1. Caractéristiques d’antennes Antennes et Rayonnement

Définition: L'antenne permet d'établir une liaison radio depuis un émetteur vers un récepteur. En émission, elle permet de transformer le signal électrique en une onde électromagnétique. En réception, c'est l'inverse. Plusieurs paramètres définissent une antenne : Ses caractéristiques mécaniques (dimensions, poids, charge au vent...) Sa polarisation (verticale, horizontale...) Sa ou ses fréquences de fonctionnement (MHz, GHz...) Sa bande passante (MHz...) Son impédance (50, 75, 300 Ohms...) Sa directivité (ou son diagramme de rayonnement) Son gain (en dBi ou un dBd) Sa puissance maximale d'utilisation (en W, dBm...)

1. Caratéristique des antennes: 1.1 FREQUENCES D'UTILISATION D'UNE ANTENNE : En général, une antenne fonctionne sur une gamme de fréquences assez réduite et se comporte comme un filtre accordé, atténuant plus ou moins les autres fréquences non désirables. On dit que l'antenne est accordée. En théorie, à gain égal, plus la fréquence sera élevée, plus l'antenne sera petite. Ceci est en rapport avec la longueur d'onde. La largeur de bande ou la bande passante d'une antenne correspond à la gamme de fréquences utilisable.

1.2 IMPEDANCE D'UNE ANTENNE : Chaque antenne possède sa propre impédance en fonction de sa forme, de sa position, de son nombre d'éléments... Cette impédance doit être exactement la même que celle de l'émetteur ou du récepteur et de la ligne de transmission Exemple: La prise BNC 50 Ohms d'un récepteur doit être connectée à une antenne de 50 Ohms d'impédance par l'intermédiaire d'un câble coaxial de 50 Ohms. Le système est alors adapté :

1.3 LA POLARISATION D'UNE ANTENNE : Le champ électrique E d'une antenne peut être principalement polarisé linéairement, Verticalement ou Horizontalement : Pour réaliser une bonne liaison radio, l'antenne du récepteur doit avoir la même polarisation que celle de l'émetteur. Exemple de polarisation verticale. Exemple de polarisation horizontale. Exemple de polarisation à 45°.

1.4 LA DIRECTIVITE D'UNE ANTENNE : 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. Une antenne directive permet d'éliminer ou d'atténuer les émissions, les parasites qui viennent d'autres directions que celle souhaitée

1.5 LE GAIN D'UNE ANTENNE : le gain G correspond au gain dans la direction de rayonnement maximal ( θ 0, φ 0 ).Cette propriété caractérise la capacité d’une antenne à focaliser la puissance rayonnée dans une direction.

2- Champ créé par une antenne directive 2.1 Le cas d’une antenne isotrope: la surface S de la sphère de rayon d s’écrit : la puissance émise Pose répartissant sur cette sphère, une surface S reçoit une densité de puissance P : on montre que la densité de puissance en un point est reliée aumodule du champ électrique E par : on en déduit donc le champ E au niveau du récepteur :

2.2 Cas d’une antenne directive Lorsqu’on établit une liaison radio entre deux points éloignés d’une distance d, on peut évaluer l’intensité du champ électrique Eau niveau de l’antenne de réception :  avec une antenne d’émission isotrope, une surface S au niveau du récepteur reçoit une densité de puissance : comme l’antenne d’émission a un gain G1 dans la direction utile, la densité de puissance devient : le champ électrique E au niveau du récepteur devient donc :

3- Bilan de puissance de la liaison La puissance Pr du signal capté par l’antenne et envoyée à l’entrée du récepteur se calcule grâce à la formule de Friis: la densité de puissance au niveau de l’antenne de réception s’écrit : l’antenne de réception caractérisée par sa surface effective A2 reçoit une puissance : avec la puissance reçue Pr vaut donc : si on exprime la puissance en dBm et les gains en dB, la formule de Friis devient, après simplification :

Exemple: Le satellite géostationnaire Météosat situé à d = km d’altitude au-dessus du golfe de Guinné émet vers l’Europe des images de la couverture nuageuse :

4- calcul de portée d’une antenne Le calcul de la portée d’une liaison radio est simple si on se place dans une situation idéale, sans obstacles ni parasites : la puissance reçue Pr donnée par la formule de Friis correspond à une tension reçue Vr sur la résistance d’entrée R du récepteur :

la distance limite théorique ou portée d=D est atteinte lorsque la tension reçue est égale à la sensibilité :

Exercice: Soit la liaison suivante : Une liaison sur une distance de 1Km est elle possible ?

Solution: le niveau à l’entrée du récepteur vaut Ce niveau est supérieur à la sensibilité du récepteur, la puissance d’émission est donc suffisante et la liaison possible

Exemples d’antennes: 1-L’antenne dipôle demi-onde: C’est une antenne constitué de deux brins de rayons très petits par rapport à la longueur L du dipôle et la longueur d’onde λ, et qui sont alimenté en leur milieu. Théoriquement la longueur L du dipôle est donné par l= m *λ /2 où m est un entier Dans la pratique, Le dipôle a une longueur totale d’une demi-longueur d’onde Une antenne dipôle est caractérisé par un gain maximal G= 1.64 (soit 2.15 dBi)

Diagramme de rayonnement de l’antenne dipôle demi-onde La directivité max est obtenue pour un gain de 1,64 soit 2,15 dBi

2- L’antenne quart-d’onde L’antenne qui ne comporte qu’un seul brin rayonnant associé à un plan de masse est l’antenne quart- d’onde Le plan de masse joue un rôle essentiel dans le fonctionnement de l’antenne quart-d’onde qui n’est en réalité qu’une demi-antenne: c’est une antenne facile à réaliser, omnidirectionnelle dans le plan horizontal

Diagramme de rayonnement de l’antenne quart d’onde : rayonnement dans un plan vertical

3- L’antenne ground-plane Le plan de masse de l’antenne quart-d’onde peut être astucieusement remplacé par 3 ou 4 brins pour former une antenne ground-plane c’est une antenne facile à réaliser, omnidirectionnelle dans le plan horizontal