L`Antenne, est ce si simple

L’Antenne, est-ce si simple ?
Par ON4NY
Les antennes ont toujours été la cause de conversations entre radioamateurs, mais parfois bien de
préconceptions erronées sont à la base de raisonnements souvent incorrects. Je vais m’essayer à la tâche de
la vulgarisation sans introduire de lourds concepts mathématiques, en espérant aider certains OM à mieux
appréhender les secrets de la radio. De nombreux livres ont été écrits sur le sujets, dont certains sont
excellents, et je ne peux que vous recommander leur lecture au fil de vos interrogations.
Qu’est-ce qu’une antenne ?
Est-ce un bout de fil le plus court possible ?
Est-ce un bout de fil le plus long possible ?
Est-ce un bout de fil de longueur bien déterminée chargé de rayonner l’énergie HF que l’émetteur lui
fourni ? Est-ce un ensemble de tubes métalliques ? Un brin rayonnant ?
Introduction
Je vais essayer d’expliquer aussi simplement que possible les notions théoriques qui sous-tendent le
fonctionnement d’une antenne et de sa ligne d’alimentation, de son adaptation de à l’émetteur-récepteur et
la notion d’ondes stationnaires et de taux d’ondes stationnaires (TOS, SWR).
Prenons un fil d’une longueur quelconque tendu dans l’espace, fixé à l’une de ses extrémités par un
isolateur et dont l’autre extrémité est connectée à un émetteur ou à un récepteur.
Dans le cas de l’émission, l’émetteur délivre une certaine puissance HF dans le fil.
La puissance P étant le produit de la tension V par le courant I, le fil sera donc parcouru par un courant à
haute fréquence. Ce courant se propage dans notre fil conducteur « antenne » depuis la source S jusqu’à
l’extrémité E où se trouve l’isolateur. Le fil étant isolé à ce point, le courant ne peut pas aller plus loin et son
intensité tombe donc à zéro en ce point. (On peut faire l’analogie avec une corde vibrante fixée par une
extrémité et excitée par l’autre : l’amplitude est nulle au point de fixation).
Le minimum de courant se trouve donc toujours aux extrémités isolées de l’antenne.
Fig.1
En partant de l’isolateur vers la source et si la longueur du fil est de plusieurs fois la longueur d’onde
d’émission, nous trouvons plusieurs points où le courant sera minimum. La courbe sinusoïdale de la fig.1
nous indique la variation de l’intensité du courant le long de notre antenne. Le minimum de courant se
produit toute les demi longueur d’onde.
Il est important de visualiser cette répartition du courant le long de notre fil d’antenne pour pouvoir en
étudier le fonctionnement ainsi que celui de la ligne d’alimentation.
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L’antenne est un circuit oscillant
Pour comprendre le fonctionnement d’une antenne, il faut garder à l’esprit qu’elle est fondamentalement un
circuit oscillant et que notre fil se comporte donc comme une résistance, une self et une capacité placées en
série.
Les caractéristiques de ce circuit oscillant sont d’avoir une fréquence de résonance propre à laquelle le
circuit emmagasine le maximum d’énergie. Les pertes sont dues presque entièrement à la résistance
ohmique R, la réactance L et la capacitance C se compensant l’une l’autre à la résonance. Le système se
comporte donc à la résonance comme une résistance pure, les termes réactifs de la self et de la capacité étant
égaux mais de signe opposé, s’annulant donc.
Fig.3
L’antenne a donc, par analogie, une fréquence de résonance propre déterminée par la longueur du fil.
Lorsqu’on l’excite par un courant de cette fréquence, elle emmagasine l’énergie et peut la rayonner dans le
cas d’une antenne d’émission, ou la transmettre au récepteur dans le cas d’une antenne de réception, et dans
les deux cas avec un minimum de pertes. Pour cette fréquence de résonance, l’antenne se comporte comme
une résistance pure.
Continuons notre explication en considérant une antenne dont la longueur est la moitié de la longueur
d’onde du courant haute fréquence qui l’excite (ou qui la parcours, si vous préférez).
On constate (fig.1) que le courant est minimum aux deux extrémités et maximum au centre, donc en λ / 4 .
Pour qu’un courant circule dans l’antenne, il faut lui fournir une certaine puissance HF, ce que l’on fait par
le biais d’une ligne d’alimentation entre la source (notre émetteur) et le point d’alimentation de l’antenne.
Comment cela se passe-t-il ? La puissance fournie à l’antenne est le produit d’une tension V par le courant I.
N’importe quelle tension, ? N’importe quel courant ? Bien sûr que non car il y a une relation entre ce
courant et cette tension, donnée par la loi d’Ohm. Cette relation entre le courant et la tension dépendra de
l’impédance de l’antenne au point d’alimentation.
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•
Si nous alimentons l’antenne demi onde en son centre, nous savons qu’en ce point il existe un ventre
de courant.
La valeur du courant y est donc importante et la valeur de la tension y est par conséquent faible,
pour satisfaire la loi d’ohm. L’impédance de l’antenne en ce point, égale au quotient de la tension
par le courant, sera donc très faible. La source de courant HF en ce point devra donc fournir un
courant élevé sous une tension faible.
•
Si nous alimentons l’antenne demi onde par une extrémité, nous savons qu’il existe en ce point un
nœud de courant, le courant y est donc faible et l’impédance très grande. La source de courant HF
devra donc fournir une tension élevée sous une faible intensité.
•
Si nous alimentons notre antenne raisonnante par un point situé entre ces deux extrémités, par
exemple situé au tiers de la longueur, l’impédance de l’antenne aura une valeur moyenne et la source
HF devra fournir un courant et une tension de valeurs moyennes.
A la fréquence de résonance de l’antenne, les termes réactifs dus à L et à C, donc l’inductance et la
capacitance, s’annulent et l’impédance de notre antenne résonante est alors équivalente à une résistance
pure. L’antenne peut alors être branchée aux bornes d’un émetteur ou d’un récepteur sans provoquer le
moindre désaccord du circuit.
Prenons un exemple numérique pour éclairer tout ceci et profitons-en pour introduire la notion d’impédance
de la ligne d’alimentation. Je rappelle la question : la puissance fournie à l’antenne sous n’importe quel
courant ? sous n’importe quel tension ?
L’antenne rayonne – résistance de rayonnement
Une résistance ohmique est un élément purement dissipatif dans lequel l’énergie électrique est convertie en
chaleur. Les radioamateurs savent que l’antenne est un élément dissipatif dans lequel la puissance HF
« disparaît ». Nous savons aussi que ce n’est pas sous forme de chaleur mais bien que cette énergie est
« propagée » hors du fil. Cette résistance « ohmique » « non dissipative de chaleur » de l’antenne est
appelée « résistance de rayonnement » et s’exprime également en Ohm.
Donc, les seuls éléments qui consomment une puissance électrique sont la résistance ohmique qui
transforme l’énergie électrique en chaleur et la résistance de rayonnement qui transforme l’énergie
électrique HF en rayonnement.
Ligne d’alimentation et impédance
Le but de la ligne d’alimentation est de transporter la puissance HF de l’émetteur à l’antenne ou vice-versa.
Supposons que notre émetteur produise une puissance de 100 watts HF que nous voulons dissiper dans notre
antenne résonnante.
La puissance électrique P est le produit de la tension V par le courant I :
P = V.I
Cette puissance de 100 watt peut donc être produite par :
une tension de 100 V et un courant de 1 A,
ou une tension de 50 V et un courant de 2 A,
ou encore une tension de 33,33 V et un courant de 3 A etc.
Toutes ces combinaisons aboutissent à une puissance de 100 Watt.
Mais n’y a-t-il pas des combinaisons favorites ?
La réponse est oui.
L’expérience nous montre qu’ il existe une combinaison « favorite » qui sera dictée par l’impédance de la
ligne de transport.
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Un câble coaxial de 50 Ohm ne pourra transporter une puissance HF que si le rapport de la tension V et du
courant I est égal à 50 Ohm, comme,nous le donne la loi d’Ohm :
V = R. I et donc R = V / I.
Cette ligne de 50 Ohm ne transportera donc pas une puissance HF de 100 watt sous 100 V et 1 A car 100/1
= 100 Ohm, ni non plus sous 50 V et 2 A puisque 50 / 2 = 25 Ohm etc…
La ligne de 50 Ohm ne pourra transporter une puissance de 100 Watt que sous les seules valeurs de V
= 70.7 V et I = 1,4 A.
Ces deux valeurs sont les seules à vérifier simultanément les deux équations :
Et
V.I = 100 W
V / I = 50 Ohm
(Exprimer une des variables en fonction de l’autre dans la 1ère équation et remplacer dans la seconde)
Que se passe-t-il à la fin de la ligne de transport, lorsqu’elle se connecte à notre antenne ?
Nous nous attendons à ce que la puissance de 100 W soit dissipée par l’antenne sous forme de rayonnement.
Puisque la ligne d’alimentation fourni une tension V = 70.7 V sous un courant I=1.4A, l’antenne est
supposée accepter ces valeurs sous le même rapport. Cela veut donc dire que l’impédance de l’antenne doit
être de 50 Ohm au point d’alimentation.
Que se passe-t-il si l’impédance au point d’alimentation de l’antenne n’est pas égale à l’impédance de la
ligne d’alimentation ?
C’est ce que nous verrons dans la suite de cet article.
Patrick Mertens
Master of Sciences
ON4NY
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