Antenne radioélectrique - Définition

Introduction

En radioélectricité, une antenne est un dispositif permettant de rayonner (émetteur) ou, de capter (récepteur), les ondes électromagnétiques. L'antenne est un élément fondamental dans un système radioélectrique, et ses caractéristiques de rendement, gain, diagramme de rayonnement influencent directement les performances de qualité et de portée du système.

Cet article définit les caractéristiques et paramètres généraux des antennes, chaque antenne et application particulière étant développée dans les articles liés.

Historique

Heinrich Hertz utilisa pour la première fois, en 1888, des antennes pour démontrer l'existence des ondes électromagnétiques prédites par la théorie de 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 » fut utilisé par Marconi.

Caractéristiques

Les caractéristiques principales d'une antenne sont :

• les fréquences d'utilisation ;
• le diagramme de rayonnement ;
• l'impédance d'antenne ;
• la polarisation ;
• le rendement ;
• la puissance maximale tolérée en émission ;
• l'encombrement mécanique

Fréquence d'utilisation

Une antenne s'utilise en général avec des signaux autour d'une fréquence donnée pour laquelle l'antenne possède des capacités optimales pour émettre ou recevoir l'énergie électromagnétique correspondante dans l'espace environnant. La fréquence de résonance d'une antenne dépend d'abord de ses dimensions propres, mais aussi des éléments qui lui sont ajoutés. Par rapport à la fréquence de résonance centrale de l'antenne, un affaiblissement de 3 dB détermine les fréquences minimum et maximum d'utilisation ; la différence entre ces deux fréquences correspond à la bande passante.

Par exemple, une antenne classique est l'antenne dipôle demi-onde, qui résonne à la fréquence pour laquelle sa longueur est d'une demi longueur d'onde avec une largeur de bande d'environ 1 % si elle est très mince. En pratique, et pour les fréquences élevées, le diamètre du conducteur n'est plus négligeable par rapport à la longueur d'onde , ce qui augmente considérablement sa bande passante. En règle générale:

• la bande passante d'une antenne diminue si l'antenne devient petite par rapport à la demi-onde : il n'existe pas d'antennes large bande et compactes. Du moins avec des pertes raisonnables.

• la bande passante d'une antenne filaire augmente si le diamètre du conducteur augmente.

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

Impédance d'antenne

L'impédance d'antenne est la généralisation de la notion d'impédance utilisée pour les autres composants passifs (résistances, condensateurs, selfs...) aux antennes. Il s'agit donc du rapport complexe observé entre la tension et le courant à l'entrée d'une antenne en émission. L'utilité de cette notion est importante pour assurer les meilleurs transferts d'énergie entre les antennes et les dispositifs qui y sont connectés grâce aux techniques d'adaptation.

Une antenne prise entre ses deux bornes d'accès constitue donc un dipôle ayant une impédance complexe R + jX où R et X représentent respectivement la résistance et la réactance de l'antenne. La résistance d'antenne R est elle-même la somme de deux types de résistance qui traduisent les différentes utilisations de l'énergie absorbée: la première Rp est la résistance liée aux pertes par effet Joule dans l'antenne tandis que la deuxième Rr est la résistance de rayonnement liée à l'énergie utile rayonnée par l'antenne dans l'espace qui l'entoure. On dit d'une antenne qu'elle résonne sur une fréquence si à cette fréquence le terme imaginaire jX est nul. La puissance absorbée par l'antenne est la puissance absorbée par la résistance R. La résistance Rr est parfois qualifiée de fictive, car elle n'est pas soumise à la loi de Joule : en effet, la puissance absorbée par cette résistance est, à la différence d'une véritable résistance, transformée en rayonnement électromagnétique.

Très souvent, les constructeurs des antennes cherchent à obtenir une résistance pure R= 50 Ohms,et X= 0 afin de pouvoir alimenter cette antenne par une ligne 50 Ohms (ou plus rarement 300 ou 600 Ohms). En effet, idéalement, l'antenne doit présenter à sa ligne d'alimentation une résistance pure égale à l'"impédance caractéristique" de cette ligne. La ligne d'alimentation fonctionnera alors "en onde progressive". Cette condition est pratiquement toujours recherchée aux fréquences au-delà de 30 MHz, car elle optimise le transfert d'énergie et n'impose pas de conditions sur la longueur de cette ligne. La mesure du rapport d'onde stationnaire permet de s'assurer que la ligne fonctionne en onde progressives.

Cependant, pour les fréquences basses, il est parfois impossible d'obtenir une impédance résistive de 50 Ohms. On doit alors intercaler entre l'antenne et la ligne d'alimentation un transformateur d'impédance qui aura pour but de transformer l'impédance complexe de l'antenne en une résistance pure, généralement de 50 Ohms. C'est un "dispositif d'adaptation" ou adaptateur d'antenne. Le dispositif d'adaptation est parfois constitué par la ligne elle-même. La longueur de la ligne devient alors critique, et le rapport d'onde stationnaire est élevé.

Polarisation

La polarisation d'une antenne est celle du champ électrique E de l'onde qu'elle émet. Un dipôle demi-onde horizontal a donc une polarisation horizontale, d'autres antennes ont une polarisation elliptique ou circulaire.

Dans cette optique de réception terrestre on peut considérer que l'antenne "type yagi" atténue le signal d'un facteur 10 soit (20 db) lors de sa rotation du mode de réception horizontale au mode de polarisation verticale pour un même émetteur.

En réception, l'écart entre la polarisation reçue et celle de l'antenne crée une atténuation pouvant être totale si la polarisation est perpendiculaire. La polarisation circulaire est utilisée si les antennes d'émission et réception sont orientées de façon aléatoire, par exemple pour les satellites défilants ou non stabilisés.

Diagramme de rayonnement

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 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 le diagramme de rayonnement. Les mesures sur les antennes sont effectuées en espace libre ou en chambre anéchoïde.

Le diagramme de rayonnement complet peut être résumé en quelques paramètres utiles :

Directivité

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 sera d'autant plus directive que le lobe le plus important sera étroit. La directivité correspond à la largeur du lobe principal, entre les angles d'atténuation à 3 dB.

Pour toutes les antennes, la dimension constitue un paramètre fondamental pour déterminer la directivité. Les antennes à directivité et à gain élevés seront toujours grandes par rapport à la longueur d'onde. Il existe en effet des relations mathématiques (transformation de Fourier) entre les caractéristiques spatiales et le diagramme de rayonnement.

Gain

Le gain définit l'augmentation de puissance émise ou reçue dans le lobe principal. Il est dû au fait que l'énergie est focalisée dans une direction, comme l'énergie lumineuse peut être concentrée grâce à un miroir et/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.

Lobes et zéros secondaires

Aux angles proches du lobe principal, une antenne présente des minima et maxima relatifs appelés « lobes secondaires » qu'on tente de minimiser. Les antennes à grande directivité présentent également des lobes faibles et irréguliers dans tous les autres angles , appelés « lobes diffus ».

Le niveau général de ces lobes secondaires décrit la sensibilité de l'antenne au brouillage (en télécommunications) ou la finesse d'imagerie (en radar). Une direction où le gain est faible peut être mise à profit pour éliminer un signal gênant (en réception) ou pour éviter de rayonner dans une région où il pourrait y avoir interférence avec d'autres émetteurs.

Angle de départ vertical

Dans le cas d'une antenne proche du sol, en particulier en haute fréquence et moyenne fréquence, le diagramme vertical dépend de l'éloignement du sol. Il en résulte une perte de gain dans le plan horizontal. L'angle du lobe principal dans le plan vertical (« angle de départ ») définit les performances d'une antenne vis-à-vis des modes de propagation ionosphériques.

Rendement

La somme des puissances émises dans toutes les directions définit la puissance effectivement rayonnée. Le rapport avec la puissance fournie par la ligne de transmission définit son rendement. La résistance ( partie réelle de l'impédance) présentée par l'antenne a deux origines :

• la résistance de rayonnement. L'énergie absorbée par la résistance de rayonnement est en fait l'énergie rayonnée par l'antenne.
• la résistance de pertes. L'énergie absorbée par cette résistance est dissipée en chaleur par l'antenne , par effet joule dans les résistances ou par pertes dans les diélectriques.

Le rendement est fonction du rapport entre ces deux résistances. Une antenne aura un bon rendement si la résistance de pertes est faible devant la résistance de rayonnement. Les antennes du type dipôle demi-onde ou monopole ont en général une résistances de rayonnement bien plus élevées que leur résistance de pertes, et leur rendement reste donc bon. Par contre, si l'antenne possède des dimensions faibles par rapport au dîpôle demi-onde, sa résistance de rayonnement va diminuer. C'est alors que se posera vraiment le problème du rendement et qu'il faudra chercher à réduire aussi la résistance de pertes ( qualité des surfaces conductrices, élargissement des conducteurs...)

Si on considère la puissance appliquée à l'entrée de la ligne de transmission, le rendement est évidemment plus faible, puisque une partie de l'énergie est dissipée dans cette ligne. Une ligne est caractérisée par les pertes en dB par unité de longueur, pour une fréquence donnée. Mais si la ligne est le siège d'ondes stationnaires du fait de la désadaptation, les pertes dans la ligne seront encore supérieures.

Puissance maximale en émission

Le rendement définit la puissance effectivement rayonnée, la puissance non rayonnée est dissipée thermiquement soit dans les fils, raccords, visseries, etc., ce qui limite la puissance moyenne tolérée. La puissance crête maximale tolérée dépend du champ électrique avant amorçage en chaque point de l'antenne, dans les lignes, pointes, guides, supports, isolants. Le point le plus critique est en général la ligne de transmission, coaxiale ou guide : son diamètre doit être adapté, ainsi que son diélectrique.

Formes et dimension

La forme et les dimensions d'une antenne sont extrêmement variables : celle d'un téléphone portable est parfois invisible car à l'intérieur du boîtier ou se limitant à une petite excroissance sur l'appareil, tandis que la parabole 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 et son lobe principal plus étroit.

Les antennes directives peuvent être fixes pour les liaisons point à point, ou rotatives en télécommunications mobiles. Les antennes de poursuite des satellites sont orientables en azimut (direction dans le plan horizontal) et en site (hauteur au-dessus de l'horizon).