Propagation des ondes

Afin de dimensionner au mieux la partie front-end d’un simulateur de cible et de définir les

spécifications requises, il est indispensable de prendre en compte les phénomènes liés à la

propagation des ondes électromagnétiques dans les systèmes guidés (lignes de transmission,

guides d’onde, câble coaxial, etc…), mais aussi en espace libre. Lors de la propagation des ondes

EM dans l’atmosphère, la couche atmosphérique va apporter une contribution variable (pertes)

selon la fréquence. Il est donc indispensable de réaliser un bilan de liaison avant de dimensionner

les éléments d’émission et de réception ainsi que les paramètres internes au RTS.

2.6.3.1 Atténuation en espace libre (AEL)

Une onde électromagnétique va subir un affaiblissement lors de sa propagation, même dans un

milieu sans pertes. La propagation va dépendre de plusieurs paramètres : la fréquence (longueur

d’onde), la zone géographique ainsi que la distance émission-réception. Les pertes vont alors être

dues à la fréquence de travail, aux obstacles rencontrés (on observe alors des phénomènes de

diffusion, réfraction, réflexion, diffraction) lorsque les antennes d’émission et de réception sont

alignées face à face. En basse-fréquence (quelques MHz), les pertes imputées aux conditions

météorologiques (pluie par exemple) sont réduites. A ces fréquences, les obstacles sont plus petits

que la longueur d’onde. La diffraction domine et rend alors possible les communications au-delà

de la ligne d’horizon. Pour des fréquences plus hautes, de l’ordre de quelques GHz, la diffraction

aura un rôle mineur. Enfin, pour des fréquences supérieures à 20 GHz, on va voir apparaître des

phénomènes d’absorption liés aux molécules présentes dans l’atmosphère. En effet, des

phénomènes de résonance moléculaire vont apparaître. Les molécules concernées sont les

molécules H

2

O et O

2

. On trouve alors des fenêtres de transmissions (30, 94, 140 et 220 GHz)

adaptées à des applications longues portées, ainsi que des pics d’absorptions (24, 60, 120, 190

GHz) où les applications courtes portées (les radars automobiles par exemple) seront privilégiées.

La Figure 2-14 illustre les phénomènes d’absorption liés à la propagation des ondes dans

l’atmosphère [37] [38]. On y retrouve les pics d’absorption liés aux molécules H

2

O et O

2

.

Figure 2-14 : Absorption atmosphérique des ondes électromagnétiques

En ne considérant que le trajet direct (sans prendre en compte les pertes liées aux trajets multiples

et aux réflexions), dans un cas idéal, il est possible de déterminer l’affaiblissement en espace libre

en fonction de la fréquence et de la distance séparant l’émetteur du récepteur :

10 log ⁴ (4)

Avec α

dB

ou AEL les pertes en espace libre exprimées en dB, d la distance séparant les deux

antennes et λ la longueur d’onde.

Le Tableau 17 détaille les valeurs d’atténuation à 77 GHz en fonction de la distance. La distance

radar-RTS dans le banc de test pourra être amenée à être modifiée entre 1 et 2 m suivant les tests

à réaliser en fonction des radars utilisés et des scénarios choisis. A cette fréquence, les pertes en

espace libre seront supérieures à 70 dB.

Tableau 17 : Atténuation en espace libre à 77 GHz

Distance (m) AEL (dB)

1 70,17

10 90,17

20 96,19

50 104,15

100 110,17

200 116,19

500 124,15

1000 130,17

2.6.3.2 Puissance Isotrope Rayonnée Equivalente (PIRE)

La PIRE d’un objet rayonnant représente dans une direction quelconque, la puissance qu’il

faudrait appliquer à une antenne isotrope mise à la place de cet objet, pour avoir le même niveau

Simulateur de cible radar Thèse de Doctorat 

pour le calcul de la puissance. Elle ne se limite pas seulement à l’émetteur. Elle est fonction de la

puissance d’émission du radar, du gain de l’antenne ainsi que des pertes en ligne liées à la chaîne

d’émission. La valeur de la PIRE est nécessaire au calcul du bilan de liaison. Dans le cadre des

radars automobiles longues distances, une contrainte est d’atteindre des portées de l’ordre de 250

m. Cela va obliger l’émetteur à générer une onde électromagnétique avec une PIRE plus

importante sans pour autant dépasser le seuil légal. Le récepteur devra quant à lui avoir une

sensibilité plus élevée. La PIRE du radar peut être définie via l’équation (5).

(5)

Avec Pe la puissance d’émission du radar (W) et Ge le gain de l’antenne d’émission du radar.

2.6.3.3 Facteur de bruit et rapport signal sur bruit

Le facteur de bruit va permettre de définir la qualité d’un système en fonction du bruit généré

[40]. Il va quantifier la dégradation du rapport signal à bruit dans la chaîne de transmission. Il est

défini comme le ratio F du rapport signal sur bruit à la sortie SNR

OUT

par rapport à celui de l’entrée

SNR

IN

. Le facteur de bruit est donné par la formule suivante :

(6)

10 log (7)

Il est important de noter que les éléments passifs ont un facteur de bruit égal à leurs pertes

d’insertion.

Si plusieurs quadripôles sont cascadés, la formule de FRIIS ramène le facteur de bruit total de la

chaîne.

1 1 1

⋯ ¹

… ⁽⁸⁾

Où le facteur de bruit du n

ième

élément est représenté par Fn et le gain du n

ième

élément disponible

par Gn. Grâce à l’équation 8, on constate que c’est le facteur de bruit du premier élément de la

chaîne qui va contribuer majoritairement au facteur de bruit total de la chaîne, à condition qu’il

possède un gain disponible suffisamment grand pour masquer le bruit des quadripôles suivants.

Il est alors indispensable d’utiliser un amplificateur faible bruit grand gain (LNA : Low Noise

Amplifier) les signaux pouvant être de l’ordre de -100 dBm [41]. On assimile son rôle à celui

d’un préamplificateur. La Figure 2-15 illustre le placement de l’amplificateur faible bruit ainsi

que celui de l’amplificateur de puissance (PA : Power Amplifier) dans une chaîne

d’émission/réception de type mono-statique.

Figure 2-15 : Amplification d'une chaîne d'émission/réception

2.6.3.4 Bilan de liaison

Le bilan de liaison va nous permettre de déterminer par le calcul la qualité de la chaîne

radar – RTS. Nous allons pouvoir identifier les puissances ainsi que les rapports du signal à bruit

mis en jeu. Dans le but d’effectuer un exemple de bilan de liaison, on émet les hypothèses

suivantes (confidentialité entreprise):

- PIRE du radar : 20 dBm

- Pertes en espace libre : -70 dB

- Gain du RTS : 0 dBm

- Gain antennes Rx/Tx du RTS : 24 dBm

Les pertes en espace libre sont ici calculées pour une distance radar – RTS de 1 m. Un exemple

de bilan de liaison entre un radar et un RTS est illustré Figure 2-16.

Figure 2-16: Bilan de liaison

Dans le document Radar automobile, simulateur de cible, ligne à retard, système de test, large bande, reconfigurable, SER (Page 62-65)