La directivité est un paramètre fondamental d'une antenne. Elle mesure la distribution du rayonnement d'une antenne directionnelle. Une antenne qui rayonne de manière égale dans toutes les directions a une directivité égale à 1 (ce qui équivaut à zéro décibel, -0 dB).
La fonction des coordonnées sphériques peut s'écrire sous la forme d'un diagramme de rayonnement normalisé :
[Équation 1]
Un diagramme de rayonnement normalisé a la même forme que le diagramme de rayonnement original. Le diagramme de rayonnement normalisé est réduit en magnitude de sorte que sa valeur maximale soit égale à 1 (la plus grande valeur correspond à l'équation [1] de « F »). Mathématiquement, la formule de la directivité (type « D ») s'écrit :
Cela peut paraître une équation directionnelle complexe. Cependant, les diagrammes de rayonnement des molécules sont essentiels. Le dénominateur représente la puissance moyenne rayonnée dans toutes les directions. L'équation exprime alors la puissance rayonnée maximale divisée par la puissance moyenne, ce qui donne la directivité de l'antenne.
Paradigme directionnel
Prenons comme exemple les deux équations suivantes pour le diagramme de rayonnement de deux antennes.
Antenne 1
Antenne 2
Ces diagrammes de rayonnement sont représentés sur la figure 1. Veuillez noter que le mode de rayonnement dépend uniquement de l'angle polaire θ. Le diagramme de rayonnement est indépendant de l'azimut (il reste inchangé). Le diagramme de rayonnement de la première antenne est moins directionnel que celui de la seconde. Par conséquent, on s'attend à ce que la directivité de la première antenne soit plus faible.
Figure 1. Diagramme de rayonnement d'une antenne. Possède-t-elle une directivité élevée ?
En utilisant la formule [1], on peut calculer que l'antenne a une directivité plus élevée. Pour vérifier votre compréhension, réfléchissez à la figure 1 et à la notion de directivité. Déterminez ensuite, sans effectuer de calculs, quelle antenne possède la directivité la plus élevée.
Résultats du calcul directionnel, utiliser la formule [1] :
Calcul de l'antenne directionnelle 1, 1,273 (1,05 dB).
Calcul de l'antenne directionnelle 2, 2,707 (4,32 dB).
Une directivité accrue signifie une antenne plus directionnelle. Ainsi, une antenne de réception 2 possède une puissance directionnelle de crête 2,707 fois supérieure à celle d'une antenne omnidirectionnelle. L'antenne 1 recevra 1,273 fois la puissance d'une antenne omnidirectionnelle. Les antennes omnidirectionnelles servent de référence, bien qu'il n'existe pas d'antennes isotropes.
Les antennes de téléphonie mobile doivent avoir une faible directivité car les signaux peuvent provenir de toutes les directions. À l'inverse, les antennes paraboliques ont une forte directivité. Une antenne parabolique reçoit les signaux d'une direction fixe. Par exemple, si vous installez une antenne parabolique pour la télévision par satellite, l'opérateur vous indiquera dans quelle direction la pointer afin qu'elle reçoive le signal souhaité.
Nous terminerons par une liste des types d'antennes et de leur directivité. Cela vous donnera une idée des directivités les plus courantes.
Type d'antenne Directivité typique Directivité typique [décibel] (dB)
Antenne dipôle courte 1,5 1,76
Antenne dipôle demi-onde 1,64 2,15
Antenne patch (microruban) 3,2-6,3 5-8
Antenne cornet 10-100 10-20
Antenne parabolique 10-10 000 10-40
Comme le montrent les données ci-dessus, la directivité des antennes varie considérablement. Il est donc important de comprendre ce paramètre pour choisir l'antenne la mieux adaptée à votre application. Si vous devez émettre ou recevoir de l'énergie provenant de plusieurs directions vers une seule, vous devez concevoir une antenne à faible directivité. Les autoradios, les téléphones portables et l'accès Internet sans fil pour ordinateurs sont des exemples d'applications nécessitant des antennes à faible directivité. À l'inverse, pour la télédétection ou le transfert d'énergie ciblé, une antenne hautement directionnelle est indispensable. Ces antennes optimisent le transfert d'énergie depuis la direction souhaitée et réduisent les signaux provenant de directions indésirables.
Supposons que nous souhaitions une antenne à faible directivité. Comment procéder ?
La règle générale de la théorie des antennes stipule qu'une antenne de petite taille électrique est nécessaire pour obtenir une faible directivité. Autrement dit, une antenne dont la taille totale est comprise entre 0,25 et 0,5 longueur d'onde minimise sa directivité. Les antennes dipôles demi-onde ou les antennes à fente demi-onde présentent généralement une directivité inférieure à 3 dB. Il s'agit de la plus faible directivité que l'on puisse obtenir en pratique.
En définitive, il est impossible de fabriquer des antennes plus petites qu'un quart de longueur d'onde sans en réduire l'efficacité et la bande passante. L'efficacité et la bande passante des antennes seront abordées dans les chapitres suivants.
Pour obtenir une antenne à forte directivité, il faut des antennes de différentes longueurs d'onde. C'est le cas des antennes paraboliques et des antennes cornet, qui présentent une forte directivité, notamment grâce à leur grande longueur d'onde.
Pourquoi ? En fin de compte, cela tient aux propriétés de la transformée de Fourier. La transformée de Fourier d'une impulsion courte donne un spectre large. Cette analogie n'est pas valable pour déterminer le diagramme de rayonnement d'une antenne. Ce diagramme peut être vu comme la transformée de Fourier de la distribution du courant ou de la tension le long de l'antenne. Par conséquent, les petites antennes ont des diagrammes de rayonnement larges (et une faible directivité). Les antennes présentant une distribution de tension ou de courant uniforme et étendue ont des diagrammes très directionnels (et une directivité élevée).
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Date de publication : 7 novembre 2023
