Le gain des antennes

par **14RC126** Jeu 17 Mar - 7:10

Antenne isotrope

L'antenne isotrope est un modèle théorique qui sert de référence pour le calcul du gain des antennes.
On la représente comme un point dans l'espace qui rayonnerait de la même façon dans toutes les directions.
Son gain est de 1 ou, exprimé en décibel, il est de 0 dBi (décibel par rapport à l'antenne isotrope).

Analogie avec un luminaire

Une façon pratique de comprendre ce qu'est le gain d'une antenne est de faire une expérience avec une lampe de poche.
L'ampoule nue rayonne dans toutes les directions (ou presque).
Le flux lumineux est le même quelque soit la direction.
Si on place un réflecteur derrière cette ampoule, les rayons lumineux vont être concentrés vers une direction privilégiée. La puissance dissipée est la même mais l'éclairement dans l'axe du réflecteur sera plus élevé au détriment des autres directions, en particulier de l'arrière du réflecteur.
Pour les antennes, un phénomène identique se produit. Par exemple, le dipôle demi-onde rayonne principalement dans le plan perpendiculaire à son axe et pratiquement pas dans le prolongement des brins comme sur la figure .
Le fait de concentrer l'énergie rayonnée dans une ou plusieurs directions privilégiées a le même effet qu'une augmentation de la puissance émise : un gain de 3 décibels au niveau de l'antenne équivaut à doubler la puissance de l'émetteur.

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D'où vient le gain d'une antenne

Prenons le cas du doublet demi-onde dans l'espace (voir Diagramme de rayonnement du dipôle demi-onde).
Si l'on coupe le tore par un plan contenant son axe (et le dipôle par la même occasion) on obtient le diagramme ci-contre avec le profil du tore représenté en gris. En fond bleu est représenté le rayonnement de l'antenne isotrope dans l'espace avec la même puissance d'émission. Tout se passe comme si l'énergie que l'antenne isotrope rayonne suivant les directions proches de l'axe du tore était utilisée pour renforcer le rayonnement dans le plan perpendiculaire à son axe (flèches rouges).
En fait le gain d'une antenne n'est qu'une autre façon de répartir le rayonnement en favorisant certaines directions au détriment des autres.

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par **14RC126** Jeu 17 Mar - 7:13

Le gain en dB d'une antenne

On exprime généralement le gain d'une antenne en décibels, soit par rapport au dipôle, soit par rapport à l'antenne isotrope.
L'unité utilisée dans le premier cas est le dBd (décibel par rapport au dipôle) et dans le second cas le dBi (décibel par rapport à l'antenne isotrope. Le dBd est une unité pratique car elle permet de se faire une idée de l'amélioration apportée par l'antenne à gain mais le dBi est une meilleure référence car elle est universelle. La différence entre le dBi et le dBd est 2,15 décibels, autrement dit un dipôle demi-onde a un gain de 2,15 dBi.
Dans les catalogues et publicités des fabricants, il est fréquent que les gains des antennes soient exprimés simplement en dB sans autre précision. Par précaution on considérera qu'il s'agit de dBi plutôt que de dBd. D'autant plus que les gains annoncés sont parfois délibéréments exagérés et quand ils sont exacts, ils sont alors souvent exprimés par rapport à l'antenne isotrope.

Réversibilité de l'antenne

L'antenne est un dispositif réversible, on bénéficie de ses performances à la fois en émission et en réception. Le fait d'utiliser une antenne présentant un gain de 6 dBd a un double avantage :
- en émission : effet équivalent à quadrupler la puissance de l'émission (voir PER et PIRE)
- en réception : tous les signaux provenant de la direction du lobe principal de l'antenne seront amplifiés de 6dB.

Relation entre dimensions du lobe principal et gain de l'antenne

Comme le gain est d'autant plus grand que l'énergie est rayonnée en un faisceau étroit, il est possible d'estimer grossièrement le gain d'une antenne en mesurant les deux angles d'ouverture à -3dB (qE verticalement et qA horizontalement).
La formule suivante permet cette estimation pour des angles inférieurs à 90 degrés et pour des antennes dont le lobe principal se distingue nettement des lobes secondaires.

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Avec :
G : gain en dBi de l'antenne
qE : angle d'ouverture en élévation (verticalement) (voir Diagramme de rayonnement)
qA : angle d'ouverture en azimut (horizontalement)
Les angles sont exprimés en degrés.
Exemple :
Le gain théorique d'une antenne dont le lobe pricipal a une ouverture horizontale de 80 degrés et une ouverture verticale de 40 degrés est de 11 dBi. Ce gain est en pratique plus faible de 1 ou 2 degrés.
On peut améliorer le gain d'une antenne omnidirectionnelle en diminuant la hauteur de son lobe principal, ce qui a pour effet de limiter le rayonnement vers les nuages. Ce principe est utilisé dans les systèmes d'antenne de téléphonie mobile, le but des opérateurs étant de couvrir avec une moindre puissance l'espace situé à très basse altitude, là où évolue la quasi totalité des utilisateurs.

par **14RC126** Jeu 17 Mar - 7:13

Gain standard de quelques antennes

Le tableau ci-dessous n'a qu'une valeur très indicative car le gain d'une antenne ne dépend pas uniquement de sa forme, de ses dimensions ou du nombre de ses éléments. La qualité de sa réalisation, son vieillissement, les conditions de son installation... sont des facteurs importants.

type d'antenne	angle d'ouverture		gain (dBi)
type d'antenne	H	V	gain (dBi)
biquad SHF	50	50	11
bi-square	60		4
bobtail curtain			5
cornet SHF	40	40	12
cubical quad 2 éléments			9
dipôle demi-onde			2,1
delta-loop onde entière			3
dipôle raccourci (exemple)			1,7
discone			2
hélice 10 spires	36	36	14
log périodique 6 éléments actifs			10
réseau	65	30	13
parabole 4 m sur 435MHz	12	12	20
verticale l/4	360	80	5
turnstile	360	80	-0,8
yagi 3 éléments horizontale près du sol	60	15	8
yagi 7 éléments verticale dans l'espace	55	40	12

Comparaison du gain de deux antennes

Comparer deux antennes en ne s'intéressant qu'à leurs gains respectif peut avoir un intérêt pour les transmissions à vue directe sur UHF et SHF mais perd son sens pour les antennes sur les bandes décamétriques. La valeur de l'angle de départ doit être prise en compte car il détermine le mode de propagation qui va être privilégié. Comme chaque rebond sur le sol coûte entre 1 et 8 décibels et qu'un rebond dans l'ionosphère est encore plus ruineux (entre 3 et des dizaines de dB), on aura intérêt à utiliser un mode 1F plutôt que 2F. Ceci est plus facilement obtenu avec un angle de départ de 10 degrés qu'avec un angle de 30 degrés.

par **14RC126** Sam 2 Sep - 8:09

petite récap !!!

Diagrammes de directivité, de gain et de polaire de l'antenne radio
Le gain et la directivité sont deux facteurs clés pour les antennes qui sont reliées entre elles et souvent tracées sur un diagramme polaire ou de rayonnement.

Les antennes ou antennes radio ne rayonnent pas de la même manière dans toutes les directions – toute véritable conception d’antenne radio rayonnera davantage dans certaines directions que dans d’autres.

Le diagramme réel du rayonnement de l'antenne dépend du type de conception de l'antenne, de sa taille, de l'environnement et de nombreux autres facteurs. Il est souvent tracé sur un diagramme polaire ou un diagramme de rayonnement.

Ce diagramme directionnel ou diagramme de rayonnement peut être utilisé pour garantir que la puissance rayonnée est concentrée dans les directions souhaitées, ou pour un récepteur, la sensibilité maximale est dans la direction souhaitée.

Quelles que soient les applications : radiocommunications, radiodiffusion, radar, communications mobiles, etc., le diagramme de rayonnement et son diagramme polaire sont importants pour garantir le bon fonctionnement de l'ensemble du système.

Diagrammes polaires
Il est normal de se référer aux modèles directionnels et au gain en termes de signal transmis. Il est souvent plus facile de visualiser l'antenne radio en termes de puissance rayonnée, mais l'antenne fonctionne de manière exactement équivalente en réception. Les chiffres de gain, les diagrammes polaires et tous les aspects des performances sont identiques à l'émission et à la réception.

Afin de visualiser la manière dont une antenne radio rayonne, un diagramme appelé diagramme polaire est utilisé. Il s'agit normalement d'un tracé bidimensionnel autour d'une antenne montrant l'intensité du rayonnement en chaque point pour un plan particulier.

Bien que le diagramme de rayonnement de l'antenne varie en trois dimensions, il est normal de réaliser un tracé dans un plan particulier, normalement horizontal ou vertical, car ce sont les deux plus utilisés. Cela simplifie à la fois les mesures et la présentation des résultats. Un exemple de diagramme polaire d'antenne Yagi simple est présenté ci-dessous.

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Normalement, l'échelle du diagramme polaire est logarithmique afin que les différences soient facilement visibles sur le tracé.

Bases de la directivité de l'antenne
Les conceptions d’antennes radio sont souvent classées selon le type de diagramme polaire qu’elles présentent. Par exemple, une conception d'antenne omnidirectionnelle rayonne de manière égale (ou approximativement égale) dans toutes les directions dans le plan d'intérêt.

Une conception d’antenne qui rayonne de manière égale dans toutes les directions et dans tous les plans est appelée antenne isotrope. Comme déjà mentionné, il n’est pas possible d’en produire un dans la réalité, mais il est utile comme référence théorique pour certaines mesures.

D'autres antennes RF présentent des diagrammes hautement directionnels et peuvent être utilisées dans un certain nombre d'applications. L'antenne Yagi est un exemple d'antenne directive et elle est probablement la plus largement utilisée pour la réception de télévision. Ces antennes ont un faisceau principal dans une direction et un certain nombre de lobes dans d'autres directions. En conséquence, ces antennes sont souvent appelées antennes « à faisceau ».

L'un des principaux objectifs de la conception de ces antennes est de garantir que la quantité maximale d'énergie soit concentrée dans le faisceau principal et que les lobes latéraux soient minimisés.

Largeur du faisceau de l'antenne radio
Un certain nombre de caractéristiques clés peuvent être observées sur le diagramme polaire d’une antenne.

L'une des premières choses que l'on peut voir sur les diagrammes polaires de nombreuses antennes, et en particulier d'une antenne à faisceau, est qu'il existe un faisceau ou lobe principal et un certain nombre de lobes mineurs.

Il est souvent utile de définir la largeur du faisceau d'une antenne RF. Ceci est très utile lorsque l'on regarde des antennes directives ou à faisceau telles qu'une Yagi, car le but de l'antenne est de concentrer l'énergie transmise dans une direction.

Connaître la largeur du faisceau donne une indication de la précision avec laquelle l'antenne doit être orientée lors de son alignement ou de sa rotation vers l'autre station de la liaison.

La largeur du faisceau de l'antenne est considérée comme l'angle entre les deux points où la puissance tombe à la moitié de son niveau maximum, soit -3 dB.

En conséquence, ce paramètre est souvent appelé largeur de faisceau à mi-puissance.

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par **14RC126** Sam 2 Sep - 8:11

Gain d'antenne radio
Une antenne radio rayonne une quantité de puissance donnée. Il s'agit de la puissance dissipée dans la résistance au rayonnement de l'antenne radio. Un radiateur isotrope le répartira également dans toutes les directions. Pour une antenne avec un diagramme directionnel, moins de puissance sera rayonnée dans certaines directions et plus dans d’autres. Le fait qu’une plus grande puissance soit rayonnée dans des directions données implique qu’il peut être considéré comme un gain.

Le gain peut être défini comme un rapport du signal transmis dans la direction « maximale » à celui d'une antenne standard ou de référence. C'est ce qu'on appelle parfois le « gain à terme ».
Le chiffre obtenu est alors normalement exprimé en décibels (dB). En théorie, l'antenne standard pourrait être presque n'importe quoi, mais deux types sont généralement utilisés.

Le type le plus courant est un simple dipôle car il est facilement disponible et constitue la base de nombreux autres types d’antennes. Dans ce cas le gain est souvent exprimé en dBd, c'est à dire un gain exprimé en décibels sur un dipôle.

Cependant, un dipôle ne rayonne pas de manière égale dans toutes les directions et dans tous les plans, c'est pourquoi une source isotrope est parfois utilisée. Il s’agit d’un type d’antenne imaginaire qui rayonne de manière égale dans toutes les directions. Lorsqu'un radiateur isotrope est utilisé comme antenne de comparaison pour déterminer le gain, les chiffres sont spécifiés en dBi, c'est-à-dire le gain en décibels par rapport à une source isotrope.

Le principal inconvénient de l’utilisation d’une source isotrope (antenne dBi) comme référence est qu’il ne s’agit que d’un type d’antenne imaginaire. Il n'est pas possible d'en réaliser un en pratique et les figures l'utilisant ne peuvent donc être que théoriques.

Cependant il est possible de relier les deux gains puisqu'un dipôle a un gain de 2,1 dB sur une source isotrope soit 2,1 dBi. En d’autres termes, les chiffres exprimés en gain sur une source isotrope seront 2,1 dB supérieurs à ceux relatifs à un dipôle.

Lorsque vous choisissez une antenne et examinez les spécifications de gain, assurez-vous de vérifier si le gain est relatif à un dipôle ou à une source isotrope, c'est-à-dire le chiffre dBi de l'antenne du chiffre dBd de l'antenne. Les chiffres spécifiés en termes de dBi seront 2,1 dB meilleurs que ceux indiqués en dBd.

Rapport avant/arrière de l'antenne
Outre le gain vers l'avant d'une antenne, un autre paramètre important est le rapport avant/arrière. Ceci est exprimé en décibels et, comme son nom l’indique, il s’agit du rapport entre le signal maximum dans le sens direct et le signal dans le sens opposé.

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e chiffre est normalement exprimé en décibels. Il s'avère que la conception d'une antenne peut être ajustée pour donner soit un gain direct maximum, soit un rapport avant/arrière optimal, car les deux ne coïncident normalement pas exactement. Pour la plupart des opérations VHF et UHF, la conception est normalement optimisée pour un gain direct optimal, car cela donne le signal rayonné maximum dans la direction requise.

Rapport FB (dB) = 10enregistrerdix(FB)
Où :
F = puissance vers l’avant
B = puissance vers l’arrière

Gain d'antenne radio/équilibre de largeur de faisceau
Plusieurs paramètres doivent être équilibrés lors de l’ajustement de la conception d’une antenne. Il peut sembler que la recherche d'un gain direct élevé soit la principale exigence, mais il convient de rappeler que plus le gain direct augmente, plus la largeur du faisceau se rétrécit.

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Les antennes à largeur de faisceau très étroite nécessitaient un réglage précis, et elles devaient également pouvoir maintenir leur réglage et ne pas être emportées par le vent, etc.

Un facteur supplémentaire à retenir est que, comme les conceptions d'antennes directionnelles comportent de nombreux éléments en interaction, le gain direct maximal peut ne pas correspondre à d'autres paramètres tels que le rapport avant/arrière maximal.

Lors du développement d’une antenne, il est nécessaire de s’assurer que la conception répond aux exigences opérationnelles réelles plutôt qu’à une simple spécification théorique.

Le gain, la directivité et les diagrammes polaires sont des aspects clés de toute antenne radio, qu'elle soit utilisée pour la réception de diffusion nationale, la transmission de diffusion, les communications radio, les communications mobiles, le radar ou autre. Comprendre les spécifications, les diagrammes polaires et les équilibres à réaliser facilite la sélection d’une antenne pour une situation donnée.

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