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RAYONNEMENT
INTRODUCTION
Pour pouvoir utiliser efficacement le spectre des ondes
kilométriques, il faut une connaissance aussi précise que
possible des caractéristiques et des performances des antennes
équidirectives et directives. Par conséquent, les ingénieurs
responsables de la planification nationale et de la coordination
internationale doivent disposer d'une méthode unifiée de calcul
du gain et d'établissement des diagrammes de rayonnement
des antennes. Aujourd'hui, grâce aux théories modernes sur les
antennes et aux puissants outils informatiques, l'ingénieur
chargé de la planification peut calculer les caractéristiques des
antennes avec une précision bien meilleure.
1/Caractéristiques de rayonnement
Pour prendre en compte des performances de l’antenne d’un
point de vue des champs rayonnés on utilise :
» la fonction caractéristique
» le diagramme de rayonnement
» la directivité
» le gain
» l’ouverture
» la surface équivalente
Le champ E, rayonné à grande distance r , dans la direction u,
par une antenne s’exprime en fonction de la caractéristique
vectorielle du rayonnement F, liée à la structure de l’antenne.
Ce champ décroît comme l’inverse de la distance r . En régime
harmonique cela s’écrit:
À grande distance et dans le vide ou dans l’air en première
approximation qui sont les seuls cas pratiques que nous
considérerons, les antennes émettent alors une onde plane,
donc
2/Diagramme de rayonnement
Le diagramme de rayonnement d’une antenne indique la façon
dont l’antenne répartit son rayonnement dans l’espace
environnant. On peut en donner la définition suivante : c’est le
lieu géométrique des points où l’intensité du champ électrique
est le même.
Le diagramme de rayonnement (que nous noterons DDR) est
donc tridimensionnel ; pour des raisons de commodité, on
représente généralement l’intersection du diagramme avec :
-Un plan passant par l’antenne ;
-Un plan perpendiculaire au milieu de l’antenne.
3/Différentes types d’antennes
On va voir les grandes familles d’antennes à l’origine de
l’ensemble des structures rayonnantes :
• les antennes filaires (dipôle, monopôle, Yagi)
• les antennes à fentes (demi ou quart d’onde)
• les antennes patchs (planaires)
• les antennes à ouverture (cornet)
•
les antennes à réflecteurs (paraboles)
4/Equations de Maxwell
Dans le cas de milieux homogènes et isotropes on obtient les
équations suivantes:

b   h
h
rot e   
t

div d   q
e
rot h   e  
t
c

d   e
ic   e

div b  0
Les sources peuvent présenter
surfaciques ou même volumiques.
des
densités
linéiques,
On considère deux domaines distincts de résolution de ces
équations : en présence de charges et courants ou hors de toute
charge ou courant.
Les sources peuvent présenter
surfaciques ou même volumiques.
des
densités
linéiques,
On considère deux domaines distincts de résolution de ces
équations : en présence de charges et courants ou hors de toute
charge ou courant.
A/Les antennes filaires
Par définition, la catégorie des antennes filaires regroupe
l’ensemble des antennes formées d’une structure de câble
conducteur de diamètre faible où l’on considérera des densités
linéiques de courant.
La résolution en présence de charges et courants permet de
déterminer le champ produit par une répartition linéique,
surfacique ou volumique de charges et courants (ce qui conduit
au diagramme de rayonnement de l’antenne).
Le second type de résolution permet de calculer les ondes
électromagnétiques propagées en espace libre.
Dipôles
Le dipôle est une antenne filaire composé de deux brins
conducteurs écartés en directions opposés. L’alimentation est le
plus souvent présentée au centre de la structure ce qui donne
un système symétrique.
Le dipôle est une antenne filaire composé de deux brins
conducteurs écartés en directions opposés. L’alimentation est le
plus souvent présentée au centre de la structure ce qui donne
un système symétrique.
FONCTION CARACTERISTIQUE DU DIPOLE
r
F ( ,  ) 
 E  ,  
60 I
On peut calculer le champ rayonné comme la somme des
contributions de doublets élémentaires parcourus par une
intensité I(z)
a) LE DIPOLE DEMI-ONDE
La forme la plus simple de dipôle résonant est une antenne de
taille totale l/2, autrement appelée dipôle demi-onde.

cos( cos  )
2
F   
sin 
Diagramme de rayonnement du dipôle
demi-onde
Rayonnement du dipôle
• Le dipôle c’est une antenne simple à réaliser et peu
encombrante
• elle rayonne de manière omnidirectionnelle dans un plan
horizontal
• elle rayonne peu d’énergie dans la direction de son axe
• son diagramme de directivité est bien adapté à la
couverture d’un territoire θ élévation et dans le plan
horizontal
• Si on rallonge le dipôle, son diagramme de directivité
devient plus complexe avec un nombre de lobes plus
important.
b) LE MONOPOLE
CARACTERISTIQUES DU MONOPOLE
-Le monopole rayonne dans un demi-espace
-son gain est supérieur à 3dB
Diagramme de rayonnement
b) L’ANTENNE YAGI
L'antenne Yagi ou antenne Yagi-Uda est une antenne à
éléments parasites utilisable des HF aux UHF. Beaucoup plus
élaborée qu’une simple antenne dipôle, elle se distingue de
celle-ci par l’adjonction de brins supplémentaires disposés de
part et d’autres du dipôle original. Il faut savoir que, plus
l’antenne ne possède de brins directeurs, plus l’antenne n’est
directive.
Caractéristiques
Le brin réflecteur
Etant placé à une distance λ/4 du dipôle, ce brin se trouve
excité par l’onde rayonnée par l’émetteur, avec un décalage égal
à λ/4, par rapport au dipôle ayant capté celui-ci. Devenant alors
le siège d’une oscillation induite, il se met alors à rayonner à
son tour après avoir toutefois accepté le signal réémis vers le
dipôle d’un déphasage égal à λ/2, inhérent à toute réflexion.
On a ainsi une augmentation de l’énergie captée par le dipôle
origine, qui va se traduire par une amélioration du gain de
l’antenne. Dans le même temps, le diagramme de rayonnement
se trouve ainsi plus marqué vers l’avant, entraînant donc une
sensible amélioration du rapport avant/arrière qui, de 0 dB
(sans réflecteur) passe à environ +11 dB avec celui-ci.
Les brins directeurs
Ils sont placés en avant du dipôle et leur comportement est «
similaire » à celui du réflecteur, leur rôle étant d’améliorer la
directivité de l’antenne et donc d’augmenter l’énergie captée
par le dipôle.
Ils additionnent leurs rayonnements respectifs, qu’ils
communiquent en phase au dipôle, avec l’onde captée
directement. La différence fondamentale réside dans la taille du
dipôle directeur qui est plus petite que celle du dipôle
rayonnant.
L’adjonction de brins réflecteurs et directeurs au dipôle de base
s’accompagne d’un phénomène secondaire non négligeable : la
diminution de l’impédance de l’antenne.
Diagramme de rayonnement antenne yagi
Diagramme de rayonnement
horizontal du dipôle élémentaire
vertical
et
Les deux figures illustrent le diagramme de rayonnement
d’un dipôle élémentaire dans le plan vertical et horizontal.
Effet du sol sur le diagramme de rayonnement
d’une antenne d’émission
Le sol peut généralement être considéré comme un bon
conducteur. La surface réfléchissante ne correspond pas tout
à fait au niveau du sol mais plutôt à la nappe phréatique
(nappe d’eau située dans le sol, qui contient beaucoup d’ions
en suspension).
Lorsque l’antenne d’émission est proche du sol, à une
hauteur H : l’onde peut aller directement de l’antenne au
point P avec un déphasage dû aux deux phénomènes
suivants :
*à la différence des trajets, chaque  de différence se
traduisant par un déphasage de 360° ;
*au déphasage éventuel lors de la réflexion.
Si le déphasage entre l’onde directe et l’onde réfléchie est
proche de 0° ou de 360°, les ondes se renforcent
mutuellement ; mais si le déphasage est proche de 180°, la
présence de l’onde réfléchie diminue le signal reçu.
Trajet de l’onde directe et réfléchie par le
sol
Pour calculer l’effet du sol, on introduit souvent un concept
tiré de l’optique : la notion d’image virtuelle. On constate
que, pour le rayon réfléchi, tout se passe comme s’il
provenait non pas de l’antenne réelle, mais d’une antenne
virtuelle, située symétriquement à l’antenne réelle par
rapport à la surface réfléchissante.
B/parabole
1/Antenne réflecteur
On utilise un réflecteur pour concentrer l’énergie vers une
antenne élémentaire placée au foyer.
Grâce à l’antenne virtuelle, nous pouvons remplacer le
problème d’une antenne au voisinage du sol par un
problème de deux antennes loin du sol. Il suffit de calculer la
somme vectorielle des champs émis par les deux antennes.
• Gain élevé lié au Diamètre du réflecteur
• Très directive
Par analogie:
Considérons une ampoule de lampe de poche ; si son
filament est parcouru par un courant, elle émet dans tout
l’espace environnant de la lumière, c'est-à-dire des ondes
électromagnétiques. En plaçant un réflecteur parabolique
autour de l’ampoule, le rayonnement sera concentré dans
une certaine direction.
2/SYSTEME A DOUBLE REFLECTEUR
(Antenne Casse grain)
C/ les antennes à ouverture (cornet)
-Très directive
-Gain élevé
CONCLUSION
Le type d’antenne à utiliser, tant en émission qu’en réception,
dépend de la fréquence à laquelle on travaille. En générale,
les dimensions d’une antenne sont de l’ordre de grandeur de
la longueur d’onde du signal émis ou capté. La position de
l’antenne par rapport au sol influence son diagramme de
rayonnement. Il est important de respecter l’adaptation des
impédances de l’émetteur (ou du récepteur), de la ligne de
transmission et de l’antenne.