CoursAntenneL3.pps

Ph. GOZLAN IUP GMI/RT Avignon 2007-2008
Plan du Cours
 Présentation des activités.
Mise en situation et généralités
Rappels Ondes Electromagnétiques
Propriétés et grandeurs caractéristiques
Compléments :
Bilan de liaison,
Dipôle l/2
Antenne patch
Quelques diagrammes en 3D
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3h
COURS: Connaissances générales sur les antennes
1h30
TD N°1: Série d’exercices sur les dipôles élémentaires,
antenne isotrope et portée d’un émetteur.
1h30
TD N°2: Série d’exercices sur les bilans de liaison
1h30
TD N°3: Réalisation et Simulation d’une antenne WIFI sur
logiciel MMANA
1h30
CONTRÔLE DE CONNAISSANCES : Sur l’ensemble des points
abordés en cours et TD.
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Les antennes au quotidien
GSM 900 MHz
DCS 1800 MHz
UMTS 2 GHz
Analogique 800 MHz
DECT ~1900 MHz
Radar anticollision ~80 GHz
Télépéage ~6 GHz
Ouverture à distance:
433 MHz-868MHz
Wifi/Bluetooth /UWB
2.4 à 6 GHz
TV terrestre
500 MHz
Systèmes satellites 1 à 45 GHz (Ex
: Télévision 12 GHz, GPS 1.5 GHz)
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« Ondes
Electromagnétiques
»
Emission/Réception
Lieu B
Lieu A
Câble de
liaison
Émetteur
Capteur
Porteuse
Modulée
Signal
modulant
Source
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Récepteur
Actionneur
Une antenne est donc l’interface entre:
Un milieu de propagation guidé (coaxial ou ligne bifilaire)
Un milieu de propagation libre( espace diélectrique).
Une antenne est un dipôle passif. Elle émet (ou reçoit)
des ondes électromagnétiques .
Une antenne se comporte comme un circuit résonnant.
Sa fréquence de résonance et la largeur de sa bande
passante dépendent en grande partie de ses
caractéristiques dimensionnelles et géométriques.
Une antenne rayonne de façon:
Directive, Omnidirectionnelle, Isotrope.
Bien que dipôle passif on admet qu’elle possède un
gain…(voir diagrammes de rayonnement).
Il existe des dizaines de types d’antennes,différenciées
par leur fonctionnement,leur géométrie, leur
technologie,…
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C diminue L=Cste
« Décharge
Première
approche simple pour rayonner de l’énergie
Alorsélectromagnétique
F augmente
oscillante »
C diminue encore
(L=Cste)
Alors F augmente la
capacité commence à
rayonner E
F 
Courant dans L charge
C (Inter fermé) et C
se décharge dans
L(inter ouvert)
1
2  LC
L diminue
F augmente
encore
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Première approche simple(2).
S
C  0  r
e
L réduit à sa plus simple
« expression »
(simple conducteur)
On diminue la
surface des
armatures de C à
la section du
brin(rayonnant)
L se met
Ce montage rayonne
deà
rayonner H
l’énergie
électromagnétique
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Une onde électromagnétique (OEM) est constituée:
d’un champ électrique
d’un champ magnétique
E
H
Qui se propagent dans une direction qui est celle
du vecteur de Poynting
S
Ces trois grandeurs sont complexes (régimes sinusoïdaux).
Dans le vide, ces deux champs sont orthogonaux
et perpendiculaires à la direction de propagation(champs transverses)
Représentation
en coordonnées
sphériques
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On définit la longueur d’onde l comme étant la période spatiale de l’OEM.
(Distance parcourue par l’onde pendant une période d’oscillation T)
c
l   cT
f
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Classement des ondes électromagnétiques radio selon leur longueur d’onde
Dénomination
Fréquence
longueur d’onde
Ondes Longues(GO)
30kHz à 300kHz
l de 10km à 1km
Ondes Moyennes(PO)
300kHz à 3MHz
l de 1km à 100m
Ondes Courtes
3MHz à 300MHz
l de 100m à 10m
Ondes Très Hautes
Fréquences(VHF)
30MHz à 300MHz
l de 10m à 1m
Ondes Ultra Hautes
Fréquences(UHF)
300MHz à 3GHz
l de 1m à 10cm
Ondes Supra Hautes
fréquences(SHF)
3GHz à 30GHz
l de 10cm à 1cm
Ondes Extra Hautes
Fréquences(EHF)
30GHz à 300GHz
l de 1cm à 1mm
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Quelques relations importantes.
A « grande distance » de l'antenne le rapport entre l'amplitude des
champs magnétique et électrique est constant. Il est
égal à l'impédance intrinsèque du milieu de propagation que l’on note
Z0 et est définie par la relation suivante:
Z0 
E
H



Z0 : Impédance intrinsèque du milieu de propagation en W
E : Amplitude du champ électrique en V/m
H : Amplitude du champ magnétique en At/m
 : Perméabilité absolue du milieu de propagation
 : Permitivité absolue du milieu de propagation
Si le milieu de propagation est le vide ou l'air on a : Z 0 
0
0
1
-12A.s/V.m=8,85pF/m
9 =8,85542.10
36 10
Z0=376,7W dans le vide
A.N: 0=4.10-7 V.s/A.m 0=
Cette impédance est à rapprocher de l’impédance caractéristique d’une ligne,
sauf que les ondes se propagent dans les trois directions dans l’espace.
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Polarisation d’une onde électromagnétique
La polarisation d’une onde Transverse Electromagnétique(TEM) est le type
de trajectoire que décrit l’extrémité du champ électrique, E,
au cours du temps dans le plan transverse(plan perpendiculaire au
vecteur de Poynting). Il existe trois types de polarisation:
Polarisation Linéaire.
Le champ E n’a qu’une composante variant sinusoïdalement. Sa trajectoire
est donc un segment de droite.
La polarisation peut être dans ce cas verticale ou horizontale.
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Polarisation d’une onde électromagnétique(2)
Polarisation circulaire.
Le champ E a deux composantes Eq et Ej de même amplitude et
déphasées de 90°. E décrit un cercle.
Polarisation elliptique.
Le champ E a deux composantes Eq et Ej d’ amplitude et de phases
quelconques.
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Caractéristiques technique d’une antenne
pour point d’accès WiFi
Diagrammes de
rayonnement
RO
S
Gain
Angles
d’ouverture
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Antenne Isotrope
Cette antenne possède la propriété de rayonner dans
toutes les directions de l’espace. Elle ne possède donc pas
de direction de propagation privilégiée. Elle n’est pas
directive.
On a coutume de donner le gain en dBi. Il vaut 0 dBi pour
cette antenne.
Cette antenne est impossible à réaliser en pratique, mais
elle est intéressante comme élément de comparaison et de
référence pour le calcul du gain des antennes « réelles ».
Le gain d’une antenne « réelle » est alors exprimé en dBi
(Décibel par rapport à l’antenne isotrope) comme on le voit
dans la notice technique de l’antenne Wifi.
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Diagrammes de rayonnement.
Cas de l’antenne isotrope.
Pour une puissance émise donnée on
mesure le niveau du champ électrique
et on détermine à quelle distance
« d » ce niveau est de 1V/m.
Puisque le rayonnement est
isotrope, le lieu des points pour
lesquels E=1V/m est une sphère
de rayon « d ».
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Diagrammes de rayonnement.
Dans le cas général l’énergie rayonnée se répartit dans des
lobes plus ou moins nombreux et importants. Le ou les lobes
principaux sont ceux qui sont les plus utiles et il est
intéressant de connaître leur direction et leur importance.
Leurs dimensions et leurs dispositions sont représentées sur
un diagramme de rayonnement.
Ce dernier contient assez d’information pour estimer les
possibilités d’une antenne.
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Diagrammes de rayonnement(2).
Représentation en 2D.
Finalement un diagramme de rayonnement est une représentation
3D (sphère dans le cas de l’antenne isotrope) des possibilités de
« fonctionnement » d’une antenne.
Toutefois pour étudier plus facilement le rayonnement d’une
antenne on a besoin de connaître:
A) Le ou les angles que forment les lobes principaux par rapport à
l’horizontale(angles de départ des ondes vers les couches ionisées).
On représente alors le diagramme de rayonnement vertical.
Remarque: Ce plan est noté E plane car c’est aussi celui du champ
électrique(Eq).
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Diagrammes de rayonnement(3).
Exemple de diagramme dans le plan vertical
Rayonnement
de l’antenne
isotrope
Lobes principaux
identiques et
symétriques
Antenne
vue en bout
Rayonnement de
l’antenne en espace
libre
Angle de
départ
Gain dû à l’effet
« réflecteur du
sol »
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Diagrammes de rayonnement(4).
B) La ou les directions dans lesquelles elle disperse l’énergie qui lui
est fournie. On utilise pour cela une représentation du rayonnement
dans un plan horizontal. On représente alors le diagramme de
rayonnement horizontal pour q donné.
Dipôle
Remarque: Ce plan est noté H plane car c’est aussi celui
du
rayonnant
rayonnement du champ magnétique (H ).
j
Lobes principaux
identiques et
symétriques
Angle
d’ ouverture
Niveau de
-10dB
Exemple de diagramme dans le plan horizontal
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Diagrammes de rayonnement(4).
(Dipôle vertical en espace libre )
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Diagrammes de rayonnement(5).
Diagramme dans le plan vertical
Diagramme dans le plan Horizontal
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Diagrammes de rayonnement(6).
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Grandeurs caractéristiques et
Notations utilisées.
p(r,q,j): Densité de puissance radiale [W/m2]
PF: Puissance Fournie à l’antenne [W]
PE: Puissance Emise [W]
PR: Puissance Reçue [W]
A une distance r la densité de puissance d’une antenne
isotrope est donnée par la relation suivante:
piso ( r , q , j ) 
Surface de la
sphère de
rayonnement
PE
4 r
2
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Directivité des antennes(1)
On dit qu’une antenne est
directive lorsqu’elle
rayonne dans une
concentre l’énergie qu’elle
direction particulière de l’espace.
Par analogie, un projecteur de lumière concentre cette
dernière en un faisceau étroit alors qu’un lustre doit
éclairer la totalité d’une pièce.
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Directivité des antennes(2)
Mesure de la directivité d’une antenne
En réception, lorsqu’on tourne une antenne pour l’écarter de la direction
du signal reçu(que ce soit vers la gauche ou vers la droite), le signal
Angle
diminue progressivement. Lorsque le niveau
de ce dernier à perdu
3dB(moitié de la puissance), on mesured’ouverture
l’angle formé par l’axe du lobe
principal de l’antenne d’émission avec la direction du signal. On
caractérise cette directivité par un angle d’ouverture dans le plan
horizontal(directivité horizontale).
Exemple d’ antenne symétrique:
Lobe principal
Plus l’ange d’ouverture est faible
plus l’antenne est directive.
Notation anglosaxone: HPBWA.
Half Power Beam Width Azimut.
Axe du
Lobe principal
Lobe secondaire
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Directivité des antennes(3)
Directivité dans le plan vertical.
On peut également définir un angle d’ouverture dans le plan
vertical:
Angle d’ouverture en site ou élévation.
Axe du
Lobe
principal
Exemple :
Notation anglosaxone: HPBWE.
Half Power Beam Width Elevation.
Angle de
départ
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Angle
d’ouverture
Par définition:
Directivité des antennes(4)
p( r , q , j )
D( q , j ) 
piso
On considère ici que
piso représente la densité de
une antenne isotrope qui
puissance émise par
émettrait la même puissance PE que l’antenne
concernée.
La directivité précise donc dans quelle(s) direction(s) la
densité de puissance de l’antenne est meilleure ou
moins bonne que l’antenne isotrope.
Note:
La directivité D ne dépend pas de r car les deux
densités de puissance décroissent en 1/r2.
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Analogie
Gain d’une antenne(1).
Considérons une ampoule de lampe de poche alimentée avec une pile.
L'ampoule rayonne l’énergie lumineuse dans toutes les directions (ou
presque) de l’espace dans lequel elle se trouve.
Si on place maintenant un réflecteur derrière l’ampoule, les rayons
lumineux vont être concentrés vers une direction privilégiée.
La puissance dissipée est la même mais l'éclairement dans l'axe
du réflecteur sera plus élevé au détriment des autres directions,
en particulier de l'arrière du réflecteur.
Pour les antennes, un phénomène identique se produit.
Le rayonnement arrière de l’antenne est caractérisé par la grandeur
« front to back ratio » ou « rapport Avant/Arrière(voir diagramme
de rayonnement).
Note: On évoque parfois le rapport Avant/Cotés. Ce dernier
exprime l’atténuation des signaux provenant de la droite et
de la gauche de la direction privilégiées de l’antenne.
ON AMÉLIORE LE GAIN D’UNE ANTENNE EN
CONCENTRANT L’ÉNERGIE RAYONNÉE DANS UN LOBE
PRINCIPAL.
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Gain d’une antenne(2)
Gain directif:
G ( q , j )  .D( q , j )
Gain :
G0  G ( q , j )max
Rappel: Une antenne est un élément purement passif
qui n’amplifie pas le signal. Son « gain » par définition,
représente la concentration de puissance dans une
direction donnée par référence à une antenne isotrope
sans perte .
On déduit la densité de puissance d’une antenne par rapport
à la puissance fournie PF:
p( r , q , j )  G ( q , j ).
PF
4 r 2
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Rapport d’Ondes Stationnaires
ROS(1)
Le ROS (SWR=Standing Wave Ratio)indique si le fonctionnement de
l’étage d’alimentation d’une l’antenne est correct. Il est important
de le connaître car selon sa valeur, l’antenne peut être reliée ou non
à un émetteur…
On essayera d’obtenir toujours 1<ROS <2.
Un ROS plus grand provoque:
des surtensions au niveau de l’étage PA(Power Amplifier) et
un risque de destruction de ce dernier.
Un mauvais rendement de l’alimentation de l’antenne.
L’émetteur ne pourra pas débiter toute sa puissance. Ainsi
un émetteur de 100W pourrait débiter quelques watts.
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Rapport d’Ondes Stationnaires
ROS(2)
Une onde stationnaire résulte de la « superposition » de deux ondes :
Une onde progressive,
Une onde réfléchie
Elle présente selon les caractéristiques de l’extrémité, des nœuds(amplitude
mini de l’onde) et des ventres(amplitude maxi de l’onde) plus ou moins
visibles et prononcés.
Nous allons considérer ici que l’onde se propage sur une ligne
d’impédance caractéristique ZC, fermée sur une impédance Z.
Z dans notre cas est l’impédance du dipôle antenne concerné.
Z= R+jX
Pour obtenir le meilleur ROS il faudra adapter l’impédance de
l’antenne à l’impédance de la ligne qui amène l’énergie.
Si l’on y parvient parfaitement l’onde d’alimentation de l’antenne
est progressive et toute la puissance est transmise à l’antenne au
pertes près de l’antenne.
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Rapport d’Ondes Stationnaires
ROS(3)
La composante résistive de l’antenne R est en fait la somme d’une
résistance de pertes RP et d’une résistance de rayonnement RR.
Ces dernières sont des résistances fictives imaginées pour faciliter la
compréhension du fonctionnement d’une antenne.
La réactance de l’antenne est non désirée. Dans le cas des
antennes résonantes on essaye de l’éliminer.
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Rapport d’Ondes Stationnaires
ROS(4)
Le graphique ci-dessous donne l’évolution de l’impédance en fonction de
la longueur de l’antenne
Au voisinage de
L=(2n+1)l/2
X #0
Au voisinage
de L=2nl/2
X #0
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Rapport d’Ondes Stationnaires
ROS(4)
Il est parfois intéressant de relever le ROS en fonction
de la fréquence
On détermine alors la bande passante de l’antenne si l’on
ne dépasse pas un ROS de 2.
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Calcul du rendement
Le rendement d’une antenne est défini par:

PE
PF
La puissance rayonnée PE pour un courant Ieff donné est la
suivante:
PE  RR .I
2
eff
[W]
La puissance nécessaire à fournir PF pour ce même courant est :
PF  ( RP  RR ).I
Soit enfin:
RR

RR  RP
2
eff
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[W]
[%]
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Puissance Isotrope Rayonnée
Équivalente(PIRE ou EIRP)
Dans la direction optimale du lobe principal, le gain directif G(q, j)
est égal à G0. On définit la PIRE de la manière suivante:
PIRE  G0 .PF
En Watt
Dans cette direction privilégiée, on a donc la densité de puissance
suivante:
PIRE
p( r ) 
4 r 2
En Watt /m2
Dans le cas des antennes paraboliques on cherche l’orientation dans la
direction choisie qui conduit à G(q,j)=G0. Dans ce cas la connaissance
de la PIRE suffit pour connaître la densité de puissance à une distance
r quelconque.
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Surface équivalente.
Considérons une antenne qui capte une onde dont la densité de
puissance vaut p(r,q,j) et fournissant une puissance PR.
p, PR, GR
PF, PE, GE
Récepteur
Émetteur
La surface équivalente ou surface de captation de l’antenne est définie
par:
PR
Aeq 
p( r , q , j )
En m2
On montre que la surface équivalente est également liée au gain
GR(q,j) par la relation:
l2
En m2
Aeq ( q , j ) 
.GR ( q , j )
4
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Affaiblissement en espace libre(1).
Ce qui suit s ’applique particulièrement aux liaisons à visibilité
directe(propagations troposphériques, faisceaux hertziens, liaisons par
satellite,etc.,). On néglige l’influence du sol et les pertes
atmosphériques.
Coté émetteur
Notations utilisées:
PF: Puissance fournie en W
PdBWF: Puissance fournie en dBW
GE: Gain de l’antenne d’émission
GdBE: Gain de l’antenne d’émission en dB
Coté récepteur
PR: Puissance reçue en W
PdBWF: Puissance reçue en dBW
GR: Gain de l’antenne de réception
GdBR: Gain de l’antenne de réception en dB
r: Distance entre les deux antennes en m
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Affaiblissement en espace libre(2).
Les gains en dB et les puissances en dBW répondent aux relations
suivantes:
GdB
GdB  10 log( G )
soit
P
PdBW  10 log(
)
1W
soit
G  10
P  10
10
PdBW
10
.1W
L’affaiblissement de la liaison, exprimée en dB est:
PF
AdB  10 log(
)  PdBWF  PdBWR
PR
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Affaiblissement en espace libre(3).
Expression de la puissance reçue PR
On sait que:
PR  p .Aeq
et que
l2
Aeq 
.GR
4
La densité de puissance reçue est fonction de la densité de
puissance émise par l’antenne. Or PE= PF.GE donc:
p
En somme
Soit enfin
PF .GE
4 r 2
 PF .GE  l2
.
PR  
GR
2 
 4 r  4 
2
 l 
PR  GE .GR 
 .PF
 4 r 
(Formule de FRIIS)
l
AdB  10 log( GE )  10 log( GR )  20 log(
)
4 r
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Affaiblissement en espace libre(4).
Expression qui s’écrit encore:
AdB  20 log(
Le terme
20 log(
4 r
l
)
4 r
l
)  GdBE  GdBR
s’appelle « affaiblissement isotrope » Aiso
On le trouve parfois sous le terme de perte en espace libre noté LS
 l 
LS  

 4 r 
2
Conclusion :
Si l’on connaît la puissance d’émission et l’affaiblissement on
déduit assez facilement la puissance de réception.
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Dipôle l/2(1)
Ce dipôle est également une antenne de référence dans le
domaine des radiocommunications
La longueur totale du brin rayonnant est une demi-longueur d’onde
Ainsi pour une fréquence de 100MHz par exemple L=1,5m et
pour une autre de 1GHz L=15cm.
Dipôles
verticaux
d’émetteur FM
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Dipôle l/2(2)
C’est une antenne résonante qui se comporte comme un
circuit RLC série.
Son impédance n’est pas parfaitement réelle à la fréquence de
résonance. Elle est constituée d’une partie réactive qui peut être
réduite en raccourcissant légèrement l’antenne.
Son gain est de 1,64 soit 2,1dBi.
Sa bande passante est assez faible: 10%f
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Dipôle l/2(3)
Diagramme de rayonnement.
L’antenne dipôle est largement utilisée en radiodiffusion car:
Son rayonnement est omnidirectionnel dans un plan horizontal,
Elle rayonne très peu dans la direction de son axe,
Sa directivité est bien adaptée pour la couverture d’un territoire,
Elle est facile à réaliser et peut encombrante.
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Antenne patch(1)
Il est possible de réaliser des structures résonnantes en surface.
La plus simple est de forme rectangulaire. Cette dernière est déposé sur un
substrat de permittivité relative donnée
r.
Largeur w
Il y a résonance si:
l=l/2
et
w=0,5.l à 2.l
Longueur l
L’impédance de la structure
dépend de w!
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Antenne patch(2)
Diagramme de rayonnement.
Le rayonnement est :
• Perpendiculaire à la surface du patch,
• presque circulaire,
L’angle d’ouverture est compris entre
50° et 80°.
Exemple: antenne GSM.
• f de travail =1575Hz
• l=1,5cm,
• G=28dB
• Alimentation 3 à 5V 14mA.
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Antenne patch(3)
Assemblage de patchs
Si on assemble plusieurs patchs sur une même surface on peut
réaliser des diagrammes de directivité « à la demande ».
La directivité donc le gain augmente avec le nombre de patchs
L’alimentation des patchs doit se faire en phase ce qui impose des
longueurs de trajets identiques pour le signal.
Trajets
identiques
AB=AC=AD=
patch 2x4
Diagramme de directivité patch 6x6
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Dipôle horizontal : effet de sol (en UHF)
Espace Libre :
A 3 mètres du sol :
Gmax=2,14dBi sur 360°
Gmax=7,92dBi sur 180°
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Dipôle Vertical : effet de sol (en UHF)
Espace Libre :
A 3 mètres du sol :
Gmax=2,14dBi sur 360°
Gmax=6,51dBi sur 180°
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Antenne Yagi 5 brins : directivité (en UHF)
Gmax=10,6dBi
dans une seule direction
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Antenne Yagi 5 brins : Effet de sol
Gmax=10,6dBi
dans une seule direction
A 3 mètres du sol :
Gmax=16dBi angle réduit
Ph. GOZLAN IUP GMI/RT Avignon 2007-2008
Ph. GOZLAN IUP GMI/RT Avignon 2007-2008
Références:
Denis Prêtre ARC -ingénierie Cours Antennes,
GERARD Magret - Les Antennes pour radio modélisme
Guillaume Villemaud - Cours d’antennes INRIA,
Jean-Marie Gorce - Les antennes Partie2 CITI INSA Lyon,
Divers très bons sites de radioamateurs,
Jean-Philippe Muller –Les antennes « 3w.ta-formation.com »
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