4me anne du Dpartement Gnie lectrique Guillaume VILLEMAUD

4ème année du Département Génie Électrique Guillaume VILLEMAUD – Cours d’Antennes 98

Au programme. . . On va voir les grandes familles d’antennes à l’origine de l’ensemble des structures rayonnantes : • les antennes filaires (dipôle, monopôle, Yagi) • les antennes à fentes (demi ou quart d’onde) • les antennes patchs (planaires) • les antennes à ouverture (cornet) • les antennes à réflecteurs (paraboles) On terminera ce chapitre par le principe de mise en réseau d’antennes élémentaires et les techniques de formation de faisceaux. Guillaume VILLEMAUD – Cours d’Antennes 99

Les antennes filaires Par définition, la catégorie des antennes filaires regroupe l’ensemble des antennes formées d’une structure de câble conducteur de diamètre faible où l’on considérera des densités linéiques de courant. Les antennes de base sont : les dipôles, les monopôles, les boucles. Des structures plus évoluées sont : les hélices, les Yaguis, les Log-périodiques. . . Guillaume VILLEMAUD – Cours d’Antennes 100

LE DIPOLE RAYONNANT Le dipôle est une antenne filaire composé de deux brins conducteurs écartés en directions opposés. L’alimentation est le plus souvent présentée au centre de la structure ce qui donne un système symétrique. l Répartition de courant : On peut calculer le champ rayonné comme la somme des contributions de doublets élémentaires parcourus par une intensité I(z) Guillaume VILLEMAUD – Cours d’Antennes 101

FONCTION CARACTERISTIQUE DU DIPOLE Pour visualiser le rayonnement avec Guillaume VILLEMAUD – Cours d’Antennes 102

LE DIPOLE DEMI-ONDE La forme la plus simple de dipôle résonant est une antenne de taille totale l/2, autrement appelée dipôle demionde. La directivité max obtenue est de 1, 64 soit 2, 15 d. Bi ou 0 d. Bd Guillaume VILLEMAUD – Cours d’Antennes 103

IMPEDANCE DU DIPOLE Demi-onde : Z=73+j 42 ohms Guillaume VILLEMAUD – Cours d’Antennes 104

LE DIPOLE EPAIS Pour adapter un dipôle, on va jouer sur le diamètre des conducteurs (a) par rapport à la longueur des brins (l). Guillaume VILLEMAUD – Cours d’Antennes 105

DIPOLES PLUS GRANDS Fonction caractéristique générale : Guillaume VILLEMAUD – Cours d’Antennes 106

DIPOLES PLUS GRANDS Guillaume VILLEMAUD – Cours d’Antennes 107

DIPOLES PLUS GRANDS l/2 Guillaume VILLEMAUD – Cours d’Antennes 108

DIPOLES PLUS GRANDS l Guillaume VILLEMAUD – Cours d’Antennes 109

DIPOLES PLUS GRANDS 3 l/2 Guillaume VILLEMAUD – Cours d’Antennes 110

DIPOLES PLUS GRANDS 2 l Guillaume VILLEMAUD – Cours d’Antennes 111

LE MONOPOLE Principe des images Guillaume VILLEMAUD – Cours d’Antennes 112

CARACTERISTIQUES DU MONOPOLE Rayonnement dans un demi-espace Gain supérieur de 3 d. B Quart d’onde : Z=36, 5+j 21 ohms Guillaume VILLEMAUD – Cours d’Antennes 113

DIPOLE AU-DESSUS D’UN PLAN REFLECTEUR Guillaume VILLEMAUD – Cours d’Antennes 114

DIPOLE REPLIE Même caractéristiques de rayonnement Impédance 300 ohms Bande passante supérieure Guillaume VILLEMAUD – Cours d’Antennes 115

EFFET D’ELEMENTS PARASITES Si on place une antenne non alimentée proche du dipôle initial, on alimente celle-ci par couplage. En choisissant des tailles légèrement différentes de ces parasites, on peut créer des comportements réflecteur ou directeur. Guillaume VILLEMAUD – Cours d’Antennes 116

L’ANTENNE YAGI-UDA En combinant l’effet d’éléments réflecteurs et directeurs, on obtient une antenne fortement directive : la Yagi. Réflecteur Guillaume VILLEMAUD – Cours d’Antennes 117

AUTRES ANTENNES FILAIRES Antenne boucle résonante Antenne hélice Hélice simple • Mode radial • Mode axial Hélices multiples Guillaume VILLEMAUD – Cours d’Antennes 118

LES ANTENNES A FENTES Illustration du principe de Babinet Dual du dipôle l/2 l/4 Même comportement que le dipôle mais en inversant les champs E et H. Du coup, changement également des impédances. Guillaume VILLEMAUD – Cours d’Antennes 119

COMPARAISON DIPOLE-FENTE Guillaume VILLEMAUD – Cours d’Antennes 120

LES ANTENNES PLANAIRES Antenne patch Pastille métallique à la surface d’un substrat diélectrique dont la face inférieure est métallisée. Rayonnement directif Mode fondamental l/2 Guillaume VILLEMAUD – Cours d’Antennes 121

LES ANTENNES PLANAIRES Principe de fonctionnement : cavité à fuites Guillaume VILLEMAUD – Cours d’Antennes 122

LES ANTENNES PLANAIRES Systèmes d’alimentations : Système classique : sonde coaxiale Placement en fonction de l’impédance et des modes désirés Guillaume VILLEMAUD – Cours d’Antennes 123

LES ANTENNES A OUVERTURE Ouverture progressive d’un guide d’onde vers l’espace libre : antenne cornet. Exemple du cornet rectangulaire Guillaume VILLEMAUD – Cours d’Antennes 124

CARACTERISTIQUES DU CORNET Longueur : Rayonnement : plan H : plan E : Guillaume VILLEMAUD – Cours d’Antennes 125

ANTENNES A SYSTEME FOCALISANT Les systèmes focalisant utilisent les principes de l’optique : on transforme une onde plane en onde sphérique ou inversement. Lentille : système focalisant en transmission Parabole : système focalisant en réflexion Guillaume VILLEMAUD – Cours d’Antennes 126

LA PARABOLE On utilise un réflecteur pour concentrer l’énergie vers une antenne élémentaire placée au foyer. Approximation : avec k entre 0. 5 et 0. 8 Guillaume VILLEMAUD – Cours d’Antennes 127

SYSTEME A DOUBLE REFLECTEUR Pour améliorer la focalisation, on peut également utiliser deux niveaux de réflecteurs : principe de l’antenne Cassegrain. Guillaume VILLEMAUD – Cours d’Antennes 128

MISE EN RESEAU D’ANTENNES Quand on calcule le rayonnement d’une antenne résonante, on somme les contributions de doublets élémentaires qui donnent le rayonnement de l’ensemble. On ne peut alors qu’utiliser des lois de répartitions de ces courants (amplitude et phase) prédéterminées. La mise à réseau consiste à utiliser des antennes simples dont on somme les contributions en contrôlant les amplitudes et phases avec lesquelles on les alimente. Guillaume VILLEMAUD – Cours d’Antennes 129

PRINCIPE DE COMBINAISON Si on considère l’association de sources élémentaires isotropes alimentées avec la même amplitude et la même phase, la somme des champs devient : approximation sur l’amplitude q front d’onde d Guillaume VILLEMAUD – Cours d’Antennes 130

FACTEUR DE RESEAU Le principe de combinaison des champs est le même quelque soit le diagramme de rayonnement des sources. On a alors multiplication par la fonction caractéristique de la source. R(q) facteur de réseau ou facteur de regroupement Multiplication des diagrammes Guillaume VILLEMAUD – Cours d’Antennes 131

AUGMENTATION DE GAIN On peut utiliser le regroupement pour augmenter le gain d’une antenne. A partir d’une antenne élémentaire directive, la multiplication par deux du nombre d’élément augmente la directivité par deux. Ex de réseau de patchs : patch seul : 6 d. Bi de gain quel gain pour un réseau de 256 ? Guillaume VILLEMAUD – Cours d’Antennes 132

PONDERATION On peut en plus du principe de regroupement choisir des lois d’alimentations des éléments en amplitude et en phase permettant de modifier le facteur de réseau. pointage électronique q front d’onde d Guillaume VILLEMAUD – Cours d’Antennes 133

FORMATION DE FAISCEAUX Pour créer les lois d’amplitudes et phases voulues, on peut utiliser un réseau de distribution fixe ou reconfigurable. antennes multifaisceaux antennes adaptatives Guillaume VILLEMAUD – Cours d’Antennes 134