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RÉSUMÉ
Une antenne est un dispositif qui assure la conversion d'une onde électromagnétique guidée en une onde électromagnétique rayonnée et inversement. Dans cet article consacré aux fondamentaux, le lecteur découvrira dans un premier temps la définition des grandeurs permettant de caractériser une antenne. Dans un second temps, les mécanismes physiques et mathématiques régissant le rayonnement seront développés au travers de cas de références comme le doublet de Hertz ou l'ouverture rectangulaire dans un plan métallique. Le formalisme compact présenté dans cet article permet à l'utilisateur de s'approprier les équations à l'aide du calcul formel et d'identifier de manière rapide les mécanismes conduisant à un rayonnement particulier.
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Xavier BEGAUD : Professeur LTCI, CNRS, Télécom ParisTech, Université Paris-Saclay, Paris, France
INTRODUCTION
Le terme antenne désignait autrefois (XIIIe siècle) une vergue longue et mince des voiles latines, puis à partir du XVIIIe siècle les appendices sensoriels à l’avant de la tête de certains arthropodes. Aujourd’hui, une antenne est un dispositif qui assure la conversion d’une onde électromagnétique guidée en une onde électromagnétique rayonnée dans l’espace et inversement.
En consultant la littérature dédiée à la conception d’antennes, on est habituellement confronté à deux types d’approches : la première où l’on caractérise leur fonctionnement avec les équations de Maxwell et l’aide d’opérateurs comme le potentiel de Hertz , conduit à des calculs longs et souvent peu porteurs d’informations. La seconde où l’on présente « avec les mains » et quelques formules les caractéristiques des antennes est plus intuitive mais limitée à des exemples précis, souvent bien connus et peut être difficilement généralisée .
Dans cet article, nous allons nous appuyer sur une approche unique et rigoureuse de la conception d’antennes qui a été proposée par Per-Simon Kildal . On s’efforcera de faire apparaître les phénomènes physiques régissant le fonctionnement des antennes grâce à une formulation compacte. L’objectif est de définir l’ensemble des caractéristiques de rayonnement qui seront par la suite utilisées et développées dans d’autres fascicules relatifs aux antennes.
Pour une présentation exhaustive et plus académique des caractéristiques de rayonnement des antennes, le lecteur peut se reporter sur la référence suivante qui propose une formulation classique de la théorie des antennes.
La transmission des ondes dans l’environnement et plus précisément dans le canal de propagation a conduit au développement de multiples usages et services : radiodiffusion, télévision, radar, télécommunications, radionavigation… Dans toutes ces applications, l’antenne désigne ce composant indispensable au rayonnement et à la captation des ondes électromagnétiques.
Les antennes sont de plus en plus présentes dans notre environnement ; visibles ou discrètes, elles permettent d’établir la communication entre au minimum deux appareils tout en supprimant les câbles de liaison. Ces applications sans fils apportent aux utilisateurs souplesse, mobilité et réduction des coûts d’installation. Les applications des antennes sont donc de plus en plus nombreuses :
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pour les systèmes de télécommunication au sol : direct broadcasting, liaison radio, téléphone mobile et station de base, WLAN (Wireless Local Area Network) Co, télépéage et identification (RFID), navigation …
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pour les systèmes de télécommunication par satellite : liaisons entre stations terrestres pour de longues distances, TV-satellite, terminaux mobiles terrestres pour téléphone mobile …
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pour les radars civil et militaire : radar météo, radar aviation, radar de recherche et détection militaire, radar de surveillance à synthèse d’ouverture (SAR, Synthetic Aperture Radar) (pollution, trafic), recherche sur l’ionosphère …
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en radiométrie : radioastronomie, météorologie et surveillance des ressources terrestres …
Cet article est composé de deux grandes sections. La première est consacrée aux définitions et la seconde aux phénomènes physiques. La formulation mathématique proposée permet au lecteur d’initier une conception et de dimensionner ensuite ses propres antennes.
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- Version archivée 1 de nov. 1998 par Joseph ROGER
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Caractérisation d’une antenne
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1. Conception d’antennes
1.1 Définition de l’antenne
Un dispositif assurant le couplage entre un générateur de courant, ou de tension, haute fréquence et une onde électromagnétique rayonnée dans l’espace constitue une antenne. Ce couplage étant réciproque l’antenne peut permettre à la fois de créer un rayonnement lorsqu’on lui fournit de la puissance (antenne d’émission) et a contrario de recueillir de l’énergie lorsqu’elle est plongée dans un champ électromagnétique (antenne de réception).
On parle aussi d’aérien, d’élément rayonnant, de transducteur entre l’espace libre et une structure guidée ou de « filtre spatial » …
Cette transduction entre la structure guidée où l’énergie est maîtrisée et l’espace libre où l’énergie est rayonnée est une première caractéristique importante des antennes. Ce milieu peut être caractérisé par son impédance qui représente l’inertie de ce dernier à la propagation d’une onde. L’espace libre, fréquemment assimilé au vide pour l’étude du rayonnement des antennes a une impédance d’onde égale à η0 = 120 π Ω ou approximativement 377 Ω. L’antenne peut ainsi être représentée comme un transformateur d’impédance assurant la transition d’une onde se propageant dans une structure guidée, le plus souvent d’impédance caractéristique égale à 50 Ω, vers l’espace libre. La notion d’adaptation d’impédance est une grandeur fondamentale sur laquelle nous reviendrons.
HAUT DE PAGE1.2 Rayonnement d’une antenne
Dans le cadre d’une description classique du rayonnement électromagnétique par une antenne, on montre que ce sont les mouvements accélérés des charges qui produisent le champ électromagnétique. Ce sont donc les variations temporelles des sources, ici des distributions de courants, qui produisent le rayonnement. Inversement une antenne plongée dans un rayonnement électromagnétique est susceptible de donner naissance à des distributions de charges et de courants.
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Conception d’antennes
BIBLIOGRAPHIE
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(1) - STRATTON (A.) - – Théorie de l’électromagnétisme, - Dunod (1961).
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(2) - LIZUKA (K.) - –Antennas for non-specialists, - IEEE Antennas and Propagation Magazine, Vol. 46, N°. 1, February 2004.
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(3) - KILDAL (P.S.) - Foundations of antennas a unified approach, - Student Litteratur AB, January, 2000.
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(4) - BALANIS (C.A.) - Antenna theory : analysis and design, third edition, - John Wiley Sons, Inc., Hoboken, New Jersey (2005).
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(5) - ELLIOTT (R. S.) - Antenna Theory and Design, - IEEE Press, §1.14 §1.15 (1981).
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(6) - KILDAL (P. S.), BEST (S. R.) - Further investigations of fundamental directivity limitations of small antennas with and without ground planes - . Proc. IEEE Antennas...
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