Les Antennes – séance 1 Master Electronique & RT. Faculté des Sciences, El Jadida Par Mohssin Aoutoul

Plan du cours Introduction Mécanisme du rayonnement Caractéristiques fondamentales d’antennes Différents types d’antennes Les antennes filaires et patchs Méthodes de conception et simulation Réalisation et mesures de caractéristiques Groupement d’antennes Les antennes intelligentes

Introduction Introduction: communications rapides Antennes: services et applications Historique Développement des antennes et leurs application Communication filaires vs. Sans fil Les antennes, définitions Electromagnétisme du rayonnement Exercices

Introduction Traditionnellement, les gens étaient intéressés par le transport rapide de l'information qui les a amenés à inventer des moyens pratiques pour surmonter ce défi. Alors ils ont utilisé les gestes de la main, la fumée, des lettres, des messages portés par des colombes,..etc. Ils ont dû attendre le 19ème où l'art de l'électromagnétisme et les efforts des théoriciens célèbres tels que Laplace, Poisson, Lorentz a été couronné par le travail de J. Maxwell sur la propagation des champs électromagnétiques qui ont mené à l'achèvement des premiers instruments de communication sans fil de Hertz et Marconi, au début du 20 siècle.

Introduction (suite) Durant les trente dernières années, l'alliance entre l'électronique et l’informatique a grandement favorisé le développement des réseaux filaires et sans fil grâce à la miniaturisation des composants électroniques à base de semi-conducteurs, après la Seconde Guerre mondiale. Ce dernier a été la base pour le développement des communications sans fil significativement, que ce soit pour usage personnel ou pour les réseaux locaux, allant de la téléphonie cellulaire à des réseaux sans fil à domicile considérés comme des extensions du réseau filaire.

Services et applications Services  téléphonie sans fil  téléphonie cellulaire  transport de données par le mobile (3G et 4G PCS)  communication des réseaux informatiques: WLAN, WPAN, Bluetooth et les réseaux domestiques sans fil à haut débit.  communications personnels via satellite  systèmes de positionnement global et de navigation Applications  systèmes de radar (navigation, collision, orientation, défense, missiles, etc)  faisceaux microonde hertziens (relais)  systèmes satellitaires (télévision, téléphonie, militaire)  Radioastronomie  génie biomédical  identification RF (RFID) RF Identifier tags, Successeur du code-barres) : Billetterie, agriculture, pointage, micro-paiement…  suivi des animaux (migration) ….

Historique 1887 : l’allemand H. Hertz observe les ondes électromagnétiques, prédites par l’anglais J. C Maxwell 1890 : le français E. Branly réussi à capter ces ondes 1895 : l’Italien G. Marconi réalise la 1ère transmission radio en morse. (marconigrammes) 1902 : 1ère station militaire pour le télégraphe 1912 : le SOS du Titanic est capté par le navire Carpathia et sauve 800 personnes 1920 :1ère liaison radiotélégraphique France-Amérique ouverte au public :1ère liaison radiophonique Londres-New-York.

Historique des applications Développement des applications: : Développement des applications: ◦ augmentation de la bande de fréquence et mise en place de réseaux radio FM:  Liaisons Téléphoniques intercontinental depuis Paris (1935)  1ères liaison radio à Paris (Taxis, médecins) (1955)  Transistor (1957) : Systèmes mobile : Systèmes mobile ◦ Principe du cellulaire par Bell Labs ( ) ◦ Développement du cellulaire analogique(60-70)

Communications sans fil vs. filaire Deux types de communications: ◦ Systèmes filaires ◦ Systèmes sans fil: Ondes EM Tx/Rx Choix d’un système ◦ Système de communication filaire:  Régions à population dense: les communications filaires sont économiquement préférées (bandes étroites, voie), plus de sécurité et pas de bruit.  Les pertes d’un câble à paire torsadées à 10 KHz est environ 2-3 dB/Km, Mais à 10 MHz les pertes sont d’environ 7dB/100m  Pour les porteuses de signal à hautes fréquences (TV, transmission de données à haut débit): Coaxial (à 1GHz pertes d’environ 2dB/100m)  Moins de distorsions et de pertes est assuré par les fibres optiques (850 nm ~ 0,25dB/Km)  Inconvénient majeur: Augmentation exponentielle des pertes (i.e. 5dB/Km, 100dB à 20Km: Pout = Pin x )

Choix d’un système (suite) ◦ Système de communication sans fil:  Communications à long distances et/ou pour les régions à population moins dense : les communications sans filaires sont préférées (puissance rayonnée, par unité de surface, se réduit d’un facteur 1/r 2 ). A 2r, la puissance se réduit d’un facteur de 4 (~6dB =10Log(4))  Comparaison: si un système a des pertes de 100dB à r = 100Km, donc à 2r = 200Km il aura 100dB + 6dB = 106dB. Par contre pour un système filaire 200dB.  La figure suivante présente une comparaison entre les pertes d’un câble coaxial et les atténuations RF en espace libre à une fréquence de100 MHz: Communications sans fil vs. Filaire (suite)

Pertes du coaxial vs. atténuation RF à f = 100 MHz

Les antennes Liaison hertzienne entre deux points par moyenne de deux antennes

Les antennes Définitions: ◦ Une antenne est toujours associée à la phase de transition entre l’onde guidée et celle dans l’espace libre. En transmission elle accepte l’énergie de la ligne de transmission et la rayonne et en réception l’antenne capte l’énergie EM de l’onde incidente et l’injecte dans la ligne de transmission (courant et tension) ◦ Une antenne est vue comme un véritable transformateur d’impédance entre celle de la ligne de transmission (Zc) et celle de l’air (376  )

Antenne jouant le rôle de transformateur d’impédance

Electromagnétisme du Rayonnement (1.1) (1.2) (1.3) (1.4) Les Equations de Maxwell (1873)

Equations de Maxwell-Faraday Loi de Faraday: La variation temporelle d’un champs magnétique donnera naissance à un champs électrique. Cette loi est à la base d’interprétation des phénomènes d’induction. L’intégration de cette équation sur une surface S s’appuyant sur une courbe C donne l’équation suivante:

Equation de Maxwell, suite Conservation de la charge: L’interprétation de cette équation intégrale implique que le flux sortant du vecteur densité de courant est égal à la diminution de la charge totale contenue dans le volume V par unité de temps.

Equation de Maxwell, suite Conservation du flux d’induction magnétique: Par intégration sur un volume V fermé par uns surface S s’appuyant sur des lignes de champs formant un tube de champs nous arrivons à: Interprétation: Conservation du flux magnétique permet d’affirmer que, dans les zones où les lignes de champs se resserrent, l’induction magnétique est plus forte.

Equation de Maxwell-Gauss Equation de Gauss Par application du théorème d’Ostrogradski on obtient: Interprétation: Le flux du champs électrique à travers une surface fermée est égale au quotient de la des charges intérieures par la permittivité du vide. Cette loi permet dans bcp de situations de calculer le champ électrique.

Equation de Maxwell-Ampère L’équation d’ampère Si on intègre l’équation 1.3 sur une surface S s’appuyant sur un contour fermé C on obtiendra: En appliquant le théorème de Stokes: Dans le cas statique on retrouve le théorème d’Ampère

Equations de Maxwell, suite Conditions de passage Composantes tangentielles du champ magnétique Composantes normales de l’induction magnétique

Conditions de passages, suite Composantes tangentielles du champ électrique Composantes normales du déplacement électrique Etant donné les propriétés physiques de deux milieux adjacents, les conditions de passage permettent de calculer les composantes tangentielles et normales du champ électromagnétique dans un deuxième milieu à partir de celles du premier milieu. Résumé

Condition de passage: Résumé Les quatre équations de passage entre deux milieux, 1 et 2, de même propriétés physiques mais séparés par une surface chargée ou parcourue par des courants de surfaces, peuvent être remplacées par les deux équations vectorielles suivantes:

Equations de Maxwell: Bilan Loi de FaradayLoi d’Ampère Loi de conservation de charge Loi de Gauss Loi de conservation de flux d’induction magnétique Les conditions de passage