Mesures ARV : Configuration des paramètres

Figure 3.35 : Chambre anéchoïque Figure 3.36 : Supports mécaniques

équipant la chambre anéchoïque

Dans la suite de ce document, la mesure de TPG entre les deux ports de l’ARV, comprenant le retard dû aux antennes, aux câbles et à la propagation du signal dans l’air, sera appelée TPG brut. Les premières mesures sur les antennes disponibles au CNES ont fourni des résultats compris entre 20 et 50 ns donc de grandeur intermédiaire aux TPG des liens RF et du câble d’antenne. De plus, la bande de fréquence étudiée est d’un GHz donc l’ouverture sera d’un pour cent. Le réglage des paramètres de l’ARV utilisé lors de la mesure des câbles peut donc également être employé pour l’étalonnage des antennes. Lors des études d’étalonnage des antennes, la configuration de l’ARV par défaut sera donc la suivante :

-Bande de fréquence : 1 GHz [1-2 GHz] -Nombre de points : 801 points

-IF bandwidth : 100 Hz -Puissance : - 7 dBm -Moyenne : 10 mesures -Lissage : 0%

La distance entre les antennes en configuration par défaut est de 60 cm.

Certains paramètres de l’ARV et environnementaux ont tout le même fait l’objet d’études particulières.

3.4.1 Mesures ARV : Configuration des paramètres

Lors d’acquisitions réalisées avec un analyseur de réseau vectoriel, le TPG d’un élément sous test peut être déterminé à partir de la valeur fournie par l’appareil (TPG_ARV). Il est également possible d’utiliser la mesure de phase (TPG_Phase) à partir de laquelle l’opérateur peut ensuite calculer le TPG. Une comparaison de ces deux configurations de mesure à l’ARV a été menée. L’influence de la puissance a également fait l’objet d’une analyse particulière car les niveaux mis en jeu lors des étalonnages sont bien supérieurs à ceux reçus par les antennes en conditions opérationnelles.

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o Mesure TPG/Mesure Phase

La Figure 3.37 présente le TPG brut mesuré lors de l’étalonnage d’une antenne 702 (NovGTR) fourni par l’appareil (TPGARV) et calculé par l’opérateur à partir de la mesure de phase (TPG_Phase).

Figure 3.37 : TPG brut calculé par l’ARV (TPGARV) ou à partir de la mesure

de phase (TPGPhase) lors de l’étalonnage d’une antenne Novatel 704

Les Figures 3.38 et 3.39 montrent que la mesures du TPG brut n’est pas bruité, aucun lissage ne sera donc nécessaire. Ce graphique illustre bien le fait que l’antenne réceptrice Novatel 702 a été conçue pour recevoir les fréquences GPS et GLONASS dans des bandes de fréquence centrées autour de 1,558 GHz et 1,236 GHz [81]. Pour ces valeurs, le signal est filtré puis amplifié ; la valeur du TPG devient alors plus élevée mais n’est pas parfaitement linéaire dans la bande de fréquence utile surtout autour de L1. Les méthodes de mesure du TPG calculé par l’ARV (TPGARV) ou par l’utilisateur (TPGPhase) fournissent des résultats du même ordre de grandeur.

Les Figures 3.38 et 3.39 présentent un zoom du TPG brut mesuré lors de l’étalonnage d’une antenne Novatel 702 (NovGTR) autour des fréquences GPS L1 et L2.

0 10 20 30 40 50 60 70 0,9 1,1 1,3 1,5 1,7 1,9 T P G b ru t /n s Fréquence /Ghz TPGARV TPGPhase

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Figure 3.38 : TPG brut calculé par l’ARV (TPGARV) ou à partir de la mesure de

phase (TPGPhase) d’une antenne Novatel 702 pour L1

Figure 3.39 : TPG brut calculé par l’ARV (TPGARV) ou à partir de la mesure de

phase (TPGPhase) d’une antenne Novatel 702 pour L2

En étudiant plus en détails le TPG brut calculé par l’ARV (TPG_ARV) ou par l’utilisateur (TPG_Phase), il apparaît que les résultats diffèrent. Le TPG calculé par l’opérateur montre plus de fluctuations même si les deux mesures ont la même allure. La mesure TPGARV

semble correspondre à un lissage de la mesure TPGPhase. Cette hypothèse est vérifiée par la courbe TPG_{Phase lissé} qui a exactement la même allure que la mesure calculée par l’ARV (TPG_ARV). Cettetroisième série de mesure correspond à un lissage d’1% (ici 7 points) de la mesure TPGPhase.

Le signal GPS a une largeur de 2 MHz pour le C/A et une largeur de 18 MHz pour le code P (Cf. Annexe A). Le TPG brut exhibant de fortes variations dans une telle largeur de bande, le retard interne des antennes sera calculé à partir de la moyenne du TPG dans une bande de 20 MHz pour le code P et de 2 MHz pour le code C/A. Pour le code P, la

35 40 45 50 55 60 65 70 1,54 1,56 1,58 1,6 1,62 1,64 T P G b ru t /n s Fréquence /Ghz TPGARV TPGPhase TPGPhase lissé L1 20 MHz 40 45 50 55 60 65 70 75 1,19 1,21 1,23 1,25 1,27 T P G b ru t /n s Fréquence /Ghz TPGARV TPGPhase TPGPhase lissé L2 20 MHz

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largeur de bande choisie correspond à la bande passante typique des récepteurs et des antennes. L’effet Doppler ne sera pas pris en compte car il est négligeable par rapport aux valeurs choisies (quelques dizaines de kHz).

Le TPG calculé par l’ARV est le lissage du TPG déterminé par l’utilisateur à partir de la mesure de phase (TPGPhase). La prise en compte des variations dans la bande passante nécessitant une moyenne, les résultats déterminés à partir des deux mesures seront équivalents. Cependant, pour la suite des études menées sur les antennes, le TPG utilisé sera celui calculé par l’utilisateur afin d’avoir l’assurance de ne pas perdre d’information.

o Puissance

Lorsqu'elles sont utilisées en conditions opérationnelles, les antennes GNSS reçoivent des signaux dont le niveau de puissance est voisin de -130 dBm. Or la puissance mise en jeu lors des étalonnages est très nettement supérieure. En effet, la source radiofréquence des analyseurs de réseau permet de générer des puissances pouvant aller de 0 dBm a -20 dBm. Il est donc primordial de déterminer si l'amplificateur des antennes fonctionne toujours en régime linéaire lorsque la puissance fournie est supérieure à la puissance d’utilisation nominale.

Un amplificateur électronique est un système permettant d’augmenter la tension du signal présent en entrée en tirant l’énergie nécessaire à l’amplification de l’alimentation du système. La linéarité d’un amplificateur correspond à sa capacité à garder constante la pente de la courbe donnant la tension de sortie en fonction de la tension d'entrée. La limitation de linéarité vient de l’alimentation de l’amplificateur qui ne peut dépasser la tension de sortie de celui-ci. Lorsque cela arrive, on parle de saturation de l’amplificateur.

Figure 3.40 : Comportement traditionnel d’un amplificateur

La méthode normalement utilisée pour caractériser le comportement d’un amplificateur est la mesure du test en deux porteuses également appelée rapport C/I (Carrier to

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Intermodulation Ratio). Elle permet d’évaluer la zone de linéarité d’un amplificateur et d’illustrer sa distorsion d’amplitude et de phase en faisant varier l’enveloppe du signal injecté à l’entrée [114].

Cette méthode nécessite de pouvoir avoir accès directement à l’amplificateur qui doit être étudié. Elle n’est donc pas applicable dans le cas d’amplificateurs contenus dans les antennes GNSS. Afin d’évaluer tout de même le comportement de ces composants, une étude a été réalisée avec une antenne Novatel 702 (Nov_HT) consistant à faire varier la puissance injectée au jeu d’antennes et de déterminer la linéarité de la puissance en sortie. La puissance fournie au jeu d'antennes est contrôlée à l'aide d'atténuateurs variables. Cette grandeur est ensuite mesurée par un puissancemètre Anritsu LM2438 après que le signal a traversé l'antenne réceptrice. L’antenne émissive Novatel 704 ne comportant pas d’amplificateur, cette technique permettra d’évaluer le comportement de l’antenne réceptrice en fonction de la puissance injectée.

Figure 3.41 : Mesure de la puissance après l'antenne réceptrice

Le puissancemètre donc nous disposons ne permet pas de mesurer des puissances inférieures à -70 dBm. Le Tableau 3.5 présente la puissance reçu par l’ARV en fonction de la puissance fournie à l’antenne réceptrice.

Tableau 3.5 : Puissance reçue après l’ARV en fonction de la puissance fournie lors de l’étalonnage d’une antenne Novatel 702

P IN [dBm] ^{P OUT[dBm]} L1 L2 -15 -6 -5 -25 -16 -15 -35 -26 -25 -45 -36 -35 -55 -46 -45 -65 -56 -55

Jusqu’au seuil de valeurs mesurables par le puissancemètre, le rapport des puissances fourni au jeu d’antennes et mesuré après l’antenne réceptrice est linéaire de 15 à

-Analyseur de réseau vectoriel Prop Antenne réceptrice TPGR_ant Antenne émissive TPGE_ant Puissancemètre P IN Atténuateurs variables ^P OUT

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65 dB. Le gain observé est d’environ 10 dBm. Le constructeur spécifie, pour ce type d’antenne, un gain de 13 dB pour L1 et 11 dB pour L2. La perte de signal due aux câbles et à la propagation dans l’air n’est donc que de quelques dB.

La Figure 3.42 présente la mesure du TPG d'une antenne Novatel 702 (NovHT) en fonction de la puissance fournie.

Figure 3.42 : TPGbrut en fonction de la puissance

fournie lors de l’étalonnage d’une antenne Novatel 702

Le TPG brut a un comportement linéaire dans une plage de puissance de -15 dBm à environ -65 dBm. A partir de -90 dBm, le plancher de bruit de l'ARV est atteint et les mesures sont trop bruitées pour pouvoir déterminer une valeur de TPG cohérente au-delà de cette valeur.

La puissance n'a pas d'influence sur la mesure de TPG pour des valeurs mesurables par l'ARV, c'est-à-dire de -15dBm à -65 dBm. Si l'amplificateur travaille en régime linéaire sur cette plage de puissance, il restera dans ce mode de fonctionnement pour des puissances inférieures qui sont des valeurs nominales d’utilisation de l’amplificateur. Il est donc possible de déterminer le retard des antennes GNSS avec des puissances supérieures à leurs conditions normales d’utilisation sans biaiser le résultat d’étalonnage.