Antenne - Définition

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En radioélectricité, une antenne est un dispositif permettant de rayonner (émetteur) ou de capter (récepteur) les ondes électromagnétiques.

Heinrich Hertz (1857-1894) utilisa pour la première fois, en 1889, des antennes pour démontrer l'existence des ondes électromagnétiques prédites par la théorie de James Clerk Maxwell. Il utilisa des antennes doublet tant pour la réception que pour l'émission. Il installa même le dipôle émetteur au foyer d'un réflecteur parabolique. Les travaux et les dessins de l'installation furent publiés dans les Annalen der Physik und Chemie (vol. 36, 1889). Le terme antenne fut utilisé par Guglielmo Marconi (1874-1937).

L'antenne est un conducteur électrique plus ou moins complexe généralement placé dans un endroit dégagé.

Elle se définit par les caractères listés dans le sommaire suivant.

Antennes pour radiodiffusion
Antennes pour radiodiffusion

Bande de fréquence d'utilisation

L'antenne doublet est un dipôle électrique qui se comporte comme un circuit résonant. La fréquence de résonance de l'antenne dépend d'abord de ses dimensions mais aussi des éléments qui lui sont ajoutés. Par rapport à la fréquence de résonance centrale de l'antenne, on peut tolérer un certain affaiblissement (généralement 3 décibels) qui détermine la fréquence minimum et la fréquence maximum d'utilisation ; la différence entre ces deux fréquences est la bande passante.

Il est fréquent qu'une antenne soit utilisée en réception largement en dehors de sa bande passante, c'est le cas des antennes d'auto-radio dont la fréquence de résonance se situe souvent à plus de 200 MHz et que l'on utilise pour l'écoute de la bande de radiodiffusion " FM " (bande des Ondes Ultras Courtes, bande OUC) vers 100 MHz, voire la gamme des grandes ondes ne dépassant pas quelques centaines de kilohertz.

Certaines antennes dites multibandes peuvent fonctionner correctement sur des segments discontinus sans dispositif particulier. D'autres nécessitent l'emploi d'un circuit adaptateur d'impédance pour fonctionner correctement.

Certaines antennes sont sensibles au champ magnétique de l'onde reçue, c'est le cas des antennes " cadre " accordées par un condensateur variable ou celles constituées d'un barreau de ferrite autour duquel est bobinée une self. Elles sont directives et leur utilisation nécessite de les orienter correctement (axe du bobinage parallèle au champ magnétique de l'onde électromagnétique).

Polarisation

La polarisation d'une antenne est celle du champ électrique E de l'onde qu'elle émet. Un dipôle demi-onde horizontal a donc une polarisation horizontale. Certaines antennes ont une polarisation elliptique ou circulaire comme l'antenne hélice ou la double-yagi dont les plans sont perpendiculaires. Le fait d'utiliser deux antennes de polarisations différentes pour réaliser une liaison introduit des pertes supplémentaires importantes.

voir aussi la polarisation et les émetteurs de télévision

Directivité et diagramme de rayonnement

L'antenne isotrope, c'est-à-dire rayonnant de la même façon dans toutes les directions, est un modèle théorique irréalisable dans la pratique. En réalité, l'énergie rayonnée par une antenne est répartie inégalement dans l'espace, certaines directions étant privilégiées : ce sont les lobes de rayonnement. Le diagramme de rayonnement d'une antenne permet de visualiser ces lobes dans les trois dimensions, dans le plan horizontal ou dans le plan vertical incluant le lobe le plus important. La proximité et la conductibilité du sol ou des masses conductrices environnant l'antenne peuvent avoir une influence importante sur la forme du diagramme de rayonnement.

Directivité

Différents patrons d'émission d'antennes
Différents patrons d'émission d'antennes

La directivité de l'antenne dans le plan horizontal est une caractéristique importante dans le choix d'une antenne.

  • Une antenne équidirective ou omnidirectionnelle rayonne de la même façon dans toutes les directions du plan horizontal.
  • Une antenne directive possède un ou deux lobes nettement plus importants que les autres qu'on nomme lobes principaux. Elle comporte également des lobes secondaires qu'on tente de minimiser. Elle sera d'autant plus directive que le lobe le plus important sera étroit. Si la station radio captée ne se trouve pas toujours dans la même direction il peut être nécessaire d'orienter l'antenne en la faisant tourner avec un moteur.

Certaines antennes de poursuite de satellites sont orientables en azimut (direction dans le plan horizontal) et en site (hauteur au-dessus de l'horizon). La radiogoniométrie utilise des antennes directives pour déterminer la direction d'un émetteur. Les radars utilisent des antennes dont le patron d'émission et de réception est hautement directionnel.

Gain

Le gain d'une antenne par rapport à l'antenne isotrope est ce qui caractérise le lobe principal. Il est dû au fait que l'énergie est focalisée dans une direction, comme l'énergie lumineuse d'une bougie peut être concentrée grâce à un miroir ou une lentille convergents. Il s'exprime en dBi (décibels par rapport à l'antenne isotrope). Pour une antenne, le miroir peut être constitué par un élément réflecteur (écran plan ou parabolique) tandis qu'un élément directeur (dans une antenne yagi, par exemple) jouera le rôle de la lentille. Les mesures sur les antennes sont effectuées en espace libre ou en chambre anéchoïde.

Une direction où le gain est faible peut être mise à profit pour éliminer un signal gênant (en réception) ou pour éviter de rayonner dans une région où il pourrait y avoir interférence avec d'autres émetteurs.

Forme et dimensions

La forme et les dimensions d'une antenne sont extrêmement variables : celle d'un téléphone portable se limite à une petite excroissance sur le boîtier de l'appareil tandis que la parabole du radiotélescope d'Arecibo dépasse 300 m de diamètre. Très grossièrement on peut dire que pour la même fréquence d'utilisation, les dimensions d'une antenne seront d'autant plus grandes que son gain sera élevé, à cause de l'utilisation d'éléments réflecteurs comme celui de l'antenne parabolique, par exemple.

L'antenne demi-onde ou doublet, comme son nom l'indique, a une longueur presque égale à la moitié de la longueur d'onde pour laquelle elle a été fabriquée.

La longueur électrique de l'élément d'une antenne peut être augmentée en insérant une bobine en série avec le fil conducteur ou en ajoutant une armature de condensateur à l'extrémité de celui-ci.

Types d'antennes

Ensemble d'antennes diverses
Ensemble d'antennes diverses

L'antenne de base est l'antenne dipolaire. Une bonne partie des autres types d'antenne (mais pas toutes) sont de variations ou de combinaison de dipôles.

Il existe des dizaines de types d'antennes, différents par leur fonctionnement, leur géométrie, leur technologie...
Quelques exemples :

  • antenne d'intérieur pour TV, appartement ou grenier TV ;
  • antenne en parapluie ou en nappe pour ondes kilométriques ;
  • antenne boucle de différentes formes, arrondies en principe, mais avec des parties pouvant être rectilignes), verticale ou horizontale ;
  • antenne dipolaire, antenne filaire de base ;
  • antenne doublet filaire pour ondes décamétriques ;
  • antenne yagi-uda à éléments parasites, très directive et à gain important. C'est le râteau utilisé pour la réception de la TV analogique ou numérique ;
  • antenne quart d'onde verticale omnidirectionnelle pour très hautes fréquences (THF ou VHF) ;
  • antenne rideau ou colinéaire à la directivité très marquée ;
  • antenne cadre magnétique, de dimensions réduites, comportant souvent un barreau de ferrite ;
  • antenne diélectrique ou par ondes de surface ;
  • antenne hélice pour ondes décimétriques, très directive ;
  • antenne parabolique utilisable au dessus d'un GHz (hyperfréquences) Wifi, ISM, transmissions par satellite, bandes S, C, Ku, Ka ;
  • antenne à fentes applications Wifi, ISM, bandes S, C, Ku, Ka ;
  • antenne quad applications Wifi, ISM bande des 2,4 GHz, TNT ondes courtes bande L (antenne cubical quad)
  • antenne cornet à partir de la bande S ;
  • antenne cornet-entonnoir à partir de la bande S ;
  • antenne patch à partir de 1,2 GHz ;
  • antenne dièdre, à partir de 1,2 GHz ;
  • antenne isotrope, un modèle théorique qui sert de référence ;
  • réseau d'antennes, antenne formée par un réseau d'antennes.
  • antenne réseau à commande de phase qui est formée d'un groupe d'émetteurs indépendants que l'on peut alimenter de façon variable de telle sorte que le patron d'émission total est orientable sans avoir à bouger l'antenne. Multiples utilisations militaires, civiles et spatiales dont les radars à balayage électronique.
  • antenne fouet brin flexible 1/4 ou 1/2 onde surtout pour les VHF, ex CB et UHF (ex TNT)

Remarque : dans le domaine du grand public, les antennes pour la réception de la télévision analogique TAT et numérique (TNT) ainsi que la radiodiffusion en FM terrestres, sont plus connues sous l'appellation usuelle d'antenne "râteau" (en fait des antennes yagi-uda VHF ou UHF). L'antenne dite parabole ainsi que, plus rarement, l'antenne plate, sont destinées à la télévision par satellite, aux télécommunications, aux radars... La télévision par MMDS (rare) nécessite des antennes type yagi ou parabolique.

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 bifilaire ou un câble coaxial. Pour obtenir un fonctionnement optimal, l'impédance au point d'alimentation doit être du même ordre que 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, il est souhaitable d'alimenter une antenne symétrique (comme le doublet demi-onde à l'aide d'une ligne symétrique (comme la ligne bifilaire) et une antenne asymétrique comme l'antenne verticale (antenne ground-plane) avec une ligne asymétrique : un câble coaxial, par exemple. Pour passer d'une ligne symétrique à une ligne asymétrique, on utilise souvent un balun.

Sur ondes centimétriques et plus courtes, on utilise des guides d'ondes, sortes de tubes de section rectangulaire ou elliptique dans lesquels circulent les ondes. Certaines antennes, comme les antennes paraboliques de réception de la télévision par satellite, incorporent un dispositif électronique d'amplification et de conversion de la fréquence reçue.

Utilisation en émission

Le plus souvent, une antenne peut être utilisée aussi bien en émission qu'en réception. Toutefois certaines antennes utilisées en réception ont un rendement très faible en émission (antenne Beverage) ou bien ne pourraient supporter une puissance d'émission importante à cause des pertes ou des surtensions trop élevées qui pourraient les détériorer.

Antennes en réception

Le champ électrique d'une onde électromagnétique induit une tension dans chaque petit segment de tout conducteur électrique. La tension induite dépend évidemment de la valeur du champ électrique et de la longueur du segment. Mais la tension dépend aussi de l'orientation du segment par rapport au champ électrique.

Ces petites tensions induisent des courants et ces courants qui circulent traversent chacun une petite partie de l'impédance de l'antenne. Le résultat est que le schéma équivalent de Thévenin d'une antenne n'est pas immédiat.

En utilisant le théorème de réciprocité on peut démontrer que le schéma équivalent de Thévenin d'une antenne en réception est le suivant :

Circuit équivalent


V_a={\sqrt{R_aG_a}\,\lambda\cos\psi\over\pi\sqrt{120}}E_b


  • \scriptstyle{V_a} est la tension du schéma équivalent de Thévenin.
  • \scriptstyle{Z_a} est l'impédance du schéma équivalent de Thévenin et est égale à l'impédance de l'antenne.
  • \scriptstyle{R_a} est la résistance série de l'impédance de \scriptstyle{Z_a}\,de l'antenne.
  • \scriptstyle{G_a} est le gain de l'antenne (le même qu'en émission) dans la direction d'où viennent les ondes électromagnétiques.
  • \scriptstyle{\lambda} est la longueur d'onde.
  • \scriptstyle{E_B} est le champ électrique de l'onde électromagnétique incidente.
  • \scriptstyle{\psi} est l'angle désalignement du champ électrique avec l'antenne. Par exemple, si l'antenne est un dipôle, la tension induite sera maximum quand le champ électrique est aligné avec le conducteur. Si ce n'est pas le cas, et qu'ils forment un angle de \scriptstyle{\psi}, la tension induite sera multipliée par \scriptstyle{\cos\psi}.

Le schéma équivalent et la formule à droite sont valables pour tout type d'antenne. Ce peut être une antenne dipolaire, une antenne parabolique, une antenne yagi-uda ou un réseau d'antennes.

Voici trois définitions qui parlent d'elles-mêmes :

\begin{matrix} {Longueur\ effective\ de\ l'antenne}&=&\textstyle{{\sqrt{R_aG_a}\lambda\cos\psi\over\pi\sqrt{120}}} \\  & & \\ { Puissance\ maximum\ disponible}&=&\textstyle{{G_a\lambda^2\over 480\pi^2}E_b^2} \\  & & \\ {Surface\ effective\ ou\ section\ efficace}&=&\textstyle{{G_a\over4\pi}\lambda^2}\\ \end{matrix}

Le corollaire de ces définitions est que la puissance maximum qu'une antenne peut extraire d'une onde électromagnétique ne dépend que du gain de l'antenne et du carrée de \scriptstyle{\lambda}.

Impédance mutuelle et interaction entre antennes

Le courant qui circule dans chaque antenne induit des courants dans toutes les autres. Aussi bien si les autres sont alimentées ou non. On peut postuler une impédance mutuelle qui jouera le même rôle dans les antennes que l'inductance mutuelle dans les bobines couplées. L'impédance mutuelle \scriptstyle{Z_{12}} entre deux antennes est définie comme

\textstyle{Z_{12}={v_2\over i_1}}

\textstyle{i_{1}} est le courant qui circule dans l'antenne 1 (inductrice) et \textstyle{v_2} est la tension qu'il faudrait appliquer à l'antenne 2 (induite) – avec l'antenne 1 enlevée – pour obtenir le même courant dans l'antenne 2 que celle induite par le courant de l'antenne 1.

Avec cette définition, l'ensemble de courants et de tensions d'un ensemble d'antennes est relié par le système d'équations suivant :

Impédance mutuelle entre dipôles  alignés et non décales. Les courbes Re et Im sont la partie résistive et la partie réactive de l'impédance mutuelle.
Impédance mutuelle entre dipôles \scriptstyle{{\lambda \over 2}} alignés et non décales. Les courbes Re et Im sont la partie résistive et la partie réactive de l'impédance mutuelle.
\begin{matrix} v_1&=&i_1Z_{11}&+&i_2Z_{12}&+& \cdots &+& i_nZ_{1n}\\  v_2&=&i_1Z_{21}&+& i_2Z_{22}&+&\cdots&+&i_nZ_{2n} \\  \vdots & & \vdots & & \vdots & & & & \vdots \\  v_n&=&i_1Z_{n1}&+&i_2Z_{n2}&+&\cdots&+&i_nZ_{nn}\end{matrix}

où :

  • \scriptstyle{v_i} est la tension appliquée à l'antenne \scriptstyle{i}
  • \scriptstyle{Z_{ii}} est la impédance de l'antenne \scriptstyle{i}
  • \scriptstyle{Z_{ij}} est l'impédance mutuelle entre les antennes \scriptstyle{i} et \scriptstyle{j}

Rémarquez que, comme pour les inductances mutuelles :

\scriptstyle{Z_{ij}\,= \,Z_{ji}}

Si quelques éléments ne sont pas alimentés (il y a un court-circuit à la place du câble d'alimentation), comme c'est le cas dans les antennes Yagui-Uda les \textstyle{v_i} correspondants sont zéro. Ces éléments reçoivent l'injuste nom d'éléments parasites. Dans certaines configurations géométriques, l'impédance mutuelle entre deux antennes peut être zéro. C'est le cas pour des dipôles disposés en croix (dans les antennes à émission ou réception polarisée circulairement). Ces impédances nulles facilitent le calcul et surtout, la réalisation.




Réalisation mécanique

Selon qu'une antenne est destinée à la réception de la télévision grand-public ou à un satellite de télécommunication, la qualité (et le coût) de la réalisation ne sera pas la même. La résistance au vent et aux intempéries doivent être particulièrement soignées pour obtenir une grande fiabilité et stabilité, c'est le cas des antennes à réflecteur parabolique. En altitude il n'est pas rare qu'une antenne soit enrobée de glace, les éléments doivent supporter cette surcharge sans se déformer. Pour éviter les problèmes d'oxydation et d'infiltration d'eau, les éléments alimentés sont souvent protégés par un étui isolant. Un radôme est un abri protecteur imperméable utilisé pour protéger une antenne.

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