Actualités - Introduction et classification de quelques antennes courantes

1. Introduction aux antennes
Une antenne est une structure de transition entre l'espace libre et une ligne de transmission, comme illustré sur la figure 1. Cette ligne de transmission peut être coaxiale ou constituée d'un tube creux (guide d'ondes). Elle sert à transmettre l'énergie électromagnétique d'une source à une antenne, ou d'une antenne à un récepteur. La première est une antenne émettrice, la seconde une antenne réceptrice.

Figure 1 Trajet de transmission de l'énergie électromagnétique (source-ligne de transmission-antenne-espace libre)

La transmission du système d'antenne en mode transmission (Figure 1) est représentée par l'équivalent de Thévenin (Figure 2). La source est modélisée par un générateur de signal idéal, la ligne de transmission par une ligne d'impédance caractéristique Zc et l'antenne par une charge ZA [ZA = (RL + Rr) + jXA]. La résistance de charge RL représente les pertes par conduction et diélectriques liées à la structure de l'antenne, tandis que Rr représente sa résistance de rayonnement. La réactance XA représente la partie imaginaire de l'impédance associée au rayonnement de l'antenne. Dans des conditions idéales, toute l'énergie générée par la source de signal est transférée à la résistance de rayonnement Rr, qui représente la capacité de rayonnement de l'antenne. Cependant, en pratique, des pertes par effet Joule apparaissent en raison des caractéristiques de la ligne de transmission et de l'antenne, ainsi que des pertes par réflexion (désadaptation d'impédance) entre la ligne de transmission et l'antenne. Compte tenu de l'impédance interne de la source et en ignorant les pertes de la ligne de transmission et de la réflexion (désadaptation), la puissance maximale est fournie à l'antenne en mode d'adaptation conjuguée.

Figure 2

En raison du désaccord d'impédance entre la ligne de transmission et l'antenne, l'onde réfléchie à l'interface se superpose à l'onde incidente provenant de la source pour former une onde stationnaire. Cette onde stationnaire représente la concentration et le stockage d'énergie et constitue un dispositif résonant typique. La figure 2 illustre un diagramme de rayonnement typique d'une onde stationnaire (ligne pointillée). Si le système d'antenne n'est pas correctement conçu, la ligne de transmission peut se comporter comme un élément de stockage d'énergie, au lieu de servir de guide d'ondes et de dispositif de transmission d'énergie.
Les pertes dues à la ligne de transmission, à l'antenne et aux ondes stationnaires sont indésirables. Les pertes en ligne peuvent être minimisées en choisissant des lignes à faibles pertes, tandis que les pertes d'antenne peuvent être réduites en diminuant la résistance de perte représentée par RL sur la figure 2. Les ondes stationnaires peuvent être réduites et l'énergie stockée dans la ligne minimisée en adaptant l'impédance de l'antenne (charge) à l'impédance caractéristique de la ligne.
Dans les systèmes sans fil, outre la réception et la transmission d'énergie, les antennes sont généralement nécessaires pour amplifier l'énergie rayonnée dans certaines directions et l'atténuer dans d'autres. Par conséquent, en plus de leur fonction de détection, les antennes doivent également servir de dispositifs directionnels. Elles peuvent prendre diverses formes pour répondre à des besoins spécifiques : fil, antenne diaphragme, antenne patch, réseau d'éléments, réflecteur, lentille, etc.

Dans les systèmes de communication sans fil, les antennes constituent l'un des composants les plus critiques. Une conception d'antenne optimisée permet de réduire les exigences du système et d'améliorer ses performances globales. La télévision en est un exemple classique : la réception des émissions est améliorée grâce à l'utilisation d'antennes hautes performances. Les antennes sont aux systèmes de communication ce que les yeux sont à l'être humain.

2. Classification des antennes
1. Antenne filaire
Les antennes filaires sont parmi les plus répandues, car on les trouve presque partout : voitures, bâtiments, navires, avions, engins spatiaux, etc. Elles se présentent sous différentes formes, comme les antennes linéaires (dipôles), les antennes en boucle ou en spirale, comme illustré sur la figure 3. Les antennes en boucle ne sont pas nécessairement circulaires ; elles peuvent être rectangulaires, carrées, ovales ou de toute autre forme. L’antenne circulaire est la plus courante en raison de sa structure simple.

Figure 3

2. Antennes à ouverture
Les antennes à ouverture jouent un rôle de plus en plus important en raison de la demande croissante d'antennes plus complexes et de l'utilisation de fréquences plus élevées. La figure 4 présente quelques exemples d'antennes à ouverture (antennes cornet pyramidales, coniques et rectangulaires). Ce type d'antenne est particulièrement adapté aux applications aéronautiques et spatiales, car il peut être facilement monté sur la coque extérieure de l'aéronef ou du vaisseau spatial. De plus, il est possible de les recouvrir d'une couche de matériau diélectrique afin de les protéger des environnements difficiles.

Figure 4

3. Antenne microruban
Les antennes microruban ont connu un essor considérable dans les années 1970, principalement pour les applications satellitaires. Elles se composent d'un substrat diélectrique et d'une pastille métallique. Cette pastille peut adopter diverses formes, la plus courante étant l'antenne rectangulaire illustrée à la figure 5. Les antennes microruban présentent un profil bas, conviennent aux surfaces planes et non planes, sont simples et peu coûteuses à fabriquer, offrent une grande robustesse lorsqu'elles sont montées sur des surfaces rigides et sont compatibles avec les circuits intégrés monolithiques (MMIC). Elles peuvent être installées sur des aéronefs, des engins spatiaux, des satellites, des missiles, des véhicules et même des appareils mobiles, et peuvent être conçues de manière conforme.

Figure 5

4. Antenne réseau
Les caractéristiques de rayonnement requises par de nombreuses applications ne peuvent être obtenues avec un seul élément d'antenne. Les réseaux d'antennes permettent de synthétiser le rayonnement des éléments afin de produire un rayonnement maximal dans une ou plusieurs directions spécifiques ; un exemple typique est présenté sur la figure 6.

Figure 6

5. Antenne réflectrice
Le succès de l'exploration spatiale a également entraîné un développement rapide de la théorie des antennes. La nécessité de communications à très longue distance exige l'utilisation d'antennes à gain extrêmement élevé pour transmettre et recevoir des signaux à des millions de kilomètres. Dans ce contexte, l'antenne parabolique illustrée à la figure 7 est une forme d'antenne courante. Ce type d'antenne possède un diamètre de 305 mètres ou plus, une taille importante étant indispensable pour atteindre le gain élevé requis pour la transmission et la réception de signaux à de telles distances. Un autre type de réflecteur est le réflecteur d'angle, comme illustré à la figure 7 (c).

Figure 7

6. Antennes à lentille
Les lentilles servent principalement à collimater l'énergie diffusée incidente afin d'empêcher sa propagation dans des directions de rayonnement indésirables. En modifiant judicieusement la géométrie de la lentille et en choisissant le matériau approprié, elles permettent de convertir différentes formes d'énergie divergente en ondes planes. Elles sont utilisées dans la plupart des applications, comme les antennes à réflecteur parabolique, notamment aux hautes fréquences, mais leur taille et leur poids deviennent très importants aux basses fréquences. Les antennes à lentille sont classées selon leurs matériaux de construction ou leurs formes géométriques ; certaines sont illustrées à la figure 8.