Guillaume VILLEMAUD – Cours dAntennes 98 4ème année du Département Génie Électrique

Guillaume VILLEMAUD – Cours d’Antennes 1

4ème année du Département Génie Électrique


Au programme...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.


Les antennes filairesLes 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...


LE DIPOLE RAYONNANTLE 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.

zlIzI m 2sin

Répartition de courant :l

On peut calculer le champ rayonné comme la somme des

contributions de doublets élémentaires parcourus par une

intensité I(z)


FONCTION CARACTERISTIQUE DU DIPOLEFONCTION CARACTERISTIQUE DU DIPOLE

,60

),( EI

rF Pour visualiser le rayonnement

dzdEE .,avec

l

dzzzlF0

coscos2sinsin2


LE DIPOLE DEMI-ONDELE DIPOLE DEMI-ONDE

générateurplan de masse

monopôle

Irayonnement

générateur

I

dipôle

rayonnement

(a) (b)

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

onde.

sin

)cos2

cos(F

La directivité max obtenue est de 1,64 soit 2,15 dBi ou 0 dBd


IMPEDANCE DU DIPOLEIMPEDANCE DU DIPOLE

Demi-onde : Z=73+j42 ohms


LE DIPOLE EPAISLE DIPOLE EPAIS

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


DIPOLES PLUS GRANDSDIPOLES PLUS GRANDS

Fonction caractéristique générale :












LE MONOPOLELE MONOPOLE


monopôle

Irayonnement

générateur

I

dipôle

rayonnement

(a) (b)


monopôle

Irayonnement

générateur

I

dipôle

rayonnement

(a) (b)

Principe des images


CARACTERISTIQUES DU MONOPOLECARACTERISTIQUES DU MONOPOLE

Rayonnement dans un demi-espace

Gain supérieur de 3 dB

Quart d’onde : Z=36,5+j21 ohms


DIPOLE AU-DESSUS D’UN PLAN REFLECTEURDIPOLE AU-DESSUS D’UN PLAN REFLECTEUR


DIPOLE REPLIEDIPOLE REPLIE

Même caractéristiques de rayonnement

Impédance 300 ohms

Bande passante supérieure


EFFET D’ELEMENTS PARASITESEFFET 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.


L’ANTENNE YAGI-UDAL’ANTENNE YAGI-UDA

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

Réflecteur


AUTRES ANTENNES FILAIRESAUTRES ANTENNES FILAIRES

(a) (b) (c)

Antenne boucle résonante Antenne hélice

Hélices multiples

Hélice simple

• Mode radial• Mode axial


LES ANTENNES A FENTESLES ANTENNES A FENTES

(b)(a)

Dual du dipôle/2 /4

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

Du coup, changement également des impédances.

Illustration du principe de Babinet


COMPARAISON DIPOLE-FENTECOMPARAISON DIPOLE-FENTE


LES ANTENNES PLANAIRESLES ANTENNES PLANAIRES

patch

x

y

z

O

substrat

plan de masse

rayonnementxOz

rayonnement

yOz

Antenne patch

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

Rayonnement directifMode fondamental /2



Principe de fonctionnement : cavité à fuites

h

Z

XY

Z

X

Direction de rayonnement privilégiée



H

Plan de masse

Substrat diélectrique Élémentrayonnant ( )r

Sondecoaxiale

Systèmes d’alimentations :

Ez

y

x

g/2

Sonde d ’alimentation

Plan de masse

Plaque métalliquey

z

E

Système classique : sonde coaxiale

Placement en fonction de l’impédance et des modes désirés


LES ANTENNES A OUVERTURELES ANTENNES A OUVERTURE

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

Exemple du cornet rectangulaire


CARACTERISTIQUES DU CORNETCARACTERISTIQUES DU CORNET

Longueur :

plan H : plan E :

Rayonnement :


ANTENNES A SYSTEME FOCALISANTANTENNES 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


LA PARABOLELA PARABOLE

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

Approximation :

avec k entre 0.5 et 0.8


SYSTEME A DOUBLE REFLECTEURSYSTEME A DOUBLE REFLECTEUR

Pour améliorer la focalisation, on peut également utiliser deux niveaux de réflecteurs : principe de

l’antenne Cassegrain.


MISE EN RESEAU D’ANTENNESMISE 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.


PRINCIPE DE COMBINAISONPRINCIPE 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 :

front d’onde

d

pdnjdjdjdj

rj

eeeeere

E

....1 sin1sin3sin2sin

approximation sur l’amplitude


FACTEUR DE RESEAUFACTEUR 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.

sin1sin3sin2sin ...1,, dnjdjdjdjg eeeeFF

R()facteur de réseau ou

facteur de regroupement

Multiplication des diagrammes


AUGMENTATION DE GAINAUGMENTATION 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 gainquel gain pour un réseau de 256 ?


PONDERATIONPONDERATION

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.

front d’onde

d

pointage électronique


FORMATION DE FAISCEAUXFORMATION DE FAISCEAUX

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

reconfigurable.

antennes multifaisceauxantennes adaptatives

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