1. Introduction aux antennes
Une antenne est une structure de transition entre l'espace libre et une ligne de transmission, comme le montre la figure 1. La ligne de transmission peut se présenter sous la forme d'une ligne coaxiale ou d'un tube creux (guide d'ondes), qui est utilisé pour transmettre l'énergie électromagnétique d'une source. vers une antenne, ou d'une antenne vers un récepteur. La première est une antenne émettrice et la seconde est une antenne réceptrice.
Figure 1 Chemin de transmission de l'énergie électromagnétique (espace libre de la ligne de transmission source-antenne)
La transmission du système d'antennes dans le mode de transmission de la figure 1 est représentée par l'équivalent de Thévenin comme le montre la figure 2, où la source est représentée par un générateur de signal idéal, la ligne de transmission est représentée par une ligne d'impédance caractéristique Zc, et l'antenne est représentée par une charge ZA [ZA = (RL + Rr) + jXA]. La résistance de charge RL représente les pertes de conduction et diélectriques associées à la structure de l'antenne, tandis que Rr représente la résistance au rayonnement de l'antenne et la réactance XA est utilisée pour représenter 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 doit être transférée à la résistance au rayonnement Rr, qui est utilisée pour représenter la capacité de rayonnement de l'antenne. Cependant, dans les applications pratiques, il existe des pertes conducteur-diélectrique dues aux caractéristiques de la ligne de transmission et de l'antenne, ainsi que des pertes causées par la réflexion (désadaptation) entre la ligne de transmission et l'antenne. Compte tenu 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 modèle typique d'onde stationnaire est représenté par la ligne pointillée sur la figure 2. Si le système d'antenne n'est pas conçu correctement, 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 ne sont pas souhaitables. Les pertes de ligne peuvent être minimisées en sélectionnant des lignes de transmission à faibles pertes, tandis que les pertes d'antenne peuvent être réduites en réduisant 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 faisant correspondre l'impédance de l'antenne (charge) avec l'impédance caractéristique de la ligne.
Dans les systèmes sans fil, en plus de recevoir ou de transmettre de l'énergie, les antennes sont généralement nécessaires pour améliorer l'énergie rayonnée dans certaines directions et supprimer l'énergie rayonnée dans d'autres directions. Par conséquent, en plus des dispositifs de détection, les antennes doivent également être utilisées comme dispositifs directionnels. Les antennes peuvent se présenter sous diverses formes pour répondre à des besoins spécifiques. Il peut s'agir d'un fil, d'une ouverture, d'un patch, d'un ensemble d'éléments (matrice), d'un réflecteur, d'une 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 les performances globales du système. Un exemple classique est celui de la télévision, où la réception des émissions peut être améliorée grâce à l’utilisation d’antennes performantes. 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 l'un des types d'antennes les plus courants car on les trouve presque partout : voitures, bâtiments, navires, avions, engins spatiaux, etc. Il existe différentes formes d'antennes filaires, telles que les antennes en ligne droite (dipôle), en boucle, en spirale, comme le montre la figure 3. Les antennes-cadres ne doivent pas seulement être circulaires. Ils peuvent être rectangulaires, carrés, 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 plus important en raison de la demande croissante de formes d'antennes plus complexes et de l'utilisation de fréquences plus élevées. Certaines formes d'antennes à ouverture (antennes cornet pyramidales, coniques et rectangulaires) sont illustrées à la figure 4. Ce type d'antenne est très utile pour les applications aéronautiques et spatiales car elles peuvent être très facilement montées sur la coque extérieure de l'avion ou de l'engin spatial. De plus, ils peuvent être recouverts 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. L'antenne est constituée d'un substrat diélectrique et d'une plaque métallique. Le patch métallique peut avoir de nombreuses formes différentes, et l'antenne patch rectangulaire illustrée à la figure 5 est la plus courante. Les antennes microruban ont un profil bas, conviennent aux surfaces planes et non planes, sont simples et peu coûteuses à fabriquer, présentent une robustesse élevée lorsqu'elles sont montées sur des surfaces rigides et sont compatibles avec les conceptions MMIC. Ils peuvent être montés à la surface d’avions, d’engins spatiaux, de satellites, de missiles, de voitures et même d’appareils mobiles et peuvent être conçus de manière conforme.
Figure 5
4. Antenne réseau
Les caractéristiques de rayonnement requises par de nombreuses applications peuvent ne pas être obtenues par un seul élément d'antenne. Les réseaux d'antennes peuvent faire en sorte que le rayonnement des éléments synthétisés produise 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. En raison de la nécessité de communications à très longue distance, des antennes à gain extrêmement élevé doivent être utilisées 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, et une taille aussi grande est nécessaire pour obtenir le gain élevé requis pour transmettre ou recevoir des signaux de millions de mètres. à des kilomètres. Une autre forme de réflecteur est un réflecteur d'angle, comme le montre la figure 7 (c).
Figure 7
6. Antennes à lentille
Les lentilles sont principalement utilisées pour collimater l’énergie incidente diffusée afin d’éviter qu’elle ne se propage dans des directions de rayonnement indésirables. En modifiant de manière appropriée la géométrie de la lentille et en choisissant le bon matériau, ils peuvent convertir diverses formes d'énergie divergente en ondes planes. Ils peuvent être utilisés dans la plupart des applications comme les antennes à réflecteur parabolique, en particulier à des fréquences plus élevées, et leur taille et leur poids deviennent très importants aux fréquences plus basses. Les antennes à lentille sont classées en fonction de leurs matériaux de construction ou de leurs formes géométriques, dont certaines sont illustrées à la figure 8.
Figure 8
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Heure de publication : 19 juillet 2024
