LES ANTENNES

1. Fondamentaux Sur LES ANTENNES Ph. GOZLAN IUP GMI/RT Avignon 2007-2008

2. Plan du Cours • Présentation des activités. • Mise en situation et généralités • Rappels Ondes Electromagnétiques • Propriétés et grandeurs caractéristiques • Compléments : • Bilan de liaison, • Dipôle l/2 • Antenne patch • Quelques diagrammes en 3D Ph. GOZLAN IUP GMI/RT Avignon 2007-2008

3. Présentation des activités Ph. GOZLAN IUP GMI/RT Avignon 2007-2008

4. 3h COURS: Connaissances générales sur les antennes 1h30 TD N°1: Série d’exercices sur les dipôles élémentaires, antenne isotrope et portée d’un émetteur. 1h30 TD N°2: Série d’exercices sur les bilans de liaison 1h30 TD N°3: Réalisation et Simulation d’une antenne WIFI sur logiciel MMANA 1h30 CONTRÔLE DE CONNAISSANCES : Sur l’ensemble des points abordés en cours et TD. Ph. GOZLAN IUP GMI/RT Avignon 2007-2008

5. Mise en situation et Généralités Ph. GOZLAN IUP GMI/RT Avignon 2007-2008

6. Les antennes au quotidien Analogique 800 MHz DECT ~1900 MHz GSM 900 MHz DCS 1800 MHz UMTS 2 GHz Radar anticollision ~80 GHz Télépéage ~6 GHz Ouverture à distance: 433 MHz-868MHz Wifi/Bluetooth /UWB 2.4 à 6 GHz TV terrestre 500 MHz Systèmes satellites 1 à 45 GHz (Ex : Télévision 12 GHz, GPS 1.5 GHz) Ph. GOZLAN IUP GMI/RT Avignon 2007-2008

7. Émetteur Récepteur Actionneur Capteur Source « Ondes Electromagnétiques » Emission/Réception Lieu B Lieu A Câble de liaison Porteuse Modulée Signal modulant Ph. GOZLAN IUP GMI/RT Avignon 2007-2008

8. Une antenne est donc l’interface entre: Un milieu de propagation guidé (coaxial ou ligne bifilaire) Un milieu de propagation libre( espace diélectrique). Une antenne est un dipôle passif. Elle émet (ou reçoit) des ondes électromagnétiques . Une antenne se comporte comme un circuit résonnant. Sa fréquence de résonance et la largeur de sa bande passante dépendent en grande partie de ses caractéristiques dimensionnelles et géométriques. Une antenne rayonne de façon: Directive, Omnidirectionnelle, Isotrope. Bien que dipôle passif on admet qu’elle possède un gain…(voir diagrammes de rayonnement). Il existe des dizaines de types d’antennes,différenciées par leur fonctionnement,leur géométrie, leur technologie,… Ph. GOZLAN IUP GMI/RT Avignon 2007-2008

9. Rappels Ondes Electromagnétiques Ph. GOZLAN IUP GMI/RT Avignon 2007-2008

10. C diminue L=Cste Alors F augmente « Décharge oscillante » Première approche simple pour rayonner de l’énergie électromagnétique C diminue encore (L=Cste) Alors F augmente la capacité commence à rayonner E Courant dans L charge C (Inter fermé) et C se décharge dans L(inter ouvert) L diminue F augmente encore Ph. GOZLAN IUP GMI/RT Avignon 2007-2008

11. On diminue la surface des armatures de C à la section du brin(rayonnant) Première approche simple(2). Ce montage rayonne de l’énergie électromagnétique L se met à rayonner H L réduit à sa plus simple « expression » (simple conducteur) Ph. GOZLAN IUP GMI/RT Avignon 2007-2008

12. d’un champ électrique d’un champ magnétique Qui se propagent dans une direction qui est celle du vecteur de Poynting Une onde électromagnétique (OEM) est constituée: Ces trois grandeurs sont complexes (régimes sinusoïdaux). Dans le vide, ces deux champs sont orthogonaux et perpendiculaires à la direction de propagation(champs transverses) Représentation en coordonnées sphériques Ph. GOZLAN IUP GMI/RT Avignon 2007-2008

13. On définit la longueur d’onde l comme étant la période spatiale de l’OEM. (Distance parcourue par l’onde pendant une période d’oscillation T) Ph. GOZLAN IUP GMI/RT Avignon 2007-2008

14. Classement des ondes électromagnétiques radio selon leur longueur d’onde Ph. GOZLAN IUP GMI/RT Avignon 2007-2008

15. A.N: m0=4p.10-7 V.s/A.m e0= =8,85542.10-12A.s/V.m=8,85pF/m Quelques relations importantes. A « grande distance » de l'antenne le rapport entre l'amplitude des champs magnétique et électrique est constant. Il est égal à l'impédance intrinsèque du milieu de propagation que l’on note Z0 et est définie par la relation suivante: Z0 : Impédance intrinsèque du milieu de propagation en W E : Amplitude du champ électrique en V/mH : Amplitude du champ magnétique en At/mm : Perméabilité absolue du milieu de propagatione : Permitivité absolue du milieu de propagationSi le milieu de propagation est le vide ou l'air on a : Z0=376,7W dans le vide Cette impédance est à rapprocher de l’impédance caractéristique d’une ligne, sauf que les ondes se propagent dans les trois directions dans l’espace. Ph. GOZLAN IUP GMI/RT Avignon 2007-2008

16. Polarisation d’une onde électromagnétique La polarisation d’une onde Transverse Electromagnétique(TEM) est le type de trajectoire que décrit l’extrémité du champ électrique, E, au cours du temps dans le plan transverse(plan perpendiculaire au vecteur de Poynting). Il existe trois types de polarisation: Polarisation Linéaire. Le champ E n’a qu’une composante variant sinusoïdalement. Sa trajectoire est donc un segment de droite. La polarisation peut être dans ce cas verticale ou horizontale. Ph. GOZLAN IUP GMI/RT Avignon 2007-2008

17. Polarisation d’une onde électromagnétique(2) Polarisation circulaire. Le champ E a deux composantes Eqet Ej de même amplitude et déphasées de 90°. E décrit un cercle. Polarisation elliptique. Le champ E a deux composantes Eqet Ej d’ amplitude et de phases quelconques. Ph. GOZLAN IUP GMI/RT Avignon 2007-2008

18. Propriètés et Grandeurs caractèristiques Ph. GOZLAN IUP GMI/RT Avignon 2007-2008

19. Caractéristiques technique d’une antenne pour point d’accès WiFi Diagrammes de rayonnement ROS Gain Angles d’ouverture Ph. GOZLAN IUP GMI/RT Avignon 2007-2008

20. Antenne Isotrope Cette antenne possède la propriété de rayonner dans toutes les directions de l’espace. Elle ne possède donc pas de direction de propagation privilégiée. Elle n’est pas directive. On a coutume de donner le gain en dBi. Il vaut 0 dBi pour cette antenne. Cette antenne est impossible à réaliser en pratique, mais elle est intéressante comme élément de comparaison et de référence pour le calcul du gain des antennes « réelles ». Le gain d’une antenne « réelle » est alors exprimé en dBi (Décibel par rapport à l’antenne isotrope) comme on le voit dans la notice technique de l’antenne Wifi. Ph. GOZLAN IUP GMI/RT Avignon 2007-2008

21. Diagrammes de rayonnement. Cas de l’antenne isotrope. Pour une puissance émise donnée on mesure le niveau du champ électrique et on détermine à quelle distance « d » ce niveau est de 1V/m. Puisque le rayonnement est isotrope, le lieu des points pour lesquels E=1V/m est une sphère de rayon « d ». Ph. GOZLAN IUP GMI/RT Avignon 2007-2008

22. Diagrammes de rayonnement. Dans le cas général l’énergie rayonnée se répartit dans des lobes plus ou moins nombreux et importants. Le ou les lobes principaux sont ceux qui sont les plus utiles et il est intéressant de connaître leur direction et leur importance. Leurs dimensions et leurs dispositions sont représentées sur un diagramme de rayonnement. Ce dernier contient assez d’information pour estimer les possibilités d’une antenne. Ph. GOZLAN IUP GMI/RT Avignon 2007-2008

23. Diagrammes de rayonnement(2). Représentation en 2D. Finalement un diagramme de rayonnement est une représentation 3D (sphère dans le cas de l’antenne isotrope) des possibilités de « fonctionnement » d’une antenne. Toutefois pour étudier plus facilement le rayonnement d’une antenne on a besoin de connaître: A) Le ou les angles que forment les lobes principaux par rapport à l’horizontale(angles de départ des ondes vers les couches ionisées). On représente alors le diagramme de rayonnement vertical. Remarque: Ce plan est noté E plane car c’est aussi celui du champ électrique(Eq). Ph. GOZLAN IUP GMI/RT Avignon 2007-2008

24. Lobes principaux identiques et symétriques Diagrammes de rayonnement(3). Exemple de diagramme dans le plan vertical Rayonnement de l’antenne isotrope Antenne vue en bout Rayonnement de l’antenne en espace libre Gain dû à l’effet « réflecteur du sol » Angle de départ Ph. GOZLAN IUP GMI/RT Avignon 2007-2008

25. Lobes principaux identiques et symétriques Diagrammes de rayonnement(4). B) La ou les directions dans lesquelles elle disperse l’énergie qui lui est fournie. On utilise pour cela une représentation du rayonnement dans un plan horizontal. On représente alors le diagramme de rayonnement horizontal pour q donné. Remarque: Ce plan est noté H plane car c’est aussi celui du rayonnement du champ magnétique (Hj). Dipôle rayonnant Angle d’ ouverture Niveau de -10dB Exemple de diagramme dans le plan horizontal Ph. GOZLAN IUP GMI/RT Avignon 2007-2008

26. Diagrammes de rayonnement(4). (Dipôle vertical en espace libre ) Ph. GOZLAN IUP GMI/RT Avignon 2007-2008

27. Diagrammes de rayonnement(5). Diagramme dans le plan vertical Diagramme dans le plan Horizontal Ph. GOZLAN IUP GMI/RT Avignon 2007-2008

28. Diagrammes de rayonnement(6). Ph. GOZLAN IUP GMI/RT Avignon 2007-2008

29. Grandeurs caractéristiques et Notations utilisées. • p(r,q,j): Densité de puissance radiale [W/m2] • PF: Puissance Fournie à l’antenne [W] • PE: Puissance Emise [W] • PR: Puissance Reçue [W] Aune distance r la densité de puissance d’une antenne isotrope est donnée par la relation suivante: Surface de la sphère de rayonnement Ph. GOZLAN IUP GMI/RT Avignon 2007-2008

30. Directivité des antennes(1) On dit qu’une antenne est directive lorsqu’elle concentre l’énergie qu’elle rayonne dans une direction particulière de l’espace. Par analogie, un projecteur de lumière concentre cette dernière en un faisceau étroit alors qu’un lustre doit éclairer la totalité d’une pièce. Ph. GOZLAN IUP GMI/RT Avignon 2007-2008

31. Lobe principal Axe du Lobe principal Lobe secondaire Directivité des antennes(2) Mesure de la directivité d’une antenne En réception, lorsqu’on tourne une antenne pour l’écarter de la direction du signal reçu(que ce soit vers la gauche ou vers la droite), le signal diminue progressivement. Lorsque le niveau de ce dernier à perdu 3dB(moitié de la puissance), on mesure l’angle formé par l’axe du lobe principal de l’antenne d’émission avec la direction du signal. On caractérise cette directivité par un angle d’ouverture dans le plan horizontal(directivité horizontale). Angle d’ouverture Exemple d’ antenne symétrique: Plus l’ange d’ouverture est faible plus l’antenne est directive. Notation anglosaxone: HPBWA. Half Power Beam Width Azimut. Ph. GOZLAN IUP GMI/RT Avignon 2007-2008

32. Exemple : Directivité des antennes(3) Directivité dans le plan vertical. On peut également définir un angle d’ouverture dans le plan vertical: Angle d’ouverture en site ou élévation. Axe du Lobe principal Notation anglosaxone: HPBWE. Half Power Beam Width Elevation. Angle de départ Angle d’ouverture Ph. GOZLAN IUP GMI/RT Avignon 2007-2008

33. Par définition: Directivité des antennes(4) On considère ici que piso représente la densité de puissance émise par une antenne isotrope qui émettrait la même puissance PE que l’antenne concernée. La directivité précise donc dans quelle(s) direction(s) la densité de puissance de l’antenne est meilleure ou moins bonne que l’antenne isotrope. Note: La directivité D ne dépend pas de r car les deux densités de puissance décroissent en 1/r2. Ph. GOZLAN IUP GMI/RT Avignon 2007-2008

34. Gain d’une antenne(1). Analogie Considérons une ampoule de lampe de poche alimentée avec une pile. L'ampoule rayonne l’énergie lumineuse dans toutes les directions (ou presque) de l’espace dans lequel elle se trouve. Si on place maintenant un réflecteur derrière l’ampoule, les rayons lumineux vont être concentrés vers une direction privilégiée. La puissance dissipée est la même mais l'éclairement dans l'axe du réflecteur sera plus élevé au détriment des autres directions, en particulier de l'arrière du réflecteur. Pour les antennes, un phénomène identique se produit. Le rayonnement arrière de l’antenne est caractérisé par la grandeur « front to back ratio » ou « rapport Avant/Arrière(voir diagramme de rayonnement). Note: On évoque parfois le rapport Avant/Cotés. Ce dernier exprime l’atténuation des signaux provenant de la droite et de la gauche de la direction privilégiées de l’antenne. ON AMÉLIORE LE GAIN D’UNE ANTENNE EN CONCENTRANT L’ÉNERGIE RAYONNÉE DANS UN LOBE PRINCIPAL. Ph. GOZLAN IUP GMI/RT Avignon 2007-2008

35. Gain directif: Gain d’une antenne(2) Gain : Rappel: Une antenne est un élément purement passif qui n’amplifie pas le signal. Son « gain » par définition, représente la concentration de puissance dans une direction donnée par référence à une antenne isotrope sans perte . On déduit la densité de puissance d’une antenne par rapport à la puissance fournie PF: Ph. GOZLAN IUP GMI/RT Avignon 2007-2008

36. Rapport d’Ondes Stationnaires ROS(1) Le ROS (SWR=Standing Wave Ratio)indique si le fonctionnement de l’étage d’alimentation d’une l’antenne est correct. Il est important de le connaître car selon sa valeur, l’antenne peut être reliée ou non à un émetteur… On essayera d’obtenir toujours 1<ROS <2. • Un ROS plus grand provoque: • des surtensions au niveau de l’étage PA(Power Amplifier) et un risque de destruction de ce dernier. • Un mauvais rendement de l’alimentation de l’antenne. L’émetteur ne pourra pas débiter toute sa puissance. Ainsi un émetteur de 100W pourrait débiter quelques watts. Ph. GOZLAN IUP GMI/RT Avignon 2007-2008

37. Rapport d’Ondes Stationnaires ROS(2) • Une onde stationnaire résulte de la « superposition » de deux ondes : • Une onde progressive, • Une onde réfléchie • Elle présente selon les caractéristiques de l’extrémité, des nœuds(amplitude mini de l’onde) et des ventres(amplitude maxi de l’onde) plus ou moins visibles et prononcés. Nous allons considérer ici que l’onde se propage sur une ligne d’impédance caractéristique ZC, fermée sur une impédance Z. Z dans notre cas est l’impédance du dipôle antenne concerné. Z= R+jX Pour obtenir le meilleur ROS il faudra adapter l’impédance de l’antenne à l’impédance de la ligne qui amène l’énergie. Si l’on y parvient parfaitement l’onde d’alimentation de l’antenne est progressive et toute la puissance est transmise à l’antenne au pertes près de l’antenne. Ph. GOZLAN IUP GMI/RT Avignon 2007-2008

38. Rapport d’Ondes Stationnaires ROS(3) La composante résistive de l’antenne R est en fait la somme d’une résistance de pertes RP et d’une résistance de rayonnement RR. Ces dernières sont des résistances fictives imaginées pour faciliter la compréhension du fonctionnement d’une antenne. La réactance de l’antenne est non désirée. Dans le cas des antennes résonantes on essaye de l’éliminer. Ph. GOZLAN IUP GMI/RT Avignon 2007-2008

39. Rapport d’Ondes Stationnaires ROS(4) Le graphique ci-dessous donne l’évolution de l’impédance en fonction de la longueur de l’antenne Au voisinage de L=(2n+1)l/2 X #0 Au voisinage de L=2nl/2 X #0 Ph. GOZLAN IUP GMI/RT Avignon 2007-2008

40. Rapport d’Ondes Stationnaires ROS(4) Il est parfois intéressant de relever le ROS en fonction de la fréquence On détermine alors la bande passante de l’antenne si l’on ne dépasse pas un ROS de 2. Ph. GOZLAN IUP GMI/RT Avignon 2007-2008

41. Le rendement d’une antenne est défini par: La puissance rayonnée PE pour un courant Ieff donné est la suivante: La puissance nécessaire à fournir PF pour ce même courant est : Calcul du rendement [W] [W] Soit enfin: [%] Ph. GOZLAN IUP GMI/RT Avignon 2007-2008

42. Compléments Ph. GOZLAN IUP GMI/RT Avignon 2007-2008

43. Bilan de liaison (Bases) Ph. GOZLAN IUP GMI/RT Avignon 2007-2008

44. En Watt En Watt /m2 Puissance Isotrope Rayonnée Équivalente(PIRE ou EIRP) Dans la direction optimale du lobe principal, le gain directif G(q, j) est égal à G0. On définit la PIRE de la manière suivante: Dans cette direction privilégiée, on a donc la densité de puissance suivante: Dans le cas des antennes paraboliques on cherche l’orientation dans la direction choisie qui conduit à G(q,j)=G0. Dans ce cas la connaissance de la PIRE suffit pour connaître la densité de puissance à une distance r quelconque. Ph. GOZLAN IUP GMI/RT Avignon 2007-2008

45. Récepteur Émetteur La surface équivalente ou surface de captation de l’antenne est définie par: En m2 On montre que la surface équivalente est également liée au gain GR(q,j) par la relation: En m2 Surface équivalente. Considérons une antenne qui capte une onde dont la densité de puissance vaut p(r,q,j) et fournissant une puissance PR. p, PR, GR PF, PE, GE Ph. GOZLAN IUP GMI/RT Avignon 2007-2008

46. Affaiblissement en espace libre(1). Ce qui suit s ’applique particulièrement aux liaisons à visibilité directe(propagations troposphériques, faisceaux hertziens, liaisons par satellite,etc.,). On néglige l’influence du sol et les pertes atmosphériques. Coté émetteur Notations utilisées: PF:Puissance fournie en W PdBWF: Puissance fournie en dBW GE: Gain de l’antenne d’émission GdBE: Gain de l’antenne d’émission en dB Coté récepteur PR:Puissance reçue en W PdBWF: Puissance reçue en dBW GR: Gain de l’antenne de réception GdBR: Gain de l’antenne de réception en dB r: Distance entre les deux antennes en m Ph. GOZLAN IUP GMI/RT Avignon 2007-2008

47. soit soit Affaiblissement en espace libre(2). Les gains en dB et les puissances en dBW répondent aux relations suivantes: L’affaiblissement de la liaison, exprimée en dB est: Ph. GOZLAN IUP GMI/RT Avignon 2007-2008

48. On sait que: et que En somme (Formule de FRIIS) Affaiblissement en espace libre(3). Expression de la puissance reçue PR La densité de puissance reçue est fonction de la densité de puissance émise par l’antenne. Or PE= PF.GE donc: Soit enfin Ph. GOZLAN IUP GMI/RT Avignon 2007-2008

49. s’appelle « affaiblissement isotrope » Aiso Le terme On le trouve parfois sous le terme de perte en espace libre noté LS Affaiblissement en espace libre(4). Expression qui s’écrit encore: Conclusion : Si l’on connaît la puissance d’émission et l’affaiblissement on déduit assez facilement la puissance de réception. Ph. GOZLAN IUP GMI/RT Avignon 2007-2008

50. Antenne dipôle demi-onde Ph. GOZLAN IUP GMI/RT Avignon 2007-2008