Cours Antennes pour les Télécommunications
Ce sont des éléments transformant un signal électrique en une onde électromagnétique ( émissions ) ou le contraire ( réception ). Il est important de connaître leur impédance, leur gain, leur directivité.Introduction
Un conducteur électrique, fournit de l'énergie sous forme de chaleur (chauffage), de lumière (lampe). De même il fournit un champs magnétique (principe du transformateur) et électrique (principe du condensateur, du tube cathodique). Le principe de l'antenne d'émission est de faire en sorte que le champs électromagnétique soit important, sans chauffer ni s'illuminer. Ce champs se propage, c'est alors une onde électromagnétique.
Une source chaude peut se transformer en l'énergie électrique (sonde de température), une source lumineuse aussi (panneau solaire), une source électromagnétique se transforme en énergie électrique grâce à un conducteur électrique. Le principe de l'antenne de réception est de faire en sorte que le champs électromagnétique de l'air soit transformé en énergie utilisable : de l'énergie active.
Pourquoi et comment se font ces échanges d'énergie sont des problèmes de physique qui m'échappent totalement.
Fonctionnement
Etude de l'antenne de réception (l'antenne d'émission est identique).
N'importe quelle ligne de transmission transforme un champs électromagnétique en de l'énergie électrique. La seule énergie électrique utilisable est l'énergie active. Il faut donc que la ligne produise de l'énergie active, donc que son impédance soit une résistance. La longueur de ligne la plus adaptée est donc de 1/4, 1/2 etc de la longueur d'onde (voir cours sur les lignes de transmission).Pour que cette ligne soit soumise au plus de champs possibles, il la faut la plus grande possible. La ligne électrique est donc dépliée. C'est un doublet (dipôle, antenne bifilaire).
Il est possible d'éliminer un des deux brins de la ligne, c'est alors le sol qui fait office de deuxième brin. C'est une antenne filaire (FM).
Si l'on ne peut avoir de ligne suffisamment longue (ligne capacitive), il suffit d'ajouter une self à la base. (c'est le cas en CB, pour les portables).
Il est possible d'avoir des antennes directives qui sont en fait des doublets avec des systèmes mécaniques (C'est encore de la physique) pour favoriser une direction (antenne UHF, VHF).
Nous avons uniquement étudié des lignes finissant par un circuit ouvert, (voir partie lignes de transmission), mais nous pouvons aussi avoir des lignes terminées par un court circuit. Ces lignes ont aussi selon leur longueur une impédance variable, on peut donc les transformer en antenne (antenne circulaire d'intérieur).
Feeder et impédance d'une antenne
La ligne qui transporte l'énergie à l'antenne est appelée feeder. Il est nécessaire que cet énergie ne revienne pas mais reste dans l'antenne. Pour cela il faut que l'antenne ait la même impédance que l'impédance caractéristique du feeder ( TOS = 1 ou ROS = 1 pour les radioamateurs).
Si le feeder est absent, il faut que l'impédance de sortie de l'étage final soit identique à l'impédance de l'antenne.
Diagramme de rayonnement
La forme de chaque antenne détermine sa résistance, direction d'émission de réception. Ces directions sont représentées par un diagramme.Le diagramme peut être dans le plan horizontal ou vertical.
Les lobes représentent l'espace où le champs est présent.
Gain
Le gain d'une antenne est la quantité d'énergie reçue ou émise dans une direction par rapport à la quantité d'énergie reçue émise d'une antenne de référence.
L'antenne de référence peut être une antenne parfaite qui possède un diagramme de rayonnement circulaire, on parle alors de gain isotropique.
L'antenne de référence peut être le dipôle 1/2 onde (voir plus loin).
Différents types d'antenne
L'antenne demie onde
L'antenne de la plus connue et de type dipôle 1/2 onde. c'est une ligne de transmission terminée par un circuit ouvert (CO) dont la longueur est égale au quart de la longueur d'onde de la porteuse. Lorsque cette ligne est dépliée, elle mesure alors une demie longueur d'onde.
Son impédance est une résistance pure de 73 ohms.
Son diagramme de rayonnement dans le plan horizontal est visible ci-contre.Exemple : soit un récepteur FM calé sur 100 MHz. La longueur d'onde est donc de 3 m. La longueur de l'antenne sera donc égale à deux fois 75 cm.
L'antenne ground plane.
C'est l'antenne précédente dont un des deux brins est le sol. C'est une antenne verticale.
Son impédance théorique est une résistance pure de 36 ohms.
Son diagramme de rayonnement dans le plan horizontal est visible ci-contre.
Avec l'exemple précédent la longueur de l'antenne serait de 75 cm.
L'antenne yaggi (antenne la plus courante en UHF)
Elle est constituée d'un dipôle 1/2 onde, d'un ou plusieurs directeurs, d'un réflecteur. Le tout est maintenu par un isolant. Sa directivité dépend du nombre de directeurs.Son impédance est une résistance pure de 52 ohms.
Son diagramme de rayonnement dans le plan horizontal est visible ci-contre.
Son gain peut atteindre 15 DB par rapport au dipôle quart d'onde.
Portées des antennes
Selon la puissance d'émission et la puissance de réception désirées, on peut calculer une portée théorique en onde directe.
Malheureusement, l'onde est réfléchie par le sol, les murs. Cette réflexion peut entraîner de la diffraction etc. Pour tout cela, la théorie n'est valable qu'à 60 % près. Il est donc nécessaire d'avoir quelques ordres de grandeurs sur les portées. Ces ordres de grandeurs sont donnés dans la partie unités, grandeurs, portées.
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