Le concept des techniques de mesure d'antenne existantes ainsi que le problème de la mesure d'antenne in-situ sont présentés. Le deuxième chapitre est consacré à l'évaluation de l'apport d'un système de mesure in situ appliqué à un réseau d'antennes radiogoniométriques.
Etat de l'art
- Domaines d’application des réseaux d’antennes
- Radiogoniométrie
- Principe de radiogoniométrie
- Application de la radiogoniométrie
- Algorithmes de goniométrie
- Effet des perturbations sur la performance de l'antenne
- Défauts sur le réseau
- Effet du couplage mutuel
- Influence de l'environnement
- Techniques de diagnostic d'antennes
- Diagnostic en champ proche
- Techniques d’imagerie Infra-Rouge (IR)
- Technique de traitement d’antennes
- Techniques partielles de suivi de zéros de rayonnements
- Mesure d'antennes
- Différentes zones de champ rayonné par une antenne
- Mesures en champ proche
- Technique directe de mesure de champ
- Technique de perturbation par sonde modulée
- TDM
- Modulation de la diffusion de la sonde
- Applications de la TDM
- Caractérisation d’antennes
- Système de tomographie utilisant la TDM
- Estimation de la localisation de sources
- Mesure d'antennes in-situ
- Références du chapitre I
Le quatrième chapitre est la partie expérimentale de la tâche : nous nous intéressons à la conception et à l'implémentation de la sonde OMS.
Apport d'un système de mesure in-situ à un goniomètre
Caractéristiques principales des radiogoniomètres
- Principe de la radiogoniométrie
- Borne de Cramer Rao (BCR)
- Précision de mesure angulaire
- Sensibilité
La goniométrie a pour but d'estimer la direction d'arrivée d'une onde électromagnétique en mesurant les signaux reçus au niveau d'une antenne ou d'un réseau d'antennes. Elle est généralement donnée sous la forme d'une valeur quadratique moyenne calculée pour chaque angle et pour chaque fréquence de la plage à couvrir.
Traitement d’antennes : Algorithme MUSIC (Multiple Signal Classification) . 63
Pour évaluer la précision de la radiogoniométrie de la réponse simulée du réseau, l'algorithme MUSIC est implémenté dans Matlab. A partir de la réponse du réseau à chaque signal incident, l'angle d'arrivée du signal est estimé avec MUSIC. Le SNRmin diminue avec la fréquence en raison de l'effet de la taille du réseau électrique (BCR).
Etude des performances sur véhicule porteur
- Effet d’une intégration poussée
- Effet des obstacles variables
La figure II-9 montre le SNRmin en fonction de la fréquence pour les deux hauteurs considérées et la fonction de calibration (unilatérale ou non). La préservation de la précision nécessite un SNR plus élevé (entre 5 dB et plusieurs dizaines de dB). Evolution du SNRmin du réseau dipôle en fonction de la hauteur et du choix de calibration.
Influence de l’efficacité des antennes
- Conception d’une antenne adaptée en basse fréquence
- Performances de goniométrie en utilisant l'antenne ULB
- Comparaison des deux types d’antennes en termes de sensibilité
Ce n'est pas le cas de l'antenne UWB, qui voit sa sensibilité omnidirectionnelle se dégrader modérément (variation inférieure à 5 dB), surtout à partir de la 2ème octave. En effet, l'antenne UWB est plus efficace dans les basses fréquences que le dipôle et donc dévie plus, d'où des interférences plus importantes au niveau de l'antenne de réception pour ce type d'antenne. L'intensité du champ incident nécessaire pour obtenir une erreur quadratique moyenne inférieure à 2° est de 20 µV/m à partir de 400 MHz pour le dipôle car l'antenne UWB y parvient.
Etapes du procédé de surveillance
Pour détecter la présence d'obstacles variables perturbant le fonctionnement nominal de l'antenne, il est nécessaire de pouvoir comparer la réponse nominale [I0] CL et la réponse mesurée in situ [I] CL. Partie (b) : En raison de la difficulté d'accéder au champ lointain de l'antenne in-situ, le système proposé dans cette thèse consiste à surveiller le champ proche de l'AST. Dans les chapitres suivants, un système de surveillance du champ proche de l'antenne est réalisé.
Conclusion
Ce modèle combine des simulations de réseaux d'antennes sur leur support sous le logiciel électromagnétique FEKO et des simulations au niveau du système pour évaluer les performances de radiogoniométrie. Les chapitres III et IV sont consacrés au choix de la technologie pour la conception du système de visualisation et de dimensionnement du banc de mesure. Au chapitre V, une relation sera établie pour relier les déviations détectées lors du diagnostic aux performances de radiogoniométrie.
Écart de mesure de liaison (STRI) pour les différents obstacles en fonction de la fréquence (a) et des antennes (b). Déviation de la mesure OMS (SRiSj *SSjT) pour les différents obstacles en fonction de la fréquence (a) et des sondes (b). Variation minimale de la puissance de la sonde de diagnostic dPr /Pr= -20 dB (variation de 1%).
Bilan de liaison OMS pour une configuration bi-statique
- Bilan de liaison en champ lointain
- Bilan de liaison en champ proche
La tension rétrodiffusée reçue à l'antenne de réception est donnée par la différence entre les tensions reçues en présence et en l'absence de la sonde. Effet de modulation : modification de l'impédance de la sonde due à la modulation de la charge connectée à la sonde. Dans cette section, le calcul de la puissance rétrodiffusée d'une sonde modulée par un signal optique est développé.
Dimensionnement du banc de mesure OMS sous CST
- Choix de la dimension de la sonde
- Discrétion électromagnétique de la sonde
En général, pour une sonde électriquement petite, plus la taille de la sonde est petite, plus les perturbations sont faibles. Pour respecter un pas d'échantillonnage égal à λ/2, la dimension de la sonde doit être telle. Les résultats montrent que la rétrodiffusion de la sonde augmente avec l'augmentation de la taille de la sonde.
Amélioration de la sensibilité de la sonde
- Réseau d’adaptation du premier ordre
- Réseau d’adaptation du second ordre
- Amélioration du bilan OMS par la technique de modulation à des
En conclusion, l'utilisation de circuits d'adaptation du premier ordre améliore la rétrodiffusion de la sonde dans une bande étroite. Dans des travaux antérieurs, il a été montré que l'amélioration de la rétrodiffusion de la sonde dépend de l'ordre du circuit adaptatif utilisé. Classiquement, pour calculer la rétrodiffusion de la sonde, l'antenne Tx balaye la bande de fonctionnement [Fmin, Fmax] et la fréquence de modulation de la sonde Fm est fixée à quelques kHz.
Conclusion
Le panneau de mesure de puissance dynamique OMS est illustré à la Figure IV-11. La figure IV-25 montre une comparaison entre les deux modes de fonctionnement de la photodiode. La modulation (partie non linéaire) est estimée à partir de deux mesures statiques de l'impédance de la photodiode.
Fabrication de la sonde OMS
- Choix du modulateur
- Conception du circuit du laser contrôlable
Le courant délivré par la photodiode est mesuré en déplaçant l'extrémité de la fibre sur la surface active. Le signal de sortie de la photodiode observé sur l'oscilloscope est directement lié à la puissance optique selon la formule. La figure IV-4 montre la variation de la puissance optique du laser en fonction du courant continu d'entrée Iin réglé par le potentiomètre.
Mesure guidée OMS
- Mesure statique d’impédance (guidée)
- Coefficient de réflexion pour une modulation optique
- Mesure dynamique guidée
La figure IV-6 montre les résultats des mesures sous les pics des impédances complexes de la photodiode pour les états ON et OFF. Zss est l'impédance d'entrée de la sonde (dans notre cas une antenne miniature) à laquelle la photodiode est connectée. Ces deux fréquences correspondent à la résonance de la sonde couplée à la photodiode dans chacun des deux états ON et OFF.
Caractérisation expérimentale dynamique du banc OMS
- Sonde OMS
- Mesure dynamique rayonnée
A noter que la valeur de la porteuse correspond à un couplage de -35 dB entre les antennes Tx et Rx. En raison de la dépendance en fréquence de la photodiode, la puissance des bandes latérales diminue de manière asymétrique par rapport à la porteuse en fonction de la fréquence. Une différence de 30 dB est observée entre la première harmonique et l'harmonique située à ± 25 MHz de la porteuse.
Réglages du laser
- Influence de la tension du signal modulant
- Influence de la fréquence du signal modulant
Les mesures sont effectuées dans la bande de fréquence [300 MHz ; 1,5 GHz] avec un pas de fréquence de 100 MHz. D'après la figure IV-14, une modulation avec une fréquence de 10 MHz permet d'augmenter la rétrodiffusion d'environ 5 dB pour les fréquences inférieures à 800 MHz et jusqu'à 10 dB pour les hautes fréquences. Variation de la puissance de non-ouverture en fonction de la fréquence et pour différentes valeurs de Fm.
Validation expérimentale du bilan de liaison
- Configuration de simulation statique
- Configuration de mesure statique
- Configuration de mesure dynamique
Les câbles utilisés dans la mesure pour connecter les antennes aux ports VNA sont inclus dans la simulation. Les mesures sont effectuées dans la bande de fréquence [100 MHz ; 1,5 GHz] avec un pas de fréquence de 5 MHz. Notez que les antennes sont disposées exactement comme dans la simulation détaillée ci-dessus, y compris les câbles coaxiaux.
Validation du bilan de liaison OMS
- Comparaison des trois configurations
- Analyse des courbes
En dessous de 300 MHz, la puissance dissipée par la photodiode est très faible du fait de la taille de la sonde (λ/17 à 150 MHz). La figure IV-18 montre la partie non linéaire de l'équation correspondant à l'indice de modulation du signal au port de la sonde dans les états ON et OFF. Indice de modulation du signal à l'entrée de la sonde connectée à la photodiode pour les états ON et OFF.
Effet d’un obstacle sur la rétrodiffusion de la sonde
La présence de l'obstacle est observée grâce à la différence de puissance reçue au premier harmonique OMS en présence et en l'absence de l'antenne fouet. Ceci est dû au changement des caractéristiques de la barrière (fréquence de résonance) ainsi que des caractéristiques des antennes en fonction de la fréquence. Comparaison de la variation de Pr1 sin due à la présence d'une tige métallique de 90 cm d'AST en simulation et en mesure.
Mode de conversion directe de la photodiode
- Avantages de la conversion directe par rapport à la technique OMS
- Configuration de mesure
- Mesure de stabilité
- Comparaison OMS/Conversion directe
Cette faible divergence est sans doute liée à la précision du positionnement de la tige dans la configuration de mesure. Le spectre du signal de modulation carré en sortie de la photodiode contient des raies espacées les unes des autres de nxFm. Mode OMS : Sur cette courbe, l'axe des fréquences correspond à la fréquence de rétrodiffusion de la photodiode à Fc-Fm.
Conclusion
A noter que la résolution spectrale de la mesure OMS est de 10 Hz avec un niveau de bruit de -130 dBm, tandis que la résolution spectrale de la mesure de conversion directe est égale à 50 Hz. Une amélioration significative du bilan de liaison (supérieure à 10 dB) est observée sur toute la bande.
Dans le cas d'un obstacle dans le plan horizontal du goniomètre, on voit que la panne est fortement dépendante de la taille et de la géométrie de l'obstacle. Perturbation du courant reçu par les antennes directives en fonction de la fréquence et de l'antenne Rxi pour différents types d'obstacles. Pour un obstacle contenu dans le plan du goniomètre (lampadaire ou panneau), les performances de goniométrie sont fortement dégradées sur toute la bande.
Configurations simulées
- Dimensionnement du réseau de sondes
- Classement des obstacles
La géométrie du réseau de sondes (taille, forme, longueur) est généralement le résultat de l'objet testé et des grandeurs que l'on veut mesurer [BOG01] (Figure V-1). La figure V-2 montre le scénario de simulation : Une antenne dipôle Tx de 25 cm est placée à 25 cm au-dessus du plan horizontal du réseau de réception (Rxi). Obstacles au porteur (Tableau V-1) : placés ou non dans la zone de champ proche du goniomètre, selon la fréquence.
Grandeurs observées
- Mode diagnostic
- Mode goniométrie
La différence entre le cas nominal et le cas perturbé est calculée en fonction de la fréquence et des différentes sondes selon l'organigramme de la Figure V-3. Organigramme de calcul des différences entre les courants reçus par les antennes directives dans le cas nominal et perturbé. Dans la partie suivante, une analyse est effectuée pour quantifier les conséquences de ces perturbations sur les erreurs d'estimation de la direction d'arrivée du signal.
Estimation des performances de goniométrie
- RSB minimal pour obtenir une précision donnée
- Erreur quadratique moyenne
- Proportion du nombre d’azimuts corrects
La figure V-12 montre le pourcentage d'azimuts corrects pour un SNR=25 dB en fonction de la fréquence et des différentes configurations d'obstacles choisies. Quelle que soit la position de l'obstacle par rapport au goniomètre, le pourcentage d'azimuts corrects est plus faible à basse fréquence et augmente avec la fréquence. D'après cette analyse, il est confirmé que la grandeur RSBmin fournit un critère global de calcul des performances de radiogoniométrie, mais ne renseigne pas sur la dispersion des valeurs d'erreur selon les azimuts.
Relation entre le diagnostic et la goniométrie pour garantir une précision
- Relation entre le mode diagnostic et le mode goniométrie
Alors que pour le panneau la même dégradation (0,9%) sur la mesure de couplage correspond à un plus grand nombre d'azimuts valides (85,2%). Par rapport au cas précédent, la mesure CD présente une relation plus cohérente entre le mode diagnostic et les performances de radiogoniométrie, puisque 1,83% de dégradation est détectée pour l'obturateur. Cependant, la mesure OMS donne des valeurs absolues d'écarts plus importants que les deux autres.
Dimensionnement du système
Le système développé doit être capable de mesurer une variation de 1%, ce qui correspond à -20 dB, afin de détecter les interférences dues aux obstacles. Nombre de fréquences de diagnostic nf : pas de fréquence 10 MHz, correspondant à 120 points de fréquence.
Conclusion
Mode Diagnostic : Plusieurs mesures ont été évaluées pour tenter de corréler cette mesure avec la précision trigonométrique. La perturbation dépend de la géométrie de l'obstacle, de la section du radar et de sa proximité. Le système de diagnostic proposé dans cette thèse sera capable de prédire la présence d'obstacles et d'obstructions en contrôlant le niveau de courant rétrodiffusé par les sondes.
Conclusion générale et Perspectives
D'autre part, nous nous sommes intéressés à la réalisation et à la mise en œuvre de la sonde électro-optique. Les perspectives sont de mettre en œuvre expérimentalement des techniques pour améliorer la sensibilité de la mesure du niveau de la sonde, en utilisant des circuits d'adaptation. Il sera également intéressant d'évaluer l'influence d'autres types d'obstacles sur le rayonnement de l'antenne et la précision de la trigonométrie.
Annexes
- Annexe 1 : Algorithme MUSIC
- Modèle du signal reçu par un réseau circulaire
- Méthode de calcul de la direction d’arrivée θ
- Annexe 2 : Conception de l’antenne ULB
- Extraits de la documentation constructeur de la photodiode, diode laser et
- Photodiode
- Diode laser
- Lien optique Enprobe
- Annexe 4 : Système de surveillance de pointage d’antenne (Synthèse du
- Annexe 5 : Discrétion électromagnétique de la sonde OMS
- Mesure de la discrétion électromagnétique d’un réseau de sondes
- Différentes longueurs de sondes
- Mesure de la photodiode non alimentée
Potier et D.Picard, "Apport d'un système de mesure in-situ appliqué à un réseau d'antennes directives", 18e Journées Nationales du Micro-onde (JNM 2013), mai 2013, Paris, France. Cette thèse porte sur la conception d'un système de mesure in-situ pour détecter des perturbations variables dans l'environnement à proximité d'un réseau d'antennes. Une première partie est consacrée à l'étude de l'intérêt d'un tel système appliqué à un réseau de radiogoniométrie.
![Figure I-12. Schéma du système de tomographie micro-onde pour la détection du cancer du sein [TEH10]](https://thumb-eu.123doks.com/thumbv2/1bibliocom/459580.66651/50.892.212.671.138.468/figure-schéma-système-tomographie-micro-onde-détection-cancer.webp)
