Page sur les différentes antenne

Puissance
La puissance est exprimée soit en Watts ou alors dans l'unité relative en décibels par rapport au milliwatt (dBm).
Correspondance entre puissance en Watts (W) et puissance en décibels milliwatts (dBm):
dBm: Watts:
(dBm = 10*log10(P / 0.001))
Perte dans un cable coaxial à 2.45 GHz
Valeurs typiques pour quelques cables coaxiaux courants:
Choix du type de cable:
Longueur (mètres): Perte en dB (valeur négative %):
Antenne
Détail
Le gain d'antenne est normalement donné en décibels isotropiques [dBi].C'est le gain de puissance par rapport à une antenne isotropique (antenne rayonnant avec la même puissance dans toutes les directions....une telle antenne n'existe pas dans la réalité %).
Certaines antennes ont leur gain donné en [dBd], c'est le gain par rapport à un doublet demi-onde (dipôle). Dans ce cas il faudra ajouter 2.14 dB pour avoir le gain isotropique [dBi].
Plus une antenne a du gain plus elle est directive (énergie dans une direction privilégiée).
Les antennes fournies de base ont généralement un trés faible gain (2.14 dBi ).
Le gain d'une antenne est le même à la réception et à l'émission.
Antenne parabolique
Détail
Le réflecteur parabolique est indépendant de la fréquence, il affecte seulement le gain de l'antenne. Cela signifie donc que vous pouvez ré-utiliser votre parabole satellite TV pour du Wifi.
Plus le gain est élevé plus la directivité est grande et donc plus l'antenne doit être pointée avec précision.
La difficulté réside dans l'illumination de la parabole. Si l'illumination est trop large ou au contraire trop concentrée, il y aura une perte de gain
Voici le gain maximum d'un réflecteur parabolique en fonction de son diamètre et de sa fréquence:
Bande de fréquence:
Diamètre de l'antenne en mètres: Gain maximum en dB:
Puissance rayonnée
La puissance rayonnée (puissance émise par l'antenne) se calcule trés simplement en dBm:
Puissance rayonnée [dBm] = puissance d'émetteur [dBm] - perte dans le cable [dB] + gain d'antenne [dBi]
Détail
La limite légale de puissance rayonnée (EiRP) fixée par l'OFCOM pour les WLAN est de 100mW (= +20dBm). De même pour la plupart des autres pays.
Ne pas confondre cette limite avec la limite pour les rayonnements dans les habitations (ORNI). Cette dernière spécifie que le champ électrique ne doit pas dépasser 6 Volts par mètre dans les habitations. Elle provient de la crainte de l'effet des ondes sur la santé. Dans le cas des WLAN il y a trés peu de risques de dépasser cette valeur de champs sauf si l'on utilise des amplificateurs de puissances.
Affaiblissement en espace libre
Calcul de la perte engendrée par la propagation des ondes dans un espace libre (sans obstacles).
Correspondance entre affaiblissement en décibels (dB) et distance en kilomètres (km):
Bande de fréquences:
Perte en dB (valeur négative %): kilomètres:
(Formule de Friis)
Sensibilité de réception
Le récepteur des cartes a un seuil inférieur de sensibilité qui déterminera la puissance minimale devant être reçue (sur le connecteur de la carte) pour avoir un certain débit de données. Si la puissance reçue est inférieure au seuil, le débit de données devra être réduit pour retrouver des performances acceptables. Donc on a avantage à utiliser des cartes avec des seuils de sensibilité de réception le plus bas possible.
Rapport Signal / Bruit
La sensibilité de réception n'est pas tout, il faut aussi tenir compte du rapport de puissance signal sur bruit. Il s'agit de la différence minimum de puissance entre le signal que l'on cherche à recevoir et le bruit (bruit thermique, bruit industriel dû par exemple aux fours microonde, bruit dû aux autres WLAN travaillant sur la même bande). Il est défini par:
Rapport signal/bruit [dB] = 10 * Log10 (Puissance du signal [W] / Puissance du bruit [W])
Si le signal est plus puissant que le bruit, le rapport signal / bruit (abrégé aussi S / N) sera positif, si le signal est noyé dans le bruit le rapport sera négatif. Pour pouvoir fonctionner à un certain débit de donnée, le système aura besoin d'un rapport S / N minimum:
Si le niveau de bruit est trés bas, le système sera limité plutôt par la sensibilité minimum de réception. Par contre si le niveau de bruit est élevé c'est plus le rapport signal / bruit qui importera plutôt que la sensibilité de réception pour obtenir un débit donné.
Si le niveau de bruit est élevé, il faudra donc plus de puissance reçue. Dans des conditions normales, sans autre WLAN sur la même fréquence, sans bruit industriel, le niveau de bruit se situe aux alentours de -100dBm. Exemple: Pour avoir un débit de 11Mbps avec une orinoco, il faudra donc un signal de 16 dB de plus (rapport signal sur bruit) donc de -100 + 16 = -84 dBm, mais ce niveau est en dessous de la sensibilité de réception minimum qui est de -82 dBm, c'est donc la sensibilité de réception qui limite le système dans ce cas.
Bilan de liaison
Le bilan de liaison théorique est le calcul de toute la chaîne de transmission soit (transmission sans obstacles):
Détail
Emission [dBm]: Emetteur [dBm] -perte dans le cable [dB]+ gain d'antenne [dBi]
Propagation [dB]: Affaiblissement en espace libre [dB].
Réception[dBm]: gain d'antenne [dBi]- perte dans le cable [dB]- sensibilité du récepteur [dB]
Propagation : Ellipsoïdes de Fresnel
Une manière simple et rapide d'expliquer le rôle des ellipsoïdes de Fresnel en propagation radio est de voir cela comme un tuyau virtuel dans lequel se déplace la majorité de l'énergie entre un émetteur et un récepteur. Cela veut donc dire que pour éviter des pertes il ne faudrait pas qu'il aie d'obstacle dans cette zone correspondant au "tuyau" (region interdite). En effet un obstacle va perturber le flux d'énergie.
Propagation : Diffraction
Quand un obstacle se trouve entre l'émetteur et le récepteur, une partie de l'énergie arrivera toujours à passer. Ceci grace au phénomène de diffraction sur le sommet de l'obstacle. Plus la fréquence est haute plus la perte d' énergie va etre grande.
Propagation: Polarisation
La polarisation d'une onde dépend du type d'antenne utilisé et de son orientation (élement rayonnant) par rapport au sol . Par exemple une antenne fouet (téléscopique) va donner une polarisation vertical quand on la place verticalement ( | ) et une polarisation horizontale si on la couche (--). La même chose est valable pour une antenne Yago ( |-|-|-| ). Les antennes hélices produisent une polarisation circulaire.
Pratiquement les antennes d'émission et de réception devraient avoir la même polarisation pour obtenir les meilleures performances. (mais comme la polarisation change avec la diffraction et les reflections, cette règle n'est pas toujours valable). La polarisation verticale est preférée pour une couverture à longue distance car l'effet du sol atténue fortement signal dans le cas horizontal à partir d'une certaine distance.
Un système de transmission utilisant des antennes à polarisation circulaire permet d'atténuer l'effet des réflexions (principe utilisé par exemple pour le GPS).
Réflexions et étalement dans le temps (delay spread)
Les ondes ont la propriété de se réflechir sur les obstacles qu'elles rencontrent. A la réception on reçoit alors en même temps l'onde directe et les ondes réfléchies. Cela provoque des annulations à certaines fréquences mais aussi un décalage de temps entre les différentes composantes reçue qui fait que le signal devient s'étale dans le temps.
La conséquence sur le système est néfaste et fait décroître les performances (erreurs de transmission). Pour réduire cet effet le récepteur est généralement doté d'un égaliseur qui contrebalance ces défauts. Celui-ci a cependant une capacité limitée et les constructeurs donnent des valeurs limites d'étalement de temps pour un taux mimimum d'erreur donné et en fonction du débit de données:
On constate donc que pour les débit élevé il vaut mieux minimiser le taux de réflexions. Le décalage en temps d'une réflexion se calcule facilement sachant que les ondes se propagent à la vitesse de la lumière (300'000 km/s):
Décalage en temps [s] = Différence de longueur entre chemin direct et réfléchi [m] / 300'000'000
Ainsi une différence de temps de 50 ns correspond à une différence de trajet de 15 mètres. Pour minimiser le taux de réflexions il faut utiliser des antennes directives, avoir la vue directe, prendre garde au dégagement de l'antenne. On peut aussi utiliser des antennes à polarisation circulaire (antenne hélice) qui annulent assez bien les premières réflexions.
Des réflexions peuvent aussi être provoquées à l'intérieur de l'ensemble cable coaxial-connecteurs-antenne si ceux ci sont mal adaptés et mal construit (mauvaise impédance, antenne mal accordée, ondes stationnaires) et donc provoquer des erreurs de transmission.
Attention, la valeur de l'étalement de temps correspond à un calcul qui prend en compte le niveau et le décalage de CHAQUE composante:
Etalement de temps = somme sur toutes les composantes de { (poids de la composante)*(décalage de la composante) }

La polarisation des ondes

Formation de l'onde électromagnétique dans un dipôle
Deux phénomènes électriques distincts se conjuguent dans un dipôle parfait isolée dans l'espace pour donner lieu à la formation d'une onde électromagnétique :
les courants circulant dans les brins de l'antenne produisent un champ magnétique autour de chacun des conducteurs. A chaque endroit du fil, les lignes de champ se développent dans un plan perpendiculaire au conducteur.
les différences de potentiel existant entre les deux brins du dipôle provoquent l'apparition d'un champ électrique dont les lignes de champ sont réparties dans des plans sécants dont le dipôle est sur la ligne d'intersection.
Si les courants et tensions étaient d'amplitude constante, il n'y aurait pas formation d'une onde radio. Ce sont les variations extrêmement rapides et l'inversion de sens à chaque période des courants et tensions dans les brins de l'antenne qui font que les vibrations locales des champs électriques et magnétiques se propagent dans l'espace. Des fréquences très élevées, des vitesses de propagation du courant et des ondes qui ne sont pas infinies, des champs électriques variables qui provoquent l'apparition de champs magnétiques de fréquences identiques et réciproquement, toute une foule de phénomènes complexes qui concourent à l'expulsion vers l'infini de paquets d'énergie issus de l'émetteur.
Onde plane
Dans un espace isotrope et homogène, la vitesse de propagation d'une onde est constante et son affaiblissement dû à la distance est lui-même constant dans toutes les directions. Au bout de quelques périodes, le front de l'onde (le début de la perturbation des champs électrique et magnétique) a la forme d'une sphère, comme une immense bulle de savon se gonflant à la vitesse de la lumière. Le rayon de cette sphère est tellement grand qu'on peut considérer que, sur une surface limitée, le front de l'onde est plan. Cette approximation sans grandes conséquences facilite la compréhension de ce qui suit.
Orientation des champs électriques et magnétiques de l'onde
Tant qu'un obstacle ne vient pas perturber le déplacement de l'onde, les orientations des champs électriques et magnétiques qui composent l'onde radio restent constantes. Si on se place à quelques centaines de longueurs d'onde de l'antenne, celle-ci sera vue comme un petit point situé au centre de la sphère représentant le front de l'onde.
Considérons à la surface de cette sphère une aire S de 1 mètre au carré. Par rapport à un dipôle considéré comme horizontal, on remarque que, à la surface de S :
- les lignes de champ électrique sont horizontales
- les lignes de champ magnétique sont verticales
Définition :
La polarisation d'une onde radioélectrique est celle du champ électrique qui la compose.
Le champ électromagnétique proche de l'antenne ne répond pas aux même lois que le champ lointain, situé à quelques dizaines de longueurs d'onde de l'antenne. Par exemple, dans le champ lointain le rapport entre l'amplitude du champ électrique et l'amplitude du champ magnétique est une constante. Ainsi il suffit de mesurer l'une pour évaluer l'autre.
Polarisation linéaire et polarisation circulaire
A un instant t, le champ électrique peut être représenté par un vecteur perpendiculaire à la direction de propagation de l'onde. Le champ magnétique, lui aussi, est un vecteur perpendiculaire au vecteur champ électrique et perpendiculaire à la direction de propagation. Si la direction du vecteur champ électrique est constante (comme ci-dessus) la polarisation de l'onde est dite linéaire. Certaines antennes rayonnent des ondes à polarisation elliptique, c'est à dire dont le vecteur champ électrique E tourne autour de l'axe de propagation.
La polarisation elliptique peut être à droite (si le vecteur tourne dans le sens des aiguilles d'une montre en tournant le dos à l'antenne) ou à gauche dans le sens contraire. Si l'amplitude maximum du champ électrique est la même quelle que soit sa direction, la polarisation est dite circulaire, un cas particulier de la polarisation elliptique.
La polarisation réelle d'une onde
En pratique la polarisation d'une onde radio ne reste pas longtemps celle que l'antenne lui a imprimé. La moindre réflexion sur un obstable l'affecte et on constate en radiogoniométrie sur VHF que l'onde émise par une balise dont l'antenne est verticale reste polarisée verticalement tant que la balise est en vue directe sinon le signal sera généralement plus fort en polarisation horizontale qu'en polarisation verticale.
Rotation de polarisation
Réfraction et réflexion sont parmi les phénomènes qui peuvent provoquer un changement de l'orientation de la polarisation d'une onde. En optique, l'image d'un objet reflété dans un miroir incliné à 45 degrés pivote de 90 degrés. Un objet vertical est vu horizontal dans le miroir.

Antenne Tesla

Voici un aspect important et souvent négligé du résonateur Tesla.La bobine secondaire d'un résonateur Tesla se comporte comme une antenne radiofréquence.Dans ces conditions les ondes électromagnétiques se déplacent dans l'antenne et sont réfléchies dans la bobine (ondes stationnaires). Comme le montre le schéma suivant :
On constate que le potentiel maximal sera acquis quand la longueur de bobinage sera égale à la distance parcourue par l'onde pendant un quart de l'onde. Connaissant la fréquence de résonance du résonateur Tesla (Tesla Coil) on peut en déduire la longueur (l):Distance parcourue par l'onde pendant un quart d'onde : l=CT / 4 (C étant la vitesse de la lumière et T la période)Concrètement, pour vérifier si la bobine secondaire est quart d'onde, il suffit de connaître la longueur de fil et la fréquence à laquelle elle travaille.Voici un exemple tiré de notre TC20 :Il faut calculer le quart du temps de période de la fréquence considérée.100kHz donne T = 10us (f = 1 / T) que l'on divise par 4Le quart de l'onde est donc de 2,5us.Cette valeur est le temps qui permet de parcourir la distance totale de fil à la vitesse de la lumière.En 2,5us la lumière parcourt 750 mètres.Cette valeur est presque notre longueur de fil sur la TC20.La tension dans la bobine sera définie par :
Ux = U2max sin (π / 2 * x / h)
h représente la hauteur de la bobine x représente la distance à partir du début de la bobine U2maxreprésente la tension maximale à la sortie
Antenne rideau HF de télécommunication Antennes de réception de la télévision Montage d'une antenne de station terrienne
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.
Théorie générale
Très généralement, une antenne radioélectrique convertit les grandeurs électriques existantes dans un conducteur ou une ligne de transmission (tension et courant) en grandeurs électromagnétiques dans l'espace (champ électrique et champ magnétique), ceci en émission et inversement en réception. En émission, la puissance électrique est convertie en puissance électromagnétique et c'est l'inverse en réception.
Fonctionnement en émission
émission du doublet électrique élémentaire

Schéma géométrique d'une antenne élémentaire.
Une antenne élémentaire en émission, dénommée également doublet électrique, est constituée d'une petite longueur Δl«λ de conducteur (petite devant la longueur d'onde λ) dans lequel circule un courant alternatif I:
I = Ioejωt
Dans laquelle ω = 2πƒ est la pulsation et ƒ est la fréquence. j² = -1 est le nombre imaginaire. (Cette notation, employant les nombres complexes correspond à la notation complexe des impédances).
Soit un repère dont l'origine est placée au centre de l'antenne et dont l'ordonnée se confond avec l'antenne, Le champ Εr,θ créé par cette antenne élémentaire en un point de coordonnées polaires (r,θ, telle que r » λ
Er,θ = (-jIοsinθ) / 2εοcr) * Δl / λ * ej(ωt - kr)
Dans lequel :
Détail
Εr,θ est l'amplitude du champ électrique au point r,θ
εο est la permittivité diélectrique du vide.
c est la vitesse de la lumière dans le vide.
r est la distance entre le dipôle et le point où le champ Εθ est evalué.
k est le nombre d'onde, k = 2π / λ
Le champ électrique lointain Εθ 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 telle antenne élémentaire n'existe pas. Une antenne filaire réelle quelconque sera considérée comme constituée par la juxtaposition d'antennes élémentaires et ses caractéristiques seront obtenues par l'intégration des champs élémentaires, sachant que les caractéristiques du courant dans chaque élément sont différentes en amplitude et en phase. Une antenne cette fois réelle, que l'on peut ainsi construire, est l'antenne doublet demi-onde, encore appelée dipôle demi-onde.
Si P est la puissance rayonnée par l'antenne élémentaire, le champ électrique rayonné en un point situé à une distance r de cette antenne, est maximum dans une direction perpendiculaire au conducteur de l'antenne (sens du vecteur de Poynting). L'amplitude maximale de ce champ est donnée par la relation :
E = √kP / r
E en V/m, P en W, r en m. Avec k = 90 pour un doublet électrique élémentaire .
émission de l'antenne isotrope
L'antenne isotrope est une antenne fictive qui rayonnerait le même champ dans toutes les directions. Elle sert de référence pour définir le gain des antennes (voir plus loin) La formule précédente s'applique pour trouver l'amplitude maximale du champ E, en faisant k = 60 (on retrouve cette formule en considérant le flux du vecteur de Poynting sur la surface d'une sphère de rayon r).
Si on considère le champ efficace, on fera k = 30.
émission du dipôle demi-onde
Si on considère l'amplitude maximum du champ E dans une direction médiatrice du dipôle, la formule précédente s'applique en faisant k = 98 (2,15 dB de plus que l'antenne isotrope).
Si on cherche le champ efficace, on fera k = 49
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 à calculer.
En utilisant le théorème de réciprocité on peut démontrer que le schéma équivalent de Thévenin d'une antenne en réception est le suivant :

Vα =( √RαGαλcosψ) / √πZ0
Détail
Vα est la tension du schéma équivalent de Thévenin.
Z0 = √µ0 / δ0 = 377 Ω est l'impédance intrinsèque du vide.
Zα est l'impédance du schéma équivalent de Thévenin et est égale à l'impédance de l'antenne.
Rα est la résistance série de l'impédance de Zα de l'antenne.
Gα est le gain de l'antenne (le même qu'en émission) dans la direction d'où viennent les ondes électromagnétiques.
λ est la longueur d'onde.
EB est le champ électrique de l'onde électromagnétique incidente.
ψ est l'angle de désalignement du champ électrique avec l'antenne.
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.
Détail
Notions relatives aux antennes réceptrices: les trois définitions suivantes découlent toutes de la formule du paragraphe précédent.
Longueur effective de l'antenne : (√RαGαλcosψ) / √πZ0
Puissance maximum disponible : Gαλ² / 480π² * E²b
Surface effective ou section efficace : λ² / 4π * Gα
Caractéristiques
Détail
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
Fréquence d'utilisation
Une antenne s'utilise en général avec des signaux autour d'une fréquence donnée pour laquelle l'antenne possède des capacités optimales pour émettre ou recevoir l'énergie électromagnétique correspondante dans l'espace environnant. 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.
En pratique et pour les fréquences élevées, le diamètre du conducteur n'est plus négligeable par rapport à la longueur d'onde, ce qui augmente considérablement sa bande passante. En règle générale:
La bande passante d'une antenne diminue si l'antenne devient petite par rapport à la demi-onde : il n'existe pas d'antennes large bande et compactes. Du moins avec des pertes raisonnables.
La bande passante d'une antenne filaire augmente si le diamètre du conducteur augmente.
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.
Impédance d'antenne
L'impédance d'antenne est la généralisation de la notion d'impédance utilisée pour les autres composants passifs 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 connectés grâce aux techniques d'adaptation.
Une antenne prise entre ses deux bornes d'accès constitue donc un dipôle ayant une impédance complexe R + jX où R et X représentent respectivement la résistance et la réactance de l'antenne. La résistance d'antenne R est elle-même la somme de deux types de résistance qui traduisent les différentes utilisations de l'énergie absorbée: la première Rp est la résistance liée aux pertes par effet Joule dans l'antenne tandis que la deuxième Rr est la résistance de rayonnement liée à l'énergie utile rayonnée par l'antenne dans l'espace qui l'entoure. On dit d'une antenne qu'elle résonne sur une fréquence si à cette fréquence le terme imaginaire jX est nul. La puissance absorbée par l'antenne est la puissance absorbée par la résistance R. La résistance Rr est parfois qualifiée de fictive, car elle n'est pas soumise à la loi de Joule : en effet, la puissance absorbée par cette résistance est, à la différence d'une véritable résistance, transformée en rayonnement électromagnétique.
Très souvent, les constructeurs des antennes cherchent à obtenir une résistance pure R= 50 Ohms et X = 0 afin de pouvoir alimenter cette antenne par une ligne 50 Ohms (ou plus rarement 300 ou 600 Ohms). En effet, idéalement, l'antenne doit présenter à sa ligne d'alimentation une résistance pure égale à l'impédance caractéristique de cette ligne. La ligne d'alimentation fonctionnera alors "en onde progressive". Cette condition est pratiquement toujours recherchée aux fréquences au-delà de 30 MHz, car elle optimise le transfert d'énergie et n'impose pas de conditions sur la longueur de cette ligne. La mesure du rapport d'onde stationnaire permet de s'assurer que la ligne fonctionne en onde progressives.
Cependant, pour les fréquences basses, il est parfois impossible d'obtenir une impédance résistive de 50 Ohms. On doit alors intercaler entre l'antenne et la ligne d'alimentation un transformateur d'impédance qui aura pour but de transformer l'impédance complexe de l'antenne en une résistance pure, généralement de 50 Ohms. C'est un dispositif d'adaptation ou adaptateur d'antenne. Le dispositif d'adaptation est parfois constitué par la ligne elle-même. La longueur de la ligne devient alors critique et le rapport d'onde stationnaire est élevé.
Polarisation
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.
Dans cette optique de réception terrestre on peut considérer que l'antenne type yagi atténue le signal d'un facteur 10 soit (20 db) lors de sa rotation du mode de réception horizontale au mode de polarisation verticale pour un même émetteur.
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.
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 :
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.
Pour toutes les antennes, la dimension constitue un paramètre fondamental pour déterminer la directivité. Les antennes à directivité et à gain élevés seront toujours grandes par rapport à la longueur d'onde. Il existe en effet des relations mathématiques (transformation de Fourier) entre les caractéristiques spatiales et le diagramme de rayonnement.
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.
Lobes et zéros secondaires
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.
Angle de départ vertical
Dans le cas d'une antenne 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.
Rendement
La somme des puissances émises dans toutes les directions définit la puissance effectivement rayonnée. Le rapport avec la puissance fournie par la ligne de transmission définit son rendement. La résistance présentée par l'antenne a deux origines :
Détail
la résistance de rayonnement. L'énergie absorbée par la résistance de rayonnement est en fait l'énergie rayonnée par l'antenne.
la résistance de pertes. L'énergie absorbée par cette résistance est dissipée en chaleur par l'antenne, par effet joule dans les résistances ou par pertes dans les diélectriques.
Le rendement est fonction du rapport entre ces deux résistances. Une antenne aura un bon rendement si la résistance de pertes est faible devant la résistance de rayonnement. Les antennes du type dipôle demi-onde ou monopole ont en général une résistances de rayonnement bien plus élevées que leur résistance de pertes et leur rendement reste donc bon. Par contre, si l'antenne possède des dimensions faibles par rapport au dîpôle demi-onde, sa résistance de rayonnement va diminuer. C'est alors que se posera vraiment le problème du rendement et qu'il faudra chercher à réduire aussi la résistance de pertes.
Si on considère la puissance appliquée à l'entrée de la ligne de transmission, le rendement est évidemment plus faible, puisque une partie de l'énergie est dissipée dans cette ligne. Une ligne est caractérisée par les pertes en dB par unité de longueur, pour une fréquence donnée. Mais si la ligne est le siège d'ondes stationnaires du fait de la désadaptation, les pertes dans la ligne seront encore supérieures.
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.
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).
Types
Les formes d'antennes sont multiples, mais peuvent être regroupées en familles.
Antennes élémentaires

Antenne dipôle demi-onde (à gauche)
et antenne quart d'onde (à droite).
Les antennes élémentaires peuvent être utilisées isolément ou comme éléments de réseaux, ou comme source d'un système à réflecteur ou à éléments parasites. Ces antennes ne permettent qu'une polarisation linéaire.
Détail
L'antenne isotrope est une référence théorique irréalisable, qui rayonnerait également dans toutes les directions. Elle ne sert que de référence à l'évaluation du gain.
L'antenne dipolaire ou dipôle demi-onde ou doublet demi-onde 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.
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.
Détail
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 cierge, est omnidirectionnelle dans le plan horizontal. Elle est composée de plusieurs dipôles demi-onde alimentés de façon à rayonner en phase. Ces dipôles sont disposés bout à bout verticalement les uns au-dessus des autres et enrobés dans une enveloppe de protection. Plus le nombre de dipôles est important, plus l'antenne sera longue, plus son gain sera important et sa directivité dans le plan vertical élevée.
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
Antennes à réflecteurs
En hyperfréquences, les antennes peuvent utiliser des montages similaires à l'optique, avec des réflecteurs plans ou paraboliques.
Détail
L'antenne parabolique est la plus connue pour son usage en télévision satellitaire.
Les antennes de très grands diamètres utilisées en transmissions spatiales ou en radioastronomie utilisent aussi des montages type Cassegrain similaires aux télescopes.
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.
Détail
L'antenne Yagi croisée 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.
Antennes à guide d'onde

Antenne à fentes (type guide d'onde) pour onde de 10 GHz
Détail
L'antenne cornet utilisée en hyperfréquence est une ouverture rayonnante excitée par un guide ou un monopôle, rectangulaire en polarisation linéaire, circulaire en polarisation circulaire.
Les réseaux de fentes rayonnantes sont des réseaux de dipôles ouverts sur un guide. Leur géométrie permet de définir le faisceau et la polarisation (antenne à fentes).
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.
Antennes raccourcies
L'une des antennes les plus utilisées dans les équipements portables est l'antenne quart d'onde. Elle utilise l'équipement mobile comme plan de masse et sa longueur théorique est d'un quart de longueur d'onde. En pratique, on peut réduire encore sa longueur en intercalant une inductance à sa base. Une autre technique plus récente et plus efficace consiste à réaliser le conducteur à l'aide d'un enroulement serré, en forme de ressort. L'ensemble est rendu rigide en entourant cet enroulement avec une membrane plastique. On obtient ainsi l'antenne dite "boudin", utilisée dans les équipements portables. On peut ainsi raccourcir l'antenne d'un facteur quatre. Cette réduction de la taille se paie par une réduction importante de la bande passante.
Antennes à large bande

Dipole hyperfréquence à large bande
Une antenne élémentaire présente une fréquence de résonance et une largeur de bande liées 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.
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 antennes 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.
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 s'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 inférieure 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.
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) ou par un système rendant l'alimentation symétrique (balun) et une antenne asymétrique comme l'antenne verticale par une ligne asymétrique.
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.
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.
Il est à noter que l'EBU favorise par ses prescriptions une tension d'alimentation de 5V pour l'alimentation des (pré-) amplificateurs externes ceci en vue de pourvoir à la protection du rapport signal bruit (S/N) par l'augmentation de l'intensité du courant d'alimentation de l'amplificateur dans la ligne coaxiale et le filtrage (dimensions des condensateurs)
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.
Champs autour d'une antenne
Détail
Une antenne, utilisée en émission, ne crée une onde plane qu'à une certaine distance. On peut distinguer quatre zones dans l'environnement de l'antenne, au fur et à mesure qu'on s'éloigne de celle-ci :
Zone de champs réactifs: Très proche des éléments composant l'antenne, on trouve des champs E et des champs H, fonction des tensions et des courants sur ces conducteurs. A proximité d'une tension élevée, on trouvera essentiellement un champ E et à proximité des courants, essentiellement un champ H.
Zone de Rayleigh: On trouve une zone où la puissance par unité de surface décroît peu en fonction de la distance, bien que le rapport E/H soit déjà proche de 377 Ohms. Cette zone, surtout identifiable pour les antennes à gain, s'étend jusqu'à une distance égale au carré de la dimension de l'antenne (mesurée dans une direction perpendiculaire à la direction considérée), divisé par lambda / 2 (Cf Exemple ci dessous)
Zone de Fresnel. Au-delà de la zone de Rayleigh, on constate que le rapport E/H s'est équilibré à 377 ohms. Mais on observe des variations importantes des champs et même des ondulations si l'antenne est de grande dimension. On ne peut pas faire encore de mesure du gain de l'antenne dans cette zone. Dans la direction du maximum de rayonnement, les différentes parties de l'antenne censées rayonner en phase à l'infini, ne rayonnent pas encore en phase.
Zone de Fraunhofer. On la caractérise de la façon suivante: Dans cette zone, si on s'éloigne indéfiniment dans la même direction, on constate que la différence des distances entre les points de l'antenne ne varie plus. Dans la direction du maximum de rayonnement, les différentes parties de l'antenne censées rayonner en phase à l'infini, rayonnent bien en phase. Dans cette zone, qui s'étend jusqu'à l'infini, on peut considérer que l'on a une onde plane, les champs décroissent en 1 / r et on peut mesurer le gain de l'antenne.C'est aussi seulement dans cette zone que le diagramme de rayonnement est valable. Cette zone commence à une distance égale à deux fois le carré de la plus grande dimension perpendiculaire à la direction considérée, divisé par lambda. Cette distance peut être très grande pour les antennes à grand gain.
Pour mesurer le gain d'une antenne à grand gain, il est donc important de savoir définir la zone de Fraunhofer. Par exemple, dans l'axe d'une parabole de 1 m de diamètre et sur 10 GHz, la zone de Fraunhofer commence à plus de 60 m.
Perturbation d'une antenne par son environnement immédiat
L'environnement proche d'une antenne n'est pas toujours dégagé. Alors que les antennes fixes aux fréquences élevées sont généralement bien dégagées des obstacles environnants, il n'en est pas de même des antennes des appareils mobiles, souvent incorporées dans des systèmes plus larges. C'est par exemple le cas des petites antennes quart d'onde incorporées dans des systèmes portables de radiocommunication, ou bien des antennes des modems radio associés aux systèmes informatiques, souvent montées dans des espaces exigus. Par ailleurs, les antennes pour les fréquences moyennes et basses, du fait de leurs dimensions, seront influencés par le sol.
Les objets métalliques situés à une distance de l'ordre de la longueur d'onde pourront produire un effet d'ombre dans la direction considérée, si leur dimension est elle-même de l'ordre de la longueur d'onde ou plus, mais il s'agit là plutôt de phénomènes de "masque" que de perturbations proprement dites.
On sait modifier volontairement les caractéristiques de rayonnement d'un élément rayonnant, par l'adjonction de conducteurs à proximité de cet élément. Par contre, des perturbations cette fois non désirées du fonctionnement même de l'antenne apparaîtront par la présence de corps conducteurs, dans l'environnement immédiat de l'antenne. En règle générale, la fréquence de résonance d'une antenne dépend de la capacité de l'antenne par rapport à son environnement, surtout autour des ventres de tension. Ainsi, si un corps conducteur est proche de l'extrémité de l'antenne ( ventre de tension), on observera une diminution de la fréquence de résonance. Si ce corps est de grande dimensions et relié au sol ou à la masse, on aura en plus un effondrement de la résistance de rayonnement, car les lignes de champ électrique rejoindront la masse par un chemin court, au lieu de se déployer dans l'espace.
La fréquence de résonance d'une antenne dépend par ailleurs de l'inductance des parties soumises à un ventre de courant. Ainsi, si un conducteur se trouve placé parallèlement à un ventre de courant et si ce conducteur est suffisamment long pour pouvoir être le siège de courants induits, l'inductance de l'antenne diminuera et sa fréquence de résonance augmentera.
Cela explique que, par exemple pour une antenne quart d'onde, les conducteurs proches n'auront pas le même effet s'ils sont proches du sommet ( ventre de tension) ou proches de la base (ventre de courant).
Si c'est l'ensemble d'une antenne filaire qui est parallèle à un plan conducteur ou à une masse métallique, les deux effets cités ci-dessus se compenseront: la fréquence de résonance sera peu modifiée. Par contre ce plan conducteur parallèle à l'antenne influencera la résistance de rayonnement. Cette influence deviendra très importante si la distance au plan est très inférieure au quart d'onde: dans ce cas, on n'a plus une antenne, mais une ligne et le rayonnement s'effondrera. Pour les antennes de fréquences basses, parallèles au sol, c'est bien sûr le sol qui représentera ce plan conducteur. D'une façon générale, on cherchera presque toujours à maintenir une antenne suffisamment loin du plan de masse ou du sol, afin d'éviter que la résistance de rayonnement ne s'effondre. On peut certes prévoir une ré-adaptation de l'antenne, mais la bande passante de l'antenne sera de toute façon plus faible et si la résistance de rayonnement n'est plus grande devant la résistance ohmique, le rendement baissera. On cherche parfois à réduire l'encombrement d'une antenne, en la maintenant relativement proche d'un plan métallique.
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.

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