Etalonnage de l’électronique des antennes GHz

Un power detector Minicircuit ZX 47-50+ est utilisé pour les antennes GHz. Sa réponse

est fournie par le fabriquant (figure 4.12 de droite). Un étalonnage supplémentaire est réalisé au LPNHE. Un générateur de signal sinusoïdal de fréquence ν déterminée est connecté à un séparateur de puissance Mini Circuit ZFRSC-42, afin d’observer simultanément le signal brut et le signal après traversée dupower detector par le biais de deux oscilloscopes, l’un étant connecté directement en sortie du séparateur de puissance, et le second en sortie du power detector. La tension affichée par le premier oscilloscope et la puissance fournie par le générateur sont reliées par une impédance de 50 Ω. La figure 4.34 décrit la relation établie entre la puissance fournie par le générateur et la tension en sortie dupower detector, pour différentes valeur deν. L’expérience est à nouveau réalisée en remplaçant le générateur de signal sinusoïdal par le LNBf qui génère un signal de type bruit, ou une superposition de signaux sinusoïdaux de fréquences contenues dans la bande C. Le résultat est présenté sur la figure sous le labelnoise waveform. Les relations obtenues et celles mentionnées dans la fiche technique sont similaires. La tension en sortie du

power detector est reliée à la puissance en sortie du LNB par

V_{P D}(1 GHz) =−0.0244P_{LN B}[dBm] + 0.789 V, (4.52) et pour la forme d’onde,

VP D =−0.0234PLN B[dBm] + 0.877 V. (4.53) Input8Power8[dBm] -40 -35 -30 -25 -20 O utpu t8V olt age 8[ V ] 1.5 1.6 1.7 1.8 1.9 ν=818GHz =81.28GHz ν =81.48GHz ν =81.68GHz ν =81.88GHz ν noise8waveform

Figure ^{4.34 –} Tension en sortie dupower detector en V, en fonction de la tension ou de la puissance d’entrée en dBV ou dBm, pour le modèle Minicircuit ZX 47-50+ aux fréquences GHz. Résultats de l’étalonnage réalisé au LPNHE.

Un condensateur a d’abord été intégré au circuit dupower detector Mini circuit ZX47-50+. Il permettait de réduire le bruit en sortie du LNB, mais supprimait les signaux transitoires les plus courts. Pour les 54 nouvelles boîtes électroniques, le condensateur a été retiré. La carte EASIER permet de transformer la tension en sortie du power detector en une tension comprise entre−2 et 0 V, pour l’intervalle de puissance détectée attendu. Un potentiomètre permet d’ajusterX,

VEB=−4.1VP D+X. (4.54) La tensionV_EBen sortie de la carte EASIER est reliée à l’acquisition de la cuve, où son intensité est traduite en nombre de canauxADC (Analog to Digital Converter) par la relation

#ADC =−¹⁰²³

2 VEB. (4.55) Installation des 7 premières antennes

X est au départ ajusté tel qu’une puissance P_{LN B} = −30 dBm à la fréquence d’1 GHz produise une tension de V_EB =−1 V. X vaut alors 5.24 V. X a ensuite été localement ajusté afin que la ligne de base soit au centre de l’intervalle dynamique.

La calibration inverse permet de remonter à la puissance en sortie du LNB,

V_EB=− ² 1023^#ADC, (4.56) VP D= X−VEB 4.1 , (4.57) PLN B[dBm] = VP D−0.877 −0.0234 . (4.58) En posantx l’équivalent #ADC de l’offsetX,

X =− ² 1023x, (4.59) PLN B[dBm] = ⁽−x+ #ADC)/511.5−0.877×4.1 −0.0234×4.1 , (4.60) et avec ADCof f set=x+ 0.877×4.1×511.5 =x+ 1839 =−511.5X+ 1839, (4.61)

P_{LN B}[dBm] = ^#ADC−ADCof f set

−511.5×0.096 . (4.62) Les valeurs de ADC_{of f set} et de son équivalent X sont données pour chaque antenne dans le tableau 4.5.

ID 333 332 344 342 341 419 343

ADC_{of f set} −857 −812 −848 −893 −903 −803 −936

X[V] 5.27 5.18 5.25 5.34 5.36 5.17 5.43

Table ^{4.5 –}Offset après ajustement local.

La première relation du tableau 4.6 permet d’obtenir les intervalles dynamiques de puissance en sortie du LNB auxquels l’électronique de la cuve est sensible, intervalles résumés dans le tableau 4.7.

Composant Intervalle dynamique en sortie LNB [dBm] ^h−₀^X_.0959⁺² + 37.48,−_0.0959^X + 37.48ⁱ

Power detector [V] [X/4.1,(X+ 2)/4.1] Carte EASIER [V] [0,−2]

FADC [0,1023]

Table ^{4.6 –}Intervalle dynamique en sortie des composants listés.

ID 333 332 344 342 341 419 343

P_{LN B}(min) [dBm] −38.3 −37.4 −38.1 −39.1 −39.3 −37.3 −40.0

P_{LN B}(max) [dBm] −17.5 −16.5 −17.3 −18.2 −18.4 −16.4 −19.1

Table ^{4.7 –}Intervalle dynamique en sortie du LNB.

Installation des 54 antennes supplémentaires et problème de ligne de base

Lors de l’installation des 54 antennes supplémentaires autour du premier hexagone GHz, le problème suivant a été rapporté : la ligne de base des traces dépend de la tension apportée par la batterie de la cuve. On perd alors l’information sur la puissance associée à chaque compte ADC si on ne corrige pas de cet effet. Les valeurs prises par la tension de la batterie au fil du temps doivent être considérées, et la relation entre ces valeurs et celles de la ligne de base doit être établie, afin d’appliquer une correction lors de l’étalonnage. L’ajout d’un régulateur permet d’éviter la saturation du signal et de limiter la réduction de l’intervalle dynamique.

On considère 3 tensions (figure 4.35) : la tension de la batterie V_bat, fonction des conditions solaires, la tensionV_reg alimentant la carte EASIER après régulation de la tension de la batterie, et la tension de la ligne de baseVEB correspondant, proportionnelle à Vreg.

Batterie Régulateur ^Carte

EASIER ^FADC

V_bat V_{reg VEB}

V_PD Carte

alim.

Figure4.35 –Régulateur de tension.

L’étalonnage de base a été réalisé pour une tension d’alimentation V_bat =V_calib = 24 V. Le régulateur choisi force la tension qui alimente la carte EASIER à V_reg = V_cst ∼ 24 V lorsque la tension de la batterie dépasse la tension seuil V_bat =V_seuil ∼24 + 1.5 V. Lorsque la tension est inférieure à la tension seuil, la tension régulée en fonction de la tension de la batterie ne présente qu’un décalage à l’origine deV_cst−V_seuil ∼ −1.5 V. (figure 4.36 de gauche). La tension de la ligne de baseVEB est proportionnelle à la tensionValim qui lui est fournie et a pour limite maximaleV_EB∼ −0.4 V lorsque V_reg =V_cst, donc lorsqueV_bat≥V_seuil (figure 4.36 de droite). Notonsale coefficient de proportionnalité.

Pour chaque station, les valeurs précises de Vcst, Vseuil et a sont tabulées. Par rapport à l’étalonnage, lors duquel la tension d’alimentation était deV_calib, la tension en sortie de la carte EASIER a été modifiée artificiellement de

input V 23 23.5 24 24.5 25 25.5 26 26.5 27 regulated V 21.5 22 22.5 23 23.5 24 battery V 23 23.5 24 24.5 25 25.5 26 26.5 27 baseline V -1.1 -1 -0.9 -0.8 -0.7 -0.6 -0.5 -0.4

V

V

Figure^{4.36 –}Gauche : action du régulateur sur la tension d’entrée. Droite : tension de la carte EASIER en fonction de la tension de la batterie avec usage du régulateur.

Lorsque la tension fournie par la batterieV_bat (donnée par le monitoring continu) est supérieure ou égale à la tension seuil V_seuil, et puisque la tension régulée n’est pas exactement égale à la tension d’étalonnage,

V_corr =a(V_cst−V_calib). (4.64)

Lorsque la tension fournie par la batterie V_bat est inférieure à la tension seuil V_seuil,

V_corr =a(V_bat+ (V_cst−V_seuil)−V_calib). (4.65)

En plus de cela, la tension de la ligne de base a été augmentée de V_{shif t} = 600 mV avant installation. La tension de la ligne de base réellement due à la puissance reçue par l’antenne et utilisée pour la calibration est donc

V_EB⁰ =VEB−Vcorr−V_{shif t} (4.66)

VEB=− ²

1023^#ADC (4.67)

V_EB⁰ =− ²

1023^#ADC−Vcorr−V_{shif t} (4.68)

En utilisant la relation (donnant−1.43 V à 30 dBm ou−1.24 V à−28 dBm)

V_EB⁰ =−4.1VP D+ 5.04V (4.69)

V_{P D} =−0.0234P_{LN B}(dBm) + 0.877V, (4.70)

PLN B[dBm] = − 2

1023#ADC−Vcorr−V_{shif t}−1.4443

Puissance en sortie de l’antenne

La puissance en sortie de l’antenne en mW est déduite après soustraction du gain du LNB et linéarisation,

Pant[mW] = 10^0.1(PLN B[dBm]−GLN B). (4.72) Les gains des 61 LNB ont été évalués à environ 60 dB. Pour obtenir le flux de puissance qui atteint l’antenne, il faudrait corriger de la polarisation, de la surface effective et de l’efficacité.