DEUX INTERFACES GRAPHIQUES POUR COMPRENDRE PAR L'EXPERIMENTATION ENSEIGNEMENT EEA "ECAMO" ET "CREMO" : DEUX INTERFACES GRAPHIQUES POUR COMPRENDRE PAR L'EXPERIMENTATION LE RAYONNEMENT ET LA PROPAGATION DES ONDES ELECTROMAGNETIQUES DANS LE DOMAINE MICRO-ONDE F. SAGNARD, C. VIGNAT, S. CORRAL, V. MONCOURTOIS Université de Marne-La-Vallée Laboratoire Systèmes de Communication Equipe Hyperfréquences et Propagation www.univ-mlv.fr/crmo CETSIS Clermont-Ferrand, 29-30 octobre 2001

Intérêts du développement des interfaces ECAMO et CREMO 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 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... ETUDE ET COMPAISON DE DIFFERENTS MODELES : analyse des phénomènes physiques impliqués, étude paramétrique des modèles retenus, comparaison éventuelle entre divers modèles ANALYSE ET INTERPRETATION DES RESULTATS EXPERIMENTAUX : hypothèses expérimentales et de modélisation initiales, comparaison des résultats expérimentaux et de modélisation, justification des écarts éventuels 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 CETSIS Clermont-Ferrand, 29-30 octobre 2001

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 CETSIS Clermont-Ferrand, 29-30 octobre 2001

1. 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 Carte d'interface pour PC table tournante antenne émettrice générateur hyperfréquence CETSIS Clermont-Ferrand, 29-30 octobre 2001

1. L'interface graphique d'ECAMO Définition des paramètres et du type d'étude Informations et résultats Affichage des graphes : - 3D - Plan E ou H CETSIS Clermont-Ferrand, 29-30 octobre 2001

1. Les différents traitements de l'interface ECAMO Mode "étude de diagrammes de rayonnement" Mode "prévisualisation" Mode "visualisation 3D" 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 mesures théorie source des données polaire linéaire type de représentation graphique amplitude intensité résultats représentés Fin Fin Fin CETSIS Clermont-Ferrand, 29-30 octobre 2001

1. Caractéristiques et Atouts de l'interface ECAMO Divers menus proposés pour conduire des études de diagrammes de rayonnement d'antennes Valable pour des diagrammes de rayonnement modélisés de façon analytique Application en enseignement de 2nd et 3ème cycle et éventuellement en recherche Une base de données pour les divers types d'antennes existantes ; possibilité de comparer des antennes distinctes par leurs paramètres Une interface conviviale, aisément portable sur un PC et possédant des graphes insérables dans un traitement de texte Une 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) CETSIS Clermont-Ferrand, 29-30 octobre 2001

1. La structure modulaire de l'interface ECAMO Mode "étude de diagrammes de rayonnement" Mode "prévisualisation" Mode "visualisation 3D" 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 [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'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; CETSIS Clermont-Ferrand, 29-30 octobre 2001

1. ECAMO en mode "prévisualisation" CETSIS Clermont-Ferrand, 29-30 octobre 2001

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1. ECAMO en mode "visualisation 3D" CETSIS Clermont-Ferrand, 29-30 octobre 2001

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1. ECAMO en mode "étude de diagrammes de rayonnement" CETSIS Clermont-Ferrand, 29-30 octobre 2001

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2. Le montage expérimental de CREMO - Méthode de Fresnel : mesure des coefficients de réflexion en fonction de l'angle d'incidence qi - Méthode EMO : mesure de la puissance réfléchie en fonction de l'angle de rotation A de l'antenne réceptrice (qi fixé) 2 m mur sous test 1 m 1ère zone de Fresnel rotation A rotation P antenne réceptrice antenne émettrice A P =p/4 Hypothèses : - Onde incidente localement plane - Mur plan - Antennes suffisamment directives n R=1 m qi source hyperfréquence analyseur scalaire (F = 10 GHz) CETSIS Clermont-Ferrand, 29-30 octobre 2001

2. Photo de CREMO en configuration réflexion panneau de PVC suspendu antenne d'émission antenne de réception bras tournants bolomètre générateur HF CETSIS Clermont-Ferrand, 29-30 octobre 2001

2. Tête émission et tête réception du banc CREMO CETSIS Clermont-Ferrand, 29-30 octobre 2001

2. L'interface graphique de CREMO Définition des paramètres et du type d'étude Affichage des graphes : - Fresnel ou Ellipsométrie - par étape Informations et résultats CETSIS Clermont-Ferrand, 29-30 octobre 2001

2. Les différents traitements de l'interface CREMO Approche par Fresnel Approche 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 er prévisualisation étude complète par étapes fit initial des courbes expérimentales type d'étude traitement des données abaque(s) pour une 1ère estimation de er estimation finale de er Fin parallélogramme d'incertitude au voisinage de la 1ère estimée de er type d'étude prévisualisation fit initial des courbes expérimentales Fin étude complète par étapes abaque(s) pour une 1ère estimation de er recherche de la courbe théorique la plus proche des points de mesure estimation finale de er traitement des données CETSIS Clermont-Ferrand, 29-30 octobre 2001

2.a Le modèle de Fresnel pour un matériau monocouche Hypothèses : - Onde plane - Matériau plan homogène monocouche : longueur d’onde dans le vide : permittivité complexe relative Polarisation parallèle (rp) Ei Hi qi ki Et Ht qt Polarisation perpendiculaire (rs) Ei Hi ki Ht Et qt qi Champ électrique réfléchi : CETSIS Clermont-Ferrand, 29-30 octobre 2001

2.a Procédure de traitement des données expérimentales dans le cas de la méthode de Fresnel permittivité réelle (1) Relevé à partir des mesures de (qB, |rp|2/|rs|2) (2) 1ère estimation de er à partir des mesures de (qB, |rp|2/|rs|2) permittivité imaginaire |rp|2 coefficients de réflexion angle d'incidence Qi [degrés] |rs|2 |rp|2/|rs|2 |rp|2/|rs|2 (dB) qB (3) 2nde estimation de er par moindres carrés à partir de |rp|2/|rs|2 coefficients de réflexion angle d'incidence Qi [degrés] |rp|2/|rs|2 mesuré calculé |rs|2 calculé |rp|2 calculé (4) 3ème estimation de er par moindres carrés à partir de |rp|2 et |rs|2 (5) Incertitudes sur er' et er" permittivité réelle permittivité imaginaire CETSIS Clermont-Ferrand, 29-30 octobre 2001

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2.b Principes de l’Ellipsométrie Micro-Onde par Réflexion 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 Hypotheses : - angle d'incidence (qi) 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: paramètres : a, (b/a) X Y O x h 2a 1 2 Caractéristiques de l'ellipse de polarisation Intensité réfléchie Id fonction de l'angle A A [degrés] intensité détectée Id Imax a paramètres : a, (Imin/Imax) b a Imin a CETSIS Clermont-Ferrand, 29-30 octobre 2001

2.b Procédure de détermination de er Extraction des paramètres de l'ellipse (c,a) tel que : a c position angulaire du 1er maximum de Id 2 paramètres : a, (Imin/Imax) Intensité mesurée Id fonction de l'angle A Permittivité complexe relative avec : Fresnel : 2 paramètres : (c, a) 2 paramètres : (yr, Dr) 2 Relations fondamentales de l'ellipsométrie : 2 paramètres ellipsométriques CETSIS Clermont-Ferrand, 29-30 octobre 2001

2.b Procédure de traitement des données expérimentales en ellipsométrie par réflexion (35°<Qi <50°) - 2 abaques (1) Estimation de er à partir des mesures de (a Imax) permittivité imaginaire permittivité réelle angle A [degrés] (2) Extraction de a, Imaxet Imin intensité détectée Id a Imax permittivité imaginaire permittivité réelle (3) Nouvelle estimation de er à partir de a et a (Imin /Imax) er estimé permittivité imaginaire permittivité réelle (6) Fit des mesures par les moindres carrés et obtention du er optimal angle A [degrés] intensité détectée Id CETSIS Clermont-Ferrand, 29-30 octobre 2001

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2.b Procédure de traitement des données expérimentales en ellipsométrie par réflexion - 1 abaque (3) Incertitudes sur er' et er" permittivité imaginaire permittivité réelle (2) Première estimation de er à partir de a et a (Imin /Imax) er estimé (1) Extraction de a, Imaxet Imin 50 100 150 200 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 intensité détectée Id angle A [degrés] (4) Echantillonnage du parallélogramme d'incertitudes permittivité imaginaire permittivité réelle (5) Fit des mesures par les moindres carrés et obtention du er optimal angle A [degrés] intensité détectée Id CETSIS Clermont-Ferrand, 29-30 octobre 2001

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2.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 q3dB= 27,4° à 10 GHz q3dB= 32,2° à 8,5 GHz CETSIS Clermont-Ferrand, 29-30 octobre 2001

2.c Echantillons de matériaux monocouche l=3,2 cm à F=8,5 GHz bois aggloméré PVC 16 mm panneau de bois aggloméré 15 mm panneau de PVC 10 mm panneau de bois aggloméré 10 mm panneau de PVC CETSIS Clermont-Ferrand, 29-30 octobre 2001

2.c Résultats d'estimation de er - Méthode de Fresnel - deux panneaux de bois aggloméré d'épaisseur finie permittivité imaginaire permittivité réelle angle d'incidence qi [degrés] |rp|2 et |rs|2 |rp|2 |rs|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 qi [degrés] |rp|2 et |rs|2 permittivité imaginaire permittivité réelle parallélogramme d'incertitudes |rp|2 |rs|2 CETSIS Clermont-Ferrand, 29-30 octobre 2001

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2.c Exploitation des courbes expérimentales - Ellipsométrie MO en réflexion - 2 panneaux de bois aggloméré d'épaisseur finie i=35°, r=2.17-1.86j LOS= -16.7 dBm Pe=10 dBm i=40°, r=2.01-1.93j i=45°, r=2.11-1.56j i=50°, r=3.09-1.71j LOS= -18.5 dBm Pe=10 dBm i=55°, r=1.99-2.60j LOS= -20 dBm Pe=10 dBm Épaisseur=16 mm r= 2 - 1.9j r= 2.7 - 0.9j i=35°, r=2.74-0.86j LOS= -19.7 dBm Pe=10 dBm i=40°, r=2.89-0.90j LOS= -18.5 dBm Pe=10 dBm i=45°, r=1.58-0.59j LOS= -20 dBm Pe=10 dBm i=50°, r=1.55-0.33j LOS= -17 dBm Pe=11 dBm Épaisseur=10 mm CETSIS Clermont-Ferrand, 29-30 octobre 2001

2.c Exploitation des courbes expérimentales - Ellipsométrie MO en réflexion - 2 panneaux de PVC d'épaisseur finie i=35°, r=2.53-0.36j LOS= -16 dBm Pe=10 dBm i=40°, r=2.64-1.09j i=45°, r=2.33-0.57j LOS= -14 dBm Pe=10 dBm i=50°, r=2.53-0.73j LOS= -18.5 dBm Pe=10 dBm Épaisseur=15 mm 20 40 60 80 100 120 140 160 180 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 angles de rotation A [degrés] Id r= 2.5 - 0.7j i=35°, r=1.51-0.53j LOS= -19.5 dBm Pe=12 dBm i=45°, r=1.50-0.35j LOS= -16 dBm Pe=12 dBm i=50°, r=1.85-0.32j LOS= -17.7 dBm Pe=12 dBm r= 1.5 - 0.5j Épaisseur=10 mm CETSIS Clermont-Ferrand, 29-30 octobre 2001

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2.c Résultats d'estimation de er - Ellipsométrie MO en réflexion - 2 panneaux de bois aggloméré d'épaisseur finie intensité détectée Id 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 2.2 2.4 2.6 2.8 3 57.732 58.232 58.732 -21.7353 -20.9353 -20.1353 parallélogramme d'incertitudes qi=35° permittivité imaginaire permittivité réelle angle de rotation A [degrés] épaisseur=16 mm F=8,5 GHz, R=0,6 m parallélogramme d'incertitudes angle de rotation A [degrés] permittivité imaginaire permittivité réelle qi=35° intensité détectée Id 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 0.035 0.04 0.045 0.05 épaisseur=10 mm F=8,5 GHz, R=0,6 m CETSIS Clermont-Ferrand, 29-30 octobre 2001

2.c Résultats d'estimation de er - Ellipsométrie MO en réflexion - 2 panneaux de PVC d'épaisseur finie parallélogramme d'incertitudes qi=50° angle de rotation A [degrés] épaisseur=16 mm F=8,5 GHz, R=0,6 m intensité détectée Id 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 2.2 2.4 2.6 0.6 0.8 75.8457 76.3457 76.8457 -22.5281 -21.7281 permittivité réelle permittivité imaginaire 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8 1.9 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 83.3377 83.8377 84.3377 -23.574 -22.774 -21.974 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09 parallélogramme d'incertitudes permittivité imaginaire permittivité réelle qi=50° épaisseur=10 mm F=8,5 GHz, R=0,6 m intensité détectée Id angle de rotation A [degrés] CETSIS Clermont-Ferrand, 29-30 octobre 2001

2. Caractéristiques et Atouts de l'interface CREMO Une interface conviviale, aisément portable sur un PC et possédant des graphes qui peuvent s'insérer dans un traitement de texte Divers menus proposés pour conduire des études en espace libre en utilisant 2 approches : la méthode de Fresnel et l'ellipsométrie par réflexion Une 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 ... Application en enseignement de 2nd et 3ème cycle ainsi qu'en recherche CETSIS Clermont-Ferrand, 29-30 octobre 2001