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1 - CONCEPTS DE DIPÔLES ÉLÉMENTAIRES

2 - ANTENNES ÉMETTRICES

3 - ANTENNES RÉCEPTRICES

4 - CONCLUSION

5 - GLOSSAIRE

Article de référence | Réf : R931 v1

Antennes émettrices
Les antennes en compatibilité électromagnétique

Auteur(s) : Bernard DÉMOULIN

Relu et validé le 30 nov. 2021

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RÉSUMÉ

Sur la base des formules du dipôle électrique élémentaire, l’article expose une brève étude des antennes pour l’analyse de phénomènes de compatibilité électromagnétique. Le contexte regardera plus attentivement l’émission du dipôle accordé en quart d’onde et l’induction de tensions sur un monopôle électrique soumis à une onde plane. Les questions relatives au gain des antennes, à la surface effective, au facteur d’antenne, à la directivité ainsi qu’au bilan de puissances seront également évoquées.

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Auteur(s)

  • Bernard DÉMOULIN : Professeur émérite - Université Lille 1, Groupe TELICE de l’IEMN, CNRS, UMR 8520, Lille, France

INTRODUCTION

L’analyse des sources d’incertitudes, ou plus simplement, la compréhension de phénomènes physiques rencontrés lors des mesures pratiquées en compatibilité électromagnétique (CEM), exige bien souvent la consultation de traités d’électromagnétisme. Cet article entre dans cette préoccupation en s’efforçant de réaliser une synthèse des connaissances empruntées à l’étude des antennes. Il faut savoir que les antennes interviennent en métrologie CEM en diverses occasions, notamment pour l’émission de champs forts lors des essais d’immunité, ou bien pour la mesure de champs faibles émanant d’un appareil électronique en fonctionnement. Nous devons préciser que la gamme de fréquences envisagée s’étend de 30 MHz à 1 GHz, qu’un champ électrique fort peut atteindre une amplitude de 1 V/m à 10 V/m ou plus, et qu’un champ faible se situe au voisinage de 100 µV/m.

L'article est divisé en trois parties bien distinctes, mais reliées par des propriétés physiques communes. Il aborde en tout premier lieu le concept de dipôle élémentaire. Le terme dipôle utilisé ici diffère toutefois de son équivalent de l’électrocinétique, car nous sommes confrontés au rayonnement d’un élément conducteur de dimension Δl et parcouru par un courant uniforme animé de variations d’amplitude sinusoïdales.

Cette première partie est principalement dédiée aux calculs des champs proches et des champs lointains agissant à une distance r du dipôle. L’investigation est ensuite étendue aux calculs d’autres paramètres pertinents parmi lesquels, figurent la puissance active transmise dans l’espace et l’entrée du concept de résistance de rayonnement.

La seconde partie entièrement consacrée aux antennes émettrices est plus particulièrement axée sur le dipôle symétrique composé de deux conducteurs de dimensions L0 accordés en quart d’onde. Nous verrons que ce fonctionnement, très utilisé en métrologie, procure à l’antenne symétrique des propriétés proches d’une ligne de transmission. L’assimilation aux lignes facilite grandement le calcul de la variation du courant sur les conducteurs, ainsi que la détermination du champ lointain. Il est également montré que le dipôle résonnant en quart d’onde possède pour autre caractéristique remarquable, une résistance de rayonnement de 73 Ω. D’autres paramètres propres à la métrologie CEM et aux antennes viennent ensuite compléter l’étude du dipôle symétrique, tels que l’impédance d’entrée, le gain en puissance, la surface effective et le facteur d’antenne. Il est bon de préciser que, dans cette seconde partie, l’analyse descriptive et physique des antennes, émettant ou recevant des signaux sur une large bande de fréquences, est brièvement exposée.

La troisième partie de l’article concerne surtout les antennes réceptrices soumises aux inductions de champs électromagnétiques, assimilés localement à une onde plane. Le calcul de la fem collectée sur une antenne de type monopôle, constituée d’un conducteur de dimension L0 et perpendiculaire à un plan métallique, est entrepris. Les développements font appel aux propriétés de réciprocité électromagnétique ainsi qu’à la théorie des images électriques. Il est montré que le monopôle ainsi configuré est strictement équivalent au dipôle symétrique étudié en seconde partie. Le calcul de la tension apparaissant sur une résistance de charge connectée à la base du monopôle est développé en étudiant attentivement l’influence de la longueur d’onde. On regarde successivement le monopôle accordé en quart d’onde, puis l’hypothèse basse fréquence, où la longueur d’onde dépasse très largement la dimension L0. L’analyse se poursuit par les calculs du transfert de puissance active, réalisé entre une antenne réceptrice et une charge, puis étendu à une source de signaux dotée d’une impédance interne et connectée à une antenne émettrice. Pour conclure cette troisième partie, la directivité des antennes est examinée sur la base d’un exemple illustrant la variabilité du rayonnement observée sur le dipôle symétrique stimulé par des résonances de rang élevé. La répartition de l’énergie électromagnétique dans l’espace se manifeste par de multiples lobes bien reflétés dans la fonction analytique relatant la directivité de l’antenne.

Les différentes sections composant chaque partie sont assorties d’exemples voués à l’exercice des ordres de grandeurs. Le lecteur trouvera également avantage à consulter l’article [E 1 020] consacré aux bases de l’électro-magnétisme, ainsi qu'à l'article [D 1 322] rapportant les principaux éléments de la théorie des lignes de transmission.

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DOI (Digital Object Identifier)

https://doi.org/10.51257/a-v1-r931


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2. Antennes émettrices

La métrologie sous champs rayonnés pratiquée lors des essais d’immunité ou lors des tests de susceptibilité décrits dans [R 932] demande l’usage d’antennes à larges bandes de fréquences. Généralement, on adopte des antennes disjointes couvrant deux (ou plusieurs) bandes de fréquences contigües. À titre d’exemple, une antenne va couvrir l’intervalle 30 MHz – 100 MHz, une seconde l’intervalle 100 MHz – 1 GHz, une troisième 1 GHz – 10 GHz. Chaque segment appartenant à l’une des trois décades implique une technologie spécifique d’antenne.

De 30 MHz à 100 MHz, on adopte des antennes biconiques, de 100 MHz à 1 GHz, des antennes log périodiques et de 1 GHz à 10 GHz des cornets large bande (double ridge horn). Les cornets à large bande de forme pyramidale comportent deux plans métalliques homogènes et deux plans latéraux constituant un réseau de pistes imprimées, deux lèvres conductrices solidaires des faces intérieures métalliques complètent le sommet de la pyramide. Cette disposition procure l’émission d’une onde portant un champ électrique polarisé normalement aux faces métalliques. L’émission reproduit des champs d’amplitude relativement uniforme dans la bande de fréquence nominale de ces antennes. L’analyse physique des cornets large bande échappant au concept de dipôle électrique élémentaire décrit au § 1, ne pourra être poursuivie...

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BIBLIOGRAPHIE

  • (1) - HERTZ (H.) -   Electric waves.  -  Translated by D.E. Jones, London Macmillan co (1893) and New York Dover (1962).

  • (2) - SCHELKUNOFF (S.A.), FRIJS (H.T.) -   Antenna theory and practice.  -  John Wiley and sons, Inc. (1942).

  • (3) - HARRINGTON (R.F.) -   Field computation by moments methods.  -  McMillan company (1968).

  • (4) - BRUHAT (G.) -   *  -  . – Thermodynamique : cours de physique générale, édition revue et augmentée par A. Kastler, Masson et Cie (1968).

  • (5) - COLLIN (R.E.), ZUCKER (F.J.) -   Antenna theory : Part 1 and Part 2.  -  McGraw Hill company (1969).

  • (6) - WEHR (M.R.), RICHARDS jr (J.A.), ADAIR III (T.W.) -   Physics of the atom.  -  Addison Wesley, ISBN 0-201-08878-9 (1984).

  • ...

1 Outils logiciels

Logiciels en accès libre

Numerical Electromagnetic Code (NEC), available on line :

http://www.nec2.org

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2 Événements

Colloque international en langue française sur la CEM, manifestation biennale

Prochaine édition, 10 au 13 Juillet 2016, Rennes

http://cem2016.sciencesconf.org/

EMC Europe International Symposia and Workshops on EMC, annual meeting. Next meeting, 5 – 9, September, 2016, Wrocław (Poland)

http://www.emceurope.eu/

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