4 e anne Informatique Rseau Techniques et systmes

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4 e année Informatique & Réseau Techniques et systèmes de transmission Antennes Alexandre Boyer

4 e année Informatique & Réseau Techniques et systèmes de transmission Antennes Alexandre Boyer alexandre. boyer@insa-toulouse. fr www. alexandre-boyer. fr Techniques et systèmes de transmission 1

Antennes 1. Concepts de base 2. Caractéristiques des antennes 3. Antennes pour les télécommunications

Antennes 1. Concepts de base 2. Caractéristiques des antennes 3. Antennes pour les télécommunications 4. Antennes de réception / modèles de propagation 5. Réseau d’antennes Techniques et systèmes de transmission 2

Antennes Ø Une liaison radioélectrique est un canal de transmission entre un émetteur et

Antennes Ø Une liaison radioélectrique est un canal de transmission entre un émetteur et un récepteur, dont le support de transmission est assuré par des ondes électromagnétiques. Ø Comme tous les canaux de communication, il est soumis aux problèmes posés par le bruit et les perturbations, qui vont limiter les performances du système de transmission. Ø La maitrise d’une liaison radioélectrique repose sur : § La connaissance des propriétés des antennes d’émission et de réception § La connaissance de la propagation des ondes électromagnétiques dans le canal hertzien Techniques et systèmes de transmission 3 Do wn nk li Up link

Antennes Définition - antennes Ø Le rôle d’une antenne est de convertir l’énergie électrique

Antennes Définition - antennes Ø Le rôle d’une antenne est de convertir l’énergie électrique d’un signal en énergie électromagnétique transportée par une onde électromagnétique (ou inversement). « Une antenne d’émission est un dispositif qui assure la transmission de l’énergie entre un émetteur et l’espace libre où cette énergie va se propager. Réciproquement, une antenne de réception est un dispositif qui assure la transmission de l’énergie d’une onde se propageant dans l’espace à un appareil récepteur » [Combes] Techniques et systèmes de transmission 4

Antennes Notion d’antenne – transducteur d’énergie Espace libre – propagation d’une onde électromagnétique Puissance

Antennes Notion d’antenne – transducteur d’énergie Espace libre – propagation d’une onde électromagnétique Puissance PRay Puissance PS Puissance PAe Source Puissance PAr Guide d’ondes Champ Antenne proche d’émission Champ lointain (onde plane) Antenne de réception ü Ps : puissance électrique disponible au niveau de la source ü PAe : puissance électrique fournie à l’antenne d’émission ü PRay : puissance rayonnée (transportée par l’onde EM) ü PAr : puissance électrique induite par l’antenne de réception ü PR : puissance électrique reçue par le récepteur Techniques et systèmes de transmission Puissance PR 5 Récepteur

Antennes I – Concepts de base Techniques et systèmes de transmission 6

Antennes I – Concepts de base Techniques et systèmes de transmission 6

Concepts de base Electrostatique Ø Electrostatique : les charges électriques exercent des forces entre

Concepts de base Electrostatique Ø Electrostatique : les charges électriques exercent des forces entre elles. L’action à distance se fait par l’intermédiaire d’un champ électrique E (V/m). Ø Les charges électriques au repos peuvent exercer des forces électriques entre elles, cette action à distance se fait par l’intermédiaire d’un champ électrique. Toute charge électrique Q immobile créé un champ électrique E dans l’espace environnant, qui décroit inversement avec le carré de la distance. Ligne de champ électrique Charge Q Loi de Gauss Potentiel électrostatique Techniques et systèmes de transmission 7

Concepts de base Magnétostatique Ø Magnétostatique : toute circulation de courant électrique continu est

Concepts de base Magnétostatique Ø Magnétostatique : toute circulation de courant électrique continu est à l’origine de la création d’un champ magnétique. Loi d’Ampère J Ø Relation entre le champ magnétique H (A/m) et l’induction magnétique B (T). Les charges et les courants électriques sont les sources élémentaires des champs électromagnétiques (champs électriques et magnétiques). Techniques et systèmes de transmission 8

Concepts de base Capacité Ø Soit 2 conducteurs séparés par une différence de potentiel

Concepts de base Capacité Ø Soit 2 conducteurs séparés par une différence de potentiel notée V. Chacun des conducteurs porte une charge Q et de signe opposée. Ø La séparation des charges et le champ électrique associé correspond à un stockage d’énergie électrique. Ø La capacité mesure la « quantité » d’énergie stockée par ces conducteurs. On la définit par : Techniques et systèmes de transmission 9

Concepts de base Inductance Ø Soit 1 circuit parcouru par un courant I qui

Concepts de base Inductance Ø Soit 1 circuit parcouru par un courant I qui génère un champ magnétique autour de lui. On note Φ le flux du champ magnétique se couplant à travers la surface présente entre les conducteurs du circuit Ø Le mouvement des charges associé au courant électrique et le champ magnétique associé correspond à un stockage d’énergie magnétique Ø L’inductance mesure la « quantité » d’énergie magnétique. On la définit par : Techniques et systèmes de transmission 10

Concepts de base Induction électromagnétique Ø Un champ magnétique variable dans le temps induit

Concepts de base Induction électromagnétique Ø Un champ magnétique variable dans le temps induit un champ électrique Ø Loi de Faraday : Ø Conséquence pour un circuit électronique : induction électromagnétique ou Loi de Lenz: le flux du champ magnétique variable se couplant à la surface d’un circuit est responsable d’une force électromotrice, s’opposant à la cause lui ayant donné naissance (signe -) couplage inductif ou magnétique entre 2 circuits distants. H (augmente) Courant d’excitation Circuit 1 Fem + induite e H induit Couplage magnétique (ou inductif) Techniques et systèmes de transmission 11 I induit Circuit 2

Concepts de base Equations de Maxwell Ø La distribution des champs électriques et magnétiques

Concepts de base Equations de Maxwell Ø La distribution des champs électriques et magnétiques dans l’espace peut être déterminée à partir des équations de Maxwell. Théorème de Gauss Équation de Maxwell-Faraday Conservation du flux Loi de conservation de la charge : Équation de Maxwell-Ampère Loi d’Ohm : ü ρ : densité volumique de charge ü ε : permittivité électrique (F/m). A noter ε 0 : permittivité diélectrique dans le vide (= 8. 85 e 12) et εr : permittivité électrique relative telle que ε = ε 0× εr ü μ : perméabilité magnétique (H/m). A noter μ 0 : permittivité diélectrique dans le vide (= 4π. 10 -7) et μr : permittivité magnétique relative telle que μ = μ 0× μr Conséquences de la résolution des équations de Maxwell : ü Propagation d’une onde électromagnétique ü Rayonnement électromagnétique Techniques et systèmes de transmission 12

Concepts de base Onde électromagnétique – description qualitative Ø Soit un circuit parcouru par

Concepts de base Onde électromagnétique – description qualitative Ø Soit un circuit parcouru par un courant variable i(t). Ø A partir des équations de Maxwell-Ampère et Maxwell Faraday : i(t) C 2; S 2 C 1; S 1 C 4; S 4 E(t 2; r 2) C 3; S 3 E(t 4; r 4) … H(t 1; r 1) H(t 3; r 3) Génération mutuelle de proche en proche de champs électriques et magnétiques champ et onde électromagnétique. Techniques et systèmes de transmission 13

Concepts de base Onde électromagnétique – résolution des équations de Maxwell Ø Considérons le

Concepts de base Onde électromagnétique – résolution des équations de Maxwell Ø Considérons le cas d’un milieu de propagation en espace libre, sans pertes, caractérisé par des constantes diélectriques et magnétiques réelles, où il n’y a donc aucune charge et courant. Ø En combinant alors les équations de Maxwell-Ampère et de Maxwell-Faraday, il est possible d’écrire les 2 équations différentielles du 2 e ordre, dites de propagation : Ø Ces 2 équations admettent comme solutions générales , où γ est appelé constante de propagation, A, B, C, D des constantes qui vont dépendre de l’excitation et des conditions aux limites: Techniques et systèmes de transmission 14

Concepts de base Onde électromagnétique – résolution des équations de Maxwell Ø Interprétation :

Concepts de base Onde électromagnétique – résolution des équations de Maxwell Ø Interprétation : üCette équation traduit l’apparition d’une fonction temporelle qui se déplace (par convention le long de l’axe z, dans un sens (onde incidente) ou dans l’autre (onde rétrograde). üLa vitesse v de propagation dans l’espace de la fonction dépend des propriétés électriques et magnétiques du milieu environnant : üIl est possible de relier E et H par une constante η appelée impédance d’onde Solutions : Techniques et systèmes de transmission 15

Concepts de base Onde électromagnétique – régime sinusoïdal Ø En régime sinusoïdal (i. e.

Concepts de base Onde électromagnétique – régime sinusoïdal Ø En régime sinusoïdal (i. e. en régime établi), en considérant un milieu sans pertes et la propagation le long de l’axe z. Ø Constante de phase : La longueur d’onde représente la période spatiale de l’onde. Elle est reliée à la fréquence de l’excitation et aux caractéristiques du milieu Ø Représentation graphique: E ou H T 0 T 1 z Techniques et systèmes de transmission 16

Concepts de base Onde électromagnétique – régime sinusoïdal Ø Une onde électromagnétique (EM) correspond

Concepts de base Onde électromagnétique – régime sinusoïdal Ø Une onde électromagnétique (EM) correspond à la représentation d’un rayonnement électromagnétique. Ø La propagation d’une onde électromagnétique en espace libre se fait dans un mode appelé Transverse Electromagnétique (TEM), où les champs E et H sont perpendiculaires entre eux et à la direction de propagation. Ø Dans le cas d’un milieu de propagation sans pertes, les champs E et H sont en phase et sont reliés entre eux par l’impédance d’onde. Dans le vide, ηo = Dans le vide, vitesse de propagation v = Onde localement plane Techniques et systèmes de transmission 17

Concepts de base Longueur d’onde – Tout est lié à la longueur d’onde !

Concepts de base Longueur d’onde – Tout est lié à la longueur d’onde ! Ø Approximation quasi-statique : Si on considère une onde électromagnétique sur une distance d << λ, alors on peut négliger le phénomène de propagation. On considère que les champs E et H sont identiques sur toute la longueur d, la propagation se fait instantanément. 100 m 10 cm 1 mm 1 m 10 cm 1 mm 100 µm Longueur d’onde dans un milieu matériel : Techniques et systèmes de transmission 18

Concepts de base Rayonnement électromagnétique Ø Localement, l’onde électromagnétique possède une énergie potentielle électrique

Concepts de base Rayonnement électromagnétique Ø Localement, l’onde électromagnétique possède une énergie potentielle électrique et une énergie potentielle magnétique. Ø L’onde EM transporte une puissance se propageant dans la direction de propagation de l’onde électromagnétique. Ø Le transfert de puissance est caractérisé par le vecteur de Poynting P , qui donne la densité d’énergie de l’onde électromagnétique (W: m²), Ø dont la valeur moyenne est donnée par : Ø Cas d’une onde TEM (E et H en phase et reliée par l’impédance d’onde): Transfert sans contact, sans fil d’énergie ou d’information !!! Techniques et systèmes de transmission 19

Concepts de base Rayonnement électromagnétique - Exemple Une mesure de champ électromagnétique a été

Concepts de base Rayonnement électromagnétique - Exemple Une mesure de champ électromagnétique a été effectuée dans un appartement situé à proximité d’un émetteur radiofréquence. La mesure est effectuée à l’aide d’un mesureur de champ électrique. La mesure indique un champ électrique d’amplitude crête de 10 V/m. 1. Déterminez la densité de puissance crête et moyenne transportée par l’onde électromagnétique. 2. Les recommandations européennes d’exposition du public aux champs électromagnétiques exigent que les personnes ne soient pas soumises à une densité de puissance crête > 2 W/m². Que concluez-vous de cette mesure ? Techniques et systèmes de transmission 20

Concepts de base Polarisation Ø Quelles sont les directions des champs E et H

Concepts de base Polarisation Ø Quelles sont les directions des champs E et H ? Ø On les repère par la notion de polarisation = direction du champ électrique. Techniques et systèmes de transmission 21

Concepts de base Polarisation Ø Si les 2 composantes u et u vibrent en

Concepts de base Polarisation Ø Si les 2 composantes u et u vibrent en phase, polarisation rectiligne. Ø Sinon, polarisation elliptique (voire circulaire si l’opposition de phase est quadratique). Polarisation rectiligne Techniques et systèmes de transmission Polarisation elliptique 22

Concepts de base Une antenne basique – dipôle élémentaire (de Hertz) Ø Fil électriquement

Concepts de base Une antenne basique – dipôle élémentaire (de Hertz) Ø Fil électriquement court (h << λ/10). Courant d’excitation sinusoïdal d’amplitude quasi constant le long de l’antenne. Ø Expression des champs E et H (en coordonnées sphériques) : h üOnde électromagnétique en mode TEM ? üTransport d’une puissance active par l’onde EM ? Techniques et systèmes de transmission 23

Concepts de base Une antenne basique – dipôle élémentaire (de Hertz) Ø A proximité

Concepts de base Une antenne basique – dipôle élémentaire (de Hertz) Ø A proximité de l’antenne, si βR << 1 : Ø E et H sont en quadrature de phase pas de transport de puissance active, conservation d’une puissance dite réactive. Ø E, H et la direction de propagation ne forment pas un trièdre direct avec la direction de propagation. le mode de propagation n’est pas TEM. Ø Décroissance rapide en 1/r³ du champ. Zone réactive ou de champ proche Techniques et systèmes de transmission 24

Concepts de base Une antenne basique – dipôle élémentaire (de Hertz) Ø A grande

Concepts de base Une antenne basique – dipôle élémentaire (de Hertz) Ø A grande distance de l’antenne, si βR >> 1 : Ø E et H sont en phase transport de puissance active, partie réactive négligeable. Ø Le rapport E / H = η, l’impédance d’onde dans le milieu de propagation Ø E, H et la direction de propagation forment un trièdre direct avec la direction de propagation. le mode de propagation est TEM. Ø Décroissance du champ en 1/r. Techniques et systèmes de transmission Zone radiative ou de champ lointain 25

Notions fondamentales Champ proche / Champ lointain Ø L’environnement d’une antenne peut être séparé

Notions fondamentales Champ proche / Champ lointain Ø L’environnement d’une antenne peut être séparé en 2 zones : Point d’observation Champ proche r Antenne I exp(iωt) Couplage en champ proche Techniques et systèmes de transmission Champ lointain D Selon le type d’antenne : Rlim Rayonnement EM 26

Antennes II – Caractéristiques des antennes Techniques et systèmes de transmission 27

Antennes II – Caractéristiques des antennes Techniques et systèmes de transmission 27

Caractéristiques des antennes Structure typique d’une antenne Ø Une antenne peut réciproquement être utilisée

Caractéristiques des antennes Structure typique d’une antenne Ø Une antenne peut réciproquement être utilisée en émission et en réception. Puissance PS … Techniques et systèmes de transmission réseau de polarisation Eléments rayonnants Onde électromagnétique rayonnée … … Sources Amplification - filtrage Ø Le schéma ci-dessous représente une antenne d’émission Puissance PAs 28 Puissance PRay

Caractéristiques des antennes Structure typique d’une antenne – Exemple station de base UMTS Tour

Caractéristiques des antennes Structure typique d’une antenne – Exemple station de base UMTS Tour / Mat Réglage tilt antenne Antenne Duplexeur (séparation voie montante/ descendante Amplificateur monté sur tour (mast-head amplifier) Station de base Diviseur RX Contrôleur réseau radio TX Câbles à faibles pertes Amplificateur de puissance Techniques et systèmes de transmission 29

Caractéristiques des antennes Structure typique d’une antenne – Antenne terrestre Antenne Yagi TV Antenne

Caractéristiques des antennes Structure typique d’une antenne – Antenne terrestre Antenne Yagi TV Antenne panneau Wi-Fi Techniques et systèmes de transmission 30

Caractéristiques des antennes Structure typique d’une antenne – Antenne intégrée Techniques et systèmes de

Caractéristiques des antennes Structure typique d’une antenne – Antenne intégrée Techniques et systèmes de transmission 31

Caractéristiques des antennes Ø Comment une antenne rayonne t-elle la puissance incidente dans l’espace

Caractéristiques des antennes Ø Comment une antenne rayonne t-elle la puissance incidente dans l’espace ? Dans quelle direction ? Ø Avec quelle efficacité se fait le transfert d’énergie entre la puissance de l’émetteur et la puissance rayonnée ? Ø Sur quelle bande de fréquence l’antenne rayonne de manière optimale ? Ø Quelles sont les propriétés données par l’antenne à l’onde électromagnétique émise ? Les caractéristiques fondamentales d’une antenne vont permettre de répondre à ces questions. Techniques et systèmes de transmission 32

Caractéristiques des antennes Diagramme de rayonnement Ø Puissance rayonnée par une antenne : angle

Caractéristiques des antennes Diagramme de rayonnement Ø Puissance rayonnée par une antenne : angle solide Ω Z R θ Puissance antenne PA O φ X • Puissance rayonnée dans une direction (θ, φ) : • Puissance rayonnée par une unité de surface dans une direction (θ, φ) et à une distance R : • Puissance rayonnée totale : Techniques et systèmes de transmission 33 Y

Caractéristiques des antennes Diagramme de rayonnement – antenne isotrope Ø Cas d’une antenne isotrope

Caractéristiques des antennes Diagramme de rayonnement – antenne isotrope Ø Cas d’une antenne isotrope ou omnidirectionnelle : l’antenne rayonne de manière constante dans toutes les directions de l’espace (antennes sans pertes) : Puissance rayonnée à une distance R de l’antenne Ø Relation puissance rayonnée et champ électrique : Techniques et systèmes de transmission 34

Caractéristiques des antennes Diagramme de rayonnement Ø Rappel sur les repères cartésien et sphériques

Caractéristiques des antennes Diagramme de rayonnement Ø Rappel sur les repères cartésien et sphériques z Plan vertical θ Plan horizontal y φ x Ø Plan vertical : θ varie de 0 à pi, φ = constante comprise entre 0 et 2*pi Ø Plan horizontal : θ = pi/2, φ varie de 0 et 2*pi Techniques et systèmes de transmission 35

Caractéristiques des antennes Diagramme de rayonnement – Fonction caractéristique de rayonnement Ø Les antennes

Caractéristiques des antennes Diagramme de rayonnement – Fonction caractéristique de rayonnement Ø Les antennes sont rarement omnidirectionnelles et émettent ou reçoivent dans des directions privilégiées. Ø Le diagramme de rayonnement représente les variations de la puissance rayonnée par l’antenne dans les différentes directions de l’espace. Il indique les directions de l’espace (θ 0, φ0) dans lesquelles la puissance rayonnée est maximale. Puissance rayonnée dans une direction quelconque Ø Fonction caractéristique de rayonnement r(θ, φ) : Puissance rayonnée max. Ø Différentes manières de représenter le diagramme de rayonnement : Puissance rayonnée dans l’espace – Vue 3 D Repère polaire Z Repère cartésien φ0 r(θ, φ) 1 φ θ O 0 1 Y φ Techniques et systèmes de transmission 0 36 θ 0 θ

Caractéristiques des antennes Diagramme de rayonnement – Lobe principal et lobes secondaires Ø Diagramme

Caractéristiques des antennes Diagramme de rayonnement – Lobe principal et lobes secondaires Ø Diagramme de rayonnement d’une antenne Yagi dans le plan vertical : Techniques et systèmes de transmission 37

Caractéristiques des antennes Angle d’ouverture (beamwidth) Ø Il caractérise la largeur du lobe principal.

Caractéristiques des antennes Angle d’ouverture (beamwidth) Ø Il caractérise la largeur du lobe principal. Ø L’angle d’ouverture à 3 d. B 2θ 3 représente la portion de l’espace dans lequel la majeure partie de la puissance est rayonnée. Techniques et systèmes de transmission 38

Caractéristiques des antennes Angle d’ouverture (beamwidth) Ø D’autres grandeurs sont utiles pour caractériser le

Caractéristiques des antennes Angle d’ouverture (beamwidth) Ø D’autres grandeurs sont utiles pour caractériser le lobe : § Angle entre la direction du lobe principal et le premier zero § Azimuth beamwidth § Elevation beamwidth § Tilt Techniques et systèmes de transmission 39

Caractéristiques des antennes Directivité, gain, rendement Ø La directivité D(θ, φ) d’une antenne dans

Caractéristiques des antennes Directivité, gain, rendement Ø La directivité D(θ, φ) d’une antenne dans une direction (θ, φ) est le rapport entre la puissance rayonnée dans une direction donnée P(θ, φ) et la puissance que rayonnerait une antenne isotrope. Ø Le gain G(θ, φ) d’une antenne dans une direction (θ, φ) est le rapport entre la puissance rayonnée dans une direction donnée P(θ, φ) sur la puissance que rayonnerait une antenne isotrope sans pertes. Ø En général, le gain G correspond au gain dans la direction de rayonnement maximal (θ 0, φ0). Techniques et systèmes de transmission 40

Caractéristiques des antennes Directivité, gain, rendement Ø Le rendement η d’une antenne traduit sa

Caractéristiques des antennes Directivité, gain, rendement Ø Le rendement η d’une antenne traduit sa capacité à transmettre la puissance électrique en entrée PA sous forme de puissance rayonnée PR. Ø Le rendement est lié aux pertes dans le réseau de polarisation et dans les éléments rayonnants. Techniques et systèmes de transmission 41

Caractéristiques des antennes Directivité, gain, rendement Ø Lien entre le gain et l’angle d’ouverture

Caractéristiques des antennes Directivité, gain, rendement Ø Lien entre le gain et l’angle d’ouverture : Ø Plus le gain est fort, plus la puissance est rayonnée dans un lobe étroit l’angle d’ouverture diminue. Exercice TD n° 2 Techniques et systèmes de transmission 42

Caractéristiques des antennes PIRE Ø La puissance isotrope rayonnée équivalente d’une antenne (PIRE ou

Caractéristiques des antennes PIRE Ø La puissance isotrope rayonnée équivalente d’une antenne (PIRE ou EIRP en anglais) définit, dans la direction de rayonnement maximal, la puissance électrique qu’il faudrait apporter à une antenne isotrope pour obtenir la même puissance rayonnée dans cette direction. Techniques et systèmes de transmission 43

Caractéristiques des antennes Caractéristiques d’une antenne – Fréquence de résonance Ø Une antenne rayonne

Caractéristiques des antennes Caractéristiques d’une antenne – Fréquence de résonance Ø Une antenne rayonne efficacement sur une bande de fréquence étroite qui correspond à sa fréquence de résonance (mise en oscillation permanente des charges par l’excitation de l’antenne). Ø Le phénomène de résonance apparaît lorsqu’une des dimensions de l’antenne Lg est (environ) égale à une demi longueur d’onde λres. Ø Exemple : dipôle demi-onde § Un dipôle est constitué de 2 tiges cylindriques de diamètre fin (d < λ/100), connectées à une source d’excitation. . § Lorsque la fréquence est telle que la longueur L = λ/2, le dipôle devient résonant. § Fréquence de résonance : Techniques et systèmes de transmission 44

Caractéristiques des antennes Modèle électrique d’une antenne – impédance d’entrée Ø On définit l’impédance

Caractéristiques des antennes Modèle électrique d’une antenne – impédance d’entrée Ø On définit l’impédance d’entrée complexe d’une antenne par : Partie réactive Partie active Résistance de rayonnement Techniques et systèmes de transmission Résistance de pertes 45 Annulation de la partie réactive lors de la résonance d’une antenne

Caractéristiques des antennes Résistance de rayonnement : § Il ne s’agit pas d’une résistance

Caractéristiques des antennes Résistance de rayonnement : § Il ne s’agit pas d’une résistance ohmique. Elle traduit la conversion de l’énergie électrique fournie à l’antenne en énergie électromagnétique véhiculée par une onde plane. Efficacité d’une antenne : § Une partie de la puissance active fournie à l’antenne est dissipée par la résistance ohmique de l’antenne pertes. § L’efficacité est le rapport entre la puissance rayonnée et la puissance active totale. § L’efficacité est le rapport entre le gain et la directivité d’une antenne. Techniques et systèmes de transmission 46

Caractéristiques des antennes Caractéristiques d’une antenne – Optimisation du transfert de puissance Ø Soit

Caractéristiques des antennes Caractéristiques d’une antenne – Optimisation du transfert de puissance Ø Soit le modèle électrique équivalent d’une antenne connectée à une excitation. Ø Quelle est la condition d’impédance qui assure le transfert de puissance max à l’antenne ? Condition d’adaptation d’impédance pour optimiser le transfert de puissance : Techniques et systèmes de transmission 47

Caractéristiques des antennes Adaptation – condition d’adaptation PA Ps Source Ligne Zc Antenne Ø

Caractéristiques des antennes Adaptation – condition d’adaptation PA Ps Source Ligne Zc Antenne Ø Une antenne est reliée à la source par une ligne de transmission d’impédance caractéristique Z C. Pour assurer un transfert maximal de puissance entre l’alimentation et l’antenne, il est nécessaire d’assurer une adaptation d’impédance. Ø L’adaptation permet d’annuler le coefficient de réflexion Γin ou S 11 en entrée de l’antenne. Condition d’adaptation Ø Perte liée à la désadaptation (mismatch loss) : Techniques et systèmes de transmission 48

Caractéristiques des antennes Bande passante et facteur de qualité Ø La bande passante d’une

Caractéristiques des antennes Bande passante et facteur de qualité Ø La bande passante d’une antenne correspond à la bande de fréquence où le transfert d’énergie de l’alimentation vers l’antenne ou de l’antenne vers le récepteur est maximale. Ø A l’intérieur de la bande passante, le coefficient de réflexion est faible. Ø Pour optimiser la bande passante, on peut agir directement sur l’antenne afin de modifier son impédance, ou ajouter un élément d’adaptation. S 11 0 d. B Exercice TD n° 5 -10 d. B Bande passante Ø Analogie avec un filtre RLC : Notion de facteur de qualité Techniques et systèmes de transmission 49 Fréquence

Caractéristiques des antennes Polarisation d’une antenne Ø Comment déterminer la polarisation d’une antenne ?

Caractéristiques des antennes Polarisation d’une antenne Ø Comment déterminer la polarisation d’une antenne ? En utilisant les propriétés de symétrie. Ø Exemple d’une antenne dipôle : Techniques et systèmes de transmission 50

Caractéristiques des antennes Pertes de polarisation Ø La perte de polarisation dépend de l’angle

Caractéristiques des antennes Pertes de polarisation Ø La perte de polarisation dépend de l’angle α entre les 2 antennes qui représente la différence d’alignement. Techniques et systèmes de transmission 51

Caractéristiques des antennes Tout est dans la datasheet Techniques et systèmes de transmission 52

Caractéristiques des antennes Tout est dans la datasheet Techniques et systèmes de transmission 52

Antennes III –Antennes pour les télécommunications Techniques et systèmes de transmission 53

Antennes III –Antennes pour les télécommunications Techniques et systèmes de transmission 53

Antennes pour les télécoms Dipôle élémentaire (de Hertz) Ø Fil électriquement court (h <<

Antennes pour les télécoms Dipôle élémentaire (de Hertz) Ø Fil électriquement court (h << λ/10). Courant d’amplitude quasi constant le long de l’antenne. Ø Antenne « électrique » Techniques et systèmes de transmission En champ lointain :

Antennes pour les télécoms Boucle élémentaire Ø Boucle de rayon b petit devant λ.

Antennes pour les télécoms Boucle élémentaire Ø Boucle de rayon b petit devant λ. Ø Antenne « magnétique » Techniques et systèmes de transmission En champ lointain : 55

Antennes pour les télécoms Antenne boucle – application RFID (antenne champ proche) Antennes RFID

Antennes pour les télécoms Antenne boucle – application RFID (antenne champ proche) Antennes RFID (13. 56 MHz) Tag RFID (13. 56 MHz) Ø Rayonnement faible en champ lointain. Par contre, création d’un champ magnétique très fort en champ proche. Ø Pas de couplage rayonné, mais un couplage inductif en champ proche. Techniques et systèmes de transmission 56

Antennes pour les télécoms Antenne ferrite (n = 160 tours, μr = 60, L

Antennes pour les télécoms Antenne ferrite (n = 160 tours, μr = 60, L =820 µH) Techniques et systèmes de transmission 57

Antennes pour les télécoms Antenne dipôle demi-onde Ø Un dipôle est constitué de 2

Antennes pour les télécoms Antenne dipôle demi-onde Ø Un dipôle est constitué de 2 tiges cylindriques de diamètre fin (d < λ/100), connectées à une source d’excitation. Ø Longueur L = λ/2 le dipôle devient résonant. Ø Fréquence de résonance : Ø A la résonance, annulation des composantes réactives du modèle électrique équivalent ! Techniques et systèmes de transmission 58

Antennes pour les télécoms Antenne dipôle demi-onde Ø Diagramme de rayonnement et gain :

Antennes pour les télécoms Antenne dipôle demi-onde Ø Diagramme de rayonnement et gain : Ø Gain = 2. 15 d. Bi Ø Angle d’ouverture à 3 d. B (plan vertical) = 78° Techniques et systèmes de transmission 59

Antennes pour les télécoms Antenne dipôle demi-onde Ø Impédance d’entrée d’un dipôle infiniment fin

Antennes pour les télécoms Antenne dipôle demi-onde Ø Impédance d’entrée d’un dipôle infiniment fin en condition demi onde (L = λ/2) : Ø La résonance (annulation de la partie imaginaire se fait lorsque L ≈ 0. 46 λ - 0. 48 λ. Ø Effet du diamètre d du dipôle – Impédance d’entrée en condition demi-onde : Ø La longueur de résonance devient : Techniques et systèmes de transmission 60

Antennes pour les télécoms Antenne dipôle demi-onde Ø Influence du diamètre sur l’impédance à

Antennes pour les télécoms Antenne dipôle demi-onde Ø Influence du diamètre sur l’impédance à L = λ/2 Ø Influence du diamètre sur la longueur de résonance (L = x* λ) Techniques et systèmes de transmission 61

Antennes pour les télécoms Antenne dipôle demi-onde Techniques et systèmes de transmission 62

Antennes pour les télécoms Antenne dipôle demi-onde Techniques et systèmes de transmission 62

Antennes pour les télécoms Antenne dipôle demi-onde Ø Facteur de qualité : Ø Réduction

Antennes pour les télécoms Antenne dipôle demi-onde Ø Facteur de qualité : Ø Réduction du facteur de qualité : Dipôle replié Techniques et systèmes de transmission 63

Antennes pour les télécoms Antenne monopôle (quart d’onde) Ø La présence d’objets métalliques à

Antennes pour les télécoms Antenne monopôle (quart d’onde) Ø La présence d’objets métalliques à proximité d’une antenne modifie ses propriétés. Ø Un plan métallique se comporte comme un plan d’antisymétrie pour tout conducteur. I 1 I 2 Ø Lorsqu’un conducteur est placé au dessus d’un plan de masse, tout se passe comme si un conducteur de retour virtuel était placé sous le premier conducteur, de manière symétrique par rapport au plan de masse. Ø Un monopôle correspond à un demi dipôle au dessus d’un plan métallique de référence. En raison de la symétrie apportée par le plan métallique, le monopôle se comporte comme un dipôle. Brin du demi dipôle Brin virtuel Techniques et systèmes de transmission 64

Antennes pour les télécoms Antenne imprimée ou patch Ø Intégration des antennes au plus

Antennes pour les télécoms Antenne imprimée ou patch Ø Intégration des antennes au plus près des systèmes électroniques. Techniques et systèmes de transmission 65

Antennes pour les télécoms Antenne imprimée ou patch Ø Structure d’un patch rectangulaire: Ø

Antennes pour les télécoms Antenne imprimée ou patch Ø Structure d’un patch rectangulaire: Ø La longueur est proche de la demi longueur d’onde. Ø Les dimensions du plan de masse doivent être grandes devant celles de l’élément rayonnant (au moins 3 à 4 fois plus grand) Ø Plusieurs méthodes d’alimentation (connexion coaxiale, microstrip, ligne couplée) Ø Gravure ou placement des éléments d’adaptation au plus près de l’élément rayonnant. Techniques et systèmes de transmission 66

Antennes pour les télécoms Antenne imprimée ou patch – Principe de fonctionnement Ø Supposons

Antennes pour les télécoms Antenne imprimée ou patch – Principe de fonctionnement Ø Supposons h petit : Ø Le patch et le plan de masse forme une cavité résonante en raison des conditions en circuit ouvert à chaque extrémité. Ø Répartition du champ électrique à l’intérieur du patch : m et n réels > 0 Ø Existence de fréquences de résonance où le rayonnement en champ lointain est optimisé : m et n entiers > 0 Techniques et systèmes de transmission 67

Antennes pour les télécoms Antenne imprimée ou patch – Principe de fonctionnement 0 Ø

Antennes pour les télécoms Antenne imprimée ou patch – Principe de fonctionnement 0 Ø Supposons W < L. Ø Fréquence de résonance primaire : F 1, 0 0 y Ø Répartition du champ électrique le long de x (m = 1, n = 0) : Techniques et systèmes de transmission 68 L x

Antennes pour les télécoms Antenne imprimée ou patch – Principe de fonctionnement Ø Rayonnement

Antennes pour les télécoms Antenne imprimée ou patch – Principe de fonctionnement Ø Rayonnement du patch à la fréquence de résonance F 1, 0 : E Patch E - - - I « Equivalence » - O Bords rayonnants ++++++ Plan de masse H z L=λ/2 E L y x + Dipôle ½ onde w Ø Remarque : la résonance apparaît autour de L = 0. 48λ – 0. 49 λ, en raison des dimensions des bords rayonnants. Techniques et systèmes de transmission 69

Antennes pour les télécoms Antenne imprimée ou patch rectangulaire Ø Le rayonnement est max.

Antennes pour les télécoms Antenne imprimée ou patch rectangulaire Ø Le rayonnement est max. pour θ = 0°. La polarisation est rectiligne. Ø Cependant, en raison de la présence du plan de masse, le rayonnement ne se fait que dans le ½ plan au dessus du plan de masse. Ø Quelques valeurs typiques : gain = 6 – 8 d. Bi, angle d’ouverture à 3 d. B = 70 – 90°. Directivité : Angle d’ouverture : Techniques et systèmes de transmission 70

Antennes pour les télécoms Antenne imprimée ou patch rectangulaire Ø Résistance d’entrée : Ø

Antennes pour les télécoms Antenne imprimée ou patch rectangulaire Ø Résistance d’entrée : Ø Influence du point de polarisation : Techniques et systèmes de transmission 71

Antennes pour les télécoms Antenne imprimée ou patch rectangulaire Ø Dimensionnement : a. Calcul

Antennes pour les télécoms Antenne imprimée ou patch rectangulaire Ø Dimensionnement : a. Calcul de la largeur du patch : b. Calcul de la longueur d’onde effective λe et de la constante diélectrique effective εe : c. Calcul de l’extension de longueur du patch ΔL : En pratique, on trouve d. Calcul de la longueur du patch L : e. Calcul de la position du point d’alimentation Techniques et systèmes de transmission 72

Antennes pour les télécoms Antenne imprimée en lambda/4 Ø Une des principales contraintes pour

Antennes pour les télécoms Antenne imprimée en lambda/4 Ø Une des principales contraintes pour les antennes intégrées reste leur encombrement. Recherche d’antennes multibandes les plus compactes ! Ø Une des solution consiste à réaliser des antennes qui résonnent en lambda/4 (cf monopôle) et à les tordre (meander antenna). Length closely related to λ/4 Metallic structures Feeding point Plastic insulator Techniques et systèmes de transmission Bluetooth module (Rayson Electronic) 73

Antennes pour les télécoms Antenne imprimée en lambda/4 Ø Antenne (Planar) Inverted F-Antenna (P)IFA

Antennes pour les télécoms Antenne imprimée en lambda/4 Ø Antenne (Planar) Inverted F-Antenna (P)IFA : Antenne IFA : Principe d’une antenne IFA : Antenne PIFA multibandes ( l’ajout de fentes génèrent plusieurs fréquences de résonance) : Techniques et systèmes de transmission 74

Antennes IV –Antennes de réception Techniques et systèmes de transmission 75

Antennes IV –Antennes de réception Techniques et systèmes de transmission 75

Antennes de réception Surface équivalente d’une antenne Ø Relation entre le gain et la

Antennes de réception Surface équivalente d’une antenne Ø Relation entre le gain et la surface équivalente : Ø Gain d’une antenne émettrice = capacité à rayonner dans une direction donnée de l’espace. Ø Gain d’une antenne réceptrice = capacité à coupler l’énergie rayonnée provenant d’une direction de l’espace. Ø Pour une antenne passive, qu’elle soit utilisée en émission ou en réception, le gain reste le même ! Techniques et systèmes de transmission 76

Antennes de réception Facteur d’antenne Ø Soit une puissance électrique reçue PA. Quelle est

Antennes de réception Facteur d’antenne Ø Soit une puissance électrique reçue PA. Quelle est la valeur du champ électrique incident reçu (champ lointain) ? Ø Si le récepteur est équivalent à une résistance RR : Ø Facteur d’antenne (inverse de la sensibilité) : Techniques et systèmes de transmission 77

Antennes de réception Atténuation de la puissance électromagnétique en espace libre – Formule de

Antennes de réception Atténuation de la puissance électromagnétique en espace libre – Formule de Friis Ø En champ lointain, l’onde EM émise par une antenne est une onde sphérique qui se propage. En espace libre, dans toute direction de l’espace : E Sphère de surface = d Pray Antenne émettrice Ø Si l’antenne est isotrope et sans pertes, la puissance rayonnée par unité de surface : Ø Si l’antenne n’est pas isotrope : Techniques et systèmes de transmission 78

Antennes de réception Atténuation de la puissance électromagnétique en espace libre – Formule de

Antennes de réception Atténuation de la puissance électromagnétique en espace libre – Formule de Friis E Pray d Antenne réceptrice Antenne émettrice Ø La puissance reçue par l’antenne est donnée par : Techniques et systèmes de transmission 79

Antennes de réception Atténuation de la puissance électromagnétique en espace libre – Formule de

Antennes de réception Atténuation de la puissance électromagnétique en espace libre – Formule de Friis Ø Formule de Friis ou affaiblissement de liaison en espace libre (path loss) : Ø Donnée utile pour les bilans de liaison Techniques et systèmes de transmission 80

Antennes de réception Atténuation de la puissance électromagnétique en espace libre – Formule de

Antennes de réception Atténuation de la puissance électromagnétique en espace libre – Formule de Friis Path Loss à 900 MHz Techniques et systèmes de transmission 81

Antennes de réception Atténuation de la puissance électromagnétique en espace libre – Formule de

Antennes de réception Atténuation de la puissance électromagnétique en espace libre – Formule de Friis Ø Comparaison avec des modèles de propagation dans des environnements terrestres (modèle Okumura-Hata) Techniques et systèmes de transmission 82

Antennes V – Réseau d’antennes Techniques et systèmes de transmission 83

Antennes V – Réseau d’antennes Techniques et systèmes de transmission 83

Réseau d’antennes Réseaux d’antennes – Un exemple simple Ø En utilisant le repère géométrique

Réseau d’antennes Réseaux d’antennes – Un exemple simple Ø En utilisant le repère géométrique ci-dessous centré sur le point O, déterminez l’expression théorique du champ électrique en champ lointain. On note I 1 et I 2 les courants circulant sur chacune des 2 antennes. On pourra supposer que |I 1| = |I 2|. Les longueurs L des antennes sont égales et petites devant la longueur d’onde. Techniques et systèmes de transmission 84

Réseau d’antennes Réseaux d’antennes - concept Ø Combiner le rayonnement de plusieurs éléments rayonnants

Réseau d’antennes Réseaux d’antennes - concept Ø Combiner le rayonnement de plusieurs éléments rayonnants afin d’accroître le rayonnement de l’antenne dans une ou plusieurs directions données Ø Les éléments rayonnants peuvent être des dipôles, des fentes rayonnantes, des patchs. Ø Il s’agit de créer une interférence constructive entre les ondes électromagnétiques issues de différentes sources. La combinaison de ces différentes ondes va dépendre de la disposition et de la séparation entre les éléments rayonnants, ainsi que des propriétés en amplitude et en phase de l’excitation Att Emetteur Att θ φ Direction du lobe principal φ Atténuateurs Récepteur Techniques et systèmes de transmission Att φ 85 … Déphaseurs Diagramme de rayonnement Eléments rayonnants

Réseau d’antennes Réseaux d’antennes - Théorie M Ø Soit N sources identiques indépendantes Si

Réseau d’antennes Réseaux d’antennes - Théorie M Ø Soit N sources identiques indépendantes Si sur une surface quelconque. On suppose que le couplages entres les sources sont nuls (distance > λ) • Sk : centre de la source S 3 d 1 SN α 1 S 2 O • Ak. exp(jΦk) : alimentation complexe de chaque source • |Sk. M| = rk ≈ r : M est situé loin des sources • αk est l’angle d’élévation, entre la surface et la direction Sk. M • fk(θk) : fonction caractéristique de rayonnement. On suppose une symétrie de révolution (diagramme de rayonnement indépendant de φ) Ø Ø Champ rayonné en M par une antenne (K est un facteur constant, dépendant des éléments rayonnants employés) : ψi Ψi correspond à la phase de l’onde issues d’une antenne, par rapport à une antenne de réf (dépend du déphasage entre les sources et des distances entre les antennes). Techniques et systèmes de transmission 86

Réseau d’antennes Réseaux d’antennes - Théorie Ø Champ rayonné total au point en M

Réseau d’antennes Réseaux d’antennes - Théorie Ø Champ rayonné total au point en M (somme des contributions des N antennes ) : Ø Observation dans un plan donné de l’espace : Techniques et systèmes de transmission

Réseau d’antennes Application à un réseau à N antennes colinéaires équidistantes L’excitation des antennes

Réseau d’antennes Application à un réseau à N antennes colinéaires équidistantes L’excitation des antennes présente une amplitude constante, mais leur phase présente un gradient constant. Ø Calcul du facteur de réseau Techniques et systèmes de transmission 88

Réseau d’antennes Application à un réseau à N antennes colinéaires équidistantes Comportement périodique du

Réseau d’antennes Application à un réseau à N antennes colinéaires équidistantes Comportement périodique du facteur d’antenne en fonction de Ψ et N Valeur max de AF : Techniques et systèmes de transmission 89

Réseau d’antennes Application à un réseau à N antennes colinéaires équidistantes Ø Exemple :

Réseau d’antennes Application à un réseau à N antennes colinéaires équidistantes Ø Exemple : N = 8 antennes séparées de d = λ, pas de déphasage entre sources : Φ=0°. Techniques et systèmes de transmission 90

Réseau d’antennes Application à un réseau à N antennes colinéaires équidistantes Ø Effet du

Réseau d’antennes Application à un réseau à N antennes colinéaires équidistantes Ø Effet du déphasage entre source : modification de la direction du lobe principal Ø Condition pour avoir un maximum : Ø Lobe principal si : Techniques et systèmes de transmission 91

Réseau d’antennes Application à un réseau à N antennes colinéaires équidistantes Ø Réduction des

Réseau d’antennes Application à un réseau à N antennes colinéaires équidistantes Ø Réduction des lobes secondaires Ø Condition d’apparition d’un lobe secondaire : ψ = +/- 2π Ø Direction d’un lobe secondaire : Ø Pour faire disparaître un lobe secondaire, il suffit d’avoir : |cos(α 1)| > 1 Techniques et systèmes de transmission 92

Réseau d’antennes Application à un réseau à N antennes colinéaires équidistantes Ø Réduction des

Réseau d’antennes Application à un réseau à N antennes colinéaires équidistantes Ø Réduction des lobes secondaires- Exemple : Ø N = 8, Φ = 0° et d = 0. 8λ Techniques et systèmes de transmission 93

Réseau d’antennes Exemple de réseau d’antennes – antenne Yagi Ø Cette antenne est particulièrement

Réseau d’antennes Exemple de réseau d’antennes – antenne Yagi Ø Cette antenne est particulièrement employée pour la réception TV. Le faisceau doit être pointé vers l’émetteur TV (angle d’ouverture relativement étroit et orienté vers l’horizon) Ø Une antenne Yagi est composée de N antennes dipôles parallèles. Ø U dipôle est l’élément directeur (alimenté), les autres sont excités par couplage en champ proche excitation déphasée. Ø Le déphasage est choisi pour avoir un rayonnement optimal dans la direction longitudinal (α 0 = 0°) : … S 1 Φ 1 > S 2 Φ 2 > S 3 Φ 3 Lobe primaire SN ΦN > Ø La plupart du temps, un réflecteur est situé à à l’arrière du réseau pour réduire l’amplitude des lobes secondaires. Techniques et systèmes de transmission 94

Réseau d’antennes Antennes intelligentes - Beamforming Ø Même si on optimise la couverture, celle-ci

Réseau d’antennes Antennes intelligentes - Beamforming Ø Même si on optimise la couverture, celle-ci ne sera jamais totale et dans le cas de canal non stationnaire, la couverture ne restera pas optimale. De plus, l’effet de la propagation multi-trajet induit des interférences destructives localisées. Ø Apparition du concept d’antennes intelligentes pour : § Réduire l’effet des trajets multiples § Améliorer le rapport signal à bruit et la capacité du canal § Accroître la réutilisation des fréquences dans un espace donné Technologie antennes intelligentes Technologie standard Interférant Signal désiré Interférant Diagramme de rayonnement Réseau d’antennes Diagramme de rayonnement Techniques et systèmes de transmission Antenne omni. 95 Traitement numérique – Beamforming

Réseau d’antennes Exemple de réseau d’antennes – Application Exercice TD n° 8 Techniques et

Réseau d’antennes Exemple de réseau d’antennes – Application Exercice TD n° 8 Techniques et systèmes de transmission 96