Caractérisation d'antennes par thermographie infrarouge

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Submitted on 9 Dec 2020

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Caractérisation d’antennes par thermographie infrarouge

Daniel Prost, François Issac, Daniel Belot, Vincent Laquerbe, Maxime Romier

To cite this version:

Daniel Prost, François Issac, Daniel Belot, Vincent Laquerbe, Maxime Romier. Caractérisation

d’antennes par thermographie infrarouge. 16ème journée de Caractérisation Microondes et Matériaux,

Nov 2020, Toulouse (en ligne), France. �hal-03048880�

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16èmes Journées de Caractérisation Microondes et Matériaux, Toulouse, 30 mars – 1^er avril 2020

Caractérisation d’antennes par thermographie infrarouge

D. Prost

¹

, F. Issac

¹

, D. Belot

²

, V. Laquerbe

²

M. Romier

^2,i

1

ONERA/DEMR, Université de Toulouse, F-31055 Toulouse, France

2

CNES, Centre National d’Etudes Spatiales, Toulouse, France daniel.prost@onera.fr

Résumé  La méthode EMIR (ElectroMagnetic InfraRed), créée et développée à l’ONERA, permet une visualisation quasi instantanée du rayonnement d’une source micro-onde sur une surface éventuellement importante (jusqu’au m² par exemple).

C’est un moyen rapide pour le diagnostic d’une antenne (y compris dans le cas d’un réseau multi-sources). Nous présentons ici des mesures sur une source en bande Ka

ⁱⁱ

utilisée pour des applications spatiales.

I. INTRODUCTION

Le principe de la méthode EMIR est d’utiliser un film mince faiblement conducteur dans lequel le champ électrique E rayonné, ici par la source antennaire, induit des courants qui par effet Joule provoquent un léger échauffement du film (quelques dizaines de mK à quelques K). Cet échauffement est mesuré par une caméra infrarouge placée à proximité du film. Une modulation du signal associée à une démodulation synchrone des images permet d’éliminer les phénomènes thermiques continus (échauffement global du film) et parasites (convection, conduction) ; ainsi, seul l’échauffement directement lié au champ (c’est-à-dire modulé) est mesuré ; il est proportionnel au carré de l’amplitude de E [1]. La Fig. 1 résume le principe de ce mode de mesure.

Fig. 1. Principe de la méthode EMIR

II. CARACTERISATION D’UNE ANTENNE Nous proposons ici l’analyse d’une source en bande Ka (19,3 à 30,2 GHz). Il s’agit d’un cornet conique illustré par la Fig. 2.

iPrésente affiliation : ANYWAVES ; Maxime.Romier@anywaves.eu iiNous remercions THALES ALENIA SPACE pour le prêt de la source

Fig. 2. Source en bande Ka développée par TAS A. Montage expérimental

L’utilisation d’un film tendu dans la zone de champ lointain de l’antenne permet par exemple d’obtenir une partie de son diagramme de rayonnement. Le film mince absorbe une faible fraction de l’énergie rayonnée, fraction qui dépend de l’impédance de surface Z

s

du film utilisé.

Nous utilisons ici un polyimide chargé carbone (Kapton) d’épaisseur 50 µ m qui possède un Z

s

de l’ordre de 2000 Ω, limitant à environ 15% l’absorption, et nous permettant de considérer le capteur comme non intrusif : la structure du champ émis par la source n’est pas, en première approximation, perturbée par le capteur (ce point a été vérifié dans d’autres configurations par des simulations numériques avec et sans film [3]).

A 20 GHz, nous avons une limite champ proche / champ lointain à 2D²/λ = 58 cm (l’ouverture D est de 66 mm). Nous nous plaçons très légèrement au-delà, soit à 60 cm, afin que le film couvre une étendue angulaire la plus élevée possible.

Augmenter cette distance ne poserait cependant pas de difficulté (il faudrait alors déployer un film de taille supérieure ou se limiter à une ouverture angulaire réduite).

Dans ces conditions de mesure (source à 60 cm du film donc, Fig. 3), nous obtenons un échauffement du film donné par la Fig. 4, qui révèle la tache de rayonnement correspondant au lobe principal, focalisée dans la région centrale du film. Précisons que cet enregistrement correspond à un temps de mesure de 30 secondes (lié à la démodulation synchrone).

Ka sur laquelle toutes les mesures présentées ont été effectuées.

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Fig. 3. Film (et source) pour mesure en champ lointain (d > 2D²/λ)

Fig. 4. Echauffement ∆T mesuré à 0,6 m (puissance injectée = 20 W) Le profil de cet échauffement peut être tracé par exemple le long de l’axe (vert) représenté sur la Fig. 4, et nous obtenons Fig. 5:

Fig. 5. Profil ∆T(x) de long de l’axe (vert) de la Fig.4

A partir de ce profil nous pouvons obtenir le diagramme de rayonnement, qui est donc obtenu ici en une seule mesure, sur toute la surface du film (par opposition à des mesures locales successives).

B. Transformation plan / sphère et tracé du diagramme Pour obtenir à partir du profil précédent le diagramme de rayonnement nous devons cependant apporter une correction d’angle et de projection à la densité de puissance mesurée.

En effet, contrairement à la mesure point à point, la distance d entre la source et les différents points du film n’est pas constante, mais varie avec les angles θ et ψ, définis par la Fig. 6, selon la relation (r étant la distance spéculaire entre source et plan):

d(θ,ψ) = r/[cos(θ).cos(ψ)] (1)

Fig. 6. Champ dans le plan du film : projections associées aux composantes

De plus seule la composante du champ électrique tangente au film est responsable d’un échauffement. En exprimant les composantes du champ dans la base sphérique centrée sur la source, nous pouvons calculer sa projection sur le plan du film et ainsi la composante réellement responsable d’un échauffement. Cette projection fait apparaître (après élévation au carré puisque nous mesurons une densité de puissance) un terme [sin²( θ )sin²( ψ )+cos²( θ )+cos²( ψ )], dans le cas d’une polarisation circulaire où les deux composantes sont de même amplitude.

Nous obtenons finalement le diagramme de rayonnement B(θ,ψ) à partir de l’échauffement ∆T(θ,ψ) en tout point du film par :

B(θ,ψ)=∆T(θ,ψ) / [sin²(θ)sin²(ψ)+cos²(θ)+cos²(ψ)] /

[cos²(θ) cos²(ψ)] (2)

Le premier dénominateur correspond donc à la projection du champ dans le plan du film, le second à la variation de distance à la source selon la position sur le film.

En appliquant cette correction à nos mesures nous obtenons le diagramme Fig. 7 pour les valeurs mesurées de B, qui est donc normalisée et équivalente à une puissance en dB.

Les points correspondent aux mesures, la courbe à une

interpolation (par la méthode des moindres carrés) :

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Fig. 7. Diagramme de rayonnement (points mesurés et interpolation) obtenu à partir de l’équation (2)

Pour cette source nous disposons de mesures RF traditionnelles que nous pouvons confronter à nos mesures.

Ainsi par exemple autour de 20,1 GHz, la Fig. 8 montre un bon accord notamment sur l’amplitude relative et la localisation angulaire des lobes secondaires, même s’ils sont moins marqués qu’en mesure RF. Ce dernier point peut s’expliquer par le fait que la mesure thermique implique une certaine diffusion, et qu’elle est intégrée sur quelques pixels, ce qui lui confère donc une résolution angulaire inférieure.

Fig. 8. Diagramme de rayonnement mesuré en RF (20,08 GHz) et par EMIR (20,1 GHz)

Il est bien sûr possible d’utiliser l’ensemble des points du film (la formule (2) le permet), et tracer le diagramme en 3 dimensions (bien qu’ici cela n’apporte pas grand-chose puisque la source est à symétrie sphérique) :

Fig. 9. Diagramme de rayonnement 3D

C. Dépendance en fréquence

Des mesures à différentes fréquences entre 19 à 21 GHz confirment la diminution attendue de l’ouverture à -3dB, qui passe de 16,5 à 13° sur cette plage :

Fig. 10. Diagrammes à 19 (haut) et à 21 GHz (bas)

Les diagrammes de rayonnement ont été mesurés tous les 100 MHz sur cette plage ce qui permet de tracer l’ouverture -3dB en fonction de la fréquence (Fig. 11 et 12) :

-40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40

(deg) -30

-25 -20 -15 -10 -5

0 P(dB), f = 20,5 GHz, r = 60 cm

Ouv3dB=13.282

-30 -20 -10 0 10 20 30

(deg) -30

-25 -20 -15 -10 -5

0 P(dB) : TAS28_3 (r=60 cm) - f=19.00 GHz

Ouv3dB=15.970

-30 -20 -10 0 10 20 30

(deg) -30

-25 -20 -15 -10 -5

0 P(dB) : TAS28_20 (r=60 cm) - f=21.00 GHz

Ouv3dB=12.971

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Fig. 11. Evolution de l’ouverture avec la fréquence

Une autre représentation, proposée Fig. 12, montre à la fois la diminution de l’ouverture (entre le haut de la figure qui correspond à 19 GHz et le bas qui correspond à 21 GHz) et l’apparition des lobes secondaires (en jaune), plus marqués aux fréquences les plus hautes :

Fig. 12. Diagrammes cumulés de 19 à 21 GHz ; valeurs données par les couleurs

III. CONCLUSION

La méthode EMIR permet d’obtenir en quelques secondes une portion du diagramme de rayonnement, dans les 3 dimensions. En effet l’absence de déplacement de tout capteur permet une mesure globale du diagramme en un seul enregistrement. C’est donc un moyen rapide de valider le bon fonctionnement d’une antenne, qui pourrait en particulier s’avérer utile pour des applications télécom contenant une multitude de sources dont les mesures successives par les méthodes traditionnelles nécessiteraient des temps beaucoup plus importants.

Par ailleurs, au-delà de ces mesures en champ lointain, nous réalisons également des mesures en champ proche.

Certaines ont déjà été présentées et se limitaient à la mesure de l’amplitude du champ, par exemple rayonné par différents types de sources antennaires [2, 3] ou bien par des structures à bases de métamatériaux [4, 5].

La prochaine étape sera de proposer des mesures utilisant notamment des films anisotropes, qui permettent d’obtenir la direction du champ, voire le taux d’ellipticité dans le cas d’une polarisation circulaire imparfaite.

REFERENCES

[1] D.L. Balageas, P. Levesque, and A. Déom, "Characterization of electromagnetic fields using lock-in IR thermography", Thermosense XV, SPIE vol. 1933, pp. 274-285, 1993.

[2] D. Prost, F. Issac, M. Romier, "Imaging electric and magnetic near field of radiating structures by infrared thermography", Proc. of the 2019 International Symposium on Electromagnetic Compatibility, Barcelona, Spain, 2019.

[3] D. Prost, F. Issac, M. Romier, D. Belot, "EMIR Field Imaging for Diagnosis and Characterization of Space Antennas", 38th ESA Antenna Workshop, ESTEC Noordwijk 2017.

[4] D. Prost, F. Issac, C. Martel, N. Capet, J. Sokoloff, O. Pascal, "Electric field imaging of a high impedance surface for GNSS array decoupling application", Eur.Phys. J. Appl. Phys. 72:11001, 2015.

[5] T. Crépin, F. Issac, D. Prost, and S. Bolioli, "Microwave Electric Field Imaging of Metamaterials Using Thermoemissive Film", IEEE Ant.

and Prop. Mag., 56, n°3, 2014.

Ouv-3dB (°)

θ (deg)

f (GHz)

Diagrammes pour différentes fréquences, à partir des splines (40 points) - TAS26_

-30 -20 -10 0 10 20 30

19 19.2 19.4 19.6 19.8 20 20.2 20.4 20.6 20.8

21 -40

-35 -30 -25 -20 -15 -10 -5 0