propagation vhf/uhf/shf rolland fleury télécom bretagne 2014

PROPAGATION VHF/UHF/SHF

Rolland FLEURY

Télécom Bretagne

2014

Télécom Bretagne/Dépt MOpage 2 Télécom Bretagne/Dépt MOpage 2 Télécom Bretagne/Dépt MOpage 2page 2

Spectre radioélectrique

Bandes VHF-UHF-SHF

Télécom Bretagne/Dépt MOpage 3 Télécom Bretagne/Dépt MOpage 3 Télécom Bretagne/Dépt MOpage 3page 3

SOMMAIRE

Problématique Propagation en espace libre Propagation radioélectrique en visibilité directe Propagation radioélectrique en non visibilité L’atmosphère terrestre Influence de la troposphère sur la propagation L’ionosphère Influence de l'ionosphère sur la propagation

Télécom Bretagne/Dépt MO page 4 Télécom Bretagne/Dépt MO page 4 Télécom Bretagne/Dépt MO page 4page 4

Problématique

• En se propageant (complexité des environnements ), la puissance d’une onde électromagnétique diminue. L’affaiblissement total de propagation :

• Espace libre• Dispositifs entre E et R (lignes, antennes,…)• Facteurs d’environnement (gaz, hydrométéores, pluie,

brouillard, nuages, …)• Effets de masques dus aux obstacles (relief, bâtiment,

végétation, …)• Réflexion sur le sol• Interférences• Ionosphère (liaisons transiono), …


Problématique

A quoi sert un modèle de propagation ?• Estimer la portée d’un émetteur radio• Déterminer la qualité du signal reçu en fonction de la distance

et de l’environnement• Calculer le niveau d’interférence lorsque plusieurs émetteurs

coexistent• Déterminer et configurer les équipements nécessaires pour

assurer une couverture radio avec une capacité et une qualité de service suffisante.

Un modèle de propagation permet de déterminer la perte de propagation, qui relie la puissance reçue PR et la puissance émise PE, à partir de la fréquence, de la distance et des caractéristiques de l’environnement de propagation

Télécom Bretagne/Dépt MO page 6 Télécom Bretagne/Dépt MOpage 6 Télécom Bretagne/Dépt MOpage 6page 6

SOMMAIRE


Télécom Bretagne/Dépt MO page 7 Télécom Bretagne/Dépt MO page 7

Propagation en espace libre

Propagation antre A et B au sol Puissance rayonnée par A:• Au dessus de l’horizon vers l’espace• Suivant l’Horizon propagation avec absorption• Au dessous de l’horizon absorption ou diffusion vers l’espace

Définition d’un horizon radioélectrique D(km) h altitude de l’émetteur

• Géométrique

• Géométrie + atmosphère (4/3 RT)

Ex: A = pylône de 36m D=24.7km Ex: A = station de montagne à 1200m D=142.7km

)(57.3)( mhkmD

B reçoit de l’énergie de A ?

)(12.4)( mhkmD

)(57.3)( mhkmD



Propagation au-delà de l’horizon: phénomènes créant une modification de la direction de propagation de l’onde (polarisation)

• Réfraction: le signal s’incurve vers le sol (ex: troposphère)• Diffusion: à partir du milieu (irrégularités) ou d’objets (bâtiments,

végétation) – modifications désordonnées ou aléatoires • Diffraction: par des obstacles obstruant sur le trajet• Absorption: interaction avec le milieu - conversion de l’énergie EM en

énergie thermique

Diffusion



Exemple de propagation INDOOR



Exemple de propagation OUTDOOR



Onde radioélectrique

milieu phénomène

Onde de surface

f < 30 MHz

ionosphère Réflexion (bond), absorption f < 30 MHz

Réfraction (traversée) f < 100 MHz

Diffusion f qq GHz

troposphère Propagation en visibilité (LOS)

Atténuation atmosphérique f > 10 GHz

Diffraction f < 5 GHz

Diffusion (GHz)



Equation fondamentale des télécommunications (formule de FRIIS)

• Ge, Gr gains antennes émission et réception• Pr puissance reçue et Pe puissance émise• λ longueur d’onde• d distance émetteur-récepteur Affaiblissement en espace libre (‘AEL’ ou ALE)

avec f (Mhz) et d (km) Application:• d=1 km: +20 dB quand f*10• f=1 GHz: +20 dB quand d*10

2

r4

P

dGGP ree

2

4

dAEL

dfdBAEL 1010 log20log2044.32)(


Propagation radioélectrique en visibilité directe

‘Line of Sight’ (LOS) = Phénomène de diffraction négligeable

Solution: famille d’ellipsoïde avec E et R comme foyers

EM + MR = ER + nλ/2 (phase stationnaire)

n=nb entier qui caractérise l’ellipsoïde de Fresnel (n=1 est la première)

λ=longueur d’onde



Exemple de modèle LOS



Le rayon de la 1ére ellipsoïde r1(m)

Valeur maximale

Le rayon est inversement proportionnel à la fréquence: il faut élever d’autant plus les antennes que les fréquences sont basses

Propagation en visibilité directe (LOS) : Aucun obstacle ne doit se trouver à l’intérieur de la 1ère ellipse de Fresnel

Exercice: d=50 km

onde f λ R max commentaire

lumière 6THz 0.5μm 8cm Notion de rayon

centimétrique 6Ghz 5cm 25m pylônes

hectométrique 0.6Mhz 500m 2.5km Pas possible

21

211

dd

ddr

dR 2

1max


Propagation radioélectrique en non visibilité

Diffraction par une arête vive• Arête sans épaisseur au sommet, de hauteur h par rapport à la

ligne droite ER

• Variable

• puissance reçue : Po en espace libre et P avec l’arête

)2

1

1

1(

2

ddh



Rapport des puissances

ξ(ν) et η(ν) : intégrales de Fresnel

Atténuation due à la diffraction par une arête



Commentaires• ν=0 E, sommet arête, R alignés : P/Po=-6dB (et pas -3dB)

(0.25 en linéaire)

• ν >0 obstruction

P/Po décroit régulièrement lorsque l’obstruction augmente

• ν <0 sommet de l’arête au dessous de ER

P/Po tend en oscillant vers Po

• Existence de d’autres modèles : Millington, Epstein-Peterson, Deygout, arêtes multiples, sommets arrondis, …


SOMMAIRE



L’atmosphère terrestre

> 600 km EXOSPHERE Collisions peu fréquentesParticules en orbites balistiques)

80-600 kmTHERMOSPHERE Ionisation par le rayonnement solaire X-EUV IONOSPHERE

30-80 km MESOSPHERE Absorption des rayons solaires UV par l’ozone

11-30 km STRATOSPHERE Turbulence

0-11 km TROPOSPHERE Phénomènes météorologiques



Atmosphère standard• Équilibre hydrostatique

p = pressionm = masse des particulesg = accélération de la pesanteurh = altitudek = constant de BoltzmannT = temperaturenp = concentration des particules (nb particules/m3)

.pdp n mg dh h + dh

hS=1

- npmg dh

dp


• Hypothèse des gaz parfaits :


pp n kT 1dpdh

p H

.pdp n mg dh

kTH

mg

pp n kT

0

01

exp( ')h

h

p h p dhH

0 exp( )p p z

= Hauteur d’échelle

0h hz

H

= hauteur réduite

– Approximation : H indépendant de h



Réfraction• Indice de réfraction: très proche de l’unité (ex. au sol n=1,000315)

• Coindice de réfraction 6( 1) 10N n

52

77,63, 73 10

eN p

T T

52

77,6s 72 3, 75 10ec

ep

eN

TT T

epp sec

n = indice de réfraction de l’air

T = température absolue (en K)

p = pression totale (en hPa)

e = pression partielle de vapeur d’eau (en hPa)

terme sec terme humide

rrn



• Variation avec l'altitude

- Le modèle exponentiel

h = altitude au-dessus du niveau de la mer

H0 = 7,6 km = Hauteur d’échelle

Au niveau de la mer : N0 = 315 (n0 = 1,000315)

- Gradient vertical

00

( ) exph

N h NH

0

1( )

dNN h

dh H 10

0040

h

NdNkm

dh H


SOMMAIRE



Influence de la troposphère sur la propagation

Courbure des rayons

Les rayons s'éloignent de la normale vers les altitudes croissantes

Courbure positive : concavité orientée vers la surface de la terre

Erreurs de dépointage faibles Ex.: Δθ < 0,1° pour θ = 10°

n>1

n=1

6 1

040 10 0

h

dnkm

dh

Direction apparente

Direction réelle

Horizontale



Allongement apparent du trajet• Courbure du rayon (négligeable)• Vitesse de propagation v < c

Retard de propagation

Allongement dû à l'air sec pour un trajet zénithal : ΔL ≈ 2,3 m

Allongement dû à la vapeur d'eau pour un trajet zénithal : variable, de l'ordre de 10 cm

Oblique : 3-4 m à 50°, 12-15 m à 10°, ≈100 m à 0°

dlnc

LLc

tL 1

110

L0

L

dllNLLL )(10)( 60

L



Trajectoire des ondes radioélectriques en fonction du gradient du co-indiceLa courbure est proportionnelle au gradient d’indice (au signe prés)

Gradient = -39u atmosphère standardRayon de courbure = 8500 km (Rt*4/3)

Gradient > -39u infra-réfractionSi =0 atmosphère linéaire trajectoires=droites

Gradient < -39u super-réfraction

• Gradient = -157u : trajectoires // Terre • Gradient < -157u : propagation guidée (réflexions au sol)

(brouillages) r=Rt

Q : faire la représentation avec r=(4/3) Rt, en terre plate.



Affaiblissement dû au gaz atmosphériques• Absorption par la vapeur d'eau

Alignement des molécules d'eau polarisées dans la direction du champ électrique de l’onde em

• Absorption par l'oxygène moléculaire (air sec) Présence d'un moment magnétique

• Dépendance en fréquence

- L'absorption moyenne croît avec la fréquence

- Pics d'absorption (résonances avec les modes propres de vibrations des molécules)

H+ H+

0--

E

Fréquences de résonance (GHz)

O2 ≈ 60 118,7

H2O 22,3 183,3 323,8



• Affaiblissement linéique (dB/km)- Air sec (O2) : o

- Vapeur d'eau : w

Q : Affaiblissement linéique dus aux gaz de l’atmosphère à 10 et 60 GHz ? [UIT-R P676]Réponse: 0.01 dB/km à 10 GHz, 15 dB/km à 60 GHz

• Variations de avec l’altitude

Modèle exponentiel

Ho = 6 km Hw = 2 km

wo

(d

B/k

m)

( ) (0)expo oo

hh

H

( ) (0)expw ww

hh

H

f (GHz)



• Affaiblissement total

- Cas général

- Affaiblissement total dans la direction du zénith

- Atmosphère équivalenteAtmosphère homogèned'épaisseur H

( ) ( ) ( )o wL L

A l dl l l dl

0 0 0

( ) ( ) (0) exp (0) expo w o o w wo w

h hA h h dh H H

H H

wwoo HHA )0()0(

(0)

H

h



• Affaiblissement sur un trajet oblique

Loi de la sécante :

= angle d’élévation ( > 5°)

( )sin sin sino dBw z

o whh A

A

h/sin

h



Affaiblissement dû aux hydrométéores• Hydrométéores : Pluie, neige, grêle, brouillard, nuages

• Mécanismes d'affaiblissement

- Absorption (pertes ohmiques)

- Diffusion de l'onde par les gouttes d'eau0 dB

-10 dB

-20 dB

-30 dB

0 1h 2h 3h 4h 5h6h

Evanouissements d’amplitude (dB) à 30 GHz dus à la pluie (Olympus)

Pluie stratiforme et convective

0 dB

-8 dB



• Affaiblissement dû à la pluie

Dépend des caractéristiques des gouttes d'eau en chaque point du trajet

• Statistique de pluie (dépend du lieu)

- Intensité de pluie dépassée p% du temps : R p (mm/h) [UIT-R P837]

- Hauteur de pluie hR (altitude du sommet de la zone de pluie) [UIT-R P839]

- Taille moyenne des cellules de pluie

• Modèle empirique d'affaiblissement dû à la pluie

[UIT-R P838]

k et α = f(fréquence, polarisation)

kRR

Affaiblissement linéique (dB/km) fonction de la fréquence en polarisation circulaire (Paramètre : Intensité de pluie R)

1 10 100 1 1031 10

3

0.01

0.1

1

10

100

R=150 mm/hR=100 mm/hR= 50 mm/hR= 25 mm/hR= 5 mm/hR= 1,25 mm/hR= 0,25 mm/h

fréquence (GHz)

Aff

aibl

isse

men

t lin

éiqu

e (d

B/k

m)



• Calcul de l'affaiblissement sur un trajet oblique

On pose :

Le(L, R) = longueur équivalente du trajet

( )L

A x dl dB

R eA L

hR

0x

L

Pluie

glace

Télécom Bretagne/Dépt MO page 36


UIT-R P.618: calcul de l’affaiblissement suivant 9 étapes pour un trajet oblique, un emplacement donné, f < 55 GHz, avec les statistiques d’intensité de pluie pour 0.01% d’une année moyenne

…



UIT-R P.837: R, taux de pluie (mm/h) dépassé pendant 0.01% de l’année moyenne



UIT-R P.839: hR, altitude moyenne de pluie au dessus du niveau de la mer (isotherme 0°C)



Exemples d’affaiblissements fonction intensité de pluie R

R=73.2mm/h R=9.3mm/h



• Affaiblissements dû aux autres hydrométéores

- Nuages – brouillard

M = concentration en eau liquide

- Neige – glace – Affaiblissement faible– TranspolarisationDécouplage de polarisation : Ec = champ copolaire

Ac = Affaiblissement copolaire

Ex = champ contrapolaire

2c Kf M

f (GHz) 3 10 30 100 300

A (dB) 0,009 0,09 0,77 5,5 10,2

cx

x

ED

E

.logx cD U V A



Scintillations troposphériques• Scintillations : fluctuations rapides (

seconde) du signal reçu en amplitude, phase et direction d'arrivée

• Origine : Variations locales de n dues à la turbulence

• Dépendances

L'amplitude des scintillations augmente quand:

- f croît

- L croît

- L'ouverture de l'antenne diminue

temps (s)

Scintillations d’amplitude (dB) à 30 GHz(Olympus)


SOMMAIRE




> 600 km EXOSPHERE Collisions peu fréquentesParticules en orbites balistiques)

80-600 kmTHERMOSPHERE Ionisation par le rayonnement solaire X-EUV IONOSPHERE

30-80 km MESOSPHERE Absorption des rayons solaires UV par l’ozone

11-30 km STRATOSPHERE Turbulence

0-11 km TROPOSPHERE Phénomènes météorologiques


L'ionosphère

Morphologie• Profil vertical d'ionisation

- Région F la plus ionisée

- Nmax = qq 1012 el/m3

- hmax = 200-400 km

- Constituant principal : O+

• Variabilité

L'ionisation dépend du rayonnement solaire cycles diurne, saisonnier, activité solaire

F

E

D


0

10

20

30

40

50

70

60

TEC1016

m-3

L'ionosphère

• Variations géographiques- Influence du champ géomagnétique- Profil latitudinal en double bosse ("Anomalie" équatoriale)- Zones aurorales : précipitations de particules en provenance du vent solaire


SOMMAIRE



= Neex

Influence de l'ionosphère sur la propagation

Fréquence plasma Séparation électrons-ions d'une

lame de plasma : Condensateur plan

Equation du mouvement d'un électron

Oscillations de relaxation

Fréquence plasma :

eE

x

0

eN exE

0 0

eN exE

2

0

eN emx eE x

22

0

ep

N e

m

)(9)( 3 mNHzf ep


Equations de Maxwell :

Courant de déplacement :

Courant de conduction :


Effet de la réfraction• Indice de réfraction

Equation du mouvement d'un électron :

d cH J J

0dD

J j Et

c eJ N eve

x v j v Em

2

ev j E

m

2

2e

cN e

J j Em

22

0 02 20

1 1 ped c

N eJ J j E j E

m



Identification à un milieu diélectrique de permittivité :

Indice de réfraction :

Pour f > 100 MHz :

22

0 02 20

1 1 pec d

N eJ J j E j E j E

m

2

0 21 p

0

n

2

21

pn

21 eN

n af

a = 40.3 m3Hz2



0.99996 0.99998 10

200

400

600

800

1000f = 1 GHz

n

Alti

tude

(km

)

0 5 1011

1 1012

0

200

400

600

800

1000

Ne (el/m2)

Alti

tude

(km

)

Remarques : n=n(f) : l'ionosphère est un milieu dispersif en fréquence

n < 1 v > c



0dn

dh

0dn

dh

• Courbure des rayons

Pour h < hm :

Les rayons s'écartent de la normale

Pour h > hm :

Les rayons se rapprochent de la normale



• Avance de phase

Déphasage d'une onde sur une distance ds :

P = Longueur du chemin de phase (longueur à parcourir par une onde dans le vide pour avoir un déphasage )

. .d k ds ds n dsv c

0. 2

S

Pn ds P

c c

.S

P n ds

• Raccourcissement du chemin de phase (par rapport à une propagation dans le vide)

NT = Contenu électronique total (CET)

1S

P P L n ds

21 eN

n af

2 eS

aP N ds

f

e e TS L

N ds N dl N



• Décalage Doppler

- fDg = Doppler géométrique (dû au mouvement relatif E-R)

- fDi = Doppler ionosphérique (dû à l’évolution temporelle du milieu)

1

2Dd f dP

fdt c dt

TD

DiDgD

dNa

cf dtf

f

f d

d

f

L

c t

f

– Contenu Electronique Total (CET)

T e

L

N N dl

L

s=1

NT

Poster.pptx



• Retard de groupe

- Indice de groupe

Vitesse de groupe :

Indice de groupe :

gvk

k nc

gg

cn

v

gk

n c c n nc

gn nff



- Indice de groupe de l'ionosphère

- Chemin de groupe

Allongement du chemin de groupe (même quantité absolue que celle du chemin de phase)

1/ 22 21/ 2 22 2

2

1 2 1 1

21

g p

pp

nn

21 e

gN

n af

2g g TS

aP n ds L N

f

2g g Ta

P P L P L Nf



• Retard d'une impulsion (par rapport à la propagation dans le vide)

• Ex: estimer le retard de propagation et celui lié à l’ionosphère pour un satellite GPS à 24000 km, f=1.6Ghz et NT=50 tecu?

Tgeom=24000/3*105=80 ms Tiono=aNT/c/f2=26 ns

2

1g g T

at P L N

c cf



Effet Faraday• Gyrofréquence

= gyrofréquence

Pour les électrons fH 1,4 MHz

20H H H He r B m r

H

e

mB 0

2H

Hf



• Modes magnéto-ioniques (YT=0)

- n+ : indice du mode ordinaire (O)

- n_ : indice du mode extraordinaire (X)

- Chaque mode se propage indépendamment avec son indice

2 11 L

Xn

Y

2

2NX

cosHLY

0,k B

Rotation du plan de polarisation

0( )

sn n

4

2

2.36 10TMN

f



10 2

1

10

10 3

10 4

10 – 1

10 – 2

10 16

10 17

10 18

Fréquence (GHz)

Ang

le d

e ro

tatio

n Fa

rada

y (r

ad)

Rotation Faraday en fonction du CET et de la fréquence

1 0,1 0,2 0,5 2 5 10 0,3 0,4

10 19 él/m 2



Scintillations ionosphériques

Scintillations Scintillations

d’amplitude de phase



Amplitude

Phase

f = 378 MHz


P = puissance du signal = moyenne temporelle de P

scintillations faibles

régime de saturation


• Indice de scintillations

22 2

4

P PP PS

P P

P3,00 4 S

4 1S

DOULA (Cameroun) ISM/ESA Libreville (Gabon) IGS



• Dépendance en fréquence

• Profondeur d’évanouissement

1.26427.5flucP dB S

4 1.5

1S

f

f =1.7 GHz

f =11.5 GHz

f =136 MHz

f = 4 GHz

CET



• Occurrence de la scintillation

Profondeur d’évanouissement résultant de la scintillation d’amplitude


Récapitulatif des effets ionosphériques

Rotation Faraday 1/f 2 108° 12° 1,1°

Temps de propagation en excès

1/f 2 0,25 ms 0,028 ms 0,0025 ms

Réfraction 1/f 2 < 0,6¢ < 4,2² < 0,36²

Variation de la direction d'arrivée (valeur quadratique moyenne)

1/f 2 12² 1,32² 0,12²

Absorption (aurorale et/ou calotte polaire)

»1/f 2 0,05 dB 6 x 10–3 dB

5 x 10–4 dB

Absorption (latitudes moyennes)

1/f 2 < 0,01 dB < 0,001 dB < 1 x 10–4 dB

Dispersion 1/f 3 0,0004 ps/Hz

1,5 x 10–5

ps/Hz4 x 10–7 ps/Hz

Effet Dépendance en fréquence

1 GHz 3 GHz 10 GHz

Scintillation (latitudes équatoriales)

> 20 dBcrête-à-

crête

» 10 dBcrête-à-

crête

» 4 dBcrête-à-

crête

Valeurs maximales estimées des effets ionosphériques pour unangle d'élévation d'environ 30° dans le cas d'une propagation dans un seul sens

Télécom Bretagne/Dépt MO page 66 Télécom Bretagne/Dépt MO page 66 Télécom Bretagne/Dépt MO page 66

Effet de la propagation pour le système GPS

Mesure de temps == longueur de chemin de groupe R

R= r + ΔR

r = longueur géométriqueΔR du aux milieux, assimilable à un biais d’horloge satellite= pas de correction multi-satellites possible

Correction par modèle (troposphère + ionosphère)R = r + ΔR tropo + ΔR iono + ΔR autres

Correction bi-fréquenceR1 = r + ΔR tropo + aNT/f1

2

R2 = r + ΔR tropo + aNT/f22

• La longueur géométrique corrigée de l’effet ionosphérique

r=(f12(R1- ΔR tropo )- f2

2(R1- ΔR tropo ))/(f12-f2

2)

• Le contenu total électronique déduit

aNT=(R1-R2) f12f2

2/(f12-f2

2)


Bibliographie

Boithias L., Propagation des ondes radioélectriques dans l’environnement terrestre, Collection technique et scientifique des télécommunications, Dunod, 1984.

Castanet L,Lassudrie-duchesne P., Propagation des ondes radioélectriques à travers l’atmosphere, Techniques de l’Ingénieur, E1163,2008.pdf

Davies K., Ionospheric Radio, IEE Electromagnetic Waves Series 31, Peter Peregrinus Ltd, 1990.

Hall M.P.M., Barclay L.W., Radiowave Propagation, IEE Electromagnetic Waves Series 30, Peter Peregrinus Ltd, 1989.

Lavergnat J., Sylvain M., Propagation des ondes radioélectriques, Masson, 1997. Saunders S.R., Antennas and Propagation for Wireless Communication Systems,

John Wileys & Sons, Ltd, 1999. Sizun H.,propagation des ondes radioélectriques des réseaux terrestres,

Techniques de l’ingénieur, E1162,2008.pdf Collectif CNES-CNET, Télécommunications spatiales, I-Bases théoriques.

Collection technique et scientifique des télécommunications, Masson. UIT-R, Recommandation P.618-9. Propagation data and prediction methods

required for the design of Earth-space telecommunication systems

propagation vhf/uhf/shf rolland fleury télécom bretagne 2014

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