06/12/2012
Cours « propagation des ondes radio dans le milieu marin »
Master Energie Marine Renouvelable
Sciences de l‘ingénieur et technologie SIT-8 : systèmes de capteurs et de transmissions, diagnostic et gestion des modes dégradés
Responsable module : Ch. Laot
Profileur dérivant type « argo »PROVOR/MARTEC&IFREMER
SIT8 - Master EMR - déc. 2012Page 1 Dpt MO – Cours radio / FLP
Agenda
Contexte Ondes : généralités Eléments d’électromagnétisme Interactions ondes / environnement Antennes et transmission dégagée Affaiblissement moyen Variabilité Références
SIT8 - Master EMR - déc. 2012Page 2 Dpt MO – Cours radio / FLP
La radio dans le milieu maritime ?
Segment mer/espace•Couverture globale,géolocalisation (sécurité, suivi), monitoring de l’environnement•Effet des couches atmosphériques
Interface air/mer•Propriétés relatives des milieux
•Effet de la houle
Segment sous-marin•Distinction optique / radio, spécificités (acoustique, mécanique)•Propriétés électromagnétiques de l’eau•Portée / fréquenceht
tp://
ratc
om.o
rg/s
ous_
proj
et_1
.asp
x(1
0/1/
2011
)
Segment mer/mer•Com bâteaux / Plates-formes•Houle, courbure terrestre, troposphère
©S
hip
Sim
ulat
or :
Ext
rem
es
Segment mer/terre•Effets troposphériques spécifiques•Accès services terrestres (GSM)•Perturbations Radars
SIT8 - Master EMR - déc. 2012Page 3 Dpt MO – Cours radio / FLP
EM & radio : quelques repères historiques
•1901 : G. Marconi expérimente la première liaison Terre-neuve / Cornouailles, impossible à expliquer par la seule diffraction…
•1904 : radio télégraphie sur paquebots (1ère utilisation du code SOS par le Titanic en 1912)
•1873 : JC Maxwell publie un traité de synthèse remarquable qui établit les fondements de l’électromagnétisme, unifiant les phénomènes de l’électricité, du magnétisme et de la lumière
•1957 : Premier satellite Sputnik I à émetteur radio
•1853 : Lindsay’s (sub)marine telegraph
Lindsay 1853
•La 2nd guerre mondiale consacre le développement des technologies radio, en particulier au travers des Radars (surveillance des côtes anglaises à partir de 1930)
•1896 : Le physicien russe Popov transmet un message en Morse sans fils sur 250 m
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Systèmes satellites
401.650 MHz ± 30 kHz
bande L
3000 unités
Argos (Cnes, Noa, Nasa, Eumetsat) :50 stations sols, 20000 plates-formes, 5 satellites défilant, altitude 850 km, diamètre 5000 Km, cycle ≈ 1 jour
+ localisation GPS
Globalstar : 40 satellites : voie + données (bi, 9.6 kb/s)(Maritime) VSAT : 4 sat. GEO (bi 56 Kbit/s up to 4 Mbit/s)Inmarsat : (A,B,C,D,D+,M, Mini-M, Fleet, Aero) - GEOIridium : (77->) 66 (-> 81) satellites, routage inter satellites, couverture mondiale (zones polaires)
SIT8 - Master EMR - déc. 2012Page 5 Dpt MO – Cours radio / FLP
Modem WFS 01/2008, 5m & 100 kb/s
Communication SM/SM
Transmission radio surface/mer & sous-marine
Southampton Septembre 2007(Wireless Fiberand System - Ltd)
Communication Air/sous-marine
(Brevet OMPI) PCT GB/2007/002937
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Exposition radio : niveaux de référence
Référence : « Guide pour l’établissement de limites d’exposition aux champs électriques, magnétiques et électromagnétiques », Cahiers de notes documentaires -Hygiène et sécurité du travail - N° 182, 1er trimestre 2001, http://www.inrs.fr
GSM 900
Wifi
Satimo / EMF Visual
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Exposition radio : DAS (en. SAR)
21
2
d dW d dW EDAS
dt dm dt dV
σρ ρ
= = =
ρ : densité du tissu biologique (Kg/m3)
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Agenda
Contexte Ondes : généralités Grandeurs et propriétés EM Interactions ondes / environnement Antennes et transmission dégagée Affaiblissement moyen Variabilité Références
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Rappels : différents types d’ondesLe magnétisme
L’électricité
La lumière
Ondes électrom
agnétiques
Ondes sismiquesOndes acoustiques
Vagues
Ondes gravitationnelles ?
Virgo
Onde : propagation d'une perturbation produisant sur son passage une variation réversible de propriétés physiques locales. L’onde transporte l'énergie sans transporter de matière
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Rappels : régime progressif / stationnaire
Obstacle réfléchissant
Onde directe progressive
Onde rétrograde progressive
« Enveloppe » ou amplitude variable : onde stationnaire
( )j t kze ω ∓Axe z de
propagationSigne -/+ : sens direct/inverse
2
g
kπ
λ= dépend du milieug
rn
λ λλε
= =
Vitesse du son dans l’air v=300 m/s, 1500 m/s dans la mer, 0 dans le vide
Vitesse de la lumière dans le vide v=299 792 258 m/s, diminue selon le milieux
1 milliard de Km/H !
Notions de base : Amplitude, période, longueur d’onde, vitesse de propagation
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Front et longueur d’onde
Guide vide Guide chargé
Air
λg/2 λ'g/2
λ/2
( )E
Re
2.l
g
πφλ
∆ =Déphasage :
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HF
Le spectre électromagnétique
ELFVLF
30 GHz3 GHz300M
300 GHz
LF
1 2 4 8 12 18 26,5 40 60 90 140 220
30M3M
300k30k
3k
33 50 75 110 170
MF VHF UHF SHF EHFf
fGHz
fGHz
L S C X Ku K Ka U E F
Q
G
V W D
10 cm1m10m
100m1km
10km100kmλ 1 cm 1 mm
Com
. mili
taire
s
Ond
espl
anes
FM
, T
V,C
om. D
ans
l’ho
rizon
ra
dio
Iono
D, E
, F
Com
. Sat
ellit
es (
faib
les
inte
r. Io
no),
fais
ceau
xhe
rzie
ns, r
adar
s, b
oucl
es
loca
les
AM
, Ion
oD
, ond
esde
su
rfac
es te
rres
tres
Tél
égra
phie
, ion
ona
viga
tion,
sou
s-m
arin
Tra
jets
dire
cts,
com
inte
r sa
telli
tes,
rad
io a
stro
nom
ie
Classification commune
Classification radariste
300
µm3
µm30
nm 0.
3 nm
IRV
is.
UV
λ30
fm
Ray
. XG
amm
a
Rayonnements ionisants
Fréquences
Dimensions
Rayonnements non ionisants
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Unités en dB : introduction
( ) 01log10 = ( ) 110log10 = ( ) 32log10 10 ≈
)()...()()(
)(121 fHfHfH
fX
fY
nAttenuatioGain n===
•Quelques valeurs remarquables :
•Les fonctions log transforment les produits (quotients) en sommes (différences)
∫+∞
∞−
−=⊗= duutxuhtxthty )()()()()(
Régime général Régime harmoniqueTF
TF-1
A=2 dB PC=1 dB A=3dB G=24dBG=12dB
Pe=1 mW Ps= ? WG=0.6310 G=0.7943 G=0.5012 G=251.1886G=15.8489
SIT8 - Master EMR - déc. 2012Page 14 Dpt MO – Cours radio / FLP
Puissance et dB
=W
PPdBW
110log.10
=mW
PPdBm
110log.10
/ 1020log1 /V m
EEdB
V mµ µ =
•dB : 10.log10 (d’un rapport de puissances)
dBA (acoustique)
=
r
edB P
PA 10log.10
dBi (ou dBd) (antenne)
/ 1020log1 /V m
EEdB
V m =
SIT8 - Master EMR - déc. 2012Page 15 Dpt MO – Cours radio / FLP
Exemples
10 ou 20 log10(V2/V1) ?
2 W=> ? dBm 25 W=> ? dBm27 dBm=> ? mW 16 mW=> ? dBm
10 dBm + 10 dBm = ? dBm
50 dBm + 10 dBm = ? dBm
Les abus d’écriture :
De tête :
La question (éternelle) : 10 ou 20 ?
Les dB par unité de… :
1 dB/m => combien de dB pour 100m ?
-174 dBm/Hz => combien de dBm pour 1 MHz ?
Acoustique : 10 ou 20 log10(Pa2/Pa1) ?
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Agenda
Contexte Ondes : généralités Grandeurs et propriétés EM Interactions ondes / environnement Antennes et transmission dégagée Affaiblissement moyen Variabilité Références
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Equations fondamentales
div(2) + (3) =>
Equation de conservation de la chargeElles sont une synthèse remarquable de :
• Loi de FARADAY
• Théorème d’AMPERE
• Loi de conservation de la charge électrique
• Théorème de GAUSS
=∇=∇
+=∧∇−=∧∇
0B
D
JDjH
BjE
c
ρωω
Les équations de Maxwell (ici en régime harmonique, milieux linéaires, homogènes, isotropes) :
t
J c
∂∂ρ−=∇
E : champ électrique en [V/m]
H : champ magnétique en [A/m]
D : déplacement électrique en [As/m2]
B : induction magnétique en [T ou Vs/m2]
J : densité de courant en [A/m2]
ρc : densité de charges en [As/m3]
“A treatise on electricity and magnetism”. Vol. 1& 2 J.C. Maxwell- Clarendon press (Oxford) - 1873http://gallica.bnf.fr/ark:/12148/bpt6k951756http://gallica.bnf.fr/ark:/12148/bpt6k95176j
(1)
(2)
(3)
(4)
∂∂
∂∂
∂∂=∇
zyx,, pour un repère cartésien
Hypothèse : les dimensions sont « suffisamment » grand es par rapport aux dimensions interatomiques
1831-1879
SIT8 - Master EMR - déc. 2012Page 18 Dpt MO – Cours radio / FLP
Illustration champs EM
Champ électrique Champ magnétique
Fil rayonnant près d’un bloc diélectrique
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Polarisation des ondes EM
Verticale Horizontale Circulaire
Champ électrique
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Onde EM et rayon - Onde localement plane
)0(0E
« Source ponctuelle »
•Dimensions grandes par rapport à la longueur d’onde(Ex : GSM λ=33 cm)•Positions suffisamment éloignées de l’antenne (champs lointains)
EH)( uHZE
×=εµ01==
YZ
Structure de l’onde le long d’un rayon :
u
jkrer
rrErE −= .)()( 0000
Onde sphérique :
Onde « localement plane » :0( ) ( ). . jkr
DE r E r F e−≈
FD : Facteur d’atténuation (divergence) qui dépend de la source (onde sphérique, cylindrique, plane…)
Polarisation conservée
Milieu homogène, linéaire, isotrope, amagnétique
Zone de champs proches
Zone de champs lointains
0D
rF
r=
SIT8 - Master EMR - déc. 2012Page 21 Dpt MO – Cours radio / FLP
Permittivité diélectriqueε0 (F/m) : ≈ 1/(36π.109) dans le videε = εr. ε0 = dans un diélectriqueεr.= (εr’-jεr") en présence de pertes diélectriques
Indice du milieu
Perméabilité magnétique
µ0 (H/m) : ≈ 4π.10-7 dans le videµ = µr. µ0 dans un milieu magnétiqueµr.= (µr’-jµr") en présence de pertes magnétiques
Conductivité
σ (S/m) : σ=1/ρ
ρ (Ω.m) : résistivité
Facteur de pertes :
Paramètres électriques des milieux
Milieux isolants
Milieux conducteurs EJ
.σ=
σ =0
Milieux complexes : anisotropes (ε et µ tenseurs, ex : ferrite), bi-isotropes (ex : chiraux), non linéaires (solitons), méta-matériaux, variables dans le temps
'
"
ωεωεσδ +=tg
rn ε=
Matériaux chirauxhttp://iopscience.iop.org/2040-
8986/page/Special%20Issues%20Collection
Méta matériauxNasa
Tuiles ferrites(Albatross Projects)
SIT8 - Master EMR - déc. 2012Page 22 Dpt MO – Cours radio / FLP
Paramètres électriques : exemples de valeurs
0,6321000Nerf
1,58611000Sang
0,9741,5900Tissus biologiquesmoyens
0,5520811000Eau de mer
0,00220,042,581000Sable sec
0,00720,134,251000Bakélite
00,042,731000Plexiglas
0,010,1191800Verre de triple vitrage
0,00050,0181000Verre de miroir
0,02780,561000Plaque de plâtre dense
0,00560,131000Plaque de plâtre
0,040,441000Brique
0,00060,13,351000Ciment
0,040,451800Béton non armé
conder"er'Fréquence
(MHz)Matériaux diélectriques
Source Tech. Ing.
1,670E+07Zinc
4,170E+07Or
1,020E+07Fer
8,700E+06Étain
5,800E+07Cuivre
7,690E+06Chrome
6,370E+07Argent
3,540E+07Aluminium
σσσσ (S/m)Métaux
Sources WinProp
SIT8 - Master EMR - déc. 2012Page 23 Dpt MO – Cours radio / FLP
L’eau « pure »
Moment dipolaire O Hp qN P=
Molécule d’eau :
Molécule électriquement neutre, mais polarisée : densité d'électrons plus grande près du noyau d'oxygène que près des noyaux d'hydrogène)
Forme liquide Glace (s)
Banquise vs iceberg Charge q=1,602×10-19 C ©
http
://w
ww
.inst
itut-
pola
ire.fr
1e1p
8e8p8n
SIT8 - Master EMR - déc. 2012Page 24 Dpt MO – Cours radio / FLP
Conductivité de l’eau de mer
0,02%0,0135Strontium Sr++0,00%0,0013Fluor F-
0,58%0,3800Potassium K+0,10%0,0646Brome Br-
0,62%0,4001Calcium Ca++0,21%0,1397Bicarbonate HCO3-
1,96%1,2720Magnésium Mg++4,07%2,6486Sulfate SO4-
16,24%10,5561Sodium Na+29,20%18,9799Chlore CL-
%gCations%gAnions
35g de sel dans 1 Kg d'eau de mer (PH moyen ≈ 8,2)
Gaz dissous : 64% azote et 34 % oxygène, 60 fois plus de CO2 dans la mer que dans l’air Salinomètre (Ifremer)
Unités de salinité :•psu : practical salinity unit•ppt : part per thousand•‰ : pour mille
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Effet de la fréquence sur la permittivité
R. Somaraju et J. Trumpf, “Frequency, Temperature and Salinity Variation of the Permittivity of Seawater,”Antennas and Propagation, IEEE Transactions on, vol. 54, n°. 11, p. 3441-3448, 2006.
SIT8 - Master EMR - déc. 2012Page 26 Dpt MO – Cours radio / FLP
Variabilité de la salinité
a :région polaireb : région tempéréec : région tropicale
Smoyen = 34.7 psu
SIT8 - Master EMR - déc. 2012Page 27 Dpt MO – Cours radio / FLP
Agenda
Contexte Ondes : généralités Grandeurs et propriétés EM Interactions ondes / environnement Antennes et transmission dégagée Affaiblissement moyen Variabilité Références
SIT8 - Master EMR - déc. 2012Page 28 Dpt MO – Cours radio / FLP
Différents mécanismes d’interaction
AbsorptionRéfractionRéflexionDiffractionDiffusionEffets combinés…
& dépendance fréquentielle ©R
ober
t Doi
snea
u
SIT8 - Master EMR - déc. 2012Page 29 Dpt MO – Cours radio / FLP
Absorption des ondes optiques dans l’eau
Longueur d’onde (nm)
•cas d’une eau très claire•Au-delà de 1000m, c’est la nuit noire
Eau riche en matières organiques
Eau claire
SIT8 - Master EMR - déc. 2012Page 30 Dpt MO – Cours radio / FLP
Atténuation des ondes radio dans l’eau
10-1
100
101
100
101
102
f (GHZ)
Att
enua
tion
in d
B/c
m
Attenuation at S=35ppt (0<T<40°C)
T=0
T=10
T=20T=30
T=40
0°C
10°C
20°C30°C
40°C
10-1
100
101
10-3
10-2
10-1
100
101
102
f (GHZ)
Att
enua
tion
in d
B/c
m
Attenuation at T=15°C (0<S<40ppt )
S=0
S=10
S=20S=30
S=400 ppt
10 ppt20 ppt
30 ppt40 ppt
En fonction de la température En fonction de la salinité
SIT8 - Master EMR - déc. 2012Page 31 Dpt MO – Cours radio / FLP
θ2
Interfaces entre milieux
Interface métal / diélectrique
Interface diélectrique / diélectrique
Métal parfait
Diélectrique
1
2
1
2
n
n
12
12
tgtg
tgtg
HH
EE
=
=
Etg=0 (CCE)
1
2
θ1 θ1
( ) ( )1 1 2 2sin sinn nθ θ=
Loi de Snell / Descartes
1 1rn ε=
2 2rn ε=
Rayon réfracté
Rayon
réflé
chi
Rayon incident
SIT8 - Master EMR - déc. 2012Page 32 Dpt MO – Cours radio / FLP
θi
Sols : sec (A), normal (B) et humide (C)
Angle de Brewster
Polarisation orthogonale
Polarisation parallèle
Coefficient de réflexion
SIT8 - Master EMR - déc. 2012Page 33 Dpt MO – Cours radio / FLP
Diffraction
ha négatif
hb positif
REb
α
Ea
d1 d2
1 2
1 2
1 2
1 2
2( )
2
( )
d dh
d d
d d
d d
λν
αλ
+= +
Mais aussi : pointes, arêtes, surfaces courbes
Le point de diffraction se comporte comme une source secondaire
Voir aussi :Modèle analytique de Lee
SIT8 - Master EMR - déc. 2012Page 34 Dpt MO – Cours radio / FLP
Réflexion diffuse
Modèle de Phong (optique) :•Combinaison pondérée de réflexions spéculaire + hautement diffuses•Généralisation du modèle de Lambert (rd=1) [ ])(cos)1()cos(),( ir
mdrd
iri rr
RR θθθπρθθ −−+=
ρ : coefficient de réflexion de la surfaceRi : Puissance incidenterd : Pourcentage de l ’onde réfléchie sous forme diffuse (entre 0 et 1)m : paramètre du modèle qui contrôle la composante spéculaireθi (θr) : angle d’incidence (de réflexion) par rapport à la surface
θi θr
σ AA’
C’C
B B’
( ) ( ' ' ' ') 2 sin( )AB BC A B B C σ∆ = + − + = Ψ
ψ
2 4 sin( )RC
π πσλ λ
Ψ= ∆ =
0.1 10 CR
spéculaire diffuse
Hautement diffuse
Critère de Rayleigh
SIT8 - Master EMR - déc. 2012Page 35 Dpt MO – Cours radio / FLP
Atmosphère terrestre
Temp °KTroposphère
Tropopause
Stratopause
Mésopause
Thermosphère
300180
Ionosphère
Mésosphère
Stratosphère
• Composants majoritaires : Azote (N2) 78%, Oxygène (O2) 21 %, en proportion fixes et quasi uniformes jusqu’à 15-20 Km d’altitude•Vapeur d’eau, jusqu’à 2% en milieu marin, négligeable à partir de 20 Km d’altitude
Distance soleil/terre : 150 millions de km 8 mn 20s à la vitesse c=3e8 m/s
Cycle journalier (diurne / nocturne)Cycle annuel (saisonnier)Cycle solaire ≈ 11 ans (nombre de Wolf)
SIT8 - Master EMR - déc. 2012Page 36 Dpt MO – Cours radio / FLP
Ionosphère ≈ 80-600 km
Ecart en direction (0.35°à 100 MHz et q=5°) Distorsion de groupe significative jusqu’à 100MHz Effet Faraday = rotation du plan de polarisation (jusqu’à 20°@ 2 GHz =>
polarisation circulaire jusqu’à 10 GHz) Atténuation (1 dB/100 km@100 MHz) et Scintillations (-> 30 dB@100MHz !) Rebond ionosphérique : prévisions quotidiennes MUF & LUF (Max/min
usable frequency, jusqu’à 80 MHz)
Gyrofréquence fb
02 Bmefb=π
0Be
9p eMHzf N≈
Fréquence plasma fp
Ionosphère : radio opaque < 30 MHz
Ne= concentration d’électrons
SIT8 - Master EMR - déc. 2012Page 37 Dpt MO – Cours radio / FLP
Troposphère ( de 0 à ≈ 10 km)
Rayon terrestre fictif Re=K.R
hRd e2=R (rayon réel)
Re(Rayon fictif)
Distance radio horizon :h
h
facteur K :
kmNkm dhdNR
K
/.11
+=
K=4/3 en atmosphère standard=> Re=8500 km (R=6500 km)
( ) ( )Tep
TenhN h 48106.77.31510).1()( .136.06 +≈≈−≈ −
Coïncide N :
-157
-40
Gra
dien
t N, N
/km
Conduits troposphériques(ducting, zones côtières)
Valeur standard
Evolution journalière
SIT8 - Master EMR - déc. 2012Page 38 Dpt MO – Cours radio / FLP
Agenda
Contexte Ondes : généralités Eléments d’électromagnétisme Grandeurs et propriétés EM Antennes et transmission dégagée Affaiblissement moyen Variabilité Références
SIT8 - Master EMR - déc. 2012Page 39 Dpt MO – Cours radio / FLP
Distinction borne, système antennaire et antenne :• Système antennaire : l’antenne + l’étage radio. Borne = SA+électronique BB
Fonction• Conversion (réciproque) onde libre <-> onde guidée
Caractéristiques de rayonnement dans l’environnement• Antenne isotrope, directive, sectorielle
Antenne réseau, active, agile, reconfigurable, « intel ligente » Analogies
Antennes : introduction
Borne Wifi
Antennes
SIT8 - Master EMR - déc. 2012Page 40 Dpt MO – Cours radio / FLP
Technologie des antennes
Filaires
A ouvertures
Imprimées
MonopoleYagi
Log périodique (CEM)
Cornet rectangulairelarge bande
Cornet circulaire
Réseau de fentesParabole (Cassegrain)
Antenne et lentille
Patchs (réseau)
FractalesULBSatellite
Conique
SIT8 - Master EMR - déc. 2012Page 41 Dpt MO – Cours radio / FLP
Notion de gain
isotropePIRE PeGe=
dipolePAR PeGe=
EIRP ERP≠
yz
xSr(θ,ϕ) ( ) ( ) ( )
( )r ,
, . ,r ,i
SG D
S
θ ϕθ ϕ η θ ϕ
θ ϕ= =
( )max ,G G θ ϕ=
Ne pas confondre :
Puissance isotrope rayonnée équivalente
Puissance apparente rayonnée
Equivalent Isotropic Radiated Power (= PIRE)
Effective Radiated Power (signal modulé)
Sri(θ,ϕ)
Antenne isotrope
Densité de puissanceGain (isotrope) de l’antenne
Gain maximum
Pr Pri=ϕ
θ
y
z
x
« Suffisamment » loin de l’antenne :
Généralement en dBi (souvent noté dB), quelque fois en dBd (référence dipôle)
SIT8 - Master EMR - déc. 2012Page 42 Dpt MO – Cours radio / FLP
Antennes : caractéristiques électriques•Paramètres internes :
•Impédance,Bande passante, Température de bruit…•Paramètres externes :
•Directivité D(θ,ϕ)=gain G(θ,ϕ)× efficacité η, diagramme de rayonnement, ouverture à 3dB, lobes secondaires, propriétés de polarisation, Surface équivalente
Champs prochesAdaptation àl’alimentation
Rayonnement2
max2dz
λ>
2max2d
zλ
<
SIT8 - Master EMR - déc. 2012Page 43 Dpt MO – Cours radio / FLP
Propriétés de polarisation des antennes
SIT8 - Master EMR - déc. 2012Page 44 Dpt MO – Cours radio / FLP
Antennes en réseau
zθ
R ≅ r
θ θ θ
d
xd cosθ
( ) ( ) ( )21 cos
0
, ,N jk d jk
Totale e A Aπ θ αλ θ ϕ θ ϕ
− =
∑
0I 0jI e α 2
0jI e α ( )1
0N jI e α−
FR
Lobes secondaires de réseau
( )2cosd
πψ θ αλ
= +
Maîtrise des lobes : pondérations binomiales, Chebyshev
SIT8 - Master EMR - déc. 2012Page 45 Dpt MO – Cours radio / FLP
Antennes réseaux : illustrationsSans déphasage
Avec déphasage
Tilt électrique / mécanique
SIT8 - Master EMR - déc. 2012Page 46 Dpt MO – Cours radio / FLP
Antennes et couplages
Effets InternesEffets Externes
Diagramme de rayonnement
impédance de couplage
Mise en réseau
Deux dipôles imprimés en réseau (plan H)
Alimentation
Couplage entre antennes …et avec l’environnement proche !=> Effet sur le rayonnement et l’adaptation
SIT8 - Master EMR - déc. 2012Page 47 Dpt MO – Cours radio / FLP
Transmission (parfaitement) dégagée (LOS)
Pa
Pe=ηPa
Antenne adaptée Antenne adaptée
PIRE=PeGe(θ,ϕ)2
2
1
4 2 120
EPIRESr
dπ π= =
( )2
,4 r rGrλ θ ϕπ
Surface équivalente d’antenne
2
4Pr PeGe Gr
d
λπ
=
Pr
Densité Sr de puissance à la
distance d :z=0 z=d
Formule de Friis (espace libre) « Atténuation » de référence (ou d’espace libre) 2
1/4 d
λπ
SIT8 - Master EMR - déc. 2012Page 48 Dpt MO – Cours radio / FLP
Atténuation de référence
44.32)(log20)(log20 1010 ++= kmMHzFdB dfLdBiFdBdBmdBm GrLPIRE +−=Pr
(UIT)
2
4Pr PeGe Gr
d
λπ
=
d
100
101
102
103
104
-140
-120
-100
-80
-60
-40
-20
0
d (m)
-
Att
énua
tion
(dB
)
85 MHz
900 MHz
3.5 GHz
20 dB
20 dB
Équation de Friis
Source rayonnante ponctuelle dans le vide
Exemples :d=1 Km, 2.4 GHz (UMTS) : LdB= 100 dBd=1 Km, 1.8 GHz(GSM) : LdB= 97.5 dB (presque 2 fois plus de puissance)d=40 m, 60 GHz : LdB= 100 dB (60 GHz plutôt réservé aux courtes portées)
SIT8 - Master EMR - déc. 2012Page 49 Dpt MO – Cours radio / FLP
Bruits
0N kTB=N0 : puissance du bruit thermique blanc (W)k : Constante de Bolzmann (J/°)T(K) : température absolue (K), T(K)=T(°C)+273,15B : bande considérée (Hz)
dBm(N0)=-174 @ 290°K & 1Hz
•Bruit extra-terrestre :•Bruit d’expansion de l’univers (2,76 K ondes cm et mm), gaz interstellaire (basses fréquences), radio sources : supernova, quasar, galaxie, planètes
•Bruit terrestre naturel : •Thermique atmosphérique, sol, orages
•Bruit industriel : •Moteurs à collecteurs, interrupteurs/contacteurs/relais, allumages électriques, lignes hautes tensions, tubes luminescents, appareils médicaux (diathermie, rayons X)
•Bruit dans le récepteur : •Thermique, shot noise, flicker noise, bruit d’avalanche, bruit burst
Sources de bruit
SIT8 - Master EMR - déc. 2012Page 50 Dpt MO – Cours radio / FLP
Bruit et sensibilité du récepteur
(Se/Ne)
Te
η
Facteur de bruit (NF)
1010.log /dBe s
S SNF
N N
=
(Ss/Ns)
Sensibilité : niveau de signal minimum détectable en entrée pour obtenir en sortie un rapport signal à bruit donné
Rapport signal à bruit : S(f)/N(f)
Température équivalente de bruit Te
Normes IEEE 802.11a et gIEEE 802.11a/g
Débits (Mbps)
Modulation des
48 sous-porteuses
Minimum
SNR (dB)
EVM
(%RMS)
Sensibilité
(dBm)
54 64 QAM 20 5.6 -65
46 64 QAM 20 7.9 -66
36 16 QAM 18 11.2 -70
24 16 QAM 18 15.8 -74
18 QPSK 10 22.3 -77
12 QPSK 10 31.6 -79
9 BPSK 7 39.8 -81
6 BPSK 7 56.2 -82
SIT8 - Master EMR - déc. 2012Page 51 Dpt MO – Cours radio / FLP
Bilan de liaison Bilan de bruit (NFdB)
Bilan de transmissionExemple pour un étage récepteur radio hétérodyne
SIT8 - Master EMR - déc. 2012Page 52 Dpt MO – Cours radio / FLP
Agenda
Contexte Ondes : généralités Eléments d’électromagnétisme Interactions ondes / environnement Antennes et transmission dégagée Affaiblissement moyen Variabilité Références
SIT8 - Master EMR - déc. 2012Page 53 Dpt MO – Cours radio / FLP
Effets des gaz et hydrométéoresGaz et hydrométéores Influence de la pluie
© Dunod/Boithias
Att
énu
atio
n lin
éiqu
e t
ota
le (
dB)
H2O
O2 O2
Att
énu
atio
n lin
éiqu
e (
dB/k
m)
sec
Humide (7,5 g/m3)
SIT8 - Master EMR - déc. 2012Page 54 Dpt MO – Cours radio / FLP
Liaison dégagée/obstruée (LOS/NLOS)
100
101
102
103
104
10-1
100
101
102
Distance inter antennes (m)
Hf
(au
cent
re)
(m)
85 MHz
900 MHz
3.5 GHz
La plus grande partie de l’énergie passe par le premier ellipsoïde de FresnelLa hauteur Hf de l’ellipsoïde diminue avec la fréquence ou le rapprochement des antennes
Hf @ 85 MHz
1,5 m
10 m
100 m
Ellipsoïde de Fresnel
21
21
ddddn
Hnf += λ
d1 d2
DH f λ21=
Au centre :
SIT8 - Master EMR - déc. 2012Page 55 Dpt MO – Cours radio / FLP
Atténuation moyenne (50% des temps et positions)
Ellipsoïde dégagée :
44.32)(log20)(log20 1010 ++= kmMHzFdB dfL
dBiFdBdBmdBm GrLPIRE +−=Pr
1 2Pr ...dBm dbm dBi F dB exdB exdBPIRE Gr L L L= + − − − −
Ellipsoïde encombréeHydrométéoresinfrastructure…
L50dBLF(dB) : atténuation d’espace libre (en dB)Lex(dB) : atténuation en excès (en dB)L50dB ou L : atténuation totale (en dB)
F ex kk
L L L= +∑
Quels sont les termes LexdB à prendre en compte ? Comment les évaluer?
(en dB)
50PrdBm dBm dB dBiPIRE L Gr= − +
(Atténuation d’espace libre)
SIT8 - Master EMR - déc. 2012Page 56 Dpt MO – Cours radio / FLP
Propagation au-dessus d’un plan lisse
Brewster
Limite 1er ellipsoïde de Fresnel
Lex=20.log10(d)(si d > df)
SIT8 - Master EMR - déc. 2012Page 57 Dpt MO – Cours radio / FLP
Transmission 2.075GHz au-dessus de la mer
Kun Yang & Al. “A quasi-deterministic path loss propagation model for the open sea environment”, WPMC11
SIT8 - Master EMR - déc. 2012Page 58 Dpt MO – Cours radio / FLP
Modèle numérique de terrain (MNT)
Out-door / in-door•Bâtiments / rues•Etages •Ouvertures (portes / fenêtres)•Matériaux
Classification de zones
In-door•Niveaux, cloisons, pièces/couloirs
ouvertures, mobilier, parties métalliques…
ER
Fiabilité du MNT ?
Sol / sur sol•Pixel / vectoriel•Résolution / coût
SIT8 - Master EMR - déc. 2012Page 59 Dpt MO – Cours radio / FLP
Modèle logarithmique (empirique)
0 1010. .log ( )mL L n d= +(en dB)
n est le seul paramètre du modèle L0 peut permettre un ajustement du modèle
10 10147.6 20log ( ) 20log ( )FdB Hz mL f d= − + +
n=2 n=2.5 n=3 n=4
Seul paramètre du modèlePeut permettre un ajustement / référence
500 m 500 m
-LdB
freq=300 MHz
SIT8 - Master EMR - déc. 2012Page 60 Dpt MO – Cours radio / FLP
Exemples de modèles d’atténuation moyenne
nLog(d) Okumura/Hata Okumura/Hata + diffraction d’arêtes (Deygout)
COST 231 Multi-Wall
Model
MotleyKeenanModel
One SlopeModel
Outdoor
In-door
SIT8 - Master EMR - déc. 2012Page 61 Dpt MO – Cours radio / FLP
Agenda
Contexte Ondes : généralités Eléments d’électromagnétisme Interactions ondes / environnement Antennes et transmission dégagée Affaiblissement moyen Variabilité Références
SIT8 - Master EMR - déc. 2012Page 62 Dpt MO – Cours radio / FLP
Différentes échelles de variation
Atténuation moyenne à grande échelle
Variations lentes
Variations à petites échelles :recombinaisons
Nécessité d’une modélisation
statistique des variations
SIT8 - Master EMR - déc. 2012Page 63 Dpt MO – Cours radio / FLP
Effet doppler
0v ≠
Position p1Instant t1
> Augmentation de l’intervalle entre les fronts d’onde (à cause de l’éloignement progressif de l’obstacle), donc de λ => diminution de la fréquence (ou augmentation si rapprochement)
Position p3Instant t3
Position p2Instant t2
Onde incidente
Onde réfléchie
Fronts d’onde
=> Modulation de fréquence aléatoire du signal liée à la variation des angles d’arrivée des rayons
f
vθ
f-f m
∑
= )cos(θλv
fd
f+fmf+fd
Exemples:F=85 ou 900 MHzv=90 Km/Hfm=7 ou 75 HzEmis
Reçu
SIT8 - Master EMR - déc. 2012Page 64 Dpt MO – Cours radio / FLP
Evanouissements fréquentiels
Onde directe Onde réfléchieEnveloppe du signal
λλλλ0
Il existe une longueur d’onde λ0 [λa,, λb] « invisible » vu de la position
indiquée => Canal sélectif en fréquence
bf
Sélectivité
Canal de test IS54 2 trajets à 10 ms
Spectre émis
100 KHz
reçuaf
Pour cette position on perçoit fb mais pas fa
SIT8 - Master EMR - déc. 2012Page 65 Dpt MO – Cours radio / FLP
Fonctions statistiques
σ−−
πσ=
2
2
1
2
1)(
mx
exp
Densité de probabilité p(x)
x : variable aléatoire
Fonction de répartition F ∫∞−
=≤=X
dxxpXxprobXF )()()(
x gaussienx lognormal
σ−−
πσ=
2
2
1
2
1)(
mx
exp
∑∞
=
→1n
n xy σσ
SIT8 - Master EMR - déc. 2012Page 66 Dpt MO – Cours radio / FLP
Comparaison de distributions classiques
Mesures
Théorie
Village rural
SIT8 - Master EMR - déc. 2012Page 67 Dpt MO – Cours radio / FLP
Couverture et probabilité de réception
Probabilité de couverture Probabilité de couvertureChamp électrique, 3.1 mV/m Champ électrique, 1.6 mV/m
Bruit
Puissance reçue
1 antenne GSM 1800, 40m/20w 7 antennes GSM 1800, 15-30m/2w
SIT8 - Master EMR - déc. 2012Page 68 Dpt MO – Cours radio / FLP
Interactions radios/éoliennes en merNorth Hoyle maritime radar
SER/RCS
Doppler
SIT8 - Master EMR - déc. 2012Page 69 Dpt MO – Cours radio / FLP
Agenda
Contexte Ondes : généralités Eléments d’électromagnétisme Interactions ondes / environnement Antennes et transmission dégagée Affaiblissement moyen Variabilité Références
SIT8 - Master EMR - déc. 2012Page 70 Dpt MO – Cours radio / FLP
Quelques références
Propagation J.D. PARSONS « The Mobile Propagation Channel », John Wiley & Sons, Second
Edition, 2000 L. BOITHIAS « Propagation des ondes radioélectriques dans l ’ environnement
terrestre », DUNOD, 1983 J. LAVERGNAT, M. SYLVAIN « Propagation des ondes radioélectri ques, introduction »
MASSON, 1997 H. SIZUN, « La propagation des ondes radioélectriques », Spr inger, 2003 L.H. BERTONI « Radio propagation for modern wireless systems » Prentice Hall, 2000.Propagation, antennes et systèmes R. JANASWAMY « Radiowave Propagation and smart antennas for wireless
communications », Kluwer Academic Publishers, 2001Radio mobiles T. S. RAPPAPORT « Wireless Communications, Principles and Pract ice, 2nd ed »,
Prentice Hall, 2002 K. PALHAVAN, A. H. LEVESQUE « Wireless Information Networks » Wiley & Sons,
1995 X. LAGRANGE « Les réseaux radiomobiles », Hermès, 2000Site internet http://members.shaw.ca/propagation/
SIT8 - Master EMR - déc. 2012Page 71 Dpt MO – Cours radio / FLP
Annexe : antenne parabole
Offset
Cassegrain
©W
ikip
edia
2 24
. .ouv
DG S
π πη ηλ λ
= =
Champ électrique instantané
Densité de puissance
D: diamètre
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