Chapitre Antenne

7/27/2019 Chapitre Antenne

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Chapitre :

GENERALITES SUR LES

ANTENNES

Université CADI AYYAD Faculté des Sciences Semlalia

UCAM FSSM




UCAM FSSM

I – INTRODUCTION




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Dans les systèmes utilisant les ondes électromagnétiques

comme support, les antennes jouent un rôle fondamental.

Elle assurent la conversion d’une propagation guidée vers

une propagation en espace libre et vice-versa.

Introduction




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Structure de transition entre l’espace libre et un

dispositif de « guidage »ligne coaxiale, guide

d’onde …

C’est un moyen pour rayonner ou

recevoir des ondes radio (IEEE

Standard Definitions of Terms)

Qu’est-ce

qu’une antenne ?

Introduction




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• une antenne est un dispositif permettant de rayonner (émetteur) ou, de

capter (récepteur) , les ondes électromagnétiques .

L'antenne est un élément fondamental dans un système radioélectrique, et sescaractéristiques (rendement, gain, diagramme de rayonnement…) influencent

directement les performances de qualité et de portée du système.

Qu’est-ce qu’une antenne ?

Introduction




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Une antenne d’émission est un élément conducteur qui transforme une énergie électrique en

énergie de rayonnement électromagnétique.

Une antenne de réception traduit un rayonnement électromagnétique en courant électrique

induit.

Récipr ocitédes antennes

: La même antenne peut servir à recevoir ou à émettre si elle est

alimentée en courant

Définition

Introduction




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Quelques Exemples

Il existe une multitude de types d’antennes, de tailles et deformes très diverses, avec des modes de fonctionnement plus

ou moins complexes.

Nous allons présenter quelques dispositifs ainsi que leurs

domaines d’applications.

Introduction




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Dans la maison

Analogique 800 MHz

DECT ~1900 MHz

TV terrestre

500 MHz

Systèmes satellites 1 à 45 GHz (Ex :

Télévision 12 GHz, GPS 1.5 GHz)

Introduction




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Dans les applications quotidiennes

Radar anticollision ~80 GHz

Télépéage ~6 GHz

Ouverture à distance 433 MHz

GSM 900 MHz

DCS 1800 MHz

…….

Wifi / Bluetooth / UWB

2.4 à 6 GHz

Introduction

http://www.nokia.com/nokia/0,4879,33210,00.html




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II – Notions fondamentales




UCAM FSSMNotions fondamentales

Une onde électromagnétique (EM) correspond à la représentation d’unrayonnement électromagnétique.

La propagation d’une onde électromagnétique en champ lointain se fait dansun mode appelé Transverse Electromagnétique (TEM), où les champs E etH sont perpendiculaires entre eux et à la direction de propagation.

3

Longueur d’onde λ

H

Plan E

Plan H

Direction de

propagation




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Zone de Rayleigh : Zone de champ proche,la densité de puissance est quasi-constante

Zone de Fresnel : La densité de puissance est fluctuante

Zone de F raunhoffer : Zone de champ lointain,

les champs sont rayonnés sous la forme d'onde plane

la densité de puissance décroît en 1/r

Les zones de rayonnement

Notions fondamentales




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Antenne isotrope

L’antenne qui rayonne la puissance Po de l’émetteur uniformément dans toutes les directions

s’appelle antenne isotrope .

On ne sait pas réaliser une telle antenne en pratique, mais elle est commode pour les calculs et

pour servir de référence aux antennes réelles.

Notions fondamentales




UCAM FSSM

III – Caractéristiques des

antennes




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UCAM FSSM

Représentation schématique

de l’antenne

Paramètre schématiques de l’antenne

Caractéristiques des antennes




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Grandeurs fondamentales des antennes


• Diagramme derayonnement

• Directivité• Gain

• Polarisation

Caractéristiquesde

rayonnement:

• Impédance d’entrée • Paramètres S

• Bande d’utilisation

• Rendement

CaractéristiquesElectrique:




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dW

Antenne isotrope : Antenne de référence

L’antenne qui rayonne la puissance de

l’émetteur uniformément dans toutes

les directions s’appelle antenne

isotrope .

o x

zP

r

q

j

La puissance rayonnée par unité

d’angle solide (le stéradian) dans une

direction quelconque Δ est dèfinit par

deux angle θ et .

Δ





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Puissance rayonnée par une antenne :

X

Y

Z

O

φ

θ R

angle solide

Ω

Puissance

d’alimentation PA

• Puissance rayonnée dans une direction (θ,φ) :

• Puissance rayonnée par une unité de surface dans

une direction (θ,φ) et à une distance R :

W

A P

P j q ,

2

,, R

P R p A

Wj q





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Cas d’une antenne isotrope ou omnidirectionnelle : l’antenne rayonne de manièreconstante dans toutes les directions de l’espace (antennes sans pertes) :

Puissance rayonnée à unedistance R de l’antenne

Relation puissance rayonnée et champ électrique :

ainlochampet libreespace R

P E

R P E H E p

A

A

int2

421.

21

2

2

2


Puissance rayonnée à une

distance quelconque




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Rappel sur les repères cartésien et sphériques

x

y

z

φ

θ Plan vertical

Plan horizontal

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




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Les antennes sont rarement omnidirectionnelles et émettent ou reçoivent dans

des directions privilégiées.

Le diagramme de rayonnement représente les variations de la puissancerayonnée 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 rayonnéedans une direction

quelconque

Puissance

rayonnée max.

Fonction caractéristique de rayonnement




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Le diagramme de rayonnement :

Il décrit la force relative du champ rayonné dans diverses directions de l'antenne, à une distance

constante.

Le modèle de rayonnement est aussi un modèle de réception puisqu'il décrit également les

propriétés de réception de l'antenne.

Caractéristiques de rayonnement

Les mesures de modèle sont présentées dans un format rectangulaire ou polaire .





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Lobe principal et lobes secondaires

Diagramme de rayonnement d’une antenne dans le plan

vertical :




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Il caractérise la largeur du lobe principal.

L'angle d'ouverture d'une antenne est l'angle de direction pour

lequel la puissance rayonnée est la moitié de la puissance rayonnée

dans la direction la plus favorable (-3dB).

Angle d’ouverture (beamwidth)

r(θ,φ)

θ0

1

Lobe

principalLobes

secondaires0.5

2θ3

zéro




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Exemples de diagrammes de rayonnement d'antennes




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La directivité D(θ,φ) d’une antenne dans une direction (θ,φ) est le rapportentre la puissance rayonnée dans une direction donnée P(θ,φ) et la puissance

que rayonnerait une antenne isotrope.



La di rectivité(1):

R R P

P P

P D j q

j q j q ,4

4

,,




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La directivité est caractérisée par l’angle d’ouverture à – 3dB. Faible ouverture Antenne fortement directive.

Large ouverture Antenne faiblement directive.



La di rectivité(2):




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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 antenneisotrope sans pertes.



Le Gain (1) :

En général, le gain G correspond au gain dans la direction de

rayonnement maximal (θ0,φ0).

A P

P G 00 ,4

j q




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Lorsqu’on parle de gain d’une antenne, on désigne le gain

maximum exprimé en dB :

Une antenne isotrope n'a pas de gain, donc = 0 dB.

Une antenne dipôle possède un gain de 2,15 dB par rapport à

l'antenne isotrope. On dit aussi qu'elle a un gain de 2,15 dBi.

Ce gain G est mesuré par rapport à l’antenne isotrope et est

exprimé en dBi

Plus le gain est fort, plus la puissance est rayonnée dans un lobe

étroit

l’angle d’ouverture diminue. Remarque:



Le Gain (2):




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Le 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.




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I l lustration de la conservation de l'énergie dans une antenne:






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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.

A P G PIRE




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3 modes de polarisation:

Polarisation rectiligne

• verticale, horizontale (plan H ou E)

Polarisation circulaire

• droite ou gauche

Polarisation elliptique

• droite ou gauche


Caractéristiques de rayonnementLa polari sation:




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Impédance d’entrée:

Caractéristiques électr iques

Les caractéristiques des antennes

Z in= Rin( f ) + jX in( f )

L’impédance est une grandeur variant en fonction de la

fr équence, ainsi l’antenne fonctionnera efficacement sur une

bande limitée.

On note Zin cette impédance dépendant de la fréquence:




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Bande d’utilisation:

F n : La fréquence centrale d’utilisation

F max et F min : Les fréquences limites supérieures et inférieures

Caractéristiques électr iques

Les caractéristiques des antennes

Le coefficient S11

traduit la proportion

d’onde réduite réfléchie par l’antenne à

son accès comparativement à l’onde

incidente. Ainsi, plus l’amplitude de S11

est faible, plus l’antenne reçoit d’énergie

susceptible d’être rayonnée.




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III – Les Principaux Types

D’antennes.




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Par définition, la catégorie des antennes filaires regroupe l’ensemble des antennes

formées d’une structure de câble conducteur de diamètre faible où l’on considérera

des densités linéiques de courant.

Antennes fi lair es

Les Principaux Types D’antennes




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Le dipôle est une antenne filaire composé de deux brins conducteurs écartés en

directions opposés. L’alimentation est le plus souvent présentée au centre de la structure

ce qui donne un système symétrique.

Antennes fi lair esAntenne dipolair e:





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Antennes filaires

Le monopôle est obtenu en insérant en son centre et

perpendiculairement à son axe une plaque conductrice, idéalement

infinie.

Antenne monopôle:





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Les antennes YAGI sont très souvent utilisées comme antennes de réception TV. Elles sont

constituées d’une association de brins métalliques répartis de façon à obtenir un gain

maximum dans la direction perpendiculaire à l’axe d’alignement des brins.

Antennes filairesAntenne YAGI :





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Antennes à fentes

L’antenne à fentes se caractérise par sa distribution verticale ou horizontale en forme de cornière,

ou de guide d'ondes, avec des fentes à dimensions et emplacement particuliers qui sont fonctions

de la fréquence





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Les antennes paraboliques se caractérisent par une directivité très haute. On les utilise en général pourdes fréquences plus hautes que 1 GHz.

L’onde se réfléchit sur la parabole et se concentre au foyer.

L’embouchure du guide d’onde est placée au voisinage du foyer.

Le diamètre du réflecteur parabolique est D.

le gain de l’antenne augmente avec son diamètre :

Antenne àréflecteur parabol ique





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Le cornet est une source élémentaire très utilisée. C’est la

terminaison naturelle d’un guide d’onde et le moyen de

transmission idéal en hyperfréquence

Très directive

Gain élevé

Antenne à cornet





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Le concept d’antennes Patchs fait son apparition dans les années 50, mais

c’est au cours des années 70 qu’elles ont été développées. Elles seront

réservées à des applications militaires, aéronautiques et aérospatiales, par

exemple.Aujourd’hui, avec l’explosion des télécommunications, les antennes Patchs

sont implantées dans de nombreux dispositifs électroniques par exemple :

les téléphones portables, les ailes des avions,…etc.

Les antennes Patchs





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Une antenne Patch dans sa structure de base est composée :

D’un élément rayonnant de forme géométrique variable (circulaire, triangulaire,rectangulaire,….etc.).Cet élément rayonnant est aussi appelé patch conducteur .

Dans la pratique, les formes de l’élément rayonnant souvent utilisées sont lerectangle et le disque.

D’un substrat diélectrique .

D’un plan de masse.

Les antennes Patchs

Géométrie




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Les antennes Patchs

PrincipeUne antenne patch peut être considérer comme une cavité r ésonante, cette dernière

agit comme une capacité qui stocke un ensemble de charges et dans laquelle un champ

électrique uniforme se cr ée entre le patch et le plan de masse. Tant que l’é paisseur du

substrat est faible, le champ électrique est orienté selon l’axe z et indé pendant de z.




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Les antennes Patchs

les différentes formes d’une antenne Patch



Al imentation directe par une ligne microruban :

Dans ce type d'alimentation, une bande de conduite est reliée directement au bord du

patch de microruban. La bande de conduite est plus petite dans la largeur par rapport

au patch.

L’avantage de ce type d'alimentation est qu’elle peut être gravée sur la même face de

l’antenne, elle est facile à fabriquer, et simple à adapter à la résonance.

Les antennes Patchs

Al imentation des antennes Patchs

49


UCAM FSSM



Al imentation coaxiale:

L'alimentation coaxiale ou l'alimentation de sonde est une technique très utilisée pour

alimenter les antennes microrubans . Dans ce cas le conducteur intérieur du connecteur

coaxial traverse le diélectrique et est soudé au patch, alors que le conducteur externe est

relié au plan de masse.

Les antennes Patchs

Alimentation des antennes Patchs

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UCAM FSSM

U i i é CADI AYYAD F l é d S i S l li



Alimentation couplée par ouvertu re:

Dans ce type d'alimentation, le patch de rayonnement et la ligne d'alimentation du microruban sont

séparés en plan de masse. La conjonction entre les deux est faite par une ouverture ou une fente dans le

plan de masse.

Les antennes Patchs

Alimentation des antennes Patchs

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UCAM FSSM




UCAM FSSM

Les antennes Patchs

Les paramètres géométriques

Largeur du patch W :

Pour permettre un bon rendement de l’antenne,

une largeur W pratique est :

Longueur du patch L :

La longueur du patch détermine

les fréquences de résonance de l’antenne.

U i ité CADI AYYAD F lté d S i S l li



Méthode de la ligne de transmission:

Le modèle de la ligne de transmission représente l'antenne microruban par deux ouvertures

rayonnantes séparées par une ligne de longueur L et de faible impédance. Les dimensions

finies du patch font que le champ à ses extrémités se déforme par effet de bords.La quantité d'énergie rayonnée est fonction des dimensions du patch et de l'épaisseur du

substrat qui le sépare du plan de masse.

Les antennes Patchs

Les méthodes d’analyse

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UCAM FSSM



Méthode de la cavi té:

Dans le modèle de la cavité, on identifie l’antenne imprimée à une cavité résonnante

dans laquelle on est capable de mettre en évidence les modes qui peuvents’installer .

Chaque mode conduit à une distribution de courant sur le patch, et le diagramme derayonnement peut être calculé en faisant rayonner ces courants.

Les antennes Patchs

Les méthodes d’analyse

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UCAM FSSM



Le Système MIMO

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Le besoin de transmettre de l’information dans des environnements complexes

tout en augmentant le débit a donné lieu à une solution originale qui fait appel

non seulement à plusieurs antennes en réception mais aussi en émission. Cette

technique connue sous l’appellation MIMO

«Multiple I nput Multiple

Output » permet en utilisant la même bande spectrale de transmettre plus de

débit ou d’améliorer la qualité de liaison.



Type des antennes multiples

SISO

Single-input-single-output

SIMO

Single-input-multiple-output

MISO

Multiple-input-single-output

MIMO

Multiple-input-multiple-output.

Le Système MIMO

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http://en.wikipedia.org/wiki/File:Prinzip_MIMO.svg




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I – CONCLUSION




UCAM FSSM

Dans les applications du futur(antennes sur vêtement)

Conclusion

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