TP HF Manipulation 2 - Exercices corriges
quadripôles (2 accès) : atténuateur, déphaseur, quadripôle d'adaptation.
hexapôles (3 accès) : circulateur. octopôles (4 portes) : coupleur directif.
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lecture directe de la fréquence
Un atténuateur de tarage qui permet datténuer fortement le signal mais sans précision
Un atténuateur calibré (pour permettre une atténuation fine et chiffrée)
Une ligne de mesure constituée dune portion de guide fendu équipé dun chariot porte-sonde dont on peut mesurer avec précision le déplacement
Un détecteur à cristal suivi dun galvanomètre ou dun millivoltmètre
On ajoutera un ou plusieurs éléments suivant la manipulation à faire :
une charge adaptée
un court circuit
un quadripôle sans pertes
un isolateur
un circulateur
un coupleur directif
Quadripôles réciproque sans pertes
Propriétés
Un quadripôle est un circuit à 2 voies daccès. Il est défini par sa matrice S :
S =
b1 = S11 a1 + S12 a2
b2 = S21 a1 + S22 a2Une onde incidente donne naissance à une onde réfléchie et à une onde transmise.
Significations physiques de ces paramètres :
S11= EMBED Equation.3 = EMBED Equation.3
S21= EMBED Equation.3 = EMBED Equation.3
S12= EMBED Equation.3 = EMBED Equation.3
S22= EMBED Equation.3 = EMBED Equation.3
S11 et S22 sont les coefficients de réflexion de laccès 1 (ou 2) avec laccès 2 (ou 1) adaptée.
S21 et S12 sont les coefficients de transmission de laccès 1 à laccès 2 (ou de l accès 2 à la accès 1), l accès 2 (ou 1) étant adaptée.
Un quadripôle sans pertes est unitaire
Détermination des paramètres S dun quadripôle sans perte par la méthode de la charge adaptée
Le générateur est préalablement réglé à 9300Mhz.
On cherche à déterminer les valeurs des coefficients de réflexions. Pour cela, on place une charge adaptée après le quadripôle.
Il s agit 1 et 2. Leur principe de mesure est très simple : nous mettons 2 à 0 en adaptant la sortie. Il nous suffit alors de mesurer S11 qui nous donnera la valeur de 1.
Pour 2 , nous procéderons de la même manière en adaptant l entrée cette fois ci.
Vérification de la fréquence
Une vérification est effectuée pour être sur que la fréquence est la bonne. Un court circuit est placé en bout de ligne. On mesure la distance entre 2 miniums : ( = 14,95 12,7 = 2,25 mm. Or cette distance est égale à (/2. nous déduisons facilement que ( = 4,5 mm.
En se reportant au tableau donnée en annexe, il est facile de faire le lien avec la fréquence. Dans un guide donde, nous lisons quà 9300Mhz, ( = 4,45 mm ( nous travaillons bien à la bonne fréquence.
Méthode de mesures
La première des choses à faire est de placer notre quadripôle en sortie du banc dessai. Nous avons utiliser la méthode donnée en annexe et voici les principales étapes :
Recherche dun minimum avec la ligne de mesure. On note X la position du spot
Positionnement du gain de latténuateur calibré à 0 il sagit de Am.
Nous nous plaçons à présent sur un maximum de puissance. Le spot lumineux a été dévié.
Modification du gain de latténuateur de manière à déplacer le spot sur la position X ( nous lisons alors la valeur AM.
La valeur du module du TOS est donnée par la formule EMBED Equation.3
A partir de labaque de Smith, il est possible de déterminer la phase à partir de lamplitude vue ci-dessus.
Coefficients de réflexions
On mesure le ROS dans le sens direct S11 puis dans le sens indirect S22. La chargé adaptée permet de rendre nul le coefficient de réflexion (2 (respectivement (1) dans le sens direct (respectivement indirect). Ensuite, on calcule le module du coefficient de réflexion par la formule suivante :
EMBED Equation.3
Ensuite, on détermine la phase avec labaque de Smith.
Module de (
Sens direct :
AM=8,5dB (=108,5/20=2,66 => |(|=0,453
Am=0dB
Sens indirect :
AM=8,55dB
Am=0dB (=108.55/20=2.67 => |(|= 0.455
Phase de (
(Voir abaques pages suivantes pour le détail)
Sens direct :
xcc=12cm
xquadri+ca=12,2cm déplacement du minium : 0,2cm
Sur labaque nous traçons un cercle de diamètre de la valeur du module de (, puis à partir du court circuit, on se déplace de la charge EMBED Equation.3 =0,044. On mesure ensuite langle de ce point à lhorizontale labaque (là où la partie imaginaire est nulle). Soit ( = -33°
Sens indirect :
xcc=12cm
Xquadri+ca=12,25cm déplacement du minium : 0,25cm
Déplacement sur labaque : 0.25/(=0,056
Résultats
S11= cos( ( )(ej(1
S22= cos( ( ) (ej(2
S21=S12=(+-)*j*sin( ( ) (ej((1+(2)/2
Cos ( ( )=0.25 ( ( =75.5 ( sin (( )= 0.96
Nous obtenons en résultat la matrice suivante
S=
Multipôles non réciproques
Ce type de multipôle a pour propriétés de modifier lamplitude, la phase ou la direction de polarisation des ondes. Suivant le paramètre sur lequel agit le multipôle, il pourra sagir dun isolateur, dun circulateur, dun déphaseur non réciproque.
Une façon simple de voir si un dispositif est non réciproque est de vérifier si :
Sij `" Sji avec i `" j
Etudions à présent différents types de ces appareils.
Isolateur
Théorie :
Il s agit d un appareil disposant de 2 entrées. Il trouve son utilité lorsque nous voulons protéger un émetteur des ondes réfléchies par une charge mal adaptée.
Sa matrice S est de la forme suivante :
S=
Pour déterminer les caractéristiques des isolateurs, deux valeurs ont été crées :
Le gain dinsertion
EMBED Equation.3
Il représente la quantité de puissance délivrée par rapport à celle en sortie dans le sens passant.
Lisolement
EMBED Equation.3
I représente latténuation dans le sens interdit.
Exercice :
Pratique :
Coefficients de réflexion
La méthode de mesure est la même que la précédente.
Sens passant
AM=1,35dB
Am=0dB (=10(1,35-0)/20=1,12 => |(|=0,05 |S11|=0,05
Sens interdit
AM=1,33dB
Am=0dB (=1,07 => |(|=0,033 ( |S22|= 0,033
Les valeurs trouvées sont proche de 0 et presque équivalentes. On retrouve donc bien le résultat de la matrice S soit que S11=S22=0.
Détermination de L et de I
Un détecteur est placé au bout de la ligne de mesure. On note latténuation Ae, et on relève la position du spot lumineux sur la galvanomètre.
On insère ensuite lisolateur entre la ligne et le détecteur puis on modifie la valeur de latténuation pour retrouver la même position du spot lumineux. On note cette valeur As.
La différente en entre Ae et As donne la valeur de L dans le sens passant et de I dans le sens interdit :
Sens passant
Ae=3,5dB
L=Ae-As=0,3dB
As=3,2dB
EMBED Equation.3
Remarque: le couteau de tarage est relevé au maximum.
Sens interdit
Le sens interdit atténue très fortement le signal. Nous avons donc mesurer As puis nous avons augmenter la valeur de latténuateur pour obtenir la même référence
As=0,5dB
I=Ae-As=22,5dB
Ae=23dB
EMBED Equation.3
Interprétation
S11 et S22 sont proche de 0 et presque équivalentes. Néanmoins, S11 et S22 nétant pas nul, lisolateur nest pas parfait. S21 et S12 ne sont pas égaux, la matrice est donc non réciproque. Ces résultats sont conformes avec la matrice S de lisolateur.
Circulateur
Théorie :
Le circulateur est un hexapole. Il possède donc 3 accès. Il est utilisé lorsque lorsquon veut des émetteurs couplés à une antenne tout en maintenant chaque émetteur découplée.
Sa matrice S est de la forme :
S=
Nous remarquons que chaque entrée est adaptée. Cela se traduit par les Sii=0.
Comme pour lisolateur, lisolation et le gain dinsertion sont définis .
Nous avons :
EMBED Equation.3
EMBED Equation.3
Exercice :
Pratique :
Pour toutes les mesures, nous prendrons comme référence le système avec le détecteur seul. Nous lisons Ae=25dB.
Détermination du sens de circulation
Pour déterminer rapidement, le sens de circulation, il suffit denvoyer une puissance sur laccès 1 et de récupérer le signal sur laccès 2. Si les deux signaux sont proches, nous avons le sens passant. Sinon , cest le sens interdit.
Dans notre exemple nous avons comme sens passant : 1 ( 2 ( 3 (1
Détermination de L
Il sagit toujours de la même méthode de calcul, elle nest pas détaillée (cf. p3)
As=24.8
(L(dB)= Ae As = 0.2dB
Détermination de I
As=0.15
(I(dB)= Ae As = 24.3 dB
Interprétation
|S21|=|S32|=|S13| EMBED Equation.3 0.97
|S31|=|S12|=|S23| EMBED Equation.3 0.06
Ces résultats sont bien en accord avec ceux attendues. 97% du signal passe dans le sens passant (de 1vers 2, de 2 vers 3 et de 3 vers 1). Dans le sens contraire nous avons que 6% qui se propage.
La matrice S résultante est
Coupleurs directifs
Théorie :
Le coupleur directif est un octopôle, c'est à dire 4 accès.
Il en existe différents types qui se traduisent par des matrices S différentes.
S=
Nous définissons un coupleur avec :
EMBED Equation.3 transmission entre les voie situées en diagonales
EMBED Equation.3 transmission entre les voie situées en lignes droites
EMBED Equation.3 transmission entre les voie dune même paire
si EMBED Equation.3 alors le coupleur est parfait.
Comme précédemment il existe des caractéristiques définissant le coupleur
EMBED Equation.3
EMBED Equation.3
EMBED Equation.3
Exercice
Pratique
Comme précédemment, nous nous sommes fixés une référence avec le seul détecteur en bout de ligne. Il sagit A1=13dB
Mesure de A2
Montage :
Le bout de la ligne est reliée à laccès 1
Le détecteur est relié à laccès 2
Laccès 4 est fermé par une charge adaptée
Nous lisons A2=12.8 dB
Mesure de A4
Montage :
Le bout de la ligne est reliée à laccès 1
Le détecteur est relié à laccès 4
Laccès 2 est fermé par une charge adaptée
Nous lisons A4=2.8 dB
Interprétation des mesures
A partir des mesures nous pouvons déterminer deux grandeurs caractéristiques dun coupleur directif.
C=A1-A4 et L=A1-A2
C=10.2 dB et D=0.2 dB
|(|=10-C/20 et |(|=10-D/20
|(|=0.309 et |(|=0.977
Conclusion
Ce TP nous a permis détudier différents multipôles. Nous nous sommes aperçu quil était difficile davoir des éléments parfaits : de nombreuses imperfections ( les connexions, le caractère absorbant du matériaux) font que les multipôles nont pas un comportement idéal.
Nous avons également pu mettre en pratique certaines méthodes de mesure toujours très enrichissantes.
TP HF Manipulation 2 Etude de quelques multipôles
IUP STRI 2eme année : ADROIT Laurent, FOUQUES Fabrice PAGE 17
Accès 1
Accès 2
a1
b1
a2
b2
P1
P2
S11 S12
S21 S22
0 0.06 0.97
0.97 0 0.06
0.06 0.97 0
0,453ej-33 ( 0,96ej-36 ,5
( 0,96ej-36,5 0,455ej-40
(2 = -40 °
(1 = -33 °
cos( = 0.455
0 S12 S13 S14
S21 0 S23 S24
S31 S32 0 S34
S41 S42 S43 0
0 S12 S13
S21 0 S23
S31 S32 0
0 S12
S21 0
Ferrite
Matériau à pertes
3
2
1
(3)
(1)
(4)
(2)
(3)
(4)
(2)
(1)
