Réponse AC de l’antenne active et mesure du bruit du ciel Didier Charrier Réunion de collaboration, Nantes le 23 octobre 2006

Mesure de gain du préamplificateur Réponse AC du préamplificateur Réponse transitoire du préamplificateur  Mesure réalisée en configuration ‘malargue’ -Pas de filtre France inter en sortie -Contre réaction avec 10M  -Compensation BF = 4.7pF -Attaque via une capa d’antenne de 9pF  Résultats des mesures -Bande passante = 70kHz – 250MHz (BP=800kHz-250MHz, Nançay) -Gain = (29.3dB) -Gain(via 10nF) = 56 d’où Ce = 8.3pF

Extraction de l’impédance d’antenne (Za)  Extraction différentielle du paramètre S11 de l’antenne (sans son préampli) à l’analyseur de réseaux vectoriel par une injection de puissance (antenne émettrice)  Le principe de réciprocité s’applique puisqu’il s’agit d’une antenne passive.  Za=Z 0 (1+S11)/(1-S11) avec Z0=50   L’impédance d’antenne contient beaucoup d’information puisqu’elle est fonction des dimensions de l’antenne et de son environnement (sol, hauteur…)  Antenne mesurée = idem Nançay (1.21mx10cm, h=1m) -première résonance d’antenne vers 110MHz soit f 0 =0.9*C/2l, R rad =72  -première anti-résonance d’antenne vers 152MHz R rad =266  Impédance d’antenne en coordonnées polaires Partie réelle de l’impédance d’antenne Partie imaginaire de l’impédance d’antenne

Extraction de la capacité d’antenne  Hypothèse 1: Une latte de longueur L et de largeur D est équivalente à un tube de longueur L et de largeur D (hypothèse optimiste). On obtient : Ca=11.27pF par la formule du ‘cylindre allongé’  Hypothèse 2: des antennes de mêmes circonférences ont les mêmes capacités (une latte est un tube aplati). Donc une latte de longueur L et de largueur D est équivalente à un tube de longueur L et de diamètre 2D/  On obtient: Ca=8.65pF avec L=1.21m et D=10cm La capa mesuré est la somme de la capa d’antenne (Ca) et d’une capa parasite (Cp) D’après la mesure, Ca+Cp  10pF Cette mesure invalide donc la première hypothèse, on choisit donc: Ca=9pF Cp=1pF (Une simulation sur Eznec donne Ca=8.5pF) On en déduit aussi une inductance d’antenne La=230nH Mesure de la capacité d’antenne Formule du ‘cylindre allongé’: Ca=  0  L/(2ln(L/D)-2) Avec  0 = L: longueur totale du dipôle D: diamètre du dipôle Calcul de la capacité d’antenne

Réponse AC antenne+préampli réponse AC global (antenne+preampli+transfo) Réponse AC de l’antenne chargée par son préampli  Avec Ca=9pF,Ce=8.3pF, on obtient  GAIN BF (Antenne+Ampli) = 29.5(29.4dB)  La variation de gain est principalement due à la résonance d’antenne.  La résonance est de  On en déduit aussi la Longueur effective d’antenne Leff  Leff (BF) = (V out_ampli /E antenne ) = ½*L*Gain=0.5*1.21*29.5  Soit Leff = mètres Module Phase (degré)

Bruit de ciel vu par une antenne Z i : impédance d’entrée du préamplificateur Z a : impédance d’antenne simplifié, pertes négligées V in 2 : bruit du ciel vu par le préamplificateur Cas général V in 2 = 4kT sky R rad * (Zi/(Zi+Za)) 2 Cas particulier simplifié N°1: Antennes log-périodique de nançay  Za=Rrad=50  : on néglige les ondulations de Rrad autour de sa valeur moyenne dans la bande et on néglige les ondulations de la partie imaginaire autour de 0  Zi=50  = Rrad V in 2 = kT sky (f)R rad : Le bruit de ciel vu par le préamplificateur est proportionnel à la température de ciel AN: à 50MHz, avec Tsky = 2.10^4K, on à Vin=3.7nV/  Hz Cas particulier simplifié N°2: Antennes dipôle active de CODALEMA  Za=9pF :on assimile Za à une capacité (vrai à condition que l’on soit très loin de la résonance d’antenne) Rrad(f): La résistance de rayonnement d’une antenne dipôle croit avec la fréquence  Zi=Ce=9pF V in 2 = kT sky (f) R rad (f) : Le bruit de ciel vu par le préamplificateur dépend de la variation de la résistance de rayonnement, comme celle-ci est fonction des dimensions et de l’environnement du dipôle, le bruit de ciel vu par une antenne dipôle (active) est propre à celle-ci. ZaZa ~ 4kT sky R rad L a /2R rad (f) /2 2C a L a /2R rad (f) /2 2C a ZiZi V in 2 G Préamplificateur V out 2

Calcul du bruit galactique reçu par le dipôle  Il s’agit d’un calcul qui utilise des résulats de mesures donc le résultat devrait être assez fiable  La tension de bruit induite par la température de ciel n’est pas monotone et présente un maximum vers 150MHz malgré la chute de Tsky Partie réelle de l’impédance d’antenne (Mesure) Données sur la température du ciel (CCIR report) Calcul du bruit en tension induit par la température de ciel pour les dipôles actifs 100 MHz 20 MHz

Mesure du bruit galactique  Le plancher de bruit mesuré résulte principalement de la contribution du bruit du préamplificateur et du bruit du ciel  On en déduit le bruit du ciel par une différence quadratique: sky n 2 =spectre n 2 -electronique n 2  On ramène le bruit en entrée d’antenne en divisant par la fonction de transfert  Le bruit mesuré est cohérent avec la valeur théorique de 50M à 120MHz  Le dipôle ne voit pas tous le ciel à cause de sa directivité, Simulation :120° PLAN H 90° PLAN E Validity range Mesure de la fonction de transfert de Antenne+préampli+câble bruit du ciel déduit des mesures précédentes Mesure de spectre de ciel et du bruit du préampli

Log-périodique/dipôle actif Comparaison entre les bruits du ciel vus en entrée de préamplificateurs des antennes log- périodiques et des dipôles actifs  Sur ce calcul, Le modèle d’impédance utilisé pour l’antenne log est une résistance de 50  : Dans la réalité il s’agit d’une impédance de 200  qui attaque un transfo balun de rapport ½. De plus on suppose une fonction de transfert constante dans la bande.   La valeur d’impédance utilisée pour l’antenne dipôle active résulte d’une mesure à l’analyseur de réseau vectoriel.  Ces valeurs de bruit seraient celles que l’on mesureraient si les préamplificateurs étaient sans bruit (cas des antennes LOG) et les antennes sans perte.  Pour être plus rigoureux, il faudrait comparer les rapports bruit_ciel/bruit_électronique

Influence du sol et de la hauteur sur les spectres Antenne à 1m du sol 1,20mx10cm  Rrad=63.5  en champs libre  Rrad= MHz avec un sol réel (Mesure MHz), gain azimuth=1.75dBi  Rrad=86  avec un sol parfait, gainazimuth=3.5dBi Rrad augment avec la conductivité du sol donc la résonnance Diminue… Simulation Eznec)  =2.7dB Influence de la conductivité du sol (Mesure) Influence de la hauteur au sol (Mesure)  Rrad=86 107MHz à 1m d’un sol réel  Rrad= MHz à 1.40m d’un sol réel Rrad augmente avec la conductivité donc la résonnance devrait diminuer mais l’antenne voit beaucoup plus le ciel à 115MHz vers l’azimut 1.75dBi au lieu de –2.15dBi (lobes secondaires)

Mesure sur le dipôle croisé  Les deux dipôles ont un comportement similaire de la BF jusqu’à 100Mz  Le dipôle inférieur est un peux moins sensible que celui du haut ( Environ 1dB)  Mais cette antenne permet de voir les 2 polarisations