Antenne radioélectrique

En radioélectricité, une antenne est un système servant à rayonner ou, de capter, les ondes électromagnétiques. L'antenne est un élément essentiel dans un dispositif radioélectrique,...



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Antenne - Composant électrique - Électrotechnique

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  • Les antennes ondes courtes multibandes travaillent sur les fréquences harmoniques.... Réglage d'antenne d'une station. Radioélectrique fixe ou mobile.... (source : )

En radioélectricité, une antenne est un système servant à rayonner (émetteur) ou, de capter (récepteur), les ondes électromagnétiques. L'antenne est un élément essentiel dans un dispositif radioélectrique, et ses caractéristiques de rendement, gain, diagramme de rayonnement influencent directement les performances de qualité et de portée du dispositif.

Cet article définit les caractéristiques et paramètres généraux des antennes, chaque antenne et application spécifique étant développée dans les articles liés.

Antenne rideau HF de télécommunication
Antennes de réception de la télévision

Historique

Heinrich Hertz utilisa pour la première fois, en 1888, des antennes pour démontrer l'existence des ondes électromagnétiques prédites par la théorie de Maxwell. Il utilisa des antennes doublet, tant pour la réception que pour l'émission. Il installa même le dipôle émetteur au foyer d'un réflecteur parabolique. Les travaux et les dessins de l'installation furent publiés dans les Annalen der Physik und Chemie (vol. 36, 1889). Le terme «antenne» fut utilisé par Marconi.

Théorie générale

Très le plus souvent, une antenne radioélectrique convertit les grandeurs électriques dans un conducteur ou une ligne de transmission (tension et courant) en grandeurs électromagnétiques dans l'espace (champ électrique et champ magnétique). En émission, la puissance électrique est convertie en puissance électromagnétique et c'est l'inverse en réception.

Fonctionnement en émission

Émission du doublet électrique élémentaire

Schéma géométrique d'une antenne élémentaire.

Une antenne élémentaire en émission, dénommée aussi doublet électrique, est constituée d'une petite longueur de conducteur (petite devant la longueur d'onde) dans lequel circule un courant alternatif  :

I=I_\circ eˆ{j\omega t}

Dans laquelle est la pulsation (et la fréquence). est le nombre imaginaire. (Cette notation, employant les nombres complexes correspond à la notation complexe des impédances).

Soit un repère dont l'origine est positionnée au centre de l'antenne, et dont l'ordonnée se confond avec l'antenne, Le champ crée par cette antenne élémentaire en un point de coordonnée polaire, telle que est :

\displaystyle E_{r,\theta}={{-jI_\circ\sin\theta}\over 2\varepsilon_\circ c r}{\Delta_\ell\over\lambda}eˆ{j\left(\omega t-kr\right)}

Dans lequel :

Le champ électrique lointain de l'onde électromagnétique est coplanaire avec le conducteur et perpendiculaire à la ligne qui relie le point où il est évalué au conducteur. Si nous imaginons l'antenne élémentaire au centre d'une sphère et parallèle à l'axe nord-sud, le champ électrique de l'onde électromagnétique rayonnée sera parallèle aux méridiens et le champ magnétique de l'onde aura la même direction que les parallèles géographiques.

Une telle antenne élémentaire n'existe pas. Une antenne filaire réelle quelconque sera reconnue comme constituée par la juxtaposition d'antennes élémentaires, et ses caractéristiques seront obtenues par l'intégration des champs élémentaires, sachant que les caractéristiques du courant dans chaque éléments sont différents en amplitude et en phase. Une antenne cette fois réelle, qu'on peut ainsi construire, est l'antenne doublet demi-onde, toujours nommée dipôle demi-onde.

Si P est la puissance rayonnée par l'antenne élémentaire (doublet électrique), le champ électrique rayonné en un point localisé à une distance r de cette antenne, est maximum dans une direction perpendiculaire au conducteur de l'antenne (sens du vecteur de Poynting). L'amplitude (maximale) de ce champ est donnée par la relation :

E=\frac{\sqrt{k P}}{r}∼

E en V/m; P en W; r en m. Avec k = 90 pour un doublet électrique élémentaire (élément théorique, petit comparé à la longueur d'onde).

Note : pour certains auteurs, le doublet électrique sert à désigner plutôt le dipôle demi-onde, de longueur égale à la demi-onde.

Émission de l'antenne isotrope

L'antenne isotrope est une antenne fictive qui rayonnerait le même champ dans l'ensemble des directions. Elle sert de référence pour définir le "gain" des antennes (voir plus loin) La formule précédente s'applique pour trouver l'amplitude maximale du champ E, en faisant k = 60. (On retrouve cette formule en considérant le flux du vecteur de Poynting sur la surface d'une sphère de rayon r. )

Si on considère le champ efficace, on fera k = 30.

Émission du dipôle demi-onde

Si on considère l'amplitude maximum du champ E dans une direction médiatrice du dipôle, la formule précédente s'applique en faisant k = 98 (2, 15 dB de plus que l'antenne isotrope).

Si on cherche le champ efficace, on fera k = 49

Fonctionnement en réception

Le champ électrique d'une onde électromagnétique induit une tension dans chaque petit segment de tout conducteur électrique. La tension induite dépend de la valeur du champ électrique et de la longueur du segment. Mais la tension dépend aussi de l'orientation du segment comparé au champ électrique.

Ces petites tensions induisent des courants et ces courants qui circulent traversent chacun une petite partie de l'impédance de l'antenne. Le résultat est que le schéma équivalent de Thévenin d'une antenne n'est pas immédiat à calculer.

En utilisant le théorème de réciprocité on peut démontrer que le schéma équivalent de Thévenin d'une antenne en réception est le suivant :

Schéma géométrique d'un circuit équivalent.
V_a={\sqrt{R_aG_a}\,\lambda\cos\psi\over\sqrt{\pi Z_0}}E_b

Le schéma équivalent et la formule à droite sont valables pour tout type d'antenne. Ce peut être une antenne dipolaire, une antenne parabolique, une antenne Yagi-Uda ou un réseau d'antennes.

Notions relatives aux antennes réceptrices : les trois définitions suivantes découlent toutes de la formule du paragraphe précédent.

Longueur effective de l'antenne \frac{\sqrt{R_aG_a}\lambda\cos\psi}{\sqrt{\pi Z_0}}
Puissance maximum disponible \frac{G_a\lambdaˆ2}{480\piˆ2}E_bˆ2
Surface effective ou section efficace \frac{\lambdaˆ2}{4\pi} \cdot G_a

Caractéristiques

Les caractéristiques principales d'une antenne sont :

Fréquence d'utilisation

Une antenne s'utilise généralement avec des signaux autour d'une fréquence donnée pour laquelle l'antenne possède des capacités optimales pour émettre ou recevoir l'énergie électromagnétique correspondante dans l'espace environnant. La fréquence de résonance d'une antenne dépend en premier lieu de ses dimensions propres, mais également des éléments qui lui sont ajoutés. Comparé à la fréquence de résonance centrale de l'antenne, un affaiblissement de 3 dB détermine les fréquences minimum et maximum d'utilisation ; la différence entre ces deux fréquences correspond à la bande passante.

A titre d'exemple, une antenne classique est l'antenne dipôle demi-onde, qui résonne à la fréquence pour laquelle sa longueur est d'une demi longueur d'onde avec une largeur de bande d'environ 1 %si elle est particulièrement mince. En pratique, et pour les fréquences élevées, le diamètre du conducteur n'est plus négligeable comparé à la longueur d'onde, ce qui augmente énormément sa bande passante. En règle générale :

- la bande passante d'une antenne diminue si l'antenne devient petite comparé à la demi-onde : il n'existe pas d'antennes large bande et compactes. Du moins avec des pertes raisonnables.

- la bande passante d'une antenne filaire augmente si le diamètre du conducteur augmente.

Certaines antennes dites «multibandes» peuvent fonctionner correctement sur des segments discontinus de bande de fréquences sans système spécifique. D'autres nécessitent l'emploi d'un circuit adaptateur d'impédance pour fonctionner correctement.

Impédance d'antenne

L'impédance d'antenne est la généralisation de la notion d'impédance utilisée pour les autres composants passifs (résistances, condensateurs, selfs... ) aux antennes. Il s'agit par conséquent du rapport complexe observé entre la tension et le courant à l'entrée d'une antenne en émission. L'utilité de cette notion est importante pour assurer les meilleurs transferts d'énergie entre les antennes et les systèmes qui y sont connectés grâce aux techniques d'adaptation.

Une antenne prise entres ses deux limites d'accès forme par conséquent un dipôle ayant une impédance complexe R + jX où R et X représentent respectivement la résistance et la réactance de l'antenne. La résistance d'antenne R est elle-même la somme de deux types de résistance qui traduisent les différentes utilisations de l'énergie absorbée : la première Rp est la résistance liée aux pertes par effet Joule dans l'antenne alors que la seconde Rr est la résistance de rayonnement liée à l'énergie utile rayonnée par l'antenne dans l'espace qui l'entoure. On dit d'une antenne qu'elle résonne sur une fréquence si à cette fréquence le terme imaginaire jX est nul. La puissance absorbée par l'antenne est la puissance absorbée par la résistance R. La résistance Rr est quelquefois qualifiée de fictive, car elle n'est pas soumise à la loi de Joule : en effet, la puissance absorbée par cette résistance est , à la différence d'une véritable résistance, transformée en rayonnement électromagnétique.

Fréquemment, les constructeurs des antennes cherchent à obtenir une résistance pure R= 50 Ohms, et X= 0 pour pouvoir alimenter cette antenne par une ligne 50 Ohms (ou plus rarement 300 ou 600 Ohms). En effet, parfaitement, l'antenne doit présenter à sa ligne d'alimentation une résistance pure égale à l'"impédance caractéristique" de cette ligne. La ligne d'alimentation fonctionnera alors "en onde progressive". Cette condition est quasiment toujours recherchée aux fréquences au-delà de 30 MHz, car elle optimise le transfert d'énergie et n'impose pas de conditions sur la longueur de cette ligne. La mesure du rapport d'onde stationnaire sert à s'assurer que la ligne fonctionne en onde progressives.

Cependant, pour les fréquences basses, il est quelquefois impossible d'obtenir une impédance résistive de 50 Ohms. On doit alors intercaler entre l'antenne et la ligne d'alimentation un transformateur d'impédance qui aura pour but de transformer l'impédance complexe de l'antenne en une résistance pure, le plus souvent de 50 Ohms. C'est un "dispositif d'adaptation" ou adaptateur d'antenne. Le système d'adaptation est quelquefois constitué par la ligne elle-même. La longueur de la ligne devient alors critique, et le rapport d'onde stationnaire est élevé.

Polarisation

La polarisation d'une antenne est celle du champ électrique E de l'onde qu'elle émet. Un dipôle demi-onde horizontal a par conséquent une polarisation horizontale, d'autres antennes ont une polarisation elliptique ou circulaire.

Dans cette optique de réception terrestre on considère généralement que l'antenne "type yagi" atténue le signal d'un facteur 10 soit (20 db) lors de sa rotation du mode de réception horizontale au mode de polarisation verticale pour un même émetteur.

En réception, l'écart entre la polarisation reçue et celle de l'antenne crée une atténuation pouvant être totale si la polarisation est perpendiculaire. La polarisation circulaire est utilisée si les antennes d'émission et réception sont orientées de façon aléatoire, par exemple pour les satellites défilants ou non stabilisés.

Diagramme de rayonnement

L'antenne isotrope, c'est-à-dire rayonnant de la même façon dans l'ensemble des directions, est un modèle théorique irréalisable dans la pratique. En réalité, l'énergie rayonnée par une antenne est répartie inégalement dans l'espace, certaines directions étant privilégiées : ce sont les «lobes de rayonnement». Le diagramme de rayonnement d'une antenne sert à visualiser ces lobes dans les trois dimensions, dans le plan horizontal ou dans le plan vertical incluant le lobe principal. La proximité et la conductibilité du sol ou des masses conductrices environnant l'antenne peuvent avoir une influence importante sur le diagramme de rayonnement. Les mesures sur les antennes sont effectuées en espace libre ou en chambre anéchoïde.

Le diagramme de rayonnement complet peut être résumé en quelques paramètres utiles :

Directivité

Différents diagrammes d'émission d'antennes

La directivité de l'antenne dans le plan horizontal est une caractéristique importante dans le choix d'une antenne.

Une antenne équidirective ou omnidirectionnelle rayonne de la même façon dans l'ensemble des directions du plan horizontal.

Une antenne directive possède un ou deux lobes nettement plus importants que les autres qu'on appelle «lobes principaux». Elle sera d'autant plus directive que le lobe principal sera étroit. La directivité correspond à la largeur du lobe principal, entre les angles d'atténuation à 3 dB.

Pour l'ensemble des antennes, la dimension forme un paramètre essentiel pour déterminer la directivité. Les antennes à directivité ainsi qu'à gain élevés seront toujours grandes comparé à la longueur d'onde. Il existe en effet des relations mathématiques (transformation de Fourier) entre les caractéristiques spatiales et le diagramme de rayonnement.

Gain

Le gain définit l'augmentation de puissance émise ou reçue dans le lobe principal. Il est dû au fait que l'énergie est focalisée dans une direction, comme l'énergie lumineuse peut être concentrée grâce à un miroir et/ou une lentille convergents. Il s'exprime en dBi (décibels comparé à l'antenne isotrope). Pour une antenne, le miroir peut être constitué par un élément réflecteur (écran plan ou parabolique) tandis qu'un élément directeur (dans une antenne yagi, par exemple) jouera le rôle de la lentille.

Lobes et zéros secondaires

Article détaillé : Lobe secondaire.

Aux angles proches du lobe principal, une antenne présente des minima et maxima relatifs nommés «lobes secondaires» qu'on tente de minimiser. Les antennes à grande directivité présentent aussi des lobes faibles et irréguliers dans l'ensemble des autres angles, nommés «lobes diffus».

Le niveau général de ces lobes secondaires décrit la sensibilité de l'antenne au brouillage (en télécommunications) ou la finesse d'imagerie (en radar). Une direction où le gain est faible peut être mise à profit pour éliminer un signal gênant (en réception) ou pour éviter de rayonner dans une région où il pourrait y avoir interférence avec d'autres émetteurs.

Angle de départ vertical

Dans le cas d'une antenne proche du sol, surtout en haute fréquence et moyenne fréquence, le diagramme vertical dépend de l'éloignement du sol. Il en résulte une perte de gain dans le plan horizontal. L'angle du lobe principal dans le plan vertical («angle de départ») définit les performances d'une antenne vis-à-vis des modes de propagation ionosphériques.

Rendement

La somme des puissances émises dans l'ensemble des directions définit la puissance effectivement rayonnée. Le rapport avec la puissance apportée par la ligne de transmission définit son rendement. La résistance (partie réelle de l'impédance) présentée par l'antenne a deux origines :

Le rendement dépend du rapport entre ces deux résistances. Une antenne aura un bon rendement si la résistance de pertes est faible devant la résistance de rayonnement. Les antennes du type dipôle demi-onde ou monopole ont généralement une résistances de rayonnement énormément plus élevées que leur résistance de pertes, et leur rendement reste par conséquent bon. Par contre, si l'antenne possède des dimensions faibles comparé au dîpôle demi-onde, sa résistance de rayonnement va diminuer. C'est tandis que se posera vraiment le problème du rendement et qu'il faudra chercher à diminuer aussi la résistance de pertes (qualité des surfaces conductrices, élargissement des conducteurs... )

Si on considère la puissance appliquée à l'entrée de la ligne de transmission, le rendement est bien entendu plus faible, puisque une partie de l'énergie est dissipée dans cette ligne. Une ligne est caractérisée par les pertes en dB par unité de longueur, pour une fréquence donnée. Mais si la ligne est le siège d'ondes stationnaires du fait de la désadaptation, les pertes dans la ligne seront toujours supérieures.

Puissance maximale en émission

Le rendement définit la puissance effectivement rayonnée, la puissance non rayonnée est dissipée thermiquement soit dans les fils, raccords, visseries, etc., ce qui limite la puissance moyenne tolérée. La puissance crête maximale tolérée dépend du champ électrique avant amorçage en chaque point de l'antenne, dans les lignes, pointes, guides, supports, isolants. Le point le plus critique est généralement la ligne de transmission, coaxiale ou guide : son diamètre doit être adapté, mais aussi son diélectrique.

Formes et dimension

Une antenne multibandes HF de type Yagi rotative

La forme et les dimensions d'une antenne sont extrêmement variables : celle d'un téléphone portable est quelquefois invisible car à l'intérieur du boîtier ou se limitant à une petite excroissance sur l'appareil, alors que la parabole du radiotélescope d'Arecibo dépasse 300 m de diamètre. Particulièrement grossièrement on peut dire que pour la même fréquence d'utilisation, les dimensions d'une antenne seront d'autant plus grandes que son gain sera élevé et son lobe principal plus étroit.

Les antennes directives peuvent être fixes pour les liaisons point à point, ou rotatives en télécommunications mobiles. Les antennes de poursuite des satellites sont orientables en azimut (direction dans le plan horizontal) et en site (hauteur au-dessus de l'horizon).

Types

Les formes d'antennes sont multiples, mais peuvent être regroupées en familles.

Antennes élémentaires

Les antennes élémentaires peuvent être utilisées isolément ou comme éléments de réseaux, ou comme source d'un dispositif à réflecteur ou à éléments parasites. Ces antennes ne permettent qu'une polarisation linéaire.

Antennes en réseaux

Les antennes élémentaires peuvent être assemblées en réseaux à une ou deux dimensions, augmentant ainsi le gain et la directivité. Le diagramme d'une antenne réseau peut être modulé en modifiant phase et amplitude des excitations individuelles.

Antennes à réflecteurs

En hyperfréquences, les antennes peuvent utiliser des montages identiques à l'optique, avec des réflecteurs plans ou paraboliques.

Antennes pour polarisation circulaire

Une combinaison de deux antennes élémentaires croisées permet d'émettre ou de recevoir en polarisation circulaire. D'autres principes sont spécifiques à la polarisation circulaire.

Antennes à guide d'onde

Antenne à fentes pour onde de 2, 4 GHz

Antennes actives

Une antenne active incorpore un circuit d'augmentcation directement aux limites de l'antenne élémentaire, soit en réception pour adapter l'impédance (en BF par exemple), soit en émission pour permettre la création de diagrammes complexes dans un montage en panneau rayonnant. Ces antennes réseau à commande de phase sont utilisées pour les radars d'observation spatiale ou aéroportés, les radars de détection stratégiques, et peuvent comporter un millier d'éléments actifs.

Antennes raccourcies

L'une des antennes les plus utilisées dans les équipements portables est l'antenne "quart d'onde". Elle utilise l'équipement mobile comme plan de masse, et sa longueur théorique est d'un quart d'onde. En pratique, on peut diminuer toujours sa longueur en intercalant une inductance à sa base. Une autre technique plus récente et plus efficace consiste à réaliser le conducteur avec un enroulement serré, en forme de ressort. La totalité est rendu rigide en entourant cet enroulement avec une membrane plastique. On obtient ainsi l'antenne dite "boudin", utilisée dans les équipements portables. On peut ainsi raccourcir l'antenne d'un facteur de 4. Cette réduction de la taille se paie par une réduction importante de la bande passante.

Antennes à large bande

Dipole hyperfréquence à large bande

Une antenne élémentaire présente une fréquence de résonance et une largeur de bande liées à son rapport longueur/diamètre, En augmentant ce rapport il est envisageable d'obtenir une bande passante de 50 %. Un dipôle à large bande ressemble alors à un haltère en hyperfréquence, ou à un double cône filaire en haute fréquence.

Pour aller au-delà, les antennes spéciales fonctionnant sur une décade ou plus, sont du type antenne log-périodique ou assimilées comme l'antenne discone, l'antenne plate hélicoïdale, etc.

Antennes patch

Avec la miniaturisation des dispositifs de radiocommunication, on a eu besoin de créer des antennes les moins encombrantes envisageable, mais de rendement suffisamment élevé. Ce sont les antennes patch, dont il existe une grande diversité.

En général, une antenne patch se compose d'un élément résonnant positionné au-dessus d'un plan métallique.

Antennes cadres et boucles

Article connexe : Antenne cadre.

Lorsque la longueur d'onde est trop grande comparé aux dimensions envisageables de l'antenne, on utilise les antennes cadres ou boucles. On parle d'antenne cadre si il y a plusieurs spires, et de boucle s'il n'y en a qu'une. Ces antennes sont en fait des circuits résonants qu'on agrandit au maximum pour obtenir un rayonnement. Comme les dimensions restent petites comparé à la longueur d'onde, la résistance de rayonnement reste particulièrement faible, fréquemment inférieure à l'ohm. Le rendement est alors réduit, car la résistance ohmique peut être supérieure à la résistance de rayonnement.

Pour faciliter le rendement, la résistance ohmique doit être minimisée, le cœfficient de surtension est alors élevé, et l'antenne a une bande passante faible.

On utilise ces antennes dans les dispositifs RFID, les lecteurs de cartes à puces radio, dans les télécommandes de petites dimensions, etc...

Antenne ferrite GO

Si on place un bâton de ferrite dans une antenne cadre, il n'est plus indispensable d'agrandir physiquement le diamètre de la bobine, c'est la ferrite qui concentre le champ H : on a alors les antennes utilisées sur les récepteur radio en moyenne fréquence.

Mode d'alimentation

L'antenne est le plus souvent déployée à l'extérieur, ou alors fixée au sommet d'un mât. Pour acheminer vers l'antenne l'énergie à haute fréquence apportée par l'émetteur ou en sens inverse amener le signal capté par l'antenne jusqu'à l'entrée du récepteur, on utilise une ligne de transmission ou un guide d'onde.

Pour obtenir un fonctionnement optimal, l'impédance au point d'alimentation doit être égale à l'impédance caractéristique de la ligne d'alimentation. L'ordre de grandeur des impédances rencontrées est de quelques dizaines (50 ou 75 ohms pour le câble coaxial) et quelques centaines d'Ohms (300 ohms pour une ligne bifilaire). Outre l'adaptation des impédances, une antenne symétrique (comme le doublet demi-onde) doit être alimentée par une ligne symétrique (comme la ligne bifilaire) ou par un dispositif rendant l'alimentation symétrique (balun) et une antenne asymétrique comme l'antenne verticale par une ligne asymétrique : un câble coaxial, par exemple.

Une antenne peut aussi être alimentée par une ligne de transmission à haute impédance, constituée de deux fils parallèles en l'air, d'impédance caractéristique 600 Ohms. L'adaptation à une ligne de transmission classique se fait alors à son extrémité. Ce montage est habituel pour alimenter les éléments individuels d'une antenne rideau.

En hyperfréquences on utilise aussi des guides d'ondes, sortes de tubes de section rectangulaire ou elliptique dans lesquels circulent les ondes. Les guides d'onde permettent d'acheminer les ondes avec des pertes minimales et supportent des puissances élevées (plusieurs MW pour un radar de contrôle aérien par exemple).

Pour permettre le fonctionnement d'une antenne élémentaire sur une large bande de fréquence, un dispositif adaptateur d'antenne peut être inséré, adaptant pour chaque fréquence l'impédance complexe de l'antenne à la ligne de transmission.

Il est à noter que l'EBU facilite par ses prescriptions une tension d'alimentation de 5V pour l'alimentation des (pré-) amplificateurs externes ceci en vue de pourvoir à la protection du rapport signal bruit (S/N) par l'augmentation de l'intensité du courant d'alimentation de l'amplificateur dans la ligne coaxiale et le filtrage (dimensions des condensateurs)

Antennes de réception

Toute antenne d'émission est adaptée à la réception. Cependant certaines antennes utilisées en réception ont un rendement particulièrement faible en émission (antenne Beverage) ou bien ne pourraient supporter une puissance d'émission importante à cause des pertes ou des surtensions trop élevées qui pourraient les détériorer.

Les antennes de réception dites «actives» incorporent un préamplificateur-adaptateur entre l'élément d'antenne et la ligne de transmission. Cet élément actif comporte en outre dans le cas des antennes de télévision satellitaires, un changement de fréquence pour diminuer les pertes de distribution.

En radiodiffusion PO ou GO, les antennes cadre sur ferrite permettent une réception avec une installation plus compacte qu'une antenne filaire, et moins sensible aux parasites. Ces antennes présentent un angle d'annulation, et doivent peut-être être orientées.

En réception, il est habituel qu'une antenne soit utilisée beaucoup en dehors de sa fréquence d'accord. c'est le cas des antennes d'auto-radio dont la fréquence de résonance est proche de la bande de radiodiffusion «FM» (bande des Ondes Ultras Courtes, bande OUC) vers 100 MHz, et qu'on utilise en petites ondes ou même grandes ondes à quelques centaines de kilohertz avec une longueur d'onde de l'ordre du kilomètre.

Champs autour d'une antenne

Article détaillé : propagation des ondes radio.

Une antenne, utilisée en émission, ne crée une onde plane qu'à une certaine distance. On peut distinguer quatre zones dans l'environnement de l'antenne, au fur et à mesure qu'on s'éloigne de celle-ci :

Pour mesurer le gain d'une antenne à grand gain, il est par conséquent important de savoir définir la zone de Fraunhofer. A titre d'exemple, dans l'axe d'une parabole de 1 m de diamètre, et sur 10 GHZ, la zone de Fraunhofer commence à plus de 60 m !

Perturbation d'une antenne par son environnement immédiat

L'environnement proche d'une antenne n'est pas forcément dégagé. Tandis que les antennes fixes aux fréquences élevées sont le plus souvent bien dégagées des obstacles environnants, il n'en est pas de même des antennes des appareils mobiles, fréquemment incorporées dans des dispositifs plus larges. C'est par exemple le cas des petites antennes quart d'onde incorporées dans des dispositifs portables de radiocommunication, ou bien des antennes des modems radio associés aux dispositifs informatiques, fréquemment montées dans des espaces exigüs. D'autre part, les antennes pour les fréquences moyennes et basses, du fait de leurs dimensions, seront influencés par le sol.

Les objets métalliques localisés à une distance de l'ordre de la longueur d'onde pourront produire un effet d'ombre dans la direction reconnue, si leur dimension est elle-même de l'ordre de la longueur d'onde ou plus, mais il s'agit là plutôt de phénomènes de "masque" que de perturbations elles-mêmes.

On sait modifier volontairement les caractéristiques de rayonnement d'un élément rayonnant, par l'adjonction de conducteurs à proximité de cet élément. Par contre, des perturbations cette fois non désirées du fonctionnement même de l'antenne apparaîtront par la présence de corps conducteurs, dans l'environnement immédiat de l'antenne. En règle générale, la fréquence de résonance d'une antenne dépend de la capacité de l'antenne comparé à son environnement, en particulier autour des ventres de tension. Ainsi, si un corps conducteur est proche de l'extrémité de l'antenne (ventre de tension), on observera une diminution de la fréquence de résonance. Si ce corps est de grande dimensions, et relié au sol ou à la masse, on aura en plus un effondrement de la résistance de rayonnement, car les lignes de champ électrique rejoindront la masse par un chemin court, au lieu de se déployer dans l'espace.

La fréquence de résonance d'une antenne dépend d'autre part de l'inductance des parties soumises à un ventre de courant. Ainsi, si un conducteur se trouve positionné parallèlement à un ventre de courant, et si ce conducteur est suffisamment long pour pouvoir être le siège de courants induits, l'inductance de l'antenne diminuera, et sa fréquence de résonance augmentera.

Cela explique que, par exemple pour une antenne quart d'onde, les conducteurs proches n'auront pas le même effet s'ils sont proches du sommet (ventre de tension) ou proches de la base (ventre de courant).

Si c'est la totalité d'une antenne filaire qui est parallèle à un plan conducteur ou à une masse métallique, les deux effets cités ci-dessus se compenseront : la fréquence de résonnance sera peu modifiée. Par contre ce plan conducteur parallèle à l'antenne influencera la résistance de rayonnement. Cette influence deviendra particulièrement importante si la distance au plan est particulièrement inférieure au quart d'onde : dans ce cas, on n'a plus une antenne, mais une ligne, et le rayonnement s'effondrera. Pour les antennes de fréquences basses, parallèles au sol, c'est évidemment le sol qui représentera ce plan conducteur. D'une façon générale, on cherchera presque toujours à maintenir une antenne suffisamment loin du plan de masse ou du sol, afin d'éviter que la résistance de rayonnement ne s'effondre. On peut certes prévoir une ré-adaptation de l'antenne, mais la bande passante de l'antenne sera de toute façon plus faible, et si la résistance de rayonnement n'est plus grande devant la résistance ohmique, le rendement baissera. On cherche quelquefois à diminuer l'encombrement d'une antenne, en la désormais assez proche d'un plan métallique. On devra alors tenir compte de ces problèmes : voir les antennes patch.

Réalisation mécanique

Radôme de Plemeur-Bodou

Selon qu'une antenne est conçue pour la réception de la télévision grand-public ou à un satellite de télécommunication, la qualité (et le coût) de la réalisation ne sera pas la même. La résistance au vent ainsi qu'aux intempéries doivent être spécifiquement soignées pour obtenir une grande fiabilité et stabilité, c'est le cas des antennes à réflecteur parabolique. En altitude il n'est pas rare qu'une antenne soit enrobée de glace, les éléments doivent supporter cette surcharge sans se déformer. Pour éviter les problèmes d'oxydation et d'infiltration d'eau, les éléments alimentés sont fréquemment protégés par un étui isolant. Un radôme est un abri protecteur imperméable utilisé pour protéger une antenne.

Liens externes

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