2.3 Détection de cibles avec le système complet
2.3.2 Problématique des phénomènes de propagation
An de comprendre ces phénomènes de propagation, il a donc fallu les analyser de façon plus précise, et cela a donc tout d'abord nécessité de très nombreuses mesures en puissance et en distance. Ces mesures ont été réalisées dans la chambre anéchoide mil- limétrique de l'IETR, permettant ainsi un alignement parfait des antennes émission- réception avec la plaque qui fait oce de cible. De plus, dans cette chambre une translation automatique de la tête de réception au mm près est possible, ce qui per- met de faire varier la distance radar/cible avec une très grande précision dans le but
2.3 Détection de cibles avec le système complet 59
Fig. 2.17 Système 24 GHz émission-réception complet permettant la détection de cibles xes
Fig. 2.18 Système global pour les tests de détection de cibles xes de comprendre les phénomènes de propagation entrevus avec le démonstateur.
Diérents types d'antennes en termes de diagrammes ont été utilisés pour voir si cela pouvait avoir un impact sur les phénomènes de propagation et notamment sur les problèmes de variations de puissance fortes en fonction de la distance. Des réseaux de 4 et 16 sources ainsi qu'une pastille élémentaire ont ainsi été utilisées. Si des dié- rences sont observables en fonction des congurations, les problèmes d'ondulation de puissance en fonction de la distance sont toutefois toujours présents et contredisent l'équation radar.
60 Circuits actifs et radar courte portée
Fig. 2.19 Mise en évidence des problèmes de non-linéarité en puissance (a) et en distance (b)
Un exemple est fourni gure 2.21 dans le cas où deux réseaux de 16 éléments sont utilisés et pour des distances radar/cible comprises en 0 et 35 cm. Le même type de mesures a également été fait pour une deuxième conguration où l'antenne à l'émis- sion est à diagramme directif et celle de réception à diagramme large. Dans ce cas, les résultats sont représentés gure 2.22. Les problèmes d'ondulation sont toujours très marqués même si une amélioration est visible lorsque la cible est très proche du radar.
Ceci est expliqué par un meilleur recouvrement des diagrammes de rayonnement des antennes à très courte portée.
En résumé, il est alors aisé de visualiser les très fortes ondulations de la puissance et notamment pour les distances très faibles (jusqu'à 20cm). Ce même type de mesure a été fait pour des distances variant de 1 à 3m et sont présentées pour le cas où les antennes sont directives à l'émission comme à la réception (gure 2.23). Dans ce cas, si les ondulations sont moindres, elles sont toujours présentes et posent donc un pro- blème majeur pour prendre la décision de présence ou non de la cible par détection de seuil. Si l'on zoom sur une partie de ces distances, par exemple entre 15 et 17cm, on s'aperçoit que les ondulations sont périodiques, c'est à dire que deux minimas ou deux maximas sont distants de 6mm environ correspondant à λ0/2 à 24 GHz. Ces mesures viennent donc conmer celles eectuées avec le démonstrateur réel. Dans un souci de synthèse, je ne donne pas ici toutes les mesures eectuées avec les diérentes congurations d'antennes car elles donnent toutes la même tendance.
Du fait des ondulations très fortes, la prise de décision quant à la présence ou non de la cible pose problème si l'on utilise une technique de détection par seuil. On s'est donc orienté vers la deuxième solution basée sur une détection par estimation de la distance radar/cible. Pour cela, comme je l'ai déjà expliqué, on utilise plusieurs fréquences diérentes pour lesquelles on estime non plus simplement l'amplitude mais également la phase du signal reçu. Concernant cette dernière on a montré que le même
2.3 Détection de cibles avec le système complet 61 type d'ondulation qu'en amplitude existe pour la phase avec également une périodicité deλ0/2 (gure 2.24). Les variations de phase par rapport à la phase linéaire théorique ne sont pas identiques selon la distance.
Fig. 2.20 Mesures en chambre anéchoide - (a) antennes sur la tourelle d'émission (b) cible sur la tourelle de réception
Fig. 2.21 Mesures de la puissance reçue en fonction de la distance (entre 0 et 35 cm) et avec deux antennes directives de 16 éléments
A partir de ces mesures de phases, il est alors possible d'estimer la distance ra- dar/cible en calculant la diérence de phase pour un couple de fréquences. Des mesures ont été eectuées en chambre anéchoide en faisant varier la fréquence de 24.05 à 24.25 GHz. L'écart de fréquence sera donc au maximum de 200 MHz. Plusieurs estimations de distance ont donc été faites en changeant cet écart de fréquence pour connaître le cas le plus favorable. Sur la gure 2.25 (a) sont donnés les résultats pour deux écarts de fréquence respectivement de 100 et 200 MHz.
62 Circuits actifs et radar courte portée
Fig. 2.22 Mesures de la puissance reçue en fonction de la distance (entre 0 et 35 cm) et avec une antenne directives de 16 éléments et une antenne large de 4 sources en plan E
Fig. 2.23 Mesures de la puissance reçue en fonction de la distance (entre 1m et 3 m) et avec deux antennes directives de 16 éléments
La gure 2.25 (b) présente le résultat de l'hystérésis c'est à dire le rapport entre l'erreur en distance sur la distance réelle. Celui-ci est alors inférieur à 15% pour des distances supérieures à 50cm et un écart de 200 MHz. Les résultats de l'estimation de distance sont donc meilleurs quand l'écart de fréquence est grand. Cependant, pour l'application visée, en bande ISM, cet écart de fréquence est au mieux de 200 MHz.
Enn le problème de détection reste entier pour des distances radar/cible très faibles .
2.3 Détection de cibles avec le système complet 63
Fig. 2.24 Mise en évidence de la non linéarité de la phase
Fig. 2.25 Estimation de la distance radar/cible - (a) Distance estimée en fonction de la distance réelle, (b) Hystérisis
Plusieurs pistes ont alors été analysées pour comprendre au mieux ces problèmes d'ondulation en présence d'une cible proche et an des les réduire au maximum pour optimiser la détection. Dans le cas qui nous intéresse, la cible est grande (10cm de côté) devant la longueur d'onde (8λ0) donc on peut la voir comme un réecteur basé devant sa source qui est en fait notre antenne d'émission. Dans ce cas, des travaux dans la littérature [7] et [8] montrent que la distance source - réecteur doit être optimisée car dans le cas d'un réecteur plan, le champ électrique présente entre la source et le réecteur des minimas qui correspondent à des champs électriques nuls et des maximas distants de λ0/2 très similaires au cas qui nous intéresse. Dans ce cas, une distance de 3λ0/4 est recommandée pour illuminer au mieux le réecteur, c'est à dire qu'il faut que la source se trouve dans un maximum. Dans notre cas, il n'y
64 Circuits actifs et radar courte portée jamais annulation complète du signal reçu du fait que nous utilisons deux antennes proches mais distinctes pour l'émission et la réception et donc un couplage existe toujours entre ces antennes. D'autres références dans la littérature introduisent cette problématique de "régime stationnaire" entre une antenne et un réecteur. Dans ces références [9], [10] et [11], les auteurs utilisent d'ailleurs ce défaut pour mesurer le gain d'antennes en estimant le niveau de puissance reçue à des maximas diérents. La désadaptation des antennes est également en cause car elle induit un re-rayonnement de l'onde reçue.
Le recouvrement des diagrammes de rayonnement entre émission et réception doit être également observé. En eet, pour des distances très faibles (zone de Rayleigh) entre radar et cible, si des antennes trop directives sont utilisées, les diagrammes de rayonnement risquent de ne pas se recouvrir ce qui crée des zones aveugles pour le radar. Ceci a donc tendance à favoriser l'utilisation d'antennes à gain modéré. Enn, le couplage entre antennes introduit également des problèmes pour la détection. En eet, ce couplage équivaut à un fort niveau de bruit à la réception et donc xe le niveau minimum de puissance détectable. Quand les pertes d'espace libre augmentent (quand la distance croît) le niveau de puissance reçu risque d'être inférieur au niveau de couplage entre antennes rendant impossible la détection. Dans ce cas, c'est avec les antennes les plus directives que le couplage devient le plus faible. Ceci contredit donc le fait d'utiliser des antennes à gain modéré pour limiter les zones aveugles. En conclusion, il ne semble pas évident que le choix des antennes puisse répondre à lui seul à la problématique des ondulations et des problèmes de détection, c'est pourquoi des solutions alternatives ont été étudiées pour améliorer la détection des cibles.