Chapitre Antenne

Université CADI AYYAD

Faculté des Sciences Semlalia

UCAM

FSSM

Chapitre : GENERALITES SUR LES ANTENNES

Université CADI AYYAD

Faculté des Sciences Semlalia

UCAM

FSSM

I – INTRODUCTION

Université CADI AYYAD

UCAM

Faculté des Sciences Semlalia

Introduction

FSSM

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.

Université CADI AYYAD

UCAM

Faculté des Sciences Semlalia

Introduction

Qu’est-ce qu’une antenne ? C’est un moyen pour rayonner ou recevoir des ondes radio (IEEE Standard Definitions of Terms)

Structure de transition entre l’espace libre et un dispositif de « guidage »ligne coaxiale, guide d’onde …

FSSM

Université CADI AYYAD

UCAM

Faculté des Sciences Semlalia

Introduction

FSSM

Qu’est-ce qu’une antenne ? • 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 ses caractéristiques (rendement, gain, diagramme de rayonnement…) influencent directement les performances de qualité et de portée du système.

Université CADI AYYAD

UCAM

Faculté des Sciences Semlalia

Introduction

FSSM

Définition

 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.  Réciprocité des antennes: La même antenne peut servir à recevoir ou à émettre si elle est alimentée en courant

Université CADI AYYAD

UCAM

Faculté des Sciences Semlalia

Introduction

FSSM

Quelques Exemples

Il existe une multitude de types d’antennes, de tailles et de formes très diverses, avec des modes de fonctionnement plus ou moins complexes. Nous allons présenter quelques dispositifs ainsi que leurs domaines d’applications.

Université CADI AYYAD

UCAM

Faculté des Sciences Semlalia

Introduction

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)

FSSM

Université CADI AYYAD

UCAM

Faculté des Sciences Semlalia

Introduction

FSSM

Dans les applications quotidiennes GSM 900 MHz DCS 1800 MHz …….

Radar anticollision ~80 GHz Télépéage ~6 GHz Ouverture à distance 433 MHz

Wifi / Bluetooth / UWB 2.4 à 6 GHz

Université CADI AYYAD

Faculté des Sciences Semlalia

UCAM

FSSM

II – Notions fondamentales

Université CADI AYYAD

UCAM

Faculté des Sciences Semlalia

FSSM

Notions fondamentales

Une onde électromagnétique (EM) correspond à la représentation d’un rayonnement électromagnétique. La propagation d’une onde électromagnétique en champ lointain se fait dans un mode appelé Transverse Electromagnétique (TEM), où les champs E et H sont perpendiculaires entre eux et à la direction de propagation. Longueur d’onde λ

Plan H

H

Plan E

3

Direction de propagation

Université CADI AYYAD

UCAM

Notions fondamentales

Les zones de rayonnement

 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 Fraunhoffer : Zone de champ lointain, les champs sont rayonnés sous la forme d'onde plane la densité de puissance décroît en 1/r

Faculté des Sciences Semlalia

FSSM

Université CADI AYYAD

UCAM

Faculté des Sciences Semlalia

Notions fondamentales

FSSM

Antenne isotrope  L’antenne qui rayonne la puissance Po de l’émetteur uniformément dans toutes les s’appelle antenne isotrope.

directions

 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.

Université CADI AYYAD

Faculté des Sciences Semlalia

UCAM

FSSM

III – Caractéristiques des antennes

Université CADI AYYAD

UCAM

Faculté des Sciences Semlalia

FSSM

Université CADI AYYAD

UCAM

Faculté des Sciences Semlalia

Caractéristiques des antennes

FSSM

Représentation schématique de l’antenne

Paramètre schématiques de l’antenne

Université CADI AYYAD

UCAM

Faculté des Sciences Semlalia

Caractéristiques des antennes

Grandeurs fondamentales des antennes

Caractéristiques de rayonnement:

Caractéristiques Electrique:

• Diagramme de rayonnement • Directivité • Gain • Polarisation

• • • •

Impédance d’entrée Paramètres S Bande d’utilisation Rendement

FSSM

Université CADI AYYAD

UCAM

Faculté des Sciences Semlalia

Caractéristiques des antennes

FSSM

Antenne isotrope : Antenne de référence

z P

q

Δ

r o

dW x

j

La puissance rayonnée par unité d’angle solide (le stéradian) dans une direction quelconque Δ est dèfinit par deux angle θ et 𝜑.

L’antenne qui rayonne la puissance de l’émetteur uniformément dans toutes les directions s’appelle antenne isotrope.

Université CADI AYYAD

UCAM

Faculté des Sciences Semlalia

Caractéristiques des antennes angle solide Ω

Z

Puissance rayonnée par une antenne :

FSSM

R θ

Puissance d’alimentation PA

O

Y

φ

X

• Puissance rayonnée dans une direction (θ,φ)

:

Pq , j  

PA W

• Puissance rayonnée par une unité de surface dans une direction (θ,φ) et à une distance R

:

p  R, q , j  

PA WR 2

Université CADI AYYAD

UCAM

Faculté des Sciences Semlalia

Caractéristiques des antennes

FSSM

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

Pq , j  

PA 4

p R, q , j  

Puissance rayonnée à une distance quelconque

PA 4R 2

Puissance rayonnée à une distance R de l’antenne

 Relation puissance rayonnée et champ électrique :

1 1 E2 P p  E.H   A2 2 2  4R  E

PA espace libre et champ lo int ain  2 2 R

Université CADI AYYAD

UCAM

Faculté des Sciences Semlalia

Caractéristiques des antennes

FSSM

Rappel sur les repères cartésien et sphériques

z Plan vertical

θ Plan horizontal y φ

x 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

Université CADI AYYAD

UCAM

Faculté des Sciences Semlalia

Caractéristiques des antennes

FSSM

Fonction caractéristique de rayonnement

 Les antennes sont rarement omnidirectionnelles et émettent ou reçoivent dans des directions privilégiées.  Le diagramme de rayonnement représente les variations de la puissance rayonnée 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) :

r q , j  

Pq , j  P0 q 0 , j0 

Puissance rayonnée dans une direction quelconque Puissance rayonnée max.

 Différentes manières de représenter le diagramme de rayonnement :

Université CADI AYYAD

UCAM

Faculté des Sciences Semlalia

Caractéristiques des antennes

FSSM

Caractéristiques de rayonnement

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

Université CADI AYYAD

UCAM

Faculté des Sciences Semlalia

Caractéristiques des antennes

FSSM

Lobe principal et lobes secondaires

Diagramme de rayonnement d’une antenne dans le plan vertical :

Université CADI AYYAD

UCAM

Faculté des Sciences Semlalia

FSSM

Caractéristiques des antennes

Angle d’ouverture (beamwidth)

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). r(θ,φ) Lobes

1

Lobe principal

secondaires 0.5

zéro

2θ3 0

θ

Université CADI AYYAD

UCAM

Faculté des Sciences Semlalia

Caractéristiques des antennes

Exemples de diagrammes de rayonnement d'antennes

FSSM

Université CADI AYYAD

UCAM

Faculté des Sciences Semlalia

Caractéristiques des antennes

FSSM

Caractéristiques de rayonnement La directivité (1):

 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.

Dq ,j  

Pq ,j  Pq ,j   4 PR PR 4

Université CADI AYYAD

UCAM

Faculté des Sciences Semlalia

Caractéristiques des antennes Caractéristiques de rayonnement

La directivité (2):  La directivité est caractérisée par l’angle d’ouverture à–3dB.  Faible ouverture Antenne fortement directive.  Large ouverture Antenne faiblement directive.

FSSM

Université CADI AYYAD

UCAM

Faculté des Sciences Semlalia

Caractéristiques des antennes

FSSM

Caractéristiques de rayonnement Le Gain (1) :

 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 antenne isotrope sans pertes. Gq , j   4

Pq , j  PA

En général, le gain G correspond au gain dans la direction de rayonnement maximal (θ0,φ0).

Pq 0 , j0  G  4 PA

Université CADI AYYAD

UCAM

Faculté des Sciences Semlalia

Caractéristiques des antennes

FSSM

Caractéristiques de rayonnement

Le Gain (2):

 Lorsqu’on parle de gain d’une antenne, on désigne le gain maximum exprimé en dB :  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:

 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.

Université CADI AYYAD

UCAM

Faculté des Sciences Semlalia

Caractéristiques des antennes

FSSM

Caractéristiques de rayonnement 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.

PR  .PA

 G  .D

Université CADI AYYAD

UCAM

Faculté des Sciences Semlalia

Caractéristiques des antennes Caractéristiques de rayonnement

Illustration de la conservation de l'énergie dans une antenne:

FSSM

Université CADI AYYAD

UCAM

Faculté des Sciences Semlalia

Caractéristiques des antennes

FSSM

Caractéristiques de rayonnement

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.

PIRE  G  PA

Université CADI AYYAD

UCAM

Faculté des Sciences Semlalia

Caractéristiques des antennes Caractéristiques de rayonnement

La polarisation:

3 modes de polarisation:  Polarisation rectiligne • verticale, horizontale (plan H ou E)  Polarisation circulaire • droite ou gauche  Polarisation elliptique • droite ou gauche

FSSM

Université CADI AYYAD

UCAM

Faculté des Sciences Semlalia

Les caractéristiques des antennes

FSSM

Caractéristiques électriques  Impédance d’entrée:

L’impédance est une grandeur variant en fonction de la fréquence, ainsi l’antenne fonctionnera efficacement sur une bande limitée. On note Zin cette impédance dépendant de la fréquence: Zin= Rin( f ) + jX in(f )

Université CADI AYYAD

UCAM

Faculté des Sciences Semlalia

Les caractéristiques des antennes Caractéristiques électriques

 Bande d’utilisation:

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.

Fn : La fréquence centrale d’utilisation Fmax et Fmin: Les fréquences limites supérieures et inférieures

FSSM

Université CADI AYYAD

UCAM

Faculté des Sciences Semlalia

FSSM

III – Les Principaux Types D’antennes.

Université CADI AYYAD

UCAM

Faculté des Sciences Semlalia

Les Principaux Types D’antennes

FSSM

Antennes filaires 

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.

Université CADI AYYAD

UCAM

Faculté des Sciences Semlalia

Les Principaux Types D’antennes

FSSM

Antennes filaires Antenne dipolaire:



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.

Université CADI AYYAD

UCAM

Faculté des Sciences Semlalia

Les Principaux Types D’antennes

FSSM

Antennes filaires Antenne monopôle:

 Le monopôle est obtenu en insérant en son centre et perpendiculairement à son axe une plaque conductrice, idéalement infinie.

Université CADI AYYAD

UCAM

Faculté des Sciences Semlalia

Les Principaux Types D’antennes

FSSM

Antennes filaires Antenne YAGI: 

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.

Université CADI AYYAD

UCAM

Faculté des Sciences Semlalia

Les Principaux Types D’antennes

FSSM

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

Université CADI AYYAD

UCAM

Faculté des Sciences Semlalia

Les Principaux Types D’antennes

FSSM

Antenne à réflecteur parabolique 

Les antennes paraboliques se caractérisent par une directivité très haute. On les utilise en général pour des 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 :

Université CADI AYYAD

UCAM

Faculté des Sciences Semlalia

Les Principaux Types D’antennes

FSSM

Antenne à cornet  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

Université CADI AYYAD

UCAM

Faculté des Sciences Semlalia

Les Principaux Types D’antennes

FSSM

Les antennes Patchs  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.

Université CADI AYYAD

Faculté des Sciences Semlalia

UCAM

FSSM

Les antennes Patchs

Géométrie 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 le rectangle et le disque. D’un substrat diélectrique . D’un plan de masse.

Université CADI AYYAD

Faculté des Sciences Semlalia

UCAM

FSSM

Les antennes Patchs

Principe Une antenne patch peut être considérer comme une cavité résonante, cette dernière agit comme une capacité qui stocke un ensemble de charges et dans laquelle un champ électrique uniforme se crée entre le patch et le plan de masse. Tant que l’épaisseur du substrat est faible, le champ électrique est orienté selon l’axe z et indépendant de z.

Université CADI AYYAD

Faculté des Sciences Semlalia

UCAM

FSSM

Les antennes Patchs

les différentes formes d’une antenne Patch

Université CADI AYYAD

Faculté des Sciences Semlalia

UCAM

FSSM

Les antennes Patchs Alimentation des antennes Patchs Alimentation 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.

49

Université CADI AYYAD

Faculté des Sciences Semlalia

UCAM

FSSM

Les antennes Patchs Alimentation des antennes Patchs Alimentation 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.

50

Université CADI AYYAD

Faculté des Sciences Semlalia

UCAM

FSSM

Les antennes Patchs Alimentation des antennes Patchs Alimentation couplée par ouverture: 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.

51

Université CADI AYYAD

Faculté des Sciences Semlalia

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.

Université CADI AYYAD

Faculté des Sciences Semlalia

UCAM

FSSM

Les antennes Patchs Les méthodes d’analyse

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.

53

Université CADI AYYAD

Faculté des Sciences Semlalia

UCAM

FSSM

Les antennes Patchs Les méthodes d’analyse

Méthode de la cavité: 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 peuvent s’installer. Chaque mode conduit à une distribution de courant sur le patch, et le diagramme de rayonnement peut être calculé en faisant rayonner ces courants.

54

Université CADI AYYAD

Faculté des Sciences Semlalia

UCAM

FSSM

Le Système MIMO

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 Input Multiple Output » permet en utilisant la même bande spectrale de transmettre plus de débit ou d’améliorer la qualité de liaison.

55

Université CADI AYYAD

Faculté des Sciences Semlalia

UCAM

FSSM

Le Système MIMO

Type des antennes multiples Single-input-single-output SISO Single-input-multiple-output SIMO

Multiple-input-single-output MISO Multiple-input-multiple-output. MIMO 56

Université CADI AYYAD

Faculté des Sciences Semlalia

UCAM

FSSM

I – CONCLUSION

Université CADI AYYAD

UCAM

Faculté des Sciences Semlalia

Conclusion

Dans les applications du futur (antennes sur vêtement)

FSSM