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 à la figure 1. La ligne de transmission peut prendre la forme d'une ligne coaxiale ou d'un tube creux (guide d'ondes), utilisé pour 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 Chemin de transmission de l'énergie électromagnétique (source-ligne de transmission-antenne-espace libre)

La transmission du système d'antenne en mode de transmission de la figure 1 est représentée par l'équivalent de Thévenin, comme illustré à la figure 2. La source est représentée 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 la résistance de rayonnement de l'antenne, et la réactance XA représente la partie imaginaire de l'impédance liée au rayonnement de l'antenne. Dans des conditions idéales, toute l'énergie générée par la source du signal devrait être transférée à la résistance de rayonnement Rr, qui représente la capacité de rayonnement de l'antenne. Cependant, dans la pratique, des pertes conducteur-diélectrique sont dues aux caractéristiques de la ligne de transmission et de l'antenne, ainsi que des pertes dues à la réflexion (désadaptation) entre la ligne de transmission et l'antenne. En tenant compte de l'impédance interne de la source et en ignorant les pertes de ligne de transmission et de réflexion (désadaptation), la puissance maximale est fournie à l'antenne sous adaptation conjuguée.

Figure 2

En raison de la discordance entre la ligne de transmission et l'antenne, l'onde réfléchie par l'interface se superpose à l'onde incidente de la source à l'antenne pour former une onde stationnaire, qui représente la concentration et le stockage d'énergie et constitue un dispositif résonant typique. Un diagramme d'onde stationnaire typique est illustré par la ligne pointillée de la figure 2. Si le système d'antenne n'est pas correctement conçu, la ligne de transmission peut agir dans une large mesure comme un élément de stockage d'énergie, plutôt que comme un guide d'ondes et un dispositif de transmission d'énergie.
Les pertes causées par la ligne de transmission, l'antenne et les ondes stationnaires sont indésirables. Les pertes de ligne peuvent être minimisées en choisissant des lignes de transmission 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 le stockage d'énergie dans la ligne peut être minimisé en adaptant l'impédance de l'antenne (charge) à l'impédance caractéristique de la ligne.
Dans les systèmes sans fil, outre la réception ou la transmission d'énergie, les antennes sont généralement nécessaires pour amplifier l'énergie rayonnée dans certaines directions et la supprimer dans d'autres. Par conséquent, outre les dispositifs de détection, les antennes doivent également être utilisées comme dispositifs directionnels. Les antennes peuvent prendre diverses formes pour répondre à des besoins spécifiques : fil, ouverture, patch, assemblage d'éléments (réseau), réflecteur, lentille, etc.

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

2. Classification des antennes
1. Antenne filaire
Les antennes filaires sont parmi les plus courantes, car on les trouve presque partout : voitures, bâtiments, bateaux, avions, engins spatiaux, etc. Il existe différentes formes d'antennes filaires, comme les antennes dipôles, les antennes-cadres et les antennes-spirales, comme illustré à la figure 3. Les antennes-cadres 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 croissant en raison de la demande croissante d'antennes plus complexes et de l'utilisation de fréquences plus élevées. Certaines formes d'antennes à ouverture (antennes pyramidales, coniques et rectangulaires) sont présentées à la figure 4. Ce type d'antenne est très utile pour les applications aéronautiques et spatiales, car elles peuvent être facilement montées sur la coque extérieure de l'aéronef ou du vaisseau spatial. De plus, elles peuvent être recouvertes d'une couche de matériau diélectrique pour les protéger des environnements difficiles.

Figure 4

3. Antenne microruban
Les antennes microruban sont devenues très populaires dans les années 1970, principalement pour les applications satellitaires. Elles sont constituées d'un substrat diélectrique et d'une plaque métallique. Cette plaque métallique peut prendre de nombreuses formes, l'antenne rectangulaire illustrée à la figure 5 étant la plus courante. Les antennes microruban sont discrètes, adaptées aux surfaces planes et non planes, simples et peu coûteuses à fabriquer, très robustes lorsqu'elles sont montées sur des surfaces rigides et compatibles avec les circuits MMIC. Elles peuvent être montées sur la surface d'avions, d'engins spatiaux, de satellites, de missiles, de voitures et même d'appareils mobiles, et leur conception est conforme.

Figure 5

4. Antenne réseau
Les caractéristiques de rayonnement requises par de nombreuses applications ne peuvent pas être obtenues par un seul élément d'antenne. Les réseaux d'antennes peuvent produire le rayonnement des éléments synthétisés pour produire un rayonnement maximal dans une ou plusieurs directions spécifiques. Un exemple typique est illustré à la figure 6.

Figure 6

5. Antenne réflectrice
Le succès de l'exploration spatiale a également conduit au développement rapide de la théorie des antennes. La nécessité de communications ultra-longue distance nécessite l'utilisation d'antennes à gain extrêmement élevé pour transmettre et recevoir des signaux à des millions de kilomètres. Dans cette application, une forme d'antenne courante est l'antenne parabolique illustrée à la figure 7. Ce type d'antenne a un diamètre de 305 mètres ou plus, une taille aussi importante étant nécessaire pour obtenir le gain élevé requis pour transmettre ou recevoir des signaux à des millions de kilomètres. Un autre type de réflecteur est le réflecteur d'angle, illustré à la figure 7 (c).

Figure 7

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