4me anne du Dpartement Gnie lectrique Guillaume VILLEMAUD

4ème année du Département Génie Électrique Guillaume VILLEMAUD – Cours d’Antennes 1

De quoi allons-nous parler ? Nous allons parler des antennes (ou aériens), dispositifs permettant la transposition d’une énergie guidée en un champ électromagnétique rayonné en espace libre (ou inversement). Il existe une multitude de types d’antennes, de tailles et de formes très diverses, aux modes de fonctionnement plus ou moins complexes. Nous allons définir les caractéristiques et propriétés communes à ces différents dispositifs ainsi que leurs domaines d’applications. Guillaume VILLEMAUD – Cours d’Antennes 2

Les antennes au quotidien GSM 900 MHz DCS 1800 MHz UMTS 2 GHz Analogique 800 MHz DECT ~1900 MHz Radar anticollision ~80 GHz Télépéage ~6 GHz Ouverture à distance 433 MHz 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) Guillaume VILLEMAUD – Cours d’Antennes 3

Navire militaire Guillaume VILLEMAUD – Cours d’Antennes 4

Radiotélescope 1 à 3, 5 GHz Miroir plan mobile autour d'un axe est-ouest (hauteur 40 m ; longueur 200 m ; précision de surface 4 mm; poids 700 t) Centre de Nançay (Cher) Foyer de l'antenne, cornets de réception et préamplificateurs refroidis à – 250 °C mobiles sur un arc de 250 m Miroir sphérique fixe, d'axe nord-sud (hauteur 35 m, longueur 300 m, précision de surface 3 mm; rayon 560 m) Guillaume VILLEMAUD – Cours d’Antennes 5

Problème principal : l’énergie 3 MHz 100 m 30 MHz 10 m 300 MHz 1 m 3 GHz 10 cm 120 d. Bm Radars météo Radars militaires Satellites 100 80 20 300 GHz 1 mm 1 GW 1 MW TV UHF 60 40 30 GHz 1 cm TV VHF Four TFTS Amateurs GSM Amateurs 1 KW Télé péage 1 W DECT 0 1 m. W Guillaume VILLEMAUD – Cours d’Antennes 6

Ex : Communication Terre-satellite 1 GW 1 MW Puissance Isotrope Antenn e terrestr e Antenn e satellite 1 k. W 1 W Ampli terre 1 m. W 1µW 1 p. W 1 f. W Amp li Low Noise amplifier Signal d’entrée Signal capté Gain antenn e Signal capté par la terre Guillaume VILLEMAUD – Cours d’Antennes 7 Signal de sortie

La chaîne de transmission radio Partie émission : signal utile Cod BB Mod duplexeur ampli circulateur antenne synthé fo Partie réception : antenne duplex ampli LNA Démod ampli Décod synthé fi Guillaume VILLEMAUD – Cours d’Antennes 8 signal utile

Exemple d’un GSM canal radio Guillaume VILLEMAUD – Cours d’Antennes 9

Notion de canal radio La chaîne de transmission radio : récepteur RF émetteur RF num/analog Propagation guidée analog/num Propagation espace libre Propagation guidée canal radio Les « boîtiers » contenant l’électronique sont reliés aux antennes via des lignes ou câbles (feeders). D’un point de vue traitement du signal, l’ensemble des déformations de l’onde engendrées par la propagation guidée+libre forme le canal radio. Guillaume VILLEMAUD – Cours d’Antennes 10

Où se perd l’énergie ? atténuation, dispersion Milieu de propagation atténuation, dispersion bruit des composants désadaptation Réflexions, diffractions, trajets multiples, obstacles, diffusion, évanouissement, AEL, conditions météos. . . Et tous ces paramètres varient en fonction de la fréquence, du temps et même de la polarisation de l’onde. Guillaume VILLEMAUD – Cours d’Antennes 11

Domaines abordés Pour comprendre les phénomènes régissant le fonctionnement des antennes ainsi que leur intégration dans un système de communication, les pré-requis sont : • des connaissances de base de l’électromagnétisme (équations de Maxwell, propagation des ondes EM. . . ); • la bonne compréhension des principes des lignes de transmission et surtout de l’adaptation en impédance des systèmes (ondes progressives, ondes stationnaires. . . ); • savoir prendre du recul : les antennes représentent une application pratique des équations de Maxwell où l’on peut « voir » les phénomènes physiques sans rester purement dans les calculs théoriques. Guillaume VILLEMAUD – Cours d’Antennes 12

Plan détaillé 10 h de cours : 8 h (G. Villemaud) + 2 h (J. M. Gorce) Antennes et Propagation 3 grandes parties : Modélisation (application GSM) Principes des antennes Caractéristiques des antennes Différents types d’antennes Principes des antennes : ØPassage propagation guidée/espace libre ØLe champ EM et les zones de rayonnement ØLe doublet élémentaire ØLes théorèmes fondamentaux ØNotion de front d’onde ØLa polarisation Guillaume VILLEMAUD – Cours d’Antennes 13

Plan détaillé Caractéristiques des antennes : ØImpédance d’entrée / notion de circuit ØFonction caractéristique de rayonnement ØPuissance rayonnée ØDirectivité et gain ØBilan de liaison Types d’antennes : ØAntennes filaires ØAntennes à fentes ØAntennes patchs ØAntennes à réflecteur ØMise en réseau Guillaume VILLEMAUD – Cours d’Antennes 14