Rendement d'un émetteur radio

[invitea3c675f3]

Bonjour à tous,

Petite question théorique pour se tenir en forme entre deux beuveries (?).

Les étages finaux d’un émetteur AM ou FM sont en classe C donc bloqué/saturé. Pour ne pas laisser passer les harmoniques vers l’antenne on interpose un filtre harmonique.

Si pour simplifier les calculs je suppose qu’à la sortie du final j’ai un signal carré, sa décomposition donne :

f(x) = 4/Pi (sin x + sin 3x / 3 + sin 5x / 5 + sin 7x / 7 + ... sin nx / n + ...), avec n toujours impair.

Puis-je en déduire que si mon filtre harmonique élimine toutes les fréquences nuisibles (3f, 5f..) je n’aurai donc plus à l’antenne qu’une puissance de (4/Pi)² soit un rendement de 62%

Le filtre harmonique sert également d’adaptation d’impédance entre le collecteur / drain du final et les 50Ω de l’antenne. Même s’il n’y a aucune résistance dans ce filtre harmonique, le simple fait qu’il présente 50Ω à sa charge (l’antenne) me permet-il de déduire qu’il y a une perte de 3dB dans l’impédance de sortie en sortie de l’émetteur.

Ce qui ferait donc un rendement maximum théorique de 31% pour un final classe C suivi d’un filtre harmonique
-----

[f6bes]

Bjr à toi,
NON la sortie d'un émetteur ne produit pas de signaux carrés.
SI tu surmodules (en AM) là oui tu vas "écréter" ton courant plaque (je causes tubes émission).
Et bien sur produire des "splatters" et te faire damner !
Dans un ampli classe C le circuit de sortie (L/C) reconstitue la partie "manquante" (effet d'inertie ou de volant).

La classe C est la meilleure classe en tant que rendement (mini 65/70% et au delà).
Un petit lien avec calcul du rendement, mais attention là c'est pas de la classe C ,mais du AB1 (amplification LINEAIRE).

http://f5ad.free.fr/REA_Lineaire_QB3-300.htm
http://fr.wikipedia.org/wiki/Classes...%A9lectronique (voir classe C)
A+

[Tropique]

Attention, la classe C, ce n'est pas du bloqué/saturé: ça, ce serait de la classe D ou E.
En classe C, l'étage fonctionne pendant un angle de la sinusoide; pouvant varier entre 180° et 0°.
Pour 180°, on retombe sur le cas de la classe B, avec = 78.5%.
Si l'angle de conduction diminue, le rendement (théorique) augmente, et tend vers 100% pour 0°.
Evidemment dans ces conditions, la puissance de sortie tend vers 0.....
Le monde est mal fait.
...

PS

En classe D ou E, le rendement théorique est de 100%

[invitea3c675f3]

Merci F6bes et Tropique, je vais mettre ça dans ma pipe et réfléchir.

[A voir en vidéo sur Futura]

[inviteede7e2b6]

pour en rajouter une couche , le "rendement" d'un émetteur est lié à l'efficacité de son antenne...

le meilleur des émetteurs ne vaudra rien sur une antenne mal foutue.

[invite0324077b]

c'est la resonance du lc qui charge le transistor d'emission qui transforme les impulsion de la classe c en sinusoide presque bonne

lle filtre de sortie arrete les harmoniques genantes en radio mais deja negligable en energie

le filtre de sortie ne diminue pratiquement pas le rendement

l'adaptation a 50ohm ne doit rien perdre non plus si elle est bien etudié

[invitea3c675f3]

@Chatelot : 30% ce n’est pas négligeable!

Pour ma propre question sur l’adaptation d’impédance, si le filtre harmonique à base de L et C doit avoir une perte négligeable, c’est l’adaptation de l’impédance du collecteur/drain du final à l’impédance que lui présente le filtre harmonique qui provoque une perte additionnelle de 50%. Un peu comme un GBF qui aurait une impédance de 50Ω et qu’on adapterait à 600Ω avec un transfo. Aucune perte dans le transfo, mais la perte se rapporte à la source et fait toujours 50%.

Tout ça donne -selon moi- que le filtre harmonique chauffe de 30% de la puissance RF fournie et que le final chauffe de 50% de la puissance finale fournie.

Merci à Pixel qui me rappelais que l’antenne intervient dans le rendement d’un émetteur, mais je parlais d’une terminaison sur une charge fictive.

Au fait, s’il y a des profs intéressé(e)s, j’ai un joli TP/Labo où on mesure la vitesse de la lumière avec une règle en adaptant la longueur d’une antenne à λ/4. Précis à 1,5%!!! En cadeau de Noël pour un temps limité!

[Tropique]

Dans tous les cas, les pertes du réseau d'adaptation doivent rester négligeables.

S'il y a des désadaptations dans le système, cela va se traduire éventuellement par un échauffement de l'étage final, s'il doit absorber de façon dissipative la puissance réféléchie. Ce qui n'est pas nécéssairement le cas: l'étage peut en général fonctionner au moins partiellement dans plusieurs quadrants, et donc recycler vers l'alimentation une partie de la puissance de retour, un peu à la manière d'un redresseur synchrone.
Mais avec des réseaux de couplage bien étudiés, un étage en classe C peut parfaitement avoir un rendement effectif global de 80%.

[f6bes]

Au fait, s’il y a des profs intéressé(e)s, j’ai un joli TP/Labo où on mesure la vitesse de la lumière avec une règle en adaptant la longueur d’une antenne à λ/4. Précis à 1,5%!!! En cadeau de Noël pour un temps limité!

Bjr à toi,
Tu veux causer "mesure de longueur d'onde" ?
Cela:
http://pagesperso-orange.fr/f5zv/RAD...7f/RM07f01.htm ??
Bonne jounrée

[invitea3c675f3]

@Tropique : La décomposition en série de Fourier d’un signal carré allant de +1 à -1 donne pour la fondamentale un coefficient de 4/Pi, pour la troisième harmonique 4/3P1, 4/5Pi pour la cinquième…

Sur une impédance de 1Ω, pour simplifier les calculs, le carré a une puissance de 1W, la première harmonique a une puissance de (4/Pi)²/2 = 0,81 (le 2 au dénominateur provient de l’intégrale de sin x sur une période mise au carré). En adaptant cet émetteur à sa charge on perd la moitié des 0,81W, donc plus que 0,4W dans la charge.

Je sais que les alims à découpage qui ne sont rien de plus qu’une sorte de classe C atteignent des rendements de 80% et un peu plus, mais d’une part, à la différence de mon final de radio, on n’élimine pas les harmoniques et surtout on n’adapte pas les impédances. Comme une batterie de résistance R, le TRANSFERT MAXIMAL d’énergie est avec une charge de résistance R, le rendement en énergie est alors 50%, mais pour des charges plus résistantes, le rendement est bien supérieur.

Y a-t-il des erreurs dans ce raisonnement?

À F6bes : Dans mon TP on part d’un radio VHF de fréquence F d’une vingtaine de W auquel on branche un Bird puis une antenne dipôle. On coupe ensuite les deux côtés du dipôle pour le minimum de réfléchi; la longueur totale alors fait λ/2 on en déduit C = 0,8 λ/F. Je me fais toujours un plaisir de brandir une règle graduée avant de donner les explications et disant qu’aujourd’hui on va mesurer avec elle la vitesse de la lumière.

[f6bes]

À F6bes : Dans mon TP on part d’un radio VHF de fréquence F d’une vingtaine de W auquel on branche un Bird puis une antenne dipôle. On coupe ensuite les deux côtés du dipôle pour le minimum de réfléchi; la longueur totale alors fait λ/2 on en déduit C = 0,8 λ/F. Je me fais toujours un plaisir de brandir une règle graduée avant de donner les explications et disant qu’aujourd’hui on va mesurer avec elle la vitesse de la lumière.

Bjr à toi,
J'ai un doute sur le "0.8" ! Il est bien rare de "descendre" si bas (0.9/0.95)
D'une part plus ton dipole sera "massif" (gros diamétre), plus il aura tendance à se raccourçir "physiquement" (capacité "environnementale" plus grande).
J'y préfére le fil de lécher pour ce genre de démonstration.

A+

[Tropique]

Le raisonnement simpliste de la puissance maximale est trompeur, et a déjà fait des dégâts considérables, aussi bien sur le plan pratique que théorique: que ce soit toi, ou le gars qui essaye de trouver des enceintes de 0.1ohm pour les adapter à son ampli, les victimes se comptent par milliers....

D'autre part, les harmoniques rejetées par un filtre ne finissent pas nécéssairement en chaleur: elles sont "réfléchies", mais peuvent soit facilter la commutation du transistor, soit être en partie réinjectées dans l'alimentation une partie du cycle. En fait, en général les deux se passent, ainsi qu'une certaine dissipation, qui doit normalement rester marginale.

L'adaptation de puissance ne consomme pas 50%: il ne faut pas oublier que c'est au stade du design que l'on décide de l'impédance de sortie de l'étage final, en fonction de la tension d'alim et de la puissance de sortie requise. C'est une valeur purement arbitraire et virtuelle: un étage sortant 10W aura p.ex. 20ohms, un étage en tous points identique sortant 20W aura 10ohms.

Ce qui est applicable à des circuits linéaires ne peut pas s'appliquer tel quel à des amplificateurs: on peut synthétiser l'impédance que l'on veut sans mettre de résistance physique, ou même d'équivalent dissipatif: les étages de sorties xDSL ont les amplis connectés directement à la ligne, et l'impédance apparente est créée électroniquement pour éviter de dissiper inutilement de la puissance: quand on a une "ferme" de DSLAMs totalisant des milliers de ports, ce n'est pas négligeable.

Il faut se souvenir, que pour une adapatation d'impédance, on doit présenter à la sortie son impédance complexe conjuguée, qui se trouve être la résistance de sortie si l'impédance est purement réelle. Mais c'est un cas d'école, très particulier (et curieusement, c'est toujours celui-là qu'on ressort). Dans la réalité, ce n'est jamais ainsi, et les réactances ne consomment pas de puissance.

[invitea3c675f3]

L’antenne est faite de deux brins tirés d’un deux paire torsadé téléphonique, c’est je crois du 22AWG soit 0,6mm de diamètre.

Le coefficient de 0,8 est expérimental, mais il correspond à la vélocité dans les câbles utilisées ne radio (RG213, RG214…)

On monte le dipôle sur une planchette de bois, la manip est très reproductible. Il ne s’agit pas d’une démonstration mais d’un laboratoire que font les élèves; on a dans notre école une quarantaine de radios neuf répéteurs dont cinq VHF multi couplés, j’attends après les vacances quatre duplexeurs pour quatre répétitrices UHF, évidemment, on aligne tout ça; on a aussi dix Birds et vingt moniteurs de service dont six avec tracking generators (IFR COM 120).

[invitea3c675f3]

Le raisonnement simpliste de la puissance maximale est trompeur, et a déjà fait des dégâts considérables, aussi bien sur le plan pratique que théorique: que ce soit toi, ou le gars qui essaye de trouver des enceintes de 0.1ohm pour les adapter à son ampli, les victimes se comptent par milliers....

Désolé, Tropique, je ne comprends pas bien ce que tu veux dire par là.

Je ne parle pas de bricolage d’amateur d’étage final classe C mais de radio FM Motorola, Kenwood ou autre fabriqués par millions et non modifiés. En particulier, leur impédance de sortie est parfaitement résistive à très proche de 50Ω comme le veut l’industrie et le confirme la mesure de réfléchi sur une Dummy load. Une ancienne répétitrice (GE mastr II, pour ne pas la nommer) ne présentait pas 50Ω résistifs en sortie, le fabricant a dû en vitesse produire un adaptateur externe. Peux-tu alors me dire en quoi est faux mon assertion qu’il y a une perte de 6dB entre un appareil radio et sa charge adaptée?

Merci pour les explications sur les harmoniques qui ne sont pas nécessairement perdues.

[Tropique]

L'ensemble réseau d'adaptation/transistor/charge de collecteur se comporte comme une résistance synthétique de 50ohms, à condition de fonctionner dans des conditions très proches de la normale: en circuit ouvert, la tension va augmenter d'une valeur différente de 6dB, généralement beaucoup plus, et en court-circuit, le courant ne va pas nécéssairement doubler non plus.
Par contre, si tout est adapté, et qu'on fait une mesure d'impédance, on va trouver tes 50ohms.
Ce ne serait pas le cas par contre d'un générateur RF, qui va se comporter idéalement comme une résistance, depuis une charge égale à 0 jusqu'à l'infini, et cela même si on fait la mesure en injectant une fréquence différente de celle de sortie.
Un émetteur, sauf rares exceptions, n'aura son impédance nominale que dans une plage de conditions très limitées.
L'impédance est synthétisée par l'effet de commutation du transistor: on sait qu'une capacité commutée peut dans certaines conditions se comporter comme une résistance, c'est la même chose pour une self, ou même tout un réseau ou filtre. Comme ces composants sont non-dissipatifs, il n'y a pas de perte physique de 6dB.

[invitea3c675f3]

Je suis d’accord avec toi Tropique que rien n’est parait en ce bas monde. Cependant, si tu prends un émetteur VHF et que tu mesures son réfléchi (ROS) sur une charge fictive de 50Ω, tu ne mesureras jamais de réfléchi significatif.

Cependant, que l’adaptation soit faite entre un générateur et une charge par vingt bobines/capacités ou comme dans un GBF par une vraie résistance de 50Ω; que la perte soit dans le collecteur du final ou ‘ohmiquement’ dans deux 100Ω en parallèle, y a-t-il ou n’y a-t-il pas une perte de 6dB.

[Tropique]

Je suis d’accord avec toi Tropique que rien n’est parait en ce bas monde. Cependant, si tu prends un émetteur VHF et que tu mesures son réfléchi (ROS) sur une charge fictive de 50Ω, tu ne mesureras jamais de réfléchi significatif.

C'est tout à fait normal: ta charge fait 50ohms, ton câblage fait 50ohms, et le coupleur directionnel de ton powermeter est équilibré pour 50ohms.

Si tu mets la sortie de l'émetteur (non excité!) sur un VNA et que tu mesures l'impédance, tu verras probablement quelque chose de très différent (pour la classe C; si c'est un étage linéaire, ce sera 50ohms, mais seulement autour de la fréquence d'émission)

Cependant, que l’adaptation soit faite entre un générateur et une charge par vingt bobines/capacités ou comme dans un GBF par une vraie résistance de 50Ω; que la perte soit dans le collecteur du final ou ‘ohmiquement’ dans deux 100Ω en parallèle, y a-t-il ou n’y a-t-il pas une perte de 6dB.

Si tu veux dire par là que pour 1W envoyé dans la charge, il y aura automatiquement 1W dissipé dans l'émetteur, non.

Si tu te bases sur la comparaison des niveaux circuit ouvert/circuit en charge, peut-être, mais plus probablement pas: la tension risque de monter beaucoup plus que prévu si on débranche la charge, peut-être même à des niveaux destructifs.

[invitea3c675f3]

Je n’ai pas d’analyseur de réseau, mais à la première occasion je mesure l’impédance de sortie d’un tel émetteur. Je vais aussi mesurer le rendement des émetteurs que j’ai sous la main.

En ce qui concerne la perte dans un géné d’impédance R chargé à R, je vais mettre beaucoup de tabac dans mon fourneau et penser à ça.

[f6bes]

L’antenne est faite de deux brins tirés d’un deux paire torsadé téléphonique, c’est je crois du 22AWG soit 0,6mm de diamètre.

Le coefficient de 0,8 est expérimental, mais il correspond à la vélocité dans les câbles utilisées ne radio (RG213, RG214…)

.

Bjr à toi,
Heu le coefficient de vélocité (là 0.8) du cable d'ALIMENTATION (50 ohms) de l'antenne, n'a rien à voir avec le coefficient de RACCOURCISSEMENT de ton dipole (0.95 dans la plus part des cas).

C'est DEUX choses différentes !

A+

[invitea3c675f3]

@ F6bes : je sais que la vélocité dans le câble a à voir avec le diélectrique; peux-tu préciser le coefficient de raccourcissement. Ceci dit, on arrive très proche de C pour mon dipôle avec un coefficient de 0,8.

Pour tout te dire, j’ai appris sur les antennes au travers des branches certaines choses, comme le fait que le diamètre du tube en lesquelles elles sont construites donne une plus grande largeur de bande sans compromis avec l’impédance ou le rendement, que les antennes vieillissent à cause de l’oxydation en surface… Bien des choses qui me semblent assez empiriques par faute de nombreuses recherches sur le sujet.

[f6bes]

Bjr à toi,
Une antenne ISOLEE de tout élément pertubateur environnemental a une longueur physique égale à la longueur d'onde électrique.
Ca c'est la théorie.
Le hic c'est qu'une antenne faut la sustenter (antenne filaire longue). Pour cela faut des isolateurs aux extrémités.
Ces isolateurs apportent de la capacité à l'antenne et la rallonge artificiellement.
Faut donc REDUIRE dans la meme proportion cet allongement pour retrouver la longueur électrique.
En général cela se situe entre entre 0.93 et 0.97 en tant que coefficient de réduction.

Antenne non filaire :
En général se type d'antenne se trouve à partie des bandes hautes HF (15 à 30 Mhz) et au delà (VHF etc...).
Là plus d'isolateur aux extrémités, MAIS diamétre des éléments constitutifs relativement importants (c'est plus du "fil", mais des "tubes").
L'effet capacitif n'est plus du aux isolateurs (y en a plus !) ,mais aux diamétres importants des éléments. Là aussi , faut un coefficient "modérateur" pour retrouver les longueurs électriques.

Coefficient de vélocités des cables (pro): en général on trouve cette information dans les caractéristiques des cables. Généralement égal à 0.66 pour les cables à diélectrique plein.
Pour les cables aérés (air com ...) ou à isolation "mousse" ce coef remonte vers 0.8.

Mais le coef des cables , n'a rien à voir avec le coef de raccourcissement des antennes.
Tu peux alimenter la MEME antenne avec du cable à "0.66" ou à "0.8" , suffit que l'impédance soit la MEME.
Et ce n'est pas parce que tu vas modifier la "nature" de ton cable que tu vas modifier les cotes de ton antenne (0.95).
A+

[inviteede7e2b6]

Bien des choses qui me semblent assez empiriques par faute de nombreuses recherches sur le sujet.

fichtre.....

tu manques de références bibliographiques !

tu peux commencer par une des références francophones par un des spécialistes reconnus de l'Art :


http://www.elektor.fr/products/books...s.712414.lynkx

[invitea3c675f3]

Merci F6bes, mais en VHF 130-170MHz les antennes Marconi des mobiles font 60cm au plus, elles n’ont pas besoin de support. Sur les tours des sites radio on utilise plutôt des trombones repliés.

Merci Pixel pour la référence; quand je parle d’empirisme, je parle par exemple de la disposition du réflecteur et des directeurs pour un yagi, de l’influence du diamètre des tubes utilisés sur la largeur de bande…

[inviteede7e2b6]

Merci Pixel pour la référence; quand je parle d’empirisme, je parle par exemple de la disposition du réflecteur et des directeurs pour un yagi, de l’influence du diamètre des tubes utilisés sur la largeur de bande…

Le système de la Yagi est maitrisé depuis le p'tit père Hidetsugu Yagi et son élève, qui maitrisaient simplement les calculs des circuit couplés...

Calculs assez fastidieux que je me suis parfumé à la règle à calcul et table de log y'a bien longtemps, mais, depuis l'informatique, on sait modéliser une telle antenne en 3 coups de mulot :

http://www.eznec.com/

[polo974]

Il y a des softs de calcul d'antenne:
(au hasard ou presque) http://radio-bip.qc.ca/NEC2/nec2.html

Pour calculer la vitesse de la lumière avec une tablette de chocolat (en plus du décimètre):

fondre la tablette sur une assiette supportant le micro-onde.
virer le plateau tournant du micro-onde (ok, j'ai pas dis qu'il fallait une assiette et un micro-onde)...
micro-onder le chocolat quelques secondes.
On voit apparaitre les noeuds des ondes stationnaires, on peut donc mesurer et déduire la vitesse d'après la fréquence du micro-onde.

(c'est pas moi qui ai trouvé le truc, je l'ai juste lu sur le net...)

[f6bes]

Merci F6bes, mais en VHF 130-170MHz les antennes Marconi des mobiles font 60cm au plus, elles n’ont pas besoin de support. Sur les tours des sites radio on utilise plutôt des trombones repliés.

Merci Pixel pour la référence; quand je parle d’empirisme, je parle par exemple de la disposition du réflecteur et des directeurs pour un yagi, de l’influence du diamètre des tubes utilisés sur la largeur de bande…

Bjr à toi,
J'entends bien qu'en VHF pas besoin d'isolateur aux extrémités. Mais c'est pas un bout de fil de 1mm de diamétre !! Ca ferait spagetti trop cuit !!
Donc MEME là il y a coef de correction.
Si on utilise des "trombones" c'est pour une question de largeur de bande suivant l'utilisation souhaitée.
Tes trombones eux aussi (surtout ceux de ton lien) sont "corrigés" vu leur diamétre !

Si tu veux t'amuser télécharge le logiciel MANNA (calcul d'antenne).
http://www.google.fr/url?sa=t&source...WoIxcVJYEq0cAg
A+