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Ph. GOZLAN IUP GMI/RT Avignon 2007-2008. Plan du Cours Mise en situation et généralités Rappels Ondes Electromagnétiques Propriétés et grandeurs caractéristiques.

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1 Ph. GOZLAN IUP GMI/RT Avignon

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

3 Ph. GOZLAN IUP GMI/RT Avignon

4 COURS: Connaissances générales sur les antennes TD N°1: Série dexercices sur les dipôles élémentaires, antenne isotrope et portée dun émetteur. TD N°2: Série dexercices sur les bilans de liaison TD N°3: Réalisation et Simulation dune antenne WIFI sur logiciel MMANA CONTRÔLE DE CONNAISSANCES : Sur lensemble des points abordés en cours et TD. 3h 1h30

5 Ph. GOZLAN IUP GMI/RT Avignon

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

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

8 Ph. GOZLAN IUP GMI/RT Avignon Une antenne est donc linterface 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. Il existe des dizaines de types dantennes,différenciées par leur fonctionnement,leur géométrie, leur technologie,… Une antenne rayonne de façon: Directive, Omnidirectionnelle, Isotrope. Bien que dipôle passif on admet quelle possède un gain…(voir diagrammes de rayonnement).

9 Ph. GOZLAN IUP GMI/RT Avignon

10 Première approche simple pour rayonner de lénergie électromagnétique « Décharge oscillante » Courant dans L charge C (Inter fermé) et C se décharge dans L(inter ouvert) C diminue L=Cste Alors F augmente C diminue encore (L=Cste) Alors F augmente la capacité commence à rayonner E L diminue F augmente encore

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

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

13 Ph. GOZLAN IUP GMI/RT Avignon On définit la longueur donde comme étant la période spatiale de lOEM. (Distance parcourue par londe pendant une période doscillation T)

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

15 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 lon note Z 0 et est définie par la relation suivante: Z 0 : Impédance intrinsèque du milieu de propagation en E : Amplitude du champ électrique en V/m H : Amplitude du champ magnétique en At/m : Perméabilité absolue du milieu de propagation : Permitivité absolue du milieu de propagation Si le milieu de propagation est le vide ou l'air on a : A.N: 0 = V.s/A.m 0 = =8, A.s/V.m=8,85pF/m Z 0 =376,7 dans le vide Cette impédance est à rapprocher de limpédance caractéristique dune ligne, sauf que les ondes se propagent dans les trois directions dans lespace.

16 Ph. GOZLAN IUP GMI/RT Avignon Polarisation dune onde électromagnétique La polarisation dune onde Transverse Electromagnétique(TEM) est le type de trajectoire que décrit lextrémité 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 na quune composante variant sinusoïdalement. Sa trajectoire est donc un segment de droite. La polarisation peut être dans ce cas verticale ou horizontale.

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

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19 Caractéristiques technique dune antenne pour point daccès WiFi Diagrammes de rayonnement RO S Gain Angles douverture

20 Ph. GOZLAN IUP GMI/RT Avignon Antenne Isotrope 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 ». On a coutume de donner le gain en dBi. Il vaut 0 dBi pour cette antenne. Le gain dune antenne « réelle » est alors exprimé en dBi (Décibel par rapport à lantenne isotrope) comme on le voit dans la notice technique de lantenne Wifi. Cette antenne possède la propriété de rayonner dans toutes les directions de lespace. Elle ne possède donc pas de direction de propagation privilégiée. Elle nest pas directive.

21 Ph. GOZLAN IUP GMI/RT Avignon Diagrammes de rayonnement. Cas de lantenne 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 ».

22 Ph. GOZLAN IUP GMI/RT Avignon Diagrammes de rayonnement. Dans le cas général lénergie 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 dinformation pour estimer les possibilités dune antenne.

23 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 lantenne isotrope) des possibilités de « fonctionnement » dune antenne. Toutefois pour étudier plus facilement le rayonnement dune antenne on a besoin de connaître: A) Le ou les angles que forment les lobes principaux par rapport à lhorizontale(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 cest aussi celui du champ électrique(E ).

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

25 Ph. GOZLAN IUP GMI/RT Avignon Diagrammes de rayonnement(4). B) La ou les directions dans lesquelles elle disperse lénergie 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 donné. Remarque: Ce plan est noté H plane car cest aussi celui du rayonnement du champ magnétique (H ). Exemple de diagramme dans le plan horizontal Angle d ouverture Dipôle rayonnant Niveau de -10dB Lobes principaux identiques et symétriques

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

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

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

29 Ph. GOZLAN IUP GMI/RT Avignon Surface de la sphère de rayonnement A une distance r la densité de puissance dune antenne isotrope est donnée par la relation suivante: p(r,, ): Densité de puissance radiale [W/m 2 ] Grandeurs caractéristiques et Notations utilisées. P F : Puissance Fournie à lantenne [W] P E : Puissance Emise [W] P R : Puissance Reçue [W]

30 Ph. GOZLAN IUP GMI/RT Avignon Directivité des antennes(1) On dit quune antenne est directive lorsquelle concentre lénergie quelle rayonne dans une direction particulière de lespace. Par analogie, un projecteur de lumière concentre cette dernière en un faisceau étroit alors quun lustre doit éclairer la totalité dune pièce.

31 Ph. GOZLAN IUP GMI/RT Avignon Directivité des antennes(2) En réception, lorsquon tourne une antenne pour lécarter 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 langle formé par laxe du lobe principal de lantenne démission avec la direction du signal. On caractérise cette directivité par un angle douverture dans le plan horizontal(directivité horizontale). Mesure de la directivité dune antenne Exemple d antenne symétrique: Lobe principal Plus lange douverture est faible plus lantenne est directive. Notation anglosaxone: HPBWA. Half Power Beam Width Azimut. Axe du Lobe principal Lobe secondaire Angle douverture

32 Ph. GOZLAN IUP GMI/RT Avignon Directivité des antennes(3) On peut également définir un angle douverture dans le plan vertical: Angle douverture en site ou élévation. Directivité dans le plan vertical. Notation anglosaxone: HPBWE. Half Power Beam Width Elevation. Exemple : Axe du Lobe principal Angle douverture Angle de départ

33 Ph. GOZLAN IUP GMI/RT Avignon Par définition: Directivité des antennes(4) On considère ici que p iso représente la densité de puissance émise par une antenne isotrope qui émettrait la même puissance P E que lantenne concernée. La directivité précise donc dans quelle(s) direction(s) la densité de puissance de lantenne est meilleure ou moins bonne que lantenne isotrope. Note: La directivité D ne dépend pas de r car les deux densités de puissance décroissent en 1/r 2.

34 Ph. GOZLAN IUP GMI/RT Avignon Considérons une ampoule de lampe de poche alimentée avec une pile. L'ampoule rayonne lénergie lumineuse dans toutes les directions (ou presque) de lespace dans lequel elle se trouve. Si on place maintenant un réflecteur derrière lampoule, 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. Gain dune antenne(1). ON AMÉLIORE LE GAIN DUNE ANTENNE EN CONCENTRANT LÉNERGIE RAYONNÉE DANS UN LOBE PRINCIPAL. Analogie Pour les antennes, un phénomène identique se produit. Le rayonnement arrière de lantenne 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 latténuation des signaux provenant de la droite et de la gauche de la direction privilégiées de lantenne.

35 Ph. GOZLAN IUP GMI/RT Avignon Gain dune antenne(2) Gain directif: Gain : Rappel: Une antenne est un élément purement passif qui namplifie 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 dune antenne par rapport à la puissance fournie P F :

36 Ph. GOZLAN IUP GMI/RT Avignon Rapport dOndes Stationnaires ROS(1) Le ROS (SWR=Standing Wave Ratio)indique si le fonctionnement de létage dalimentation dune lantenne est correct. Il est important de le connaître car selon sa valeur, lantenne peut être reliée ou non à un émetteur… On essayera dobtenir toujours 1

37 Ph. GOZLAN IUP GMI/RT Avignon Rapport dOndes 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 lextrémité, des nœuds(amplitude mini de londe) et des ventres(amplitude maxi de londe) plus ou moins visibles et prononcés. Nous allons considérer ici que londe se propage sur une ligne dimpédance caractéristique Z C, fermée sur une impédance Z. Z dans notre cas est limpédance du dipôle antenne concerné. Z= R+jX Pour obtenir le meilleur ROS il faudra adapter limpédance de lantenne à limpédance de la ligne qui amène lénergie. Si lon y parvient parfaitement londe dalimentation de lantenne est progressive et toute la puissance est transmise à lantenne au pertes près de lantenne.

38 Ph. GOZLAN IUP GMI/RT Avignon Rapport dOndes Stationnaires ROS(3) La composante résistive de lantenne R est en fait la somme dune résistance de pertes R P et dune résistance de rayonnement R R. Ces dernières sont des résistances fictives imaginées pour faciliter la compréhension du fonctionnement dune antenne. La réactance de lantenne est non désirée. Dans le cas des antennes résonantes on essaye de léliminer.

39 Ph. GOZLAN IUP GMI/RT Avignon Rapport dOndes Stationnaires ROS(4) Le graphique ci-dessous donne lévolution de limpédance en fonction de la longueur de lantenne Au voisinage de L=(2n+1) /2 X #0 Au voisinage de L=2n /2 X #0

40 Ph. GOZLAN IUP GMI/RT Avignon Rapport dOndes Stationnaires ROS(4) Il est parfois intéressant de relever le ROS en fonction de la fréquence On détermine alors la bande passante de lantenne si lon ne dépasse pas un ROS de 2.

41 Ph. GOZLAN IUP GMI/RT Avignon Calcul du rendement Le rendement dune antenne est défini par: La puissance rayonnée P E pour un courant I eff donné est la suivante: La puissance nécessaire à fournir P F pour ce même courant est : Soit enfin: [W] [%]

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44 Puissance Isotrope Rayonnée Équivalente(PIRE ou EIRP) Dans la direction optimale du lobe principal, le gain directif G( ) est égal à G 0. On définit la PIRE de la manière suivante: Dans cette direction privilégiée, on a donc la densité de puissance suivante: En Watt En Watt /m 2 Dans le cas des antennes paraboliques on cherche lorientation dans la direction choisie qui conduit à G(, )=G 0. Dans ce cas la connaissance de la PIRE suffit pour connaître la densité de puissance à une distance r quelconque.

45 Ph. GOZLAN IUP GMI/RT Avignon Surface équivalente. Considérons une antenne qui capte une onde dont la densité de puissance vaut p(r,, ) et fournissant une puissance P R. La surface équivalente ou surface de captation de lantenne est définie par: En m 2 Émetteur Récepteur P F, P E, G E p, P R, G R On montre que la surface équivalente est également liée au gain G R (, ) par la relation: En m 2

46 Ph. GOZLAN IUP GMI/RT Avignon Affaiblissement en espace libre(1). Notations utilisées: Ce qui suit s applique particulièrement aux liaisons à visibilité directe(propagations troposphériques, faisceaux hertziens, liaisons par satellite,etc.,). On néglige linfluence du sol et les pertes atmosphériques. Coté émetteur P F : Puissance fournie en W PdBW F : Puissance fournie en dBW G E : Gain de lantenne démission GdB E : Gain de lantenne démission en dB Coté récepteur P R : Puissance reçue en W PdBW F : Puissance reçue en dBW G R : Gain de lantenne de réception GdB R : Gain de lantenne de réception en dB r: Distance entre les deux antennes en m

47 Ph. GOZLAN IUP GMI/RT Avignon Affaiblissement en espace libre(2). Les gains en dB et les puissances en dBW répondent aux relations suivantes: soit Laffaiblissement de la liaison, exprimée en dB est:

48 Ph. GOZLAN IUP GMI/RT Avignon Affaiblissement en espace libre(3). Expression de la puissance reçue P R On sait que: et que La densité de puissance reçue est fonction de la densité de puissance émise par lantenne. Or P E = P F.G E donc: En somme Soit enfin (Formule de FRIIS)

49 Ph. GOZLAN IUP GMI/RT Avignon Affaiblissement en espace libre(4). Expression qui sécrit encore: Le terme sappelle « affaiblissement isotrope » A iso Conclusion : Si lon connaît la puissance démission et laffaiblissement on déduit assez facilement la puissance de réception. On le trouve parfois sous le terme de perte en espace libre noté L S

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51 Dipôle /2(1) Ce dipôle est également une antenne de référence dans le domaine des radiocommunications Ainsi pour une fréquence de 100MHz par exemple L=1,5m et pour une autre de 1GHz L=15cm. La longueur totale du brin rayonnant est une demi-longueur donde Dipôles verticaux démetteur FM

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

53 Ph. GOZLAN IUP GMI/RT Avignon Dipôle /2(3) Diagramme de rayonnement. Lantenne 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 dun territoire, Elle est facile à réaliser et peut encombrante.

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55 Antenne patch(1) Il y a résonance si: l= /2 et w=0,5.l à 2.l 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 r. Limpédance de la structure dépend de w! Largeur w Longueur l

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

57 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 Lalimentation des patchs doit se faire en phase ce qui impose des longueurs de trajets identiques pour le signal. Diagramme de directivité patch 6x6 Trajets identiques AB=AC=AD= patch 2x4

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

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

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

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

62 Ph. GOZLAN IUP GMI/RT Avignon

63 Références: Denis Prêtre ARC -ingénierie Cours Antennes, GERARD Magret - Les Antennes pour radio modélisme Guillaume Villemaud - Cours dantennes 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 »


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