Télécommunications vlf/lf et outils numériques

LES TÉLÉCOMMUNICATIONS EN VLF/LF

Les télécommunications très basses fréquences regroupent plusieurs domaines d’expertise tels que la simulation d’antennes, la maîtrise de fortes puissances, la propagation ionosphérique mais encore la physique des orages, le traitement du signal, la connaissance des différents environnements radio électrique et l’électronique embarquée des antennes de réception. Nous allons nous attarder dans cette partie sur certains de ces domaines pour donner un aperçu du fonctionnement d’une liaison radioélectrique VLF/LF. Nous regarderons dans un premier temps comment ces ondes se propagent, quelles sont les difficultés rencontrées à la réception, quels sont les systèmes d’émissions et les moyens mis en œuvre pour leur étude et leur amélioration.

Propagation VLF/LF

La propagation des ondes électromagnétiques est un phénomène complexe qui dépend fortement de l’environnement et des propriétés intrinsèques à chaque gamme de fréquences. La propagation VLF/LF s’effectue en deux temps :
➢ propagation par onde de sol ou de surface
➢ propagation par onde de ciel ou ionosphérique (la plus importante).

Les ondes de sol ou de surface se propagent par diffraction autour de la surface terrestre jusqu’à 1000 km environ. L’efficacité de la propagation dépend de l’absorption des ondes. La nature du sol et les alternances Terre / Mer rencontrées sur le trajet conduisent à d’importantes perturbations de phase, d’amplitude de polarisation et de vitesse, notamment le long des côtes (c’est ce qu’on appelle l’effet « littoral »). Sur mer, les perturbations sont plus faibles et la propagation plus régulière. La propagation des ondes VLF/LF s’effectue principalement dans le guide d’onde ionosphérique limité d’une part par le sol (caractérisé par sa conductivité) et d’autre part par les couches de l’ionosphère (les couches D et E pour la gamme de fréquences VLF/LF). Nous allons détailler les phénomènes physiques, l’évolution des théories permettant la compréhension et la modélisation de ce canal de transmission ainsi que les moyens d’étude.

Propagation Ionosphérique 

Phénomène Physique

L’ionosphère joue un rôle très important dans la propagation des ondes radio. Elle permet aux ondes électromagnétiques de parcourir des distances plus grandes que la simple ligne de vue, par réflexion sur les couches ionisées de l’atmosphère. Les propriétés d’ionisation et les hauteurs des différentes couches (D, E, F1 et F2) constituant la ionosphère sont représentées sur la Figure I.2. Le modèle physico chimique de l’ionosphère est très compliqué et dépend de l’activité solaire [Thomson93].

Au cours de la nuit, en l’absence de rayonnement solaire, la couche D disparaît. Les ondes VLF/LF sont donc reflétées par la couche E. La couche D étant que très légèrement ionisée il n’y a pas d’atténuation des ondes qui la traversent. La puissance du signal transmis est donc plus élevée que dans la journée. Au cours de la journée, l’ionisation de la couche D est plus élevée mais pas suffisamment pour refléter la totalité des ondes VLF/LF . Celles-ci sont donc reflétées en partie par la couche D et la couche E. Elles sont atténuées en passant au travers de la couche D. Une partie des ondes LF peut également être reflétée par la couche F. Lors d’éruptions solaires la couche D peut être suffisamment ionisée (par photo ionisation) pour refléter l’ensemble des ondes VLF/LF. Ce qui se traduit par une forte augmentation de la puissance transmise.

Une couche donnée peut être caractérisée par sa fréquence critique « fC » telle que tout signal de fréquence inférieure sera réfléchi vers le sol quel que soit l’angle d’incidence et telle que pour un signal de fréquence supérieure son trajet dépend de l’angle d’incidence (Figure I.3).

La fréquence critique est déterminée pour une incidence perpendiculaire. A d’autres incidences la fréquence limite augmente et on parle alors de FMU (Fréquence Maximale Utilisable, MUF en anglais).

Des perturbations difficiles à prévoir tels que les orages magnétiques, les éruptions solaires ou les aurores polaires viennent modifier les couches et sont responsables de distorsions qui peuvent être problématiques pour les récepteurs des télécommunications. Dans la gamme LF il existe des zones d’interférence où les ondes qui ont suivi des chemins différents (dû à des réflexions dissymétriques sur l’ionosphère par exemple) se retrouvent :
➢ soit en phase et il s’agit alors d’une zone de signal fort,
➢ soit en opposition de phase et il s’agit d’une zone de signal faible.
Ce déphasage variant parfois rapidement laisse apparaître des zones de « fading ».

Les théories de la propagation des ondes VLF/LF

C’est à partir de la moitié du XXième siècle que sont apparus les premiers modèles d’ionosphère permettant la description de la propagation des ondes radio. La théorie des rayons (théorie courte distance) a permis d’établir les premiers modèles d’ionosphère. Ils ont été créés à partir de l’observation et de l’interprétation de signaux reçus des transmetteurs VLF après réflexion sur l’ionosphère. Ces premiers modèles étaient très rudimentaires : ils considéraient un milieu homogène et fortement délimité [Budden51]. Les mesures étaient analysées afin de déterminer les coefficients de réflexion et de conversion de l’ionosphère pour une bande de fréquences donnée [Budden66]. Des formulations alternatives ont été développées pour prendre en compte au niveau des coefficients de réflexion les variations de densité d’électrons. Cependant, la théorie des rayons n’est pas adaptée pour d’écrire la propagation d’ondes sur des trajets de plus de 1000 km. La théorie des modes est une théorie longue distance. Un des principaux avantages des ondes VLF/LF est leur faculté à se propager sur de très grandes distances sans subir d’atténuation excessive. Wait, en 1957, est le premier à appliquer la théorie des modes à la propagation VLF/LF dans le guide d’onde créé par la terre et l’ionosphère [Wait57]. La surface terrestre et celle de l’ionosphère sont considérées respectivement comme les plaques inférieure et supérieure d’un guide d’onde parallèle. En 1958, des approximations plus réalistes sur le profil de conductivité de l’ionosphère ont été réalisées par Wait [Wait58] en introduisant un modèle de l’ionosphère développé sur 2 couches. A partir de ce modèle il a été possible d’obtenir une bonne concordance entre simulation et mesure. En 1965, Wait et Spies, suggèrent l’utilisation de modèles d’ionosphère avec des variations exponentielles [Wait65]. Ces modèles sont encore reconnus aujourd’hui comme des modèles standards [Thomson93]. La modélisation de la propagation des ondes électromagnétiques à travers l’ionosphère est aujourd’hui encore d’actualité avec le développement de nouvelles techniques pour la modélisation numérique [Berenger02].

Bruit en VLF

Dans le domaine des VLF, on distingue essentiellement trois types de bruit :
➢ Le bruit atmosphérique radioélectrique, dû aux décharges orageuses, est le bruit prédominant : les éclairs se déchargent dans l’atmosphère, et le champ électromagnétique ainsi créé est piégé dans le guide Terre-Ionosphère. Il en résulte un bruit moyen qui est le bruit atmosphérique. Des études statistiques ont été effectuées grâce à une coopération internationale, le CCIR (Comité Consultatif International des Radiocommunications). Des cartes de variations prévisionnelles du bruit en fonction de la latitude, de la longitude, de la saison, du jour, de l’heure,… sont ainsi tracées.
➢ Le bruit industriel apparaît au dessous de 100 kHz.
➢ Le bruit galactique dû aux rayons cosmiques.

Moyens d’étude en France 

La France travaille sur ses capacités d’observation et de modélisation de l’environnement très basses fréquences [Fieve05]. Ces travaux sont réalisés dans le but de mieux maîtriser et ainsi améliorer les communications VLF/LF. Cependant les moyens d’actions technologiques et techniques sont limités aux antennes émettrices et réceptrices. Nous allons voir comment s’effectuent l’émission et la réception des signaux VLF/LF.

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Table des matières

INTRODUCTION
CHAPITRE I : TÉLÉCOMMUNICATIONS VLF/LF ET OUTILS NUMÉRIQUES
I)INTRODUCTION
II)LES TÉLÉCOMMUNICATIONS EN VLF/LF
II.A)Propagation VLF/LF
II.A.1)Propagation Ionosphérique
II.A.1.a)Phénomène Physique
II.A.1.b)Les théories de la propagation des ondes VLF/LF
II.A.1.c)Bruit en VLF
II.A.2)Moyens d’étude en France
II.B)Réception en milieu marin
II.B.1)Propriétés du milieu marin
II.B.1.a)La conductivité
II.B.1.b)La perméabilité
II.B.1.c)La permittivité
II.B.2)Récepteurs
II.B.2.a)Réception sur bâtiments de surface
II.B.2.b)Réception sur sous-marins
II.B.3)Moyens d’étude
II.C)Émission terrestre
II.C.1)Théorie des antennes VLF/LF et paramètres d’étude
II.C.1.a)La hauteur effective
II.C.1.b)L’impédance d’entrée
II.C.1.c)La puissance rayonnée
II.C.1.d)L’efficacité de rayonnement
II.C.2)Paramètres d’influence et d’optimisation
II.C.2.a)Influence du plan de sol
II.C.2.a)Optimisation par Top-Loading
II.C.2.a)Optimisation par Système de multiples bobines d’accord
II.C.3)Moyens d’étude
II.C.3.a)Technique de mesure à échelle réduite
II.C.3.b)Les outils de simulation électromagnétique
III)LES OUTILS DE MODÉLISATION
III.A)Présentation des principales méthodes numériques
III.A.1)La méthode des moments
III.A.2)La méthode des éléments finis
III.A.3)La méthode des différences finies
III.B)Quelle méthode choisir pour les VLF/LF?
III.C)Le code TLM développé au LEAT
III.C.1)La TLM fréquentielle : FDTLM
III.C.2)La TLM analytique
III.C.3)La TLM temporelle
III.C.3.a)Propagation par le réseau de simulation temporelle 3D
III.C.3.b)Le nœud symétrique condensé hybride (HSCN)
III.C.3.c)Conditions limites
III.C.3.d)Domaine de validité de la méthode
III.C.3.e)Analyse spectrale
III.C.3.f)Organigramme de la méthode TLM
III.C.3.g)Outil informatique
IV)CONCLUSION
CHAPITRE II : MODÉLISATION MICROSCOPIQUE DES ISOLATEURS
I)INTRODUCTION
II)LES ISOLATEURS
II.A)Bref Historique
II.B)Designs et types d’isolateurs
II.C)Caractéristiques
II.C.1)Caractéristiques physiques
II.C.1.a)La ligne de fuite
II.C.1.b)La tenue diélectrique
II.C.1.c)La ligne d’arc
II.C.1.d)L’anneau corona
II.C.2)Caractéristiques fonctionnelles
II.C.2.a)Durée de vie
II.C.2.b)Défauts de fonctionnement
II.C.2.c)Remèdes
II.D)L’effet couronne
II.D.1)Description
II.D.2)Modes d’émission
II.D.2.a)Petites aigrettes négatives (impulsions de Trichel)
II.D.2.b)Zone de conductivité d’Hermstein
II.D.2.c)Grandes aigrettes positives
II.D.3)Les décharges alternatives
II.D.4)Moyens d’étude
III)CARACTÉRISATION ÉLECTROMAGNÉTIQUE
III.A)Bibliographie
III.B)L’isolateur étudié
III.C)Validation et caractérisation électromagnétique
III.C.1)Répartition axiale du champ électrique
III.C.1.a)Isolateur sans mandrin central ni ailette
III.C.1.b)Isolateur complet
III.C.2)Répartition planaire des champs électromagnétiques (2D)
IV)CARACTÉRISATION ÉLECTRIQUE
IV.A)Principe
IV.B)Méthodologie
IV.B.1)Calcul de la tension aux bornes du composant
IV.B.2)Calcul du courant traversant le composant
IV.C)Validation
IV.D)Résultats
IV.D.1)Isolateur composite
IV.D.2)Isolateur sous pollution atmosphérique
V)CONCLUSION
CHAPITRE III : MODÈLE DE FILS MINCES ARBITRAIREMENT ORIENTÉS AVEC COMPOSANTS LOCALISÉS
I)INTRODUCTION
II)DÉVELOPPEMENTS THÉORIQUES
II.A)Système d’équations
II.A.1)Équations du fil
II.A.2)Discrétisation et Normalisation
II.B)Schéma numérique du modèle « Fil Mince »
II.B.1)Tensions et courants sur le fil
II.B.2)Étape « Répartition »
II.B.3)Interaction champs électromagnétiques – courant sur le fil
II.C)Intégration de composants localisés
II.C.1)Méthode de la « Source de tension »
II.C.2)Méthode « Parallèle »
II.C.1)Méthode « Série »
II.D)Conclusion
III)VALIDATION DES COMPOSANTS COUPLÉS AU MODÈLE DE « FIL MINCE »
III.A)Cas d’une structure guidée
III.A.1)Ligne Bifilaire chargée par un court-circuit
III.A.2)Ligne Bifilaire chargée par un circuit-ouvert
III.A.3)Ligne Bifilaire chargée par une résistance
III.A.4)Ligne Bifilaire chargée par un condensateur
III.A.5)Ligne Bifilaire chargée par une inductance
III.A.6)Conclusion
III.B)Cas d’une structure rayonnante
III.B.1)Charges Inductives
III.B.1.a)Méthode de la « Source de tension »
III.B.1.b)Méthode « Série »
III.B.2)Charges Capacitves
III.B.2.a)Méthode de la « Source de tension »
III.B.2.b)Méthode « Série »
IV)CONCLUSION
CHAPITRE IV : SIMULATION D’ANTENNES VLF/LF
I)INTRODUCTION
II)ÉTUDE D’ANTENNES PARAPLUIE
II.A)Présentation
II.B)Modélisation
II.C)Antenne Parapluie avec 6 bras
II.C.1)Admittance d’entrée
II.C.1.a)Antenne sans structure de soutien
II.C.1.b)Antenne avec structure de soutien
II.C.2) Tension et courant sur l’antenne
II.C.2.a)Tension et courant sur les câbles
II.C.2.b)Tension au niveau des isolateurs
II.C.3)Rayonnement
II.C.3.a)Diagramme de rayonnement
II.C.3.b)Directivité et efficacité de rayonnement
II.C.4)Influence des isolateurs
II.D)Antenne Parapluie avec 12 bras
II.E)Conclusion
III)ÉTUDE DE L’ANTENNE OMEGA « E » DE L’ILE DE LA RÉUNION
III.A)Présentation
III.B)Modélisation
III.C)Résultats
III.C.1)Impédance d’entrée
III.C.2)Tension et courant sur l’antenne
III.C.3)Rayonnement
III.D)Conclusion
IV)CONCLUSION
CONCLUSION

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