Le radiogoniomètre à effet Doppler (1)
par Yves Oesch HB9DTX

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Description technique détaillée

Ce travail de diplôme à l'EPFL consiste à dimensionner et à construire un radiogoniomètre à effet Doppler utilisable pour la localisation d'équipier de bateau tombé à la mer. On suppose que l'équipier est muni d'un petit émetteur balise de puissance suffisante, qui commence à émettre une simple porteuse lorsqu'il tombe dans l'eau.

Principe de fonctionnement

Une antenne tournant autour d'un axe est placé dans le champ d'émission d'un émetteur de porteuse pure. A cause du mouvement de l'antenne, le signal reçu subit un effet Doppler qui se traduit par une modulation FM du signal reçu. En effectuant une démodulation FM, on peut détecter la direction de provenance des ondes, en analysant les instants de passage par zéro du signal BF.

La vitesse tangentielle projetée sur l’axe x donne alors

On a donc une modulation de la fréquence porteuse, au rythme de la rotation de l'antenne:

La démodulation FM est simplement effectuée par un récepteur portable FT-51 de Yaesu. A noter que n'importe quel récepteur amateur FM fait très bien l'affaire. L'objet du projet est donc la réalisation du commutateur d'antenne, de sa logique de commande, et de l'analyse du signal BF produit. L'affichage est une rose des vents de LED.

Afin d'éviter de devoir faire tourner mécaniquement l'antenne, on peut en disposer plusieurs en cercle et les commuter successivement.

 
Quelques éléments du dimensionnement

Le choix de la fréquence s'est fait selon 3 critères: la taille de l'antenne qui doit être la plus petite possible et la profondeur de pénétration dans l'eau de mer salée et le respect d'une fréquence internationale de détresse. La fréquence choisie est 406 [MHz]. Tous les essais et le prototype ont été faits à 433 [MHz] pour éviter l'utilisation d'une fréquence qui doit rester "propre".  Ce choix implique que l'antenne de réception a le format d'un cylindre dont le diamètre est approximativement 30 [cm] et dont la hauteur est de 20 [cm]. Elle est en fait composée d'un disque de base horizontal sur le pourtour duquel sont disposé 8 brins quart d'onde verticaux.
En fait, le diamètre du cercle d'antenne est relié directement à la déviation de fréquence observée, tandis que le nombre de tours par seconde (fréquence de rotation) est exactement égale à la fréquence BF démodulée (qui sort du haut-parleur du récepteur FM). Le diamètre nécessaire à l'obtention d'une déviation de fréquence "standard" pour un récepteur radio-amateur étant de 1.2 [m], il est irréaliste sur un mat de bateau. En optant pour un cercle plus petit, on diminue le rapport signal/bruit (SNR) après démodulation.

La fréquence de rotation a été choisie à 1000 [Hz], afin d'être dans la bande passante audio du récepteur FM. Pour éviter que les antennes ne se perturbent trop mutuellement, il faut laisser les antennes inactives en haute impédance.

 
Schéma du commutateur à diodes PIN

Les diodes PIN peuvent être vues comme des résistances variables pour le signal HF. Si elle sont polarisées dans le sens passant, alors le signal HF passe aussi. Si elle sont polarisées en inverse, alors la RF est bloquée. Entre les 2 diodes, il manque une ligne de transmission nécessaire à éloigner les 2 antennes l'une de l'autre. Elle est réalisée sous forme de piste 50 [ohm] directement sur le circuit imprimé.

Il y a deux manières de commuter d'une antenne à l'autre. Soit brutalement, soit en additionnant les deux signaux pondérés par un coefficient variable. Les avantages et inconvénients des deux méthodes ont été étudiés et finalement le prototype à été réalisé en utilisation une commutation brutale. C'est plus simple et le temps restant à disposition à ce stade du projet ne permettait pas d'envisager une commutation plus "fine"

Microcontrôleur

Un microcontrôleur PIC a été utilisé pour analyser le signal BF, calculer la direction et piloter l'affichage. C'est le cœur du montage. Le programme est composé de 3 parties distinctes:

• Une routine d'interruption qui génère le signal carré 8 [kHz] nécessaire à la commutation des antennes
• Une routine d'interruption qui mémorise l'instant du passage par zéro sur flanc négatif du signal FM démodulé
• Une boucle de programme principal qui calcule le numéro de la LED à illuminer chaque fois qu'une nouvelle mesure est disponible. En attente sinon.