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CETSIS Clermont-Ferrand, 29-30 octobre 20011 "ECAMO" ET "CREMO" : DEUX INTERFACES GRAPHIQUES POUR COMPRENDRE PAR L'EXPERIMENTATION LE RAYONNEMENT ET LA.

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2 CETSIS Clermont-Ferrand, octobre "ECAMO" ET "CREMO" : DEUX INTERFACES GRAPHIQUES POUR COMPRENDRE PAR L'EXPERIMENTATION LE RAYONNEMENT ET LA PROPAGATION DES ONDES ELECTROMAGNETIQUES DANS LE DOMAINE MICRO-ONDE ENSEIGNEMENT EEA F. SAGNARD, C. VIGNAT, S. CORRAL, V. MONCOURTOIS Université de Marne-La-Vallée Laboratoire Systèmes de Communication Equipe Hyperfréquences et Propagation

3 CETSIS Clermont-Ferrand, octobre Intérêts du développement des interfaces ECAMO et CREMO ECAMO Etude et Caractérisation d'Antennes dans le domaine Micro-Onde CREMO étude des Coefficients de Réflexion par la méthode de Fresnel et par l'Ellipsométrie dans le domaine Micro-Onde Ô ETUDE DES ASPECTS EXPERIMENTAUX : choix de conditions expérimentales, alignement des divers éléments, caractérisation des appareils de mesure, dimensions des antennes, polarisation des antennes, fréquence de travail, choix de la source et du détecteur... Ô ETUDE ET COMPAISON DE DIFFERENTS MODELES : analyse des phénomènes physiques impliqués, étude paramétrique des modèles retenus, comparaison éventuelle entre divers modèles Ô ANALYSE ET INTERPRETATION DES RESULTATS EXPERIMENTAUX : hypothèses expérimentales et de modélisation initiales, comparaison des résultats expérimentaux et de modélisation, justification des écarts éventuels Ô UTILISATION D'INTERFACES GRAPHIQUES outils logiciels interactifs, affichages graphiques, choix d'un grand nombre de paramètres, flexibilité en terme d'évolution en fonction des besoins de l'enseignement

4 CETSIS Clermont-Ferrand, octobre Plan de la présentation Introduction - Définition des objectifs 1. Présentation de l'interface ECAMO et son banc de mesure 2. Présentation de l'interface CREMO et son banc de mesure 2.a La méthode de Fresnel 2.b La méthode ellipsométrique Conclusion - Perspectives

5 CETSIS Clermont-Ferrand, octobre Le montage expérimental d'ECAMO –Principe : mesure de la puissance transmise en fonction de l'angle de rotation de l'antenne de réception antenne réceptrice générateur hyperfréquence antenne émettrice table tournante Carte d'interface pour PC

6 CETSIS Clermont-Ferrand, octobre L'interface graphique d'ECAMO Définition des paramètres et du type d'étude Affichage des graphes : - 3D - Plan E ou H Informations et résultats

7 CETSIS Clermont-Ferrand, octobre Les différents traitements de l'interface ECAMO Mode "prévisualisation" Fin mesures théorie source des données polaire linéaire type de représentation graphique Mode "visualisation 3D" amplitude intensité résultats représentés Fin Mode "étude de diagrammes de rayonnement" Fin choix du plan d'étude : E ou H affichage comparatif des diagrammes de rayonnement mesurés et calculés étude détaillée étude des diagrammes : - mesuré seul - calculé seul oui non graphique : - linéaire - polaire fréquence micro-onde choix des paramètres type d'antenne : - filaire - cornet - imprimée

8 CETSIS Clermont-Ferrand, octobre Caractéristiques et Atouts de l'interface ECAMO ÔDivers menus proposés pour conduire des études de diagrammes de rayonnement d'antennes ÔValable pour des diagrammes de rayonnement modélisés de façon analytique ÔApplication en enseignement de 2 nd et 3 ème cycle et éventuellement en recherche ÔUne base de données pour les divers types d'antennes existantes ; possibilité de comparer des antennes distinctes par leurs paramètres ÔUne interface conviviale, aisément portable sur un PC et possédant des graphes insérables dans un traitement de texte ÔUne programmation modulaire globale : –facilité d'évolution de l'interface –l'insertion d'un nouveau type d'antenne est effectuée par l'écriture de 2 fonctions "antenne3D" (3 dimensions) et "antenne" (plans E et H)

9 CETSIS Clermont-Ferrand, octobre La structure modulaire de l'interface ECAMO Mode "prévisualisation"Mode "visualisation 3D" Mode "étude de diagrammes de rayonnement" 1 fonction par type d'antenne [Etotal,thetar,phir]=dipole3D(f,L); [Etotal_db,phir,thetar,s11,s22,f1,f2,Etotal]= cornet3D(b1,a1,b,a,pe,f); [Etotal,phir,thetar,s11,s22,f1,f2,Ephin]= patch3D(f,epsr,h); 1 fonction par type d'affichage [hpol,increment]= previsu_mes(f,L,typ_antenne,typ_repres); [hpol, increment]= previsu_th(f,L,typ_antenne,typ_repres); 1 fonction par type d'antenne pour extraire les diagrammes de rayonnement calculé et mesuré [calc,mes,thetar,angmr,str_L,tem_plan]=dipole(f,L); [calc,mes,thetar,angmr,temp_plan,choix_plan]=cornet(f); [calc,mes,thetar,angmr,temp_plan,choix_plan]=patch_rect(f); Assemblage des données pour la superposition graphique des résultats en linéaire ou polaire Etude détaillée en polaire ou linéaire theta3mes=select_mes; theta3th=select_th; select_mes_th; affich_mes; affich_th; affich_mes_th;

10 CETSIS Clermont-Ferrand, octobre ECAMO en mode "prévisualisation"

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12 CETSIS Clermont-Ferrand, octobre ECAMO en mode "visualisation 3D"

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14 CETSIS Clermont-Ferrand, octobre ECAMO en mode "étude de diagrammes de rayonnement"

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16 CETSIS Clermont-Ferrand, octobre Le montage expérimental de CREMO P = /4 antenne émettrice antenne réceptrice A analyseur scalaire source hyperfréquence mur sous test R=1 m 1ère zone de Fresnel - Méthode de Fresnel : mesure des coefficients de réflexion en fonction de l'angle d'incidence i - Méthode EMO : mesure de la puissance réfléchie en fonction de l'angle de rotation A de l'antenne réceptrice ( i fixé) rotation P n i rotation A (F = 10 GHz) Hypothèses : - Onde incidente localement plane - Mur plan - Antennes suffisamment directives 2 m 1 m

17 CETSIS Clermont-Ferrand, octobre Photo de CREMO en configuration réflexion antenne de réception antenne d'émission bolomètre générateur HF panneau de PVC suspendu bras tournants

18 CETSIS Clermont-Ferrand, octobre Tête émission et tête réception du banc CREMO Tête émissionTête réception

19 CETSIS Clermont-Ferrand, octobre L'interface graphique de CREMO Définition des paramètres et du type d'étude Informations et résultats Affichage des graphes : - Fresnel ou Ellipsométrie - par étape

20 CETSIS Clermont-Ferrand, octobre Les différents traitements de l'interface CREMO Approche par FresnelApproche par l'ellipsométrie recherche de la courbe théorique la plus proche des points de mesure parallélogramme d'incertitude au voisinage de la 1ère estimée de r prévisualisation étude complète par étapes fit initial des courbes expérimentales type d'étude traitement des données expérimentales abaque(s) pour une 1ère estimation de r estimation finale de r Fin fit initial des courbes expérimentales Fin parallélogramme d'incertitude au voisinage de la 1ère estimée de r type d'étude prévisualisation fit initial des courbes expérimentales Fin étude complète par étapes fit initial des courbes expérimentales abaque(s) pour une 1ère estimation de r recherche de la courbe théorique la plus proche des points de mesure estimation finale de r Fin traitement des données expérimentales

21 CETSIS Clermont-Ferrand, octobre a Le modèle de Fresnel pour un matériau monocouche Hypothèses : - Onde plane - Matériau plan homogène monocouche : longueur donde dans le vide : permittivité complexe relative Champ électrique réfléchi : Polarisation parallèle (r p ) EiEi HiHi EiEi HiHi i kiki EtEt HtHt t Polarisation perpendiculaire (r s ) EiEi HiHi HiHi EiEi kiki HtHt EtEt t i

22 CETSIS Clermont-Ferrand, octobre a Procédure de traitement des données expérimentales dans le cas de la méthode de Fresnel permittivité réelle (1) Relevé à partir des mesures de ( B |r p | 2 /|r s | 2 ) (2) 1 ère estimation de r à partir des mesures de ( B |r p | 2 /|r s | 2 ) permittivité réelle permittivité imaginaire |r p | 2 coefficients de réflexion angle d'incidence i [degrés] |r s | 2 |r p | 2 /|r s | 2 |r p | 2 /|r s | 2 (dB) B (5) Incertitudes sur r ' et r " permittivité réelle permittivité imaginaire (3) 2 nde estimation de r par moindres carrés à partir de |r p | 2 /|r s | 2 coefficients de réflexion angle d'incidence i [degrés] |r p | 2 /|r s | 2 mesuré |r p | 2 /|r s | 2 calculé coefficients de réflexion angle d'incidence i [degrés] |r s | 2 calculé |r p | 2 calculé (4) 3 ème estimation de r par moindres carrés à partir de |r p | 2 et |r s | 2

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24 CETSIS Clermont-Ferrand, octobre Intensité réfléchie I d fonction de l'angle A A [degrés] intensité détectée I d 2.b Principes de lEllipsométrie Micro-Onde par Réflexion a b Principe fondamental : Variation de l'état de polarisation d'un champ électrique linéairement polarisé suite à sa réflexion à la surface d'un matériau pour une incidence oblique I max I min Hypotheses : - angle d'incidence ( i ) fixé - angle (P) de l'antenne d'émission fixé : - rotation de l'angle (A) de l'antenne de réception autour de son axe horizontal ; L'intensité du champ réfléchi fonction de l'angle (A) présente une allure sinusoïdale: X Y O 2a 1 2 Caractéristiques de l'ellipse de polarisation paramètres :, (b/a) paramètres :, (I min /I max )

25 CETSIS Clermont-Ferrand, octobre b Procédure de détermination de r 2 paramètres : (, ) Extraction des paramètres de l'ellipse (, ) tel que : position angulaire du 1 er maximum de I d 2 paramètres :, (I min /I max ) Intensité mesurée I d fonction de l'angle A 2 paramètres : ( r, r ) Permittivité complexe relative 2 Relations fondamentales de l'ellipsométrie : 2 paramètres ellipsométriques avec : Fresnel :

26 CETSIS Clermont-Ferrand, octobre b Procédure de traitement des données expérimentales en ellipsométrie par réflexion (35°< i <50°) - 2 abaques permittivité imaginaire permittivité réelle ( 6) Fit des mesures par les moindres carrés et obtention du r optimal angle A [degrés] intensité détectée I d (1) Estimation de r à partir des mesures de ( I max ) permittivité imaginaire permittivité réelle angle A [degrés] (2) Extraction de, I max et I min intensité détectée I d I max permittivité imaginaire permittivité réelle (3) Nouvelle estimation de r à partir de et permittivité imaginaire permittivité réelle (I min /I max ) r estimé

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28 CETSIS Clermont-Ferrand, octobre b Procédure de traitement des données expérimentales en ellipsométrie par réflexion - 1 abaque ( 4) Echantillonnage du parallélogramme d'incertitudes permittivité imaginaire permittivité réelle ( 5) Fit des mesures par les moindres carrés et obtention du r optimal angle A [degrés] intensité détectée I d (3) Incertitudes sur r ' et r " permittivité imaginaire permittivité réelle (2) Première estimation de r à partir de et permittivité imaginaire permittivité réelle (I min /I max ) r estimé (1) Extraction de, I max et I min intensité détectée I d angle A [degrés]

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30 CETSIS Clermont-Ferrand, octobre c Conditions expérimentales pour la bande X Echantillons plan supposés homogénéisables : - PVC : épaisseur 10 et 15 mm - bois aggloméré : épaisseur 10 et 16 mm Antennes hyperfréquences : cornets pyramidaux, bande X (8,5-12 GHz) 2 configurations : méthode de Fresnel : R=1 m, F=10 GHz ellipsométrie : R=0,6 m, F=8,5 GHz calculé figure 1 : diagrammes de rayonnement mesuré et calculé mesuré figure 2 : géométrie des antennes cornet a'=5 cm b'=7,4 cm 20 cm 3dB = 27,4° à 10 GHz 3dB = 32,2° à 8,5 GHz

31 CETSIS Clermont-Ferrand, octobre =3,2 cm à F=8,5 GHz 2.c Echantillons de matériaux monocouche bois aggloméré PVC 16 mm panneau de bois aggloméré 10 mm panneau de bois aggloméré 15 mm panneau de PVC 10 mm panneau de PVC

32 CETSIS Clermont-Ferrand, octobre c Résultats d'estimation de r - Méthode de Fresnel - deux panneaux de bois aggloméré d'épaisseur finie permittivité imaginaire permittivité réelle angle d'incidence i [degrés] |r p | 2 et |r s | 2 |r p | 2 |r s | 2 épaisseur=10 mm F=10 GHz, R=1 m parallélogramme d'incertitudes épaisseur=16 mm F=10 GHz, R=1 m angle d'incidence i [degrés] |r p | 2 et |r s | 2 permittivité imaginaire permittivité réelle parallélogramme d'incertitudes |r p | 2 |r s | 2

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34 CETSIS Clermont-Ferrand, octobre c Exploitation des courbes expérimentales - Ellipsométrie MO en réflexion - 2 panneaux de bois aggloméré d'épaisseur finie i=35°, r = j LOS= dBm Pe=10 dBm i=40°, r = j LOS= dBm Pe=10 dBm i=45°, r = j LOS= dBm Pe=10 dBm i=50°, r = j LOS= dBm Pe=10 dBm i=55°, r = j LOS= -20 dBm Pe=10 dBm Épaisseur=16 mm r = j r = j i=35°, r = j LOS= dBm Pe=10 dBm i=40°, r = j LOS= dBm Pe=10 dBm i=45°, r = j LOS= -20 dBm Pe=10 dBm i=50°, r = j LOS= -17 dBm Pe=11 dBm Épaisseur=10 mm

35 CETSIS Clermont-Ferrand, octobre c Exploitation des courbes expérimentales - Ellipsométrie MO en réflexion - 2 panneaux de PVC d'épaisseur finie i=35°, r = j LOS= dBm Pe=12 dBm i=45°, r = j LOS= -16 dBm Pe=12 dBm i=50°, r = j LOS= dBm Pe=12 dBm r = j Épaisseur=10 mm i=35°, r = j LOS= -16 dBm Pe=10 dBm i=40°, r = j LOS= -16 dBm Pe=10 dBm i=45°, r = j LOS= -14 dBm Pe=10 dBm i=50°, r = j LOS= dBm Pe=10 dBm Épaisseur=15 mm angles de rotation A [degrés] Id r = j

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37 CETSIS Clermont-Ferrand, octobre intensité détectée I d parallélogramme d'incertitudes i =35° permittivité imaginaire permittivité réelle angle de rotation A [degrés] épaisseur=16 mm F=8,5 GHz, R=0,6 m intensité détectée I d parallélogramme d'incertitudes angle de rotation A [degrés] permittivité imaginaire permittivité réelle i =35° intensité détectée I d épaisseur=10 mm F=8,5 GHz, R=0,6 m intensité détectée I d 2.c Résultats d'estimation de r - Ellipsométrie MO en réflexion - 2 panneaux de bois aggloméré d'épaisseur finie

38 CETSIS Clermont-Ferrand, octobre c Résultats d'estimation de r - Ellipsométrie MO en réflexion - 2 panneaux de PVC d'épaisseur finie parallélogramme d'incertitudes i =50° angle de rotation A [degrés] épaisseur=16 mm F=8,5 GHz, R=0,6 m intensité détectée I d permittivité réelle permittivité imaginaire parallélogramme d'incertitudes permittivité imaginaire permittivité réelle i =50° épaisseur=10 mm F=8,5 GHz, R=0,6 m intensité détectée I d angle de rotation A [degrés]

39 CETSIS Clermont-Ferrand, octobre Caractéristiques et Atouts de l'interface CREMO ÔUne interface conviviale, aisément portable sur un PC et possédant des graphes qui peuvent s'insérer dans un traitement de texte ÔDivers menus proposés pour conduire des études en espace libre en utilisant 2 approches : la méthode de Fresnel et l'ellipsométrie par réflexion ÔUne programmation modulaire globale : –facilité d'évolution de l'interface –introduction de plusieurs méthodes d'analyse statistique de données comme c'est le cas pour la méthode ellipsométrique : 1 abaque, 2 abaques, 3 points... ÔApplication en enseignement de 2 nd et 3 ème cycle ainsi qu'en recherche


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