LES ANTENNES IMPRIMES

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Modèle Mathématique d’une antenne

Les relations de Maxwell contiennent pratiquement toutes les informations concernant les caractéristiques du champ électromagnétique. Nous allons voir ici, comment extraire les propriétés. Les antennes fonctionnant dans le vide, on utilisera essentiellement les équations de Maxwell dans le vide. Cependant dans certains cas, la prise en compte du matériau constituant de Maxwell est nécessaire. C’est pourquoi, après avoir présenté les équations de Maxwell dans le vide, nous décrivons rapidement les équations de Maxwell dans la matière [4].

Les équations des Maxwell dans le vide

Les équations de Maxwell expriment le comportement du champ électromagnétique en relation avec les sources qui lui ont donné naissance. Ces équations différentielles contiennent toute l’information permettant de résoudre les problèmes d’électromagnétisme.
Ce système d’équations couplées lie les dérivées spatiales et temporelles du champ électrique et de l’induction magnétique à leurs sources. Toutes les grandeurs varient avec l’espace et le temps. Les deux premières équations ne font intervenir que le champ électromagnétique. Elles sont appelées équations intrinsèques. Les deux suivants contiennent sa relation aux sources. Dans ces équations, il apparaît deux constantes caractéristiques du vide :
– La permittivité du vide est notée 0. C’est une grandeur constante qui caractérise

Propagation des O.E.M

La propagation est un transfert d’énergie sans transfert de matières, donc la propagation par onde est un type de propagation possédant une vitesse définie.

Propagation des ondes radio

A l’aide d’une antenne, on peut transformer un signal électrique en un signal électromagnétique et réciproquement.

Propagation des O.E.M

La propagation est un transfert d’énergie sans transfert de matières, donc la propagation par onde est un type de propagation possédant une vitesse définie.

Propagation des ondes radio

A l’aide d’une antenne, on peut transformer un signal électrique en un signal électromagnétique et réciproquement.
Les particules ionisées de la haute atmosphère se répartissent en couche, nommées D, E et F. la position et la densité de ces couches dépendent de l’heure (jour ou nuit) et de la date (saison). La couche D est essentiellement une couche diurne. Elle réfléchit les grandes ondes et absorbe les ondes moyennes. La couche E et très faiblement ionisée ; sa densité est moindre la nuit. La couche F est par contre fortement ionisée ; elle dépend étroitement de l’activité solaire (elle existe de jour et de nuit). Ces couches sont caractérisées par un indice de réfraction variable, ce qui va entraîner des phénomènes de transmission ou de réflexion des ondes radioélectriques, selon leur fréquence ou leur direction.

Propagation d’une onde

Entre 2 antennes, une onde peut se propager selon :
– Une onde directe (1)
– Une onde de sol (2)
– Une onde troposphérique (3)
– Une onde ionosphérique (4)
La propagation est influencée par la nature du sol (terre ou mer, présence de cours d’eau…). Les couches ionisées présentant un indice de réfraction variable, les conditions de réflexion d’onde dépendent de sa fréquence ou de son incidence. On pourra ainsi observer une réflexion sur la courbe E sur la couche F. En conséquence, la réception d’une onde peut être stable (cas de la réception d’une onde directe) ou plus ou moins instable (réception d’une onde réfléchie, affectée de fading).

Propagation selon la fréquence

– Ondes longues (150 à 285kHz) : la portée des émetteurs est grande (leur puissance est cependant très élevée) ; la propagation n’est pas influencée par les obstacles terrestres ; la propagation ionosphérique est stable, avec réflexion sur les couches D et E.
– Ondes moyennes (520 à 1600kHz) : l’onde au sol est rapidement affaiblie ; elle est perturbée par les obstacles terrestres ; ces ondes sont utilisées pour de la radiodiffusion locale. La propagation ionosphérique s’effectue par réflexion sur la couche E, mais il y a une forte absorption par la couche D ; la portée nocturne est ainsi 5 à 10 fois supérieure à la portée diurne par disparition la nuit de la couche D.
– Ondes courtes : Entre 2 et 30MHz, l’onde directe permet des communications à courte distance ; on utilise la réflexion sur la couche F pour réaliser des grandes portées avec une faible puissance d’émission. Malheureusement, ce type de propagation est très instable, passant du mieux au pire en quelques heures. Au-delà de 30MHz, la propagation directe donne une portée de 50 à 60km ; la propagation par réflexion troposphérique permet une portée de l’ordre de 300km.
– Communication spatiales et radioastronomie : l’atmosphère ne transmet les ondes électromagnétiques que dans certaines fenêtres de fréquence, l’ionosphère est opaque aux fréquences inférieures à 6MHz ( = 50m). la vapeur d’eau est opaque aux IR (1 ≤ ≤ 100 ) ; les UV, les X et les sont arrêtés par l’ensemble de l’atmosphère (les UV par la célèbre couche d’ozone stratosphérique, située entre 12 et 50 km d’altitude). Seuls le visible (0,4 ≤ ≤ 0,75 ) et les ondes radio de fréquences comprises entre 6MHz et 300GHz (1 ≤ ≤ 50 ) peuvent traverser l’ensemble de l’atmosphère terrestre.

Généralité sur les antennes

L’antenne est un élément fondamental dans un système radioélectrique, et ses caractéristiques de rendement, gain, diagramme de rayonnement influencent directement les performances de qualité et de portée du système. Elle convertit les grandeurs électriques existantes dans un conducteur ou ligne de transmission (tension et courant) en grandeurs électromagnétiques dans l’espace (champ électrique et champ magnétique). Inversement en réception, le champ électrique est converti en signal électrique qui peut être amplifié.

Définition

L’une des définitions les plus justes d’une antenne est donnée dans la norme IEEE des définitions des termes pour les antennes. D’après cette norme, une antenne est un moyen de rayonnement ou de réception des ondes radio. Plus concrètement, c’est un dispositif qui reçoit des signaux d’une ligne de transmission, les convertit en ondes électromagnétiques et les diffuse dans l’espace libre lorsque l’antenne est en mode d’émission. En mode de réception, elle capte tout simplement les O.E.M incidentes et les reconvertit en signaux [5][6].

Principe d’une antenne

Une antenne d’émission est un conducteur qui transforme une énergie électrique en énergie de rayonnement électromagnétique. Par contre, une antenne de réception traduit un rayonnement électromagnétique en courant électrique induit. La même antenne peut souvent servir à émettre ou capter selon qu’elle est alimentée ou on en courant. Afin de mieux comprendre le mécanisme de rayonnement, procédons à quelques rappels. Un conducteur dans lequel passe un courant I produit dans son entourage un champ magnétique dont l’intensité décroît en fonction de la distance du conducteur et, compte tenu de la direction, perpendiculaire à celle du conducteur. Le sens du champ magnétique est conforme à la représentation donnée ci-dessous [7].
D’autre part un courant circulant dans un conducteur correspond à un déplacement de charges à l’intérieur de ce conducteur. Nous pourrions dons considérer que l’effet provoqué par un courant est d’accumuler des charges positives à l’une des extrémités du conducteur et des charges négatives à l’autre. Celles-ci donneront lieu à des lignes de champ électrique telles que représentées comme suit :
Figure 1.11 : Champ électrique crée par un courant I dans un conducteur
Il existe donc des champs électriques et magnétiques perpendiculaires l’un par rapport à l’autre dans l’entourage du conducteur. Si ces champs varient dans le temps cas où le conducteur est alimenté par une source de courant alternatif, nous aurons une onde électromagnétique se propageant perpendiculairement aux deux champs. Notons que le changement de sens du courant dans un conducteur entraîne un changement de sens des deux champs créés, le sens de propagation de l’onde électromagnétique créé demeurant inchangé.

Les paramètres d’une antenne

Une antenne peut être caractérisée par différents paramètres : son diagramme de rayonnement, sa polarisation, sa résistance, sa bande passante, sa largeur de faisceau, son gain en directivité et en puissance, sa longueur effective et sa hauteur effective. Nous envisagerons successivement tous ces paramètres.

Résistance et impédance d’antenne

– Résistance de rayonnement :
A la fréquence de résonnance d’une antenne (partie imaginaire = 0), on peut la modéliser comme deux résistance en série. La première résistance est la résistance de rayonnement , elle modélise toute l’énergie qui est dissipée et transformée en rayonnement électromagnétique. La deuxième résistance r va présenter l’énergie dissipée par l’antenne en échauffement thermique. En effet dans la pratique, les conducteurs ne sont jamais parfaits et les isolants ont aussi des pertes diélectriques. Une partie de la puissance électrique fournie à l’antenne sera donc perdue en échauffement. On pourra donc considérer la résistance totale de l’antenne comme étant composée de deux résistances en série :
– Impédance : Dans une antenne résonnante, l’impédance d’entrée est, nous l’avons vu, purement résistive ; elle devient inductive ou capacitive, selon que la longueur de l’antenne est plus longue ou plus courte que la longueur de résonance 2. L’impédance Z est, rappelons-le, la somme vectorielle de la résistance d’entrée R et de la réactance d’entrée X.

Table des matières

INTRODUCTION GENERALE
CHAPITRE 1 GENERALITE SUR LES ANTENNES
1.1 Introduction
1.2 Etude théorique
1.2.1 Les Ondes Electromagnétiques
1.2.2 Modèle Mathématique d’une antenne
1.2.3 Propagation des O.E.M
1.3 Généralité sur les antennes
1.3.1 Définition
1.3.2 Principe d’une antenne
1.3.3 Les paramètres d’une antenne
1.3.4 Caractéristiques générale d’une antenne
1.4 Conclusion
CHAPITRE 2 LES ANTENNES IMPRIMES
2.1 Introduction
2.2 Historique
2.3 Généralité
2.3.1 Définition d’une antenne imprimée
2.3.2 Structure générale
2.3.3 Caractéristique d’une antenne imprimée
2.4 Polarisation et diagramme de rayonnement
2.4.1 polarisation
2.4.2 Diagramme de rayonnement
2.5 VSWR
2.6 Principe de radiation
2.7 Technique d’excitation d’une antenne imprimée
2.7.1 Alimentation par ligne imprimée
2.7.2 Alimentation par sonde coaxiale
2.7.3 Alimentation par ligne de proximité
2.7.4 Alimentation par couplage de fente
2.8 Les modèles d’analyses
2.8.1 Modèle avec ouverture
2.8.2 Modèle de la cavité
2.9 Les différents types d’antennes
2.9.1 Antenne Multi-faisceau
2.9.2 Antenne Multi-polarisation
2.9.3 Antenne Multifréquence
2.9.4 Antenne à Balayage électronique
2.10 Les avantages et les inconvénients d’une antenne patch
2.10.1 Avantages
2.10.2 Inconvénients
2.11 Conclusion
CHAPITRE 3 SIMULATION ET REALISATION PRATIQUE D’UNE ANTENNE IMPRIMEE
3.1 Introduction
3.2 Description de la Norme IEEE 802.11 et la bande 2,4 GHz
3.2.1 IEEE 802.11
3.2.2 La bande 2,4 GHz
3.3 Logiciel HFSS d’Ansoft
3.4 Caractéristique de l’antenne
3.4.1 Choix du substrat
3.4.2 Dimensionnement de l’antenne
3.4.3 Dimensionnement de la ligne d’alimentation
3.5 Simulation et optimisation
3.5.1 Calcul numérique des différents paramètres de l’antenne
3.5.2 Description de l’Ansoft HFSS Antenna Design Kit
3.5.3 Choix du type d’excitation
3.5.4 influences des paramètres sur l’antenne
3.5.5 Approche de la réalisation
3.6 Réalisation Pratique
3.6.1 Antenne imprimée Rectangulaire
3.6.2 Plan de l’antenne à réaliser
3.6.3 Fabrication
3.7 Conclusion
CONCLUSION GENERALE
ANNEXES
BIBLIOGRAPHIE
PAGE DE RENSEIGNEMENT

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