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Guillaume VILLEMAUD – Cours d’Antennes 1 4ème année du Département Génie Électrique

Guillaume VILLEMAUD – Cours dAntennes 1 4ème année du Département Génie Électrique

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4ème année du Département Génie Électrique

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De quoi allons-nous parler ?De quoi allons-nous parler ?

Nous allons parler des antennes (ou aériens), dispositifs permettant la transposition d’une énergie guidée en un champ électromagnétique rayonné en espace libre (ou inversement).

Il existe une multitude de types d’antennes, de tailles et de formes très diverses, aux modes de fonctionnement plus ou moins complexes. Nous allons définir les caractéristiques et propriétés communes à ces différents dispositifs ainsi que leurs domaines d’applications.

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Les antennes au quotidienLes antennes au quotidienAnalogique 800 MHzDECT ~1900 MHz

Radar anticollision ~80 GHzTélépéage ~6 GHzOuverture à distance 433 MHz

GSM 900 MHzDCS 1800 MHzUMTS 2 GHz

Systèmes satellites 1 à 45 GHz (Ex : Télévision 12 GHz, GPS 1.5 GHz)

TV terrestre 500 MHz

Wifi / Bluetooth / UWB2.4 à 6 GHz

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Navire militaireNavire militaire

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Miroir sphérique fixe, d'axe nord-sud (hauteur 35 m, longueur 300 m, précision de surface 3 mm; rayon 560 m)

Miroir plan mobile autour d'un axe est-ouest (hauteur 40 m ; longueur 200 m ; précision de surface 4 mm; poids 700 t)

Foyer de l'antenne, cornets de réception et préamplificateurs refroidis à – 250 °C mobiles sur un arc de 250 m

Radiotélescope 1 à 3,5 GHzRadiotélescope 1 à 3,5 GHz

Centre de Nançay (Cher)

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Problème principal : l’énergieProblème principal : l’énergie

120 dBm

100

80

60

40

20

3 MHz100m

30 MHz10m

300 MHz1m

3 GHz10 cm

30 GHz1 cm

300 GHz1 mm

TV VHF

Amateurs

Amateurs GSM

TV UHF

Radars militaires Satellites

Four

Télépéage

DECT

TFTS

0

1W

1mW

1MW

1KW

1GWRadars météo

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1fW

PuissanceIsotrope

1pW

1µW

1mW

1W

1kW

1MW

1GW

Signal d’entrée

Ampli terre

Antenne terrestre

Signal capté

Gain antenne

Ampli

Antenne satellite

Gain antenne

Low Noise amplifier

Signal de sortie

Signal capté par la terre

Ex : Communication Terre-satelliteEx : Communication Terre-satellite

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Partie émission :

La chaîne de transmission radioLa chaîne de transmission radio

signal utile

Mod

synthé

Cod antenneduplexeur ampli circulateur

Partie réception :

signal utile

Démod

synthé

Décodantenne duplex ampli

BBfo

fi

LNA

ampli

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canal radio

Exemple d’un GSMExemple d’un GSM

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Propagation guidée Propagation guidéePropagation espace libre

La chaîne de transmission radio :

émetteur RF récepteur RF

num/analog analog/num

canal radio

Les « boîtiers » contenant l’électronique sont reliés aux antennes via des lignes ou câbles (feeders).D’un point de vue traitement du signal, l’ensemble des déformations de l’onde engendrées par la propagation guidée+libre forme le canal radio.

Notion de canal radioNotion de canal radio

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Où se perd l’énergie ?Où se perd l’énergie ?

désadaptation désadaptation

Milieu de propagation

Réflexions, diffractions, trajets multiples, obstacles, diffusion, évanouissement, AEL, conditions météos...

atténuation, dispersion atténuation, dispersion

bruit des composants

bruit des composants

Et tous ces paramètres varient en fonction de la fréquence, du temps et même de la polarisation de l’onde.

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Domaines abordésDomaines abordés

Pour comprendre les phénomènes régissant le fonctionnement des antennes ainsi que leur intégration dans un système de communication, les pré-requis sont :

• des connaissances de base de l’électromagnétisme (équations de Maxwell, propagation des ondes EM...);

• la bonne compréhension des principes des lignes de transmission et surtout de l’adaptation en impédance des systèmes (ondes progressives, ondes stationnaires...);

• savoir prendre du recul : les antennes représentent une application pratique des équations de Maxwell où l’on peut « voir » les phénomènes physiques sans rester purement dans les calculs théoriques.

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Plan détailléPlan détaillé10h de cours : 8h (G. Villemaud) + 2h (J.M. Gorce)

Antennes et Propagation Modélisation (application GSM)

3 grandes parties : Principes des antennesCaractéristiques des antennesDifférents types d’antennes

Principes des antennes :Passage propagation guidée/espace libreLe champ EM et les zones de rayonnementLe doublet élémentaireLes théorèmes fondamentauxNotion de front d’ondeLa polarisation

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Caractéristiques des antennes :Impédance d’entrée / notion de circuitFonction caractéristique de rayonnementPuissance rayonnéeDirectivité et gainBilan de liaison

Plan détailléPlan détaillé

Types d’antennes :Antennes filairesAntennes à fentesAntennes patchsAntennes à réflecteurMise en réseau