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Simulations d’Antennes

O.Ravel

SUBATECH

Réunion CODALEMA, 23-24 octobre 2006, Nantes

Caractérisations d’antennes

Intérêts de la simulation

Déterminer les grandeurs caractéristiques d’une antenne

pour une géométrie donnée :

• Directivité : gain = f(,) => lobes (pattern)

La mesure d’un lobe d’antenne est très délicate et difficile surtout à basse fréquence

antenne étalon

• Impédance d’antenne, SWR

• Effets de la nature du sol, des lignes de transmission, des réflecteurs

(masse métallique) …..

O.Ravel : Réunion CODALEMA, 23-24 octobre 2006, Nantes

Simulation d’antennes

• Code EZNEC Éléments finis (1500 segments)

• Code 4NEC2Interface graphique + graphique 3D et builder

Moteur NEC (Numerical Electromagnetic Code)

Lawrence Livermore Laboratory

Réunion CODALEMA, 23-24 octobre 2006, Nantes

Antenne Spirale Log-périodique Model

2 bras de 3 spires + 2 spires Hauteur : 9 m Diamètre à la base : 6 m

• 2 bras de 3 spires• Inclinaison 20° vers le sud• Source à l’apex• Sol parfait


Antenne Spirale Log-périodique Lobes 3D

50 MHz 80 MHz

Seulement Qualitatif



80 MHz


10 MHz

Ouverture –3dB : 90°

Gainmax = 8 dB


37 MHz

Ouverture –3dB : - 100°

80 MHz


Gainmax = 7.4 dB



65 MHz

Ouverture –3dB : 60°

50 MHzOuverture –3dB : 80°

Ajustement du bruit galactique (Jacob à suivre)

Actuellement :

Glog = 7 dB , Gain constant, pas de dépendance en Theta, Phi

À faire :

Prendre en compte les lobes dans le calcul du champ E, profils….

Antenne Spirale Log-périodique

Dipôle CODALEMA

Longueur : 1.21mLargeur : 10 cmHauteur : 1m

Résonance : 124 MHz

Model & Lobe 3D


Dipole CODALEMA Lobes 2D

H=1.2 m

Antenna length = 1.21m

SOL

E-planeH-plane

Antenne active :Impédance d’entrée capacitivePas de puissance active tension au borne du dipôle

Lobes en tension normalisés( f = 1MHz)

=> Lobes en Champ électrique normalisés

Basse fréquence

1 – 30 MHz

Ouverture à –3 db120° H plane 90 ° E plane

Gain d’antennequasiment constant

Haute Fréquence50 – 100 MHz

Ouverture à –3 dB120° H plane 90 ° E plane

Gain d’antenne décroît quand f augmente

Zenith

floor

Zenith

Pris en compte pour le calcul de E

Effet de la hauteur au sol


G = f (Freq) pour différentes hauteurs au sol

H= 3 m F = 60 MHz

Theta=0

Effet de la nature du sol


Cas idéal : réflecteur parfais (grille) placé au sol !

=> Fluctuation du Gain en fonction de l’état d’humidité du sol ?

c’est du luxe ???

Mesures comparativesTHALES / DIPOLE (1)

Méthode d’étalonnage:• mesure au même endroit (Mauves/Loire à 15 Km de Nantes) antennes saturées à Nantes • mesure au même instant• hauteur au sol identique (1m)• même orientation (polarisation)• même DAQ

THALES

GPIBOptical

receiver

PC

DAQ

LabView

300 m optical fiber

DIPOLE

coax

OscilloLecroy 9384

ADC 8 bits2 GS/s


AttentionDipôle de test : L= 60 cm

H= 15 cm , diamètre = 5.6 cm

Bande passante : 10 kHz – 1 GHz

Gain constant

Détermination du Facteur d’Antennedu Dipôle CODALEMA

Facteur d’antenne : AF = E/V en m-1

Longueur (hauteur) effective : he = 1/AF = V/E en m

Le facteur d’antenne du Dipôle Thalès est connu : AFTH = 0.71 soit – 2.9 dB

Le facteur d’antenne du Dipôle CODALEMA : AFCO

AFCO = (AFTH * VTH ) / VCO


Détermination du Facteur d’Antennedu Dipôle CODALEMA (Méthode 1)

Signal dans la bande 1-100 MHz

Dipôle : = 0.042 V

Thales: = 0.010V

AFmes = 0.17 => - 15.4 dB

E = 7.15 mV/m

Facteur d’antenne

Hauteur Effective : 5.90 m


Dipôle de test L= 60 cm

DIPOLE CODALEMA 1.2 m

AFcalc = 0.055 => - 25.1 dBLongueur effective 18 mAFmes= à mesurer à Nançay

Détermination du Facteur d’Antennedu Dipôle CODALEMA (Méthode 2)

L/2*E

ca

ce A= 22.5

Calculé à partir des mesures de capaet de gain d’ampli (voir D.Charrier)

V

Dipôle de test L= 60 cm

AFcalc = 2 / (A*L)

AFcalc = 0.15 => -16.5 dB

AFmes = 0.17 => - 15.4 dB

rappel


Spectre en fréquence


Thalès :Gain constant

Calibrer le gain / Thalès

Gain attendu

• Facteur d’antenne : encourageant…voir les Log ?

• Gain : Étalonnage par rapport à une antenne étalon (Thalès) Mesure simultanée du bruit tout venant

mais il faut des émetteurs puissants dans la bande

creuse (30 – 88 MHz) : TV US ?

• Directivité : Très difficile (grand ), la simulation est suffisamment précise …

Conclusion