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7/27/2019 Chapitre Antenne
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Chapitre :
GENERALITES SUR LES
ANTENNES
Université CADI AYYAD Faculté des Sciences Semlalia
UCAM FSSM
7/27/2019 Chapitre Antenne
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I – INTRODUCTION
7/27/2019 Chapitre Antenne
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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
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II – Notions fondamentales
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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
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III – Caractéristiques des
antennes
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Représentation schématique
de l’antenne
Paramètre schématiques de l’antenne
Caractéristiques des antennes
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Grandeurs fondamentales des antennes
Caractéristiques 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
Caractéristiques des antennes
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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
Caractéristiques des antennes
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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
Caractéristiques des antennes
Puissance rayonnée à une
distance quelconque
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Caractéristiques des antennes
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
7/27/2019 Chapitre Antenne
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Caractéristiques des antennes
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 .
Caractéristiques des antennes
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Caractéristiques des antennes
Lobe principal et lobes secondaires
Diagramme de rayonnement d’une antenne dans le plan
vertical :
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Caractéristiques des antennes
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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Caractéristiques des antennes
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.
Caractéristiques des antennes
Caractéristiques de rayonnement
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.
Caractéristiques des antennes
Caractéristiques de rayonnement
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.
Caractéristiques des antennes
Caractéristiques de rayonnement
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:
Caractéristiques des antennes
Caractéristiques de rayonnement
Le Gain (2):
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Caractéristiques des antennes
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.
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I l lustration de la conservation de l'énergie dans une antenne:
Caractéristiques des antennes
Caractéristiques de rayonnement
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Caractéristiques des antennes
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.
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 des antennes
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:
Les Principaux Types D’antennes
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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 :
Les Principaux Types D’antennes
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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
Les Principaux Types D’antennes
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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
Les Principaux Types D’antennes
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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
Les Principaux Types D’antennes
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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
Les Principaux Types D’antennes
7/27/2019 Chapitre Antenne
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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.
7/27/2019 Chapitre Antenne
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Les antennes Patchs
les différentes formes d’une antenne Patch
7/27/2019 Chapitre Antenne
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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
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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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U i i é CADI AYYAD F l é d S i S l li
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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
51
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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
7/27/2019 Chapitre Antenne
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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
53
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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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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.
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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
56
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I – CONCLUSION