Antennes Techniques et systèmes de transmission Alexandre Boyer 4e année Informatique & Réseau Techniques et systèmes de transmission Antennes Alexandre Boyer alexandre.boyer@insa-toulouse.fr www.alexandre-boyer.fr

Antennes Notions fondamentales Caractéristiques des antennes Antennes pour les télécommunications Antennes de réception / modèles de propagation Réseau d’antennes

Antennes La maitrise d’une liaison radioélectrique repose sur : 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. Downlink Uplink La maitrise d’une liaison radioélectrique repose sur : La connaissance des propriétés des antennes d’émission et de réception La connaissance de la propagation des ondes électromagnétiques dans le canal hertzien

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

Effet sur la transmission Antennes Définition – canal hertzien TX Antenne TX RX Antenne RX Canal hertzien Canal de transmission Elément du canal Effet 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 l’environnement

Antennes Historique

Antennes Utilisation du canal hertzien Régulation et planification du spectre radioélectrique par l’Union Internationale des Télécommunications (ITU-R) au niveau international, et par l’agence nationale des fréquence (ANFR) au niveau national.

I – Notions fondamentales Antennes I – Notions fondamentales Octobre 2010

Notions fondamentales Electrostatique Electrostatique : les charges électriques exercent des forces entre elles. L’action à distance se fait par l’intermédiaire d’un champ électrique Les charges électriques au repos peuvent exercer des forces électriques entre elles, cette action à distance se fait par l’intermédiaire d’un champ électrique. Toute charge électrique Q immobile créé un champ électrique E dans l’espace environnant, qui décroit inversement avec le carré de la distance. Ligne de champ électrique Charge Q Loi de Gauss Potentiel électrostatique

Notions fondamentales Magnétostatique Magnétostatique : toute circulation de courant électrique continu est à l’origine de la création d’un champ magnétique. Loi d’Ampère J Les charges et les courants électriques sont les sources élémentaires des champs électromagnétiques (champs électriques et magnétiques).

Notions fondamentales Notion d’inductance et de capacité 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 d’énergie électrique. La capacité mesure la « quantité » d’énergie 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 d’énergie magnétique L’inductance mesure la « quantité » d’énergie magnétique. On la définit par :

Notions fondamentales Equations de Mawell La distribution des champs électriques et magnétiques dans l’espace peut être déterminée à partir des équations de Maxwell. Loi de conservation de la charge : Loi d’Ohm : 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 Conséquences de la résolution des équations de Maxwell : Propagation d’une onde électromagnétique Rayonnement électromagnétique

Notions fondamentales Ondes électromagnétiques Considérons le cas d’un milieu de propagation sans pertes caractérisé par une constante diélectrique et magnétique réelle, où il n’y a donc aucune charge et courant. En combinant alors les équations de Maxwell-Ampère et de Maxwell-Faraday, il est possible d’écrire les 2 équations différentielles dites de propagation : La résolution conduit à l’apparition d’une onde dite électromagnétique progressive, càd qui se propage à la vitesse : En régime sinusoïdale et en considérant la propagation le long de l’axe z : Constante de phase :

Notions fondamentales Une onde électromagnétique (EM) correspond à la représentation d’un rayonnement électromagnétique. La propagation d’une 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 d’un milieu de propagation sans pertes, les champs E et H sont en phase et sont reliés entre eux par l’impédance d’onde Loin de la source, l’onde peut être vue comme une onde plane.

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

Notions fondamentales Polarisation Si les 2 composantes u et u vibrent en phase, polarisation rectiligne. Sinon, polarisation elliptique (voire circulaire si l’opposition de phase est quadratique). Polarisation rectiligne Polarisation elliptique

Notions fondamentales Puissance transportée par une onde électromagnétique 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 d’énergie ou d’information !!!

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 d’observation Antenne (longueur effective Leff) r I exp(iωt) 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 :

Notions fondamentales Rayonnement électromagnétique Pourquoi une antenne rayonne ? Point d’observation d r I I H(r) d/c Élément 2 Élément 1 r/c t A grande distance, la distance entre les éléments 1 et 2 sont quasi identiques. Donc l’atténuation des champs E ou H créées par ces 2 éléments est quasi identiques. Donc leur contribution devrait totalement s’annuler à grande distance, et on ne devrait pas avoir de rayonnement EM. Cependant, il ne faut pas négliger le terme de phase. La contribution de l’élément 1 arrive avant celle de l’élément 2, et donc les 2 contributions ne s’annulent pas tout le temps. Le rayonnement EM est dû à la différence de phase des champs E et H produits par les différentes éléments composant une antenne.

Notions fondamentales Champ proche / Champ lointain L’environnement d’une antenne peut être séparé en 2 zones : Champ lointain Champ proche Point d’observation r Antenne I exp(iωt) D Rlim Couplage en champ proche En champ proche, la distance entre le point d’observation et les différents points de l’antenne ne sont pas toutes égales. Autrement dit, l’amplitude du champ E ou H provenant des différents points de l’antenne n’est pas similaire. On ne parle pas d’un rayonnement EM. Dans cette zone, les champs restent intenses et un conducteur métallique à proximité sera couplé (de manière inductive ou capacitive) avec certaines parties de l’antenne. On parle de zone de champ proche ou réactive En zone de champ lointain, l’amplitude du champ émis par chaque point de l’antenne est égal et devrait se compenser. Mais comme on l’a vu avant, en raison de la différence de phase, ces différentes contributions ne s’annulent pas. C’est l’origine du rayonnement EM. On parle de zone de champ lointain ou radiative. Rayonnement EM

II – Caractéristiques des antennes

Caractéristiques des antennes Structure typique d’une antenne Une antenne peut réciproquement être utilisée en émission et en réception. Le schéma ci-dessous représente une antenne d’émission Onde électromagnétique rayonnée Puissance PS Eléments rayonnants réseau de polarisation Amplification - filtrage … Sources … … Puissance PR Puissance PA

Caractéristiques des antennes Structure typique d’une antenne Tour / Mat Antenne Réglage tilt antenne Duplexeur (séparation voie montante/ descendante Amplificateur monté sur tour (mast-head amplifier) Station de base Diviseur RX Contrôleur réseau radio Dans une antenne, il n’y a pas seulement les éléments rayonnants, mais aussi la source d’énergie (qui fournit le signal électrique modulé contenant l’information à transmettre), la connexion aux éléments rayonnants (cables, structure d’adaptation, d’amplification …), les strcutures de montage mécaniques (couplages en champ proche qui vont modifier le rayonnement), les structures de protection des éléments rayonnants (radomes, protection contre l’humidité, les impacts …, mais qui ne doivent pas influer sur le rayonnement). TX Câbles à faibles pertes Amplificateur de puissance

Caractéristiques des antennes Structure typique d’une antenne Antenne panneau Wi-Fi Toutes ces antennes jouent le même rôle : si elles sont utilisées en émission, convertir efficacement de l’énergie électrique en une énergie électromagnétique transportée par une onde EM, « focalisée » dans une ou plusieurs directions privilégiées. On va voir les caractéristiques qui permettent de qualifier ces différentes antennes Antenne Yagi TV

Caractéristiques des antennes Comment une antenne rayonne t-elle la puissance incidente dans l’espace ? Dans quelle direction ? Avec quelle efficacité se fait le transfert d’énergie entre la puissance de l’émetteur et la puissance rayonnée ? Sur quelle bande de fréquence l’antenne rayonne de manière optimale ? Quelles sont les propriétés données par l’antenne à l’onde électromagnétique émise ? Les caractéristiques fondamentales d’une antenne vont permettre de répondre à ces questions.

Caractéristiques des antennes Diagramme de rayonnement Puissance rayonnée par une antenne : angle solide Ω Z R θ Puissance antenne PA O Y φ X 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 Diagramme de rayonnement – antenne isotrope Cas d’une antenne isotrope ou omnidirectionnelle : l’antenne rayonne de manière constante dans toutes les directions de l’espace (antennes sans pertes) : Puissance rayonnée à une distance R de l’antenne Relation puissance rayonnée et champ électrique :

Caractéristiques des antennes Diagramme de rayonnement Rappel sur les repères cartésien et sphériques z Plan vertical θ Plan horizontal y φ x 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

Caractéristiques des antennes Diagramme de rayonnement – Fonction caractéristique de rayonnement 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 l’antenne dans les différentes directions de l’espace. Il indique les directions de l’espace (θ0,φ0) dans lesquelles la puissance rayonnée est maximale. Fonction caractéristique de rayonnement r(θ,φ) : Différentes manières de représenter le diagramme de rayonnement : Puissance rayonnée dans une direction quelconque Puissance rayonnée max. Puissance rayonnée dans l’espace – Vue 3D Repère polaire Repère cartésien Z φ0 r(θ,φ) 1 φ θ 1 O Y φ θ0 θ

Caractéristiques des antennes Diagramme de rayonnement – Lobe principal et lobes secondaires Diagramme de rayonnement d’une antenne Yagi dans le plan vertical :

Caractéristiques des antennes Angle d’ouverture (beamwidth) Il caractérise la largeur du lobe principal. L’angle d’ouverture à 3 dB 2θ3 représente la portion de l’espace dans lequel la majeure partie de la puissance est rayonnée.

Caractéristiques des antennes Angle d’ouverture (beamwidth) D’autres grandeurs sont utiles pour caractériser le lobe : Angle entre la direction du lobe principal et le premier zero Azimuth beamwidth Elevation beamwidth Tilt

Caractéristiques des antennes Directivité, gain, rendement La directivité D(θ,φ) d’une 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) d’une 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. Directivité et gain caractérise la capacité de l’antenne à focaliser la puissance rayonnée dans une direction donnée de l’espace. En général, le gain G correspond au gain dans la direction de rayonnement maximal (θ0,φ0).

Caractéristiques des antennes Directivité, gain, rendement Le rendement η d’une antenne traduit sa capacité à transmettre la puissance électrique en entrée PA sous forme de puissance rayonnée PR. Le rendement est lié aux pertes dans le réseau de polarisation et dans les éléments rayonnants.

Caractéristiques des antennes Directivité, gain, rendement Lien entre le gain et l’angle d’ouverture : Plus le gain est fort, plus la puissance est rayonnée dans un lobe étroit  l’angle d’ouverture diminue.

Caractéristiques des antennes PIRE La puissance isotrope rayonnée équivalente d’une antenne (PIRE ou EIRP en anglais) définit, dans la direction de rayonnement maximal, la puissance électrique qu’il faudrait apporter à une antenne isotrope pour obtenir la même puissance rayonnée dans cette direction.

Annulation de la partie réactive lors de la résonance d’une antenne Caractéristiques des antennes Modèle électrique d’une antenne – impédance d’entrée On définit l’impédance d’entrée complexe d’une antenne par : Partie active Partie réactive Annulation de la partie réactive lors de la résonance d’une antenne Résistance de rayonnement Résistance de pertes

Caractéristiques des antennes Résistance de rayonnement Efficacité d’une antenne :

Caractéristiques des antennes Adaptation – condition d’adaptation Ps PA Ligne Zc Source Antenne Une antenne est reliée à la source par une ligne de transmission d’impédance caractéristique ZC. Pour assurer un transfert maximal de puissance entre l’alimentation et l’antenne, il est nécessaire d’assurer une adaptation d’impédance. L’adaptation permet d’annuler le coefficient de réflexion Γin ou S11 en entrée de l’antenne. Condition d’adaptation Perte liée à la désadaptation (mismatch loss) :

Caractéristiques des antennes Voltage Standing Wave Ratio VSWR Evolution de l’amplitude de la tension le long de la ligne à F = 2 GHz (ligne adaptée 50 ohms) Vmax λ Vmin Une bonne adaptation  VSWR < 1.2

Caractéristiques des antennes Bande passante et facteur de qualité La bande passante d’une antenne correspond à la bande de fréquence où le transfert d’énergie de l’alimentation vers l’antenne ou de l’antenne vers le récepteur est maximale. A l’intérieur de la bande passante, le coefficient de réflexion est faible. Pour optimiser la bande passante, on peut agir directement sur l’antenne afin de modifier son impédance, ou ajouter un élément d’adaptation. S11 0 dB -10 dB Fréquence Bande passante Analogie avec un filtre RLC : Notion de facteur de qualité

Caractéristiques des antennes Polarisation d’une antenne Comment déterminer la polarisation d’une antenne ? En utilisant les propriétés de symétrie. Exemple d’une antenne dipôle :

Caractéristiques des antennes Pertes de polarisation La perte de polarisation dépend de l’angle α entre les 2 antennes qui représente la différence d’alignement.

Caractéristiques des antennes Tout est dans la datasheet L’antenne présentée ici est une antenne « rubber duck » = canard en caoutchouc (1958). Il s’agit d’un monopole électrique court (longueur < lambda /4 ). Utilisation pour des applis portables. Ajout d’une inductance série pour les faire résonner. Dans la plupart es modèles, l’antenne est en fait une hélice, qui présente une grande inductance.

III –Antennes pour les télécommunications

Antennes pour les télécoms Dipôle élémentaire (de Hertz) Fil électriquement court (h << λ/10). Courant d’amplitude quasi constant le long de l’antenne. Antenne « électrique » En champ lointain :

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

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

Antennes pour les télécoms Antenne ferrite (n = 160 tours, μr = 60, L =820 µH)

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 d’excitation. Longueur L = λ/2  le dipôle devient résonant. Fréquence de résonance : A la résonance, annulation des composantes réactives du modèle électrique équivalent !

Antennes pour les télécoms Antenne dipôle demi-onde Diagramme de rayonnement et gain : Gain = 2.15 dBi Angle d’ouverture à 3 dB (plan vertical) = 78°

Antennes pour les télécoms Antenne dipôle demi-onde Impédance d’entrée d’un dipôle infiniment fin en condition demi onde (L = λ/2) : La résonance (annulation de la partie imaginaire se fait lorsque L ≈ 0.46 λ - 0.48 λ. Effet du diamètre d du dipôle – Impédance d’entrée en condition demi-onde : La longueur de résonance devient :

Antennes pour les télécoms Antenne dipôle demi-onde Influence du diamètre sur l’impédance à L = λ/2 Influence du diamètre sur la longueur de résonance (L = x* λ)

Antennes pour les télécoms Antenne dipôle demi-onde

Antennes pour les télécoms Antenne dipôle demi-onde Facteur de qualité : Réduction du facteur de qualité : Dipôle replié

Antennes pour les télécoms Antenne monopôle (quart d’onde) I2 La présence d’objets métalliques à proximité d’une antenne modifie ses propriétés. Un plan métallique se comporte comme un plan d’antisymétrie pour tout conducteur. I1 I1 I2 Lorsqu’un conducteur est placé au dessus d’un 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. Un monopôle correspond à un demi dipôle au dessus d’un plan métallique de référence. En raison de la symétrie apportée par le plan métallique, le monopôle se comporte comme un dipôle. Brin du demi dipôle Brin virtuel

Antennes pour les télécoms Antenne imprimée ou patch Intégration des antennes au plus près des systèmes électroniques.

Antennes pour les télécoms Antenne imprimée ou patch Structure d’un patch rectangulaire: La longueur est proche de la demi longueur d’onde. Les dimensions du plan de masse doivent être grandes devant celles de l’élément rayonnant (au moins 3 à 4 fois plus grand) Plusieurs méthodes d’alimentation (connexion coaxiale, microstrip, ligne couplée) Gravure ou placement des éléments d’adaptation au plus près de l’élément rayonnant.

Antennes pour les télécoms Antenne imprimée ou patch – Principe de fonctionnement 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 l’intérieur du patch : m et n réels > 0 Existence de fréquences de résonance où le rayonnement en champ lointain est optimisé : m et n entiers > 0

Antennes pour les télécoms Antenne imprimée ou patch – Principe de fonctionnement L x Supposons W < L. Fréquence de résonance primaire : F1,0 y Répartition du champ électrique le long de x (m = 1, n = 0) :

Antennes pour les télécoms Antenne imprimée ou patch – Principe de fonctionnement Rayonnement du patch à la fréquence de résonance F1,0 : E E - - - - - - - - - - - - « Equivalence » Patch I O - Bords rayonnants ++++++++++++ Plan de masse L=λ/2 z H E + L Dipôle ½ onde y x w Remarque : la résonance apparaît autour de L = 0.48λ – 0.49 λ, en raison des dimensions des bords rayonnants.

Antennes pour les télécoms Antenne imprimée ou patch rectangulaire 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 d’ouverture à 3 dB = 70 – 90°. Directivité : Angle d’ouverture :

Antennes pour les télécoms Antenne imprimée ou patch rectangulaire Résistance d’entrée : Influence du point de polarisation :

Antennes pour les télécoms Antenne imprimée ou patch rectangulaire Dimensionnement : Calcul de la largeur du patch : b. Calcul de la longueur d’onde effective λe et de la constante diélectrique effective εe : c. Calcul de l’extension de longueur du patch ΔL : En pratique, on trouve d. Calcul de la longueur du patch L : e. Calcul de la position du point d’alimentation 

IV –Antennes de réception

Antennes de réception Surface équivalente d’une antenne Relation entre le gain et la surface équivalente : Gain d’une antenne émettrice = capacité à rayonner dans une direction donnée de l’espace. Gain d’une antenne réceptrice = capacité à coupler l’énergie rayonnée provenant d’une direction de l’espace. Pour une antenne passive, qu’elle soit utilisée en émission ou en réception, le gain reste le même !

Antennes de réception Facteur d’antenne Soit une puissance électrique reçue PA. Quelle est la valeur du champ électrique incident reçu (champ lointain) ? Si le récepteur est équivalent à une résistance RR : Facteur d’antenne (inverse de la sensibilité) :

Antennes de réception E Pray Atténuation de la puissance électromagnétique en espace libre – Formule de Friis En champ lointain, l’onde EM émise par une antenne est une onde sphérique qui se propage. En espace libre, dans toute direction de l’espace : E Sphère de surface = Pray d Antenne émettrice Si l’antenne est isotrope et sans pertes, la puissance rayonnée par unité de surface : Si l’antenne n’est pas isotrope :

Antennes de réception E Pray Atténuation de la puissance électromagnétique en espace libre – Formule de Friis Antenne réceptrice E Pray d Antenne émettrice La puissance reçue par l’antenne est donnée par :

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

Antennes de réception Atténuation de la puissance électromagnétique en espace libre – Formule de Friis Path Loss à 900 MHz Path Loss à 900 MHz

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

Antennes V – Réseau d’antennes

Réseau d’antennes Réseaux d’antennes - concept Emetteur … Récepteur Combiner le rayonnement de plusieurs éléments rayonnants afin d’accroître le rayonnement de l’antenne dans une ou plusieurs directions données Les éléments rayonnants peuvent être des dipôles, des fentes rayonnantes, des patchs. Il s’agit 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 l’excitation Diagramme de rayonnement θ Att φ Direction du lobe principal Emetteur Att φ Atténuateurs Déphaseurs Eléments rayonnants … Faire au tableau le dessin de 2 antennes et d’un point d’observation. Dessiner les 2 ondes issues des 2 antennes qui arrivent au point d’observation (champ lointain). L’atténuation est quasi identique, mais leurs phases sont différentes si il existe une différence de marche et si les excitations des 2 antennes sont différentes ! Récepteur Att φ Att φ

Réseau d’antennes Réseaux d’antennes - Théorie M Soit N sources identiques indépendantes Si sur une surface quelconque. On suppose que le couplages entres les sources sont nuls (distance > λ) Sk : centre de la source Ak.exp(jΦk) : alimentation complexe de chaque source |SkM| = rk ≈ r : M est situé loin des sources αk est l’angle d’élévation, entre la surface et la direction SkM fk(θk) : fonction caractéristique de rayonnement. On suppose une symétrie de révolution (diagramme de rayonnement indépendant de φ) S3 SN α1 d1 S1 S2 O Champ rayonné en M par une antenne (K est un facteur constant, dépendant des éléments rayonnants employés) : Dans l’expression Etot, les angles θi apparaît dans le terme de somme. Celui-ci correspond donc au diagramme de rayonnement FN du réseau, puisqu’il est dépendant de la direction θi. ψi Ψi correspond à la phase de l’onde issues d’une antenne, par rapport à une antenne de réf (dépend du déphasage entre les sources et des distances entre les antennes).

Réseau d’antennes Réseaux d’antennes - Théorie Champ rayonné total au point en M (somme des contributions des N antennes ) : Observation dans un plan donné de l’espace :

Réseau d’antennes Application à un réseau à N antennes colinéaires équidistantes L’excitation des antennes présente une amplitude constante, mais leur phase présente un gradient constant. Calcul du facteur de réseau il est possible de déterminer l’expression analytique du facteur de réseau pour des alignements différents (par exemple sur 2 dimensions) et des variations d’amplitude et de phase plus complexes. Ces cas ne seront pas traités dans ce cours, nous nous limiterons au cas simple d’un réseau à 1 dimension formé par des antennes colinéaires équidistantes.

Comportement périodique du facteur d’antenne en fonction de Ψ et N Réseau d’antennes Application à un réseau à N antennes colinéaires équidistantes Comportement périodique du facteur d’antenne en fonction de Ψ et N Valeur max de AF :

Réseau d’antennes Application à un réseau à N antennes colinéaires équidistantes Exemple : N = 8 antennes séparées de d = λ, pas de déphasage entre sources : Φ=0°.

Réseau d’antennes Application à un réseau à N antennes colinéaires équidistantes Effet du déphasage entre source : modification de la direction du lobe principal Condition pour avoir un maximum : Lobe principal si :

Réseau d’antennes Application à un réseau à N antennes colinéaires équidistantes Réduction des lobes secondaires Condition d’apparition d’un lobe secondaire : ψ = +/- 2π Direction d’un lobe secondaire : Pour faire disparaître un lobe secondaire, il suffit d’avoir : |cos(α1)| > 1

Réseau d’antennes Application à un réseau à N antennes colinéaires équidistantes Réduction des lobes secondaires- Exemple : N = 8, Φ = 0° et d = 0.8λ

Réseau d’antennes Exemple de réseau d’antennes – antenne Yagi … > Cette antenne est particulièrement employée pour la réception TV. Le faisceau doit être pointé vers l’émetteur TV (angle d’ouverture relativement étroit et orienté vers l’horizon) 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 (α0 = 0°) : … Lobe primaire S1 S2 S3 SN Φ1 > Φ2 > Φ3 > ΦN La plupart du temps, un réflecteur est situé à à l’arrière du réseau pour réduire l’amplitude des lobes secondaires.

Technologie antennes intelligentes Réseau d’antennes 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, l’effet de la propagation multi-trajet induit des interférences destructives localisées. Apparition du concept d’antennes intelligentes pour : Réduire l’effet des trajets multiples Améliorer le rapport signal à bruit et la capacité du canal Accroître la réutilisation des fréquences dans un espace donné Technologie standard Technologie antennes intelligentes Interférant Interférant Interférant Interférant Signal désiré Signal désiré Principe de fonctionnement : 1. la station de base intelligente focalise sur un signal en particulier, plutôt que de capter les signaux provenant de toutes les directions. 2. Former des faisceaux d’énergie orientés vers un usager sans connaître sa position (dispositif de poursuite) 3. Réduire l’énergie rayonnée en focalisant l’énergie dans un cône étroit. Diagramme de rayonnement Réseau d’antennes Diagramme de rayonnement Traitement numérique – Beamforming Antenne omni.