Cours Antennes Telecoms 2012 2013

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  • 05/12/2012

    1

    Universit Abdemlalek EsaadiFST de Tanger

    Dpartement de Gnie ElectriqueCycle Ingnieurs

    Dr. Ing. Mohammed Benlamlih AU 2012-20131

    Chapitre: Antennes(version 0.1)

    Module: Tlcommunications

    Introduction

    Structure pour convertir ondes guides en ondes rayonnes

    2

    Antenne lmentaire: Diple de Hertz

    Champs lectrique et magntiques rayonnes par un diple de Hertz (champs lointain) , dl < /50

    3

    Diple lmentaire (de Hertz)

    4

    Fil lectriquement court (h

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    2

    Diple de Hertz: Diagramme de rayonnement

    5

    Diple de Hertz - Puissance moyenne rayonne

    6

    E et H en valeurs maximales

    Puissance moyenne rayonne

    Densit de puissance rayonne

    Cas de Diple de longueur l quelconque

    Distribution de courant le long de laxe z.

    7

    Cas de Diple de longueur l quelconque

    8

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    3

    Cas de Diple de longueur l quelconque

    Champs rayonns

    9

    Cas de Diple de longueur l quelconque

    10

    Cas diple de longueur L= /2

    Diagramme de rayonnement

    11

    Cas diple de longueur L=3. /2

    Diagramme de rayonnement

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    4

    Cas diple L= /2

    Densit de puissance moyenne:

    Puissance mise moyenne:

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    Cas diple L= /2

    Impdance dentre:

    14

    Impdance dentre fonction de la hauteur H

    Effet du rayon de cble (a) sur limpdance dentre:

    15

    Modle lectrique dune antenne impdance dentre

    16

    On dfinit limpdance dentre complexe dune antenne par :

    ininin

    inin XjRI

    VZ .+==

    Partie ractivePartie activelossrin RRR +=

    VinIin

    antenne

    C L RLoss

    RRad

    Iin

    Vin

    Modle lectrique

    Rsistance de rayonnement

    Rsistance de pertes

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    5

    Exemple

    Exemple:

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    Exemple (suite)

    18

    Caractrisation des antennes

    Directivit et gain

    19

    Directivit, gain, rendement

    20

    La directivit D(,) dune antenne dans une direction (,) est le rapport entre la puissance rayonne dans une direction donne P(,) et la puissance que rayonnerait une antenne isotrope.

    ( ) ( ) ( )RR P

    PP

    PD pi

    pi

    ,4

    4

    ,

    , ==

    Le gain G(,) dune antenne dans une direction (,) est le rapport entre la puissance rayonne dans une direction donne P(,) sur la puissance que rayonnerait une antenne isotrope sans pertes.

    ( ) ( )AP

    PG pi ,4, =

    En gnral, le gain G correspond au gain dans la direction de rayonnement maximal (0,0).

    ( )AP

    PG 00 ,4 pi=

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    6

    Rendement dune antenne

    21

    Le rendement dune antenne traduit sa capacit transmettre la puissance lectrique en entre PA sous forme de puissance rayonne PR.

    Le rendement est li aux pertes dans le rseau de polarisation et dans les lments rayonnants.

    DGPP AR .. ==

    Caractrisation des antennes

    Intensit de rayonnement: Dfinition

    22

    Caractrisation des antennes

    Intensit de rayonnement moyenne:

    Directivit dantenne:

    Directivit maximale:

    23

    Caractrisation des antennes

    24

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    7

    Caractrisation des antennes

    25

    Caractrisation des antennes

    26

    Densit de puissance chute en 1/d2 Si on double la distance, on trouve des points /m2 4 fois d (1/16) de puissance

    27

    Caractrisation des antennes

    28

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    8

    dB, dBm, dBi, dBd, dBc, dBW.

    29

    dB : variation dans le sens de laugmentation (+) ou de la diminution (-), mais sans unit de rfrence.

    dBi : utilis pour la comparaison du gain dune antenne par rapport une antenne isotrope.En labsence de rfrence explicite, il faut toujours considrer les gains exprims en dB comme tant des dBd et non des dBi (c'est--dire moins puissante que ce que lon pourrait croire)

    dBd : utilis pour exprimer le gain dune antenne par rapport une antenne diple au lieu de le comparer une antenne isotrope. Les dBd sont particulirement utiliss pour tout ce qui est tlphonie portableLa relation entre dBi et dBd sexprime par :

    dBi = dBd -2,15dB ou dBd = dBi + 2,15dB

    dB, dBm, dBi, dBd, dBc, dBW.

    30

    dBW : Puissance en Watt mais exprime en dB pour simplifier la lecture et permettre lutilisation de laddition et de la soustraction de dB afin de calculer les variations de cette puissance. Lajout de deux valeurs en dBW ne se fait pas par laddition directe comme nous lavons vu prcdemment (voir exemple des dcibels dBSPL)

    dBW = 10log(P/1W)

    dBm : Puissance en milliwatts au lieu de Watt. Le rapport entre dBW et dBm peut tre crit de la faon suivante : dBW = dBm 30dB et dBm = dBW + 30dB

    dBm = 10log(P/1mW)

    Rappel:dBm+dB dBmdBm-dB dBmdBm+dBm !!!!!!!!dBm-dBm dB

    dBm, dBW

    31

    Surface effective

    Capacit une antenne extraire une nergie dune onde qui passe travers

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    9

    Antenne en rception

    33

    Seq

    pR (W/m)

    eqRS

    RR SpdspPeq

    ==

    PA pR (W/m)

    ReqA PSP .= Relation entre le gain et la surface quivalente :

    pi

    pi 44

    2

    2GS

    SG eq

    eq==

    Gain dune antenne mettrice = capacit rayonner dans une direction donne de lespace. Gain dune antenne rceptrice = capacit coupler lnergie rayonne provenant dune direction de

    lespace. Pour une antenne passive, quelle soit utilise en mission ou en rception, le gain reste le mme !

    Surface effective

    34

    On suppose antenne adapte la charge: Transfert maximal de puissance

    Relation Surface effective- Gain

    35

    Aem: Surface effective maximale

    Relation Gain-Surface effective

    Cas gnrale:

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    10

    Equation de Friis

    Relie la puissance reue la puissance mise dans le cas idal de propagation (espace libre, pas dobstacles)

    37

    = 2

    0

    4...

    dGGPP reer

    pi

    Equation de Friis

    38

    Conditions dapplication:

    = 2

    0

    4...

    dGGPP reer

    pi

    Autres antennes

    Trombone Cadre Cadre + ferrite Yagi Log priodique Cantenna Parabolique Patch Rseaux .

    39

    Antenne trombone

    Diple repli

    Le diple est souvent utilis sous une forme un peu diffrente appele diple repli ou trombone:

    il est constitu dun diple ordinaire, reli un second diple plac faible distance

    lensemble est ainsi plus robuste quun diple simple

    le diagramme de rayonnement est identique au diple

    sa rsistance est 4 fois suprieure celle du diple soit : 300 (donc meilleur rendement)

    la bande passante est beaucoup plus grande que celle du diple

    40

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    11

    Lantenne cadre

    41

    A: Surface de la boucle Antenne faible Rendement

    Lantenne cadre en basses frquences

    42

    En rception, l'antenne cadre est sensible au champ magntique et fournit un signal s(t) maximal lorsquelle est perpendiculaire B :

    V(t)

    Vmax

    Vmax

    Antenne filaire ou antenne cadre ?

    43

    Vmax

    =300m

    Antenne Yagi

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    12

    Principe antenne Yagi

    45

    Londe du diple cre une onde par induction sur le parasite. Celle-ci aura un dlai par rapport londe incidente cause du temps de raction de la capacit du parasite en tension et courant. Si la distance est bien choisie, soit une distance entre les lments gale au dlai, les deux ondes seront en phase et sadditionneront dans la direction du directeur et se soustrairons dans la direction inverse car elle y seront hors-phase.

    Principe antenne Yagi

    46http://www.radartutorial.eu/06.antennas/an08.fr.html

    Principe antenne Yagi

    47http://www.radartutorial.eu/06.antennas/an08.fr.html

    une antenne Yagi trois lments a un gain de 5 6 dB Sin on ajoute un brin, on augmentera le gain de 2dB donc meilleur directivitConterpartie: une diminution de la partie rsistive de l'impdance de l'antenne. On le compense en remplaant le diple simple aliment par un diple double dit trombone.

    Antenne Yagi

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    Antenne Yagi pour bande Wifi!

    49

    http://www.xaviervl.com/Antenne/Frisko/index.html

    Antenne log priodique

    50

    Caractristiques constantes sur une large bande (2:1)

    Tous les lments sont aliments

    Gain similaire une antenne Yagi 3 lments (7dBi)

    Antenne log priodique

    51

    : Facteur de raccourcissement entre 0,88 et 0,95 :gnralement entre 0,03 et 0,06

    Antenne log priodique

    Choix optimal de et

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    Antenne log priodique

    Exemple dalimentation Zb: Impdance de la ligne de transmission (boom) Zd: impdance moyenne dune antenne diple Zi: impdance dantenne vue lentre

    53http://glendash.com/Dash_of_EMC/Log_Periodic/Log_Periodic.htm

    Antenne log priodique

    Exemple de ralisation:

    54

    http://wb0dgf.com/LPCAD.htm

    Lantenne guide donde Cantenna

    55

    Antennes paraboliques

    56

    D

    2

    =

    pi DG

    =rendement (55 70%)

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    Antennes paraboliques

    57

    Les antennes patch

    58

    Les antennes patch

    59

    Antennes patch en rseau

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    16

    Quelques antennes filaires

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    Quelques antennes filaires

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    Critres de choix dune antenne

    Pour choisir un modle dantenne pour une application donne, il faut veiller aux principaux points suivants :

    frquence de travail: une antenne est construite pour une frquence ou une gamme de frquences donne

    directivit: elle peut tre omnidirectionnelle (brin vertical) ou directive (Yagi, parabole)

    gain : les meilleurs gains sont obtenus avec des antennes trs directives, jusqu' plus de 50 dB pour les grandes paraboles

    impdance: adapte celle du cble soit en gnral 50 ohms sauf pour la tlvision qui travaille en 75 ohms

    puissance: pour lmission, lantenne doit accepter la puissance de lmetteur sans trop de pertes par effet Joule

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    Chambre anechode

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    Rfrences:

    www.alexandre-boyer.fr

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