Ph. GOZLAN IUP GMI/RT Avignon

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

Ph. GOZLAN IUP GMI/RT Avignon

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

Ph. GOZLAN IUP GMI/RT Avignon

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

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

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. Il existe des dizaines de types d’antennes,différenciées par leur fonctionnement,leur géométrie, leur technologie,… Une antenne rayonne de façon: Directive, Omnidirectionnelle, Isotrope. Bien que dipôle passif on admet qu’elle possède un gain…(voir diagrammes de rayonnement).

Ph. GOZLAN IUP GMI/RT Avignon

Première approche simple pour rayonner de l’énergie 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

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 l’énergie électromagnétique

Ph. GOZLAN IUP GMI/RT Avignon Une onde électromagnétique (OEM) est constituée: d’un champ magnétique d’un 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

Ph. GOZLAN IUP GMI/RT Avignon On définit la longueur d’onde  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 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

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 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 =4  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 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 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.

Ph. GOZLAN IUP GMI/RT Avignon

Caractéristiques technique d’une antenne pour point d’accès WiFi Diagrammes de rayonnement RO S Gain Angles d’ouverture

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 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. 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.

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(E  ).

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

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  donné. Remarque: Ce plan est noté H plane car c’est 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

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 verticalDiagramme dans le plan Horizontal

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

Ph. GOZLAN IUP GMI/RT Avignon Surface de la sphère de rayonnement A une distance r la densité de puissance d’une 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 l’antenne [W] P E : Puissance Emise [W] P R : Puissance Reçue [W]

Ph. GOZLAN IUP GMI/RT Avignon Directivité des antennes(1) 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 Directivité des antennes(2) 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). Mesure de la directivité d’une antenne Exemple d’ antenne symétrique: Lobe principal Plus l’ange d’ouverture est faible plus l’antenne est directive. Notation anglosaxone: HPBWA. Half Power Beam Width Azimut. Axe du Lobe principal Lobe secondaire Angle d’ouverture

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

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 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/r 2.

Ph. GOZLAN IUP GMI/RT Avignon 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. Gain d’une antenne(1). ON AMÉLIORE LE GAIN D’UNE ANTENNE EN CONCENTRANT L’ÉNERGIE RAYONNÉE DANS UN LOBE PRINCIPAL. Analogie 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.

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 P F :

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 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 Z C, 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 Rapport d’Ondes Stationnaires ROS(3) La composante résistive de l’antenne R est en fait la somme d’une résistance de pertes R P et d’une résistance de rayonnement R R. 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 Rapport d’Ondes Stationnaires ROS(4) Le graphique ci-dessous donne l’évolution de l’impédance en fonction de la longueur de l’antenne Au voisinage de L=(2n+1) /2 X #0 Au voisinage de L=2n /2 X #0

Ph. GOZLAN IUP GMI/RT Avignon Rapport d’Ondes Stationnaires ROS(4) 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 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] [%]

Ph. GOZLAN IUP GMI/RT Avignon

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 l’orientation 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.

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 l’antenne 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

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 l’influence du sol et les pertes atmosphériques. Coté émetteur P F : Puissance fournie en W PdBW F : Puissance fournie en dBW G E : Gain de l’antenne d’émission GdB E : Gain de l’antenne d’émission en dB Coté récepteur P R : Puissance reçue en W PdBW F : Puissance reçue en dBW G R : Gain de l’antenne de réception GdB R : Gain de l’antenne de réception en dB r: Distance entre les deux antennes en m

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 L’affaiblissement de la liaison, exprimée en dB est:

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 l’antenne. Or P E = P F.G E donc: En somme Soit enfin (Formule de FRIIS)

Ph. GOZLAN IUP GMI/RT Avignon Affaiblissement en espace libre(4). Expression qui s’écrit encore: Le terme s’appelle « affaiblissement isotrope » A iso Conclusion : Si l’on connaît la puissance d’émission et l’affaiblissement on déduit assez facilement la puissance de réception. On le trouve parfois sous le terme de perte en espace libre noté L S

Ph. GOZLAN IUP GMI/RT Avignon

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 d’onde Dipôles verticaux d’émetteur FM

Ph. GOZLAN IUP GMI/RT Avignon Dipôle /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 /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(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. L’impédance de la structure dépend de w! Largeur w Longueur l

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. Diagramme de directivité patch 6x6 Trajets identiques AB=AC=AD= patch 2x4

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)

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)

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

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

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 »