Module : ondes et antennes - ta-formation.com

1 BS2SE - Physique appliqu e Module : ondes et antennes Diaporama : les antennes Itin raire p dagogique R sum de cours 1- D couverte des ondes lectromagn tiques 2- D finition d une OEM 3- Propri t s des OEM 4- Spectre des OEM 5- Les diff rents types d antennes 6- Champ cr par une antenne 7- Bilan de puissance d une liaison HF Exercices Corrig s des exercices Questionnaire : ondes et antennes R ponses au questionnaire Itin raire p dagogique : ondes et antennes Diaporama : diapos contenu 1-7 onde OEM produite par une antenne 8-12 rayonnement d une antenne 13-18 estimation de la port e d un metteur 19-26 l antenne dip le 27-31 l antenne quart-d onde 32-43 les autres mod les d antennes Fondamentaux : L onde lectromagn tique (OEM) est le compagnon ins parable de la charge en mouvement : une charge lectrique au repos produit un champ lectrique E (1) un courant continu, un aimant, produisent un champ magn tique B (2) un courant alternatif produit une OEM compos e de E et B L onde lectromagn tique est caract ris e par sa fr quence qui est celle du courant qui la produit (4), sa longueur d onde et sa polarisation (3).

2 Tout circuit lectrique produit une OEM qui se propage dans tout l espace, mais cette production est optimale pour un conducteur de taille et de g om trie adapt s : c est l antenne (5,6). L OEM part de l antenne et se propage dans l espace en s att nuant cause de la dispersion et des obstacles absorbants qu elle rencontre (7). Avec une antenne directive, on peut choisir une direction privil gi e d mission ou de r ception de l OEM (8). La vitesse de la source par rapport au r cepteur a une influence sur la fr quence de l onde mise ou r fl chie (9). Exercices : 1- champ lectrique cr par une charge 2- champ magn tique cr par un courant continu 3- champ E au voisinage d une antenne 4- circuit accord de r ception 5- antenne de Marconi (quart-d onde) 6- antenne dip le pour la TV 7- bilan d une liaison radio 8- diagramme de rayonnement d une Yagi 9- effet Doppler Questionnaire : De nombreuses applications simples pour tester vos connaissances dans le domaine.

3 BS2EL - Physique appliqu e R sum de cours jean-philippe muller version septembre 2009 1) D couverte des ondes lectromagn tiques De nombreux scientifiques ont particip au d veloppement de la radio. Les plus minents sont : James Clerk MAXWELL 1831-1879 A son poque , on s'int resse beaucoup aux ph nom nes lectriques et magn tiques : Amp re remarque qu'un courant lectrique qui circule dans un fil d vie l'aiguille d'une boussole situ e proximit Faraday d couvre qu un courant lectrique circule dans un fil m tallique referm en boucle quand un aimant est approch ou loign de cette boucle En 1864, James Maxwell unifie les diverses relations entre champs magn tique et lectrique sous la forme d'un ensemble d' les quations de Maxwell ! Ces quations pr disent l existence d ondes lectromagn tiques se d pla ant la vitesse de la lumi re, et montrent que la lumi re est elle-m me une OEM. En 1888, Heinrich Hertz r ussit produire des ondes lectromagn tiques dont la longueur tait un million de fois plus grande que celle de la lumi re visible.

4 On donna le nom d' onde radio cette sorte de lumi re invisible. Il tudie inlassablement la propagation des ondes lectromagn tiques, qui font passer l' nergie d'un circuit un autre sans l'aide d'un fil conducteur. Il construit une machine permettant de produire une onde lectromagn tique produisant une tincelle dans un r sonateur une distance allant jusqu 50m. Heinrich HERTZ1857-1894 Guglielmo MARCONI 1874-1937 Guglielmo Marconi perfectionne le dispositif de Hertz et rend le r cepteur plus sensible gr ce au coh reur d Edouard Branly. En 1903 Cape Cod dans le Massachusetts (USA), il r ceptionne des signaux en provenance d'Europe d montrant ainsi que des liaisons transcontinentales sont possibles (gr ce aux r flexions des ondes sur l ionosph re). Ce sera le d but des applications commerciales de la radio. ondes et antennes 2 2) D finition de l onde lectromagn tique Une onde lectromagn tique (OEM) est constitu e d un champ lectrique E et d un champ magn tique B qui varient au m me rythme que le courant qui leur a donn naissance.

5 On peut remarquer que : toute circulation de charges dans un conducteur produit une OEM lorsque cette mission est voulue, le conducteur s appelle antenne d mission lorsque l mission n est pas voulue, elle est dite parasite une OEM cr e dans tout conducteur des courants induits (antenne de r ception) Les champs E et B produits par l antenne se r pandent dans tout l espace environnant l antenne, en s att nuant. A une certaine distance de l antenne d mission : les vecteurs E et B sont perpendiculaires entre eux les vecteurs E et B sont perpendiculaires la direction de propagation E et B sont d phas s (en retard) par rapport au courant qui les a cr L'onde lectromagn tique se propage en ligne droite, la vitesse de la lumi re : vitesse de propagation dans le vide ou l air : c 3. 108 m/s dans un mat riau di lectrique de permittivit relative r (isolant de c ble coaxial, par exemple) la vitesse de propagation est inf rieure celle de la lumi re : nccvr== et la longueur d onde aussi r 0= Remarque : on r alise des antennes sur des c ramiques r lev (> 80) beaucoup plus petites que si elles taient dans l air ( antennes patch pour GPS par exemple).

6 ondes et antennes 3 3) Propri t s de l onde lectromagn tique fr quence : la fr quence d'une OEM est la fr quence des champs E et B qui la composent c est aussi la fr quence du courant circulant dans l antenne Exemple : un signal sinuso dal de f = 100 MHz appliqu une antenne d mission produira des champs E et B variant sinuso dalement la fr quence de 100 MHz. longueur d onde : La longueur d'onde est le trajet parcouru par l onde durant une p riode T : cTfc== polarisation : La polarisation d'une OEM est la direction de son champ lectrique E. si E garde une direction constante, on dit que la polarisation est rectiligne (le plus courant) le plus souvent, E est horizontal (polarisation horizontale) ou vertical (polarisation verticale) grande distance de l antenne, E est toujours perpendiculaire la direction de propagation il existe aussi des polarisation circulaire et elliptique propagation : Les ondes radio se propagent de l antenne d' mission l antenne de r ception de diverses mani res : par onde directe, partant de l' metteur et arrivant sur le r cepteur sans rencontrer d'obstacles naturels (montagnes, couches atmosph riques) ou artificiels (immeubles, lignes THT) par onde r fl chie, lorsque l onde rencontre un obstacle et est renvoy e dans sa totalit , ou en partie, dans une direction diff rente.

7 Les couches ionis es de l'atmosph re peuvent constituer des surfaces de r flexion si f < 30 MHz. ondes et antennes 4 4) Spectre des onde lectromagn tique Le tableau suivant indique les domaines d applications des ondes lectromagn tiques : OEM fr quence applications rayons X > 1 THz <100 nm imagerie m dicale, radiographie rayons UV > 1 THz 400 100 nm banc solaire visible > 1 THz 780 400 nm vision humaine, photosynth se infrarouges > 1 THz 1 mm 780 nmchauffage, d tecteurs de pr sence EHF 30 300 GHz10 cm 1 mm radars, communication par satellite SHF 3 30 GHz 10 1 cm radars, alarmes anti-intrusion UHF 0,3 3 GHz 1 0,1 m TV, radars, GSM, fours micro- ondes , hyperthermie VHF 30 300 MHz10 1 m t l vision, radio FM HF 3 30 MHz 100 10 m communications, soudage, collage MF 3 MHz 1 km 100 m radiodiffusion MO-PO, diathermie m dicale LF 30 300 KHz10 1 km radiodiffusion GO, fours induction VLF 30 0,3 kHz 10 1000 km radio-communications, chauffage par induction ELF 3 300 Hz > 1000 km transport/distribution de l' lectricit , lectrom nager quasi statique 0 3 Hz > 1000 km champs lectrique et magn tique terrestre Comme les fr quences basses sont assez encombr es.

8 Les nouvelles applications sont d velopp es dans les fr quences lev es. L avantage est que les antennes sont de taille r duite. L' nergie d une onde augmente avec sa fr quence et on distingue : les rayonnements ionisants, dont la fr quence est sup rieure 1015 Hz, qui ont une nergie suffisante pour casser les liaisons chimiques (rayons X, gamma et cosmiques) les rayonnements non-ionisants, dont la fr quence est inf rieure 1015 Hz, qui n ont pas une nergie suffisante (rayons UV, IR, lumi re visible, ondes radiofr quences) ondes et antennes 5 5) Les diff rents types d antennes Pour les liaisons radio, on utilise une tr s grande vari t d antennes selon leurs propri t s : pour champ B (bobine, cadre par ex.) ou champ E (la plupart des antennes ) directives ou omnidirectionnelles gain faible ou fort gain imp dance normalis e de 50 , ou autre valeur antenne filaire (t lescopique par ex.) ou r flecteur (parabole par ex.) Remarque : les dimensions de l antenne sont toujours li es la fr quence de travail (souvent /4 ou /2) Quelques exemples.

9 Antenne dip le conomique rayonne perpendiculairement au brin imp dance 75 Antenne dip le repli imp dance 300 plus robuste que le dip le associ e des brins directeurs et r flecteurs, donne l antenne Yagi tr s utilis e en TV Antenne quart-d onde n cessite un plan de masse omnidirectionnelle dans le plan horizontal moins encombrante que le dip le imp dance 36 Antenne Ground-plane omnidirectionnelle dans le plan horizontal ne n cessite pas de plan de masse imp dance 50 ondes et antennes 6 Antenne guide d onde directive gain lev Antenne parabolique gain lev li au diam tre du r flecteur tr s directive Antenne cornet tr s directive gain lev Antenne patch r sonance si l= /2 w joue sur l imp dance la r sonance peu directive De nombreux autres types d antennes sont d crits dans la seconde partie du Diaporama antennes . ondes et antennes 7 6) Champ cr par une antenne isotrope Une antenne isotrope rayonne la puissance P0 de l metteur uniform ment dans toutes les directions.

10 On ne sait pas r aliser une telle antenne en pratique, mais elle est commode pour les calculs et pour servir de r f rence aux antennes r elles. Question : Que valent les champs E et B au niveau de l antenne du r cepteur ? 24dS =2menla surface S de la sph re de rayon d s crit : la puissance mise Po se r partit sur cette sph re, une surface S re oit donc une densit de puissance P : 2004dPSPP ==2/mWen on montre que le champ lectrique E au niveau du r cepteur s crit : PE 120=mVen/ et le champ magn tique B : cEB= Teslaen Application : un metteur de 10W muni d une antenne isotrope produirait 5 km : 220/8,314mnWdPP== pTcEB5,11==mmVPE/46,3120== ondes et antennes 8 7) Bilan de puissance d une liaison HF Une liaison radio est tablie au moyen d un metteur de puissance P0 quip d une antenne directive de gain G1 par rapport une antenne isotrope. Le r cepteur est quip d une antenne directive de gain G2, point e vers l metteur. Si on n glige l influence des obstacles, difficile valuer, on peut calculer la puissance re ue Pr l entr e du r cepteur gr ce la formule de Friis : avec : P0 et Pr en Watts d et en m tres G1 et G2 sans unit (amplification en puissance)[] = Si on exprime la puissance en dBm et les gains en dB, la formule de Friis devient , apr s simplification : Exemple d une liaison par modules Aurel : Question : une liaison sur une distance de 1 km est-elle possible ?