Guillaume VILLEMAUD – Cours d’Antennes 1 4ème année du Département Génie Électrique

Guillaume VILLEMAUD – Cours d’Antennes 2 De quoi allons-nous parler ? Nous allons parler des antennes (ou aériens), dispositifs permettant la transposition d’une énergie guidée en un champ électromagnétique rayonné en espace libre (ou inversement). Il existe une multitude de types d’antennes, de tailles et de formes très diverses, aux modes de fonctionnement plus ou moins complexes. Nous allons définir les caractéristiques et propriétés communes à ces différents dispositifs ainsi que leurs domaines d’applications.

Guillaume VILLEMAUD – Cours d’Antennes 3 Les antennes au quotidien Analogique 800 MHz DECT ~1900 MHz Radar anticollision ~80 GHz Télépéage ~6 GHz Ouverture à distance 433 MHz GSM 900 MHz UMTS 2 GHz Systèmes satellites 1 à 45 GHz (Ex : Télévision 12 GHz, GPS 1.5 GHz) TV terrestre 500 MHz Wifi / Bluetooth / UWB 2.4 à 6 GHz

Guillaume VILLEMAUD – Cours d’Antennes 4 Navire militaire

Guillaume VILLEMAUD – Cours d’Antennes 5 Miroir sphérique fixe, d'axe nord-sud (hauteur 35 m, longueur 300 m, précision de surface 3 mm; rayon 560 m) Miroir plan mobile autour d'un axe est-ouest (hauteur 40 m ; longueur 200 m ; précision de surface 4 mm; poids 700 t) Foyer de l'antenne, cornets de réception et préamplificateurs refroidis à – 250 °C mobiles sur un arc de 250 m Radiotélescope 1 à 3,5 GHz Centre de Nançay (Cher)

Guillaume VILLEMAUD – Cours d’Antennes 6 Problème principal : l’énergie 120 dBm MHz 100m 30 MHz 10m 300 MHz 1m 3 GHz 10 cm 30 GHz 1 cm 300 GHz 1 mm TV VHF Amateurs GSM TV UHF Radars militaires Satellites Four Télé péage DECT TFTS 0 1W 1mW 1MW 1KW 1GW Radars météo

Guillaume VILLEMAUD – Cours d’Antennes 7 1fW Puissance Isotrope 1pW 1µW 1mW 1W 1kW 1MW 1GW Signal d’entrée Ampli terre Antenne terrestre Signal capté Gain antenne Ampli Antenne satellite Gain antenne Low Noise amplifier Signal de sortie Signal capté par la terre Ex : Communication Terre-satellite

Guillaume VILLEMAUD – Cours d’Antennes 8 Partie émission : La chaîne de transmission radio signal utile Mod synthé Cod antenne duplexeuramplicirculateur Partie réception : signal utile Démod synthé Décod antenne duplexampli BB fo fi LNA ampli

Guillaume VILLEMAUD – Cours d’Antennes 9 canal radio Exemple d’un GSM

Guillaume VILLEMAUD – Cours d’Antennes 10 Propagation guidée Propagation espace libre La chaîne de transmission radio : émetteur RF récepteur RF num/analoganalog/num canal radio Les « boîtiers » contenant l’électronique sont reliés aux antennes via des lignes ou câbles (feeders). D’un point de vue traitement du signal, l’ensemble des déformations de l’onde engendrées par la propagation guidée+libre forme le canal radio. Notion de canal radio

Guillaume VILLEMAUD – Cours d’Antennes 11 Où se perd l’énergie ? désadaptation Milieu de propagation Réflexions, diffractions, trajets multiples, obstacles, diffusion, évanouissement, AEL, conditions météos... atténuation, dispersion bruit des composants Et tous ces paramètres varient en fonction de la fréquence, du temps et même de la polarisation de l’onde.

Guillaume VILLEMAUD – Cours d’Antennes 12 Domaines abordés Pour comprendre les phénomènes régissant le fonctionnement des antennes ainsi que leur intégration dans un système de communication, les pré-requis sont : des connaissances de base de l’électromagnétisme (équations de Maxwell, propagation des ondes EM...); la bonne compréhension des principes des lignes de transmission et surtout de l’adaptation en impédance des systèmes (ondes progressives, ondes stationnaires...); savoir prendre du recul : les antennes représentent une application pratique des équations de Maxwell où l’on peut « voir » les phénomènes physiques sans rester purement dans les calculs théoriques.

Guillaume VILLEMAUD – Cours d’Antennes 13 Plan détaillé 10h de cours : 8h (G. Villemaud) + 2h (J.M. Gorce) Antennes et PropagationModélisation (application GSM) 3 grandes parties :Principes des antennes Caractéristiques des antennes Différents types d’antennes Principes des antennes :  Passage propagation guidée/espace libre  Le champ EM et les zones de rayonnement  Le doublet élémentaire  Les théorèmes fondamentaux  Notion de front d’onde  La polarisation

Guillaume VILLEMAUD – Cours d’Antennes 14 Caractéristiques des antennes :  Impédance d’entrée / notion de circuit  Fonction caractéristique de rayonnement  Puissance rayonnée  Directivité et gain  Bilan de liaison Plan détaillé Types d’antennes :  Antennes filaires  Antennes à fentes  Antennes patchs  Antennes à réflecteur  Mise en réseau