Quelques questions pour les experts :)

[invitefc61d0a7]

Bonjour !
Je suis un élève de maths spé et je dois travailler sur le RADIOALTIMETRE pour mon TIPE. J'ai quelques infos sur cet appareil mais j'ai besoin de les approfondir.
1- Tout part d'un oscillateur asservi par dents de scie sur une diode varicap entre 420 et 440 MHz
2- Le signal traversant un circuit résonant avec diode varactor
3- On filtre pour garder la 10ème harmonique avec un filtre à cavité
4- On l'amplifie pour être aux alentours de 4.2 à 4.4 GHz
5- Le signal passe par un coupleur : une onde est émise vers le sol puis récupérée et mélangée avec l'image de l'onde émise pour obtenir l'altitude grâce au déphasage.

Bref, ce n'est peut-être pas très clair (ca ne l'est pas pour moi non plus) alors déjà pensez-vous que ce cheminement est cohérent ? et que pouvez-vous me dire sur le VCO, le filtre à cavité, la manière d'amplifier ce signal et tout ce qui vous vient à l'esprit ?

Merci beaucoup !
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[invite9fc58509]

Bonjour tsi,

- VCO : Voltage Controlled Oscillator : oscillateur dont la fréquence est fonction d'une tension. Par exemple signal généré à 420 MHz avec une tension continue de 3V, et fréquence de 440 MHz avec une tension continue de 15V (valeurs arbitraires mais plausibles). La diode varicap est une diode présentant une capacité dont la valeur dépend de la tension appliquée (en inverse) à ses bornes. C'est en quelque sorte un condensateur dont la valeur dépend d'une tension continue. Ce "condensateur" est utilisé dans un circuit résonnant "classique", qui délivre donc un signal dont la fréquence dépend de la tension continue appliquée.

- filtre à cavité : à des fréquences aussi élevées que quelques GHz, le filtrage ou le simple transport de signaux ne peut se faire par conducteur sans trop de perte, et on utilise donc plutôt des guides d'ondes pour le transport, et des cavités pour filtrer (stopper, réorienter) les signaux aux fréquences désirées.

- Coupleur : comme pour les cavités ou les guides d'onde, c'est de la plomberie. Sans aucun contact physique, on mélange deux signaux pour en obtenir une somme (on peut aussi séparer un signal en deux avec un tel coupleur). Si on mélange deux signaux identiques mais déphasés d'une certaine valeur, on peut déterminer la valeur du déphasage en regardant le signal mélangé. Si les deux signaux mélangés sont en opposition de phase, on obtient un résultat nul en sortie du coupleur.

Voilà, je ne sais pas si tout ça t'avance beaucoup ou un peu...

Cordialement.

[f6bes]

Bjr Tsi....
Est ce une OBLIGATION de faire une multiplication par DIX avec un varactor( car d'autre choix sont possibles) ?
Ca va pas etre de la tarte pour récupérer un "quelque chose" à ce rang là et devoir ensuite l'amplifier !
La F de départ est elle IMPOSEE ?
Cordialement

[PA5CAL]

Bonjour

Les étapes 1 à 4 permettent de réaliser un VCO centré sur 4,3GHz, ce qui permet d'obtenir une longueur d'onde aux alentours de =7cm.

A ces fréquences, il est très difficile de réaliser un VCO. Ce système part donc d'un oscillateur à varicap générant une fréquence 10 fois plus faible, plus facilement réalisable. La distorsion apportée par la diode varactor crée des harmoniques élevés. Le dixième harmonique est ensuite isolé par un filtre à cavité, puis amplifié.

Le rapport de 10 entre la fréquence de départ et celle obtenue en sortie est suffisante pour régler le problème de réalisation. Au-delà de ce rapport on risquerait un brouillage par un harmonique voisin de 10.


Pour la partie coupleur/mélangeur (étape 5), elle permet d'effectuer une comparaison entre le signal émis et le même signal reçu décalé dans le temps. La fréquence étant modulée par des dents de scie, c'est la différence de fréquence entre les deux signaux qui donne directement le retard relatif, le temps de parcours de l'onde, la distance, et donc l'altitude (il suffit de poser les équations, et de faire une petite transformation trigonométrique pour s'en convaincre).

[A voir en vidéo sur Futura]

[invitefc61d0a7]

Bonjour,
Tout d'abord merci à tous les 3 d'avoir pris le temps de me répondre. Bon, il faut que je vous avoue que je ne suis pas un pro dans la matière même si j'ai un bac STI Electronique, en cours il suffit de faire des calculs bêtes et méchants et c'est plutôt abstrait or là on est dans quelque chose de bien concret alors j'y comprends plus rien...
Je ne comprends pas bien toutes les étapes. Déjà je ne sais pas pourquoi il est nécessaire d'obtenir des fréquences tant importantes entre 4.2 et 4.4 GHz.
La personne que j'ai rencontrée pour m'expliquer le fonctionnement du radioaltimètre m'a dit qu'une solution à apporter serait de remplacer les étapes 1 à 4 par un VCO de 4.2 GHz mais qu'il était bien plus facile de procéder ainsi même si ca revient plus cher. Pouvez-vous m'expliquer pourquoi ?
Quand au coupleur, je ne sais pas si les 2 signaux sont identiques mais ils sont déphasés : l'un est l'image de l'onde émise et l'autre est l'onde reçue (enfin, je ne sais pas si il s'agit de l'onde ou du signal)
Bref, le mieux serait que quelqu'un m'explique par mail ou sur MSN si vous avez la gentillesse et le courage de m'expliquer un peu parce que je suis perdu... et comme ca je pourrai vous envoyer les quelques documents que j'ai sur tout ca et ce sera plus facile de parler sur un support !

Merci beaucoup

[PA5CAL]

je ne sais pas pourquoi il est nécessaire d'obtenir des fréquences tant importantes entre 4.2 et 4.4 GHz.

Parce qu'ainsi, on est dans le domaine des ondes micrométriques (micro-ondes), dont les propriétés sont bien meilleures qu'à des fréquences plus basses (directivité, propagation et petit taille des antennes). D'autre part, la bande de fréquence doit être choisie en fonction de ce qui est autorisé par la réglementation.

La personne que j'ai rencontrée pour m'expliquer le fonctionnement du radioaltimètre m'a dit qu'une solution à apporter serait de remplacer les étapes 1 à 4 par un VCO de 4.2 GHz mais qu'il était bien plus facile de procéder ainsi même si ca revient plus cher.Pouvez-vous m'expliquer pourquoi ?

C'est effectivement, comme je l'ai déjà indiqué, un problème de difficulté de réalisation. A ces très hautes fréquences (quelques GHz), les composants électroniques ne se comportent plus du tout pareil (car la nature ondulatoire des grandeurs électriques devient prépondérante), et on doit abandonner l'idée d'utiliser des semi-conducteurs courants. Si l'on voulait continuer à utiliser des composants semblables, on devrait avoir recours à des technologies de fabrication spéciales, très chères et généralement réservées au domaine militaire.

Quand au coupleur, je ne sais pas si les 2 signaux sont identiques mais ils sont déphasés : l'un est l'image de l'onde émise et l'autre est l'onde reçue (enfin, je ne sais pas si il s'agit de l'onde ou du signal)

On peut à la fois parler d'ondes dans l'air et de signaux dans le circuit électronique, car finalement ça revient au même au niveau de l'information véhiculée. L'onde émise et l'onde reçue sont non seulement déphasées, mais carrément décalées dans le temps. Par exemple, la mesure d'une altitude de 500m correspond à un décalage de 1,67s, soit 45119,5rad (7181 périodes). C'est bien plus qu'un simple déphasage.

Cela s'explique par le fait qu'on ne cherche pas à trouver le déphasage entre les deux ondes, ce qui correspond à une dimension de l'ordre d'une fraction de la longueur d'onde (=7cm). On cherche plutôt à mesurer le décalage dans le temps, en obtenant par mélange la différence de fréquence du VCO entre le moment présent (onde émise) et le moment passé où l'onde reçue a été émise.

Bref, le mieux serait que quelqu'un m'explique par mail ou sur MSN si vous avez la gentillesse et le courage de m'expliquer un peu parce que je suis perdu... et comme ca je pourrai vous envoyer les quelques documents que j'ai sur tout ca et ce sera plus facile de parler sur un support !

Pourquoi pas. Mais le principe du forum est plutôt de faire partager les problèmes et les questions, les discussions, les solutions et les réponses, afin que tous puissent en profiter et y participer.

[PA5CAL]

En schématisant:

Grâce au VCO, à chaque rampe de la dent de scie du signal de modulation, on émet une onde dont la fréquence varie linéairement selon , et on reçoit une onde décalée dans le temps de fréquence .

Considérant une très courte période, on peut négliger la variation de la fréquence et admettre qu'elle est constante.

Une fraction de l'onde émise est mélangée à l'onde reçue dont l'amplitude a été atténuée par la distance (du fait de la modulation de fréquence, on a une fonction variant dans le temps, mais relativement lentement).

Ce faisant, on peut en extraire un signal dont la partie basse du spectre est une sinusoïde de fréquence égale à la différence des fréquences des deux ondes (mélangeur multiplicatif) ou à la demi-différence des fréquences des deux ondes (mélangeur additif avec atténuation contrôlée). Les formules trigonométrique à appliquer pour la démonstration sont respectivement:

et

avec et .

Les parties utiles du signal résultant sont respectivement (obtenu après filtrage) et (obtenu après filtrage et détection de crète).

Or , et on sait justement que correspond au temps de propagation dans les circuits (partie constante) et au temps de propagation dans l'air qui est proportionnel à l'altitude à mesurer).

[PA5CAL]

Erreur de frappe. Il faut lire:

[invitefc61d0a7]

Le dixième harmonique est ensuite isolé par un filtre à cavité, puis amplifié.

Il y a quelque chose qui m'interroge. Si on prend le 10ème harmonique, la fréquence est bien multipliée par 10 ? On est donc aux alentours de 4.2GHz souhaités alors pourquoi doit-on l'amplifier ? Qu'obtient-t-on à l'arrivée ? et de quelle manière l'amplifie-t-on ?

Si l'on voulait continuer à utiliser des composants semblables, on devrait avoir recours à des technologies de fabrication spéciales, très chères et généralement réservées au domaine militaire.

Ah il est donc plus cher de fabriquer un VCO à 4.3 GHz ? J'avais mal du comprendre la personne que j'ai vue alors. Mais alors quel serait l'avantage de remplacer les étapes 1 à 4 par un VCO à 4.3 GHz ?
Avez-vous des solutions que l'on pourrait envisager dans le but d'améliorer le système du radio altimètre ? Y a-t-il des moyens plus faciles ou plus économiques que ceux utilisés ?

Par exemple, la mesure d'une altitude de 500m correspond à un décalage de 1,67µs, soit 45119,5rad (7181 périodes). C'est bien plus qu'un simple déphasage.

A quoi correspondent les 45119.5 rad et quelles sont ces 7181 périodes ? Celles des signaux émis pendant que l'onde fait l'aller-retour au sol ?

Cela s'explique par le fait qu'on ne cherche pas à trouver le déphasage entre les deux ondes, ce qui correspond à une dimension de l'ordre d'une fraction de la longueur d'onde (=7cm). On cherche plutôt à mesurer le décalage dans le temps, en obtenant par mélange la différence de fréquence du VCO entre le moment présent (onde émise) et le moment passé où l'onde reçue a été émise.

Je ne comprends pas trop cette histoire de longueur d'onde... Déjà comment la calculez vous ? La seule formule que je connaisse c'est =c.T mais quelle est la période T ?
C'est le mélangeur qui calcule cette différence de fréquence ? Mais comment ça se fait que les fréquences ne soient pas les mêmes ? et je ne comprends pas non plus ce que vous appelez les moments présent et passé.


C'est vraiment gentil de m'aider comme ca
Merci

[f6bes]

Bstr tsi....
Effectivement l'harmonique 10 correpond bien à 4.2 GH si on part de 420 MHz.
RESTE à savoir:Quelle est la puissance que délivre la diode varactor sur cet harmonique?Ca risque d'etre TRES léger !
Donc va falloir amplifier un petit peu si on veut avoir des chances de capter un signal.
A ces fréquences là il existe des transistors ou des circuits
monolytiques qui savent amplifier (Voir site Minicircuit).
Si on ne recherche pas une stabilité à toute épreuve, il y a la solution de l'oscillateur à DRO .C'est un oscillateur tel qu'on en trouve dans toutes les tetes LNB qui sont sur 10 GHz.Reste à trouver un DRO sur 4.2 Ghz ?
Mais il y a tout de meme une GROSSE question que je me pose: à savoir réaliser un tel PROJET quand ,apparemment, il y a déjà un PROBLEME pour calculer une longeur d'onde, qui en soit est l'équivalent de U=RxI !!
Cordialement

[invitefc61d0a7]

Bonsoir f6bes,
Désolé mais je ne saurais pas répondre à vos questions Je n'ai pas de projet à réaliser, je dois étudier le fonctionnement des radio altimètres mais SURTOUT la partie où LE TEMPS intervient car c'est le thème de mon TIPE. Mais le jour de l'oral je dois justifier ma participation "active" avec une expérience ou quelque chose du genre mais je ne sais pas quoi faire...

[PA5CAL]

Au risque de répéter ce qu'a dit f6bes:

pourquoi doit-on l'amplifier ? Qu'obtient-t-on à l'arrivée ? et de quelle manière l'amplifie-t-on ?

On obtient un harmonique de dixième ordre en introduisant une distorsion du signal de sortie du VCO. Un rapide calcul (transformée de Fourier) sur quelques exemples te montreront que l'harmonique généré de cette manière a une amplitude ridiculement faible comparée à celle du signal d'origine.

Il faut de toute manière amplifier le signal afin d'assurer une émission suffisamment puissante. En effet, l'onde émise doit parcourir une grande distance et va immanquablement se disperse et s'atténuer avant de revenir vers le dispositif. Malgré cela la puissance de l'onde reçue doit être encore suffisante pour ne pas se perdre dans le bruit de fond.

Il n'est pas possible de fournir un signal puissant en sortie de VCO, car les caractéristiques de la diode varactor l'interdisent. Quand bien même ce serait possible, cela supposeraient que la quasi-totalité de la puissance produite soit dissipée dans le dispositif, par la suppression du fondamental et de tous les harmoniques excepté le dixième.

On amplifie donc le signal au tout dernier moment, à l'aide de transistors ou d'amplificateurs RF adaptés à la bande de fréquence des 4,3GHz.

Ah il est donc plus cher de fabriquer un VCO à 4.3 GHz ? J'avais mal du comprendre la personne que j'ai vue alors.

La question du coût n'est pas tranchée. Cela dépend du type de montage, des moyens techniques à disposition, et d'autres éléments sans rapport avec l'électronique.

Je disais seulement que cela reviendrait cher d'essayer de faire un circuit tout en 4,3GHz en utilisant les même principes qu'en 430MHz, car les composants à très haute fréquence doivent être fabriqués de façon spéciale. Rien n'interdit d'utiliser des principes différents, moins coûteux sur un certain plan, mais tellement difficiles à concevoir, à mettre au point ou à maintenir, que cela peut revenir cher à l'usage.

Mais alors quel serait l'avantage de remplacer les étapes 1 à 4 par un VCO à 4.3 GHz ?

Si on trouve un VCO à 4,3GHz manufacturé tout fait, et présentant toutes les qualités nécessaires aux caractéristiques du système (précision, linéarité, stabilité), alors ce serait mieux de l'utiliser. Pour le moment, la solution proposée a l'avantage d'être simple et éprouvée, et je ne vois pas de raison d'en changer.

Avez-vous des solutions que l'on pourrait envisager dans le but d'améliorer le système du radio altimètre ?

Pour améliorer quoi dans le système ?

Y a-t-il des moyens plus faciles ou plus économiques que ceux utilisés ?

Pour moi, le système est déjà assez simple. Et comme je le disais, utiliser un VCO à 4.3 GHz n'est pas forcément une solution intéressante.

Quant à faire plus économique, il faudrait savoir d'abord de quoi on parle.
Les coûts de développement dépendent du savoir-faire acquis, les coûts de fabrication des quantités fabriquées et des moyens de production déjà disponibles. Il y a aussi un coût pour les utilisateurs en plus du prix d'achat (calibrage, maintenance). Bref, le point de vue économique ne se résume pas au seul prix des composants. Il suffit de comparer ce prix au coût global d'un altimètre avec son contrat de maintenance pour s'en apercevoir.

A quoi correspondent les 45119.5 rad et quelles sont ces 7181 périodes ? Celles des signaux émis pendant que l'onde fait l'aller-retour au sol ?

Oui.

Je ne comprends pas trop cette histoire de longueur d'onde... Déjà comment la calculez vous ? La seule formule que je connaisse c'est =c.T mais quelle est la période T ?

C'est la bonne formule et T est la période de l'onde (T=1/f et f=4,3GHz)

C'est le mélangeur qui calcule cette différence de fréquence ?

Oui, en quelque sorte il y participe. Il fait une opération arithmétique entre deux signaux. L'explication avec les formules sont dans la deuxième partie de mon précédent post. Puisque tu es en Maths Spé, ça devrait normalement te parler (c'est du niveau de Terminale).

Mais comment ça se fait que les fréquences ne soient pas les mêmes ? et je ne comprends pas non plus ce que vous appelez les moments présent et passé.

On utilise un VCO, afin d'avoir une fréquence qui varie dans le temps. A un moment donné, on émet une onde à une certaine fréquence, et on en reçoit une onde qui a une fréquence différente parce qu'elle a été émise plus tôt (entre temps, elle a fait l'aller-retour entre le dispositif et le sol).

[invitefc61d0a7]

Malgré cela la puissance de l'onde reçue doit être encore suffisante pour ne pas se perdre dans le bruit de fond.

Qu'est ce que le bruit de fond ? Désolé de poser des questions qui peuvent paraître ridicules quand on s'y connait bien mais ce que j'étudie en cours ne me permet pas de tout comprendre parce que c'est essentiellement théorique et même si j'ai étudié les ondes, c'est loin d'être applicable à mon sujet... :/

Il n'est pas possible de fournir un signal puissant en sortie de VCO, car les caractéristiques de la diode varactor l'interdisent

Quel est alors l'intérêt de mettre une diode varicap ? A quoi sert un tel circuit résonant ?


Sinon j'ai trouvé un schéma sur Internet qui pourrait nous servir de support : http://www.mwrf.com/Files/30/10583/Figure_04.gif mais par contre il est bien plus compliqué que le principe que j'ai moi; c'est pourtant celui d'un radioaltimètre alors si vous arrivez à me faire comprendre celui-ci j'aurais tout compris Déjà le VCO il est apparemment déjà entre 4.2 et 4.4 GHz et ensuite je ne comprends pas les tous les termes (MGF, LNA, PA, AGC, ...) ni ce qu'est une homodyne


Merciiiii énormément