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Techniques et systèmes de transmission 1 4 e année Informatique & Réseau Techniques et systèmes de transmission Antennes Alexandre Boyer

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1 Techniques et systèmes de transmission 1 4 e année Informatique & Réseau Techniques et systèmes de transmission Antennes Alexandre Boyer

2 Techniques et systèmes de transmission 2 Antennes 1.Notions fondamentales 2.Caractéristiques des antennes 3.Antennes pour les télécommunications 4.Antennes de réception / modèles de propagation 5.Réseau dantennes

3 Techniques et systèmes de transmission 3 Une liaison radioélectrique est un canal de transmission entre un émetteur et un récepteur, dont le support de transmission est assuré par des ondes électromagnétiques. Comme tous les canaux de communication, il est soumis aux problèmes posés par le bruit et les perturbations, qui vont limiter les performances du système de transmission. La maitrise dune liaison radioélectrique repose sur : La connaissance des propriétés des antennes démission et de réception La connaissance de la propagation des ondes électromagnétiques dans le canal hertzien Uplink Downlink Antennes

4 Techniques et systèmes de transmission 4 Antennes « Une antenne démission est un dispositif qui assure la transmission de lénergie entre un émetteur et lespace libre où cette énergie va se propager. Réciproquement, une antenne de réception est un dispositif qui assure la transmission de lénergie dune onde se propageant dans lespace à un appareil récepteur » [Combes] Définition - antennes Le rôle dune antenne est de convertir lénergie électrique dun signal en énergie électromagnétique transportée par une onde électromagnétique (ou inversement).

5 Techniques et systèmes de transmission 5 TX Antenne TX Canal hertzien RX Antenne RX Canal de transmission Elément du canalEffet sur la transmission Antenne Agit sur la couverture radio et sur les puissances émises/reçues Couple les signaux parasites Interagit avec le milieu environnant proche Canal hertzien Atténuation et dégradation du signal, dépendant de lenvironnement Définition – canal hertzien Antennes

6 Techniques et systèmes de transmission 6 Antennes Historique

7 Techniques et systèmes de transmission 7 Antennes Utilisation du canal hertzien Régulation et planification du spectre radioélectrique par lUnion Internationale des Télécommunications (ITU-R) au niveau international, et par lagence nationale des fréquence (ANFR) au niveau national.

8 Techniques et systèmes de transmission 8 Octobre 2010 I – Notions fondamentales Antennes

9 Techniques et systèmes de transmission 9 Electrostatique Notions fondamentales Electrostatique : les charges électriques exercent des forces entre elles. Laction à distance se fait par lintermédiaire dun champ électrique Les charges électriques au repos peuvent exercer des forces électriques entre elles, cette action à distance se fait par lintermédiaire dun champ électrique. Toute charge électrique Q immobile créé un champ électrique E dans lespace environnant, qui décroit inversement avec le carré de la distance. Charge Q Loi de Gauss Ligne de champ électrique Potentiel électrostatique

10 Techniques et systèmes de transmission 10 Magnétostatique Notions fondamentales Magnétostatique : toute circulation de courant électrique continu est à lorigine de la création dun champ magnétique. J Les charges et les courants électriques sont les sources élémentaires des champs électromagnétiques (champs électriques et magnétiques). Loi dAmpère

11 Techniques et systèmes de transmission 11 Notion dinductance et de capacité Notions fondamentales Soit 2 conducteurs séparés par une différence de potentiel notée V. Chacun des conducteurs porte une charge Q et de signe opposée. La séparation des charges et le champ électrique associé correspond à un stockage dénergie électrique. La capacité mesure la « quantité » dénergie stockée par ces conducteurs. On la définit par : Soit 1 circuit parcouru par un courant I qui génère un champ magnétique autour de lui. On note Φ le flux du champ magnétique se couplant à travers la surface présente entre les conducteurs du circuit Le mouvement des charges associé au courant électrique et le champ magnétique associé correspond à un stockage dénergie magnétique Linductance mesure la « quantité » dénergie magnétique. On la définit par :

12 Techniques et systèmes de transmission 12 Notions fondamentales Equations de Mawell La distribution des champs électriques et magnétiques dans lespace peut être déterminée à partir des équations de Maxwell. ρ : densité volumique de charge ε : permittivité électrique (F/m). A noter ε0 : permittivité diélectrique dans le vide (= 8.85e- 12) et εr : permittivité électrique relative telle que ε = ε0× εr μ : perméabilité magnétique (H/m). A noter μ0 : permittivité diélectrique dans le vide (= 4π.10-7) et μr : permittivité magnétique relative telle que μ = μ0× μr Loi de conservation de la charge : Loi dOhm : Conséquences de la résolution des équations de Maxwell : Propagation dune onde électromagnétique Rayonnement électromagnétique

13 Techniques et systèmes de transmission 13 Notions fondamentales Ondes électromagnétiques Considérons le cas dun milieu de propagation sans pertes caractérisé par une constante diélectrique et magnétique réelle, où il ny a donc aucune charge et courant. En combinant alors les équations de Maxwell-Ampère et de Maxwell-Faraday, il est possible décrire les 2 équations différentielles dites de propagation : La résolution conduit à lapparition dune onde dite électromagnétique progressive, càd qui se propage à la vitesse : En régime sinusoïdale et en considérant la propagation le long de laxe z : Constante de phase :

14 Techniques et systèmes de transmission 14 Une onde électromagnétique (EM) correspond à la représentation dun rayonnement électromagnétique. La propagation dune onde électromagnétique en champ lointain se fait dans un mode appelé Transverse Electromagnétique (TEM), où les champs E et H sont perpendiculaires entre eux et à la direction de propagation. Dans le cas dun milieu de propagation sans pertes, les champs E et H sont en phase et sont reliés entre eux par limpédance donde Loin de la source, londe peut être vue comme une onde plane. Notions fondamentales

15 Techniques et systèmes de transmission 15 Notions fondamentales Polarisation Quelles sont les directions des champs E et H ? On les repère par la notion de polarisation = direction du champ électrique.

16 Techniques et systèmes de transmission 16 Notions fondamentales Polarisation Si les 2 composantes u et u vibrent en phase, polarisation rectiligne. Sinon, polarisation elliptique (voire circulaire si lopposition de phase est quadratique). Polarisation rectiligne Polarisation elliptique

17 Techniques et systèmes de transmission 17 Puissance transportée par une onde électromagnétique Notions fondamentales Dans un volume dV, une onde électromagnétique transporte une énergie composée de : Énergie électrique Energie magnétique Contribution électrique + magnétique : Une onde EM transporte une puissance représentée par le vecteur de Poynting : Transfert sans contact, sans fil dénergie ou dinformation !!!

18 Techniques et systèmes de transmission 18 Notions fondamentales Rayonnement électromagnétique Les charges et les courants sont les sources primaires des champs électriques et magnétiques. Soit un conducteur métallique excité par un générateur sinusoïdal de pulsation ω. Point dobservation r I exp(iωt) Antenne (longueur effective Leff) Les champs E et H forment le champ électromagnétique, qui constitue le rayonnement électromagnétique à grande distance de la source. Evolution générale avec la distance r du champ EM :

19 Techniques et systèmes de transmission 19 Notions fondamentales Rayonnement électromagnétique Pourquoi une antenne rayonne ? I I d Point dobservation r Élément 1 Élément 2 t H(r) r/c d/c 0

20 Techniques et systèmes de transmission 20 Notions fondamentales Champ proche / Champ lointain Lenvironnement dune antenne peut être séparé en 2 zones : Point dobservation r I exp(iωt) Antenne D Champ proche Champ lointain R lim Couplage en champ proche Rayonnement EM

21 Techniques et systèmes de transmission 21 II – Caractéristiques des antennes Antennes

22 Techniques et systèmes de transmission 22 Structure typique dune antenne Une antenne peut réciproquement être utilisée en émission et en réception. Le schéma ci-dessous représente une antenne démission Caractéristiques des antennes … réseau de polarisation … Sources Eléments rayonnants Puissance P A Puissance P R Puissance P S Onde électromagnétique rayonnée Amplification - filtrage …

23 Techniques et systèmes de transmission 23 Station de base Amplificateur de puissance Tour / Mat Câbles à faibles pertes Amplificateur monté sur tour (mast-head amplifier) Réglage tilt antenne Diviseur Contrôleur réseau radio Duplexeur (séparation voie montante/ descendante Antenne TX RX Structure typique dune antenne Caractéristiques des antennes

24 Techniques et systèmes de transmission 24 Structure typique dune antenne Caractéristiques des antennes Antenne panneau Wi-Fi Antenne Yagi TV

25 Techniques et systèmes de transmission 25 Comment une antenne rayonne t-elle la puissance incidente dans lespace ? Dans quelle direction ? Avec quelle efficacité se fait le transfert dénergie entre la puissance de lémetteur et la puissance rayonnée ? Sur quelle bande de fréquence lantenne rayonne de manière optimale ? Quelles sont les propriétés données par lantenne à londe électromagnétique émise ? Les caractéristiques fondamentales dune antenne vont permettre de répondre à ces questions. Caractéristiques des antennes

26 Techniques et systèmes de transmission 26 Diagramme de rayonnement Puissance rayonnée par une antenne : X Y Z O φ θ R angle solide Ω Puissance antenne P A Puissance rayonnée dans une direction (θ,φ) : Puissance rayonnée par une unité de surface dans une direction (θ,φ) et à une distance R : Puissance rayonnée totale : Caractéristiques des antennes

27 Techniques et systèmes de transmission 27 Diagramme de rayonnement – antenne isotrope Caractéristiques des antennes Cas dune antenne isotrope ou omnidirectionnelle : lantenne rayonne de manière constante dans toutes les directions de lespace (antennes sans pertes) : Puissance rayonnée à une distance R de lantenne Relation puissance rayonnée et champ électrique :

28 Techniques et systèmes de transmission 28 Diagramme de rayonnement Caractéristiques des antennes Rappel sur les repères cartésien et sphériques x y z φ θ Plan vertical Plan horizontal Plan vertical : θ varie de 0 à pi, φ = constante comprise entre 0 et 2*pi Plan horizontal : θ = pi/2, φ varie de 0 et 2*pi

29 Techniques et systèmes de transmission 29 Les antennes sont rarement omnidirectionnelles et émettent ou reçoivent dans des directions privilégiées. Le diagramme de rayonnement représente les variations de la puissance rayonnée par lantenne dans les différentes directions de lespace. Il indique les directions de lespace ( θ 0, φ 0 ) dans lesquelles la puissance rayonnée est maximale. Fonction caractéristique de rayonnement r( θ, φ) : Différentes manières de représenter le diagramme de rayonnement : Y Z O φ θ r(θ,φ) θ θ0θ0 0 1 Puissance rayonnée dans lespace – Vue 3D Repère cartésien Repère polaire φ 1 0 φ0φ0 Puissance rayonnée dans une direction quelconque Puissance rayonnée max. Diagramme de rayonnement – Fonction caractéristique de rayonnement Caractéristiques des antennes

30 Techniques et systèmes de transmission 30 Diagramme de rayonnement – Lobe principal et lobes secondaires Caractéristiques des antennes Diagramme de rayonnement dune antenne Yagi dans le plan vertical :

31 Techniques et systèmes de transmission 31 Il caractérise la largeur du lobe principal. Langle douverture à 3 dB 2θ 3 représente la portion de lespace dans lequel la majeure partie de la puissance est rayonnée. Angle douverture (beamwidth) Caractéristiques des antennes

32 Techniques et systèmes de transmission 32 Caractéristiques des antennes Dautres grandeurs sont utiles pour caractériser le lobe : Angle entre la direction du lobe principal et le premier zero Azimuth beamwidth Elevation beamwidth Tilt Angle douverture (beamwidth)

33 Techniques et systèmes de transmission 33 Caractéristiques des antennes Directivité, gain, rendement La directivité D(θ,φ) dune antenne dans une direction (θ,φ) est le rapport entre la puissance rayonnée dans une direction donnée P(θ,φ) et la puissance que rayonnerait une antenne isotrope. Le gain G(θ,φ) dune antenne dans une direction (θ,φ) est le rapport entre la puissance rayonnée dans une direction donnée P(θ,φ) sur la puissance que rayonnerait une antenne isotrope sans pertes. En général, le gain G correspond au gain dans la direction de rayonnement maximal (θ 0,φ 0 ).

34 Techniques et systèmes de transmission 34 Caractéristiques des antennes Directivité, gain, rendement Le rendement η dune antenne traduit sa capacité à transmettre la puissance électrique en entrée P A sous forme de puissance rayonnée P R. Le rendement est lié aux pertes dans le réseau de polarisation et dans les éléments rayonnants.

35 Techniques et systèmes de transmission 35 Caractéristiques des antennes Directivité, gain, rendement Lien entre le gain et langle douverture : Plus le gain est fort, plus la puissance est rayonnée dans un lobe étroit langle douverture diminue.

36 Techniques et systèmes de transmission 36 Caractéristiques des antennes PIRE La puissance isotrope rayonnée équivalente dune antenne (PIRE ou EIRP en anglais) définit, dans la direction de rayonnement maximal, la puissance électrique quil faudrait apporter à une antenne isotrope pour obtenir la même puissance rayonnée dans cette direction.

37 Techniques et systèmes de transmission 37 Modèle électrique dune antenne – impédance dentrée On définit limpédance dentrée complexe dune antenne par : Partie réactive Partie active Caractéristiques des antennes Résistance de rayonnement Résistance de pertes Annulation de la partie réactive lors de la résonance dune antenne

38 Techniques et systèmes de transmission Résistance de rayonnement Caractéristiques des antennes Efficacité dune antenne :

39 Techniques et systèmes de transmission Caractéristiques des antennes Une antenne est reliée à la source par une ligne de transmission dimpédance caractéristique Z C. Pour assurer un transfert maximal de puissance entre lalimentation et lantenne, il est nécessaire dassurer une adaptation dimpédance. Ladaptation permet dannuler le coefficient de réflexion Γ in ou S 11 en entrée de lantenne. Condition dadaptation PsPs Source Antenne PAPA Ligne Zc Adaptation – condition dadaptation Perte liée à la désadaptation (mismatch loss) :

40 Techniques et systèmes de transmission Caractéristiques des antennes Voltage Standing Wave Ratio VSWR Evolution de lamplitude de la tension le long de la ligne à F = 2 GHz (ligne adaptée 50 ohms) Vmax Vmin λ Une bonne adaptation VSWR < 1.2

41 Techniques et systèmes de transmission 41 Bande passante et facteur de qualité La bande passante dune antenne correspond à la bande de fréquence où le transfert dénergie de lalimentation vers lantenne ou de lantenne vers le récepteur est maximale. A lintérieur de la bande passante, le coefficient de réflexion est faible. Pour optimiser la bande passante, on peut agir directement sur lantenne afin de modifier son impédance, ou ajouter un élément dadaptation. S 11 Fréquence 0 dB -10 dB Bande passante Caractéristiques des antennes Analogie avec un filtre RLC : Notion de facteur de qualité

42 Techniques et systèmes de transmission Caractéristiques des antennes Polarisation dune antenne Comment déterminer la polarisation dune antenne ? En utilisant les propriétés de symétrie. Exemple dune antenne dipôle :

43 Techniques et systèmes de transmission Caractéristiques des antennes Pertes de polarisation La perte de polarisation dépend de langle α entre les 2 antennes qui représente la différence dalignement.

44 Techniques et systèmes de transmission Caractéristiques des antennes Tout est dans la datasheet

45 Techniques et systèmes de transmission III –Antennes pour les télécommunications Antennes

46 Techniques et systèmes de transmission Antennes pour les télécoms Dipôle élémentaire (de Hertz) Fil électriquement court (h << λ/10). Courant damplitude quasi constant le long de lantenne. Antenne « électrique » En champ lointain :

47 Techniques et systèmes de transmission Antennes pour les télécoms Boucle élémentaire Boucle de rayon b petit devant λ. Antenne « magnétique » En champ lointain :

48 Techniques et systèmes de transmission Antennes pour les télécoms Antenne boucle – application RFID (antenne champ proche) Antenne RFID (13.56 MHz) Rayonnement faible en champ lointain. Par contre, création dun champ magnétique très fort en champ proche. Pas de couplage rayonné, mais un couplage inductif en champ proche.

49 Techniques et systèmes de transmission Antennes pour les télécoms Antenne ferrite (n = 160 tours, μr = 60, L =820 µH)

50 Techniques et systèmes de transmission 50 Antennes pour les télécoms Antenne dipôle demi-onde Un dipôle est constitué de 2 tiges cylindriques de diamètre fin (d < λ/100), connectées à une source dexcitation. Longueur L = λ/2 le dipôle devient résonant. Fréquence de résonance : A la résonance, annulation des composantes réactives du modèle électrique équivalent !

51 Techniques et systèmes de transmission 51 Antennes pour les télécoms Antenne dipôle demi-onde Diagramme de rayonnement et gain : Gain = 2.15 dBi Angle douverture à 3 dB (plan vertical) = 78°

52 Techniques et systèmes de transmission Antenne dipôle demi-onde Impédance dentrée dun dipôle infiniment fin en condition demi onde (L = λ/2) : La résonance (annulation de la partie imaginaire se fait lorsque L 0.46 λ λ. Effet du diamètre d du dipôle – Impédance dentrée en condition demi-onde : Antennes pour les télécoms La longueur de résonance devient :

53 Techniques et systèmes de transmission Antenne dipôle demi-onde Antennes pour les télécoms Influence du diamètre sur limpédance à L = λ/2 Influence du diamètre sur la longueur de résonance (L = x* λ)

54 Techniques et systèmes de transmission Antenne dipôle demi-onde Antennes pour les télécoms

55 Techniques et systèmes de transmission Antenne dipôle demi-onde Facteur de qualité : Antennes pour les télécoms Réduction du facteur de qualité : Dipôle replié

56 Techniques et systèmes de transmission Antenne monopôle (quart donde) Antennes pour les télécoms La présence dobjets métalliques à proximité dune antenne modifie ses propriétés. Un plan métallique se comporte comme un plan dantisymétrie pour tout conducteur. Un monopôle correspond à un demi dipôle au dessus dun plan métallique de référence. En raison de la symétrie apportée par le plan métallique, le monopôle se comporte comme un dipôle. I2 I1 Lorsquun conducteur est placé au dessus dun plan de masse, tout se passe comme si un conducteur de retour virtuel était placé sous le premier conducteur, de manière symétrique par rapport au plan de masse. Brin du demi dipôle Brin virtuel

57 Techniques et systèmes de transmission Antenne imprimée ou patch Antennes pour les télécoms Intégration des antennes au plus près des systèmes électroniques.

58 Techniques et systèmes de transmission Antenne imprimée ou patch Antennes pour les télécoms Structure dun patch rectangulaire: La longueur est proche de la demi longueur donde. Les dimensions du plan de masse doivent être grandes devant celles de lélément rayonnant (au moins 3 à 4 fois plus grand) Plusieurs méthodes dalimentation (connexion coaxiale, microstrip, ligne couplée) Gravure ou placement des éléments dadaptation au plus près de lélément rayonnant.

59 Techniques et systèmes de transmission Antenne imprimée ou patch – Principe de fonctionnement Antennes pour les télécoms Supposons h petit : Le patch et le plan de masse forme une cavité résonante en raison des conditions en circuit ouvert à chaque extrémité. Répartition du champ électrique à lintérieur du patch : Existence de fréquences de résonance où le rayonnement en champ lointain est optimisé : m et n entiers > 0 m et n réels > 0

60 Techniques et systèmes de transmission Antenne imprimée ou patch – Principe de fonctionnement Antennes pour les télécoms Supposons W < L. Fréquence de résonance primaire : F 1,0 x y 0 0 L Répartition du champ électrique le long de x (m = 1, n = 0) :

61 Techniques et systèmes de transmission Antenne imprimée ou patch – Principe de fonctionnement Antennes pour les télécoms Rayonnement du patch à la fréquence de résonance F 1,0 : E E I w L H Plan de masse Patch x y z Bords rayonnants L=λ/2 + - E Dipôle ½ onde O Remarque : la résonance apparaît autour de L = 0.48λ – 0.49 λ, en raison des dimensions des bords rayonnants. « Equivalence »

62 Techniques et systèmes de transmission 62 Le rayonnement est max. pour θ = 0°. La polarisation est rectiligne. Cependant, en raison de la présence du plan de masse, le rayonnement ne se fait que dans le ½ plan au dessus du plan de masse. Quelques valeurs typiques : gain = 6 – 8 dBi, angle douverture à 3 dB = 70 – 90°. Directivité : Angle douverture : Antenne imprimée ou patch rectangulaire Antennes pour les télécoms

63 Techniques et systèmes de transmission Antenne imprimée ou patch rectangulaire Antennes pour les télécoms Résistance dentrée : Influence du point de polarisation :

64 Techniques et systèmes de transmission 64 Antenne imprimée ou patch rectangulaire Antennes pour les télécoms Dimensionnement : a.Calcul de la largeur du patch : b. Calcul de la longueur donde effective λe et de la constante diélectrique effective εe : c. Calcul de lextension de longueur du patch ΔL : En pratique, on trouve d. Calcul de la longueur du patch L : e. Calcul de la position du point dalimentation

65 Techniques et systèmes de transmission IV –Antennes de réception Antennes

66 Techniques et systèmes de transmission Surface équivalente dune antenne Antennes de réception Relation entre le gain et la surface équivalente : Gain dune antenne émettrice = capacité à rayonner dans une direction donnée de lespace. Gain dune antenne réceptrice = capacité à coupler lénergie rayonnée provenant dune direction de lespace. Pour une antenne passive, quelle soit utilisée en émission ou en réception, le gain reste le même !

67 Techniques et systèmes de transmission Facteur dantenne Soit une puissance électrique reçue P A. Quelle est la valeur du champ électrique incident reçu (champ lointain) ? Si le récepteur est équivalent à une résistance R R : Facteur dantenne (inverse de la sensibilité) : Antennes de réception

68 Techniques et systèmes de transmission Atténuation de la puissance électromagnétique en espace libre – Formule de Friis Antennes de réception En champ lointain, londe EM émise par une antenne est une onde sphérique qui se propage. En espace libre, dans toute direction de lespace : Antenne émettrice P ray E d Sphère de surface = Si lantenne est isotrope et sans pertes, la puissance rayonnée par unité de surface : Si lantenne nest pas isotrope :

69 Techniques et systèmes de transmission Atténuation de la puissance électromagnétique en espace libre – Formule de Friis Antennes de réception Antenne émettrice P ray E d Antenne réceptrice La puissance reçue par lantenne est donnée par :

70 Techniques et systèmes de transmission Atténuation de la puissance électromagnétique en espace libre – Formule de Friis Antennes de réception Formule de Friis ou affaiblissement de liaison en espace libre (path loss) : Donnée utile pour les bilans de liaison

71 Techniques et systèmes de transmission Path Loss à 900 MHz Atténuation de la puissance électromagnétique en espace libre – Formule de Friis Antennes de réception

72 Techniques et systèmes de transmission Atténuation de la puissance électromagnétique en espace libre – Formule de Friis Antennes de réception Comparaison avec des modèles de propagation dans des environnements terrestres (modèle Okumura-Hata)

73 Techniques et systèmes de transmission V – Réseau dantennes Antennes

74 Techniques et systèmes de transmission 74 Réseaux dantennes - concept Combiner le rayonnement de plusieurs éléments rayonnants afin daccroître le rayonnement de lantenne dans une ou plusieurs directions données Les éléments rayonnants peuvent être des dipôles, des fentes rayonnantes, des patchs. Il sagit de créer une interférence constructive entre les ondes électromagnétiques issues de différentes sources. La combinaison de ces différentes ondes va dépendre de la disposition et de la séparation entre les éléments rayonnants, ainsi que des propriétés en amplitude et en phase de lexcitation Atténuateurs Déphaseurs … Eléments rayonnants Emetteur Récepteur φAtt φ φ φ θ Diagramme de rayonnement Direction du lobe principal Réseau dantennes

75 Techniques et systèmes de transmission 75 Réseaux dantennes - Théorie M S1 S2 S3 SNSN O α1α1 d1d1 Soit N sources identiques indépendantes S i sur une surface quelconque. On suppose que le couplages entres les sources sont nuls (distance > λ) S k : centre de la source Ak.exp(jΦk) : alimentation complexe de chaque source |S k M| = r k r : M est situé loin des sources α k est langle délévation, entre la surface et la direction SkM f k (θ k ) : fonction caractéristique de rayonnement. On suppose une symétrie de révolution (diagramme de rayonnement indépendant de φ) ψiψi Réseau dantennes Champ rayonné en M par une antenne (K est un facteur constant, dépendant des éléments rayonnants employés) : Ψi correspond à la phase de londe issues dune antenne, par rapport à une antenne de réf (dépend du déphasage entre les sources et des distances entre les antennes).

76 Techniques et systèmes de transmission Réseaux dantennes - Théorie Réseau dantennes Champ rayonné total au point en M (somme des contributions des N antennes ) : Observation dans un plan donné de lespace :

77 Techniques et systèmes de transmission Application à un réseau à N antennes colinéaires équidistantes Réseau dantennes Lexcitation des antennes présente une amplitude constante, mais leur phase présente un gradient constant. Calcul du facteur de réseau

78 Techniques et systèmes de transmission Application à un réseau à N antennes colinéaires équidistantes Réseau dantennes Comportement périodique du facteur dantenne en fonction de Ψ et N Valeur max de AF :

79 Techniques et systèmes de transmission Application à un réseau à N antennes colinéaires équidistantes Réseau dantennes Exemple : N = 8 antennes séparées de d = λ, pas de déphasage entre sources : Φ=0°.

80 Techniques et systèmes de transmission Application à un réseau à N antennes colinéaires équidistantes Réseau dantennes Effet du déphasage entre source : modification de la direction du lobe principal Condition pour avoir un maximum : Lobe principal si :

81 Techniques et systèmes de transmission Application à un réseau à N antennes colinéaires équidistantes Réseau dantennes Réduction des lobes secondaires Condition dapparition dun lobe secondaire : ψ = +/- 2π Direction dun lobe secondaire : Pour faire disparaître un lobe secondaire, il suffit davoir : |cos(α1)| > 1

82 Techniques et systèmes de transmission Application à un réseau à N antennes colinéaires équidistantes Réseau dantennes Réduction des lobes secondaires- Exemple : N = 8, Φ = 0° et d = 0.8λ

83 Techniques et systèmes de transmission 83 Exemple de réseau dantennes – antenne Yagi Cette antenne est particulièrement employée pour la réception TV. Le faisceau doit être pointé vers lémetteur TV (angle douverture relativement étroit et orienté vers lhorizon) Une antenne Yagi est composée de N antennes dipôles parallèles. Les dipôles sont alimentés avec une amplitude constante, mais avec un déphasage constant. Le déphasage est choisi pour avoir un rayonnement optimal dans la direction longitudinal (α 0 = 0°) : … S1 S2 S3 SNSN Φ1Φ1 Φ2Φ2Φ3Φ3 ΦNΦN >>> La plupart du temps, un réflecteur est situé à à larrière du réseau pour réduire lamplitude des lobes secondaires. Lobe primaire Réseau dantennes

84 Techniques et systèmes de transmission 84 Antennes intelligentes - Beamforming Même si on optimise la couverture, celle-ci ne sera jamais totale et dans le cas de canal non stationnaire, la couverture ne restera pas optimale. De plus, leffet de la propagation multi-trajet induit des interférences destructives localisées. Apparition du concept dantennes intelligentes pour : Réduire leffet des trajets multiples Améliorer le rapport signal à bruit et la capacité du canal Accroître la réutilisation des fréquences dans un espace donné Antenne omni. Signal désiré Interférant Technologie standard Technologie antennes intelligentes Signal désiré Interférant Traitement numérique – Beamforming Réseau dantennes Diagramme de rayonnement Réseau dantennes


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