4ème année du Département Génie Électrique

1. 4ème année du Département Génie Électrique ANTENNES Bases et Principes des Communications Hertziennes

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.

3. Les antennes au quotidien GSM 900 MHz DCS 1800 MHz UMTS 2 GHz LTE 800 MHz, 2.6 GHz Analogique 800 MHz DECT ~1900 MHz Radar anticollision ~80 GHz Télépéage ~6 GHz Ouverture à distance 433 MHz 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)

4. Navire militaire

5. Radiotélescope 1 à 3,5 GHz 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 Miroir sphérique fixe, d'axe nord-sud (hauteur 35 m, longueur 300 m, précision de surface 3 mm; rayon 560 m) Centre de Nançay (Cher)

6. Problème principal : l’énergie 3 MHz 100m 30 MHz 10m 300 MHz 1m 3 GHz 10 cm 30 GHz 1 cm 300 GHz 1 mm 120 dBm Radars météo 1GW Radars militaires 100 Satellites 1MW 80 TV UHF Four 60 1KW TV VHF TFTS 40 Télé péage Amateurs 1W GSM 20 Amateurs DECT 0 1mW

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

8. La chaîne de transmission radio Partie émission : signal utile antenne Cod Mod duplexeur ampli circulateur BB fo synthé Partie réception : signal utile antenne duplex ampli Démod ampli Décod LNA synthé fi

9. Exemple d’un GSM canal radio

10. Notion de canal radio La chaîne de transmission radio : récepteur RF émetteur RF num/analog analog/num Propagation guidée Propagation espace libre Propagation guidée 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.

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

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.

13. Plan détaillé 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

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