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Antenne

En radioélectricité, une antenne est un dispositif permettant de rayonner (émetteur) ou de capter (récepteur) les ondes électromagnétiques.

Heinrich Hertz (1857-1894) utilisa pour la première fois, en 1889, des antennes pour démontrer l'existence des ondes électromagnétiques prédites par la théorie de James Clerk 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 (En radioélectricité, une antenne est un dispositif permettant de rayonner (émetteur) ou de capter (récepteur) les ondes...) fut utilisé par Guglielmo Marconi (1874-1937).

L'antenne est un conducteur électrique plus ou moins complexe généralement placé dans un endroit dégagé.

Elle se définit par les caractères listés dans le sommaire suivant.

Antennes pour radiodiffusion
Antennes pour radiodiffusion

Bande de fréquence d'utilisation

L'antenne doublet est un dipôle électrique qui se comporte comme un circuit résonant. La fréquence de résonance de l'antenne dépend d'abord de ses dimensions (Dans le sens commun, la notion de dimension renvoie à la taille ; les dimensions d'une pièce sont sa longueur, sa largeur et sa profondeur/son épaisseur, ou bien son diamètre si c'est...) mais aussi des éléments qui lui sont ajoutés. Par rapport à la fréquence de résonance centrale de l'antenne, on peut tolérer un certain affaiblissement (généralement 3 décibels) qui détermine la fréquence minimum et la fréquence maximum d'utilisation ; la différence entre ces deux fréquences est la bande passante (La bande passante (angl. bandwidth) est un intervalle de fréquences pour lesquelles la réponse d'un appareil est supérieure à un minimum. Elle est généralement confondue avec la...).

Il est fréquent qu'une antenne soit utilisée en réception largement en dehors de sa bande passante, c'est le cas des antennes d'auto-radio dont la fréquence de résonance se situe souvent à plus de 200 MHz et que l'on utilise pour l'écoute de la bande de radiodiffusion « FM » (bande des Ondes Ultras Courtes, bande OUC) vers 100 MHz, voire la gamme des grandes ondes ne dépassant pas quelques centaines de kilohertz.

Certaines antennes dites multibandes peuvent fonctionner correctement sur des segments discontinus sans dispositif particulier. D'autres nécessitent l'emploi d'un circuit adaptateur d'impédance pour fonctionner correctement.

Certaines antennes sont sensibles au champ (Un champ correspond à une notion d'espace défini:) magnétique de l'onde (Une onde est la propagation d'une perturbation produisant sur son passage une variation réversible de propriétés physiques locales. Elle transporte de l'énergie sans transporter de matière.) reçue, c'est le cas des antennes « cadre » accordées par un condensateur (Un condensateur est un composant électronique ou électrique dont l'intérêt de base est de pouvoir recevoir et rendre une charge électrique, dont la valeur est proportionnelle à la...) variable (En mathématiques et en logique, une variable est représentée par un symbole. Elle est utilisée pour marquer un rôle dans une formule, un prédicat ou un algorithme. En...) ou celles constituées d'un barreau de ferrite autour (Autour est le nom que la nomenclature aviaire en langue française (mise à jour) donne à 31 espèces d'oiseaux qui, soit appartiennent au genre Accipiter, soit constituent les 5 genres Erythrotriorchis,...) duquel est bobinée une self. Elles sont directives et leur utilisation nécessite de les orienter correctement (axe du bobinage parallèle au champ magnétique de l'onde (Une onde est la propagation d'une perturbation produisant sur son passage une variation réversible des propriétés physiques locales. Elle transporte de l'énergie sans...) électromagnétique).

Polarisation ( la polarisation des ondes électromagnétiques ; la polarisation dûe aux moments dipolaires dans les matériaux...)

La polarisation d'une antenne est celle du champ électrique E de l'onde qu'elle émet. Un dipôle demi-onde horizontal (Horizontal est une orientation parallèle à l'horizon, et perpendiculaire à la verticale. Une ligne horizontale va « de la gauche vers la droite » ou vice versa.) a donc une polarisation horizontale. Certaines antennes ont une polarisation elliptique ou circulaire comme l'antenne hélice ou la double-yagi dont les plans sont perpendiculaires. Le fait d'utiliser deux antennes de polarisations différentes pour réaliser une liaison introduit des pertes supplémentaires importantes.

voir aussi la polarisation et les émetteurs de télévision

Directivité et diagramme (Un diagramme est une représentation visuelle simplifiée et structurée des concepts, des idées, des constructions, des relations, des données...) de rayonnement (Le rayonnement, synonyme de radiation en physique, désigne le processus d'émission ou de transmission d'énergie impliquant une particule porteuse.)

L'antenne isotrope, c'est-à-dire rayonnant de la même façon dans toutes les 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 permet de visualiser ces lobes dans les trois dimensions, dans le plan horizontal ou dans le plan vertical (Le vertical (rare), ou style vertical, est un style d’écriture musicale consistant en accords plaqués.) incluant le lobe le plus important. La proximité et la conductibilité du sol ou des masses conductrices environnant l'antenne peuvent avoir une influence importante sur la forme du diagramme de rayonnement.

Directivité

Différents patrons d'émission d'antennes
Différents patrons 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 toutes les directions du plan horizontal.
  • Une antenne directive possède un ou deux lobes nettement plus importants que les autres qu'on nomme lobes principaux. Elle comporte également des lobes secondaires qu'on tente de minimiser. Elle sera d'autant plus directive que le lobe le plus important sera étroit. Si la station radio captée ne se trouve pas toujours dans la même direction il peut être nécessaire d'orienter l'antenne en la faisant tourner avec un moteur (Un moteur (du latin mōtor : « celui qui remue ») est un dispositif qui déplace de la matière en apportant de la puissance. Il effectue ce travail à partir d'une énergie (éolienne, chimique,...).

Certaines antennes de poursuite de satellites sont orientables en azimut (L’azimut est l'angle horizontal entre la direction d'un objet et une direction de référence.) (direction dans le plan horizontal) et en site (hauteur au-dessus de l'horizon). La radiogoniométrie utilise des antennes directives pour déterminer la direction d'un émetteur. Les radars utilisent des antennes dont le patron d'émission et de réception est hautement directionnel.

Gain

Le gain d'une antenne par rapport à l'antenne isotrope est ce qui caractérise le lobe principal. Il est dû au fait que l'énergie est focalisée dans une direction, comme l'énergie lumineuse d'une bougie (La bougie est un objet servant en général à éclairer, composé d'un corps gras et d’une mèche enflammée. Elle a été inventée au milieu du Moyen Âge. Son...) peut être concentrée grâce à un miroir (Un miroir est un objet possédant une surface suffisamment polie pour qu'une image s'y forme par réflexion et conçu à cet effet. C'est souvent une couche métallique...) ou une lentille convergents. Il s'exprime en dBi (décibels par rapport 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. Les mesures sur les antennes sont effectuées en espace libre ou en chambre anéchoïde.

Une direction où le gain est faible peut être mise à profit pour éliminer un signal ( Termes généraux Un signal est un message simplifié et généralement codé. Il existe sous forme d'objets ayant...) gênant (en réception) ou pour éviter de rayonner dans une région où il pourrait y avoir interférence avec d'autres émetteurs.

Forme et dimensions

La forme et les dimensions d'une antenne sont extrêmement variables : celle d'un téléphone portable se limite à une petite excroissance sur le boîtier de l'appareil tandis que la parabole (La parabole est l'intersection d'un plan avec un cône lorsque le plan est parallèle à l'une des génératrices du cône. Elle est un type de courbe dont les nombreuses...) du radiotélescope d'Arecibo dépasse 300 m de diamètre. Très 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, à cause de l'utilisation d'éléments réflecteurs comme celui de l'antenne parabolique, par exemple.

L'antenne demi-onde ou doublet, comme son nom l'indique, a une longueur (La longueur d’un objet est la distance entre ses deux extrémités les plus éloignées. Lorsque l’objet est filiforme ou en forme de lacet, sa longueur est celle de l’objet...) presque égale à la moitié de la longueur d'onde pour laquelle elle a été fabriquée.

La longueur électrique de l'élément d'une antenne peut être augmentée en insérant une bobine en série avec le fil conducteur ou en ajoutant une armature de condensateur à l'extrémité de celui-ci.

Types d'antennes

L'antenne de base est l'antenne dipolaire. Une bonne partie des autres types d'antenne (mais pas toutes) sont de variations ou de combinaison (Une combinaison peut être :) de dipôles.

Il existe des dizaines de types d'antennes, différents par leur fonctionnement, leur géométrie, leur technologie (Le mot technologie possède deux acceptions de fait :)...
Quelques exemples :

  • antenne d'intérieur pour TV, appartement ou grenier (Le grenier (latin granarium) est un local hors-sol destiné au stockage du grain. Il peut être intégré à un bâtiment, ou constituer une petite construction indépendante (grenier à...) TV ;
  • antenne en parapluie ou en nappe pour ondes kilométriques ;
  • antenne boucle de différentes formes, arrondies en principe, mais avec des parties pouvant être rectilignes), verticale (La verticale est une droite parallèle à la direction de la pesanteur, donnée notamment par le fil à plomb.) ou horizontale ;
  • antenne dipolaire, antenne filaire de base ;
  • antenne doublet filaire pour ondes décamétriques ;
  • antenne yagi-uda à éléments parasites, très directive et à gain important. C'est le râteau utilisé pour la réception de la TV analogique (Le concept d'analogique est utilisé par opposition à celui de numérique.) ou numérique ;
  • antenne quart d'onde verticale omnidirectionnelle pour très hautes fréquences (THF ou VHF) ;
  • antenne rideau ou colinéaire à la directivité très marquée ;
  • antenne cadre magnétique, de dimensions réduites, comportant souvent un barreau de ferrite ;
  • antenne diélectrique ou par ondes de surface ;
  • antenne hélice pour ondes décimétriques, très directive ;
  • antenne parabolique utilisable au dessus d'un GHz (hyperfréquences) Wifi, ISM, transmissions par satellite (Satellite peut faire référence à :), bandes S, C, Ku, Ka ;
  • antenne à fentes applications Wifi, ISM, bandes S, C, Ku, Ka ;
  • antenne quad applications Wifi, ISM bande des 2,4 GHz, TNT ondes courtes bande L (antenne cubical quad)
  • antenne cornet à partir de la bande S ;
  • antenne cornet-entonnoir à partir de la bande S ;
  • antenne patch à partir de 1,2 GHz ;
  • antenne dièdre, à partir de 1,2 GHz ;
  • antenne isotrope, un modèle théorique qui sert de référence ;
  • réseau d'antennes, antenne formée par un réseau d'antennes.
  • antenne réseau à commande de phase (Le mot phase peut avoir plusieurs significations, il employé dans plusieurs domaines et principalement en physique :) qui est formée d'un groupe d'émetteurs indépendants que l'on peut alimenter de façon variable de telle sorte que le patron d'émission total ( Total est la qualité de ce qui est complet, sans exception. D'un point de vue comptable, un total est le résultat d'une addition,...) est orientable sans avoir à bouger l'antenne. Multiples utilisations militaires, civiles et spatiales dont les radars à balayage électronique.
  • antenne fouet brin flexible 1/4 ou 1/2 onde surtout pour les VHF, ex CB et UHF (ex TNT)

Remarque : dans le domaine du grand public, les antennes pour la réception de la télévision analogique TAT et numérique (TNT) ainsi que la radiodiffusion en FM terrestres, sont plus connues sous l'appellation usuelle d'antenne « râteau » (en fait des antennes yagi-uda VHF ou UHF). L'antenne dite parabole ainsi que, plus rarement, l'antenne plate, sont destinées à la télévision par satellite (Satellite peut faire référence à :), aux télécommunications, aux radars... La télévision par MMDS (rare) nécessite des antennes type yagi ou parabolique.

Mode d'alimentation

L'antenne est généralement déployée à l'extérieur, voire fixée au sommet d'un mât. Pour acheminer vers l'antenne l'énergie à haute fréquence fournie par l'émetteur ou en sens (SENS (Strategies for Engineered Negligible Senescence) est un projet scientifique qui a pour but l'extension radicale de l'espérance de vie humaine. Par une évolution progressive allant du ralentissement du...) inverse (En mathématiques, l'inverse d'un élément x d'un ensemble muni d'une loi de composition interne · notée multiplicativement, est un...) amener le signal capté par l'antenne jusqu'à l'entrée du récepteur, on utilise une ligne bifilaire (Une ligne bifilaire est une ligne de transmission, utilisée en hautes fréquences, et constituée de deux fils parallèles séparés par un isolant.) ou un câble coaxial. Pour obtenir un fonctionnement optimal, l'impédance au point (Graphie) d'alimentation doit être du même ordre que 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, il est souhaitable d'alimenter une antenne symétrique (comme le doublet demi-onde à l'aide d'une ligne symétrique (comme la ligne bifilaire) et une antenne asymétrique comme l'antenne verticale (antenne ground-plane) avec une ligne asymétrique : un câble coaxial, par exemple. Pour passer (Le genre Passer a été créé par le zoologiste français Mathurin Jacques Brisson (1723-1806) en 1760.) d'une ligne symétrique à une ligne asymétrique, on utilise souvent un balun.

Sur ondes centimétriques et plus courtes, on utilise des guides d'ondes, sortes de tubes de section rectangulaire ou elliptique dans lesquels circulent les ondes. Certaines antennes, comme les antennes paraboliques de réception de la télévision par satellite, incorporent un dispositif électronique d'amplification (On parle d'amplificateur de force pour tout une palette de systèmes qui amplifient les efforts : mécanique, hydraulique, pneumatique, électrique.) et de conversion de la fréquence reçue.

Utilisation en émission

Le plus souvent, une antenne peut être utilisée aussi bien en émission qu'en réception. Toutefois certaines antennes utilisées en réception ont un rendement très faible en émission (antenne Beverage) ou bien ne pourraient supporter une puissance (Le mot puissance est employé dans plusieurs domaines avec une signification particulière :) d'émission importante à cause des pertes ou des surtensions trop élevées qui pourraient les détériorer.

Antennes en réception

Le champ électrique d'une onde électromagnétique induit (L'induit est un organe généralement électromagnétique utilisé en électrotechnique chargé de recevoir l'induction de...) une tension (La tension est une force d'extension.) dans chaque petit segment de tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou l'univers.) conducteur électrique. La tension induite dépend évidemment de la valeur du champ électrique et de la longueur du segment. Mais la tension dépend aussi de l'orientation (Au sens littéral, l'orientation désigne ou matérialise la direction de l'Orient (lever du soleil à l'équinoxe) et des points...) du segment par rapport 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.

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

Circuit équivalent


V_a={\sqrt{R_aG_a}\,\lambda\cos\psi\over\pi\sqrt{120}}E_b


  • \scriptstyle{V_a} est la tension du schéma équivalent de Thévenin.
  • \scriptstyle{Z_a} est l'impédance du schéma équivalent de Thévenin et est égale à l'impédance de l'antenne.
  • \scriptstyle{R_a} est la résistance série de l'impédance de \scriptstyle{Z_a}\,de l'antenne.
  • \scriptstyle{G_a} est le gain de l'antenne (le même qu'en émission) dans la direction d'où viennent les ondes électromagnétiques.
  • \scriptstyle{\lambda} est la longueur d'onde.
  • \scriptstyle{E_B} est le champ électrique de l'onde électromagnétique incidente.
  • \scriptstyle{\psi} est l'angle (En géométrie, la notion générale d'angle se décline en plusieurs concepts apparentés.) désalignement du champ électrique avec l'antenne. Par exemple, si l'antenne est un dipôle, la tension induite sera maximum quand le champ électrique est aligné avec le conducteur. Si ce n'est pas le cas, et qu'ils forment un angle de \scriptstyle{\psi}, la tension induite sera multipliée par \scriptstyle{\cos\psi}.

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.

Voici trois définitions qui parlent d'elles-mêmes :

\begin{matrix} {Longueur\ effective\ de\ l'antenne}&=&\textstyle{{\sqrt{R_aG_a}\lambda\cos\psi\over\pi\sqrt{120}}} \\  & & \\ { Puissance\ maximum\ disponible}&=&\textstyle{{G_a\lambda^2\over 480\pi^2}E_b^2} \\  & & \\ {Surface\ effective\ ou\ section\ efficace}&=&\textstyle{{G_a\over4\pi}\lambda^2}\\ \end{matrix}

Le corollaire (Un théorème est une proposition qui peut être mathématiquement démontrée, c'est-à-dire une assertion qui peut être établie comme vraie au travers d'un...) de ces définitions est que la puissance maximum qu'une antenne peut extraire d'une onde électromagnétique ne dépend que du gain de l'antenne et du carrée de \scriptstyle{\lambda}.

Impédance mutuelle et interaction (Une interaction est un échange d'information, d'affects ou d'énergie entre deux agents au sein d'un système. C'est une action réciproque qui...) entre antennes

Le courant qui circule dans chaque antenne induit des courants dans toutes les autres. Aussi bien si les autres sont alimentées ou non. On peut postuler une impédance mutuelle qui jouera le même rôle dans les antennes que l'inductance (L'inductance d’un circuit électrique est un coefficient qui traduit le fait qu’un courant le traversant crée un champ magnétique à travers la section entourée par ce circuit. Il en résulte un...) mutuelle dans les bobines couplées. L'impédance mutuelle \scriptstyle{Z_{12}} entre deux antennes est définie comme

\textstyle{Z_{12}={v_2\over i_1}}

\textstyle{i_{1}} est le courant qui circule dans l'antenne 1 (inductrice) et \textstyle{v_2} est la tension qu'il faudrait appliquer à l'antenne 2 (induite) – avec l'antenne 1 enlevée – pour obtenir le même courant dans l'antenne 2 que celle induite par le courant de l'antenne 1.

Avec cette définition, l'ensemble de courants et de tensions d'un ensemble d'antennes est relié par le système d'équations suivant :

Impédance mutuelle entre dipôles  alignés et non décales. Les courbes Re et Im sont la partie résistive et la partie réactive de l'impédance mutuelle.
Impédance mutuelle entre dipôles \scriptstyle{{\lambda \over 2}} alignés et non décales. Les courbes Re et Im sont la partie résistive et la partie réactive de l'impédance mutuelle.
\begin{matrix} v_1&=&i_1Z_{11}&+&i_2Z_{12}&+& \cdots &+& i_nZ_{1n}\\  v_2&=&i_1Z_{21}&+& i_2Z_{22}&+&\cdots&+&i_nZ_{2n} \\  \vdots & & \vdots & & \vdots & & & & \vdots \\  v_n&=&i_1Z_{n1}&+&i_2Z_{n2}&+&\cdots&+&i_nZ_{nn}\end{matrix}

où :

  • \scriptstyle{v_i} est la tension appliquée à l'antenne \scriptstyle{i}
  • \scriptstyle{Z_{ii}} est la impédance de l'antenne \scriptstyle{i}
  • \scriptstyle{Z_{ij}} est l'impédance mutuelle entre les antennes \scriptstyle{i} et \scriptstyle{j}

Rémarquez que, comme pour les inductances mutuelles :

\scriptstyle{Z_{ij}\,= \,Z_{ji}}

Si quelques éléments ne sont pas alimentés (il y a un court-circuit à la place du câble d'alimentation), comme c'est le cas dans les antennes Yagui-Uda les \textstyle{v_i} correspondants sont zéro. Ces éléments reçoivent l'injuste nom d'éléments parasites. Dans certaines configurations géométriques, l'impédance mutuelle entre deux antennes peut être zéro. C'est le cas pour des dipôles disposés en croix (dans les antennes à émission ou réception polarisée circulairement). Ces impédances nulles facilitent le calcul et surtout, la réalisation.




Réalisation mécanique

Selon qu'une antenne est destinée à 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 (Le vent est le mouvement d’une atmosphère, masse de gaz située à la surface d'une planète. Les vents les plus violents connus ont lieu sur Neptune et sur Saturne. Il est essentiel à...) et aux intempéries doivent être particulièrement soignées pour obtenir une grande fiabilité et stabilité, c'est le cas des antennes à réflecteur parabolique. En altitude (L'altitude est l'élévation verticale d'un lieu ou d'un objet par rapport à un niveau de base. C'est une des composantes géographique et biogéographique...) il n'est pas rare qu'une antenne soit enrobée de glace (La glace est de l'eau à l'état solide.), les éléments doivent supporter cette surcharge sans se déformer. Pour éviter les problèmes d'oxydation et d'infiltration d'eau (L’eau est un composé chimique ubiquitaire sur la Terre, essentiel pour tous les organismes vivants connus.), les éléments alimentés sont souvent protégés par un étui isolant (Un isolant est un matériau qui permet d'empêcher les échanges d'énergie entre deux systèmes. On distingue : les isolants électriques, les...). Un radôme est un abri protecteur imperméable utilisé pour protéger une antenne.

Source: Wikipédia publiée sous licence CC-BY-SA 3.0.

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