5ème année du Département Génie Électrique Guillaume VILLEMAUD – Cours d’Antennes 98

Au programme...

On va voir les grandes familles d’antennes à l’origine de l’ensemble des structures rayonnantes : • les antennes filaires (dipôle, monopôle, Yagi) • les antennes à fentes (demi ou quart d’onde) • les antennes patchs (planaires) • les antennes à ouverture (cornet) • les antennes à réflecteurs (paraboles) On terminera ce chapitre par le principe de mise en réseau d’antennes élémentaires et les techniques de formation de faisceaux.

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Les 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.

Les antennes de base sont : les dipôles, les monopôles, les boucles.

Des structures plus évoluées sont : les hélices, les Yaguis, les Log périodiques...

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LE DIPOLE RAYONNANT

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.

l Répartition de courant :

I

  

I m

sin  2    On peut calculer le champ rayonné comme la somme des contributions de doublets élémentaires parcourus par une intensité I(z)

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FONCTION CARACTERISTIQUE DU DIPOLE

Pour visualiser le rayonnement

F

(  ,  ) 

r

60

I



E

avec

E

 

 

dE

.

dz F

   2   sin   0

l

sin  2  

l z

 cos  

z

cos  

dz

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LE DIPOLE DEMI-ONDE

La forme la plus simple de dipôle résonant est une antenne de taille totale  /2, autrement appelée dipôle demi onde.

F

   cos(  2 sin cos   ) La directivité max obtenue est de 1,64 soit 2,15 dBi ou 0 dBd

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IMPEDANCE DU DIPOLE

Demi-onde : Z=73+j42 ohms

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LE DIPOLE EPAIS

Pour adapter un dipôle, on va jouer sur le diamètre des conducteurs (a) par rapport à la longueur des brins (l).

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LE DIPOLE PLUS GRANDS

Fonction caractéristique générale :

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LE MONOPOLE

Principe des images

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CARACTERISTIQUES DU MONOPOLE

Rayonnement dans un demi-espace Gain supérieur de 3 dB Quart d’onde : Z=36,5+j21 ohms

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DIPOLE AU DESSUS D’UN PLAN REFLECTEUR Guillaume VILLEMAUD – Cours d’Antennes 109

DIPOLE REPLIE

Même caractéristiques de rayonnement Impédance 300 ohms Bande passante supérieure

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EFFET D’ELEMENTS PARASITES

Si on place une antenne non alimentée proche du dipôle initial, on alimente celle ci par couplage. En choisissant des tailles légèrement différentes de ces parasites, on peut créer des comportements réflecteur ou directeur.

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L’ANTENNE YAGI-UDA

En combinant l’effet d’éléments réflecteurs et directeurs, on obtient une antenne fortement directive : la Yagi.

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AUTRES ANTENNES FILAIRES (a) (b) (c)

Antenne boucle résonante Antenne hélice Hélice simple • Mode radial • Mode axial Hélices multiples

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LES ANTENNES A FENTES

Illustration du principe de Babinet Dual du  /2 dipôle  /4

(a)

Même comportement que le dipôle mais en inversant les champs E et H.

Du coup, changement également des impédances.

(b) Guillaume VILLEMAUD – Cours d’Antennes 114

COMPARAISON DIPOLE-FENTE Guillaume VILLEMAUD – Cours d’Antennes 115

LES ANTENNES PLANAIRES

Antenne patch Pastille métallique à la surface d’un substrat diélectrique dont la face inférieure est métallisée.

Rayonnement directif Mode fondamental  /2

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LES ANTENNES PLANAIRES

Principe de fonctionnement : cavité à fuites

Z Y X

h

Z

Direction de rayonnement privilégiée

X Guillaume VILLEMAUD – Cours d’Antennes 117

LES ANTENNES PLANAIRES

Systèmes d’alimentations : Sonde d ’alimentation y Ez z E   x Plaque métallique  g/2 Plan de masse Système classique : sonde coaxiale Élément rayonnant Substrat diélectrique   y Placement en fonction de l’impédance et des modes désirés H Plan de masse

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Sonde coaxiale

LES ANTENNES A OUVERTURE

Ouverture progressive d’un guide d’onde vers l’espace libre : antenne cornet.

Exemple du cornet rectangulaire

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Longueur :

CARACTERISTIQUES DU CORNET

Rayonnement : plan H : plan E :

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ANTENNES A SYSTEME FOCALISANT

Les systèmes focalisant utilisent les principes de l’optique : on transforme une onde plane en onde sphérique ou inversement.

Lentille : système focalisant en transmission Parabole : système focalisant en réflexion

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LA PARABOLE

On utilise un réflecteur pour concentrer l’énergie vers une antenne élémentaire placée au foyer.

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SYSTEME A DOUBLE REFLECTEUR

Pour améliorer la focalisation, on peut également utiliser deux niveaux de réflecteurs : principe de l’antenne Cassegrain.

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MISE EN RESEAU D’ANTENNES

Quand on calcule le rayonnement d’une antenne résonante, on somme les contributions de doublets élémentaires qui donnent le rayonnement de l’ensemble. On ne peut alors qu’utiliser des lois de répartitions de ces courants (amplitude et phase) pré déterminées.

La mise à réseau consiste à utiliser des antennes simples dont on somme les contributions en contrôlant les amplitudes et phases avec lesquelles on les alimente.

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PRINCIPE DE COMBINAISON

Si on considère l’association de sources élémentaires isotropes alimentées avec la même amplitude et la même phase, la somme des champs devient : 

E



e



j



r r

 1 

e



j



d

sin  

e



j

2 

d

sin  

e



j

3 

d

sin   ...



e



j

  

d

sin   .



e p

approximation sur l’amplitude  front d’onde d

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FACTEUR DE RESEAU

Le principe de combinaison des champs est le même quelque soit le diagramme de rayonnement des sources. On a alors multiplication par la fonction caractéristique de la source.

F g

   

 1 

e



j



d

sin  

e



j

2 

d

sin  

e



j

3 

d

sin   ...



e



j

  

d

sin  R(  ) facteur de réseau ou facteur de regroupement Multiplication des diagrammes

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AUGMENTATION DE GAIN

On peut utiliser le regroupement pour augmenter le gain d’une antenne.

A partir d’une antenne élémentaire directive, la multiplication par deux du nombre d’élément augmente la directivité par deux.

Ex de réseau de patchs : patch seul : 6 dBi de gain quel gain pour un réseau de 256 ?

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PONDERATION

On peut en plus du principe de regroupement choisir des lois d’alimentations des éléments en amplitude et en phase permettant de modifier le facteur de réseau.

pointage électronique  front d’onde d

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FORMATION DE FAISCEAUX

Pour créer les lois d’amplitudes et phases voulues, on peut utiliser un réseau de distribution fixe ou reconfigurable. antennes multifaisceaux antennes adaptatives

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