Physique appliqu e
Les antennes
(cid:131) fonctionnement et propri t s
(cid:131) les diff rents mod les
Edwin H. Armstrong
Les antennes
jean-philippe muller
Sommaire
(cid:131) Premi re partie : fonctionnement et propri t s
1- Le r le de lantenne
2- Courant dans une antenne
3- Que rayonne une antenne ?
4- La longueur donde
5- Faut-il une antenne pour mettre ?
6- Rayonnement et blindage
7- Caract ristiques dune onde plane
8- Rayonnement dune antenne isotrope
9- Gain dune antenne directive
10- Les diagrammes de directivit
11- Crit res de choix dune antenne
12- Champ cr par une antenne directive
13- Bilan de puissance dune liaison
14- Exemple de calcul de tension re ue
15- La PIRE dun satellite
16- Port e dun metteur
17- Exemple de calcul de port e
18- Lantenne en r ception
(cid:131) Deuxi me partie : les diff rents mod les
19- Lantenne dip le demi-onde
20- Caract ristiques lectriques du dip le
21- Influence de la longueur des brins
22- Champ cr par lantenne dip le
23- Diagramme de rayonnement du dip le
24- Lantenne Yagi
25- Le dip le repli
26- Lantenne dip le avec r flecteur
27- Lantenne quart-donde
28- Le r le du plan de masse
29- Lantenne ground-plane
30- Les antennes quasi quart-donde
31- Champs cr s par une antenne quart-donde
32- Lantenne guide donde
33- Liaison radio avec une antenne guide donde
34- Lantenne cornet
35- Lantenne r flecteur parabolique
36- R alisations dantennes paraboliques
37- Lantenne cadre aux basses-fr quences
38- Antenne filaire ou antenne cadre ?
39- Les antennes patch
40- Les assemblages de patchs
41- R partition des courants dans une antenne patch
42- Champ magn tique produit par une antenne patch
43- Autres types dantennes
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1- Le r le de lantenne
Un syst me de communication radio transmet des informations par linterm diaire dune onde lectromagn tique (OEM) :
onde
lectromagn tique
antenne
d mission
antenne de
r ception
source
information
porteuse
modul e
porteuse
modul e
utilisateur
information
(cid:131) lantenne d mission re oit le signal lectrique de l metteur et produit londe lectromagn tique
(cid:131) cette OEM se propage dans lespace autour de lantenne d mission
(cid:131) en fonction du type et de la forme dantenne utilis es, certaines directions de propagation peuvent tre privil gi es
(cid:131) la puissance produite par l metteur et appliqu e lantenne se disperse dans lespace
(cid:131) lantenne de r ception capte une faible partie de cette puissance et la transforme en signal lectrique
(cid:131) ce signal lectrique est appliqu lentr e du r cepteur qui en extrait linformation transmise
Remarque : les ph nom nes physiques mis en jeu dans lantenne tant r versibles, le m me dispositif peut servir pour l mission et pour la
r ception, sauf dans le cas des missions de forte puissance.
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2- Courant dans une antenne
L metteur produit une porteuse sinuso dale modul e la fr quence f qui est conduite lantenne par un c ble coaxial.
Lantenne est alors parcourue par un courant i(t) ayant les
caract ristiques suivantes :
(cid:131) le courant i(t) est sinuso dal la fr quence de la porteuse
(cid:131) le courant na pas la m me intensit en tout point
(cid:131) ce courant peut occasionner des pertes Joule si les mat riaux utilis s
sont de mauvaise qualit
(cid:131) aliment e par la tension v(t) et absorbant un courant i(t), lantenne
pr sente donc une imp dance quivalente Za
(cid:131) cette imp dance d pend toujours de la fr quence, elle est r sistive
pour certaines longueurs uniquement
(cid:131) pour que toute la puissance fournie par l metteur soit rayonn e, il faut
adapter le c ble en sortie, ce qui supprime londe r fl chie
(cid:131) souvent le c ble a une imp dance Zc = 50 ohms, on sefforce donc de
fabriquer des antennes dimp dance 50 ohms
clairement
faible
clairement
moyen
clairement
fort
i(t)
Rg
onde incidente
onde r fl chie
c ble dimp dance caract ristique Zc
i(t)
v(t)
imp dance
quivalente
Za
metteur
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3- Que rayonne une antenne ?
Le courant qui circule dans le brin rayonnant produit dans son voisinage une onde lectromagn tique :
(cid:131) lOEM est constitu e dun champ lectrique E et dun champ magn tique B
(cid:131) les vecteurs E et B existent en tout point M autour de lantenne et oscillent au rythme du courant et donc de la porteuse
(cid:131) leur module nest pas le m me partout et d pend du type dantenne utilis et de la position du point de mesure M
tr s peu de puissance rayonn e
vers le haut
E et B faibles
lessentiel de la puissance est
rayonn lhorizontale
E et B forts
brin rayonnant
Vid o : variations de E et B le long dun axe
vecteur B
puissance Po
M
X
c ble 50 ohms
metteur
vecteur E
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4- La longueur donde
A un instant donn , la r partition des champs le long dun axe est sinuso dale, et la distance entre deux maxima est la longueur donde :
La longueur donde est li e la fr quence f de la porteuse par :
c=
f
avec
c
=
10.3
/
sm
8
=
300000
km
/
s
E et B sont deux ondes progressives :
O
longueur donde
)(
tE
=
E
cos
(
)(
tB
=
B
cos
(
E
)
xt
c
xt
)
c
Vecteurs E et B le long dun axe Ox
B
x
Quelques rep res :
(cid:131) fr quence : 1 kHz
longueur donde : 300 km
(cid:131) fr quence : 1 MHz
longueur donde : 300 m
(cid:131) fr quence : 100 MHz
longueur donde : 3 m
(cid:131) fr quence : 10 GHz
longueur donde : 3 cm
Onde circulaire
Remarque : si la longueur donde na rien voir avec la port e dun metteur, elle est par contre li e aux dimensions de lantenne
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5- Faut-il une antenne pour mettre ?
En calculant les tensions et les courants dans un montage, on sint resse ce qui se passe dans le circuit , et on oublie souvent les
ph nom nes importants qui se passent autour du circuit, or :
(cid:131) chaque portion dun circuit plac e un certain potentiel cr e un champ lectrique en son voisinage
(cid:131) chaque branche dun circuit parcourue par un courant constant produit un champ magn tique en son voisinage
(cid:131) chaque portion dun circuit parcourue par un courant variable produit un champ lectromagn tique en son voisinage
R sultat : un montage lectronique produit donc toujours en son voisinage une onde lectromagn tique
spectre
rayonn
0
50 MHz
(cid:131) lantenne boucle form e de 2 spires est
sensible au champ magn tique B
(cid:131) en d pla ant la boucle quelques cm
au-dessus du montage, on visualise le
rayonnement dune zone du circuit
antenne
boucle
alimentation
d coupage
d placement
(cid:131) ce rayonnement parasite doit toujours
tre rendu minimal par le concepteur de la
carte
Vid o : spectre rayonn par lalimentation d coupage entre 0 et 50 MHz en fonction de la position de la sonde
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6- Rayonnement et blindage
Dans un syst me de transmission radio, cest lantenne qui doit rayonner londe lectromagn tique :
(cid:131) les circuits d missions sont donc plac s dans un bo tier m tallique servant de blindage et emp chant tout rayonnement parasite
(cid:131) ce rayonnement parasite est inutile et risque de perturber les autres parties de l quipement, en particulier les circuits logiques
(cid:131) ce blindage isole aussi l metteur des influences ext rieures qui pourraient affecter la fr quence ou le niveau de l mission
(cid:131) si lantenne est d port e, la porteuse modul e y est conduite lantenne par un c ble coaxial qui ne rayonne pas non plus
antenne
Liaison vid o
blindage de
l metteur
blindage de
l metteur
antenne
c ble coaxial de liaison
blindage de
l metteur
antenne
Module Bluetooth
Emetteur TV 2,4 GHz
R gle : on vite les fuites dOEM au niveau du circuit metteur et on blinde soigneusement le chemin du signal jusqu lantenne
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7- Caract ristiques dune onde plane
Si on se trouve dans une zone situ e assez loin de lantenne, les champs E et B ont des propri t s simples :
(cid:131) le vecteur E a le m me module en tout point dun plan perpendiculaire la propagation, E et B sont li s par :
.=
BcE
Advertisement
(cid:131) le vecteur E est perpendiculaire B, londe est dite plane
(cid:131) les 2 vecteurs E et B sont perpendiculaires la direction de propagation
(cid:131) E et B varient en phase, les plans o E et B sont maximum avancent la vitesse c de la lumi re
c
=
1
0
0
=
10.3
8
/
sm
polarisation
verticale
E
antenne
d mission
direction de
propagation
E est le
m me
B est le
m me
vecteur E
vecteur B
Remarque : la direction du brin rayonnant correspond celle du champ lectrique et est appel e polarisation. Avec lantenne verticale de la
figure ci-dessus, la polarisation est verticale.
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8- Rayonnement dune antenne isotrope
Lantenne qui rayonne la puissance Po de l metteur uniform ment dans toutes les directions sappelle antenne isotrope.
On ne sait pas r aliser une telle antenne en pratique, mais elle est commode pour servir d talon pour tester les antennes r elles.
sph re
de rayon R
antenne isotrope
(cid:131) la surface S de la sph re de rayon d s crit :
S =
4 d
2
(cid:131) la puissance mise Po se r partissant sur cette sph re, une
surface S re oit une densit de puissance P :
PP
==
0
S
P
0
4 d
2
/mWen
2
Po
(cid:131) on montre que la densit de puissance en un point est reli e au
module du champ lectrique E par :
distance d
surface S
E,B
r cepteur
P=
2E
120
(cid:131) on en d duit donc le champ E au niveau du r cepteur :
E
=
120
P
=
0.30
P
d
mVen
/
metteur
Application : un metteur de 10W produit 5 km un champ
E
=
.30 0
P
d
=
10.30
5000
46,3
=
/
mmV
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9- Gain dune antenne directive
Une antenne est un composant passif, elle ne peut donc pas amplifier le signal. Mais par une disposition particuli re des brins rayonnants, elle
peut concentrer la puissance Po mise dans une direction privil gi e :
(cid:131) une antenne directive a un gain G positif par rapport une antenne isotrope dans la direction privil gi e
(cid:131) ce gain G est mesur par rapport lantenne isotrope et est exprim en dBi
(cid:131) la directivit est caract ris e par langle douverture 3dB
antenne isotrope
0 dB
- 10 dB
- 20 dB
G=0
G=9 dBi
G=12 dBi
angle douverture 3dB :
0
=45
direction privil gi e
antenne Yagi
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10- Les diagrammes de directivit
Chaque type dantenne est caract ris par une courbe de rayonnement sp cifique qui peut tre :
(cid:131) omnidirectionnelle pour les liaisons dune base vers des r cepteurs mobiles ( radiodiffusion, t l phone GSM &)
(cid:131) directive pour les liaisons point- -point ( faisceau hertzien, liaison satellite-station terrestre & )
mission privil gi e dans
le plan horizontal
(cid:131) un brin vertical rayonne sur 360
(cid:131) une Yagi pour la TV terrestre a un
angle douverture entre 10 et 30
(cid:131) la parabole a un angle douverture de
quelques degr s seulement
direction d mission
privil gi e
Remarque : les antennes gain lev sont toujours tr s directives, puisquelles concentrent le faisceau dans une zone tr s limit e.
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11- Crit res de choix dune antenne
Pour choisir un mod le dantenne pour une application donn e, il faut veiller aux principaux points suivants :
(cid:131) fr quence de travail : une antenne est construite pour une fr quence ou une gamme de fr quences donn e
(cid:131) directivit : elle peut tre omnidirectionnelle (brin vertical) ou directive (Yagi, parabole&)
(cid:131) gain : les meilleurs gains sont obtenus avec des antennes tr s directives, jusqu' plus de 50 dB pour les grandes paraboles
(cid:131) imp dance : adapt e celle du c ble soit en g n ral 50 ohms sauf pour la t l vision qui travaille en 75 ohms
(cid:131) puissance : pour l mission, lantenne doit accepter la puissance de l metteur sans trop de pertes Joule
brin rayonnant
l
==
4
2,12
cm
Caract ristiques :
(cid:131) type : Ground Plane donde
(cid:131) fr quence : 616 MHz
(cid:131) imp dance : 50 ohms
3 brins de masse
(cid:131) gain : 2,15 dBi
(cid:131) rayonnement : omnidirectionnel (dans un plan horizontal)
(cid:131) polarisation : verticale
(cid:131) puissance maximale : 200 W
(cid:131) ROS : < 1,2
(cid:131) connecteur : UHF femelle
(cid:131) masse : 0,9 kg
Remarque : si le constructeur donne un Rapport dOndes Stationnaires, cest que limp dance ne vaut pas rigoureusement 50 ohms.
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12- Champ cr par une antenne directive
Lorsquon tablit une liaison radio entre deux points loign s dune distance d, on peut valuer lintensit du champ lectrique E au niveau de
lantenne de r ception :
gain G1 dBi
gain G2 dBi
E
metteur
Po
distance d
r cepteur
(cid:131) avec une antenne d mission isotrope, une surface S au niveau du r cepteur re oit une densit de puissance :
PP
==
0
S
P
0
4 d
2
/mWen
2
(cid:131) comme lantenne d mission a un gain G1 dans la direction utile, la densit de puissance devient :
PGP
=
01
S
=
PG
01
4 d
2
(cid:131) le champ lectrique E au niveau du r cepteur devient donc :
E
=
120
P
=
.30
PG
01
d
mVen
/
Application : avec un gain G1=12dBi = 15,8 un metteur de 10W produit 5 km un champ
E
=
10.8,15.30
5000
8,13
=
/
mmV
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13- Bilan de puissance de la liaison
La puissance Pr du signal capt par lantenne et envoy e lentr e du r cepteur se calcule gr ce la formule de Friis :
gain G1 dBi
gain G2 dBi
metteur
Po
distance d
r cepteur
Pr
(cid:131) la densit de puissance au niveau de lantenne de r ception s crit :
PGP
=
01
S
=
PG
01
4 d
2
/mWen
2
(cid:131) lantenne de r ception caract ris e par sa surface effective A2 re oit une puissance :
.2=
PAPr
avec
2 GA =
2
2
4
(cid:131) la puissance re ue Pr vaut donc :
PGGPr
.
0
1
.
2
Advertisement
=
[
4
d
] 2
Wen
cest la formule de Friis
(cid:131) si on exprime la puissance en dBm et les gains en dB, la formule de Friis devient , apr s simplification :
GGPPr
+
2
+
=
0
1
20
f
log(
)
20
d
log(
)
147
+
5,
en
dBm
en
dBi
en
Hz
men
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14- Exemple de calcul de tension re ue
Le satellite g ostationnaire M t osat situ d = 36000 km daltitude au-dessus du golfe de Guin e met vers lEurope des images de la
couverture nuageuse :
(cid:131) le satellite met une puissance Po = 6 W = 37,8 dBm
(cid:131) il est quip dune antenne de gain G1=11 dBi = 12,6
(cid:131) la parabole de r ception a un gain G2=25 dBi
(cid:131) la fr quence d mission est f = 1691 MHz (canal 1)
(cid:131) la densit de puissance P au niveau du sol est de :
PGP
=
01
d
4
2
=
6.6,12
)10.36(4
26
=
65,4
fW
(cid:131) le champ lectrique E lantenne de r ception vaut :
distance d
E
=
120
P
=
3,1
/
mV
(cid:131) la puissance Pr capt e par la parabole de r ception s crit :
Pr
=
8,37
11
+
+
25
184
6,
151
1,
147
+
5,
=
114
4,
dBm
(cid:131) la tension Vr correspondante sur 50 ohms vaut alors :
V
r
=
.
RP
r
=
10.6,3
15
50.
=
43,0
V
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15- La PIRE dun satellite
Un satellite g ostationnaire de m t orologie ou de t l diffusion pointe
son antenne parabolique vers le sol et met une puissance Po avec
une antenne de gain G1 :
(cid:131) la densit de puissance P au niveau du sol est de :
PGP
=
01
4 d
2
(cid:131) on appelle Puissance Isotrope Rayonn e Equivalente ou
PIRE la quantit :
PIRE =
01 PG
(cid:131) la densit de puissance P au sol s crit alors :
P
=
PIRE
4 d
2
Le satellite ci-contre, pour une r ception en France :
(cid:131) a une PIRE de :
PIRE
=
40
dBW
=
10
kW
(cid:131) et produit au sol une densit :
P
=
PIRE
4
d
2
=
61,0
mpW
/
2
40 dBW
45 dBW
47 dBW
48 dBW
49 dBW
puissance Po
gain G1
courbes
iso-PIRE
R partition de la puissance au sol ( fournie par le gestionnaire du satellite)
R sultat : le satellite mettant une puissance Po avec une antenne tr s directive de gain G1 est donc quivalent vu du sol une source isotrope
mettant une puissance beaucoup plus lev e gale sa PIRE.
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16- Port e dun metteur
Calculer la port e dun metteur est une t che difficile, car elle d pend dun grand nombre de facteurs :
(cid:131) les facteurs quon ma trise : puissance d mission, gain des antennes, disposition des antennes &
(cid:131) les facteurs quon ne ma trise pas : obstacles, r flexions, conditions atmosph riques, qualit du r cepteur, parasites &
(cid:131) le niveau re u Pr est donn par la formule de Friis :
PGGPr
.
0
1
.
2
=
[
4
d
] 2
(cid:131) le bruit thermique capt par lantenne et limit la bande passante B
du r cepteur s crit :
.=
BTkPB
.
avec
=k
10.38,1
23
niveau
signal re u
X
port e D
sensibilit
bruit thermique
distance
(cid:131) le bruit propre de l lectronique du r cepteur vient sajouter ce bruit thermique. La sensibilit S dun r cepteur tient compte de ce bruit
propre et pr cise le signal minimal n cessaire lentr e du r cepteur pour une bonne r ception.
R cepteur Aurel BCNB3V3
(cid:131) fr quence f = 433,92 MHz
(cid:131) sensibilit S = 5 microvolts
(cid:131) r sistance dentr e R = 50 ohms
(cid:131) bande passante B = 2,5 kHz
(cid:131)sensibilit
S
5
V
=
=
93
dBm
(cid:131) bruit thermique
.
BTkPB
=
.
10
=
17
W
=
140
dBm
R sultat : en pratique, la limite de port e est atteinte lorsque le niveau du signal re u est gal la sensibilit du r cepteur soit 93 dBm.
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17- Exemple de calcul de port e
Le calcul de la port e dune liaison radio est simple si on se place dans une situation id ale, sans obstacles ni parasites :
Emetteur Aurel TX433SAW
(cid:131) fr quence f = 433,92 MHz
(cid:131) puissance Po = 10 mW
G1=1,7 dBi
G2=1,7 dBi
R cepteur Aurel BCNB3V3
(cid:131) fr quence f = 433,92 MHz
(cid:131) sensibilit S = 5 uV = - 93 dBm
(cid:131) r sistance dentr e R = 50 ohms
Po
distance d
Pr
(cid:131) la puissance re ue Pr donn e par la formule de Friis correspond une tension re ue Vr sur la r sistance dentr e R du r cepteur :
.
PGGP
Advertisement
r
1
0
.
2
=
[
d
4
2
]
=
V
2
r
R
soit
=
Vr
4
d
PGGR
1.
02
.
(cid:131) la distance limite th orique ou port e d=D est atteinte lorsque la tension re ue est gale la sensibilit :
Vr
=
D
4
SPGGR
=
1.
02
.
soit
D
=
S
4
.
PGGR
1
02
.
5,11
=
km
Remarque importante : ce calcul donne toujours une port e tr s optimiste et la port e r elle sera D=k.D avec k < 1
(cid:131) en pr sence darbres ou de collines, on pourra prendre k = 0,3 0,6 soit environ D = 4 km
(cid:131) en milieu urbain, k = 0,1 0,4 et peut descendre jusqu 0,02 lint rieur dun immeuble en b ton arm soit D = 250 m
(cid:131) avec 2 antennes bout de fil (G=0,3) et dans un immeuble (k=0,02), la port e calcul e ainsi se r duit D = 45 m !
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18- Lantenne en r ception
Au niveau du r cepteur, il faut transformer les variations de champ en tension ce qui peut se faire de deux mani res :
(cid:131) par une antenne qui donne une tension s(t) proportionnelle au champ lectrique E :
tEKts =
)(
)(.
1
(cid:131) le coefficient K1 appel facteur dantenne d pend du type dantenne choisi et de sa longueur
tBKts =
)(
)(.
2
(cid:131) par une bobine qui donne une tension s(t) proportionnelle au champ magn tique B :
(cid:131) le coefficient K2 d pend du diam tre de la bobine, du nombre de spires et augmente fortement avec un noyau en ferrite
vecteur E
bobine
s(t)
antenne
vecteur B
bobine
ferrite
antenne
s(t)
(cid:131) aux fr quences inf rieures 1 MHz environ, les dimensions des antennes deviennent importantes,
et on leur pr f re les bobines ( r cepteurs AM, DCF &)
(cid:131) pour une r ception optimale, laxe de la bobine doit tre align avec le champ magn tique, ce
qui permet des applications de localisation radio ( radiogoniom trie )
(cid:131) pour une r ception optimale, lantenne doit tre align e avec le champ lectrique, la
polarisation produite par lantenne d mission doit tre en th orie respect e
R cepteur de signaux
horaires DCF 77 kHz
R cepteur FM
Remarque : en pratique, la polarisation change chaque fois que lOEM se r fl chit. Sauf pour la r ception de signaux satellites, le respect de la
polarisation nest donc pas critique dans les environnements r fl chissants habituels.
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Sommaire
(cid:131) Premi re partie : fonctionnement et propri t s
1- Le r le de lantenne
2- Courant dans une antenne
3- Que rayonne une antenne ?
4- La longueur donde
5- Faut-il une antenne pour mettre ?
6- Rayonnement et blindage
7- Caract ristiques dune onde plane
8- Rayonnement dune antenne isotrope
9- Gain dune antenne directive
10- Les diagrammes de directivit
11- Crit res de choix dune antenne
12- Champ cr par une antenne directive
13- Bilan de puissance dune liaison
14- Exemple de calcul de tension re ue
15- La PIRE dun satellite
16- Port e dun metteur
17- Exemple de calcul de port e
18- Lantenne en r ception
(cid:131) Deuxi me partie : les diff rents mod les
19- Lantenne dip le demi-onde
20- Caract ristiques lectriques du dip le
21- Influence de la longueur des brins
22- Champ cr par lantenne dip le
23- Diagramme de rayonnement du dip le
24- Lantenne Yagi
25- Le dip le repli
26- Lantenne dip le avec r flecteur
27- Lantenne quart-donde
28- Le r le du plan de masse
29- Lantenne ground-plane
30- Les antennes quasi quart-donde
31- Champs cr s par une antenne quart-donde
32- Lantenne guide donde
33- Liaison radio avec une antenne guide donde
34- Lantenne cornet
35- Lantenne r flecteur parabolique
36- R alisations dantennes paraboliques
37- Lantenne cadre aux basses-fr quences
38- Antenne filaire ou antenne cadre ?
39- Les antennes patch
40- Les assemblages de patchs
41- R partition des courants dans une antenne patch
42- Champ magn tique produit par une antenne patch
43- Autres types dantennes
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19- Lantenne dip le demi-onde
Le dip le est lantenne de r f rence en radiocommunications et est largement utilis e tel quel ou en association avec dautres conducteurs pour
former une antenne Yagi.
Le dip le a une longueur totale dune demi-longueur donde :
r alisation pratique
2
c ble coaxial
dip les verticaux dun metteur FM
on replie les
brins de 90
isolateur
ligne bifilaire
4
4
A
B
Si on replie les brins dune ligne sur un quart de la longueur donde :
(cid:131) les courants dans les 2 brins circulent dans le m me sens
(cid:131) les champs E et B cr s par les 2 tron ons ouverts sadditionnent
(cid:131) la ligne rayonne et on a r alis une antenne demi-onde ou dip le
2
Exemples :
(cid:131) pour fo = 100 MHz la longueur sera L = c/2fo = 1,5 m
(cid:131) pour fo = 1 GHz la longueur sera L = c/2fo = 15 cm
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20- Caract ristiques lectriques du dip le
Le dip le est une antenne r sonante qui se comporte comme un circuit R,L,C s rie :
Ra
La
2
Ca
Ra =73 &
R sistance dentr e Ra
Z
=
a
LjR
+
a
(
a
)1
C
a
=
R
a
+
jX
a
L=
2
longueur
R actance dentr e Xa
(cid:131) la fr quence de travail on a :
Z a
=
73
+
j
42
&
(cid:131) son gain vaut :
G
=
64,1
=
1,2
dBi
Xa =42 &
(cid:131) la tension s fournie la r ception :
EKS
=
.1
=
.
E
inductive
capacitive
(cid:131) sa bande passante :
B
.1,0H
f
longueur
Remarque : en raccourcissant l g rement lantenne, on peut rendre son imp dance purement r sistive.
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21- Influence de la longueur des brins
Si on veut une antenne
purement r sistive :
(cid:131) longueur optimale
.
,0=L
4885
(cid:131) r sistance
aR
&= 68
longueur de
lantenne
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fr quence
de travail
rayon du
brin
gain
&
imp dance
&
r sistive
Applet : permet de voir linfluence de la longueur des brins sur les caract ristiques du dip le
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22- Champ cr par lantenne dip le
La structure de londe lectromagn tique cr e par un dip le est assez complexe proximit de la source, mais lorsquon s loigne dune dizaine
de longueurs donde on peut assimiler londe une onde plane.
Lignes de champ magn tique B
antenne dip le
Lignes de champ magn tique autour du dip le
londe se rapproche dune
onde plane
plan o l mission
est maximale
Vid o : dip le en champ proche
Vid o : dip le en champ lointain
Vid o : dip le en rotation
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23- Diagramme de rayonnement du dip le
Lantenne dip le est tr s utilis e en radiodiffusion car :
(cid:131) cest une antenne simple r aliser et peu encombrante
(cid:131) elle rayonne de mani re omnidirectionnelle dans un plan horizontal
(cid:131) elle rayonne peu d nergie dans la direction de son axe
(cid:131) son diagramme de directivit est bien adapt la couverture dun territoire
plan vertical
plan horizontal
l vation
azimut
Si on rallonge le dip le, son diagramme de directivit devient plus complexe avec un
nombre de lobes plus important.
Applet : influence de la longueur des brins sur le rayonnement du dip le
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24- Lantenne Yagi
Le dip le est souvent utilis en association avec des brins purement passifs qui permettent de rendre le diagramme plus directif :
(cid:131) un brin r flecteur l g rement plus long que le brin actif ou une surface r flectrice
(cid:131) plusieurs brins directeurs un peu plus courts
r flecteur
Diagramme de rayonnement dans le plan horizontal
directeurs
brin rayonnant
(cid:131) avec un gain G, elle fournit en r ception la tension :
EKS
=
.1
=
.
.
EG
Remarque : on trouve des antennes Yagi comportant plus de 40 l ments dont le gain d passe les 30 dBi
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25- Le dip le repli
Le dip le est souvent utilis sous une forme un peu diff rente appel e dip le repli ou trombone :
(cid:131) il est constitu dun dip le ordinaire, reli un second dip le plac faible distance
(cid:131) lensemble est ainsi plus robuste quun dip le simple
(cid:131) le diagramme de rayonnement est identique au dip le
(cid:131) sa r sistance est 4 fois sup rieure celle du dip le soit :
73.4aR
=
H
300
&
(cid:131) la bande passante est beaucoup plus grande que celle du dip le
2
dip le repli
Remarques :
(cid:131) parce que sa bande passante est importante, le dip le repli e est souvent utilis
comme brin actif dans les antennes Yagi large bande
(cid:131) si les deux brins ont des diam tres diff rents, la r sistance Ra est modifi e, ce qui
permet de fabriquer des antennes Yagi 75 ohms pour la t l vision
antenne bic ne
bic ne 30 MHz 1 GHz
Une autre volution du dip le est lantenne bic ne, form e dune
multitude de dip les reli s en parall le :
(cid:131) la bande passante devient tr s importante
(cid:131) le bon choix de langle des brins permet davoir Ra = 50 ohms
(cid:131) elle est id ale pour les tests de compatibilit lectromagn tique
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26- Lantenne dip le avec r flecteur
Pour rendre un dip le directif, on peut aussi lassocier une surface r fl chissante plane ou
parabolique :
premier
r flecteur
parabolique
(cid:131) la forme du r flecteur joue sur la directivit du dip le
(cid:131) sa position joue sur limp dance du dip le
(cid:131) limp dance est en g n ral de 50 ohms et le gain varie entre 10 et 30 dBi
(cid:131) ce type dantenne a des dimensions acceptables au-dessus de 1 GHz
r flecteur
plan
(cid:131) f = 380-530 MHz
(cid:131) G = 10 dBi
dip le
second
r flecteur
dip le
(cid:131) f = 2,4 GHz
(cid:131) G = 24 dBi
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27- Lantenne quart-donde
Lantenne qui ne comporte quun seul brin rayonnant associ un plan de masse est lantenne quart-donde ou Marconi.
(cid:131) cest aussi une antenne r sonante qui se comporte galement comme un circuit R,L,C s rie
(cid:131) le plan de masse conducteur, en th orie infini, doit au moins avoir des dimensions gales celles de lantenne
(cid:131) la r sonance, elle a une imp dance moiti de celle du dip le, soit environ Ra = 36 ohms
90
rayonnement dans un
plan vertical
60
4
plan de masse
(cid:131) la fr quence de travail on a :
aR
&= 36
(cid:131) son gain vaut :
G
=
6,13,1
=
14,1
2
dBi
(cid:131) la tension x fournie en r ception :
EKS
=
.1
=
2
.
E
30
0
Remarque : il est rarement possible davoir sous lantenne un plan de masse infini et on se contente souvent de la masse m tallique du bo tier
de l metteur ou du r cepteur . Cela modifie limp dance de lantenne et son diagramme de rayonnement.
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28- Le r le du plan de masse
Le plan de masse joue un r le essentiel dans le fonctionnement de lantenne quart-donde qui nest en r alit quune demi-antenne :
(cid:131) en r alit , les courants circulant dans lantenne produisent des courants induits dans le plan de masse
(cid:131) le champ cr par ces courants induits sajoute celui cr par les courants de lantenne
(cid:131) le champ r sultant est le m me que celui cr par un dip le : on dit que le plan de sol cr e une antenne image par effet miroir
antenne
4
antenne
4
R sultat : pour un rayonnement optimal, il faut :
(cid:131) au mieux, un plan m tallique parfaitement conducteur
(cid:131) au moins des conducteurs en toile autour de lantenne
(cid:131) au minimum un bo tier bon conducteur
courants induits
antenne image
4
conducteurs en
toile enterr s
pyl ne
antenne
courants
induits
plan m tallique
chantier dun metteur
courants dans le bo tier
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29- Lantenne ground-plane
Le plan de masse de lantenne quart-donde peut tre astucieusement remplac par 3 ou 4 brins pour former une antenne ground plane :
(cid:131) cest une antenne facile r aliser, omnidirectionnelle dans le plan horizontal
(cid:131) les brins de masse sont appel s radiants, ils ont la m me longueur que le brin actif
(cid:131) en inclinant les radiants vers le bas de 30 45 , on peut ramener limp dance R = 50 ohms
4
=
30
45
f = 2,4 GHz
f = 433 MHz
(cid:131) son gain est identique celui de lantenne quart-donde
G
=
14,16,13,1
=
2
dBi
(cid:131) tension s fournie en r ception :
EKS
=
.1
=
2
.
E
Les antennes
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30- Les antennes quasi quart-donde
Si on constate souvent dans la pratique une r duction importante du plan de masse, il faut se souvenir que :
(cid:131) sans plan de masse, la r sistance dune antenne m me achet e pour cette valeur ne sera pas de 50 ohms
(cid:131) le transfert de puissance entre l metteur et lantenne ne sera pas optimal, et la puissance mise r duite
(cid:131) sans plan de masse, le gain de lantenne sera moindre et la port e plus faible
(cid:131) si la masse nest pas une surface plane, le diagramme de rayonnement sera irr gulier
(cid:131) en r ception, lantenne fournira un signal plus faible
pas de plan
de masse
antenne rentr e
plan de masse pas tr s bien d fini, que
lantenne soit rentr e ou sortie
antenne
plan de masse pas
tr s bien d fini
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31- Champs cr s par une antenne quart-donde
Lantenne quart-donde est une antenne r sonante et est donc le si ge dondes stationnaires de tension et de courant :
(cid:131) la tension est maximale son extr mit , le champ E pr sente un ventre son voisinage
(cid:131) le courant est important sa base, le champ B pr sente un ventre son voisinage
(cid:131) la pr sence dun objet au voisinage perturbe la r partition des champs
(cid:131) si lobjet est un mauvais conducteur, sa pr sence introduit des pertes par absorption
Champ lectrique
Champ magn tique
puissance
absorb e
ventre de
champ E<...