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Ph. GOZLAN IUP GMI/RT Avignon 2007-2008
Fondamentaux Sur LES ANTENNES Ph. GOZLAN IUP GMI/RT Avignon

Plan du Cours Présentation des activités. Mise en situation et généralités Rappels Ondes Electromagnétiques Propriétés et grandeurs caractéristiques Compléments : Bilan de liaison, Dipôle l/2 Antenne patch Quelques diagrammes en 3D Ph. GOZLAN IUP GMI/RT Avignon

Présentation des activités Ph. GOZLAN IUP GMI/RT Avignon

COURS: Connaissances générales sur les antennes 1h30 TD N°1: Série d’exercices sur les dipôles élémentaires, antenne isotrope et portée d’un émetteur. 1h30 TD N°2: Série d’exercices sur les bilans de liaison 1h30 TD N°3: Réalisation et Simulation d’une antenne WIFI sur logiciel MMANA 1h30 CONTRÔLE DE CONNAISSANCES : Sur l’ensemble des points abordés en cours et TD. Ph. GOZLAN IUP GMI/RT Avignon

Mise en situation Généralités et Ph. GOZLAN IUP GMI/RT Avignon

Les antennes au quotidien Analogique 800 MHz DECT ~1900 MHz GSM 900 MHz DCS 1800 MHz UMTS 2 GHz Radar anticollision ~80 GHz Télépéage ~6 GHz Ouverture à distance: 433 MHz-868MHz Wifi/Bluetooth /UWB 2.4 à 6 GHz TV terrestre 500 MHz Systèmes satellites 1 à 45 GHz (Ex : Télévision 12 GHz, GPS 1.5 GHz) Ph. GOZLAN IUP GMI/RT Avignon

« Ondes Electromagnétiques » Emission/Réception Lieu A Lieu B Câble de liaison Récepteur Actionneur Capteur Émetteur Source Porteuse Modulée Signal modulant Ph. GOZLAN IUP GMI/RT Avignon

Une antenne est donc l’interface entre: Un milieu de propagation guidé (coaxial ou ligne bifilaire) Un milieu de propagation libre( espace diélectrique). Une antenne est un dipôle passif. Elle émet (ou reçoit) des ondes électromagnétiques . Une antenne se comporte comme un circuit résonnant. Sa fréquence de résonance et la largeur de sa bande passante dépendent en grande partie de ses caractéristiques dimensionnelles et géométriques. Une antenne rayonne de façon: Directive, Omnidirectionnelle, Isotrope. Bien que dipôle passif on admet qu’elle possède un gain…(voir diagrammes de rayonnement). Il existe des dizaines de types d’antennes,différenciées par leur fonctionnement,leur géométrie, leur technologie,… Ph. GOZLAN IUP GMI/RT Avignon

Ondes Electromagnétiques
Rappels Ondes Electromagnétiques Ph. GOZLAN IUP GMI/RT Avignon

C diminue L=Cste Alors F augmente « Décharge oscillante » Première approche simple pour rayonner de l’énergie électromagnétique C diminue encore (L=Cste) Alors F augmente la capacité commence à rayonner E Courant dans L charge C (Inter fermé) et C se décharge dans L(inter ouvert) L diminue F augmente encore Ph. GOZLAN IUP GMI/RT Avignon

On diminue la surface des armatures de C à la section du brin(rayonnant) Première approche simple(2). Ce montage rayonne de l’énergie électromagnétique L se met à rayonner H L réduit à sa plus simple « expression » (simple conducteur) Ph. GOZLAN IUP GMI/RT Avignon

Une onde électromagnétique (OEM) est constituée: d’un champ électrique d’un champ magnétique Qui se propagent dans une direction qui est celle du vecteur de Poynting Ces trois grandeurs sont complexes (régimes sinusoïdaux). Dans le vide, ces deux champs sont orthogonaux et perpendiculaires à la direction de propagation(champs transverses) Représentation en coordonnées sphériques Ph. GOZLAN IUP GMI/RT Avignon

On définit la longueur d’onde l comme étant la période spatiale de l’OEM. (Distance parcourue par l’onde pendant une période d’oscillation T) Ph. GOZLAN IUP GMI/RT Avignon

Classement des ondes électromagnétiques radio selon leur longueur d’onde Dénomination Fréquence longueur d’onde Ondes Longues(GO) 30kHz à 300kHz l de 10km à 1km Ondes Moyennes(PO) 300kHz à 3MHz l de 1km à 100m Ondes Courtes 3MHz à 300MHz l de 100m à 10m Ondes Très Hautes Fréquences(VHF) 30MHz à 300MHz l de 10m à 1m Ondes Ultra Hautes Fréquences(UHF) 300MHz à 3GHz l de 1m à 10cm Ondes Supra Hautes fréquences(SHF) 3GHz à 30GHz l de 10cm à 1cm Ondes Extra Hautes Fréquences(EHF) 30GHz à 300GHz l de 1cm à 1mm Ph. GOZLAN IUP GMI/RT Avignon

Quelques relations importantes. A « grande distance » de l'antenne le rapport entre l'amplitude des champs magnétique et électrique est constant. Il est égal à l'impédance intrinsèque du milieu de propagation que l’on note Z0 et est définie par la relation suivante: Z0 : Impédance intrinsèque du milieu de propagation en W E : Amplitude du champ électrique en V/m H : Amplitude du champ magnétique en At/m m : Perméabilité absolue du milieu de propagation e : Permitivité absolue du milieu de propagation Si le milieu de propagation est le vide ou l'air on a : A.N: m0=4p.10-7 V.s/A.m e0= =8, A.s/V.m=8,85pF/m Z0=376,7W dans le vide Cette impédance est à rapprocher de l’impédance caractéristique d’une ligne, sauf que les ondes se propagent dans les trois directions dans l’espace. Ph. GOZLAN IUP GMI/RT Avignon

Polarisation d’une onde électromagnétique La polarisation d’une onde Transverse Electromagnétique(TEM) est le type de trajectoire que décrit l’extrémité du champ électrique, E, au cours du temps dans le plan transverse(plan perpendiculaire au vecteur de Poynting). Il existe trois types de polarisation: Polarisation Linéaire. Le champ E n’a qu’une composante variant sinusoïdalement. Sa trajectoire est donc un segment de droite. La polarisation peut être dans ce cas verticale ou horizontale. Ph. GOZLAN IUP GMI/RT Avignon

Polarisation d’une onde électromagnétique(2) Polarisation circulaire. Le champ E a deux composantes Eq et Ej de même amplitude et déphasées de 90°. E décrit un cercle. Polarisation elliptique. Le champ E a deux composantes Eq et Ej d’ amplitude et de phases quelconques. Ph. GOZLAN IUP GMI/RT Avignon

Grandeurs caractèristiques Ph. GOZLAN IUP GMI/RT Avignon 2007-2008
Propriètés et Grandeurs caractèristiques Ph. GOZLAN IUP GMI/RT Avignon

Caractéristiques technique d’une antenne pour point d’accès WiFi Diagrammes de rayonnement ROS Gain Angles d’ouverture Ph. GOZLAN IUP GMI/RT Avignon

Antenne Isotrope Cette antenne possède la propriété de rayonner dans toutes les directions de l’espace. Elle ne possède donc pas de direction de propagation privilégiée. Elle n’est pas directive. On a coutume de donner le gain en dBi. Il vaut 0 dBi pour cette antenne. Cette antenne est impossible à réaliser en pratique, mais elle est intéressante comme élément de comparaison et de référence pour le calcul du gain des antennes « réelles ». Le gain d’une antenne « réelle » est alors exprimé en dBi (Décibel par rapport à l’antenne isotrope) comme on le voit dans la notice technique de l’antenne Wifi. Ph. GOZLAN IUP GMI/RT Avignon

Diagrammes de rayonnement. Cas de l’antenne isotrope. Pour une puissance émise donnée on mesure le niveau du champ électrique et on détermine à quelle distance « d » ce niveau est de 1V/m. Puisque le rayonnement est isotrope, le lieu des points pour lesquels E=1V/m est une sphère de rayon « d ». Ph. GOZLAN IUP GMI/RT Avignon

Diagrammes de rayonnement. Dans le cas général l’énergie rayonnée se répartit dans des lobes plus ou moins nombreux et importants. Le ou les lobes principaux sont ceux qui sont les plus utiles et il est intéressant de connaître leur direction et leur importance. Leurs dimensions et leurs dispositions sont représentées sur un diagramme de rayonnement. Ce dernier contient assez d’information pour estimer les possibilités d’une antenne. Ph. GOZLAN IUP GMI/RT Avignon

Diagrammes de rayonnement(2). Représentation en 2D. Finalement un diagramme de rayonnement est une représentation 3D (sphère dans le cas de l’antenne isotrope) des possibilités de « fonctionnement » d’une antenne. Toutefois pour étudier plus facilement le rayonnement d’une antenne on a besoin de connaître: A) Le ou les angles que forment les lobes principaux par rapport à l’horizontale(angles de départ des ondes vers les couches ionisées). On représente alors le diagramme de rayonnement vertical. Remarque: Ce plan est noté E plane car c’est aussi celui du champ électrique(Eq). Ph. GOZLAN IUP GMI/RT Avignon

Diagrammes de rayonnement(3). Exemple de diagramme dans le plan vertical Lobes principaux identiques et symétriques Rayonnement de l’antenne isotrope Antenne vue en bout Rayonnement de l’antenne en espace libre Gain dû à l’effet « réflecteur du sol » Angle de départ Ph. GOZLAN IUP GMI/RT Avignon

Diagrammes de rayonnement(4). B) La ou les directions dans lesquelles elle disperse l’énergie qui lui est fournie. On utilise pour cela une représentation du rayonnement dans un plan horizontal. On représente alors le diagramme de rayonnement horizontal pour q donné. Remarque: Ce plan est noté H plane car c’est aussi celui du rayonnement du champ magnétique (Hj). Dipôle rayonnant Lobes principaux identiques et symétriques Angle d’ ouverture Niveau de -10dB Exemple de diagramme dans le plan horizontal Ph. GOZLAN IUP GMI/RT Avignon

Diagrammes de rayonnement(4). (Dipôle vertical en espace libre ) Ph. GOZLAN IUP GMI/RT Avignon

Diagrammes de rayonnement(5). Diagramme dans le plan vertical Diagramme dans le plan Horizontal Ph. GOZLAN IUP GMI/RT Avignon

Diagrammes de rayonnement(6). Ph. GOZLAN IUP GMI/RT Avignon

Grandeurs caractéristiques et Notations utilisées.
p(r,q,j): Densité de puissance radiale [W/m2] PF: Puissance Fournie à l’antenne [W] PE: Puissance Emise [W] PR: Puissance Reçue [W] A une distance r la densité de puissance d’une antenne isotrope est donnée par la relation suivante: Surface de la sphère de rayonnement Ph. GOZLAN IUP GMI/RT Avignon

Directivité des antennes(1) Ph. GOZLAN IUP GMI/RT Avignon 2007-2008
On dit qu’une antenne est directive lorsqu’elle concentre l’énergie qu’elle rayonne dans une direction particulière de l’espace. Par analogie, un projecteur de lumière concentre cette dernière en un faisceau étroit alors qu’un lustre doit éclairer la totalité d’une pièce. Ph. GOZLAN IUP GMI/RT Avignon

Mesure de la directivité d’une antenne En réception, lorsqu’on tourne une antenne pour l’écarter de la direction du signal reçu(que ce soit vers la gauche ou vers la droite), le signal diminue progressivement. Lorsque le niveau de ce dernier à perdu 3dB(moitié de la puissance), on mesure l’angle formé par l’axe du lobe principal de l’antenne d’émission avec la direction du signal. On caractérise cette directivité par un angle d’ouverture dans le plan horizontal(directivité horizontale). Angle d’ouverture Exemple d’ antenne symétrique: Lobe principal Plus l’ange d’ouverture est faible plus l’antenne est directive. Axe du Lobe principal Notation anglosaxone: HPBWA. Half Power Beam Width Azimut. Lobe secondaire Ph. GOZLAN IUP GMI/RT Avignon

Directivité dans le plan vertical. On peut également définir un angle d’ouverture dans le plan vertical: Angle d’ouverture en site ou élévation. Axe du Lobe principal Exemple : Notation anglosaxone: HPBWE. Half Power Beam Width Elevation. Angle de départ Angle d’ouverture Ph. GOZLAN IUP GMI/RT Avignon

Par définition: On considère ici que piso représente la densité de puissance émise par une antenne isotrope qui émettrait la même puissance PE que l’antenne concernée. La directivité précise donc dans quelle(s) direction(s) la densité de puissance de l’antenne est meilleure ou moins bonne que l’antenne isotrope. Note: La directivité D ne dépend pas de r car les deux densités de puissance décroissent en 1/r2. Ph. GOZLAN IUP GMI/RT Avignon

Gain d’une antenne(1). Analogie Considérons une ampoule de lampe de poche alimentée avec une pile. L'ampoule rayonne l’énergie lumineuse dans toutes les directions (ou presque) de l’espace dans lequel elle se trouve. Si on place maintenant un réflecteur derrière l’ampoule, les rayons lumineux vont être concentrés vers une direction privilégiée. La puissance dissipée est la même mais l'éclairement dans l'axe du réflecteur sera plus élevé au détriment des autres directions, en particulier de l'arrière du réflecteur. Pour les antennes, un phénomène identique se produit. Le rayonnement arrière de l’antenne est caractérisé par la grandeur « front to back ratio » ou « rapport Avant/Arrière(voir diagramme de rayonnement). Note: On évoque parfois le rapport Avant/Cotés. Ce dernier exprime l’atténuation des signaux provenant de la droite et de la gauche de la direction privilégiées de l’antenne. ON AMÉLIORE LE GAIN D’UNE ANTENNE EN CONCENTRANT L’ÉNERGIE RAYONNÉE DANS UN LOBE PRINCIPAL. Ph. GOZLAN IUP GMI/RT Avignon

Gain d’une antenne(2) Gain directif: Gain : Rappel: Une antenne est un élément purement passif qui n’amplifie pas le signal. Son « gain » par définition, représente la concentration de puissance dans une direction donnée par référence à une antenne isotrope sans perte . On déduit la densité de puissance d’une antenne par rapport à la puissance fournie PF: Ph. GOZLAN IUP GMI/RT Avignon

Rapport d’Ondes Stationnaires ROS(1)
Le ROS (SWR=Standing Wave Ratio)indique si le fonctionnement de l’étage d’alimentation d’une l’antenne est correct. Il est important de le connaître car selon sa valeur, l’antenne peut être reliée ou non à un émetteur… On essayera d’obtenir toujours 1<ROS <2. Un ROS plus grand provoque: des surtensions au niveau de l’étage PA(Power Amplifier) et un risque de destruction de ce dernier. Un mauvais rendement de l’alimentation de l’antenne. L’émetteur ne pourra pas débiter toute sa puissance. Ainsi un émetteur de 100W pourrait débiter quelques watts. Ph. GOZLAN IUP GMI/RT Avignon

Z= R+jX Rapport d’Ondes Stationnaires ROS(2)
Une onde stationnaire résulte de la « superposition » de deux ondes : Une onde progressive, Une onde réfléchie Elle présente selon les caractéristiques de l’extrémité, des nœuds(amplitude mini de l’onde) et des ventres(amplitude maxi de l’onde) plus ou moins visibles et prononcés. Nous allons considérer ici que l’onde se propage sur une ligne d’impédance caractéristique ZC, fermée sur une impédance Z. Z dans notre cas est l’impédance du dipôle antenne concerné. Z= R+jX Pour obtenir le meilleur ROS il faudra adapter l’impédance de l’antenne à l’impédance de la ligne qui amène l’énergie. Si l’on y parvient parfaitement l’onde d’alimentation de l’antenne est progressive et toute la puissance est transmise à l’antenne au pertes près de l’antenne. Ph. GOZLAN IUP GMI/RT Avignon

La composante résistive de l’antenne R est en fait la somme d’une résistance de pertes RP et d’une résistance de rayonnement RR. Ces dernières sont des résistances fictives imaginées pour faciliter la compréhension du fonctionnement d’une antenne. La réactance de l’antenne est non désirée. Dans le cas des antennes résonantes on essaye de l’éliminer. Ph. GOZLAN IUP GMI/RT Avignon

Le graphique ci-dessous donne l’évolution de l’impédance en fonction de la longueur de l’antenne Au voisinage de L=(2n+1)l/2 X #0 Au voisinage de L=2nl/2 X #0 Ph. GOZLAN IUP GMI/RT Avignon

Il est parfois intéressant de relever le ROS en fonction de la fréquence On détermine alors la bande passante de l’antenne si l’on ne dépasse pas un ROS de 2. Ph. GOZLAN IUP GMI/RT Avignon

Calcul du rendement Le rendement d’une antenne est défini par: La puissance rayonnée PE pour un courant Ieff donné est la suivante: [W] La puissance nécessaire à fournir PF pour ce même courant est : [W] Soit enfin: [%] Ph. GOZLAN IUP GMI/RT Avignon

Compléments Ph. GOZLAN IUP GMI/RT Avignon

Bilan de liaison (Bases) Ph. GOZLAN IUP GMI/RT Avignon

Puissance Isotrope Rayonnée Équivalente(PIRE ou EIRP)
Dans la direction optimale du lobe principal, le gain directif G(q, j) est égal à G0. On définit la PIRE de la manière suivante: En Watt Dans cette direction privilégiée, on a donc la densité de puissance suivante: En Watt /m2 Dans le cas des antennes paraboliques on cherche l’orientation dans la direction choisie qui conduit à G(q,j)=G0. Dans ce cas la connaissance de la PIRE suffit pour connaître la densité de puissance à une distance r quelconque. Ph. GOZLAN IUP GMI/RT Avignon

Surface équivalente. Considérons une antenne qui capte une onde dont la densité de puissance vaut p(r,q,j) et fournissant une puissance PR. p, PR, GR Émetteur Récepteur PF, PE, GE La surface équivalente ou surface de captation de l’antenne est définie par: En m2 On montre que la surface équivalente est également liée au gain GR(q,j) par la relation: En m2 Ph. GOZLAN IUP GMI/RT Avignon

Affaiblissement en espace libre(1).
Ce qui suit s ’applique particulièrement aux liaisons à visibilité directe(propagations troposphériques, faisceaux hertziens, liaisons par satellite,etc.,). On néglige l’influence du sol et les pertes atmosphériques. Notations utilisées: Coté émetteur PF: Puissance fournie en W PdBWF: Puissance fournie en dBW GE: Gain de l’antenne d’émission GdBE: Gain de l’antenne d’émission en dB Coté récepteur PR: Puissance reçue en W PdBWF: Puissance reçue en dBW GR: Gain de l’antenne de réception GdBR: Gain de l’antenne de réception en dB r: Distance entre les deux antennes en m Ph. GOZLAN IUP GMI/RT Avignon

Les gains en dB et les puissances en dBW répondent aux relations suivantes: soit soit L’affaiblissement de la liaison, exprimée en dB est: Ph. GOZLAN IUP GMI/RT Avignon

Expression de la puissance reçue PR et que On sait que: La densité de puissance reçue est fonction de la densité de puissance émise par l’antenne. Or PE= PF.GE donc: En somme (Formule de FRIIS) Soit enfin Ph. GOZLAN IUP GMI/RT Avignon

Expression qui s’écrit encore: Le terme s’appelle « affaiblissement isotrope » Aiso On le trouve parfois sous le terme de perte en espace libre noté LS Conclusion : Si l’on connaît la puissance d’émission et l’affaiblissement on déduit assez facilement la puissance de réception. Ph. GOZLAN IUP GMI/RT Avignon

Antenne dipôle demi-onde Ph. GOZLAN IUP GMI/RT Avignon

Dipôle l/2(1) Ce dipôle est également une antenne de référence dans le domaine des radiocommunications La longueur totale du brin rayonnant est une demi-longueur d’onde Ainsi pour une fréquence de 100MHz par exemple L=1,5m et pour une autre de 1GHz L=15cm. Dipôles verticaux d’émetteur FM Ph. GOZLAN IUP GMI/RT Avignon

Dipôle l/2(2) C’est une antenne résonante qui se comporte comme un circuit RLC série. Son impédance n’est pas parfaitement réelle à la fréquence de résonance. Elle est constituée d’une partie réactive qui peut être réduite en raccourcissant légèrement l’antenne. Son gain est de 1,64 soit 2,1dBi. Sa bande passante est assez faible: 10%f Ph. GOZLAN IUP GMI/RT Avignon

Dipôle l/2(3) Diagramme de rayonnement. L’antenne dipôle est largement utilisée en radiodiffusion car: Son rayonnement est omnidirectionnel dans un plan horizontal, Elle rayonne très peu dans la direction de son axe, Sa directivité est bien adaptée pour la couverture d’un territoire, Elle est facile à réaliser et peut encombrante. Ph. GOZLAN IUP GMI/RT Avignon

Antenne patch Ph. GOZLAN IUP GMI/RT Avignon

Antenne patch(1) Il est possible de réaliser des structures résonnantes en surface. La plus simple est de forme rectangulaire. Cette dernière est déposé sur un substrat de permittivité relative donnée er. Largeur w Longueur l Il y a résonance si: l=l/2 et w=0,5.l à 2.l L’impédance de la structure dépend de w! Ph. GOZLAN IUP GMI/RT Avignon

Antenne patch(2) Diagramme de rayonnement. Le rayonnement est : Perpendiculaire à la surface du patch, presque circulaire, L’angle d’ouverture est compris entre 50° et 80°. Exemple: antenne GSM. f de travail =1575Hz l=1,5cm, G=28dB Alimentation 3 à 5V 14mA. Ph. GOZLAN IUP GMI/RT Avignon

Antenne patch(3) Assemblage de patchs Si on assemble plusieurs patchs sur une même surface on peut réaliser des diagrammes de directivité « à la demande ». La directivité donc le gain augmente avec le nombre de patchs L’alimentation des patchs doit se faire en phase ce qui impose des longueurs de trajets identiques pour le signal. Trajets identiques AB=AC=AD= patch 2x4 Diagramme de directivité patch 6x6 Ph. GOZLAN IUP GMI/RT Avignon

Dipôle horizontal : effet de sol (en UHF) A 3 mètres du sol : Gmax=7,92dBi sur 180° Espace Libre : Gmax=2,14dBi sur 360° Ph. GOZLAN IUP GMI/RT Avignon

Dipôle Vertical : effet de sol (en UHF) Espace Libre : Gmax=2,14dBi sur 360° A 3 mètres du sol : Gmax=6,51dBi sur 180° Ph. GOZLAN IUP GMI/RT Avignon

dans une seule direction Ph. GOZLAN IUP GMI/RT Avignon 2007-2008
Antenne Yagi 5 brins : directivité (en UHF) Gmax=10,6dBi dans une seule direction Ph. GOZLAN IUP GMI/RT Avignon

Antenne Yagi 5 brins : Effet de sol
Gmax=10,6dBi dans une seule direction A 3 mètres du sol : Gmax=16dBi angle réduit Ph. GOZLAN IUP GMI/RT Avignon

Merci pour votre attention Ph. GOZLAN IUP GMI/RT Avignon 2007-2008
Fin... Merci pour votre attention Ph. GOZLAN IUP GMI/RT Avignon

Références: Denis Prêtre ARC -ingénierie Cours Antennes, GERARD Magret - Les Antennes pour radio modélisme Guillaume Villemaud - Cours d’antennes INRIA, Jean-Marie Gorce - Les antennes Partie2 CITI INSA Lyon, Divers très bons sites de radioamateurs, Jean-Philippe Muller –Les antennes « 3w.ta-formation.com » Ph. GOZLAN IUP GMI/RT Avignon

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