résistance de rayonnement
2.4 Bande passante et facteur de qualité
2.5 Polarisation d’une antenne – Perte de polarisation
Polarisation d’une antenne
Perte de polarisation
2.6 Antenne Yagi-Uda
Description
Principe de fonctionnement
Caractéristiques
2.7 Bilan de liaison
Atténuation en espace libre – Formule de Friis
Bilan de liaison
2.8 Conclusion
CHAPITRE 3 SYSTEME DE DETECTION ET REGULATION
3.1 Introduction
3.2 Système de détection
Introduction
Détection d’un signal radio
3.3 Régulation
Préambule
Notion de système
Concept du système de commande
Objectifs de la régulation
Boucle Ouverte/Fermée
Modèle mathématique
Fonction de transfert
Classification des systèmes asservis
Classification selon le type de régulateur
Régulation analogique
Régulation numérique
3.4 Conclusion
CHAPITRE 4 REALISATION PRATIQUE DU SYSTEME
4.1 Introduction
4.2 Fonctionnement
Explication
Algorithme de positionnement
Schéma fonctionnel de la régulation
4.3 Outils utilisés
Matériels
Logistiques
4.4 Composants utilisés
Un émetteur et un récepteur
Une carte Arduino
Un écran LCD 16 X 2
Un moteur électrique
Un relais électromécanique
4.5 Présentation du dispositif
4.6 Calcul de la consigne
4.7 Amplificateur du mesureur de champ
4.8 Réalisation de l’antenne yagi
4.9 Contraintes de réalisation
4.10 La chaine de transmission finale
4.11 Conclusion
CONCLUSION GENERALE
ANNEXES
ANNEXE 1 LE LOGICIEL ISIS ET ARES PROTEUS
ANNEXE 2 L’EMMETEUR XY-FST ET LE RECEPTEUR XY-MK-5V
ANNEXE 3 LA CARTE ARDUINO NANO V3.0
ANNEXE 4 MESUREUR DE CHAMP ELECTROMAGNETIQUE PROFESSIONNEL
BIBLIOGRAPHIES
RENSEIGNEMENTS

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