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Chapitre 4.1 et 4.2 de la première partie


4 Généralités:

L'antenne est le premier élément d'une chaîne de réception ou le dernier élément d'une chaîne d’émission.

En réception, l'antenne c'est le premier filtre de la chaîne, de plus, elle doit être capable de fournir une différence de potentiel la plus élevée possible issue du champ électromagnétique local. Le niveau de réception étant très faible, la ligne de transmission vers le récepteur doit présenter un minimum de perte.

 

En émission, l'antenne est aussi le dernier filtre de la chaîne d'émission. Son efficacité à rayonner un champ électromagnétique doit être maximum. De plus, elle doit être adaptée à l'émetteur à travers sa ligne d'alimentation pour transformer en énergie rayonnée le maximum de puissance reçue de l'émetteur.

 

4-2 Caractéristiques des antennes:

- Impédance d'une antenne au point d'alimentation:

Une antenne doit être considérée comme équivalent à un circuit oscillant comprenant un élément selfique, un élément capacitif et un élément résistif. L'antenne est dite accordée si ce circuit résonnant équivalent est en résonance. L'antenne se comporte alors comme une résistance pure. Toute la puissance fournie à l'antenne sera dissipée par cette résistance (résistance de rayonnement).

L'antenne sera adaptée si son impédance à la fréquence d'utilisation est égale à une résistance pure de même valeur que l'impédance de sa ligne d'alimentation (50 ohms par exemple). Cette adaptation permet le transfert maximum de puissance entre émetteur et antenne.

 

- Polarisation:

Voir l'article: Champ électromagnétique.

Pour appréhender (très simplement) la notion de champ électromagnétique, il est admissible de dire que dans une antenne:

- La partie selfique produira un champ magnétique lié au courant circulant dans le ou les brins rayonnants

- la partie capacitive produira un champ électrique lié à la tension distribuée le long du ou des brins rayonnants

Les deux champs électrique et magnétique sont absolument indissociables.

L'onde radio émise, dans le vide, par une antenne isotrope (c'est à dire rayonnant d'une façon uniforme dans toutes les directions) se propage à la vitesse de la lumière (c = 300 000km/s), un peu comme les cercles concentriques crées par la chute d'un caillou dans l'eau.

Au bout d'une seconde le cercle fera 600 000 km de diamètre. Dès que l'onde s'est suffisamment éloignée de la source (de l'ordre de la longueur d'onde) on peut la considérer comme l'association d'un champ électrique et d'un champ magnétique. Ces deux champs sont perpendiculaires entre eux et perpendiculaires à la direction de propagation.

 

Le rapport E/H entre l'amplitude de ces deux champs est égal à 377 ohms dans le vide. La connaissance de l'un entraîne la connaissance de l'autre. Pour cette raison, on définit l'onde par l'amplitude de son champ électrique exprimée en Volt/Mètre.

La polarisation de l'onde est la direction de son champ électrique.

Gain d'une antenne, diagramme de rayonnement:

Le diagramme de rayonnement d'une antenne est la représentation graphique de la mesure du champ électromagnétique produit par l'antenne à une distance constante de l'antenne. C'est un diagramme représenté dans l'espace, néanmoins la représentation est souvent décomposée en deux diagrammes, un Horizontal et un Vertical. Ces diagrammes montrent que certaines directions sont privilégiées, c'est à dire que la puissance émise dans une direction est supérieure à celle émise dans d'autres directions.

Le gain d'une antenne est défini pour une direction privilégiée et indique la puissance reçue dans cette direction ( à une certaine distance) par rapport à celle reçue par une antenne isotropique. Ce rapport de puissance est exprimé en dBi (décibel isotrope). L'antenne doublet ayant un gain de 2,15 dBi, il est possible d'exprimer le gain d'une antenne par rapport au doublet en dBd (décibel dipôle).

Puissance apparente rayonnée équivalente: PARE

La PARE est une mesure de puissance normalisée exprimée en Watt ou dBm (décibel /milliwatt). Elle prend en compte tous les éléments de la chaîne d'émission, antenne ligne de transmission. Elle est exprimée par rapport à l'émission d'une antenne doublet (dBd).

Puissance isotrope équivalente: PIRE

La PIRE est, elle exprimée par rapport à l'émission d'une antenne isotrope. Il est communément admis que le gain d'un dipôle idéal étant de 2,15 dBi, le rapport entre PIRE et PARE est de 2,15 dBi.

Rapport AVANT/ARRIÈRE:

Lorsque le diagramme de rayonnement présente une différence de gain entre l'avant et l'arrière de l'antenne, le rapport Avant/Arrière, exprimé en dB permet d'évaluer de quelle manière l'antenne permet de concentrer toute la puissance vers l'avant de l'antenne, en émission, ou de faire la différence entre les ondes reçues par l'avant ou l'arrière de l'antenne, en réception (lever de doute sur le sens de réception du signal)

 

 4-1 Types d'antenne

Pour optimiser les performances d'une antenne, les chercheurs ont rivalisé d'ingéniosité. Un infinité de solutions est possible mais suivant les besoins, il est possible de favoriser, soit un rayonnement omnidirectionnel ou au contraire un rayonnement directif.

D'une manière générale, les dimensions d'une antenne sont du même ordre de grandeur que la longueur d'onde de l'onde à transmettre.

 - L'antenne "Isotrope" :

Une antenne isotrope est une antenne qui rayonnerait exactement de la même manière, dans toutes les directions. Elle n'existe pas réellement, mais c'est un outil mathématique commode à utiliser. (Les dBi, "décibel isotrope", font référence à cette antenne.

 - L'antenne "Doublet" :

Une antenne doublet est constituée par deux conducteurs rectilignes alignés, dont la longueur totale est égale à la demi-longueur d'onde de l'onde à transmettre. Construit, comme indiqué sur le schéma ci-dessous, ce doublet est "alimenté au centre".

 

 

 Loin de toute influence externe, c'est à dire dans le vide, cette antenne présente une impédance de 73 ohms à son centre.

 

Pour un dipôle représenté ci-contre, dans l'axe Y Y' (en noir), alimenté au centre, une simulation avec MMANA permet de voir la répartition du champ électromagnétique dans l'espace.

L'onde est concentrée dans une direction perpendiculaire à l'axe du doublet.

L'amélioration, par rapport à l'antenne isotrope est de 2,15 dBi.

En bleu sur le schéma, la répartition du courant le long du dipôle, maximum au centre et nul aux extrémités. Au contraire, le tension sera minimum au centre du doublet et maximum aux extrémités.

Le rayonnement du dipôle est maximum dans la direction perpendiculaire à l'axe du dipôle (Y-Y') en présentant deux lobes identiques.

La simulation donne une impédance, au centre, voisine de 72 ohms.

Il est possible d'envisager le cas où les deux brins du dipôle ne sont plus alignés. Deux cas sont présentés ci-dessous:

- dipôle avec un angle au centre voisin de 120 degrés:

 

Le résultat de la simulation est le suivant:

 

L'impédance au centre est maintenant voisine de 57 ohms, le diagramme de rayonnement est aussi modifié.

-dipôle avec un angle au centre voisin de 90 degrés:

 

Le résultat de la simulation est le suivant:

 

L'impédance au centre est voisine de 40 ohms et le diagramme de rayonnement s'est "arrondi" encore un peu. Il faut bien noter qu'un dipôle plié à 90° c'est aussi un quart d'onde!!!

 Cas particulier: Alimentation du dipôle par une extrémité: Une adaptation est alors nécessaire. Le courant à l'extrémité du dipôle est nul mais la tension est très élevée. On parle d'attaque en tension.

Le diagramme de rayonnement est le suivant:

Le diagramme de rayonnement est très voisin de celui d'un dipôle demi-onde alimenté au centre. L'impédance au point d'alimentation est très élevée et nécessite obligatoirement l'utilisation d'un transformateur d'impédance (balun).

 

- L'antenne doublet à trappes, l'antenne multi-doublets:

Comme une antenne doublet mesure, par définition, la moitié de la longueur d'onde de la fréquence où elle est utilisée, elle n'est donc utilisable que sur cette fréquence. Or, les radioamateurs disposent de plusieurs bandes de fréquence. Il est donc nécessaire de disposer d'antenne pouvant être "doublet" sur plusieurs bandes. Une solution pour y parvenir est de tronçonner un doublet de grande longueur (par exemple pour le 80m, soit 2x20m) pour obtenir des tronçons demi-onde comme 20m (soit 2x5m) etc. Puis ces tronçons sont associer en série par des trappes. Les trappes sont des circuits bouchons (Bobine en parallèle avec un condensateur) qui résonnent (impédance très grande).

 

Pour l'antenne multi-doublet, les demi-dipôles sont connectés au même point d'alimentation (dipôles en "parallèle"). En dehors de la bande de fréquence correspondante à un doublet, l'impédance des autres doublets est très grande et peut être négligée devant l'impédance du doublet accordé.

 

- Le doublet replié ou trombone:

La longueur du dipôle est directement lié à la fréquence utilisée (demi-longueur d'onde) mais en acceptant quelques compromis sur l'impédance, il est possible d'utiliser un dipôle de taille fixe sur une plage de fréquence. L'expérience a montré qu'une augmentation de diamètre du fil utilisé pour réaliser le doublet augmentait la bande passante de ce doublet.

L'antenne "doublet replié" est un exemple de réalisation allant dans ce sens. Elle est constitué d'un dipôle classique auquel un deuxième dipôle de même longueur très proche est relié.

 

 

 Doublet replié: deux doublets proches et reliés par leurs extrémités.

L'impédance au centre devient quatre fois celle d'un doublet soit environ 300 ohms.

Le diagramme de rayonnement est sensiblement celui d'un doublet.

 

 

 

- l'antenne GP (ground plane): C'est une antenne verticale perpendiculaire au sol. Une des antennes les plus courantes est l'antenne "quart d'onde". Elle mesure donc un quart de longueur d'onde. Le sol peut être remplacé par un plan de sol qui est une surface conductrice de dimension suffisante par rapport à la longueur d'onde. Cela peut être la carrosserie d'une voiture ou simplement un deuxième brin quart d'onde placé à 90 degrés du brin vertical.

 

Antenne quart d'onde verticale. La répartition des courants est représenté sur le schéma. Le courant est maximum au centre et nul à l'extrémité du 1/4 d'onde.

 

Le diagramme de rayonnement a l'allure suivante.

 

L'antenne est omnidirectionnelle en horizontale et ne rayonne pas dans l'axe vertical z. L'impédance au centre est la moitié de celle d'un doublet soit 37,5 ohms environ.

-L'antenne 5/8 (5λ/8):

C'est une antenne verticale qui mesure 5/8 de longueur d'onde. Plus longue qu'un quart d'onde elle a une efficacité plus grande (gain plus grand) mais l'impédance au centre est plus élevée et nécessite une adaptation par un transformateur (balun).

 

Diagramme de rayonnement sensiblement  même allure que celui d'un quart d'onde vertical

 

- L'antenne YAGI:

 

Antenne Yagi F9FT 9 éléments 144MHz polarisation horizontale

Une antenne YAGI est construite à partir d'un dipôle (simple ou replié) et de brins placés en avant et un peu plus courts que le dipôle (directeurs) et de brins placés en arrière et un peu plus longs que le dipôle (réflecteurs).

 

Antenne Yagi F9FT 432MHz 9 éléments polarisation horizontale

 

Diagramme des courants et de rayonnement:

 

Le lobe arrière du dipôle est très diminué au profit du lobe avant, caractérisant ainsi le rapport avant/arrière d'une antenne.

 

L'augmentation du nombre d’éléments directeurs permet d’affiner le lobe avant, rendant l'antenne plus directive.

- L'antenne parabolique:

L'antenne parabolique, communément appelée parabole est une antenne disposant d'un réflecteur parabolique. Théoriquement utilisable sur toutes les fréquences, elle n'a d’intérêt que pour les très hautes fréquences, son diamètre devant être plusieurs fois supérieur à la longueur d'onde utilisée. Le gain d'une antenne parabolique augmente avec le carré du diamètre ainsi que le carré de la fréquence.

 

 

 

 

 

Le réflecteur parabolique dispose de propriétés optiques particulières:

- Toutes ondes émises du foyer de la parabole (centre géométrique) et rencontrant la parabole, sont émises dans l'axe de la parabole => Émission

- Toutes ondes qui arrivent parallèlement à l'axe optique de la parabole sont renvoyées et donc concentrées vers le foyer de la parabole => Réception

Il existe diverses formes de réalisation dont deux sont très commune en radiocommunication:

image wikipédia

Diagramme de rayonnement de la parabole

 

 

- Antenne long-fil (n'est pas au programme de l'examen):

C'est une antenne dont la longueur est grande par rapport à la longueur d'onde. Elle doit disposée d'une bonne terre ou d'un contre-poids, comme l'antenne dite FD4 où le contre poids est intégré dans la réalisation de l'antenne. Bien souvent un balun est nécessaire pour assurer son adaptation avec la ligne de transmission.

Notez l'évolution du diagramme de rayonnement avec la fréquence utilisée.

Long-fil de 80m, fréquence 1,8 MHz (160m 1/2λ)

 

 

 Long-fil de 80m, fréquence 3,5 MHz (80m 1λ)

 

Long-fil de 80m, fréquence 7 MHz (40m 2λ)

 

Long-fil de 80m, fréquence 14 MHz (20m 4λ)

 

Long-fil de 80m, fréquence 21 MHz (15m 5.33λ)

 

Long-fil de 80m, fréquence 28MHz (10m 8λ)