Radiogoniométrie
Conception d'une antenne HB9CV
Dans le cadre des SAE (Situation d'Apprentissage et d'Évaluation), j'ai eu l'opportunité de concevoir une antenne HB9CV.
L'objectif était de capter des signaux uniquement dans une direction spécifique, afin d'utiliser cette antenne comme un outil de détection des balises (radiogoniométrie).
Table des matières
Résumé
1. Étude préliminaire : Cette étape consiste à comprendre les objectifs et les exigences du projet, ainsi que les contraintes techniques et budgétaires. Il est important de définir les fréquences de fonctionnement souhaitées, la directivité requise et d'évaluer les ressources disponibles.
2. Recherche et conception : La recherche sur les antennes HB9CV existantes et les principes de radiogoniométrie permettra de concevoir une antenne adaptée aux besoins du projet. La conception implique de choisir les dimensions et les matériaux appropriés, ainsi que d'effectuer des simulations pour évaluer les performances attendues.
3. Modélisation et simulation : À l'aide de logiciels de modélisation et de simulation, il est possible de vérifier les caractéristiques de l'antenne conçue. Des outils tels que des simulateurs d'antennes peuvent aider à optimiser les paramètres de l'antenne, tels que la longueur des éléments et les espacements, afin de maximiser la directivité et de minimiser les lobes secondaires indésirables.
4. Fabrication : Une fois la conception finalisée, il est temps de passer à la fabrication de l'antenne HB9CV. Les matériaux nécessaires sont rassemblés, et les éléments de l'antenne sont découpés, formés et assemblés conformément aux spécifications prévues. Un soin particulier doit être apporté à l'alignement précis des éléments pour assurer la directivité souhaitée.
5. Mesures et ajustements : Une fois l'antenne fabriquée, des mesures doivent être effectuées pour évaluer ses performances réelles. Des instruments de mesure tels que des analyseurs de réseaux ou des récepteurs de radiogoniométrie sont utilisés pour caractériser l'antenne. Des ajustements peuvent être nécessaires pour optimiser la directivité et minimiser les défauts éventuels.
6. Intégration et test du système : L'antenne HB9CV doit être intégrée dans le système global de radiogoniométrie. Cela implique de la connecter à des récepteurs, des amplificateurs et d'autres composants nécessaires à l'acquisition des signaux. Des tests sont effectués pour s'assurer que le système fonctionne correctement et répond aux objectifs de radiogoniométrie fixés.
7. Évaluation des performances : Une fois le système complet opérationnel, les performances de la radiogoniométrie sont évaluées. Cela peut impliquer des tests sur le terrain pour mesurer la précision de la détermination de la direction des signaux. Les résultats sont comparés aux attentes initiales et des ajustements supplémentaires peuvent être effectués si nécessaire.
8. Documentation et rapport final : À la fin du projet, il est essentiel de documenter toutes les étapes, les résultats et les conclusions. Un rapport final est rédigé, décrivant le processus de conception, la fabrication de l'antenne HB9CV, les mesures effectuées et les performances du système de radiogoniométrie. Cette documentation servira de référence pour de futures utilisations ou
A- Conception
Ci-dessous un résumer du cahier des charges au format schéma bloc :
Figure 1 : Schéma bloc du cahier des charges
Le cahier des charge nous impose donc que l'antenne soit capable d’identifier la direction d’une source émettrice à une fréquence de 144 MHz.
Pour cela nous avons donc choisit de concevoir une antenne HB9CV réputée pour sa directivité.
Pour le dimensionnement de l'antenne, nous avons choisi d'utiliser le logiciel HB9CV téléchargeable ci-dessous.
Nous avons obtenu les mesures suivantes :
Figure 2 : dimensions du logiciel HB9CV
.png)
Figure 3 : lobe de rayonnement logiciel HB9CV
Ce qui correspond au schéma suivant :
A = 95,7 cm (Directeur)
B = 104 cm (Réflecteur)
C = 26 cm (Longueur boom)
D = 2 cm (Espacement du gamma)
E = 2 cm (Espacement du gamma)
F = 14 cm (Gamma réflecteur)
G = 13 cm (Gamma directeur)
Autre méthode de calcul :
FAD (Fiche d'Aide à la Décision)
Après avoir réalisé des FAD sur la structure et les matériaux utilisés pour l'antenne nous avons choisit d'utiliser deux rubans mètres métalliques pour le Directeur et le Réflecteur ce qui nous permettra à l'antenne de reprendre ça forme en cas d'impact, ainsi qu'avec une barre en aluminium pour le Boom et un fil de cuivre pour le Gamma.
Vérification de la directivité de l'antenne
Pour vérifier que notre antenne dimensionnée est directive, nous utilisons le logiciel de simulation MMANA-GAL..
Il a donc fallu découper les dimensions de notre antenne en segment pour les rentrer dans une matrice ci-dessous :
Figure 4 : Matrice et correspondance des segments
Après avoir rentré les données de la matrice dans le logiciel et rentrer les paramètres d'épaisseur et de la fréquence nous avons pu obtenir l'impédance attendue de l'antenne et le ROS.
.png)
Figure 5 : Matrice sous MMANA-GAL
.png){kind=small}
Figure 6 : Impédance et ROS sous MMANA-GAL
Nous obtenons la modélisation suivante :
.png)
.png)
Figure 7 : Modélisation de l'antenne sous MMANA-GAL
Il nous est finalement possible de faire tracer numériquement le comportement de l’antenne sur un graphique de polarisation horizontale :
.png)
Figure 8 : Graphique polarisation horizontale de l'antenne.
On peut donc observer que notre antenne a bien un comportement directif (ici, en suivant l’axe Y de simulation) puisque le gain vers l’avant est nettement plus important que le gain sur les côtés ou vers l’arrière de cette dernière.
De plus, grâce aux données de simulation, nous pouvons prévoir que cette antenne aura un gain minimum de 5,8 dBi, ce qui permet de confirmer que nous serons en mesure de capter nos signaux sans trop de pertes.
Il nous a également été possible de visualiser une simulation en 3D du comportement de l'antenne pour mieux se rendre compte de son aspect directif, comme visible en figure ci-dessous.
.png)
Figure 9 : Graphique polarisation 3D de l'antenne.
Fabrication
Après cette phase de conception, nous avons donc découpé les rubans de mètre, poncer les tiges de métal et assembler chaque partie pour avoir notre antenne ci-dessous :
Figure 10 : Structure de l'antenne
Adaptation d'impédance
Il est indispensable d'effectuer une adaptation d'impédance afin de minimiser les pertes en puissance et les réflexions indésirables.
Nous souhaitons donc obtenir un coefficient de réflexion le plus proche possible de 0.
Nous avons donc utilisé un VNA (Vector Network Analyzer) pour visualiser le comportement de notre antenne aux hautes fréquences. Pour cela, il est indispensable de calibrer le VNA à l'aide d'un kit de calibrage Open, Short, Load.
Pour cela, nous allons dans le menu "CAL", puis "Cal kit", ce qui va nous permettre de sélectionner le kit de calibration que l’on utilise. On sélectionne alors le kit qui nous correspond, ici pour nous, SMD 50 ohm GEII.
On calibre alors le port 1, pour cela, nous retournons dans "CAL", puis "Calibrate" et enfin "1 port Cal".
Puis nous suivons le principe de calibration de base :
-
On branche en circuit ouvert → on lance la mesure (OPEN)
-
On branche en court-circuit → on lance la mesure (SHORT)
-
On branche avec une charge de 50 Ohm → on lance la mesure (LOAD)
-
On vérifie tout le temps sur l’abaque si on a bien le résultat attendu (tableau 1)
Le calibrage se fait à l’aide du kit ci-dessous :
Résistance 50 Ohms
Court circuit
Circuit Ouvert
Résistance
Quartz
Bobine
Condensateur CMS
Condensateur THD
Figure 11 : Platine de calibrage
OPEN
SHORT
LOAD
Résultats attendus
Nous devons obtenir un point tout à droite de l’abaque.
Nous devons obtenir un point tout à gauche de l’abaque.
Nous devons obtenir un point au centre de l’abaque, adaptation d’impédance.
Résultats obtenus
Z = ∞ Ω
z = ∞
Z = 0 Ω
z = 0
Z = 50 Ω
z = 1
Ici, dans les trois cas, la partie imaginaire est nulle. On le voit notamment avec les points qui sont tous les trois sur la ligne des réel pur (ligne des abscisses).
Les impédances réduites sont toutes égales à leur impédance ormi celle en charge qui est de 1 car l'impédance réduite est égale à l’impédance divisée par l’impédance du circuit. Ici, elles sont égales donc impédance réduite de 1.
Le calibrage se fait à l’aide d’un kit qui est différent de l'antenne que l’on va ensuite mesurer, donc pour avoir le bon calibrage au niveau de l'antenne, nous devons ajouter un “offset”, une extension des plans de références pour cela, nous allons dans le menu "CAL", puis "Port extension", "1 port Cal" et on met sur ON. On étend ensuite le plan de référence du bout du câble jusqu’à la future position de l'antenne.
Dans le menu "CAL", on va dans "Port extension", puis "1 port Cal" et nous rentrons la valeur de 107 mm.
Ensuite, après cette phase de calibration, j'ai pu m'occuper de la mesure de l'impédance de mon antenne. Pour ce faire, j'ai commencé par vérifier que cette dernière était bien en circuit ouvert (gamma déconnecté), puis je l'ai connecté au VNA avec le même câble que lors de l'adaptation d'impédance.
Cette mesure d'impédance me permettra de connaître quels composants je devrais ajouter ainsi que leurs valeurs afin d'obtenir finalement une adaptation d'impédance parfaite pour la fréquence de 144 MHz.
Dans notre cas, nous obtenons une impédance de 20.9+j107 Ω.
Figure 12 : Mesure impédance
L'objectif a donc été de déterminer quels composants devaient être ajoutés pour adapter ce circuit, mais aussi de connaître leurs valeurs numériques. Pour ce faire, nous nous sommes aidés principalement du logiciel de simulation gratuit Qucs Studio. Pour ce faire, nous lui avons renseigné l'ensemble des paramètres importants (impédance de l'antenne) et nous avons déterminé, à l'aide d'un abaque de Smith, quel était le meilleur "chemin" à suivre pour l'adaptation. Nous obtenons le schéma suivant sous Qucs Studio :
Figure 13 : Adaptation sous Qucs Studio
Cela nous a permis également de vérifier la fréquence de résonance du schéma équivalent de l'antenne :
Figure 14 : Fréquence résonance sous Qucs Studio
Nous avons besoin de normalisées la valeur de composant par rapport aux stocks disponibles. En prenant en compte les stocks des condensateurs disponibles à l'IUT et les spécifications de ces derniers, nous obtenons alors le résultat suivant :
.png)
Figure 15 : Adaptation normalisée sous Qucs Studio
GNU Radio
Dans un premier temps j'ai utilisé le bloc "RTL-SDR Source" pour la réception des données depuis ma clé RTL-SDR. Il suffit de renseigner les paramètres tel que la fréquence d'échantillonnage, la fréquence centrale qui sera appeler ici center_frequency initialisé à 144MHz ou encore le gain RF à 10 et gain filtre à 20.
Pour la fréquence d'échantillonnage de la clé RTL-SDR. D'après les spécifications, cette dernière peut monter jusqu'à 2 510 000 échantillons par secondes, mais cela est utile uniquement pour la réception de communications radios. Dans mon cas, j'ai préféré créer une variable, nommée "samp_rate" initialisée à 1000000 ce qui correspond à la multiplication de la fréquence d'échantillonnage du VCO par une constante (ici 5).
Puis, en suivant, j'ai connecté ce premier bloc à un "QT GUI Waterfall Sink". Ce bloc me permet d'afficher, dans une fenêtre dédiée, le spectre complet sur une bande de fréquence fixe et de laisser une trace temporelle de l'évolution de ce dernier via un jeu de couleurs.
Le filtre passe bas quand à lui nettoie le signal reçu.
Afin d'avoir une aide sonore, j'ai décidé d'ajouter un VCO suivit d'un "Audio Sink". Le premier bloc me permet de convertir linéairement l'amplitude du signal reçu en une fréquence spécifique. Ainsi, plus l'amplitude et faible (balise loin) plus la fréquence du signal sonore sera faible (grave). Au contraire, plus la balise sera proche, plus le gain capté par l'antenne sera important et le VCO me fournira une fréquence sonore élevée (aiguë).
_edited.png)
Figure 16 : Schéma bloc GNU Radio
Nous avons au final l'interface ci-dessous, plus nous nous approchons de la balise plus le trait est rouge vif jusqu'à saturer. Le gros avantage et que nous avons également le signal sonore qui nous indique sur la direction de la balise.
Les autres rais sont d'autres balises émettant à 100 Hz d'écart.
.png)
Figure 17 : Interface GNU Radio
Journée "chasse au renard"
Il nous à finalement était possible de tester la fiabilité de nos antennes lors d'une journée entière consacrée à la chasse de balise (talkie-walkie émettant sur la fréquence 144 MHz).
Notre antenne nous a permis de localiser chaque balise. En voici quelques exemples :
Balise n°4
Balise n°1
Balise n°5
Conclusion et Problèmes rencontrés
La phase de vérification a pu démontrer la conformité de l'entière des exigences du cahier des charges.
Nous avons pu également le tester en condition réelle lors de la journée "chasse au renard".
Lors de la réalisation de ce projet, j'ai pu utiliser les compétences de conception, fabrication, vérification, maintenance et d'électronique acquise en cours et les compléter d'une expérience personnelle.
Ce projet m'a permis de mieux appréhender chaque compétence.
Je me suis épanouie dans la réalisation de ce projet et ai pris plaisir à aller dans chacune des heures dédiées à ce dernier.
Je tiens à remercier les enseignants :
M. Hemour
M. Théolier
M. Frini
qui ont encadré et permis la réalisation de ce projet.
Planning de développement du projet
