Introduction Antennes TSM I

Cours d’Antennes

Introduction générale aux gantennes

Jean-Yves DauvignacJean-Yves Dauvignac

Un peu d’histoire

En 1873 James Clerck MAXWELL définit mathématiquement etEn 1873, James Clerck MAXWELL définit mathématiquement etphysiquement une onde électromagnétique* (« A Treatise onElectricity and Magnetism », 1873). Il montre que la lumière estune onde EM et que toutes les ondes EM se propagent à laune onde EM et que toutes les ondes EM se propagent à lamême vitesse dans un même milieu.

E 1886 H i h R d l h HERTZ t i t l iEn 1886, Henrich Rudolph HERTZ met au point le premiersystème de transmission sans fils à l’aide d’une antenne dipôleet d’une boucle.

En 1901 Guglielmo MARCONI réalise la première liaison radiotransatlantique entre l’Angleterre et le Canada (puissanceq g (pémise : 25 kW ; fréquence 312 KHz ; antennes de 50 m de longenviron). C’est le début de la TSF (transmission sans fil).

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* EM : abréviation d’ElectroMagnétique

1. Qu’est ce qu’une antenne ?

1.1 Comment définir une antenne

1.2 L’antenne idéale

1 3 Caractéristiques radioélectriques d’une1.3 Caractéristiques radioélectriques d une antenne

1 4 L él t i d’ t1.4 Longueur électrique d’une antenne


Une antenne est l’élément terminal d’un système detélécommunication qui sert à émettre ou à recevoir des ondesélectromagnétiques (EM)électromagnétiques (EM).

Une antenne est un dispositif qui permet à une ondeUne antenne est un dispositif qui permet à une ondeélectromagnétique de passer d’un générateur (ou d’une source)via une ligne d’alimentation (câble coaxial, guide d’onde, lignemicroruban ) dans un milieu (espace libre ) pour y êtremicroruban, …) dans un milieu (espace libre, …) pour y êtrerayonnée afin de se propager.

Théorème de réciprocité : une antenne se comporte de lamême façon en émission et en réception.

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En plus d’émettre ou de recevoir des ondesEn plus d’émettre ou de recevoir des ondesélectromagnétiques, une antenne à la propriété de favorisercette émission ou cette réception dans certaines directions del’ ’ l’ ll l di i i é d’l’espace. C’est ce que l’on appelle la directivité d’une antenne.

Une antenne peut être constituée de différents matériaux :Une antenne peut être constituée de différents matériaux :

résines (duroïd, époxy, alumine, téflon, réxolite, …),

céramiques,

métaux* ou équivalents (cuivre, aluminium, alliages, …).

* les métaux parfaitement conducteurs ont la propriété d’être des réflecteursparfaits pour les ondes EM

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parfaits pour les ondes EM.

1.2 L’antenne idéale

On peut définir l’antenne idéale comme :On peut définir l antenne idéale comme :

étant capable de transmettre dans l’espace toute lapuissance fournie par un émetteur,

étant capable de transmettre cette puissance dansune ou plusieurs directions privilégiées de l’espace et

i d l t di tiaucune puissance dans les autres directions.

étant capable de fonctionner quelque soit la fréquence,

Bien entendu, l’antenne idéale n’existe pas !!! Par contre, il

étant capable de …

Bien entendu, l antenne idéale n existe pas !!! Par contre, ilexiste différentes familles d’antennes possédant descaractéristiques radioélectriques spécifiques aux applicationsdans lesquelles elles sont utilisées

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dans lesquelles elles sont utilisées.

1.3 Caractéristiques radioélectriques d’une antenne

La connaissance et l’analyse des caractéristiquesLa connaissance et l analyse des caractéristiquesradioélectriques* d’une antenne sont indispensables lorsquel’on doit concevoir et fabriquer une antenne ou mettre enplace une liaison radio point à point ou multipoints Il s’agit :place une liaison radio point à point ou multipoints. Il s’agit :

du gain et de la directivité de l’antenne,

d l l i ti d l’ d EM é l’ tde la polarisation de l’onde EM rayonnée par l’antenne,

du coefficient de réflexion et de l’impédance d’entréede l’antennede l antenne,

du rendement de l’antenne,

de la température de bruit de l’antennede la température de bruit de l antenne.

* Les caractéristiques radioélectriques seront présentés en détails dans le chapitre 2.

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1.4 Longueur électrique d’une antenne

La longueur d’onde dans le vide est reliée à la fréquence par lal tirelation :

C: vitesse de la lumière (m/s) ; f : fréquence (Hz)

λ0Cf----=

On peut définir la longueur électrique Le d’une antenne commel t d l l d di i D d ti

C: vitesse de la lumière (m/s) ; f : fréquence (Hz)

le rapport de la plus grande dimension D de sa partierayonnante à la longueur d’onde.

Une antenne aura une grande* longueur électrique si L > 4 λUne antenne aura une grande* longueur électrique si Le > 4 λ0.

Une antenne aura une petite* longueur électrique si Le < λ0/4.

Dans les autres cas, on dira que la longueur électrique del’antenne est de l’ordre de grandeur de la longueur d’onde.

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* il s’agit d’une indication mais non d’une définition normalisée.

2. Les différents classes d’antennes

2.1 Les antennes filaires

2 2 Les antennes à ouvertures2.2 Les antennes à ouvertures

2.3 Les antennes réseaux

2 4 L à éfl2.4 Les antennes à réflecteurs

2.5 Les antennes à lentilles

2.6 Les antennes imprimées

2.7 Les antennes miniatures2.7 Les antennes miniatures

2.8 Les antennes actives

2 8 L t i t lli t2.8 Les antennes intelligentes

2. Les différents classes d’antennes

Les antennes sont de formes différentes en fonction desLes antennes sont de formes différentes en fonction desmatériaux utilisés pour les fabriquer et des applications pourlesquelles elles sont destinées (liaison point à point ou liaison

lti i t ) O t l l i l f ill i tmultipoints). On peut les classer parmi les familles suivantes :

les antennes filaires,

les antennes à ouvertures,

les antennes à réflecteurs, antennes à lentilles,éantennes réseaux,

les antennes à résonateurs diélectriques,

l t i i tles antennes miniatures,

les antennes actives, les antennes intelligentes.

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2.1 Les antennes filaires (Wire Antennas)

Les antennes filaires sont utilisées dans de nombreusesapplications (AM, FM, TV, téléphonie mobile, WIFI, …) pour desliaisons point à point ou multipoints.p p p

Elles font parties de notre environnement quotidien en étantinstallées sur des immeubles, sur des voitures, dans desinstallées sur des immeubles, sur des voitures, dans destéléphones portables, sur des systèmes de télécommande, …

Les formes les plus répandues sont :

le fil rectiligne (monopôle, dipôle),

l b l ( i l i é l )

Les formes les plus répandues sont :

la boucle (circulaire, carrée, losange),

l’ hélice.

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2.1 Les antennes filaires (Wire Antennas)

Dipôle pour émetteur FM (88 108 MHz puissance max(88-108 MHz - puissance max 800 W - polarisation linéaire –

liaison mutipoints)

Dipôle

BoucleBoucle

Antenne hélice pour lien longue distance point à point sur réseausans fil (norme 802.11)

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Hélice( )

2.2 Les antennes à ouverture (Apertures Antennas)

L t t à t t l é d l tiLe terme antenne à «ouverture» est employé quand la partierayonnante d’une antenne peut être assimilée à une ouvertureplanaire.

Ce type d’antennes est utilisé (principalement pour des liaisonspoints à points) dans des applications nécessitant despuissances EM élevées, dans la métrologie (comme antennesde référence ou antennes étalons), en compatibilité EM, …

le guide d’onde ouvert (rectangulaire ou circulaire),

Les antennes à ouverture les plus classiques sont :

le guide d onde ouvert (rectangulaire ou circulaire),

le cornet pyramidal (ouverture rectangulaire),

le cornet conique (ouverture circulaire).

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le cornet conique (ouverture circulaire).

2.2 Les antennes à ouverture (Apertures Antennas)

Antenne type guideouvert pour application

Guide d’onde rectangulaire

p ppWIFI (très facile àfabriquer)

g

Cornet conique

Exemples de cornets dans les bandes

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Cornet pyramidal

Exemples de cornets dans les bandes X (8-12 GHz) et K (18-26 GHz)

2.3 Les antennes réseaux (Array Antennas)

C t i li ti é it t l’ tili ti d’ t à iCertaines applications nécessitent l’utilisation d’antennes à gainélevé (> 25 dB), caractéristique qui ne peut être obtenue avecune antenne élémentaire.

Il est possible d’obtenir des antennes à gain élevé en disposantgéométriquement et de façon optimale plusieurs antennesélémentaires et en les alimentant simultanément. C’est ce quel’on appelle une antenne réseau.

d’éléments filaires (antenne Yagi-Uda),

On peut réaliser des antennes réseaux à partir :

d éléments filaires (antenne Yagi Uda),

d’éléments rayonnants à ouverture,

d’éléments rayonnants imprimés.

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d éléments rayonnants imprimés.

2.3 Les antennes réseaux (Array Antennas)

Antenne réseau à éléments imprimésà éléments imprimés

Antenne réseau à fentes

Antenne réseau à 4 dipôles pour station de base GSM

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pour station de base GSM

2.4 Les antennes à réflecteur (Reflector Antennas)

Ces antennes permettent d’émettre et de recevoir des signauxCes antennes permettent d émettre et de recevoir des signauxsur des milliers ou des millions de kilomètres. Les principalesapplications civiles sont la réception TV via satellite, la

di t i l’i t fé ét i l GPSradioastronomie, l’interférométrie, le GPS, …

Ce type antenne est constitué au moins d’un réflecteur et d’uneC t é t t d i él é ( 30 dB)

L i i d l éfl i t êt l é i l t

source. Ces antennes présentent des gains élevés (>30 dB).L’antenne la plus répandue est le réflecteur parabolique.

Le principe de la réflexion peut être analysé simplement enutilisant la théorie des rayons optiques. Il existe 2 types deréflexion :

la réflexion directe,

la réflexion indirecte

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la réflexion indirecte.

2.4 Les antennes à réflecteurs (Reflector Antennas)

Principe de la réflexion indirecte (antenne de type « cassegrain »)

Principe de la réflexion directe : (a) source centrée ; (b) source décentrée ou dite « offset »

(a) (b)

(antenne de type « cassegrain »)(b) source décentrée ou dite « offset »

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Exemple d’antenne « offset » Antenne « cassegrain » 18-40 GHz

2.5 Les antennes à lentilles (Lens Antennas)

Tout comme les antennes à réflecteurs, les antennes à lentillessont des systèmes focalisants.

En choisissant correctement la forme et le matériau, on peutréaliser des lentilles capable de convertir des ondes EMdivergentes en une onde plane

Les lentilles diélectriques sont utilisées dans des applicationsplutôt en haute fréquence (> 30 GHz) Leurs dimensions et leurs

divergentes en une onde plane.

plutôt en haute fréquence (> 30 GHz). Leurs dimensions et leurspoids deviennent excessifs aux fréquences inférieures.

Les lentilles sont classées en fonction de leurs formes (convexeLes lentilles sont classées en fonction de leurs formes (convexe,concave, plane) et des matériaux utilisés pour les construire(n>1 ou n<1 ; n : indice de réfraction du matériau).

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2.5 Les antennes à lentilles (Lens Antennas)

(c)(a) (b)

Lentilles avec indice de réfraction n>1 : (a) convexe-concave ; (b) convexe-convexe ;

(c)(a) (b)

convexe concave ; (b) convexe convexe ; (c) convexe-plane Lentille diélectrique à 77 GHz

(c)(a) (b)

Lentilles avec indice de réfraction n<1 : (a)

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Lentille asymétrique à 28 GHzLentilles avec indice de réfraction n<1 : (a)

concave-concave ; (b) concave-plane ; (c) concave-convexe

2.6 Les antennes imprimées (Printed Antennas)

L t i i é tili t l t h l i d i itLes antennes imprimées utilisent la technologie des circuitsimprimés en électronique (dépôt de métallisation sur unsubstrat diélectrique).

L’antenne la plus élémentaire est l’antenne «patch». Celaconsiste en la gravure d’un élément rayonnant sur une face d’unsubstrat diélectrique. L’autre face du substrat est tapissé par unplan métallique (plan de masse).

Les formes des éléments rayonnants sont très variées (carré,rectangle, disque, triangle, anneau circulaire, anneau elliptique,ellipse pentagone disque avec encoche )ellipse, pentagone, disque avec encoche, …).

Possibilité de conformer les antennes sur des surface non planes(antennes conformées)

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(antennes conformées).

2.6 Les antennes imprimées (Printed Antennas)

Élément rayonnant

Substratdiélectrique

Plan de masse

Antennes imprimées pour radar à pénétration de sol (150-3000 MHz)

Principe d’une antenne imprimée

pénétration de sol (150-3000 MHz)

Antenne GPS pour montre(EPFL/LEMA)

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Antenne imprimée Yagi à 10 GHz (EPFL/LEMA)

2.7 Les antennes miniatures (Small Antennas)

Les développements de la téléphonie mobile et des réseauxLes développements de la téléphonie mobile et des réseauxsans fils ont nécessité la conception d’antennes miniatures(longueur électrique Le < λ0/4).

Les constructeurs de terminaux mobiles imposent des volumesréduits sur les terminaux pour placer les antennes. Unencombrement de 2*2*0 5 cm3 est équivalent à un volume

P l télé h t bl l l ti i t t à

encombrement de 2*2*0.5 cm3 est équivalent à un volumeramené en longueur d’onde de λ0/8∗ λ0/8∗ λ0/30 à 1800 MHz.

Pour les téléphones portables, les solutions consistent àfabriquer des antennes planaires métalliques en combinant lasuperposition de plateaux rayonnants, de fentes et de courts-circuits. Les résonateurs diélectriques sont aussi utilisés.

La technologie WIFI nécessitent également l’utilisation

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d’antennes miniatures sur les cartes réseaux.

2.7 Les antennes miniatures (Small Antennas)

Antenne GPS/DCS/PCS/UMTS

Antennes tri-fréquences GSM/UMTS pour terminaux portables (EPFL/LEMA)

Carte PCMCIA pour applicationDCS/PCS/UMTS

(UNSA/LEAT)pour application

sans fil

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2.8 Antennes actives (Active Antennas)

Les antennes actives sont des antennes qui en plus de laLes antennes actives sont des antennes, qui en plus de lafonction de rayonnement, intègrent dans leurs structures descomposants électroniques (diodes, transistors, oscillateurs,déphaseurs PLL MEMS ) afin de réaliser des fonctions dedéphaseurs, PLL, MEMS,…) afin de réaliser des fonctions detélécommunications avancées. On peut citer :

les antennes auto oscillantesles antennes auto oscillantes,

les antennes à mélangeurs intégrés,

les antennes pilotées en fréquenceles antennes pilotées en fréquence,

les antennes pilotées en rayonnement (balayageélectronique du faisceau),q ),antennes pilotées en polarisation,

les antennes auto-asservies en fréquence ou en

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polarisation.

2.8 Antennes actives (Active Antennas)

Antenne PIFA courbeAntenne PIFA courbe intégrée avec VCO et

alimentation (EPFL/LEMA)

Antenne radar du Rafale (Th l D lt)(Thales – Dassault)

Antenne à diode et à filtre passe-bas intégré – 60 GHz

(EPFL/LEMA)

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2.9 Les antennes intelligentes (Smart Antennas)

Le concept et le développement des antennes intelligentes sonten partie liés au déploiement de la téléphonie mobile et plusparticulièrement de l’UMTS.

Dans le domaine de la téléphonie mobile, les deux principauxsystèmes sont :

l’ antenne à commutation de faisceaux. Ce type d’antennes analyse la qualité du signal reçu, choisitparmi un des multiples lobes de rayonnementp p yprédéterminés et commute le lobe en fonction dumouvement de l’usager.

l’antenne adaptative. Elle dirige le lobe principal de sondiagramme de rayonnement en direction du signalattendu, et surtout, place ses zéros en direction des

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, , psignaux interférents.

2.9 Les antennes intelligentes (Smart Antennas)

Principe du rayonnement d’unerayonnement d’une

antenne à commutation de

faisceaux

Principe du p durayonnement d’une

antenne adaptative

28

3. Comment rayonne une antenne

3.1 Création d’une onde EM

3.2 Principe du rayonnement d’une onde EM

3 3 Principe de l’antenne filaire élémentaire3.3 Principe de l antenne filaire élémentaire

3 Comment rayonne une antenne ?

On peut répondre à cette question en la décomposant en deuxOn peut répondre à cette question en la décomposant en deuxparties.

Premièrement: comment est créée une onde EM àPremièrement: comment est créée une onde EM àl’intérieur d’une antenne ?

Deuxièmement: comment se détache l’onde EM del’antenne ?

Pour répondre à la première question, considérons unp p q ,générateur de tension connecté à une antenne par une ligne detransmission.

Le générateur de tension crée un champ électrique entre lesdeux conducteurs de la ligne. A ce champ électrique sontassociées des lignes de force tangentes à ce champ

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associées des lignes de force tangentes à ce champ.


f

nsio

n

Ces lignes de force mettentlocalement en mouvement lesélectrons libres du métal, ce qui

ligne de transmission antennesour

ce d

e te

n

qcrée un courant, et enconséquence, un champ magné-tique qui s’enroule autour destique qui s enroule autour desconducteurs.

La variation au cours du tempsLa variation au cours du tempsdes champs électrique etmagnétique donne naissance àdes ondes EM qui se propagentdes ondes EM qui se propagentdans la ligne de transmission etentre dans l’antenne.

de te

nsio

n

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ligne de transmission antennesour

ce


Supposons que l’on enlève l’extrémité de l’antenne, les ondesEM en espace libre se forment en rebouclant les extrémités deslignes de champ électrique.lignes de champ électrique.

Si la perturbation électrique initiale du générateur de tensionest de courte durée, l’onde EM se propagera dans la ligne, puisest de courte durée, l onde EM se propagera dans la ligne, puisdans l’antenne et sera rayonnée en espace libre même si legénérateur de tension est ensuite arrêté.

Si le générateur de tension fonctionne continuellement, lesondes EM existeront de façon entretenue et suivront leurst j t l d iè l ttrajets les unes derrière les autres.

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Les ondes EM qui sont rayonnées forment des boucles et il n’ya pas de charges électriques en espace libre pour continuer àentretenir leurs existences.entretenir leurs existences.

Remarque: Les charges électriques sont nécessaires pour lacréation des ondes EM mais ne sont pascréation des ondes EM mais ne sont pasnécessaires pour maintenir leurs existences. Unefois que l’onde EM est créée, elle continue d’existeret de se propager sans la présence de chargeset de se propager sans la présence de chargesélectriques.

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Essayons de répondre à la deuxième question qui est de savoiry p q qcomment les ondes se détachent de l’antenne. Pour celaprenons l’exemple d’un dipôle de longueur λ/2 alimenté par ungénérateur de tension sinusoïdalegénérateur de tension sinusoïdale.

En t=0, il n’y a pas de courantsur l’antennesur l antenne.

dipôle λ/2En t=T/8, le courant I augmentet l li d het les lignes de champs

commencent à se former.

sphéroïde

t = 0

En t=T/4, le courant I estmaximum et les lignes dechamps ont parcouru une

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p pdistance de λ/4.


lignes de champ électrique

t = T/8 t = T/4t = T/8 t = T/4

En t=3T/8, le courant décroît etles lignes commencent à segfermer.

En t=T/2, le courant est nul et iln’y a momentanément plus den’y a momentanément plus decharges sur le dipôle. Les lignesde champ se ferment et sedé h d l’ ’ d

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t = 3T/8détachent de l’antenne. L’onde aparcourue une distance de λ/4.

3.3 Principe de l’antenne filaire élémentaire

C’est peut être le concept leC est peut être le concept leplus simple à comprendre etl’antenne la plus facile àréaliserréaliser.

(a) : Soit une source de tensionconnectée à une ligne bifilaire

(a)

connectée à une ligne bifilaire.Quand l’onde (ici représentéephysiquement par la répartitiond t l d tdu courant sur les conducteursmétalliques) arrive à l’extrémitéde la ligne, il y a réflexion

à

(b)

totale, ce qui donne naissance àun régime d’onde stationnairepur. C’est pour cela qu’une ligne

(c)

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p p q gne rayonne pas.

(c)

3.3 Principe de l’antenne filaire élémentaire

(b): Si l’on commence à écarter(b): Si l on commence à écarterles deux extrémités de la ligne,les courants sur les deux brinsmétalliques sont inchangés Dumétalliques sont inchangés. Dufait que les 2 brins ne sont plusproches l’un de l’autre, leshamps a onnés pa ha n ne

(a)

champs rayonnés par chacun nes’annulent plus. Ainsi, un champnon nul est rayonné.

(b)

(c): Si les 2 brins sont repliéschacun à 90°, on obtient un

(c)

,dipôle. La réflexion de l’onde surla ligne n’est plus totale ; unepartie est rayonnée dans

37

(c)partie est rayonnée dansl’espace.

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Introduction Antennes TSM I