Antenne radioéléctrique.html

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En radioélectricité, une antenne est un dispositif permettant de rayonner (émetteur) ou, de capter (récepteur), les ondes électromagnétiques. L'antenne est un élément fondamental dans un système radioélectrique, et ses caractéristiques de rendement, gain, diagramme de rayonnement influencent directement les performances de qualité et de portée du système.

Cet article définit les caractéristiques et paramètres généraux des antennes, chaque antenne et application particulière étant développée dans les articles liés.

Antenne rideau HF de télécommunication

Antennes de réception de la télévision

modifier Historique

Heinrich Hertz utilisa pour la première fois, en 1888, des antennes pour démontrer l'existence des ondes électromagnétiques prédites par la théorie de Maxwell. Il utilisa des antennes doublet, tant pour la réception que pour l'émission. Il installa même le dipôle émetteur au foyer d'un réflecteur parabolique. Les travaux et les dessins de l'installation furent publiés dans les Annalen der Physik und Chemie (vol. 36, 1889). Le terme « antenne » fut utilisé par Marconi.

modifier Théorie générale

Trés généralement, une antenne radioélectrique convertit les grandeurs électriques dans un conducteur ou une ligne de transmission (tension et courant) , en grandeurs électromagnétiques dans l'espace (champ électrique et champ magnétique) En émission, la puissance électrique est convertie en puissance électromagnétique, alors qu'en réception c'est l'inverse.

modifier Fonctionnement en émission

Une antenne élémentaire utilisée en émission est une petite longueur $\scriptstyle{ \delta\ell}$ de conducteur (petite devant la longueur d'onde $\scriptstyle{\lambda}$ ) dans lequel circule un courant alternatif :

$\scriptstyle{I=I_\circ e^{j\omega t}}$

Dans laquelle $\scriptstyle{\omega=2\pi F}$ est la pulsation (et $\scriptstyle{F}$ la fréquence). $\scriptstyle{j}$ est, comme d'habitude $\scriptstyle{\sqrt{-1}}$ . Cette notation, employant des nombres complexes est la même utilisée quand on travaille avec le formalisme des impédances.

Le champ crée par cette antenne élémentaire est:

$E_\theta={{-jI_\circ\sin\theta}\over 2\varepsilon_\circ c r}{\delta \ell\over\lambda}e^{j\left(\omega t-kr\right)}$

Ici:,

$\scriptstyle{\varepsilon_\circ}$ est la permittivité du vide.
$\scriptstyle{c}$ est la vitesse de la lumière dans le vide.
$\scriptstyle{r}$ est la distance entre le dipole et le point où le champ $\scriptstyle{E_\theta}$ est evalué.
$\scriptstyle{k}$ est le nombre d'onde $\scriptstyle{k={2\pi\over\lambda}}$

L'exposant de $e\,$ rend compte de la variation de phase du champ électrique de l'onde avec le temps et avec la distance au dipôle.

Le champ électrique lointain $\scriptstyle{E_\theta}$ de l'onde électromagnétique est coplanaire avec le conducteur et perpendiculaire à la ligne qui relie le point où il est évalué au conducteur. Si nous imaginons l'antenne élémentaire au centre d'une sphère et parallèle à l'axe nord-sud, le champ électrique de l'onde électromagnétique rayonnée sera parallèle aux méridiens et le champ magnétique de l'onde aura la même direction que les parallèles géographiques.

Une antenne réelle filaire de forme quelconque est constituée d'éléments justaposés, dont les caractéristiques s'obtiennent par intégration.

modifier Fonctionnement en réception

Le champ électrique d'une onde électromagnétique induit une tension dans chaque petit segment de tout conducteur électrique. La tension induite dépend de la valeur du champ électrique et de la longueur du segment. Mais la tension dépend aussi de l'orientation du segment par rapport au champ électrique.

Ces petites tensions induisent des courants et ces courants qui circulent traversent chacun une petite partie de l'impédance de l'antenne. Le résultat est que le schéma équivalent de Thévenin d'une antenne n'est pas immédiat.

En utilisant le théorème de réciprocité on peut démontrer que le schéma équivalent de Thévenin d'une antenne en réception est le suivant :

$V_a={\sqrt{R_aG_a}\,\lambda\cos\psi\over\sqrt{\pi Z_0}}E_b$

$\scriptstyle{V_a}$ est la tension du schéma équivalent de Thévenin.
$\scriptstyle{Z_0}=\sqrt{\mu_0\over\varepsilon_0}=377\Omega$ est l'impédance intrinsèque du vide.
$\scriptstyle{Z_a}$ est l'impédance du schéma équivalent de Thévenin et est égale à l'impédance de l'antenne.
$\scriptstyle{R_a}$ est la résistance série de l'impédance de $\scriptstyle{Z_a}\,$ de l'antenne.
$\scriptstyle{G_a}$ est le gain de l'antenne (le même qu'en émission) dans la direction d'où viennent les ondes électromagnétiques.
$\scriptstyle{\lambda}$ est la longueur d'onde.
$\scriptstyle{E_B}$ est le champ électrique de l'onde électromagnétique incidente.
$\scriptstyle{\psi}$ est l'angle de désalignement du champ électrique avec l'antenne. Par exemple, si l'antenne est un dipôle, la tension induite sera maximum quand le champ électrique est aligné avec le conducteur. Si ce n'est pas le cas, et qu'ils forment un angle de $\scriptstyle{\psi}$ , la tension induite sera multipliée par $\scriptstyle{\cos\psi}$ . Cette formule donne donc l'atténuation en fonction de l'angle de dépolarisation.

Le schéma équivalent et la formule à droite sont valables pour tout type d'antenne. Ce peut être une antenne dipolaire, une antenne parabolique, une antenne Yagi-Uda ou un réseau d'antennes.

modifier Définitions générales

Longueur effective de l'antenne	$\frac{\sqrt{R_aG_a}\lambda\cos\psi}{\sqrt{\pi Z_0}}$
Puissance maximum disponible	$\frac{G_a\lambda^2}{480\pi^2}E_b^2$
Surface effective ou section efficace	$\frac{\lambda^2}{4\pi} \cdot G_a$

modifier Caractéristiques

Les caractéristiques principales d'une antenne sont :

les fréquences d'utilisation ;
le diagramme de rayonnement ;
l'impédance d'antenne ;
la polarisation ;
le rendement ;
la puissance maximale tolérée en émission ;
l'encombrement mécanique

modifier Fréquence d'utilisation

La fréquence de résonance d'une antenne dépend d'abord de ses dimensions propres, mais aussi des éléments qui lui sont ajoutés. Par rapport à la fréquence de résonance centrale de l'antenne, un affaiblissement de 3 dB détermine les fréquences minimum et maximum d'utilisation ; la différence entre ces deux fréquences correspond à la bande passante.

Par exemple, une antenne dipolaire élémentaire mince résonne à la fréquence où sa longueur est d'une demi longueur d'onde avec une largeur de bande d'environ 1 %.

Certaines antennes dites « multibandes » peuvent fonctionner correctement sur des segments discontinus de bande de fréquences sans dispositif particulier. D'autres nécessitent l'emploi d'un circuit adaptateur d'impédance pour fonctionner correctement.

modifier Impédance d'antenne

L'impédance d'antenne est la généralisation de la notion d'impédance utilisée pour les autres composants passifs(résistances, condensateurs, selfs...) aux antennes. Il s'agit donc du rapport complexe observé entre la tension et le courant à l'entrée d'une antenne en émission. L'utilité de cette notion est importante pour assurer les meilleurs transferts d'énergie entre les antennes et les dispositifs qui y sont connecté grâce aux techniques d'adaptation.

modifier Polarisation

Articles détaillés : Polarisation (optique) et champ électromagnétique.

La polarisation d'une antenne est celle du champ électrique E de l'onde qu'elle émet. Un dipôle demi-onde horizontal a donc une polarisation horizontale, d'autres antennes ont une polarisation elliptique ou circulaire.

En réception, l'écart entre la polarisation reçue et celle de l'antenne crée une atténuation pouvant être totale si la polarisation est perpendiculaire. La polarisation circulaire est utilisée si les antennes d'émission et réception sont orientées de façon aléatoire, par exemple pour les satellites défilants ou non stabilisés.

modifier Diagramme de rayonnement

L'antenne isotrope, c'est-à-dire rayonnant de la même façon dans toutes les directions, est un modèle théorique irréalisable dans la pratique. En réalité, l'énergie rayonnée par une antenne est répartie inégalement dans l'espace, certaines directions étant privilégiées : ce sont les « lobes de rayonnement ». Le diagramme de rayonnement d'une antenne permet de visualiser ces lobes dans les trois dimensions, dans le plan horizontal ou dans le plan vertical incluant le lobe le plus important. La proximité et la conductibilité du sol ou des masses conductrices environnant l'antenne peuvent avoir une influence importante sur le diagramme de rayonnement. Les mesures sur les antennes sont effectuées en espace libre ou en chambre anéchoïde.

Le diagramme de rayonnement complet peut être résumé en quelques paramètres utiles :

modifier Directivité

Différents diagrammes d'émission d'antennes

La directivité de l'antenne dans le plan horizontal est une caractéristique importante dans le choix d'une antenne.

Une antenne équidirective ou omnidirectionnelle rayonne de la même façon dans toutes les directions du plan horizontal.

Une antenne directive possède un ou deux lobes nettement plus importants que les autres qu'on nomme « lobes principaux ». Elle sera d'autant plus directive que le lobe le plus important sera étroit. La directivité correspond à la largeur du lobe principal, entre les angles d'atténuation à 3 dB.

modifier Gain

Le gain définit l'augmentation de puissance émise ou reçue dans le lobe principal. Il est dû au fait que l'énergie est focalisée dans une direction, comme l'énergie lumineuse peut être concentrée grâce à un miroir et/ou une lentille convergents. Il s'exprime en dBi (décibels par rapport à l'antenne isotrope). Pour une antenne, le miroir peut être constitué par un élément réflecteur (écran plan ou parabolique) tandis qu'un élément directeur (dans une antenne yagi, par exemple) jouera le rôle de la lentille.

modifier Lobes et zéros secondaires

Article détaillé : Lobe secondaire.

Aux angles proches du lobe principal, une antenne présente des minima et maxima relatifs appelés « lobes secondaires » qu'on tente de minimiser. Les antennes à grande directivité présentent également des lobes faibles et irréguliers dans tous les autres angles , appelés « lobes diffus ».

Le niveau général de ces lobes secondaires décrit la sensibilité de l'antenne au brouillage (en télécommunications) ou la finesse d'imagerie (en radar). Une direction où le gain est faible peut être mise à profit pour éliminer un signal gênant (en réception) ou pour éviter de rayonner dans une région où il pourrait y avoir interférence avec d'autres émetteurs.

modifier Angle de départ vertical

Dans le cas d'une antennes proche du sol, en particulier en haute fréquence et moyenne fréquence, le diagramme vertical dépend de l'éloignement du sol. Il en résulte une perte de gain dans le plan horizontal. L'angle du lobe principal dans le plan vertical (« angle de départ ») définit les performances d'une antenne vis à vis des modes de propagation ionosphériques.

modifier Rendement

La somme des puissances émise dans toutes les directions définit la puissance effectivement rayonnée. Le rapport avec la puissance fournie par la ligne de transmission définit son rendement. En règle générale, le rendement diminue régulièrement si les dimensions de l'antenne sont plus faibles que l'idéal dipole ou monopole. Il dépend également de la qualité des surfaces conductrices.

modifier Puissance maximale en émission

Le rendement définit la puissance effectivement rayonnée, la puissance non rayonnée est dissipée thermiquement soit dans les fils, raccords, visseries, etc., ce qui limite la puissance moyenne tolérée. La puissance crête maximale tolérée dépend du champ électrique avant amorçage en chaque point de l'antenne, dans les lignes, pointes, guides, supports, isolants. Le point le plus critique est en général la ligne de transmission, coaxiale ou guide : son diamètre doit être adapté, ainsi que son diélectrique.

modifier Formes et dimension

Une antenne multibandes HF de type Yagi rotative

La forme et les dimensions d'une antenne sont extrêmement variables : celle d'un téléphone portable est parfois invisible car à l'intérieur du boîtier ou se limitant à une petite excroissance sur l'appareil, tandis que la parabole du radiotélescope d'Arecibo dépasse 300 m de diamètre. Très grossièrement on peut dire que pour la même fréquence d'utilisation, les dimensions d'une antenne seront d'autant plus grandes que son gain sera élevé et son lobe principal plus étroit.

Les antennes directives peuvent être fixes pour les liaisons point à point, ou rotatives en télécommunications mobiles. Les antennes de poursuite des satellites sont orientables en azimut (direction dans le plan horizontal) et en site (hauteur au-dessus de l'horizon).

modifier Types d'antennes

Les formes d'antennes sont multiples, mais peuvent être regroupées en familles.

Ensemble d'antennes diverses

modifier Antennes élémentaires

Les antennes élémentaires peuvent être utilisées isolément ou comme éléments de réseaux, ou comme source d'un système a réflecteur ou à éléments parasites. Ces antennes ne permettent qu'une polarisation linéaire.

L'antenne isotrope est une référence théorique irréalisable, qui rayonnerait également dans toute les directions. Elle ne sert que de référence a l'évaluation du gain (voir ci-dessous).
L'antenne dipolaire ou « dipôle » ou « doublet » est constituée d'un élément conducteur de longueur égale à la demi longueur d'onde. Son impédance caractéristique est résistive et voisine de 73 ohms pour un dipôle isolé dans l'espace.
L'antenne « monopôle » ou « quart d'onde » est constituée d'un élément de longueur égale au quart de longueur d'onde, perpendiculaire à un plan conducteur. Elle se comporte comme un demi dipôle, le plan conducteur agissant en miroir. Son impédance caractéristique est la moitié de celle du dipôle soit environ 37 ohms. Sa forme dépend des fréquences, depuis l'« antenne en parapluie » en VHF ou en « nappe » pour ondes kilométriques.
Fentes rayonnantes : aux fréquences élevées (hyperfréquences), les ondes sont plus faciles à manipuler que les courants et tensions, la fente rayonnante attaquée par un guide d'onde est l'équivalent d'un dipôle attaqué par une ligne symétrique (dualité).
La boucle est l'élément de base des antennes quad ou cadres.

modifier Antennes en réseaux

Les antennes élémentaires peuvent être assemblées en réseaux à une ou deux dimensions, augmentant ainsi le gain et la directivité. Le diagramme d'une antenne réseau peut être modulé en modifiant phase et amplitude des excitations individuelles.

L'antenne rideau ou « colinéaire » comporte en VHF/UHF plusieurs dipôles alimentés par une ligne parallèle, en général devant un réflecteur. En basse fréquence ce sont des monopoles ou des dipôles multiples alimentés par des lignes coaxiales indépendantes.
L'antenne Yagi-Uda à éléments parasites, est la plus connue du public : c'est le « râteau » utilisé pour la réception de la télévision analogique ou numérique terrestre. Son gain et sa directivité dépendent du nombre d'éléments (donc de sa longueur). C'est une variante d'antenne réseau , les éléments parasites étant alimentés par couplage, grâce au choix de leur longueur.
Les panneaux rayonnants en hyperfréquence comportent de nombreuses antennes élémentaires , en général antenne patch(ou plane ou planaire), sur un support plan.
les antennes hybrides ( planaire + éléments) plus connues en TNT sous antenne compacte: http://commons.wikimedia.org/fr/Image:Antenne_UHF_TNT_compacte.jpg

modifier Antennes à réflecteurs

En hyperfréquences, les antennes peuvent utiliser des montages similaires à l'optique, avec des réflecteurs plans ou paraboliques.

L'antenne parabolique est la plus connue pour son usage en télévision satellitaire.
Les antennes de trés grands diamètres utilisées en transmissions spatiales ou en radioastronomie utilisent aussi des montages type Cassegrain similaires aux téléscopes.

modifier Antennes pour polarisation circulaire

Une combinaison de deux antennes élémentaires croisées permet d'émettre ou de recevoir en polarisation circulaire. D'autres principes sont spécifiques à la polarisation circulaire.

L'antennes Yagi croisées combine deux antennes Yagi attaquées avec un déphasage de 90°.
L'antenne hélice monofilaire, de forme « tire-bouchon » permet de réaliser un diagramme étroit , adapté par exemple à la poursuite de satellites.
L'antenne hélice quadrifilaire permet de réaliser un diagramme favorisant les angles latéraux (utilisée en communications spatiale avec les satellites défilants.

modifier Antennes à guide d'onde

Antenne à fentes pour onde de 2,4 GHz

L'antenne cornet utilisée en hyperfréquence est une ouverture rayonnante excitée par un guide ou un monopole, rectangulaire en polarisation linéaire, circulaire en polarisation circulaire.

Les réseaux de fentes rayonnantes sont des réseaux de dipoles ouverts sur un guide. Leur géométrie permet de définir le faisceau et la polarisation (antenne à fentes).

modifier Antennes actives

Une antenne active incorpore un circuit d'amplification directement aux bornes de l'antenne élémentaire, soit en réception pour adapter l'impédance (en BF par exemple), soit en émission pour permettre la création de diagrammes complexes dans un montage en panneau rayonnant. Ces antennes réseau à commande de phase sont utilisées pour les radars d'observation spatiale ou aéroportés, les radars de détection stratégiques, et peuvent comporter un millier d'éléments actifs.

modifier Antennes à large bande

Dipole hyperfréquence à large bande

Une antenne élémentaire présente une fréquence de résonance et une largeur de bande liée à son rapport longueur/diamètre, En augmentant ce rapport il est possible d’obtenir une bande passante de 50 %. Un dipôle à large bande ressemble alors à un haltère en hyperfréquence, ou à un double cône filaire en haute fréquence.

Pour aller au delà, les antennes spéciales fonctionnant sur une décade ou plus, sont du type antenne log-périodique ou assimilées comme l’antenne discone, l’antenne plate hélicoïdale, etc.

modifier Antennes patch

Avec la miniaturisation des systèmes de radiocommunication, on a eu besoin de créer des antennes les moins encombrantes possible, mais de rendement suffisamment élevé. Ce sont les antenne patch, dont il existe une grande diversité.

En général, une antenne patch est composée d'un élément résonnant placé au-dessus d'un plan métallique.

modifier Antennes cadres et boucles

Quand la longueur d'onde est trop grande par rapport aux dimensions possibles de l'antenne, on utilise les antennes cadres ou boucles. On parle d'antenne cadre si il y a plusieurs spires, et de boucle s'il n'y en a qu'une. Ces antennes sont en fait des circuits résonants que l'on agrandit au maximum pour obtenir un rayonnement. Comme les dimensions restent petites par rapport à la longueur d'onde, la résistance de rayonnement reste très faible, souvent inférrieure à l'ohm. Le rendement est alors réduit, car la résistance ohmique peut être supérieure à la résistance de rayonnement.

Pour favoriser le rendement, la résistance ohmique doit être minimisée, le coefficient de surtension est alors élevé, et l'antenne a une bande passante faible.

On utilise ces antennes dans les systèmes RFID, les lecteurs de cartes à puces radio, dans les télécommandes de petites dimensions, etc...

Antenne ferrite GO

Si on place un bâton de ferrite dans une antenne cadre, il n'est plus nécessaire d'agrandir physiquement le diamètre de la bobine, c'est la ferrite qui concentre le champ H: on a alors les antennes utilisées sur les récepteur radio en moyenne fréquence.

modifier Mode d'alimentation

L'antenne est généralement déployée à l'extérieur, voire fixée au sommet d'un mât. Pour acheminer vers l'antenne l'énergie à haute fréquence fournie par l'émetteur ou en sens inverse amener le signal capté par l'antenne jusqu'à l'entrée du récepteur, on utilise une ligne de transmission ou un guide d'onde.

Pour obtenir un fonctionnement optimal, l'impédance au point d'alimentation doit être égale à l'impédance caractéristique de la ligne d'alimentation. L'ordre de grandeur des impédances rencontrées est de quelques dizaines (50 ou 75 ohms pour le câble coaxial) et quelques centaines d'Ohms (300 ohms pour une ligne bifilaire). Outre l'adaptation des impédances, une antenne symétrique (comme le doublet demi-onde doit être alimentée par une ligne symétrique (comme la ligne bifilaire) et une antenne asymétrique comme l'antenne verticale par une ligne asymétrique : un câble coaxial, par exemple. Pour connecter une ligne symétrique à une antenne asymétrique, on utilise un dispositif symétriseur ou balun.

Une antenne peut également être alimentée par une ligne de transmission à haute impédance, constituée de deux fils parallèles en l'air, d'impédance caractéristique 600 Ohms. L'adaptation à une ligne de transmission classique se fait alors à son extrémité. Ce montage est fréquent pour alimenter les éléments individuels d'une antenne rideau.

En hyperfréquences on utilise aussi des guides d'ondes, sortes de tubes de section rectangulaire ou elliptique dans lesquels circulent les ondes. Les guides d'onde permettent d'acheminer les ondes avec des pertes minimales et supportent des puissances élevées (plusieurs MW pour un radar de contrôle aérien par exemple).

Pour permettre le fonctionnement d'une antenne élémentaire sur une large bande de fréquence, un système adaptateur d'antenne peut être inséré, adaptant pour chaque fréquence l'impédance complexe de l'antenne à la ligne de transmission.

modifier Antennes de réception

Toute antenne d'émission est adaptée à la réception. Toutefois certaines antennes utilisées en réception ont un rendement très faible en émission (antenne Beverage) ou bien ne pourraient supporter une puissance d'émission importante en raison des pertes ou des surtensions trop élevées qui pourraient les détériorer.

Les antennes de réception dites « actives » incorporent un préamplificateur-adaptateur entre l'élément d'antenne et la ligne de transmission. Cet élément actif comporte en outre dans le cas des antennes de télévision satellitaires, un changement de fréquence pour réduire les pertes de distribution.

En radiodiffusion PO ou GO, les antennes cadre sur ferrite permettent une réception avec une installation plus compacte qu'une antenne filaire, et moins sensible aux parasites. Ces antennes présentent un angle d'annulation, et doivent éventuellement être orientées.

En réception, il est fréquent qu'une antenne soit utilisée largement en dehors de sa fréquence d'accord. c'est le cas des antennes d'auto-radio dont la fréquence de résonance est proche de la bande de radiodiffusion « FM » (bande des Ondes Ultras Courtes, bande OUC) vers 100 MHz, et qu'on utilise en petites ondes ou même grandes ondes à quelques centaines de kilohertz avec une longueur d'onde de l'ordre du kilomètre.

modifier Réalisation mécanique

Radôme de plemeur-bodou

Selon qu'une antenne est destinée à la réception de la télévision grand-public ou à un satellite de télécommunication, la qualité (et le coût) de la réalisation ne sera pas la même. La résistance au vent et aux intempéries doivent être particulièrement soignées pour obtenir une grande fiabilité et stabilité, c'est le cas des antennes à réflecteur parabolique. En altitude il n'est pas rare qu'une antenne soit enrobée de glace, les éléments doivent supporter cette surcharge sans se déformer. Pour éviter les problèmes d'oxydation et d'infiltration d'eau, les éléments alimentés sont souvent protégés par un étui isolant. Un radôme est un abri protecteur imperméable utilisé pour protéger une antenne.

modifier Liens externes

(en) Livres concernant la conception d'antennes
Les antennes - Un résumé simple du sujet par Jacques Pezzani et Philippe Picard - Laboratoire d'Etudes Spatiales et d'Instrumentation en Astrophysique [pdf]

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