Communications radio : L'antenne, le composant de base - Mesures

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COMMUNICATIONS RADIO
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.
Dans 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.
L’essentiel
Les antennes constituent
un élément essentiel dans
toute transmission radio.
La théorie de fonctionnement
est complexe mais leur
caractérisation est assez
simple.
La directivité, le gain
et la polarisation sont les
paramètres les plus
importants.
L’impédance est également
un aspect à considérer.
Pour simplifier, disons
que c’est une
variation de petites
charges positives et
négatives dans l’espace,
oscillant en
permanence à un
rythme très élevé. On
caractérise cette variation
rapide par la
fréquence de l’onde,
exprimée en mégahertz
(MHz) ou en
gigahertz (GHz). A
titre d’exemple, les
téléphones mobiles à
900 MHz travaillent
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-
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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.
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.
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.
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 P i .
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 = P r /P i .
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 10000 (40 dB). ➜
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➜ 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
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 directions
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
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).
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
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.
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).
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).
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