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Petite encyclopédie des Antennes
par Mhz Mar 20 Déc - 23:49
Qu’est ce qu’une antenne de radiocommunications?
Une antenne d’émission est un dispositif qui transforme l’énergie électrique qu’on lui applique en énergie électromagnétique rayonnée.
Une antenne de réception transforme l’énergie d’un rayonnement électromagnétique en énergie électrique.
Une ligne de transmission (câble coaxial) est utilisée pour transporter l’énergie électrique vers l’antenne d‘émission, ou pour transporter l’énergie électrique issue de l’antenne de réception.
Les antennes d’émission et de réception ne diffèrent pas sur le plan électrique.
La même antenne est soit un générateur (antenne de réception) soit une charge ( antenne d’émission) Il en est de même pour les caractéristiques : gain, bande passante, résistance de rayonnement, qui sont les mêmes .
Il faudra simplement s’assurer qu’une antenne d’émission est capable de supporter la puissance appliquée, sans fondre ou brûler, car les niveaux de signaux en émission sont évidemment beaucoup plus importants que les niveaux en réception.
Puissance rayonnée par une antenne de radiocommunications.
L'impédance d'une antenne sans pertes est de la forme R + jX. Si on applique une tension aux bornes de cette antenne, la puissance absorbée par la résistance R n’est pas dissipée sous forme de chaleur, elle est rayonné sous forme électromagnétique.
On dit que R est une résistance "fictive" de rayonnement.
Lorsque l'impédance R+jX aux bornes d’une antenne n'a pas de partie imaginaire X on dit que l'antenne est à la résonance, ou "est accordée" .
L'antenne est équivalente , sur sa fréquence de résonance, à une résistance pure R .
En général, on conçoit une antenne de radiocommunications de façon à avoir R = 50 ohms et X = 0. de façon à les alimenter par un câble d'impédance caractéristique 50 ohms.
La plupart des antennes de radiocommunications, si elles ne sont pas très petites par rapport à la longueur d'onde, ont un très bon rendement, ce qui signifie que la majeure partie de la puissance dissipée par "R" est bien rayonnée.
Pour les antennes de dimensions très réduites par rapport à la longueur d'onde, il faudra considérer que la résistance se décompose en deux résistances, la résistance de rayonnement et la résistance de pertes. L'antenne ne rayonnera pas toute la puissance qui lui est fournie.
.
Une antenne d’émission est un dispositif qui transforme l’énergie électrique qu’on lui applique en énergie électromagnétique rayonnée.
Une antenne de réception transforme l’énergie d’un rayonnement électromagnétique en énergie électrique.
Une ligne de transmission (câble coaxial) est utilisée pour transporter l’énergie électrique vers l’antenne d‘émission, ou pour transporter l’énergie électrique issue de l’antenne de réception.
Les antennes d’émission et de réception ne diffèrent pas sur le plan électrique.
La même antenne est soit un générateur (antenne de réception) soit une charge ( antenne d’émission) Il en est de même pour les caractéristiques : gain, bande passante, résistance de rayonnement, qui sont les mêmes .
Il faudra simplement s’assurer qu’une antenne d’émission est capable de supporter la puissance appliquée, sans fondre ou brûler, car les niveaux de signaux en émission sont évidemment beaucoup plus importants que les niveaux en réception.
Puissance rayonnée par une antenne de radiocommunications.
L'impédance d'une antenne sans pertes est de la forme R + jX. Si on applique une tension aux bornes de cette antenne, la puissance absorbée par la résistance R n’est pas dissipée sous forme de chaleur, elle est rayonné sous forme électromagnétique.
On dit que R est une résistance "fictive" de rayonnement.
Lorsque l'impédance R+jX aux bornes d’une antenne n'a pas de partie imaginaire X on dit que l'antenne est à la résonance, ou "est accordée" .
L'antenne est équivalente , sur sa fréquence de résonance, à une résistance pure R .
En général, on conçoit une antenne de radiocommunications de façon à avoir R = 50 ohms et X = 0. de façon à les alimenter par un câble d'impédance caractéristique 50 ohms.
La plupart des antennes de radiocommunications, si elles ne sont pas très petites par rapport à la longueur d'onde, ont un très bon rendement, ce qui signifie que la majeure partie de la puissance dissipée par "R" est bien rayonnée.
Pour les antennes de dimensions très réduites par rapport à la longueur d'onde, il faudra considérer que la résistance se décompose en deux résistances, la résistance de rayonnement et la résistance de pertes. L'antenne ne rayonnera pas toute la puissance qui lui est fournie.
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Dernière édition par 14RC126 le Mer 21 Déc - 7:00, édité 2 fois
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Re: Petite encyclopédie des Antennes
par Mhz Mar 20 Déc - 23:49
Antenne adaptée.
En général, une antenne est alimentée par un câble coaxial d'impédance caractéristique 50 ohms. Dans la situation idéale, l'antenne doit alors présenter au câble une résistance pure de 50 ohms.
Si c'est le cas, toute la puissance que le câble fournit sera absorbée par l'antenne. On dit que l'antenne est adaptée. Voir le chapitre 3 "lignes de transmission".
Par contre, si l'antenne ne présente pas au câble cette résistance de 50 ohms, une partie de la puissance va être réfléchie par l'antenne, et va repartir vers la source.
Pour la mise au point d'une antenne, on cherchera donc à avoir une antenne de résistance 50 ohms.
On peut penser qu'il faut automatiquement mesurer son impédance, Cela est possible à l'aide d'un analyseur de réseau qui donnera à l'écran l'impédance sur un diagramme de Smith.
Il faudra alors tenir compte avec précision de la distance entre l'antenne et le point où on mesure l'impédance. Puisque l'impédance vue au bout du câble est différente de celle de l'antenne , si l'adaptation n'est pas parfaite.
Une méthode bien plus courante consiste à mesurer le niveau de puissance réfléchie .
La mise au point de l'antenne consistera donc à rendre nulle ou au moins minimale cette puissance réfléchie.
.
Antenne isotrope.
Une antenne « isotrope » rayonnerait, si elle existait, de façon identique dans toutes les directions.
Pour donner une image, si nous montons en fréquence jusqu'à ce que les ondes deviennent lumineuses, une telle antenne « éclairerait » de façon uniforme dans toutes les directions.
Si on considère une sphère centrée sur l’antenne, toute la puissance rayonnée va traverser la surface de cette sphère. Si on augmente le rayon de la sphère, la puissance par unité de surface va diminuer, puisque la même puissance se répartit sur une surface plus grande. Par exemple, si on se place deux fois plus loin, la puissance est répartie sur une sphère de surface quatre fois plus grande, et la puissance par unité de surface sera quatre fois plus petite. Pour cette raison, la puissance par unité de surface décroît en 1/rcarré.
Antenne de réception.
Une antenne, en réception, va intercepter l’énergie de l’onde qui arrive sur l’antenne, et fournir une puissance électrique à ses bornes. Tout se passe comme si l’antenne, en réception, interceptait l’onde qui arrive dans une certaine surface : c’est la surface équivalente de l’antenne.
Avec une analogie lumineuse, pensez à un panneau solaire qui transforme en énergie électrique le rayonnement qui parvient sur sa surface .
En général, une antenne est alimentée par un câble coaxial d'impédance caractéristique 50 ohms. Dans la situation idéale, l'antenne doit alors présenter au câble une résistance pure de 50 ohms.
Si c'est le cas, toute la puissance que le câble fournit sera absorbée par l'antenne. On dit que l'antenne est adaptée. Voir le chapitre 3 "lignes de transmission".
Par contre, si l'antenne ne présente pas au câble cette résistance de 50 ohms, une partie de la puissance va être réfléchie par l'antenne, et va repartir vers la source.
Pour la mise au point d'une antenne, on cherchera donc à avoir une antenne de résistance 50 ohms.
On peut penser qu'il faut automatiquement mesurer son impédance, Cela est possible à l'aide d'un analyseur de réseau qui donnera à l'écran l'impédance sur un diagramme de Smith.
Il faudra alors tenir compte avec précision de la distance entre l'antenne et le point où on mesure l'impédance. Puisque l'impédance vue au bout du câble est différente de celle de l'antenne , si l'adaptation n'est pas parfaite.
Une méthode bien plus courante consiste à mesurer le niveau de puissance réfléchie .
La mise au point de l'antenne consistera donc à rendre nulle ou au moins minimale cette puissance réfléchie.
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Antenne isotrope.
Une antenne « isotrope » rayonnerait, si elle existait, de façon identique dans toutes les directions.
Pour donner une image, si nous montons en fréquence jusqu'à ce que les ondes deviennent lumineuses, une telle antenne « éclairerait » de façon uniforme dans toutes les directions.
Si on considère une sphère centrée sur l’antenne, toute la puissance rayonnée va traverser la surface de cette sphère. Si on augmente le rayon de la sphère, la puissance par unité de surface va diminuer, puisque la même puissance se répartit sur une surface plus grande. Par exemple, si on se place deux fois plus loin, la puissance est répartie sur une sphère de surface quatre fois plus grande, et la puissance par unité de surface sera quatre fois plus petite. Pour cette raison, la puissance par unité de surface décroît en 1/rcarré.
Antenne de réception.
Une antenne, en réception, va intercepter l’énergie de l’onde qui arrive sur l’antenne, et fournir une puissance électrique à ses bornes. Tout se passe comme si l’antenne, en réception, interceptait l’onde qui arrive dans une certaine surface : c’est la surface équivalente de l’antenne.
Avec une analogie lumineuse, pensez à un panneau solaire qui transforme en énergie électrique le rayonnement qui parvient sur sa surface .
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Re: Petite encyclopédie des Antennes
par Mhz Mar 20 Déc - 23:51
Polarisation d’une antenne.
Il s’agit de la direction du champ électrique de l'onde.
Si nous voulons recevoir une onde polarisée verticalement, nous devrons placer l’antenne de réception « en polarisation verticale » de façon à recevoir le maximum de puissance.
Chaque fois que nous voudrons recevoir une puissance maximale, même si nous ne le précisons pas toujours, nous devrons placer l’antenne selon la polarisation convenable.
Pour les antennes constituées de brins conducteurs, la direction des ces brins rayonnants donne généralement la direction de polarisation.
Bande passante d’une antenne de radiocommunications.
Une antenne ne joue pleinement son rôle que si les fréquences des signaux mesurés se trouvent dans la bande de fonctionnement de l’antenne, appelée généralement « bande passante ».
A sa fréquence d'accord Fo, l'antenne doit idéalement présenter une résistance pure R , égale à la résistance que lui présente la ligne de transmission.
Pour des fréquences autour de Fo, l'impédance de l'antenne sera différente, et notamment présentera une partie imaginaire.
Si cette impédance est proche de l'impédance idéale, l'antenne continuera à absorber la majeure partie de l'énergie et Fo sera encore dans la bande passante de l'antenne.
En général, on ne définit pas la bande passante à -3 dB, car une chute du gain d'antenne de 3 dB correspond à un ROS très important.
on définira par exemple la bande dans laquelle le ROS est inférieur à 2, soit un réfléchi inférieur à 11%.
La bande passante dépend du type d'antenne.
Si on cherche à réduire les dimensions d'une antenne bien en deçà de la demi-onde , on constate une réduction de la bande passante.
Il s’agit de la direction du champ électrique de l'onde.
Si nous voulons recevoir une onde polarisée verticalement, nous devrons placer l’antenne de réception « en polarisation verticale » de façon à recevoir le maximum de puissance.
Chaque fois que nous voudrons recevoir une puissance maximale, même si nous ne le précisons pas toujours, nous devrons placer l’antenne selon la polarisation convenable.
Pour les antennes constituées de brins conducteurs, la direction des ces brins rayonnants donne généralement la direction de polarisation.
Bande passante d’une antenne de radiocommunications.
Une antenne ne joue pleinement son rôle que si les fréquences des signaux mesurés se trouvent dans la bande de fonctionnement de l’antenne, appelée généralement « bande passante ».
A sa fréquence d'accord Fo, l'antenne doit idéalement présenter une résistance pure R , égale à la résistance que lui présente la ligne de transmission.
Pour des fréquences autour de Fo, l'impédance de l'antenne sera différente, et notamment présentera une partie imaginaire.
Si cette impédance est proche de l'impédance idéale, l'antenne continuera à absorber la majeure partie de l'énergie et Fo sera encore dans la bande passante de l'antenne.
En général, on ne définit pas la bande passante à -3 dB, car une chute du gain d'antenne de 3 dB correspond à un ROS très important.
on définira par exemple la bande dans laquelle le ROS est inférieur à 2, soit un réfléchi inférieur à 11%.
La bande passante dépend du type d'antenne.
Si on cherche à réduire les dimensions d'une antenne bien en deçà de la demi-onde , on constate une réduction de la bande passante.
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Re: Petite encyclopédie des Antennes
par Mhz Mar 20 Déc - 23:53
Gain d’une antenne de radiocommunications.
Il n’existe pas d’antenne isotrope dans la réalité. Toutes les antennes ont des directions pour lesquelles le rayonnement est plus intense, et des directions de rayonnement plus faible.
Imaginons que l’on applique une puissance P à une antenne isotrope, et que l’on mesure la puissance récupérée par une antenne de réception placée à une certaine distance.
Puis remplaçons cette antenne isotrope par une « antenne à gain », et orientons cette dernière pour obtenir le maximum de puissance sur l’antenne de réception. ( et adoptons aussi la même polarisation.)
La puissance reçue par l’antenne de réception aura augmenté, comme si on avait augmenté la puissance de l'émetteur.
On peut exprimer ce gain en dB : C’est le gain d’une antenne par rapport à une antenne isotrope.( gain/ iso).
Diagramme de rayonnement :
Dans le paragraphe précédent, nous avons orienté l’antenne à gain dans la direction considérée, de façon à obtenir le maximum de rayonnement dans cette direction. Mais l’antenne rayonne aussi dans les autres directions, et on pourrait parler du gain ( ou de l’atténuation) dans toutes les directions possibles : c’est le diagramme de rayonnement de l’antenne.
Plutôt que de représenter ce diagramme dans l’espace, on préfère le représenter dans deux plans particuliers, le plan qui porte le vecteur champ E, et le plan qui porte le vecteur champ H.
Distance minimale à une antenne de radiocommunications.
Une onde électromagnétique se propageant en espace libre est caractérisée par un champ électrique E et un champ magnétique H vibrant de concert .E et H sont perpendiculaires entre eux et perpendiculaires à la direction de propagation. et se propagent à la vitesse de la lumière.
Lorsque l’onde quitte l’antenne, loin de celle-ci, le rapport E/H finit par se stabiliser, et devient égal à 377 Ohms.
Cela se produit à une distance de l'ordre de la demi-onde.
On pourrait donc penser qu’il suffit de se mettre à cette distance pour mesurer le rayonnement d’une antenne. En réalité, pour la plupart des antennes, notamment celles qui ont du gain, une autre condition doit être respectée pour mesurer le gain :
L’antenne doit être éloignée d’une distance supérieure à la distance dite « de Fraunhofer », pour que le gain annoncé par le constructeur soit respecté.
Si L est la plus grande dimension de l’antenne, cette distance est de l’ordre de
D = 2(Lcarré )/ λ
Cette distance est faible pour un dipôle demi-onde, mais devient très grande si on a une antenne à gain important...Par exemple, pour une parabole de 60 cm et une longueur d'onde de 3 cm, cette distance est de l'ordre de 25 m !
Il n’existe pas d’antenne isotrope dans la réalité. Toutes les antennes ont des directions pour lesquelles le rayonnement est plus intense, et des directions de rayonnement plus faible.
Imaginons que l’on applique une puissance P à une antenne isotrope, et que l’on mesure la puissance récupérée par une antenne de réception placée à une certaine distance.
Puis remplaçons cette antenne isotrope par une « antenne à gain », et orientons cette dernière pour obtenir le maximum de puissance sur l’antenne de réception. ( et adoptons aussi la même polarisation.)
La puissance reçue par l’antenne de réception aura augmenté, comme si on avait augmenté la puissance de l'émetteur.
On peut exprimer ce gain en dB : C’est le gain d’une antenne par rapport à une antenne isotrope.( gain/ iso).
Diagramme de rayonnement :
Dans le paragraphe précédent, nous avons orienté l’antenne à gain dans la direction considérée, de façon à obtenir le maximum de rayonnement dans cette direction. Mais l’antenne rayonne aussi dans les autres directions, et on pourrait parler du gain ( ou de l’atténuation) dans toutes les directions possibles : c’est le diagramme de rayonnement de l’antenne.
Plutôt que de représenter ce diagramme dans l’espace, on préfère le représenter dans deux plans particuliers, le plan qui porte le vecteur champ E, et le plan qui porte le vecteur champ H.
Distance minimale à une antenne de radiocommunications.
Une onde électromagnétique se propageant en espace libre est caractérisée par un champ électrique E et un champ magnétique H vibrant de concert .E et H sont perpendiculaires entre eux et perpendiculaires à la direction de propagation. et se propagent à la vitesse de la lumière.
Lorsque l’onde quitte l’antenne, loin de celle-ci, le rapport E/H finit par se stabiliser, et devient égal à 377 Ohms.
Cela se produit à une distance de l'ordre de la demi-onde.
On pourrait donc penser qu’il suffit de se mettre à cette distance pour mesurer le rayonnement d’une antenne. En réalité, pour la plupart des antennes, notamment celles qui ont du gain, une autre condition doit être respectée pour mesurer le gain :
L’antenne doit être éloignée d’une distance supérieure à la distance dite « de Fraunhofer », pour que le gain annoncé par le constructeur soit respecté.
Si L est la plus grande dimension de l’antenne, cette distance est de l’ordre de
D = 2(Lcarré )/ λ
Cette distance est faible pour un dipôle demi-onde, mais devient très grande si on a une antenne à gain important...Par exemple, pour une parabole de 60 cm et une longueur d'onde de 3 cm, cette distance est de l'ordre de 25 m !
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Re: Petite encyclopédie des Antennes
par Mhz Mar 20 Déc - 23:58
Atténuation entre deux antennes:
On peut se poser la question de savoir quelle puissance recevra une antenne placée à une distance D d'une antenne d’émission ? (Nous supposons évidemment qu'il n'y a pas d'obstacles entre les antennes.)
Considérons d'abord des antennes isotropes:
L’atténuation entre la puissance appliquée à une antenne isotrope et la puissance reçue par une autre antenne isotrope à la distance D sera :
Atténuation ( en dB) = 22dB + 20 log ( D / lambda).
Exemple : Une antenne isotrope d’émission reçoit du câble une puissance électrique de 1 watt à une fréquence de 1 GHz . On place à 3 mètres une autre antenne isotrope de même polarisation . Quelle est la puissance disponible en sortie de cette antenne ? La longueur d’onde est l = c/F = 30 cm .
L'atténuation est donc 22 dB + 20 log ( 300/30) = 42 dB
La puissance émise est de 30 dBm. La puissance reçue est donc :
30 dBm – 42 dB = -12 dBm.
Maintenant si nous avons des antennes à gain, nous dirigerons les deux antennes l'une vers l'autre, avec la polarisation convenable, et nous ajouterons au niveau calculé ci-dessus le gain des deux antennes. A condition, bien sur de respecter les distances minimales citées dans le paragraphe précédent.
La PIRE d’un objet rayonnant.
Ce concept est important pour ceux qui font des mesures de CEM , car souvent les normes indiquent les limites de rayonnement permises sous forme de PIRE (Puissance isotrope rayonnée équivalente).
Considérons un objet qui rayonne sur une fréquence. Pour mesurer son rayonnement, nous avons placé à une certaine distance une antenne de réception.
Nous orientons l’objet dans toutes les directions possibles, de façon à recevoir un signal maximum sur notre antenne de réception.
Lorsque cette position est trouvée, nous nous posons la question suivante :
Si nous remplaçons l’objet par une antenne isotrope, quelle puissance devra t-on appliquer à cette antenne pour recevoir le même niveau de puissance sur notre antenne de réception ?
Cette puissance est la PIRE.( puissance isotrope rayonnée équivalente)
La PIRE d’une antenne.
Si l’objet rayonnant est une antenne, la PIRE s’obtient simplement en ajoutant le gain /iso de cette antenne à la puissance qu’on lui applique.
Exemple : On applique une puissance de 1 watt à une antenne de 13dB de gain/ iso.
La PIRE est de 20 Watts. (1 watt + 13 dB)
Comme pour l’objet rayonnant, on a supposé que l’on considérait la direction dans laquelle l’antenne rayonne le maximum d’énergie
On peut se poser la question de savoir quelle puissance recevra une antenne placée à une distance D d'une antenne d’émission ? (Nous supposons évidemment qu'il n'y a pas d'obstacles entre les antennes.)
Considérons d'abord des antennes isotropes:
L’atténuation entre la puissance appliquée à une antenne isotrope et la puissance reçue par une autre antenne isotrope à la distance D sera :
Atténuation ( en dB) = 22dB + 20 log ( D / lambda).
Exemple : Une antenne isotrope d’émission reçoit du câble une puissance électrique de 1 watt à une fréquence de 1 GHz . On place à 3 mètres une autre antenne isotrope de même polarisation . Quelle est la puissance disponible en sortie de cette antenne ? La longueur d’onde est l = c/F = 30 cm .
L'atténuation est donc 22 dB + 20 log ( 300/30) = 42 dB
La puissance émise est de 30 dBm. La puissance reçue est donc :
30 dBm – 42 dB = -12 dBm.
Maintenant si nous avons des antennes à gain, nous dirigerons les deux antennes l'une vers l'autre, avec la polarisation convenable, et nous ajouterons au niveau calculé ci-dessus le gain des deux antennes. A condition, bien sur de respecter les distances minimales citées dans le paragraphe précédent.
La PIRE d’un objet rayonnant.
Ce concept est important pour ceux qui font des mesures de CEM , car souvent les normes indiquent les limites de rayonnement permises sous forme de PIRE (Puissance isotrope rayonnée équivalente).
Considérons un objet qui rayonne sur une fréquence. Pour mesurer son rayonnement, nous avons placé à une certaine distance une antenne de réception.
Nous orientons l’objet dans toutes les directions possibles, de façon à recevoir un signal maximum sur notre antenne de réception.
Lorsque cette position est trouvée, nous nous posons la question suivante :
Si nous remplaçons l’objet par une antenne isotrope, quelle puissance devra t-on appliquer à cette antenne pour recevoir le même niveau de puissance sur notre antenne de réception ?
Cette puissance est la PIRE.( puissance isotrope rayonnée équivalente)
La PIRE d’une antenne.
Si l’objet rayonnant est une antenne, la PIRE s’obtient simplement en ajoutant le gain /iso de cette antenne à la puissance qu’on lui applique.
Exemple : On applique une puissance de 1 watt à une antenne de 13dB de gain/ iso.
La PIRE est de 20 Watts. (1 watt + 13 dB)
Comme pour l’objet rayonnant, on a supposé que l’on considérait la direction dans laquelle l’antenne rayonne le maximum d’énergie
Dernière édition par 14RC126 le Mer 21 Déc - 6:47, édité 1 fois
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Re: Petite encyclopédie des Antennes
par Mhz Mer 21 Déc - 0:01
..
Le dipôle demi-onde
Le dipôle demi-onde est l’antenne la plus utilisée en radiocommunications.
Il est composé d’un conducteur métallique ( brin ou tube) de longueur pratiquement égale à la demi-onde de la fréquence .
Ainsi, pour une fréquence de 1000 MHz, la demi-onde sera L = 0,5 C/F = 15 cm
En réalité, le diamètre influence un peu la longueur optimale du dipôle, si le brin qui le compose est d’un diamètre important, pour obtenir la résonance, la longueur sera légèrement inférieure à la demi-onde.
Mais ce n’est pas critique, car plus le diamètre du dipôle est important, plus sa bande passante sera large et sa longueur peu critique.
Par exemple, longueur totale réelle L du dipôle :
- si le diamètre du conducteur est le millième de la longueur d'onde, L= 0,48 C/F
-Si le diamètre du conducteur est le centième de la longueur d'onde, L = 0,475 C/F
Par exemple, à 1 GHz, un dipôle constitué d'un tube de diamètre 3 mm devra mesurer 14,2 cm au lieu de 15cm...Mais un dipôle de 15 cm fonctionnera encore assez bien...
Impédance du dipôle : Si on coupe le dipôle en son centre, les deux points issus de la coupure présentent une impédance Z = R + jX . A la fréquence de résonance, la réactance X est nulle, et il ne reste que la résistance R appelée "résistance de rayonnement". Si le conducteur était infiniment fin, cette résistance serait de 73 ohms.
Rappelons que la résistance de rayonnement est une résistance fictive , et que la puissance qu’elle « dissipe » est la puissance rayonnée. Cette puissance, pour une antenne, est donc la puissance « utile » .
En pratique, aux fréquences UHF, le diamètre peut être de l'ordre du vingtième de la longueur, donc le dipôle sera légèrement plus court que lambda/2 , et la résistance de rayonnement sera autour de 60 ohms. Si ce dipôle est alimenté par un câble Zc = 50 ohms , le ROS, Rapport d'ondes Stationnaire, sera 60 /50 = 1,2 et la puissance réfléchie sera de l'ordre de 1%, soit -20 dB de la puissance directe, ce qui est généralement très acceptable.
Rayonnement du dipôle : L’onde est polarisée parallèlement au dipôle. ( champ E)
Le dipôle ne rayonne pas de façon identique dans toutes les directions. Dans l’axe du brin le rayonnement est quasi nul. Par contre, il est maximum dans la direction perpendiculaire au brin.
Dans cette direction, le dipôle rayonne 2dB de plus que ne le ferait une antenne « isotrope ».
On dit que le dipôle possède un gain de 2 dB /iso.
Notons que le gain est le même en émission et en réception, comme pour toutes les antennes.
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Tensions et courants sur un dipôle demi-onde.
C'est le centre du dipôle qui est le siège du courant maximum, et ce courant diminue au fur et à mesure qu'on se rapproche des extrémités . on dit que le centre est un "ventre " de courant, et les extrémités un "noeud" de courant. Les extrémités du dipôle sont le siège du maximum de tension par rapport à l'environnement ( mais inversée)
La figure ci-dessous schématise le courant et la tension du dipôle.
Ces termes vous rappelleront une analogie avec une corde vibrante, qui peut avoir un "ventre" d'amplitude du déplacement en son centre. L'analogie avec les ondes stationnaires est une bonne description intuitive de ce qui se passe avec les antennes, qui sont également des résonateurs comme les cordes vibrantes .
Le dipôle demi-onde peut aussi être considéré comme un circuit accordé : Dans un circuit LC, l'énergie sous forme de champ magnétique est localisée dans l'inductance, et l'énergie sous forme de champ électrique est localisée dans le condensateur. Dans le dipôle, l'énergie sous forme magnétique est localisée autour de la partie centrale, car le courant y est maximum. L'énergie sous forme de champ électrique est localisée vers les extrémités, où le champ électrique est maximum.( "point chaud")
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Le dipôle demi-onde
Le dipôle demi-onde est l’antenne la plus utilisée en radiocommunications.
Il est composé d’un conducteur métallique ( brin ou tube) de longueur pratiquement égale à la demi-onde de la fréquence .
Ainsi, pour une fréquence de 1000 MHz, la demi-onde sera L = 0,5 C/F = 15 cm
En réalité, le diamètre influence un peu la longueur optimale du dipôle, si le brin qui le compose est d’un diamètre important, pour obtenir la résonance, la longueur sera légèrement inférieure à la demi-onde.
Mais ce n’est pas critique, car plus le diamètre du dipôle est important, plus sa bande passante sera large et sa longueur peu critique.
Par exemple, longueur totale réelle L du dipôle :
- si le diamètre du conducteur est le millième de la longueur d'onde, L= 0,48 C/F
-Si le diamètre du conducteur est le centième de la longueur d'onde, L = 0,475 C/F
Par exemple, à 1 GHz, un dipôle constitué d'un tube de diamètre 3 mm devra mesurer 14,2 cm au lieu de 15cm...Mais un dipôle de 15 cm fonctionnera encore assez bien...
Impédance du dipôle : Si on coupe le dipôle en son centre, les deux points issus de la coupure présentent une impédance Z = R + jX . A la fréquence de résonance, la réactance X est nulle, et il ne reste que la résistance R appelée "résistance de rayonnement". Si le conducteur était infiniment fin, cette résistance serait de 73 ohms.
Rappelons que la résistance de rayonnement est une résistance fictive , et que la puissance qu’elle « dissipe » est la puissance rayonnée. Cette puissance, pour une antenne, est donc la puissance « utile » .
En pratique, aux fréquences UHF, le diamètre peut être de l'ordre du vingtième de la longueur, donc le dipôle sera légèrement plus court que lambda/2 , et la résistance de rayonnement sera autour de 60 ohms. Si ce dipôle est alimenté par un câble Zc = 50 ohms , le ROS, Rapport d'ondes Stationnaire, sera 60 /50 = 1,2 et la puissance réfléchie sera de l'ordre de 1%, soit -20 dB de la puissance directe, ce qui est généralement très acceptable.
Rayonnement du dipôle : L’onde est polarisée parallèlement au dipôle. ( champ E)
Le dipôle ne rayonne pas de façon identique dans toutes les directions. Dans l’axe du brin le rayonnement est quasi nul. Par contre, il est maximum dans la direction perpendiculaire au brin.
Dans cette direction, le dipôle rayonne 2dB de plus que ne le ferait une antenne « isotrope ».
On dit que le dipôle possède un gain de 2 dB /iso.
Notons que le gain est le même en émission et en réception, comme pour toutes les antennes.
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Tensions et courants sur un dipôle demi-onde.
C'est le centre du dipôle qui est le siège du courant maximum, et ce courant diminue au fur et à mesure qu'on se rapproche des extrémités . on dit que le centre est un "ventre " de courant, et les extrémités un "noeud" de courant. Les extrémités du dipôle sont le siège du maximum de tension par rapport à l'environnement ( mais inversée)
La figure ci-dessous schématise le courant et la tension du dipôle.
Ces termes vous rappelleront une analogie avec une corde vibrante, qui peut avoir un "ventre" d'amplitude du déplacement en son centre. L'analogie avec les ondes stationnaires est une bonne description intuitive de ce qui se passe avec les antennes, qui sont également des résonateurs comme les cordes vibrantes .
Le dipôle demi-onde peut aussi être considéré comme un circuit accordé : Dans un circuit LC, l'énergie sous forme de champ magnétique est localisée dans l'inductance, et l'énergie sous forme de champ électrique est localisée dans le condensateur. Dans le dipôle, l'énergie sous forme magnétique est localisée autour de la partie centrale, car le courant y est maximum. L'énergie sous forme de champ électrique est localisée vers les extrémités, où le champ électrique est maximum.( "point chaud")
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Dernière édition par 14RC126 le Mer 21 Déc - 6:49, édité 1 fois
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Re: Petite encyclopédie des Antennes
par Mhz Mer 21 Déc - 0:04
Analogie avec un circuit LC :
La figure ci-contre montre le dipôle considéré comme un circut LC . La capacité est celle entre les parties terminales, et la self se trouve plutôt vers le centre.
Dans un circuit LC, si on rajoute une capacité en parallèle sur celle existante, on va baisser la fréquence de résonance. On peut donc prédire que si on rapproche un objet métallique des extrémités d'un dipôle, on va augmenter sa capacité terminale, donc baisser sa fréquence de résonance..
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Si on coupe l'inductance au centre, on verra la résistance série du circuit LC ( voir le chapitre "circuit LC" ) mais on peut aussi se brancher en parallèle sans couper le circuit. ( voir ci-dessous, adaptation en gamma)
La figure ci-contre montre le dipôle considéré comme un circut LC . La capacité est celle entre les parties terminales, et la self se trouve plutôt vers le centre.
Dans un circuit LC, si on rajoute une capacité en parallèle sur celle existante, on va baisser la fréquence de résonance. On peut donc prédire que si on rapproche un objet métallique des extrémités d'un dipôle, on va augmenter sa capacité terminale, donc baisser sa fréquence de résonance..
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Si on coupe l'inductance au centre, on verra la résistance série du circuit LC ( voir le chapitre "circuit LC" ) mais on peut aussi se brancher en parallèle sans couper le circuit. ( voir ci-dessous, adaptation en gamma)
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Re: Petite encyclopédie des Antennes
par Mhz Mer 21 Déc - 0:10
Connexion à une ligne de transmission
Connexion série :Nous avons vu précédemment qu'on pouvait connecter une ligne coaxiale en coupant le dipôle au centre pour insérer la ligne de transmission, c'est une connexion "série" ; dans ce cas, la ligne verra la résistance de rayonnement.
Connexion parallèle : Si l'impédance série présentée par le dipôle n 'est pas celle de la ligne, nous pourrons connecter la ligne entre le centre ( masse) du dipôle et un point choisi pour que l'impédance présentée soit adaptée à la ligne. C'est une connexion "parallèle" appelée aussi "gamma". ( voir figure) . Remarque : Le conducteur qui arrive en ce point présente une self que l'on pourra neutraliser en plaçant en série avec lui une capacité adéquat.
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Dipôle replié ou "trombonne"
Dans cette configuration, si les deux brins parallèles ont mêmes diamètres, nous aurons une impédance 4 fois supérieure, donc proche de 300 ohms.
Nous verrons que le dipôle peut être associé à d'autres éléments pour constituer une antenne "yagi" à gain. La présence de ces éléments fera baisser fortement l'impédance du dipôle, et nous pourrons ainsi obtenir une impédance de 50 ohms, presque universellement utilisée pour les lignes de transmission coaxiales.
Perturbation du dipôle par son environnement :
Idéalement, le dipôle devrait être éloigné de toutes masses métalliques, car celles-ci peuvent le perturber, notamment si une masse métallique est approchée de ses extrémités, l’accord passe sur une fréquence plus basse ..et la bande passante va se réduire...Donc les conditions sont réunies pour que le système ne rayonne pratiquement plus si rien n'a été fait pour la ré-adapter et la ré-accorder...
Par ailleurs, le câble coaxial qui alimente le dipôle baigne dans le champ rayonné par le dipôle: un courant induit par ce rayonnement pourra se former à la surface extérieure du câble ( courant de gaine) . Pour éviter ce problème, il est nécessaire que le câble arrive perpendiculairement au dipôle . En tout cas, il ne doit jamais lui être parallèle et proche !
Plaçons le dipôle parallèlement à un plan conducteur au moins aussi long que lui:
( voir la figure ci-dessous) : Ce plan réflecteur fera écran, l'énergie ne sera plus rayonnée dans la direction située derrière le plan.
Dans ce cas, la fréquence d’accord ne varie pas mais c’est la résistance de rayonnement R qui s’effondre d’autant plus que la distance dipôle- plan est faible. Il faudra donc réadapter l'antenne , d'autant plus précisément que le coefficient de surtension aura augmenté et donc que la bande passante de l'antenne aura diminué..
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Selon la distance du dipôle au plan parallèle:
- Le cas où D = lambda /4 est intéressant, car l'antenne rayonnera un maximum dans la direction indiquée, et la résistance de rayonnement baissera peu.
- si la distance D entre le dipôle et le plan réflecteur est de 4% de lambda, la résistance de rayonnement chutera à une vingtaine d'ohms
- Si cette distance D est de 1% de lambda, la résistance de rayonnement n'est plus que de l'ordre de 3 ohms.
- Si le dipôle est encore plus près du plan, on ne peut plus parler d'antenne. Si le centre du dipôle n'est pas coupé, nous avons un résonateur lambda/2 comme nous l'avons vu dans le chapitre "lignes de transmissions"
Connexion série :Nous avons vu précédemment qu'on pouvait connecter une ligne coaxiale en coupant le dipôle au centre pour insérer la ligne de transmission, c'est une connexion "série" ; dans ce cas, la ligne verra la résistance de rayonnement.
Connexion parallèle : Si l'impédance série présentée par le dipôle n 'est pas celle de la ligne, nous pourrons connecter la ligne entre le centre ( masse) du dipôle et un point choisi pour que l'impédance présentée soit adaptée à la ligne. C'est une connexion "parallèle" appelée aussi "gamma". ( voir figure) . Remarque : Le conducteur qui arrive en ce point présente une self que l'on pourra neutraliser en plaçant en série avec lui une capacité adéquat.
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Dipôle replié ou "trombonne"
Dans cette configuration, si les deux brins parallèles ont mêmes diamètres, nous aurons une impédance 4 fois supérieure, donc proche de 300 ohms.
Nous verrons que le dipôle peut être associé à d'autres éléments pour constituer une antenne "yagi" à gain. La présence de ces éléments fera baisser fortement l'impédance du dipôle, et nous pourrons ainsi obtenir une impédance de 50 ohms, presque universellement utilisée pour les lignes de transmission coaxiales.
Perturbation du dipôle par son environnement :
Idéalement, le dipôle devrait être éloigné de toutes masses métalliques, car celles-ci peuvent le perturber, notamment si une masse métallique est approchée de ses extrémités, l’accord passe sur une fréquence plus basse ..et la bande passante va se réduire...Donc les conditions sont réunies pour que le système ne rayonne pratiquement plus si rien n'a été fait pour la ré-adapter et la ré-accorder...
Par ailleurs, le câble coaxial qui alimente le dipôle baigne dans le champ rayonné par le dipôle: un courant induit par ce rayonnement pourra se former à la surface extérieure du câble ( courant de gaine) . Pour éviter ce problème, il est nécessaire que le câble arrive perpendiculairement au dipôle . En tout cas, il ne doit jamais lui être parallèle et proche !
Plaçons le dipôle parallèlement à un plan conducteur au moins aussi long que lui:
( voir la figure ci-dessous) : Ce plan réflecteur fera écran, l'énergie ne sera plus rayonnée dans la direction située derrière le plan.
Dans ce cas, la fréquence d’accord ne varie pas mais c’est la résistance de rayonnement R qui s’effondre d’autant plus que la distance dipôle- plan est faible. Il faudra donc réadapter l'antenne , d'autant plus précisément que le coefficient de surtension aura augmenté et donc que la bande passante de l'antenne aura diminué..
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Selon la distance du dipôle au plan parallèle:
- Le cas où D = lambda /4 est intéressant, car l'antenne rayonnera un maximum dans la direction indiquée, et la résistance de rayonnement baissera peu.
- si la distance D entre le dipôle et le plan réflecteur est de 4% de lambda, la résistance de rayonnement chutera à une vingtaine d'ohms
- Si cette distance D est de 1% de lambda, la résistance de rayonnement n'est plus que de l'ordre de 3 ohms.
- Si le dipôle est encore plus près du plan, on ne peut plus parler d'antenne. Si le centre du dipôle n'est pas coupé, nous avons un résonateur lambda/2 comme nous l'avons vu dans le chapitre "lignes de transmissions"
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Re: Petite encyclopédie des Antennes
par Mhz Mer 21 Déc - 6:07
L'antenne Yagi :
On peut remplacer le plan réflecteur par un brin métallique "réflecteur" de longueur légèrement supérieure à lambda/2, et on peut disposer devant le dipôle des brins de longueurs légèrement inférieures à lambda/2, appelés directeurs" , pour constituer une antenne à gain de type Yagi, bien connue .
La figure ci -contre montre une antenne Yagi à 5 éléments, dont le gain sera de l'ordre de 10Db par rapport à une source isotrope . On parle alors de "gain iso" . Ce gain sera donc de l'ordre de 8 dB par rapport au gain du dipôle. La connexion à la ligne de transmission se fera selon les technique citées plus haut, sachant que l'impédance du dipôle est fortement abaissée par la présence de ces éléments appelés "éléments parasites" ( surtout par le premier directeur qui peut servir à agir sur l'impédance ) .
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On peut remplacer le plan réflecteur par un brin métallique "réflecteur" de longueur légèrement supérieure à lambda/2, et on peut disposer devant le dipôle des brins de longueurs légèrement inférieures à lambda/2, appelés directeurs" , pour constituer une antenne à gain de type Yagi, bien connue .
La figure ci -contre montre une antenne Yagi à 5 éléments, dont le gain sera de l'ordre de 10Db par rapport à une source isotrope . On parle alors de "gain iso" . Ce gain sera donc de l'ordre de 8 dB par rapport au gain du dipôle. La connexion à la ligne de transmission se fera selon les technique citées plus haut, sachant que l'impédance du dipôle est fortement abaissée par la présence de ces éléments appelés "éléments parasites" ( surtout par le premier directeur qui peut servir à agir sur l'impédance ) .
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Re: Petite encyclopédie des Antennes
par Mhz Mer 21 Déc - 6:08
Symétriseur ou "balun" :
Si le dipôle est alimenté par un câble coaxial, l'âme du câble sera connectée à un brin du dipôle, et le blindage du câble sera connecté à l'autre brin du dipôle. A l'intérieur du câble , nous avons deux courants:
- un courant qui circule dans l'âme du câble. Ce courant passe dans l'un des brins du dipôle.
- un courant opposé qui circule à la surface intérieure du blindage. Ce courant doit passer dans l'autre brin du dipôle.
Mais il arrive qu'une partie de ce courant puisse aller aussi à la surface extérieure du câble, ( si celle-ci présente une impédance plus faible que le brin du dipôle connecté au blindage) . Dans ce cas, ce courant extérieur au câble causera des perturbations: En émission, des courants RF importants remonteront vers les équipements. En réception, le câble fera partie de l'antenne et pourra capter des parasites rayonnés par les équipements .
Pour éviter ce problème, on met en place parfois un "symétriseur". Le symétriseur sera conçu de façon à présenter une haute impédance aux courants qui pourraient s’établir à la surface EXTERIEURE du blindage.
Exemple de Symétriseur
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Pour éviter qu’un courant ne s’établisse à la surface extérieure du blindage du câble, on peut dispose d’une « trappe quart d’onde », constituée d’un tube de longueur un quart d’onde , autour du câble coaxial, dès son départ. On a vu qu’une ligne quart d’onde court-circuitée à son extrémité présentait une impédance infinie. FIG102
On pourra aussi bloquer le courant extérieur en enfilant sur le câble un tube de ferrite "suppresseur de mode commun"...
Si le dipôle est alimenté par un câble coaxial, l'âme du câble sera connectée à un brin du dipôle, et le blindage du câble sera connecté à l'autre brin du dipôle. A l'intérieur du câble , nous avons deux courants:
- un courant qui circule dans l'âme du câble. Ce courant passe dans l'un des brins du dipôle.
- un courant opposé qui circule à la surface intérieure du blindage. Ce courant doit passer dans l'autre brin du dipôle.
Mais il arrive qu'une partie de ce courant puisse aller aussi à la surface extérieure du câble, ( si celle-ci présente une impédance plus faible que le brin du dipôle connecté au blindage) . Dans ce cas, ce courant extérieur au câble causera des perturbations: En émission, des courants RF importants remonteront vers les équipements. En réception, le câble fera partie de l'antenne et pourra capter des parasites rayonnés par les équipements .
Pour éviter ce problème, on met en place parfois un "symétriseur". Le symétriseur sera conçu de façon à présenter une haute impédance aux courants qui pourraient s’établir à la surface EXTERIEURE du blindage.
Exemple de Symétriseur
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Pour éviter qu’un courant ne s’établisse à la surface extérieure du blindage du câble, on peut dispose d’une « trappe quart d’onde », constituée d’un tube de longueur un quart d’onde , autour du câble coaxial, dès son départ. On a vu qu’une ligne quart d’onde court-circuitée à son extrémité présentait une impédance infinie. FIG102
On pourra aussi bloquer le courant extérieur en enfilant sur le câble un tube de ferrite "suppresseur de mode commun"...
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Re: Petite encyclopédie des Antennes
par Mhz Mer 21 Déc - 6:12
L’antenne quart d’onde : La plus facile à réaliser !!
Elle est constituée ;
- d’un brin conducteur de longueur lambda /4 , ou un petit peu moins, car, comme pour le dipôle, si le conducteur est un tube de gros diamètre , ou un conducteur plat large, la longueur sera légèrement plus faible. Ce brin est connectée normalement à l’âme du câble coaxial qui apporte la RF.
- d'un plan de sol auquel sera connecté le blindage du câble coaxial : Ce plan de sol est indispensable pour toute antenne quart d’onde.
En effet, faut-il le rappeler, une antenne , malgré parfois les apparences, comprend deux connexions ! Souvent, la seconde, c'est la masse.....
Le plan de sol peut-être :
-Soit un plan métallique très grand, perpendiculaire au brin rayonnant quart d’onde. ( exemple un toit métallique de véhicule)
-Soit un plan métallique plus petit, par exemple un disque de rayon lambda/ 4 environ.
-Soit un boitier métallique d’appareil de radiocommunication, à condition que ses dimensions ne soient pas trop petites par rapport au quart d’onde.
-Soit plusieurs brins « de sol » de longueurs environ lambda/ 4 , disposés en rayons et perpendiculaires au brin rayonnant central.
-Soit Plusieurs brins comme ci-dessous, mais inclinés, ce qui va augmenter la résistance de rayonnement,. C’est l‘ « antenne ground plane ».
Remarquons que si le plan de sol est un brin unique dans l'axe de l'autre brin, on retrouve le dipôle demi-onde..
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Le courant est indiqué par les flèches rouges de la figure. On a vu que dans le câble coaxial, nous avons deux courants en opposition de phase ( de sens opposé à tout instant) , le courant dans l’âme et le courant à la surface intérieure du blindage. Ce courant à la surface intérieure du blindage est NECESSAIRE. Il doit donc trouver un chemin. Ici, il va aller dans les brins de sol.
Si les brins de sol sont absent, on aura des gros problèmes, car ce courant « de gaine » va alors passer à l’extérieur du blindage ( FIG105) , et le câble coaxial sera inclus dans l’antenne . Cela sera la source de problèmes en réception, car le câble peut passer dans des environnements pollués ( notamment par des appareils numériques …)…Source de problèmes aussi en émission : perturbations des appareils audio, etc…
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La résistance de rayonnement de l’antenne quart d’onde est la moitié de celle du dipôle demi-onde, c'est-à-dire une trentaine d’ohms. Si on incline les brins , ( FIG104) on obtient 50 ohms, résistance idéale pour la connexion à un câble d’impédance caractéristique 50 ohms…
Les perturbations sont les mêmes que pour un dipôle. En particulier, le sommet de l’antenne est un point à haute impédance ( point chaud) ; Si on rapproche ce sommet d’une masse conductrice, le rayonnement de l’antenne s’effondre.
Donc,lors de la mise en place d’une telle antenne, on prendra donc soin de ne pas rapprocher son sommet d’un quelconque conducteur.
Il suffit d’ailleurs d’approcher la main du sommet de l’antenne pour voir son rayonnement s’effondrer ! On peut d'ailleurs ainsi s'assurer si grossièrement l'antenne est à la résonance: Si en approchant la main du sommet, le rayonnement baisse, l'antenne est proche de la résonance, peut-être un peu trop longue....Si en approchant la main du sommet, le rayonnement commence d'abord par augmenter, cela signifie que l'antenne est trop courte, puisqu'un rajout de capacité améliore l'accord.
Elle est constituée ;
- d’un brin conducteur de longueur lambda /4 , ou un petit peu moins, car, comme pour le dipôle, si le conducteur est un tube de gros diamètre , ou un conducteur plat large, la longueur sera légèrement plus faible. Ce brin est connectée normalement à l’âme du câble coaxial qui apporte la RF.
- d'un plan de sol auquel sera connecté le blindage du câble coaxial : Ce plan de sol est indispensable pour toute antenne quart d’onde.
En effet, faut-il le rappeler, une antenne , malgré parfois les apparences, comprend deux connexions ! Souvent, la seconde, c'est la masse.....
Le plan de sol peut-être :
-Soit un plan métallique très grand, perpendiculaire au brin rayonnant quart d’onde. ( exemple un toit métallique de véhicule)
-Soit un plan métallique plus petit, par exemple un disque de rayon lambda/ 4 environ.
-Soit un boitier métallique d’appareil de radiocommunication, à condition que ses dimensions ne soient pas trop petites par rapport au quart d’onde.
-Soit plusieurs brins « de sol » de longueurs environ lambda/ 4 , disposés en rayons et perpendiculaires au brin rayonnant central.
-Soit Plusieurs brins comme ci-dessous, mais inclinés, ce qui va augmenter la résistance de rayonnement,. C’est l‘ « antenne ground plane ».
Remarquons que si le plan de sol est un brin unique dans l'axe de l'autre brin, on retrouve le dipôle demi-onde..
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Le courant est indiqué par les flèches rouges de la figure. On a vu que dans le câble coaxial, nous avons deux courants en opposition de phase ( de sens opposé à tout instant) , le courant dans l’âme et le courant à la surface intérieure du blindage. Ce courant à la surface intérieure du blindage est NECESSAIRE. Il doit donc trouver un chemin. Ici, il va aller dans les brins de sol.
Si les brins de sol sont absent, on aura des gros problèmes, car ce courant « de gaine » va alors passer à l’extérieur du blindage ( FIG105) , et le câble coaxial sera inclus dans l’antenne . Cela sera la source de problèmes en réception, car le câble peut passer dans des environnements pollués ( notamment par des appareils numériques …)…Source de problèmes aussi en émission : perturbations des appareils audio, etc…
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La résistance de rayonnement de l’antenne quart d’onde est la moitié de celle du dipôle demi-onde, c'est-à-dire une trentaine d’ohms. Si on incline les brins , ( FIG104) on obtient 50 ohms, résistance idéale pour la connexion à un câble d’impédance caractéristique 50 ohms…
Les perturbations sont les mêmes que pour un dipôle. En particulier, le sommet de l’antenne est un point à haute impédance ( point chaud) ; Si on rapproche ce sommet d’une masse conductrice, le rayonnement de l’antenne s’effondre.
Donc,lors de la mise en place d’une telle antenne, on prendra donc soin de ne pas rapprocher son sommet d’un quelconque conducteur.
Il suffit d’ailleurs d’approcher la main du sommet de l’antenne pour voir son rayonnement s’effondrer ! On peut d'ailleurs ainsi s'assurer si grossièrement l'antenne est à la résonance: Si en approchant la main du sommet, le rayonnement baisse, l'antenne est proche de la résonance, peut-être un peu trop longue....Si en approchant la main du sommet, le rayonnement commence d'abord par augmenter, cela signifie que l'antenne est trop courte, puisqu'un rajout de capacité améliore l'accord.
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Re: Petite encyclopédie des Antennes
par Mhz Mer 21 Déc - 6:13
La bande passante de l'antenne quart d'onde.
L'antenne quart d'onde possède une bande large, comparée à d'autres antennes .
Comme pour le dipôle, la bande passante sera d'autant plus large que le brin rayonnant sera large. Ainsi, un brin constitué d'un fil aura une bande passante plus étroite .
Ainsi, si le brin est constitué d'un tube large ou d'une "plaque" métallique de largeur égale au tiers de sa longueur, la bande passante sera de l'ordre de 30 %. Par ailleurs, plus on élargira ce brin, plus il faudra le raccourcir par rapport au quart d'onde d'origine.
Dans le cas d'une plaque large, on pourra découper un profil en forme d'ellipse , de façon à réduire la capacité entre le bas de la plaque et le plan de sol...La figure ci-contre montre une antenne quart d'onde large -bande: le brin central est constitué d'une ellipse, et le plan de sol est constitué d'un cône conducteur
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L'antenne quart d'onde possède une bande large, comparée à d'autres antennes .
Comme pour le dipôle, la bande passante sera d'autant plus large que le brin rayonnant sera large. Ainsi, un brin constitué d'un fil aura une bande passante plus étroite .
Ainsi, si le brin est constitué d'un tube large ou d'une "plaque" métallique de largeur égale au tiers de sa longueur, la bande passante sera de l'ordre de 30 %. Par ailleurs, plus on élargira ce brin, plus il faudra le raccourcir par rapport au quart d'onde d'origine.
Dans le cas d'une plaque large, on pourra découper un profil en forme d'ellipse , de façon à réduire la capacité entre le bas de la plaque et le plan de sol...La figure ci-contre montre une antenne quart d'onde large -bande: le brin central est constitué d'une ellipse, et le plan de sol est constitué d'un cône conducteur
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Re: Petite encyclopédie des Antennes
par Mhz Mer 21 Déc - 6:16
Couplage de plusieurs antennes
On peut augmenter le gain en couplant deux ou plusieurs antennes identiques.
Par exemple, si on veut alimenter deux dipôles avec des signaux en phase, et si chaque dipôle exige d’être alimenté en 50 ohms, un coupleur transformera une entrée 50 ohms en deux sorties 50 ohms et en phase. La puissance d’entrée sera alors répartie également entre les deux sorties.
Pour conserver l’égalité des phases sur chaque dipôle, il faudra évidemment que les deux câbles allant vers chaque dipôles A et B aient même longueur L
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Diagramme de rayonnement de deux antennes identiques couplées.
Le principe reste toujours le même : On considère la direction dans laquelle on veut voir ce qui se passe. En traçant deux parallèles dans cette direction, on évalue la différence des distances Delta. Si Delta est nul ou égal à un nombre pair de demi-ondes , le rayonnement sera maximum dans la direction considérée. Si delta est égal à une demi-onde ou un nombre impair de demi-ondes, le rayonnement sera théoriquement nul dans la direction considérée
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La règle reste vraie qu'on dispose les antennes dans un plan horizontal ou dans un plan vertical.
groupement de deux antennes
Par exemple, considérons deux sources A et B ( dipôles ou autre antenne…) alimentées en phase.
La figue nous montre que le rayonnement sera maximum dans la direction de la médiatrice de AB, puisque delta = 0...
Le rayonnement sera nul dans la direction telle que Delta = lambda/2
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Il faut que les antennes ne se « gênent » pas, donc il faudra respecter une distance d’autant plus grande entre chaque sources que celles-ci ont du gain.
Pour des dipôles , il faudra au moins trois quart d’ondes entre leurs centres.
Pour des yagis, il faudra au moins entre elles la demi- longueur de chaque yagi.
Si les antennes ne se gênent pas, le gain de l'ensemble de deux antennes sera 3dB supérieur au gain d'une seule antenne. On aura +6 dB pour 4 antennes.
Exemple : deux dipôles verticaux en phase.
Leurs centres sont distants de trois quart d'onde. Chaque dipôle ayant un gain de 2 dB /isotrope, le fait de coupler deux dipôle nous donnera un gain augmenté de 3dB, donc nous aurons 5 dB /iso.
Le rayonnement vers l'avant ( ici vers la droite) sera encore augmenté si les bras de déport ont une longueur proche du quart d'onde. Mais le rayonnement dans la direction du mat sera gêné par ce mat.
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Antennes "cierge"
Des fabricants arrivent à coupler plusieurs dipôles sur la même verticale , et dans le même "tube", ce qui donne des antennes très longues. On gagne environ 2dB pour deux dipôles à l'intérieur du tube, puis 3dB chaque fois qu'on double le nombre de dipôles...
Si on applique la règle énoncée plus haut, on voit que pour un grand nombre de dipôles, le diagramme de rayonnement devient très étroit dans le plan vertical, mais l'antenne reste omnidirectionnelle dans le plan horizontal.
On peut augmenter le gain en couplant deux ou plusieurs antennes identiques.
Par exemple, si on veut alimenter deux dipôles avec des signaux en phase, et si chaque dipôle exige d’être alimenté en 50 ohms, un coupleur transformera une entrée 50 ohms en deux sorties 50 ohms et en phase. La puissance d’entrée sera alors répartie également entre les deux sorties.
Pour conserver l’égalité des phases sur chaque dipôle, il faudra évidemment que les deux câbles allant vers chaque dipôles A et B aient même longueur L
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Diagramme de rayonnement de deux antennes identiques couplées.
Le principe reste toujours le même : On considère la direction dans laquelle on veut voir ce qui se passe. En traçant deux parallèles dans cette direction, on évalue la différence des distances Delta. Si Delta est nul ou égal à un nombre pair de demi-ondes , le rayonnement sera maximum dans la direction considérée. Si delta est égal à une demi-onde ou un nombre impair de demi-ondes, le rayonnement sera théoriquement nul dans la direction considérée
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La règle reste vraie qu'on dispose les antennes dans un plan horizontal ou dans un plan vertical.
groupement de deux antennes
Par exemple, considérons deux sources A et B ( dipôles ou autre antenne…) alimentées en phase.
La figue nous montre que le rayonnement sera maximum dans la direction de la médiatrice de AB, puisque delta = 0...
Le rayonnement sera nul dans la direction telle que Delta = lambda/2
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Il faut que les antennes ne se « gênent » pas, donc il faudra respecter une distance d’autant plus grande entre chaque sources que celles-ci ont du gain.
Pour des dipôles , il faudra au moins trois quart d’ondes entre leurs centres.
Pour des yagis, il faudra au moins entre elles la demi- longueur de chaque yagi.
Si les antennes ne se gênent pas, le gain de l'ensemble de deux antennes sera 3dB supérieur au gain d'une seule antenne. On aura +6 dB pour 4 antennes.
Exemple : deux dipôles verticaux en phase.
Leurs centres sont distants de trois quart d'onde. Chaque dipôle ayant un gain de 2 dB /isotrope, le fait de coupler deux dipôle nous donnera un gain augmenté de 3dB, donc nous aurons 5 dB /iso.
Le rayonnement vers l'avant ( ici vers la droite) sera encore augmenté si les bras de déport ont une longueur proche du quart d'onde. Mais le rayonnement dans la direction du mat sera gêné par ce mat.
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Antennes "cierge"
Des fabricants arrivent à coupler plusieurs dipôles sur la même verticale , et dans le même "tube", ce qui donne des antennes très longues. On gagne environ 2dB pour deux dipôles à l'intérieur du tube, puis 3dB chaque fois qu'on double le nombre de dipôles...
Si on applique la règle énoncée plus haut, on voit que pour un grand nombre de dipôles, le diagramme de rayonnement devient très étroit dans le plan vertical, mais l'antenne reste omnidirectionnelle dans le plan horizontal.
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Re: Petite encyclopédie des Antennes
par Mhz Mer 21 Déc - 6:20
Réduction de l'encombrement des antennes
Sur les appareils de petites dimensions comme les appareils portables, par exemple, il est souvent intéressant de réduire les dimensions de l'antenne. Le problème se posera particulièrement si la fréquence n'est pas très élevée, car l'antenne quart d'onde prend alors une place non négligeable.
Différentes solutions existent pour réduire l'encombrement d'une antenne:
- antenne quart d'onde raccourcie
- antenne quart d'onde à "ligne" parallèle à un plan de masse
- antenne boucle
- antenne patch
Nous allons passer en revue les différentes techniques de réduction de l'encombrement d'une antenne...Mais i faudra garder à l'esprit qu'une antenne aux dimensions réduites par rapport au quart d'onde verra nécessairement sa bande passante d'autant plus réduite que les dimensions ont été réduites.... Et souvent aussi, son rendement;
Sur les appareils de petites dimensions comme les appareils portables, par exemple, il est souvent intéressant de réduire les dimensions de l'antenne. Le problème se posera particulièrement si la fréquence n'est pas très élevée, car l'antenne quart d'onde prend alors une place non négligeable.
Différentes solutions existent pour réduire l'encombrement d'une antenne:
- antenne quart d'onde raccourcie
- antenne quart d'onde à "ligne" parallèle à un plan de masse
- antenne boucle
- antenne patch
Nous allons passer en revue les différentes techniques de réduction de l'encombrement d'une antenne...Mais i faudra garder à l'esprit qu'une antenne aux dimensions réduites par rapport au quart d'onde verra nécessairement sa bande passante d'autant plus réduite que les dimensions ont été réduites.... Et souvent aussi, son rendement;
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Re: Petite encyclopédie des Antennes
par Mhz Mer 21 Déc - 6:21
L'antenne quart d'onde raccourcie par self à la base.
Plusieurs techniques sont possibles pour réduire la longueur d'une antenne quart d'onde.
- la figure ci contre montre une antenne dont le boitier métallique d'un équipement sert de plan de sol. On a réduit sa longueur en plaçant une inductance série près de sa base.
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Plusieurs techniques sont possibles pour réduire la longueur d'une antenne quart d'onde.
- la figure ci contre montre une antenne dont le boitier métallique d'un équipement sert de plan de sol. On a réduit sa longueur en plaçant une inductance série près de sa base.
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Re: Petite encyclopédie des Antennes
par Mhz Mer 21 Déc - 6:22
L'antenne "boudin"
Un solénoïde aux spires espacées constitue ce qu'on appelle une antenne boudin. Ce nom parce que généralement l'ensemble du solénoïde est enveloppé dans une gaine plastique noire....Evidemment, l'antenne nécessite un plan de sol de dimensions proches du quart d'onde, constitué en général par le blindage d'un équipement portable.
Antenne boudin avec capacité terminale
La résistance de rayonnement de l'antenne boudin :
Elle sera d'autant plus petite que l'antenne est raccourcie.
Par exemple, une antenne boudin de longueur égale à la moitié du quart d'onde aura une résistance de l'ordre de 15 à 20 ohms. On pourra abaisser la fréquence en plaçant une petite capacité au sommet ( petite surface métallique, voir figure ci-dessus) . Certains constructeurs enveloppent l'extrémité d'un plastique plus épais, ce qui est équivalent à augmenter la capacité terminale . Ils trichent parfois , sachant que le sommet est à très haute impédance, en mettant un plastique présentant un peu de pertes diélectriques, ce qui élargit un peu la bande passante mais réduit le rendement. On arrive ainsi à s'approcher de 50 ohms...
Notons que la longueur du fil nécessaire est supérieure au quart d'onde : si on enroule une antenne quart d'onde pour réduire sa hauteur, la fréquence sera plus élevée de l'ordre de 50%.
Une antenne boudin dont la hauteur est la moitié du quart d'onde présentera une résistance série au maximum d'une vingtaine d'ohms. Si on réduit au tiers, la résistance série va descendre sous les 10 ohms. Si on la raccourcit encore, ce sera quelques ohms, et là, la résistance ohmique deviendra prépondérante: le rendement s'effondrera.
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Un solénoïde aux spires espacées constitue ce qu'on appelle une antenne boudin. Ce nom parce que généralement l'ensemble du solénoïde est enveloppé dans une gaine plastique noire....Evidemment, l'antenne nécessite un plan de sol de dimensions proches du quart d'onde, constitué en général par le blindage d'un équipement portable.
Antenne boudin avec capacité terminale
La résistance de rayonnement de l'antenne boudin :
Elle sera d'autant plus petite que l'antenne est raccourcie.
Par exemple, une antenne boudin de longueur égale à la moitié du quart d'onde aura une résistance de l'ordre de 15 à 20 ohms. On pourra abaisser la fréquence en plaçant une petite capacité au sommet ( petite surface métallique, voir figure ci-dessus) . Certains constructeurs enveloppent l'extrémité d'un plastique plus épais, ce qui est équivalent à augmenter la capacité terminale . Ils trichent parfois , sachant que le sommet est à très haute impédance, en mettant un plastique présentant un peu de pertes diélectriques, ce qui élargit un peu la bande passante mais réduit le rendement. On arrive ainsi à s'approcher de 50 ohms...
Notons que la longueur du fil nécessaire est supérieure au quart d'onde : si on enroule une antenne quart d'onde pour réduire sa hauteur, la fréquence sera plus élevée de l'ordre de 50%.
Une antenne boudin dont la hauteur est la moitié du quart d'onde présentera une résistance série au maximum d'une vingtaine d'ohms. Si on réduit au tiers, la résistance série va descendre sous les 10 ohms. Si on la raccourcit encore, ce sera quelques ohms, et là, la résistance ohmique deviendra prépondérante: le rendement s'effondrera.
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Re: Petite encyclopédie des Antennes
par Mhz Mer 21 Déc - 6:24
Adaptation par prise parallèle
Lorsque l'antenne a été fortement raccourcie par rapport au quart d'onde, la résistance de rayonnement, en série, sera très inférieure à 50 ohms. Pour présenter à la ligne une résistance de 50 ohms, il est intéressant , non pas d'attaquer l'antenne en série, comme précédemment, mais de chercher un point sur lequel la résistance est de 50 ohms. La ligne sera connectée sur ce point, la base de l'antenne étant à la masse. En général, ce point est très bas, car l'auto-transformateur doit transformer en 50 ohms la résistance au point chaud, de plusieurs milliers d'ohms. Par exemple, sur une antenne de 5 spires, ce point sera environ à une demi spire de la masse.
Cette "demi-spire" pourra être remplacée par un stub de quelques nH mis à la masse.
Avec une telle antenne, on peut obtenir des ROS excellents...Mais sa bande passante est très petite, elle pourra descendre à 1% de la fréquence... et avec des pertes !.
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Lorsque l'antenne a été fortement raccourcie par rapport au quart d'onde, la résistance de rayonnement, en série, sera très inférieure à 50 ohms. Pour présenter à la ligne une résistance de 50 ohms, il est intéressant , non pas d'attaquer l'antenne en série, comme précédemment, mais de chercher un point sur lequel la résistance est de 50 ohms. La ligne sera connectée sur ce point, la base de l'antenne étant à la masse. En général, ce point est très bas, car l'auto-transformateur doit transformer en 50 ohms la résistance au point chaud, de plusieurs milliers d'ohms. Par exemple, sur une antenne de 5 spires, ce point sera environ à une demi spire de la masse.
Cette "demi-spire" pourra être remplacée par un stub de quelques nH mis à la masse.
Avec une telle antenne, on peut obtenir des ROS excellents...Mais sa bande passante est très petite, elle pourra descendre à 1% de la fréquence... et avec des pertes !.
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Re: Petite encyclopédie des Antennes
par Mhz Mer 21 Déc - 6:25
L'antenne "ligne quart d'onde" au-dessus d'un plan conducteur.
Quand on ne veut pas que l'antenne dépasse trop du boitier....Nous avons vu l'effet d'un plan conducteur parallèle sur un dipôle demi-onde. Nous aurons le même comportement pour l'antenne quart d'onde : Le plan conducteur va réduire la résistance de rayonnement ( résistance série à la base de l'antenne) d'autant plus que l'antenne sera proche de ce plan. Le cas limite, c'est lorsque la distance D est de l'ordre de 1% de la longueur d'onde: La résistance de rayonnement est alors de l'ordre de 1 ohm.... Dans ces conditions, la bande passante va être très étroite, et le rendement va baisser, puisque la résistance ohmique sera aussi de l'ordre de l'ohm ...
Plutôt que d'adapter cette résistance série très faible à une ligne de transmission de 50 ohms, il est préférable de faire une connexion "parallèle" et chercher le point de la ligne quart d'onde qui présente cette résistance de 50 ohms par rapport à la masse.
Pour élargir la bande passante, on pourra augmenter la largeur de la ligne quart d'onde , c'est à dire diminuer son impédance caractéristique, puisque le Q du circuit est fonction du rapport entre l'impédance caractéristique et la résistance série.
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Si on crée une capacité terminale pour raccourcir l'antenne, on obtient une antenne boucle ( voir plus loin).
Si la largeur devient du même ordre que la longueur, on obtient l'antenne patch ( voir plus loin) .
Quand on ne veut pas que l'antenne dépasse trop du boitier....Nous avons vu l'effet d'un plan conducteur parallèle sur un dipôle demi-onde. Nous aurons le même comportement pour l'antenne quart d'onde : Le plan conducteur va réduire la résistance de rayonnement ( résistance série à la base de l'antenne) d'autant plus que l'antenne sera proche de ce plan. Le cas limite, c'est lorsque la distance D est de l'ordre de 1% de la longueur d'onde: La résistance de rayonnement est alors de l'ordre de 1 ohm.... Dans ces conditions, la bande passante va être très étroite, et le rendement va baisser, puisque la résistance ohmique sera aussi de l'ordre de l'ohm ...
Plutôt que d'adapter cette résistance série très faible à une ligne de transmission de 50 ohms, il est préférable de faire une connexion "parallèle" et chercher le point de la ligne quart d'onde qui présente cette résistance de 50 ohms par rapport à la masse.
Pour élargir la bande passante, on pourra augmenter la largeur de la ligne quart d'onde , c'est à dire diminuer son impédance caractéristique, puisque le Q du circuit est fonction du rapport entre l'impédance caractéristique et la résistance série.
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Si on crée une capacité terminale pour raccourcir l'antenne, on obtient une antenne boucle ( voir plus loin).
Si la largeur devient du même ordre que la longueur, on obtient l'antenne patch ( voir plus loin) .
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Re: Petite encyclopédie des Antennes
par Mhz Mer 21 Déc - 6:29
L'antenne boucle :
L’antenne boucle est constituée d’une boucle de périmètre nettement inférieur à la demi-onde, refermée sur une capacité d’accord. On peut donc la considérer comme un circuit LC .
La résistance de rayonnement d’une boucle circulaire est
r = 200 ( p/lambda)puissance4 ( où p est le périmètre de la boucle)
Le rendement de l’antenne sera fonction du rapport entre la résistance de rayonnement et
la résistance ohmique. Si nous réduisons trop les dimensions, la résistance de rayonnement va devenir beaucoup plus faible que la résistance ohmique, et le rendement de l’antenne va fortement baisser.
Supposons par exemple une boucle de diamètre 2 cm sur 434 MHz
( lambda = 70 cm)
La résistance de rayonnement est alors de 13 milliohms. !
La résistance ohmique est fonction de la section du conducteur. Supposons qu’elle soit de 260 milliohms si le conducteur est large. Le rendement sera alors de 5 %. Si maintenant on réduit de moitié le diamètre de la boucle , avec le même conducteur, La résistance de rayonnement est divisée par 16, et la résistance ohmique divisée par 2. Donc le rendement est divisé par 8, et n’est plus que de 0,6 % ! On voit qu'une boucle trop petite ne rayonne presque plus.... ….
Si c’est possible, il y a tout intérêt à utiliser un conducteur assez large pour la boucle, ce qui aura deux avantages :
- Réduction de la résistance ohmique du conducteur, donc augmentation du rendement.
- Réduction de l’inductance ZL , donc réduction du coefficient Q = ZL/r , et donc augmentation de la bande passante. N’oublions pas , encore une fois, qu’un des principaux problèmes de ces antennes de dimensions réduites, c’est la bande passante et le rendement….
Adaptation de l’antenne boucle
Il va falloir trouver comment adapter la résistance série de ce circuit qui a un fort coefficient de surtension Q, à la source 50 ohms du signal … On appliquera les règles vues dans le chapitre « adaptation par circuit LC ».
Supposons que l’antenne ait un Q de 80 et une résistance série totale ( rayonnement et pertes joule) de 1 ohm. La résistance au point chaud est de donc de: 1 ohm x (carré de Q) = 6400 ohms ( voir chapitre 2) . On peut trouver sur le conducteur un point à 50 ohms, en utilisant la règle que nous avons vue du pont inductif.
Ce point sera à une distance x de la masse, x = racine carrée de ( 50/6400) = 9 % de la longueur totale de la boucle.
L'antenne boucle que nous avons représentée est très proche du circuit imprimé qui lui est associé. Si ce circuit comporte des fonctions logiques rapides et si la boucle est l'antenne d'un récepteur, ce dernier pourra subir des brouillages. On peut réduire un peu le couplage entre la boucle et le reste de l'électronique en réduisant le trajet du courant de l'antenne qui passe entre les deux masses ( distance D) .
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On peut envisager d'imprimer la boucle sur la carte principale. Bien évidemment, il ne faudra pas de plan de masse sous la boucle !! On peut aussi imaginer que le condensateur d'accord est réalisé par des surfaces en regard du pCB. mais attention, l'époxy présente des pertes diélectriques, et si le Q du circuit de la boucle approche les 50, ces pertes ne seront plus négligeables.
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N'oublions pas enfin que le point chaud de l'antenne est sensible aux éléments métalliques situés à proximité, car ils augmentent la capacité. Mais sensible aussi aux isolants pour la même raison. Ainsi, lorsque cette antenne sera enfermée dans un boitier plastique, il faudra s'attendre à une baisse de sa fréquence de résonnance.
Et pour les fréquences basses?
En UHF, l'antenne boucle ne possède qu'une spire, car une boucle supplémentaire apporte une capacité parasite difficile à réduire.... Mais aux fréquences plus basses ( la dizaine de MHz) , il est recommandé de mettre plusieurs spires , toujours accordées par une capacité bien précise. Dans ce cas, la résistance de rayonnement donnée plus haut pour une spire , sera multipliée par le carré du nombre de spires, ce qui aide bien car cette résistance est bien faible .
L’antenne boucle est constituée d’une boucle de périmètre nettement inférieur à la demi-onde, refermée sur une capacité d’accord. On peut donc la considérer comme un circuit LC .
La résistance de rayonnement d’une boucle circulaire est
r = 200 ( p/lambda)puissance4 ( où p est le périmètre de la boucle)
Le rendement de l’antenne sera fonction du rapport entre la résistance de rayonnement et
la résistance ohmique. Si nous réduisons trop les dimensions, la résistance de rayonnement va devenir beaucoup plus faible que la résistance ohmique, et le rendement de l’antenne va fortement baisser.
Supposons par exemple une boucle de diamètre 2 cm sur 434 MHz
( lambda = 70 cm)
La résistance de rayonnement est alors de 13 milliohms. !
La résistance ohmique est fonction de la section du conducteur. Supposons qu’elle soit de 260 milliohms si le conducteur est large. Le rendement sera alors de 5 %. Si maintenant on réduit de moitié le diamètre de la boucle , avec le même conducteur, La résistance de rayonnement est divisée par 16, et la résistance ohmique divisée par 2. Donc le rendement est divisé par 8, et n’est plus que de 0,6 % ! On voit qu'une boucle trop petite ne rayonne presque plus.... ….
Si c’est possible, il y a tout intérêt à utiliser un conducteur assez large pour la boucle, ce qui aura deux avantages :
- Réduction de la résistance ohmique du conducteur, donc augmentation du rendement.
- Réduction de l’inductance ZL , donc réduction du coefficient Q = ZL/r , et donc augmentation de la bande passante. N’oublions pas , encore une fois, qu’un des principaux problèmes de ces antennes de dimensions réduites, c’est la bande passante et le rendement….
Adaptation de l’antenne boucle
Il va falloir trouver comment adapter la résistance série de ce circuit qui a un fort coefficient de surtension Q, à la source 50 ohms du signal … On appliquera les règles vues dans le chapitre « adaptation par circuit LC ».
Supposons que l’antenne ait un Q de 80 et une résistance série totale ( rayonnement et pertes joule) de 1 ohm. La résistance au point chaud est de donc de: 1 ohm x (carré de Q) = 6400 ohms ( voir chapitre 2) . On peut trouver sur le conducteur un point à 50 ohms, en utilisant la règle que nous avons vue du pont inductif.
Ce point sera à une distance x de la masse, x = racine carrée de ( 50/6400) = 9 % de la longueur totale de la boucle.
L'antenne boucle que nous avons représentée est très proche du circuit imprimé qui lui est associé. Si ce circuit comporte des fonctions logiques rapides et si la boucle est l'antenne d'un récepteur, ce dernier pourra subir des brouillages. On peut réduire un peu le couplage entre la boucle et le reste de l'électronique en réduisant le trajet du courant de l'antenne qui passe entre les deux masses ( distance D) .
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On peut envisager d'imprimer la boucle sur la carte principale. Bien évidemment, il ne faudra pas de plan de masse sous la boucle !! On peut aussi imaginer que le condensateur d'accord est réalisé par des surfaces en regard du pCB. mais attention, l'époxy présente des pertes diélectriques, et si le Q du circuit de la boucle approche les 50, ces pertes ne seront plus négligeables.
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N'oublions pas enfin que le point chaud de l'antenne est sensible aux éléments métalliques situés à proximité, car ils augmentent la capacité. Mais sensible aussi aux isolants pour la même raison. Ainsi, lorsque cette antenne sera enfermée dans un boitier plastique, il faudra s'attendre à une baisse de sa fréquence de résonnance.
Et pour les fréquences basses?
En UHF, l'antenne boucle ne possède qu'une spire, car une boucle supplémentaire apporte une capacité parasite difficile à réduire.... Mais aux fréquences plus basses ( la dizaine de MHz) , il est recommandé de mettre plusieurs spires , toujours accordées par une capacité bien précise. Dans ce cas, la résistance de rayonnement donnée plus haut pour une spire , sera multipliée par le carré du nombre de spires, ce qui aide bien car cette résistance est bien faible .
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Re: Petite encyclopédie des Antennes
par Mhz Mer 21 Déc - 6:33
L'antenne patch : un exemple l'antenne patch demi-onde
( SPA)
Rapprochons d'un plan de masse parallèle , un dipôle "demi-onde" constitué d'un rectangle conducteur. Plus nous rapprochons ce dipôle du plan de masse, plus le coefficient de surtension va augmenter, car la résistance série de rayonnement va baisser.... (Voir le paragraphe sur le dipôle demi-onde)
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Comme déjà vu, l'énergie absorbée par la résistance de rayonnement est l'énergie rayonnée. Cette énergie rayonnée ( donc le rendement) va s'effondrer si cette résistance de rayonnement devient inférieure à la résistance ohmique. Pour retrouver le rendement, il faut diminuer la résistance ohmique, et donc avoir un conducteur très large, pratiquement aussi large que long, ce qui donnera une "surface" résonante. Elargir le conducteur va aussi permettre de retrouver de la bande passante. C'est pour cela que nous avons représenté ci-dessus un dipôle très large...
On peut assimiler ce dipôle au dessus d'un plan de masse à une ligne résonante demi-onde. Si nous plaçons un diélectrique à forte constante diélectrique entre le conducteur rayonnant et le plan de masse, du fait du coefficient de vélocité, nous raccourcissons la longueur nécessaire pour avoir une demi-onde. Par exemple, pour une céramique de epsilon = 81, la demi-onde est neuf fois plus courte.
Finalement, avec tout cela, nous obtenons une « antenne patch » sur céramique… Pour la faire rayonner, il faudra trouver un point de la surface qui présente une résistance de 50 ohms par rapport à la masse.
On pourra encore réduire les dimensions en faisant des fentes adéquates sur la surface du conducteur: Si on oblige ainsi le courant à se concentrer en certains points, on augmente l'inductance. Si cette inductance est augmentée dans les zones parcourues par un courant élevé, on diminue la fréquence de résonance. Mais on diminue encore la bande passante....
Un avantage de l'antenne patch, mise à part le gain de place, c'est la stabilité de la fréquence de résonance, car les champs sont à basse impédance et confinés, donc moins sensibles aux variations de capacités dues à l'environnement. Par ailleurs, la céramique est stable et possède peu de pertes, donc l'augmentation du Q due aux dimensions réduites ne se traduit pas par une chute trop grande du rendement.
Alimentation du patch: Vu que la résistance de rayonnement , en série, est très basse, il faudra se connecter en parallèle pour trouver une résistance de 50 ohms. L'alimentation se fait donc entre un point bien précis de la surface et la masse...( figure ci-contre) Tout cela par simulation, avec un logiciel électromagnétique 3D.
On pourra aussi attaquer l'antenne en bout, mais il faudra trouver un point en 50 ohms.
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Autres antennes patch :
Nous avons pris l'exemple de l'antenne patch rectangulaire car elle est facilement comparable à un dipôle demi-onde placé au dessus d'un plan de masse. Mais si nous augmentons le largeur de façonà obtenir un carré, nous voyons qu'on peut aussi considérer un dipôle perpendiculaire au dipôle initial, et qu'il a la même fréquence de résonance. L'antenne carrée peut donc résonner selon plusieurs "modes" distincts" , qui ne rayonneront pas selon la même polarisation. Si nous cherchons par une simulation 3D le point d'impédance 50 ohms, on voit qu'on peut exciter l'un ou l'autre des modes... Chercher un point d'impédance 50 ohms ne sera pas suffisant pour étudier une telle antenne par simulation .
On peut ainsi trouver de nombreuses formes de patch, mais il faudra évidemment étudier les différents modes et le rayonnement qui en résulte.....
Antenne "stacked patch" ou multicouche
On peut augmenter la bande passante en disposant au dessus de la première surface résonante, une seconde surface . Le surcouplage adéquat des deux surface résonantes va permettre d'augmenter la bande passante. On pourra noter l' analogie avec une antenne yagi 3 elements : le réflecteur est le plan de masse, et le directeur est la surface supérieure rajoutée.
.Problème de cem des antennes intégrées sur un appareil portable.
Lors qu’une antenne est intégrée sur un appareil de petites dimensions, nous aurons un problème de compatibilité électromagnétique :
- Dans le sens émission, le rayonnement de l’antenne peut perturber les fonctions de l’appareil
-Dans le sens réception, les rayonnements de l’appareil peuvent être captés par l’antenne, et perturber la réception.
Pour éviter ces problèmes, il faudra qu’un blindage efficace protège l’appareil.
Il faudra s’intéresser non seulement le blindage lui-même, mais aussi aux conducteurs extérieurs qui entrent dans l’appareil ( micro, HP,…) car nous aurons alors à traiter un problème de CEM : le "mode commun". ( voir le chapitre routage des cartes)
Par exemple, si l'appareil émet plusieurs watts avec une modulation dont l' enveloppe n'est pas constante, ( AM, SSB, OOK, etc..) alors la RF pourra perturber l'ampli du microphone si cet ampli n'est pas protégé.
Pour les antennes émettant de très petites puissances, il n’est pas toujours nécessaire de blinder la partie électronique par rapport à l’antenne.
Mais le problème se pose très souvent en réception, si la carte comprend des circuits numériques, car ces circuits sont très polluants du point de vue électromagnétique .
( SPA)
Rapprochons d'un plan de masse parallèle , un dipôle "demi-onde" constitué d'un rectangle conducteur. Plus nous rapprochons ce dipôle du plan de masse, plus le coefficient de surtension va augmenter, car la résistance série de rayonnement va baisser.... (Voir le paragraphe sur le dipôle demi-onde)
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Comme déjà vu, l'énergie absorbée par la résistance de rayonnement est l'énergie rayonnée. Cette énergie rayonnée ( donc le rendement) va s'effondrer si cette résistance de rayonnement devient inférieure à la résistance ohmique. Pour retrouver le rendement, il faut diminuer la résistance ohmique, et donc avoir un conducteur très large, pratiquement aussi large que long, ce qui donnera une "surface" résonante. Elargir le conducteur va aussi permettre de retrouver de la bande passante. C'est pour cela que nous avons représenté ci-dessus un dipôle très large...
On peut assimiler ce dipôle au dessus d'un plan de masse à une ligne résonante demi-onde. Si nous plaçons un diélectrique à forte constante diélectrique entre le conducteur rayonnant et le plan de masse, du fait du coefficient de vélocité, nous raccourcissons la longueur nécessaire pour avoir une demi-onde. Par exemple, pour une céramique de epsilon = 81, la demi-onde est neuf fois plus courte.
Finalement, avec tout cela, nous obtenons une « antenne patch » sur céramique… Pour la faire rayonner, il faudra trouver un point de la surface qui présente une résistance de 50 ohms par rapport à la masse.
On pourra encore réduire les dimensions en faisant des fentes adéquates sur la surface du conducteur: Si on oblige ainsi le courant à se concentrer en certains points, on augmente l'inductance. Si cette inductance est augmentée dans les zones parcourues par un courant élevé, on diminue la fréquence de résonance. Mais on diminue encore la bande passante....
Un avantage de l'antenne patch, mise à part le gain de place, c'est la stabilité de la fréquence de résonance, car les champs sont à basse impédance et confinés, donc moins sensibles aux variations de capacités dues à l'environnement. Par ailleurs, la céramique est stable et possède peu de pertes, donc l'augmentation du Q due aux dimensions réduites ne se traduit pas par une chute trop grande du rendement.
Alimentation du patch: Vu que la résistance de rayonnement , en série, est très basse, il faudra se connecter en parallèle pour trouver une résistance de 50 ohms. L'alimentation se fait donc entre un point bien précis de la surface et la masse...( figure ci-contre) Tout cela par simulation, avec un logiciel électromagnétique 3D.
On pourra aussi attaquer l'antenne en bout, mais il faudra trouver un point en 50 ohms.
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Autres antennes patch :
Nous avons pris l'exemple de l'antenne patch rectangulaire car elle est facilement comparable à un dipôle demi-onde placé au dessus d'un plan de masse. Mais si nous augmentons le largeur de façonà obtenir un carré, nous voyons qu'on peut aussi considérer un dipôle perpendiculaire au dipôle initial, et qu'il a la même fréquence de résonance. L'antenne carrée peut donc résonner selon plusieurs "modes" distincts" , qui ne rayonneront pas selon la même polarisation. Si nous cherchons par une simulation 3D le point d'impédance 50 ohms, on voit qu'on peut exciter l'un ou l'autre des modes... Chercher un point d'impédance 50 ohms ne sera pas suffisant pour étudier une telle antenne par simulation .
On peut ainsi trouver de nombreuses formes de patch, mais il faudra évidemment étudier les différents modes et le rayonnement qui en résulte.....
Antenne "stacked patch" ou multicouche
On peut augmenter la bande passante en disposant au dessus de la première surface résonante, une seconde surface . Le surcouplage adéquat des deux surface résonantes va permettre d'augmenter la bande passante. On pourra noter l' analogie avec une antenne yagi 3 elements : le réflecteur est le plan de masse, et le directeur est la surface supérieure rajoutée.
.Problème de cem des antennes intégrées sur un appareil portable.
Lors qu’une antenne est intégrée sur un appareil de petites dimensions, nous aurons un problème de compatibilité électromagnétique :
- Dans le sens émission, le rayonnement de l’antenne peut perturber les fonctions de l’appareil
-Dans le sens réception, les rayonnements de l’appareil peuvent être captés par l’antenne, et perturber la réception.
Pour éviter ces problèmes, il faudra qu’un blindage efficace protège l’appareil.
Il faudra s’intéresser non seulement le blindage lui-même, mais aussi aux conducteurs extérieurs qui entrent dans l’appareil ( micro, HP,…) car nous aurons alors à traiter un problème de CEM : le "mode commun". ( voir le chapitre routage des cartes)
Par exemple, si l'appareil émet plusieurs watts avec une modulation dont l' enveloppe n'est pas constante, ( AM, SSB, OOK, etc..) alors la RF pourra perturber l'ampli du microphone si cet ampli n'est pas protégé.
Pour les antennes émettant de très petites puissances, il n’est pas toujours nécessaire de blinder la partie électronique par rapport à l’antenne.
Mais le problème se pose très souvent en réception, si la carte comprend des circuits numériques, car ces circuits sont très polluants du point de vue électromagnétique .
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Re: Petite encyclopédie des Antennes
par Mhz Mer 21 Déc - 6:35
Cas de l’antenne quart d’onde classique. .
Lorsqu'une bande passante large est nécessaire, on devra revenir à la solution d', une antenne quart d'onde classique qui "dépasse" du boîtier. Dans ce cas, c'est la partie métallique du boîtier qui sert de plan de sol, et la masse de la sortie RF doit être en contact avec ce blindage à proximité immédiate de la sortie antenne.
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Il faut bien voir qu’à partir de la base de l’antenne, un courant RF va circuler dans le boîtier blindage, puisque ce blindage est aussi plan de sol pour l’antenne…Le boitier métallique de l’appareil fait donc partie intégrante de l’antenne !
Lorsqu'une bande passante large est nécessaire, on devra revenir à la solution d', une antenne quart d'onde classique qui "dépasse" du boîtier. Dans ce cas, c'est la partie métallique du boîtier qui sert de plan de sol, et la masse de la sortie RF doit être en contact avec ce blindage à proximité immédiate de la sortie antenne.
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Re: Petite encyclopédie des Antennes
par Mhz Mer 21 Déc - 6:37
Cas d'une antenne boucle
On évitera d’inclure l’antenne dans la masse de la carte , donc , FIG106, minimiser la distance D. Mais il ne faut pas se faire d'illusion, la carte , si elle n'est pas blindée , et si il y a de la logique rapide, porra perturber l'antenne en réception
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Patch ou boucle sur une face opposée de la carte:
On pourra aussi placer l’antenne sur la face extérieure de la couche de masse , figure ci-dessous) car les courants qui passent sur une surface seront atténués sur l'autre face :
A = 8,7 . e /delta où e est l'épaisseur et delta l'épaisseur de peau ;
Rappelons que l'épaisseur de peau du cuivre est delta = 66/ racine de F
Avec delta en microns et F en Mhz
Par exemple, à 500 MHz, l'épaisseur de peau du cuivre est
delta = 66/rac ( 500) = 66/22 = 3 µ
Donc un plan de masse de 20 µ atténuera de
A= 8,7 x 20 /3 = 58 dB environ sur l'autre face.
….Mais il faudra se garder de faire des fentes dans ce plan de masse, qui coupleraient les deux faces....Ou de placer des circuits numériques très polluants, car il sera difficile d'avoir un isolement important entre les deux faces, ne serait-ce que par diffraction des ondes sur les bords. La meilleure solution reste de blinder la logique rapide
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On évitera d’inclure l’antenne dans la masse de la carte , donc , FIG106, minimiser la distance D. Mais il ne faut pas se faire d'illusion, la carte , si elle n'est pas blindée , et si il y a de la logique rapide, porra perturber l'antenne en réception
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On pourra aussi placer l’antenne sur la face extérieure de la couche de masse , figure ci-dessous) car les courants qui passent sur une surface seront atténués sur l'autre face :
A = 8,7 . e /delta où e est l'épaisseur et delta l'épaisseur de peau ;
Rappelons que l'épaisseur de peau du cuivre est delta = 66/ racine de F
Avec delta en microns et F en Mhz
Par exemple, à 500 MHz, l'épaisseur de peau du cuivre est
delta = 66/rac ( 500) = 66/22 = 3 µ
Donc un plan de masse de 20 µ atténuera de
A= 8,7 x 20 /3 = 58 dB environ sur l'autre face.
….Mais il faudra se garder de faire des fentes dans ce plan de masse, qui coupleraient les deux faces....Ou de placer des circuits numériques très polluants, car il sera difficile d'avoir un isolement important entre les deux faces, ne serait-ce que par diffraction des ondes sur les bords. La meilleure solution reste de blinder la logique rapide
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