Fondamentaux
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LES ANTENNES PowerPoint PPT Presentation


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Fondamentaux. Sur. LES ANTENNES. Plan du Cours. Présentation des activités. Mise en situation et généralités. Rappels Ondes Electromagnétiques. Propriétés et grandeurs caractéristiques. Compléments : Bilan de liaison, Dipôle l /2 Antenne patch Quelques diagrammes en 3D.

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LES ANTENNES

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Presentation Transcript


Les antennes

Fondamentaux

Sur

LES ANTENNES

Ph. GOZLAN IUP GMI/RT Avignon 2007-2008


Plan du cours

Plan du Cours

  • Présentation des activités.

  • Mise en situation et généralités

  • Rappels Ondes Electromagnétiques

  • Propriétés et grandeurs caractéristiques

  • Compléments :

    • Bilan de liaison,

    • Dipôle l/2

    • Antenne patch

    • Quelques diagrammes en 3D

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Les antennes

Présentation

des

activités

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Les antennes

3h

COURS: Connaissances générales sur les antennes

1h30

TD N°1: Série d’exercices sur les dipôles élémentaires, antenne isotrope et portée d’un émetteur.

1h30

TD N°2: Série d’exercices sur les bilans de liaison

1h30

TD N°3: Réalisation et Simulation d’une antenne WIFI sur logiciel MMANA

1h30

CONTRÔLE DE CONNAISSANCES : Sur l’ensemble des points abordés en cours et TD.

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Les antennes

Mise en situation

et

Généralités

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Les antennes

Les antennes au quotidien

Analogique 800 MHz

DECT ~1900 MHz

GSM 900 MHz

DCS 1800 MHz

UMTS 2 GHz

Radar anticollision ~80 GHz

Télépéage ~6 GHz

Ouverture à distance:

433 MHz-868MHz

Wifi/Bluetooth /UWB

2.4 à 6 GHz

TV terrestre 500 MHz

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

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Les antennes

Émetteur

Récepteur

Actionneur

Capteur

Source

« Ondes Electromagnétiques »

Emission/Réception

Lieu B

Lieu A

Câble de liaison

Porteuse

Modulée

Signal modulant

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Les antennes

Une antenne est donc l’interface entre:

Un milieu de propagation guidé (coaxial ou ligne bifilaire)

Un milieu de propagation libre( espace diélectrique).

Une antenne est un dipôle passif. Elle émet (ou reçoit)

des ondes électromagnétiques .

Une antenne se comporte comme un circuit résonnant.

Sa fréquence de résonance et la largeur de sa bande passante dépendent en grande partie de ses caractéristiques dimensionnelles et géométriques.

Une antenne rayonne de façon:

Directive, Omnidirectionnelle, Isotrope.

Bien que dipôle passif on admet qu’elle possède un gain…(voir diagrammes de rayonnement).

Il existe des dizaines de types d’antennes,différenciées par leur fonctionnement,leur géométrie, leur technologie,…

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Les antennes

Rappels

Ondes Electromagnétiques

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Les antennes

C diminue L=Cste

Alors F augmente

« Décharge oscillante »

Première approche simple pour rayonner de l’énergie électromagnétique

C diminue encore (L=Cste)

Alors F augmente la capacité commence à rayonner E

Courant dans L charge C (Inter fermé) et C se décharge dans L(inter ouvert)

L diminue

F augmente encore

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Les antennes

On diminue la surface des armatures de C à la section du brin(rayonnant)

Première approche simple(2).

Ce montage rayonne de l’énergie électromagnétique

L se met à rayonner H

L réduit à sa plus simple « expression »

(simple conducteur)

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Les antennes

d’un champ électrique

d’un champ magnétique

Qui se propagent dans une direction qui est celle

du vecteur de Poynting

Une onde électromagnétique (OEM) est constituée:

Ces trois grandeurs sont complexes (régimes sinusoïdaux).

Dans le vide, ces deux champs sont orthogonaux

et perpendiculaires à la direction de propagation(champs transverses)

Représentation

en coordonnées sphériques

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Les antennes

On définit la longueur d’onde l comme étant la période spatiale de l’OEM.

(Distance parcourue par l’onde pendant une période d’oscillation T)

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Les antennes

Classement des ondes électromagnétiques radio selon leur longueur d’onde

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Les antennes

A.N: m0=4p.10-7 V.s/A.m e0= =8,85542.10-12A.s/V.m=8,85pF/m

Quelques relations importantes.

A « grande distance » de l'antenne le rapport entre l'amplitude des

champs magnétique et électrique est constant. Il est

égal à l'impédance intrinsèque du milieu de propagation que l’on note

Z0 et est définie par la relation suivante:

Z0 : Impédance intrinsèque du milieu de propagation en W

E : Amplitude du champ électrique en V/mH : Amplitude du champ magnétique en At/mm : Perméabilité absolue du milieu de propagatione : Permitivité absolue du milieu de propagationSi le milieu de propagation est le vide ou l'air on a :

Z0=376,7W dans le vide

Cette impédance est à rapprocher de l’impédance caractéristique d’une ligne, sauf que les ondes se propagent dans les trois directions dans l’espace.

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Les antennes

Polarisation d’une onde électromagnétique

La polarisation d’une onde Transverse Electromagnétique(TEM) est le type

de trajectoire que décrit l’extrémité du champ électrique, E,

au cours du temps dans le plan transverse(plan perpendiculaire au

vecteur de Poynting). Il existe trois types de polarisation:

Polarisation Linéaire.

Le champ E n’a qu’une composante variant sinusoïdalement. Sa trajectoire est donc un segment de droite.

La polarisation peut être dans ce cas verticale ou horizontale.

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Les antennes

Polarisation d’une onde électromagnétique(2)

Polarisation circulaire.

Le champ E a deux composantes Eqet Ej de même amplitude et déphasées de 90°. E décrit un cercle.

Polarisation elliptique.

Le champ E a deux composantes Eqet Ej d’ amplitude et de phases quelconques.

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Les antennes

Propriètés

et

Grandeurs caractèristiques

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Les antennes

Caractéristiques technique d’une antenne

pour point d’accès WiFi

Diagrammes de rayonnement

ROS

Gain

Angles d’ouverture

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Les antennes

Antenne Isotrope

Cette antenne possède la propriété de rayonner dans toutes les directions de l’espace. Elle ne possède donc pas de direction de propagation privilégiée. Elle n’est pas directive.

On a coutume de donner le gain en dBi. Il vaut 0 dBi pour cette antenne.

Cette antenne est impossible à réaliser en pratique, mais elle est intéressante comme élément de comparaison et de référence pour le calcul du gain des antennes « réelles ».

Le gain d’une antenne « réelle » est alors exprimé en dBi (Décibel par rapport à l’antenne isotrope) comme on le voit dans la notice technique de l’antenne Wifi.

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Les antennes

Diagrammes de rayonnement.

Cas de l’antenne isotrope.

Pour une puissance émise donnée on mesure le niveau du champ électrique et on détermine à quelle distance « d » ce niveau est de 1V/m.

Puisque le rayonnement est

isotrope, le lieu des points pour lesquels E=1V/m est une sphère

de rayon « d ».

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Les antennes

Diagrammes de rayonnement.

Dans le cas général l’énergie rayonnée se répartit dans des lobes plus ou moins nombreux et importants. Le ou les lobes principaux sont ceux qui sont les plus utiles et il est intéressant de connaître leur direction et leur importance.

Leurs dimensions et leurs dispositions sont représentées sur un diagramme de rayonnement.

Ce dernier contient assez d’information pour estimer les possibilités d’une antenne.

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Les antennes

Diagrammes de rayonnement(2).

Représentation en 2D.

Finalement un diagramme de rayonnement est une représentation 3D (sphère dans le cas de l’antenne isotrope) des possibilités de « fonctionnement » d’une antenne.

Toutefois pour étudier plus facilement le rayonnement d’une antenne on a besoin de connaître:

A) Le ou les angles que forment les lobes principaux par rapport à l’horizontale(angles de départ des ondes vers les couches ionisées). On représente alors le diagramme de rayonnement vertical.

Remarque: Ce plan est noté E plane car c’est aussi celui du champ électrique(Eq).

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Les antennes

Lobes principaux identiques et symétriques

Diagrammes de rayonnement(3).

Exemple de diagramme dans le plan vertical

Rayonnement de l’antenne isotrope

Antenne vue en bout

Rayonnement de l’antenne en espace libre

Gain dû à l’effet « réflecteur du sol »

Angle de départ

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Les antennes

Lobes principaux identiques et symétriques

Diagrammes de rayonnement(4).

B) La ou les directions dans lesquelles elle disperse l’énergie qui lui est fournie. On utilise pour cela une représentation du rayonnement dans un plan horizontal. On représente alors le diagramme de rayonnement horizontal pour q donné.

Remarque: Ce plan est noté H plane car c’est aussi celui du rayonnement du champ magnétique (Hj).

Dipôle rayonnant

Angle

d’ ouverture

Niveau de

-10dB

Exemple de diagramme dans le plan horizontal

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Les antennes

Diagrammes de rayonnement(4).

(Dipôle vertical en espace libre )

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Les antennes

Diagrammes de rayonnement(5).

Diagramme dans le plan vertical

Diagramme dans le plan Horizontal

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Les antennes

Diagrammes de rayonnement(6).

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Les antennes

Grandeurs caractéristiques et Notations utilisées.

  • p(r,q,j): Densité de puissance radiale [W/m2]

  • PF: Puissance Fournie à l’antenne [W]

  • PE: Puissance Emise [W]

  • PR: Puissance Reçue [W]

Aune distance r la densité de puissance d’une antenne isotrope est donnée par la relation suivante:

Surface de la sphère de rayonnement

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Les antennes

Directivité des antennes(1)

On dit qu’une antenne est directive lorsqu’elle concentre l’énergie qu’elle rayonne dans une direction particulière de l’espace.

Par analogie, un projecteur de lumière concentre cette dernière en un faisceau étroit alors qu’un lustre doit éclairer la totalité d’une pièce.

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Les antennes

Lobe principal

Axe du

Lobe principal

Lobe secondaire

Directivité des antennes(2)

Mesure de la directivité d’une antenne

En réception, lorsqu’on tourne une antenne pour l’écarter de la direction du signal reçu(que ce soit vers la gauche ou vers la droite), le signal diminue progressivement. Lorsque le niveau de ce dernier à perdu 3dB(moitié de la puissance), on mesure l’angle formé par l’axe du lobe principal de l’antenne d’émission avec la direction du signal. On caractérise cette directivité par un angle d’ouverture dans le plan horizontal(directivité horizontale).

Angle d’ouverture

Exemple d’ antenne symétrique:

Plus l’ange d’ouverture est faible plus l’antenne est directive.

Notation anglosaxone: HPBWA.

Half Power Beam Width Azimut.

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Les antennes

Exemple :

Directivité des antennes(3)

Directivité dans le plan vertical.

On peut également définir un angle d’ouverture dans le plan vertical:

Angle d’ouverture en site ou élévation.

Axe du

Lobe principal

Notation anglosaxone: HPBWE.

Half Power Beam Width Elevation.

Angle de départ

Angle d’ouverture

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Les antennes

Par définition:

Directivité des antennes(4)

On considère ici que piso représente la densité de puissance émise par une antenne isotrope qui émettrait la même puissance PE que l’antenne concernée.

La directivité précise donc dans quelle(s) direction(s) la densité de puissance de l’antenne est meilleure ou moins bonne que l’antenne isotrope.

Note:

La directivité D ne dépend pas de r car les deux densités de puissance décroissent en 1/r2.

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Les antennes

Gain d’une antenne(1).

Analogie

Considérons une ampoule de lampe de poche alimentée avec une pile.

L'ampoule rayonne l’énergie lumineuse dans toutes les directions (ou presque) de l’espace dans lequel elle se trouve.

Si on place maintenant un réflecteur derrière l’ampoule, les rayons lumineux vont être concentrés vers une direction privilégiée.

La puissance dissipée est la même mais l'éclairement dans l'axe

du réflecteur sera plus élevé au détriment des autres directions,

en particulier de l'arrière du réflecteur.

Pour les antennes, un phénomène identique se produit.

Le rayonnement arrière de l’antenne est caractérisé par la grandeur

« front to back ratio » ou « rapport Avant/Arrière(voir diagramme de rayonnement).

Note: On évoque parfois le rapport Avant/Cotés. Ce dernier exprime l’atténuation des signaux provenant de la droite et de la gauche de la direction privilégiées de l’antenne.

ON AMÉLIORE LE GAIN D’UNE ANTENNE EN CONCENTRANT L’ÉNERGIE RAYONNÉE DANS UN LOBE PRINCIPAL.

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Les antennes

Gain directif:

Gain d’une antenne(2)

Gain :

Rappel: Une antenne est un élément purement passif qui n’amplifie pas le signal. Son « gain » par définition, représente la concentration de puissance dans une direction donnée par référence à une antenne isotrope sans perte .

On déduit la densité de puissance d’une antenne par rapport à la puissance fournie PF:

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Les antennes

Rapport d’Ondes Stationnaires ROS(1)

Le ROS (SWR=Standing Wave Ratio)indique si le fonctionnement de l’étage d’alimentation d’une l’antenne est correct. Il est important de le connaître car selon sa valeur, l’antenne peut être reliée ou non à un émetteur…

On essayera d’obtenir toujours 1<ROS <2.

  • Un ROS plus grand provoque:

  • des surtensions au niveau de l’étage PA(Power Amplifier) et un risque de destruction de ce dernier.

  • Un mauvais rendement de l’alimentation de l’antenne. L’émetteur ne pourra pas débiter toute sa puissance. Ainsi un émetteur de 100W pourrait débiter quelques watts.

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Les antennes

Rapport d’Ondes Stationnaires ROS(2)

  • Une onde stationnaire résulte de la « superposition » de deux ondes :

  • Une onde progressive,

  • Une onde réfléchie

  • Elle présente selon les caractéristiques de l’extrémité, des nœuds(amplitude mini de l’onde) et des ventres(amplitude maxi de l’onde) plus ou moins visibles et prononcés.

Nous allons considérer ici que l’onde se propage sur une ligne d’impédance caractéristique ZC, fermée sur une impédance Z.

Z dans notre cas est l’impédance du dipôle antenne concerné.

Z= R+jX

Pour obtenir le meilleur ROS il faudra adapter l’impédance de l’antenne à l’impédance de la ligne qui amène l’énergie.

Si l’on y parvient parfaitement l’onde d’alimentation de l’antenne est progressive et toute la puissance est transmise à l’antenne au pertes près de l’antenne.

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Les antennes

Rapport d’Ondes Stationnaires ROS(3)

La composante résistive de l’antenne R est en fait la somme d’une résistance de pertes RP et d’une résistance de rayonnement RR.

Ces dernières sont des résistances fictives imaginées pour faciliter la compréhension du fonctionnement d’une antenne.

La réactance de l’antenne est non désirée. Dans le cas des antennes résonantes on essaye de l’éliminer.

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Les antennes

Rapport d’Ondes Stationnaires ROS(4)

Le graphique ci-dessous donne l’évolution de l’impédance en fonction de la longueur de l’antenne

Au voisinage de L=(2n+1)l/2

X #0

Au voisinage de L=2nl/2

X #0

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Les antennes

Rapport d’Ondes Stationnaires ROS(4)

Il est parfois intéressant de relever le ROS en fonction

de la fréquence

On détermine alors la bande passante de l’antenne si l’on

ne dépasse pas un ROS de 2.

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Les antennes

Le rendement d’une antenne est défini par:

La puissance rayonnée PE pour un courant Ieff donné est la suivante:

La puissance nécessaire à fournir PF pour ce même courant est :

Calcul du rendement

[W]

[W]

Soit enfin:

[%]

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Les antennes

Compléments

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Les antennes

Bilan de liaison

(Bases)

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Les antennes

En Watt

En Watt /m2

Puissance Isotrope Rayonnée Équivalente(PIRE ou EIRP)

Dans la direction optimale du lobe principal, le gain directif G(q, j) est égal à G0. On définit la PIRE de la manière suivante:

Dans cette direction privilégiée, on a donc la densité de puissance suivante:

Dans le cas des antennes paraboliques on cherche l’orientation dans la direction choisie qui conduit à G(q,j)=G0. Dans ce cas la connaissance de la PIRE suffit pour connaître la densité de puissance à une distance r quelconque.

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Les antennes

Récepteur

Émetteur

La surface équivalente ou surface de captation de l’antenne est définie par:

En m2

On montre que la surface équivalente est également liée au gain GR(q,j) par la relation:

En m2

Surface équivalente.

Considérons une antenne qui capte une onde dont la densité de puissance vaut p(r,q,j) et fournissant une puissance PR.

p, PR, GR

PF, PE, GE

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Les antennes

Affaiblissement en espace libre(1).

Ce qui suit s ’applique particulièrement aux liaisons à visibilité directe(propagations troposphériques, faisceaux hertziens, liaisons par satellite,etc.,). On néglige l’influence du sol et les pertes atmosphériques.

Coté émetteur

Notations utilisées:

PF:Puissance fournie en W

PdBWF: Puissance fournie en dBW

GE: Gain de l’antenne d’émission

GdBE: Gain de l’antenne d’émission en dB

Coté récepteur

PR:Puissance reçue en W

PdBWF: Puissance reçue en dBW

GR: Gain de l’antenne de réception

GdBR: Gain de l’antenne de réception en dB

r: Distance entre les deux antennes en m

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Les antennes

soit

soit

Affaiblissement en espace libre(2).

Les gains en dB et les puissances en dBW répondent aux relations suivantes:

L’affaiblissement de la liaison, exprimée en dB est:

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Les antennes

On sait que:

et que

En somme

(Formule de FRIIS)

Affaiblissement en espace libre(3).

Expression de la puissance reçue PR

La densité de puissance reçue est fonction de la densité de puissance émise par l’antenne. Or PE= PF.GE donc:

Soit enfin

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Les antennes

s’appelle « affaiblissement isotrope » Aiso

Le terme

On le trouve parfois sous le terme de perte en espace libre noté LS

Affaiblissement en espace libre(4).

Expression qui s’écrit encore:

Conclusion :

Si l’on connaît la puissance d’émission et l’affaiblissement on déduit assez facilement la puissance de réception.

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Les antennes

Antenne dipôle

demi-onde

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Les antennes

Dipôles verticaux d’émetteur FM

Dipôle l/2(1)

Ce dipôle est également une antenne de référence dans le domaine des radiocommunications

La longueur totale du brin rayonnant est une demi-longueur d’onde

Ainsi pour une fréquence de 100MHz par exemple L=1,5m et

pour une autre de 1GHz L=15cm.

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Les antennes

Dipôle l/2(2)

C’est une antenne résonante qui se comporte comme un circuit RLC série.

Son impédance n’est pas parfaitement réelle à la fréquence de résonance. Elle est constituée d’une partie réactive qui peut être réduite en raccourcissant légèrement l’antenne.

Son gain est de 1,64 soit 2,1dBi.

Sa bande passante est assez faible: 10%f

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Les antennes

Dipôle l/2(3)

Diagramme de rayonnement.

  • L’antenne dipôle est largement utilisée en radiodiffusion car:

  • Son rayonnement est omnidirectionnel dans un plan horizontal,

  • Elle rayonne très peu dans la direction de son axe,

  • Sa directivité est bien adaptée pour la couverture d’un territoire,

  • Elle est facile à réaliser et peut encombrante.

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Les antennes

Antenne patch

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Les antennes

Largeur w

Longueur l

Antenne patch(1)

Il est possible de réaliser des structures résonnantes en surface.

La plus simple est de forme rectangulaire. Cette dernière est déposé sur un substrat de permittivité relative donnée er.

Il y a résonance si:

l=l/2

et

w=0,5.l à 2.l

L’impédance de la structure dépend de w!

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Les antennes

Antenne patch(2)

Diagramme de rayonnement.

  • Le rayonnement est :

  • Perpendiculaire à la surface du patch,

  • presque circulaire,

  • L’angle d’ouverture est compris entre 50° et 80°.

  • Exemple: antenne GSM.

  • f de travail =1575Hz

  • l=1,5cm,

  • G=28dB

  • Alimentation 3 à 5V 14mA.

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Les antennes

Trajets identiques AB=AC=AD=

Diagramme de directivité patch 6x6

patch 2x4

Antenne patch(3)

Assemblage de patchs

Si on assemble plusieurs patchs sur une même surface on peut réaliser des diagrammes de directivité « à la demande ».

La directivité donc le gain augmente avec le nombre de patchs

L’alimentation des patchs doit se faire en phase ce qui impose des longueurs de trajets identiques pour le signal.

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Les antennes

Dipôle horizontal : effet de sol (en UHF)

A 3 mètres du sol :

Gmax=7,92dBi sur 180°

Espace Libre :

Gmax=2,14dBi sur 360°

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Les antennes

Dipôle Vertical : effet de sol (en UHF)

A 3 mètres du sol :

Gmax=6,51dBi sur 180°

Espace Libre :

Gmax=2,14dBi sur 360°

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Les antennes

Antenne Yagi 5 brins : directivité (en UHF)

Gmax=10,6dBi

dans une seule direction

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Les antennes

Antenne Yagi 5 brins : Effet de sol

A 3 mètres du sol : Gmax=16dBi angle réduit

Gmax=10,6dBi

dans une seule direction

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Les antennes

Fin...

Merci pour votre attention

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Les antennes

  • Références:

    • Denis Prêtre ARC -ingénierie Cours Antennes,

    • GERARD Magret - Les Antennes pour radio modélisme

    • Guillaume Villemaud - Cours d’antennes INRIA,

    • Jean-Marie Gorce - Les antennes Partie2 CITI INSA Lyon,

    • Divers très bons sites de radioamateurs,

    • Jean-Philippe Muller –Les antennes « 3w.ta-formation.com »

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