Solutions COM M U N I C A T I O N S R A D I O L’antenne, le composant de base Autrefois réservées aux applications professionnelles de télécoms, les antennes ont envahi notre quotidien, aussi bien dans les usines que dans les bureaux, dans la voiture ou à la maison. Les téléphones mobiles, les accès à internet sans fil, la télécommande des voitures et des portes de garage, les systèmes d’alarmes, elles sont partout. Leur fonctionnement repose sur une théorie relativement complexe. Satimo propose ici un article de vulgarisation, permettant d’appréhender les principales caractéristiques des antennes. D ans les transmissions “sans fil”, les informations circulent dans l’air dans un véhicule particulier appelé “onde électromagnétique”, qui se déplace à la vitesse de la lumière. Une telle onde, comme le suggère le nom, est formée de deux composantes : un champ électrique et un champ magnétique. Ces deux champs sont perpendiculaires à la direction de propagation, ils sont également perpendiculaires entre eux et leurs variations sont en phase. Ceci dit, l’onde électromagnétique est difficile à représenter. Pour simplifier, disons que c’est une L’essentiel variation de petites charges positives et Les antennes constituent négatives dans l’esun élément essentiel dans pace, oscillant en toute transmission radio. permanence à un La théorie de fonctionnerythme très élevé. On ment est complexe mais leur caractérise cette vacaractérisation est assez riation rapide par la simple. fréquence de l’onde, La directivité, le gain exprimée en mégaet la polarisation sont les hertz (MHz) ou en paramètres les plus importants. gigahertz (GHz). A titre d’exemple, les L’impédance est également téléphones mobiles à un aspect à considérer. 900 MHz travaillent 44 avec des ondes présentant neuf cents millions de changements de polarité par seconde. En plus d’osciller en chaque point de l’espace, les ondes se déplacent, à l’image d’une vague à la surface de l’eau, avec des hauts et des creux. La hauteur de la vague est appelée “amplitude” de l’onde. On appelle longueur d’onde (λ) la distance entre chaque haut. La longueur d’onde pour les communications radio va de quelques millimètres, voire quelques centimètres (ondes radio pour la téléphonie mobile) à quelques mètres (ondes radio pour la bande FM). Sachant que l’onde électromagnétique se déplace à la vitesse de la lumière, la relation entre la longueur d’onde λ et la fréquence f s’écrit très simplement : λ (en centimètres) = 30/ f (en gigahertz). Dernière propriété importante des ondes électromagnétiques hertziennes : la polarisation, un mot savant indiquant l’orientation de son champ électrique par rapport à l’orientation de l’antenne. La polarisation peut être soit linéaire (horizontale ou verticale) soit circulaire (ou elliptique). Pour que la réception devienne possible, l’antenne de réception doit avoir la même polarisation que l’antenne d’émission. Tout se passe dans l’antenne Les antennes assurent le passage d’un signal du milieu conduit (circuit filaire en amont de l’antenne) au milieu rayonné (aérien). Ces deux milieux n’ayant pas du tout les mêmes caractéristiques de propagation (on parle d’impédance), l’antenne agit comme un transformateur d’impédance. Si cette adaptation d’impédance n’est pas correctement réalisée, une partie du signal va faire demi-tour et cela se traduit par l’établissement d’une onde stationnaire (phénomène quantifié par le TOS, ou Taux d’Ondes Stationnaires). La plupart des antennes, des émetteurs et des récepteurs radio actuels présentent une impédance de 50 ohms. L’impédance des connecteurs et des antennes varie légèrement avec la fréquence. Si l’on doit travailler sur une bande de fréquence un peu étendue, on aura donc inévitablement des ondes stationnaires. On estime que la variation du TOS sur l’ensemble de la gamme ne doit pas excéder 1,5 :1, ce qui signifie qu’en pratique l’impédance de l’antenne doit être comprise entre 37,5 et 75 ohms. Suivant la dimension de l’antenne, la forme des fronts d’ondes rayonnés est différente. Imaginez que l’antenne res- MESURES 799 - NOVEMBRE 2007 - www.mesures.com Solutions Les antennes constituent le composant de base de toute transmission radio. Pour choisir l’antenne la mieux adaptée à son application, il faut prendre en compte trois paramètres essentiel : la directivité, le gain et la polarisation. semble à un petit caillou. Si vous jetez ce petit caillou dans l’eau, son impact à la surface de l’eau va créer une onde sphérique qui va se propager dans toutes les directions de l’espace ; on parle alors de petite antenne et le rayonnement est omnidirectionnel. Maintenant, si vous jetez en même temps une cinquantaine de petits cailloux dans l’eau, vous allez observer beaucoup d’éclaboussures, puis de nombreuses interférences, constructrices et destructrices, pour finalement observer un front d’ondes étroit allant dans une direction privilégiée. Cette image traduit le fonctionnement des grandes antennes : on les appelle antennes “directives” car elles concentrent l’énergie dans des directions particulières. A titre d’exemple, une parabole de 60 centimètres utilisée pour des transmissions à 12 GHz (qui correspond à une longueur d’onde de quelques centimètres, selon la formule “magique” vue précédemment) fait environ une vingtaine de longueurs d’onde et il s’agit bien entendu d’une “grande antenne” directive. A l’opposé, la petite antenne présente dans votre téléphone mobile, qui fonctionne à 900 MHz ou 1,8 GHz, n’est pas plus grande que la demi-longueur d’onde : il s’agit donc d’un rayonnement quasi omnidirectionnel. En résumé, les antennes sont des transformateurs d’impédances et, suivant leurs dimensions, des filtres d’ondes. Ou elles sont petites et alors l’onde est peu filtrée � ����� � La longueur d’onde (λ) est la distance entre chaque “crête” de l’onde. Dans le domaine des communications radio, elle peut s’étendre de quelques millimètres à quelques mètres. MESURES 799 - NOVEMBRE 2007 - www.mesures.com et le rayonnement résultant est omnidirectionnel, ou l’onde est fortement filtrée et le rayonnement résultant présente une forte directivité. Cependant, il existe parfois des antennes qui ne sont ni omnidirectionnelles, ni directives. On parle d’antennes semi-directives : c’est le cas, par exemple, des stations de relais de téléphonie que l’on voit sur les toits d’immeubles. Ces antennes sont plus grandes que larges, ce qui leur confère la particularité d’être omnidirectionnelles dans le plan horizontal et directives dans le plan vertical ; c’est tout à fait logique compte tenu de la volonté d’éclairer largement tous les boulevards environnants en évitant de perdre de l’énergie vers le ciel ou le sol. Quelques critères pour quantifier les ondes électromagnétiques ? Depuis 1986, Satimo fabrique de l’instrumentation de mesure pour les ingénieurs travaillant dans le monde des antennes et vend des équipements et des prestations permettant de matérialiser les ondes électromagnétiques rayonnées. Ces équipements mesurent le rendement de l’antenne (rapport entre l’énergie transmise dans l’air et l’énergie envoyée en amont du circuit), les caractéristiques spatiales de l’antenne (gain et directivité) et la qualité de l’information transmise grâce à une mesure de sensibilité. Reprenons une à une ces notions. Le rendement (η) est la plus facile d’entre elles. La source interne d’un appareil de communication émet une puissance Pi. Quant au système de mesure, après avoir intégré toute l’énergie rayonnée dans l’espace, il reçoit une puissance totale rayonnée Pr. Le rendement est alors le ratio η = Pr/Pi. Passons à la notion de gain. Pour une antenne omnidirectionnelle, l’énergie est distribuée équitablement dans toutes les directions de l’espace : par définition, une telle antenne présente un gain égal à 1. Considérons maintenant une antenne directionnelle. L’énergie est ici transmise dans une direction privilégiée. L’énergie dans cette direction est supérieure à ce qu’elle serait si l’antenne n’était pas directive du tout. Le gain est le rapport entre ces deux énergies. Typiquement, les antennes directives ont des gains de 20 à 40 dB, ce qui veut dire que le facteur de gain énergétique dans une direction donnée va d’un facteur 100 (20 dB) jusqu’à des facteurs de 10 000 (40 dB). ➜ 45 Solutions mais, grâce à des instruments de projection, il est possible de restituer les caractéristiques de l’antenne à grande distance. La directivité mesurée correspond alors à une sorte de signature spatiale de l’antenne. Enfin, l’outil de mesure est aussi capable de décoder le message transmis par l’antenne. La succession de uns et de zéros que constitue l’information est analysée à différents niveaux de puissance et dans différentes directions de l’espace. Pour certaines direc- ➜ La caractérisation de la directivité des antennes directionnelles demande quelques précautions. Pour les antennes directives, à l’image de tous ces cailloux qui tombent dans l’eau, les “éclaboussures” locales et les interférences sont le jeu des ondes lorsqu’elles sont proches de leurs antennes. Mais la pertinence du rayonnement n’est observée que très loin de l’antenne. Les scanners de mesure travaillent en zone proche et inspectent toutes les caractéristiques de l’antenne tions et/ou pour des niveaux de puissance trop faibles, les taux d’erreurs sur l’information deviennent trop élevés : on regarde alors le niveau de puissance et ce dernier traduit la sensibilité de l’appareil. En dessous de ce niveau, l’appareil fonctionne mal ou ne fonctionne plus du tout. Rien ne peut plus échapper à une bonne interprétation du fonctionnement des antennes. Philippe Garreau Satimo Différents types d’antennes Nous vous proposons ici un texte complémentaire sur les antennes, issu d’une documentation de Prosoft Technology. Celui-ci aborde la notion de directivité des antennes et présente rapidement les grandes familles d’antennes utilisables pour mettre en œuvre des applications radio. Le diagramme de rayonnement indique la manière dont l’énergie rayonnée par l’antenne se répartit dans les différentes directions. Par exemple, le diagramme de rayonnement d’une antenne omnidirectionnelle montre que l’énergie est répartie de façon uniforme dans toutes les directions. Le diagramme d’une antenne directionnelle montre que l’énergie est dirigée dans certaines directions privilégiées. En fait, le diagramme de rayonnement comporte trois dimensions. Quand vous regardez du dessus le diagramme de rayonnement d’une antenne omnidirectionnelle (vue “azimut”), celui-ci se présente sous la forme d’un cercle centré sur l’antenne. Si vous le regardez de côté, il a l’aspect d’un tore entourant l’antenne. Pour représenter ce diagramme, il est d’usage de prendre les points pour lesquels le signal est atténué de 3 dB par rapport au signal présent au niveau de l’antenne (ou, si l’on préfère, que l’intensité du signal est de moitié celle au niveau de l’antenne). condition à respecter, les polarisations doivent être identiques. L’antenne Whip (droite ou articulée) est l’antenne omnidirectionnelle la plus répandue (on la trouve notamment sur les téléphones mobiles). Pour un gain de 2dBi*, sa longueur est d’approximativement de 12,7 cm pour un modèle demilongueur d’onde ou 6,35 cm pour un modèle quart de longueur d’onde. La polarisation est linéaire, parallèle à la longueur de l’antenne. Egalement omnidirectionnelle, l’antenne colinéaire offre un gain supérieur de 4 à 10 dBi. Une telle antenne est constituée d’un empilement de plusieurs antennes linéaires, empilées les unes sur les autres. Plus il y a d’antennes élémentaires, plus le gain est élevé. L’antenne Yagi, que l’on connaît également sous l’appellation d’“antenne râteau” (pour la réception de la télévision terrestre), est composée d’un réseau d’éléments linéaires, parallèles les uns aux autres et fixés perpendiculairement sur un tube de métal. Le câble de l’équipement radio est connecté à l’élément situé au centre du tube : les autres éléments servent, selon leur position, à diriger (ceux qui sont situés entre la source d’émission et le centre du tube) ou réfléchir (ceux qui sont situés au-delà de l’élément central) l’énergie électromagnétique vers l’élément central. Cette configuration permet de réaliser une antenne directive, avec des gains élevés (15 à 24 dBi). Différentes polarisations sont possibles. L’antenne parabolique, très utilisée pour la réception de la télévision par satellite, se compose d’un réflecteur parabolique qui renvoie l’énergie reçue sur une petite antenne placée en face de lui. Les gains obtenus sont de l’ordre de 15 à 24 dBi. Différentes polarisations sont possibles. * Le “i” signifie isotrope. L’antenne isotrope est la représentation d’un point dans l’espace qui rayonne dans toutes les directions. Le gain d’une telle antenne est de 1 (ou 0 dBi). Whip et Yagi, les plus connues De multiples formes d’antennes peuvent être utilisées pour établir les communications radio. Typiquement, on utilisera une antenne omnidirectionnelle lorsqu’un équipement radio central doit communiquer avec plusieurs autres, ou lorsque cet équipement doit communiquer avec un autre, quel que soit l’endroit où il se trouve (cas d’un équipement mobile). Autre exemple type, une antenne directive sera utilisée dans les cas où l’on veut établir, sur des longues distances, des communications avec un équipement fixe. Les différents types d’antennes peuvent être mixés dans une même application : seule 46 Pour les antennes directionnelles (à droite), la puissance d’émission est concentrée dans une direction donnée. Le gain d’une telle antenne est le rapport entre la puissance émise dans cette direction et la puissance qui serait émise si cette antenne était ominidirectionnelle (à gauche). MESURES 799 - NOVEMBRE 2007 - www.mesures.com