Antenne radioélectrique - Définition

Mode d'alimentation

L'antenne est généralement déployée à l'extérieur, voire fixée au sommet d'un mât. Pour acheminer vers l'antenne l'énergie à haute fréquence fournie par l'émetteur ou en sens inverse amener le signal capté par l'antenne jusqu'à l'entrée du récepteur, on utilise une ligne de transmission ou un guide d'onde.

Pour obtenir un fonctionnement optimal, l'impédance au point d'alimentation doit être égale à l'impédance caractéristique de la ligne d'alimentation. L'ordre de grandeur des impédances rencontrées est de quelques dizaines (50 ou 75 ohms pour le câble coaxial) et quelques centaines d'Ohms (300 ohms pour une ligne bifilaire). Outre l'adaptation des impédances, une antenne symétrique (comme le doublet demi-onde) doit être alimentée par une ligne symétrique (comme la ligne bifilaire) ou par un système rendant l'alimentation symétrique (balun) et une antenne asymétrique comme l'antenne verticale par une ligne asymétrique : un câble coaxial, par exemple.

Une antenne peut également être alimentée par une ligne de transmission à haute impédance, constituée de deux fils parallèles en l'air, d'impédance caractéristique 600 Ohms. L'adaptation à une ligne de transmission classique se fait alors à son extrémité. Ce montage est fréquent pour alimenter les éléments individuels d'une antenne rideau.

En hyperfréquences on utilise aussi des guides d'ondes, sortes de tubes de section rectangulaire ou elliptique dans lesquels circulent les ondes. Les guides d'onde permettent d'acheminer les ondes avec des pertes minimales et supportent des puissances élevées (plusieurs MW pour un radar de contrôle aérien par exemple).

Pour permettre le fonctionnement d'une antenne élémentaire sur une large bande de fréquence, un système adaptateur d'antenne peut être inséré, adaptant pour chaque fréquence l'impédance complexe de l'antenne à la ligne de transmission.

Il est à noter que l'EBU favorise par ses prescriptions une tension d'alimentation de 5V pour l'alimentation des (pré-) amplificateurs externes ceci en vue de pourvoir à la protection du rapport signal bruit (S/N) par l'augmentation de l'intensité du courant d'alimentation de l'amplificateur dans la ligne coaxiale et le filtrage (dimensions des condensateurs)

Types

Les formes d'antennes sont multiples, mais peuvent être regroupées en familles.

Antennes élémentaires

Les antennes élémentaires peuvent être utilisées isolément ou comme éléments de réseaux, ou comme source d'un système à réflecteur ou à éléments parasites. Ces antennes ne permettent qu'une polarisation linéaire.

• L'antenne isotrope est une référence théorique irréalisable, qui rayonnerait également dans toutes les directions. Elle ne sert que de référence à l'évaluation du gain (voir ci-dessous).
• L'antenne dipolaire ou « dipôle demi-onde » ou « doublet demi-onde » est constituée d'un élément conducteur de longueur égale à la demi longueur d'onde. Son impédance caractéristique est résistive et voisine de 73 ohms pour un dipôle isolé dans l'espace.
• L'antenne « monopôle » ou « quart d'onde » est constituée d'un élément de longueur égale au quart de longueur d'onde, perpendiculaire à un plan conducteur. Elle se comporte comme un demi dipôle, le plan conducteur agissant en miroir. Son impédance caractéristique est la moitié de celle du dipôle soit environ 37 ohms. Sa forme dépend des fréquences, depuis l'« antenne en parapluie » en VHF ou en « nappe » pour ondes kilométriques.
• Fentes rayonnantes : aux fréquences élevées (hyperfréquences), les ondes sont plus faciles à manipuler que les courants et tensions, la fente rayonnante attaquée par un guide d'onde est l'équivalent d'un dipôle attaqué par une ligne symétrique (dualité).
• La boucle est l'élément de base des antennes quad ou cadres.

Antennes en réseaux

Les antennes élémentaires peuvent être assemblées en réseaux à une ou deux dimensions, augmentant ainsi le gain et la directivité. Le diagramme d'une antenne réseau peut être modulé en modifiant phase et amplitude des excitations individuelles.

• L'antenne rideau ou « colinéaire » comporte en VHF/UHF plusieurs dipôles alimentés par une ligne parallèle, en général devant un réflecteur. En basse fréquence ce sont des monopoles ou des dipôles multiples alimentés par des lignes coaxiales indépendantes.
• L'antenne "cierge" , est omnidirectionnelle dans le plan horizontal. Elle est composée de plusieurs dipôles demi-onde alimentés de façon à rayonner en phase. Ces dipôles sont disposés bout à bout verticalement les uns au-dessus des autres , et enrobés dans une enveloppe de protection. Plus le nombre de dipôles est important, plus l'antenne sera longue, plus son gain sera important et sa directivité dans le plan vertical élevée.
• L'antenne Yagi-Uda à éléments parasites, est la plus connue du public : c'est le « râteau » utilisé pour la réception de la télévision analogique ou numérique terrestre. Son gain et sa directivité dépendent du nombre d'éléments (donc de sa longueur). C'est une variante d'antenne réseau , les éléments parasites étant alimentés par couplage, grâce au choix de leur longueur.
• Les panneaux rayonnants en hyperfréquence comportent de nombreuses antennes élémentaires , en général antenne patch (ou plane ou planaire), sur un support plan.
• les antennes hybrides ( planaire + éléments) plus connues en TNT sous antenne compacte: http://commons.wikimedia.org/wiki/Image:Antenne_UHF_TNT_compacte.jpg

Antennes à réflecteurs

En hyperfréquences, les antennes peuvent utiliser des montages similaires à l'optique, avec des réflecteurs plans ou paraboliques.

• L'antenne parabolique est la plus connue pour son usage en télévision satellitaire.
• Les antennes de très grands diamètres utilisées en transmissions spatiales ou en radioastronomie utilisent aussi des montages type Cassegrain similaires aux télescopes.

Antennes pour polarisation circulaire

Une combinaison de deux antennes élémentaires croisées permet d'émettre ou de recevoir en polarisation circulaire. D'autres principes sont spécifiques à la polarisation circulaire.

• L'antenne Yagi croisée combine deux antennes Yagi attaquées avec un déphasage de 90 °.
• L'antenne hélice monofilaire, de forme « tire-bouchon » permet de réaliser un diagramme étroit, adapté par exemple à la poursuite de satellites.
• L'antenne hélice quadrifilaire permet de réaliser un diagramme favorisant les angles latéraux (utilisée en communications spatiale avec les satellites défilants.

Antennes à guide d'onde

• L'antenne cornet utilisée en hyperfréquence est une ouverture rayonnante excitée par un guide ou un monopôle, rectangulaire en polarisation linéaire, circulaire en polarisation circulaire.

• Les réseaux de fentes rayonnantes sont des réseaux de dipôles ouverts sur un guide. Leur géométrie permet de définir le faisceau et la polarisation (antenne à fentes).

Antennes actives

Une antenne active incorpore un circuit d'amplification directement aux bornes de l'antenne élémentaire, soit en réception pour adapter l'impédance (en BF par exemple), soit en émission pour permettre la création de diagrammes complexes dans un montage en panneau rayonnant. Ces antennes réseau à commande de phase sont utilisées pour les radars d'observation spatiale ou aéroportés, les radars de détection stratégiques, et peuvent comporter un millier d'éléments actifs.

Antennes raccourcies

L'une des antennes les plus utilisées dans les équipements portables est l'antenne "quart d'onde". Elle utilise l'équipement mobile comme plan de masse, et sa longueur théorique est d'un quart de longueur d'onde. En pratique, on peut réduire encore sa longueur en intercalant une inductance à sa base. Une autre technique plus récente et plus efficace consiste à réaliser le conducteur à l'aide d'un enroulement serré, en forme de ressort. L'ensemble est rendu rigide en entourant cet enroulement avec une membrane plastique. On obtient ainsi l'antenne dite "boudin" , utilisée dans les équipements portables. On peut ainsi raccourcir l'antenne d'un facteur quatre. Cette réduction de la taille se paie par une réduction importante de la bande passante.

Antennes à large bande

Une antenne élémentaire présente une fréquence de résonance et une largeur de bande liées à son rapport longueur/diamètre, En augmentant ce rapport il est possible d’obtenir une bande passante de 50 %. Un dipôle à large bande ressemble alors à un haltère en hyperfréquence, ou à un double cône filaire en haute fréquence.

Pour aller au-delà, les antennes spéciales fonctionnant sur une décade ou plus, sont du type antenne log-périodique ou assimilées comme l’antenne discone, l’antenne plate hélicoïdale, etc.

Antennes patch

Avec la miniaturisation des systèmes de radiocommunication, on a eu besoin de créer des antennes les moins encombrantes possible, mais de rendement suffisamment élevé. Ce sont les antennes patch, dont il existe une grande diversité.

En général, une antenne patch est composée d'un élément résonnant placé au-dessus d'un plan métallique.

Antennes cadres et boucles

Quand la longueur d'onde est trop grande par rapport aux dimensions possibles de l'antenne, on utilise les antennes cadres ou boucles. On parle d'antenne cadre si il y a plusieurs spires, et de boucle s'il n'y en a qu'une. Ces antennes sont en fait des circuits résonants que l'on agrandit au maximum pour obtenir un rayonnement. Comme les dimensions restent petites par rapport à la longueur d'onde, la résistance de rayonnement reste très faible, souvent inférieure à l'ohm. Le rendement est alors réduit, car la résistance ohmique peut être supérieure à la résistance de rayonnement.

Pour favoriser le rendement, la résistance ohmique doit être minimisée, le coefficient de surtension est alors élevé, et l'antenne a une bande passante faible.

On utilise ces antennes dans les systèmes RFID, les lecteurs de cartes à puces radio, dans les télécommandes de petites dimensions, etc...

Si on place un bâton de ferrite dans une antenne cadre, il n'est plus nécessaire d'agrandir physiquement le diamètre de la bobine, c'est la ferrite qui concentre le champ H: on a alors les antennes utilisées sur les récepteur radio en moyenne fréquence.