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Guillaume VILLEMAUD – Cours dAntennes 60 5ème année du Département Génie Électrique.

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1 Guillaume VILLEMAUD – Cours dAntennes 60 5ème année du Département Génie Électrique

2 Guillaume VILLEMAUD – Cours dAntennes 61 Points clés On a vu que la théorie des antennes est basée sur le rayonnement produit par des sources (charges, courants) à la surface dun conducteur. Quand on veut décrire le fonctionnement dune antenne particulière, certaines caractéristiques fondamentales, communes à tous les types dantennes, sont données : Impédance dentrée Diagramme de rayonnement Gain Polarisation

3 Guillaume VILLEMAUD – Cours dAntennes 62 Exemple de fiche technique Antenne pour point daccès Wifi

4 Guillaume VILLEMAUD – Cours dAntennes 63 Exemple de fiche technique (2) Antenne pour point daccès Wifi

5 Guillaume VILLEMAUD – Cours dAntennes 64 Limpédance dentrée désadaptation Si on reprend lexemple de la ligne ouverte, lécartement des brins provoque un changement de limpédance. Londe est alors réfléchie à linterface entre la ligne et lantenne, doù perte importante dénergie. Le but est alors de revenir à un système adapté. Zr=Zc Zc ZiZi eiei

6 Guillaume VILLEMAUD – Cours dAntennes 65 Lantenne en tant que circuit générateur Pi Pr Pa Pe puissance émise Ze Lantenne étant un système résonant (onde stationnaire), il faut faire en sorte que limpédance quelle ramène face à la ligne (son impédance dentrée) soit adaptée à celle-ci. La ligne est alors en onde progressive, toute la puissance est transmise à lantenne. Lantenne sert alors de transformateur dimpédance entre lespace libre et la ligne de transmission. La puissance rayonnée ne dépend que de la puissance acceptée et des pertes de lantenne.

7 Guillaume VILLEMAUD – Cours dAntennes 66 Coefficient de réflexion On définit la qualité dadaptation dune antenne soit en donnant son impédance caractéristique (souvent 50 ohms), soit en donnant son niveau de coefficient de réflexion. coefficient de réflexion en puissance : est le coefficient de réflexion en tension Impédance déduite dune mesure de réflexion :

8 Guillaume VILLEMAUD – Cours dAntennes 67 Expression en décibels On trouve la plupart du temps les valeurs exprimées en décibels : On parle aussi beaucoup en terme de VSWR : souvent exprimé sous la forme n:1 return loss

9 Guillaume VILLEMAUD – Cours dAntennes 68 VSWR Return Loss (dB Reflected Power (%) Transmiss. Loss (dB) VSWR Return Loss (dB) Reflected Power (%) Transmiss. Loss (dB) 1.00oo Conversions

10 Guillaume VILLEMAUD – Cours dAntennes 69 Résistance de rayonnement résistance de rayonnement et résistance de pertes Pour des antennes métalliques, on peut négliger la résistance de pertes. Dans une antenne parfaitement accordée, X=0

11 Guillaume VILLEMAUD – Cours dAntennes 70 Bande passante Il existe de nombreuses définitions de bandes passantes. La plus commune est la bande passante en adaptation où le coefficient de réflexion de lantenne respecte un certain niveau.

12 Guillaume VILLEMAUD – Cours dAntennes 71 Relation avec limpédance résonance parallèle Limpédance complexe dune antenne varie en fonction de la fréquence. Cela correspond aux variations de répartition des courants à sa surface. On cherche à faire correspondre la fréquence de fonctionnement avec un point dimpédance purement réel proche de celle du système (50 ohms en général).

13 Guillaume VILLEMAUD – Cours dAntennes 72 Résonances série ou parallèle La géométrie de lantenne et son mode dalimentation influent sur cette impédance. On cherche généralement à se placer au plus près dune résonance et à annuler la partie imaginaire. Antenne Résonance série Résonance parallèle Max de courant au niveau du générateur Impédance faible Min de courant au niveau du générateur Impédance élevée

14 Guillaume VILLEMAUD – Cours dAntennes 73 Exemples de points dadaptation Exemple du dipôle v i Le choix du point dadaptation peut déterminer la bande passante.

15 Guillaume VILLEMAUD – Cours dAntennes 74 Couplage mutuel Deux antennes proches influent lune sur lautre par un couplage des champs EM. Ce couplage doit être pris en compte car il modifie les caractéristiques des antennes (impédance et rayonnement). Limite rapide des modèles analytiques Modélisation électromagnétique

16 Guillaume VILLEMAUD – Cours dAntennes 75 Caractéristiques de rayonnement Pour rendre compte des performances de lantenne dun point de vue des champs rayonnés on utilise : la fonction caractéristique le diagramme de rayonnement la directivité le gain louverture la surface équivalente

17 Guillaume VILLEMAUD – Cours dAntennes 76 La fonction caractéristique La fonction caractéristique permet de représenter les variations du niveau de champ rayonné en champ lointain en fonction de la direction considérée. fonction caractéristique du doublet Cas du doublet : I : intensité maximale

18 Guillaume VILLEMAUD – Cours dAntennes 77 Diagramme de rayonnement Définition générale : Plan vertical x z Plan horizontal x y Doublet élémentaire

19 Guillaume VILLEMAUD – Cours dAntennes 78 Notion de puissance La puissance totale rayonnée est égale au flux du vecteur de Poynting à travers une surface fermée entourant lantenne. En champ lointain, on trouve : Pour la représentation on utilise souvent une puissance normalisée : densité surfacique de puissance

20 Guillaume VILLEMAUD – Cours dAntennes 79 Angle solide d La densité de puissance surfacique peut également sexprimer en densité stérique, en fonction de langle solide densité stérique de puissance ou intensité de rayonnement

21 Guillaume VILLEMAUD – Cours dAntennes 80 Résistance de rayonnement Quand on fait le lien entre la puissance rayonnée et la puissance dissipée par une charge, on peut déterminer la résistance de rayonnement à partir de la fonction caractéristique.

22 Guillaume VILLEMAUD – Cours dAntennes 81 Directivité dune antenne Soit Pe la puissance rayonnée totale, on dit que lantenne est isotrope quand la densité stérique dans nimporte quelle direction donnée sexprime : On appelle directivité le rapport entre la densité de puissance créée dans une direction donnée et la densité de puissance dune antenne isotrope.

23 Guillaume VILLEMAUD – Cours dAntennes 82 Signification de la directivité Pour lantenne isotrope, D=1 quelle que soit la direction

24 Guillaume VILLEMAUD – Cours dAntennes 83 Ouverture à mi-puissance axe du lobe principal 1 0,8 0,6 0,4 Largeur du faisceau à mi-puissance (-3dB) nuls de rayonnements Lobes secondaires

25 Guillaume VILLEMAUD – Cours dAntennes 84 Gain de lantenne Le gain est défini de la même manière que la directivité en tenant compte de la puissance fournie à lantenne : Ce gain est parfois dénommé gain réalisé en opposition au gain intrinsèque ne prenant en compte que les pertes de lantenne (sans les pertes dadaptation). Sil ny a pas de pertes, le gain est égal à la directivité

26 Guillaume VILLEMAUD – Cours dAntennes 85 Relation avec la résistance En partant de la relation précédente : on peut donner une formule simple de calcul du gain en fonction de la résistance de rayonnement : toujours dans une hypothèse sans pertes intrinsèques

27 Guillaume VILLEMAUD – Cours dAntennes 86 Types de représentation Il existe une multitude de façons de représenter le rayonnement dune antenne : diagramme en champ, en puissance, gain, directivité, en polaire ou cartésien, en linéaire ou en décibels, en 2D ou 3D

28 Guillaume VILLEMAUD – Cours dAntennes 87 Exemple de pont radio angle (°) G (dBi) diagramme de rayonnement P angle (°) diagramme de rayonnement linéaire (P/Pmax)

29 Guillaume VILLEMAUD – Cours dAntennes 88 Plans de référence

30 Guillaume VILLEMAUD – Cours dAntennes 89 Méthode de mesure Mesure dadaptation Mesure de rayonnement

31 Guillaume VILLEMAUD – Cours dAntennes 90 Chambres de mesure

32 Guillaume VILLEMAUD – Cours dAntennes 91 Chambres de mesure

33 Guillaume VILLEMAUD – Cours dAntennes 92PIRE Lorsquune antenne produit une puissance rayonnée Pe, la densité surfacique de puissance créée dans une direction donnée est le produit du gain dans cette direction par la puissance. La Puissance Isotrope Rayonnée Equivalente : PIRE=Pe.Ge Valeur très utile pour les définitions de normes.

34 Guillaume VILLEMAUD – Cours dAntennes 93 Surface effective Soit une antenne illuminée par une onde plane de densité surfacique de puissance Ps, on appelle surface effective de lantenne la quantité : charge En fonction du gain :

35 Guillaume VILLEMAUD – Cours dAntennes 94 Surface effective et gain Si on effectue une transmission entre deux antennes : charge Doù Pf Pd Réciprocité : En prenant une transmission avec un doublet élémentaire, on montre que : antenne 1 antenne 2

36 Guillaume VILLEMAUD – Cours dAntennes 95 Bilan de liaison La formule de FRIIS ou bilan (budget) de liaison permet de calculer la puissance disponible au niveau de la charge en réception en fonction de la puissance fournie à lantenne démission. or On connaît

37 Guillaume VILLEMAUD – Cours dAntennes 96 Bilan de liaison complet La formule précédente suppose des charges adaptées et la même polarisation des antennes. Dans le cas contraire, un budget plus complet peut être effectué : Elle tient compte de ladaptation des antennes, de leurs gains dans la direction de communication et du rendement de polarisation.

38 Guillaume VILLEMAUD – Cours dAntennes 97 Notations en décibels Une expression donnée en décibels représente toujours un rapport, donc une valeur relative à une référence. Comme on traite des valeurs de puissance, on utilise 10log (rapport). Cela reste cohérent avec des calculs en champ où on prend 20log. Pour les puissances, on parle en dBm ou dBW. Les directivités ou gains sont exprimées en dB, dBi ou dBd.


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