Chapitre 6 Transmission atmosphrique

1
Chapitre 6Transmission atmosphérique
Ref. S. R. Saunders, Antennas and Propagation
for Wireless Communications Systems, Wiley, 1999
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Canal atmosphérique
GR
GT
L
PT
PR
LR
LT
emitter
receiver
Où PR est la puissance au récepteur PT est la
puissance à lémetteur GT est le gain de
lantenne émettrice (dBi) GR est le gain de
lantenne réceptrice (dBi) L sont les pertes
despace LT,R sont les pertes du feeder
(émetteur, récepteur)
3
Plan
Transmission atmosphérique - Canal de
transmission - Concept despace libre - Effets
troposphériques atténuation par les gaz
atmosphériques atténuation par la
pluie réfraction scintillation atténuation par
les nuages dépolarisation par la pluie - Plasma
et ionosphère Utilité Systèmes de communication
- bilan de liaison
4
Plan
Transmission atmosphérique - Canal de
transmission - Concept despace libre - Effets
troposphériques atténuation par les gaz
atmosphériques atténuation par la
pluie réfraction scintillation atténuation par
les nuages dépolarisation par la pluie - Plasma
et ionosphère Utilité Systèmes de communication
- bilan de liaison
5
Canal de transmission
Le canal de transmission est le support
permettant de transmettre linformation -
cables coaxiaux - paires téléphoniques - guides
donde - fibres optiques - troposphère - vide On
sintéressera ici à tout ce qui concerne
latmosphère et lespace.
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Le concept despace libre

• Transmission dans un canal
• - dépourvu de perturbations (absorption,
  réflexion, réfraction, diffraction)
• - infiniment loin de la terre (son coefficient de
  réflexion est négligeable)
• le signal arrivant au récepteur est uniquement
  fonction de la distance à lémetteur
• loi de rayonnement en fonction de linverse du
  carré de la distance (optique)

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Propagation des ondes radio en espace libre
En labsence de charges et de courants, les
champs électrique et magnétique sont solutions de
léquation de Helmholtz avec k2 w2
em Solutions ondes planes uniformes ondes
sphériques ondes cylindriques
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Ondes planes TEM
Ondes planes TEM
avec
ak direction de propagation
Dans un milieu sans pertes
Choix propagation selon z
9
Ondes planes TEM
propagation selon z
Les surfaces à phase constante sont des plans
10
Ondes planes TEM
Impédance donde
Espace libre
Vitesse de phase
11
Ondes planes TEM
Milieu à pertes
a est la constante datténuation m-1 k est la
constante de propagation m-1 g a j k
12
Ondes planes
Propagation dans un milieu à pertes (conducteur
ou diélectrique à pertes)
La seconde équation devient
Et peut sécrire
avec
Deux cas particuliers
bon conducteur
bon diélectrique
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Ondes planes
Constante datténuation
Expression simplifiée pour
un bon diélectrique
un bon conducteur
14
Ondes planes
Nombre donde
Expression simplifiée pour
un bon diélectrique
un bon conducteur
15
Ondes planes
Impédance donde
Expression simplifiée pour
un bon diélectrique
un bon conducteur
16
Ondes planes
Vitesse de phase
Expression simplifiée pour
un bon diélectrique
un bon conducteur
17
Polarisation
Lalignement du vecteur champ électrique dune
onde plane relativement à la direction de
propagation définit la polarisation de londe.
Polarisation verticale E aligné selon x (axe
vertical)
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Polarisation
E reste selon axe H ou V en fonction du temps
horizontale
verticale
circulaire
E tourne dans plan (x,y) en fonction du temps
elliptique
Rapport axial
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Polarisation
Représentation mathématique de la polarisation
(phaseurs)
20
Plan
Transmission atmosphérique - Canal de
transmission - Concept despace libre - Effets
troposphériques atténuation par les gaz
atmosphériques atténuation par la
pluie réfraction scintillation atténuation par
les nuages dépolarisation par la pluie - Plasma
et ionosphère Utilité Systèmes de communication
- bilan de liaison
21
Propagation dans la troposphère
Comment modéliser la troposphère? Les
constituants sont les gaz (vapeur deau,
oxygène, azote,) milieu diélectrique
uniforme hydrométéores nuages pluie neige
grêle, milieu diélectrique uniforme
(dltltl) ???? ou distribution de diffuseurs
(dgtgtl) d est la dimension caractéristique de
s diffuseurs
22
Propagation dans les gaz
Milieu diélectrique uniforme
Polarisation dipolaire
O2-
H
polarisation p a tendance à saligner avec le
champ électrique pour le renforcer
H
D EP er E
23
Propagation dans les gaz
Milieu diélectrique uniforme
polarisation ionique et électronique
Effet résonant
Ions ou électrons
Absorption dénergie/puissance à la
résonance Entretien de loscillation des ions/e-
24
Propagation dans les gaz
Les pertes sont donc dues à la présence dune
partie imaginaire de la permittivité diélectrique
(même en labsence de conductivité)
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Propagation dans les gaz
Atténuation spécifique (dB/km) due aux gaz
troposphériques
60 GHz
O2
118 GHz
ga
183.3 GHz
H2O vapeur
22.3 GHz
26
Propagation dans les gaz
Le pic de loxygène autour de 60 GHz est en fait
composé dun grand nombre de pics rapprochés dans
la bande 57-64 GHz. Latténuation totale due aux
gaz se calcule par
rT correspondant à la longueur totale parcourue
dans la troposphère. En pratique, la
concentration des gaz décroissant
exponentiellement, on prend comme hauteur
équivalente 2 km pour la vapeur deau et 6 km
pour loxygène.
27
Propagation dans les gaz
ga
3 fenêtres de transmission pour satellites 1
fenêtre dabsorption comm. Indoor 60 GHz (LANs)
28
Plan
Transmission atmosphérique - Canal de
transmission - Concept despace libre - Effets
troposphériques atténuation par les gaz
atmosphériques atténuation par la
pluie réfraction scintillation atténuation par
les nuages dépolarisation par la pluie - Plasma
et ionosphère Utilité Systèmes de communication
- bilan de liaison
29
Propagation dans la pluie et les nuages
30
Propagation dans la pluie et les nuages
Dissipation de la puissance RF dans la goutte de
pluie par échauffement
Diffusion par gouttes de pluie
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Propagation dans la pluie et les nuages
Taille des hydrométéores
Type

Diamètre des gouttes
Brouillard

0.01
-
100

Nuages

1
-
50

Bruine

3
-
800

Pluie (4 mm/h)

3
-
1500

Pluie (16 mm/h)

3
-
3000



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Atténuation due à la pluie
Attenuation due à la pluie (ITU-R)
La puissance reçue par une antenne Pr diminue
exponentiellement avec la distance parcourue dans
la zone de pluie r
La perte de transmission en dB sexprime
On exprime souvent latténuation spécifique
(dB/m) par
33
Atténuation due à la pluie
où C(D) est la section efficace dabsorption de
la goutte N(D) est la distribution de la taille
des gouttes de pluie, par exemple la distribution
de Marshall-Palmer
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Atténuation due à la pluie
La section efficace datténuation des gouttes
dépend de la fréquence. Pour les gouttes de
faible diamètre (par rapport à l), l atténuation
est due majoritairement à labsorption par la
goutte, elle se calcule par la théorie de Rayleigh
A fréquence plus élevée, latténuation croît
moins vite avec la fréquence et tend vers une
valeur limite ( optical limit ). La diffusion
forme la majeure partie de latténuation. La
section efficace est calculée en utilisant la
théorie de Mie. La longueur donde est de lordre
de grandeur de la taille des gouttes de pluie et
des phénomènes de résonance se produisent.
35
Atténuation due à la pluie
Diagramme de diffusion par une goutte de pluie de
taille D0.5 mm (C(D), effective attenuation
cross-section)
Ex
10 GHz
5 GHz
l30 mm
20 GHz
15 GHz
D ltlt l Rayonnement de type dipôle dû à
pénétration champ ds goutte
36
Atténuation due à la pluie
140 GHz
150 GHz
130 GHz
l2.3 mm
180 GHz
160 GHz
170 GHz
D 0.5 mm l phénomène de diffraction le
champ se transmet latéralement de part et dautre
de la goutte, et sur sa surface ? Atténuation
surtout dans laxe de la direction de propagation
37
Propagation dans la pluie et les nuages
400 GHz
500 GHz
augmentation de la directivité
38
Atténuation due à la pluie
attenuation spécifique en dB/km, pour divers taux
de chute de pluie (mm/h)
39
Atténuation due à la pluie
Un modèle empirique est couramment utilisé afin
déviter le calcul de lintégrale g est supposé
dépendre directement de R (mm/h), le taux de
chute de pluie.
Les coefficients a et b dépendent de la fréquence
et de la température moyenne de la pluie. Ce
modèle est recommandé par l ITU-R (Rec ITU-838).
ITUInternational Telecommunication Union
40
Atténuation due à la pluie
41
Atténuation due à la pluie
Il reste à calculer la longueur rR du trajet dans
la troposphère.
rR
hr
hs
hs est laltitude de la station au sol hr est
laltitude effective de la zone de pluie
42
Atténuation due à la pluie
hR est la hauteur effective de la pluie
F est la latitude de la station au sol hs est
laltitude de la station au sol
La longueur de pluie traversée est donnée par
(ITU 618)
43
Atténuation due à la pluie
Si langle délévation est beaucoup plus faible
que 90, il est nécessaire de tenir compte de
lextension finie de la zone de pluie à laide du
paramètre s.
44
Atténuation due à la pluie
Le taux de chute de pluie nest pas une valeur
unique R varie en fonction du temps et de la
situation géographique. Le taux de chute de
pluie (mm/h) nest pas la quantité deau tombée
(mm)!!! - variation géographique le taux de
chute de pluie dépend du climat de la zone
géographique (par ex. tempéré maritime en
Belgique). Les variations temporelles sont liées
au climat. - variations journalières pluies plus
intenses pm (convection) - saisonnières pluies
les plus intenses en été - annuelles le taux
maximum peut varier fortement dune année à
lautre Conclusion utilisation de la
statistique de taux de chute de pluie
45
Atténuation due à la pluie
Le paramètre préconisé par lITU est
latténuation L0.01 non dépassée pendant 0.01 du
temps. Elle sexprime en terme de R0.01 qui est
le taux de chute de pluie dépassé pendant 0.01
du temps dune année ( 53).
(dB)
Et la relation suivante donne s0.01
On peut calculer latténuation dépassée pendant
un autre pourcentage de temps par la formule
suivante (0.001ltPlt1)
46
Zones de couverture des satellites
Atténuation atmosphérique dépassée pendant 0.1
du temps pour le système de satellites
non-géostionnaires Teledesic
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Plan
Transmission atmosphérique - Canal de
transmission - Concept despace libre - Effets
troposphériques atténuation par les gaz
atmosphériques atténuation par la
pluie réfraction scintillation atténuation par
les nuages dépolarisation par la pluie - Plasma
et ionosphère Utilité Systèmes de communication
- bilan de liaison
48
Propagation dans la pluie et les nuages
Réfraction due à la variation dindice de
réfraction en fonction de laltitude

• en tenir compte dans le bilan de liaison
• perte par mésalignement des antennes

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Plan
Transmission atmosphérique - Canal de
transmission - Concept despace libre - Effets
troposphériques atténuation par les gaz
atmosphériques atténuation par la
pluie réfraction scintillation atténuation par
les nuages dépolarisation par la pluie - Plasma
et ionosphère Utilité Systèmes de communication
- bilan de liaison
50
Scintillation due aux turbulences
fluctuations rapides de faible amplitude superposé
es à latténuation
Scintillation due à la présence de turbulences
troposphériques Changement dindice de
réfraction modifie amplitude et phase du signal
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Plan
Transmission atmosphérique - Canal de
transmission - Concept despace libre - Effets
troposphériques atténuation par les gaz
atmosphériques atténuation par la
pluie réfraction scintillation atténuation par
les nuages dépolarisation par la pluie - Plasma
et ionosphère Utilité Systèmes de communication
- bilan de liaison
52
Atténuation due aux nuages
Expression dérivée de celle donnée pour la pluie
Expression simplifiée recommandée par l ITU-R
K1 est le coefficient spécifique d atténuation
par la pluie (dB/km)(g/m3) (courbe donnée par
ITU-R) w est le contenu en eau liquide du nuage
(g/m3)
Le calcul du contenu en eau liquide des nuages
peut seffectuer à partir des profils verticaux
de température et dhumidité disponibles dans les
radiosondages (ECMWF).
53
Plan
Transmission atmosphérique - Canal de
transmission - Concept despace libre - Effets
troposphériques atténuation par les gaz
atmosphériques atténuation par la
pluie réfraction scintillation atténuation par
les nuages dépolarisation par la pluie - Plasma
et ionosphère Utilité Systèmes de communication
- bilan de liaison
54
Dépolarisation due à la pluie
si polarisation V mélange VH après zone de pluie
si polarisation Circ Droite mélange GD après
zone de pluie
Si Ea (V) incident Eac (V) Eax (H) reçus
55
Dépolarisation due à la pluie
Si Ea (V) incident Eac (V) Eax (H) reçus
Discrimination de polarisation (cross-polar
discrimination) Isolation de polarisation
56
Dépolarisation origine
Forme non isotrope des gouttes de pluie ? Nuage
milieu non isotrope ? tenseur de
permittivité
57
Dépolarisation par la pluie
XPD calculée par la recommendation ITU-R
f est la fréquence q est langle délévation t
est le tilt angle (polarisation par rapport à
lhorizontale) km dépend de la distribution du
canting angle des gouttes de pluie
58
Dépolarisation effet du vent
grand axe parallèle au sol sauf si vent
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Plan
Transmission atmosphérique - Canal de
transmission - Concept despace libre - Effets
troposphériques atténuation par les gaz
atmosphériques atténuation par la
pluie réfraction scintillation atténuation par
les nuages dépolarisation par la pluie - Plasma
et ionosphère Utilité Systèmes de communication
- bilan de liaison
60
Propagation dans lionosphère
Région située entre 50 et 2000 km
4 couches de concentrations dions N différentes
61
Propagation dans lionosphère
Le paramètre important est la concentration en
électrons N (électrons libres/m3), qui détermine
lindice de réfraction.
et fc est donnée par
Une réflexion apparente peut survenir si fltfc.
62
Propagation dans lionosphère
Courbure du faisceau due au gradient dindice de
réfraction créé par les différentes couches
dionosphère (gradient de N) En fait il sagit
bien dune cascade de réfractions
63
Propagation dans lionosphère
Lionosphère est un plasma, sa fréquence de
plasma max est de lordre de 7 MHz (Nmax7x1011
e-/m3). Dans le cas dun milieu ionisé
stationnaire (vitesse moyenne nulle), on trouve
une conductivité équivalente
où q est la charge de lélectron m est sa
masse r est la densité moyenne de charge
délectrons
La permittivité équivalente vaut dès lors
où
64
Propagation dans lionosphère
Le premier cas est celui des ondes
transverses pour lesquelles on trouve un exposant
de propagation avec
Cest la même expression que celle dun guide
donde qui aurait comme pulsation de coupure la
pulsation de plasma. Le deuxième cas est celui
dondes longitudinales pour lesquelles on trouve
e 0 il sagit alors doscillations se
produisant à la fréquence de plasma.
65
Propagation dans lionosphère
Un plasma peut être magnétisé par une induction
magnétique, on trouve alors un tenseur de
permittivité
avec
Le plasma se comporte donc comme un ferrite
magnétisé.
66
Propagation dans lionosphère
Ses propriétés sont donc semblables à celles du
ferrite - résonance à la fréquence cyclotron (au
lieu de la fréquence de Larmor) - permittivités
différentes pour des champs polarisés
circulairement en sens opposés - rotation de
Faraday pour une onde se propageant le long du
champ magnétique DC. Une onde se propageant dans
lionosphère subit donc une rotation de Faraday
due au champ magnétique terrestre.
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Effet dune polarisation circulaire
E-(t)
E(t)
?

• Polarisation circulaire permittivité
  scalaire e (k1 k2)
• Polarisation circulaire - permittivité
  scalaire e- (k1 - k2)
• ? vitesse de propagation, déphasage et pertes
  dépendent de la polarisation

?
68
Rotation de Faraday
Onde progressive rotation entre z0 et zL
Onde rétrograde rotation entre z0 et z-L
? angle de rotation sur distance L est
indépendant de direction de propagation
L
HDC
HDC
Horlogique p/r direction
Antihorlogique p/r direction

• sens de rotation p/r axe de propagation diffère
  selon direction de propagation
• effet non réciproque rotation de Faraday
  (circulateurs, isolateurs)

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Propagation dans lionosphère
Rotation de Faraday une onde polarisée
linéairement tournera durant son passage à
travers lionosphère due à la présence combinée
de N et du champ magnétique terrestre. Langle
de rotation est donné par
avec f en Hz, BavmHav champ magnétique terrestre
moyen (valeur typique Bav7 10-21 W/m2) et NT est
le TEC (Total Electron Content)
NT varie, au zénith, entre 1016 et 1018.
70
Propagation dans lionosphère
La variation dindice de réfraction impose une
variation de vitesse de londe et donc une
variation apparente de la distance
Ce qui équivaut à un délai de groupe
Comme il dépend de la fréquence, il génère une
dispersion
71
Propagation dans lionosphère
Lorsque le milieu nest plus stationnaire mais se
déplace à la vitesse moyenne v, on peut évaluer
leffet de la vitesse sur la propagation des
ondes ( interaction entre une onde em et un
faisceau délectrons). Se limitant aux ondes
longitudinales, on trouve une conductivité
scalaire conduisant à deux solutions pour
lexposant de propagation
Il existe donc deux ondes, appelées onde lente et
onde rapide. Elles ont la même vitesse de groupe
Et des vitesses de phase différentes
72
Plan
Transmission atmosphérique - Canal de
transmission - Concept despace libre - Effets
troposphériques atténuation par les gaz
atmosphériques atténuation par la
pluie réfraction scintillation atténuation par
les nuages dépolarisation par la pluie - Plasma
et ionosphère Utilité Systèmes de communication
- bilan de liaison
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Bilan de liaison
Liaison montante (satellite récepteur)
EIRP station terrienne 86.6 dBW pertes espace
libre L (17.6 GHz, 48) 208.9 dB atténuation due
à la pluie 12.0 dB G/T du satellite 7.7
dB/K (k 1.38 10-23-228,6 dBW/K Hz) SNR(dB)
EIRP(G/T)-k-LTOT 86.67.7228,6-208.9-1210
2 dB Hz
74
Bilan de liaison
Liaison descendante EIRP du satellite 57.0
dBW pertes en espace libre (12.5 GHz, 30) 206.1
dB atténuation atmosphérique (ciel clair) 0.14
dB G/T du récepteur 9.4 dB pertes par
dépointage (0.5) 0.6 dB pertes par
mésalignement de polarisation 0.04 dB k-228.6
dBW/K Hz SNR(dB) EIRP(G/T)-k-LTOT
57.09.4228,6-206.8888.12 dB Hz PR/N0 88.12
dB Hz PR/N 15.9 dB dans une bande de 16
MHz PR/N de référence du système 10 dB, cela
fait une marge de 5.9 dB
75
Bilan de liaison
Bilan de liaison en travaillant avec les
puissances de bruit
Puissance émetteur 20 dBW pertes circuit
émetteur 2 dB gain d antenne 51.6
dBi EIRP (PTGT) 69.6 dB pertes espace
libre 202.7 dB pertes atmosphère 4
dB pertes diverses 6 dB Received isotropic
power -143.1 dBW gain antenne
récepteur 35.1 dB pertes décentrage (lobe
antenne) 2 dB Puissance reçue PR -110
dBW Facteur de bruit du système F11.5
dB température du récepteur T3806 K35.8
dBK température d antenne TA300K 24.8
dBK température du système T4106K36.1 dBK G/T
(GR(dB)-T(dB)) -1 dB/K N0kTsys (4106K) -19
2.5 dBW/Hz PR/N0 82.5 dB Hz