10 - Les antennes

Rappels sur les antennes

.Qu’est ce qu’une antenne ?

Une antenne d’émission est un dispositif qui transforme l’énergie électrique qu’on lui applique en énergie électromagnétique rayonnée. Une antenne de réception transforme l’énergie d’un rayonnement électromagnétique en énergie électrique.

Une ligne de transmission (câble coaxial) est utilisée pour transporter l’énergie électrique vers l’antenne d‘émission, ou pour transporter l’énergie électrique issue de l’antenne de réception.

Les antennes d’émission et de réception ne diffèrent pas sur le plan électrique.  La même antenne est soit un générateur (antenne de réception) soit  une charge ( antenne d’émission) Il en est de même pour les caractéristiques : gain, bande passante, résistance de rayonnement, qui sont les mêmes ...Il  faudra simplement s’assurer qu’une antenne d’émission est capable de supporter la puissance appliquée, sans fondre ou brûler, car les niveaux de signaux en émission sont évidemment beaucoup plus importants que les niveaux en réception.  

Puissance rayonnée par une antenne.

L'impédance d'une antenne sans pertes est de la forme R + jX.  Si on applique une tension aux bornes de cette antenne, la puissance absorbée par la résistance R n’est pas dissipée sous forme de chaleur, elle est rayonné sous forme électromagnétique. On dit que R est une résistance "fictive"  de rayonnement...

Lorsque l'impédance R+jX aux bornes d’une antenne n'a pas de partie imaginaire X on dit que l'antenne est  à la résonance, ou "est accordée"  . L'antenne est   équivalente  , sur sa fréquence de résonance, à une résistance pure  R . 

En général, on conçoit une antenne de façon à avoir R = 50 ohms et  X = 0.

La plupart des antennes, si elles ne sont pas très petites par rapport à la longueur d'onde,  ont un excellent rendement, ce qui signifie que la majeure partie de la puissance dissipée par "R" est bien rayonnée. 

Pour les antennes de dimensions très réduites par rapport à la longueur d'onde, il faudra considérer que la résistance r se décompose en deux résistances, la résistance de rayonnement et la résistance de pertes. L'antenne ne rayonnera pas toute la puissance qui lui est fournie.  

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Antenne adaptée.

 En général,  une antenne est alimentée par un câble coaxial  d'impédance caractéristique 50 ohms.  Dans la situation idéale, l'antenne doit alors présenter au câble une  résistance pure de 50 ohms. Si c'est le cas, toute la puissance que le câble fournit sera absorbée par l'antenne.  On dit que l'antenne est adaptée.  Voir le chapitre "lignes de transmission". 

Par contre, si l'antenne ne présente pas au câble  cette résistance de 50 ohms, une partie de la puissance va être réfléchie par l'antenne, et va repartir vers la source.

Pour la mise au point d'une antenne, on cherchera donc à avoir une antenne de résistance 50 ohms.  On peut penser qu'il faut automatiquement mesurer son impédance, Cela est possible à l'aide d'un analyseur de réseau qui donnera à l'écran l'impédance sur un diagramme de Smith.  Il faudra alors tenir compte avec précision de la distance entre l'antenne et le point où on mesure l'impédance. Puisque l'impédance vue au bout du câble est diférente de  celle de l'antenne , si l'adaptation n'est pas parfaite.  

Une méthode bien plus courante consiste à mesurer le niveau de puissance réfléchie . La mise au point de l'antenne consistera donc à rendre nulle ou au moins minimale cette puissance réfléchie.       Voir le chapitre 9 "les mesures en RF", paragraphe "mesure du rapport d'ondes stationnaires". 

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Antenne isotrope.

Une antenne « isotrope » rayonnerait de façon identique dans toutes les directions. Pour donner une image, si nous montons en fréquence jusqu'à ce  que les ondes deviennent lumineuses, une telle antenne « éclairerait » de façon uniforme dans toutes les directions.

Si on considère une sphère centrée sur l’antenne, toute la puissance rayonnée va traverser la surface de cette sphère. Si on augmente le rayon de la sphère, la puissance par unité de surface va diminuer, puisque la même puissance se répartit sur une surface plus grande. Par exemple, si on se place deux fois plus loin, la puissance est répartie sur une sphère de surface quatre fois plus grande, et la puissance par unité de surface sera quatre fois plus petite. Pour cette raison, la puissance par unité de surface décroît en 1/rcarré.


Antenne de réception.

Une antenne, en réception, va intercepter l’énergie de l’onde qui arrive sur l’antenne, et fournir une puissance électrique à ses bornes. Tout se passe comme si l’antenne, en réception, interceptait l’onde qui arrive dans une certaine surface : c’est la surface équivalente de l’antenne. Avec une analogie lumineuse, pensez à un panneau solaire qui transforme en énergie électrique le rayonnement qui parvient sur sa surface ....


Polarisation d’une antenne.

Il s’agit de la direction du champ électrique de l'onde. Si nous voulons recevoir une onde polarisée verticalement, nous devrons placer l’antenne de réception « en polarisation verticale » de façon à recevoir le maximum de puissance. Chaque fois que nous voudrons recevoir une puissance maximale, nous devrons placer l’antenne selon la polarisation convenable. Pour les antennes constituées de brins conducteurs, la direction des ces brins rayonnants donne généralement la direction de polarisation... 

Bande passante d’une antenne

Une antenne ne joue pleinement son rôle que si les fréquences des signaux mesurés se trouvent dans la bande de fonctionnement de l’antenne, appelée généralement « bande passante ». 

A sa fréquence d'accord Fo, l'antenne doit idéalement présenter une résistance pure R , égale à la résistance que lui présente la ligne de transmission.  Pour des fréquences proches de Fo,  l'impédance de l'antenne sera différente, et notamment présentera une partie imaginaire. Si cette impédance est proche de l'impédance idéale, l'antenne continuera à absorber la majeure partie de l'énergie  et   Fo sera  encore dans la bande passante de l'antenne. 

La bande passante dépend du type d'antenne. Si on cherche à réduire les dimensions d'une antenne bien en deçà de la demi-onde , on constate une réduction de la bande passante.  

 

Gain d’une antenne.

Il n’existe pas d’antenne isotrope dans la réalité. Toutes les antennes ont des directions pour lesquelles le rayonnement est plus intense, et des directions de rayonnement plus faible.

Imaginons que l’on applique une puissance P à une antenne isotrope, et que l’on mesure la puissance récupérée par une antenne de réception placée à une certaine distance. Puis remplaçons cette antenne isotrope par une « antenne à gain », et orientons cette dernière pour obtenir le maximum de puissance sur l’antenne de réception.

La puissance reçue par l’antenne de réception aura augmenté, comme si on avait augmenté la puissance émise. On peut exprimer ce gain en dB : C’est le gain d’une antenne par rapport à une antenne isotrope.( gain/ iso).


Diagramme de rayonnement :

Dans le paragraphe précédent, nous avons orienté l’antenne à gain dans la direction considérée, de façon à obtenir le maximum de rayonnement dans cette direction. Mais l’antenne rayonne aussi dans les autres directions, et on pourrait parler du gain ( ou de l’atténuation) dans toutes les directions possibles : c’est le diagramme de rayonnement de l’antenne.

Plutôt que de représenter ce diagramme dans l’espace, on préfère le représenter dans deux plans particuliers, le plan qui porte le vecteur champ E, et le plan qui porte le vecteur champ H.

Distance minimale à une antenne.

Une onde électromagnétique se propageant en espace libre est caractérisée par un champ électrique E et un champ magnétique H vibrant de concert...E et H sont perpendiculaires entre eux et perpendiculaires à la direction de propagation. et se propagent à la vitesse de la lumière. 

Lorsque l’onde quitte l’antenne, loin de celle-ci, le rapport E/H finit par se stabiliser, et est égal à 377 Ohms. Cela se produit à une distance de l'ordre de la demi-onde.

On pourrait donc penser qu’il suffit de se mettre à cette distance pour mesurer le rayonnement d’une antenne. En réalité, pour la plupart des antennes, notamment celles qui ont du gain,  une autre condition doit être respectée pour mesurer le gain  :

L’antenne doit être éloignée d’une distance supérieure à la distance dite « de Fraunhofer », pour que le gain annoncé par le constructeur soit respecté.

Si  L est la plus grande dimension de l’antenne, cette distance est de l’ordre de

D = 2(Lcarré )/ λ

Cette distance est faible pour un dipôle demi-onde, mais devient très grande si on a une antenne à gain important...

Atténuation entre deux antennes:

On peut se poser la question de savoir quelle puissance recevra une antenne placée à une distance D d'une antenne d’émission ? (Nous supposons évidemment qu'il n'y a pas d'obstacles entre les antennes.)  

Considérons d'abord des antennes isotropes:

L’atténuation entre la puissance appliquée à une antenne isotrope et la puissance reçue par une autre antenne isotrope à la distance D sera :

Atténuation ( en dB) = 22dB + 20 log ( D / lambda).

Exemple : Une antenne isotrope d’émission reçoit une puissance électrique de 1 watt à une fréquence de 1 GHz . On place à 3 mètres une autre antenne isotrope de même polarisation . Quelle est la puissance disponible en sortie de cette antenne ? La longueur d’onde est l = c/F = 30 cm .

L'atténuation est donc 22 dB + 20 log ( 300/30) = 42 dB

La puissance émise est de 30 dBm. La puissance reçue est donc :

30 dBm – 42 dB = -12 dBm.

Maintenant si nous avons des antennes à gain, nous dirigerons les deux antennes l'une vers l'autre, avec la polarisation convenable, et nous ajouterons au niveau calculé ci-dessus le gain des deux antennes.  A condition, bien sur de respecter les distances minimales citées dans le paragraphe précédent.



La PIRE d’un objet rayonnant.

Ce concept est important pour ceux qui font des mesures de CEM , car souvent les normes indiquent les limites de rayonnement permises sous forme de PIRE (Puissance isotrope rayonnée équivalente).

Considérons un objet qui rayonne sur une fréquence. Pour mesurer son rayonnement, nous avons placé à une certaine distance une antenne de réception.

Nous orientons l’objet dans toutes les directions possibles, de façon à recevoir un signal maximum sur notre antenne de réception.

Lorsque cette position est trouvée, nous nous posons la question suivante :

Si nous remplaçons l’objet par une antenne isotrope, quelle puissance devra t-on appliquer à cette antenne pour recevoir le même niveau de puissance sur notre antenne de réception ?

Cette puissance est la PIRE.( puissance isotrope rayonnée équivalente)

La PIRE d’une antenne.

Si l’objet rayonnant est une antenne, la PIRE s’obtient simplement en ajoutant le gain /iso de cette antenne à la puissance qu’on lui applique.

Exemple : On applique une puissance de 1 watt à une antenne de 13dB de gain/ iso.

La PIRE est de 20 Watts. (1 watt + 13 dB)

Comme pour l’objet rayonnant, on a supposé que l’on considérait la direction dans laquelle l’antenne rayonne le maximum d’énergie.

Maintenant, quelques antennes courantes ...

Le dipôle demi-onde

Le dipôle demi-onde est l’antenne la plus utilisée en radiocommunications. Il est composé d’un conducteur métallique ( brin ou tube) de longueur pratiquement égale à la demi-onde de la fréquence . 

Ainsi, pour une fréquence de 1000 MHz, la demi-onde sera   L = 0,5 C/F = 15 cm

En réalité, le diamètre influence un peu la longueur optimale du dipôle, si le brin  qui le compose est d’un diamètre important, pour obtenir la résonance, la longueur sera légèrement inférieure à la demi-onde. Mais ce n’est pas critique, car plus le diamètre du dipôle est important, plus sa bande passante sera large et sa longueur peu critique. Par exemple, un dipôle constitué d'un tube de diamètre 1cm devra mesurer 14 cm au lieu de 15cm. …

Impédance du dipôle : Si on coupe le dipôle en son centre, les deux points issus de la coupure présentent une impédance Z = R + jX  . A la fréquence de résonance,  la réactance X est nulle, et il ne reste que la résistance R  appelée "résistance de rayonnement". Si le conducteur était infiniment fin, cette résistance serait de 73 ohms.  

Rappelons que la résistance de rayonnement est une résistance fictive , et que la puissance qu’elle « dissipe » est la puissance rayonnée. Cette puissance, pour une antenne, est donc la puissance « utile » .

En pratique, aux fréquences UHF,  le diamètre peut être de l'ordre du  vingtième de la longueur, donc le dipôle sera légèrement plus court que lambda/2 , et  la résistance de rayonnement  sera autour de 60 ohms. Si ce dipôle est  alimenté par un câble  Zc = 50 ohms , alors la puissance réfléchie  sera de l'ordre de 1%, soit -20 dB de la puissance directe,  ce qui est  acceptable.

( Le ROS, Rapport d'ondes Stationnaire, sera  60 /50 = 1,2 )

Rayonnement du dipôle : L’onde est polarisée parallèlement au dipôle.

Le dipôle ne rayonne pas de façon identique dans toutes les directions. Dans l’axe du brin  le rayonnement est quasi nul. Par contre, il est maximum dans la direction perpendiculaire au brin.

  Dans cette direction, le dipôle rayonne 2dB de plus que ne le ferait une antenne « isotrope ».

On dit que le dipôle possède un gain de 2 dB /iso.

Notons que le gain est le même en émission et en réception, comme pour toutes les antennes.

FIG181

FIG180

Tensions et courants sur un dipôle demi-onde.

C'est le centre du dipôle qui est le siège du courant maximum, et ce courant diminue au fur et à mesure qu'on se rapproche des extrémités . on dit que le centre est un "ventre " de courant, et les extrémités un "noeud" de courant. Les extrémités du dipôle sont le siège du maximum de tension par rapport à l'environnement ( mais inversée) 

La figure ci-dessous schématise le courant et la tension du dipôle.

 Ces termes vous rappelleront une analogie avec une corde vibrante, qui peut avoir un "ventre" d'amplitude du déplacement en son centre. L'analogie avec les ondes stationnaires est une bonne description intuitive de ce qui se passe avec les antennes, qui sont également des résonateurs comme les cordes vibrantes . 

Le dipôle demi-onde peut aussi être considéré comme un circuit accordé :  Dans un circuit LC, l'énergie sous forme de champ magnétique est localisée dans l'inductance, et l'énergie sous forme de champ électrique est localisée dans le condensateur. Dans le dipôle, l'énergie sous forme magnétique est localisée autour de la partie centrale, car le courant y est maximum. L'énergie sous forme de champ électrique est localisée vers les extrémités, où le champ électrique est maximum. 

Dans un circuit LC, si on rajoute une capacité en parallèle sur celle existante, on va baisser la fréquence de résonance. On peut donc prédire que si on rapproche un objet métallique des extrémités d'un dipôle, on va augmenter sa capacité terminale, donc baisser sa fréquence de résonance...

FIG100

Perturbation du dipôle par son environnement :

Idéalement, le dipôle devrait être éloigné de toutes masses métalliques, car celles-ci peuvent le perturber, notamment si une masse métallique est approchée de ses extrémités, l’accord passe sur une fréquence plus basse ..

Et si on place le dipôle parallèlement à un plan conducteur ? Dans ce cas, la fréquence d’accord ne varie pas  mais c’est la résistance de rayonnement qui s’effondre d’autant plus que la distance dipôle- plan est faible. Si le dipôle est placé très près de ce plan conducteur, la résistance de rayonnement sera très faible, le coefficient de surtension augmente ra fortement...En fait, nous  avons réalisé alors un résonateur demi-onde comme indiqué dans le chapitre "lignes de transmission" , et il  sera difficile d'adapter cette antenne car la résistance de rayonnement sera très faible.....

  Par contre, si le dipôle est placé à un quart d’onde de ce plan métallique, le rayonnement sera renforcé dans la direction opposée au plan. On dit que le plan joue alors le rôle de réflecteur.

Le câble coaxial qui alimente le dipôle baigne dans le champ rayonné par le dipôle: un courant induit pourra se former à la surface extérieure du câble ( courant de gaine) . Pour éviter ce problème, il est nécessaire que le câble arrive perpendiculairement au dipôle

Symétriseur ou "balun" :

Si le dipôle est alimenté par un câble coaxial,  l'âme du câble sera connectée à un brin du dipôle, et le blindage du câble sera connecté à l'autre brin du dipôle.  A l'intérieur du câble , nous avons  deux courants:

- un courant qui circule dans l'âme du câble. Ce courant passe dans l'un des brins du dipôle. 

- un courant opposé qui circule à la surface intérieure du blindage. Ce courant doit passer dans l'autre brin du dipôle. 

Mais il arrive qu'une partie de ce courant puisse aller  aussi à la surface extérieure du câble, ( si celle-ci présente une impédance plus faible que le brin du dipôle connecté au blindage)  . Dans ce cas, ce courant extérieur  au câble causera  des perturbations: En émission, des courants RF importants remonteront vers les équipements.  En réception, le câble fera partie de l'antenne et pourra capter des parasites rayonnés par les équipements .

  Pour éviter ce problème, on met en place parfois un  "symétriseur".  Le symétriseur sera conçu de façon à présenter une haute impédance aux courants qui pourraient s’établir à la surface EXTERIEURE du blindage.

Exemple de Symétriseur

Pour éviter qu’un courant ne s’établisse à la surface extérieure du blindage du câble, on peut dispose d’une « trappe quart d’onde », constituée d’un tube de longueur un quart d’onde , autour du câble coaxial, dès son départ. On a vu qu’une ligne quart d’onde court-circuitée à son extrémité présentait une impédance infinie. FIG102

On pourra aussi bloquer le courant extérieur par un tube de ferrite "suppresseur de mode commun"...

FIG182

L’antenne quart d’onde  : La plus facile à réaliser !! 

Elle est constituée ;

- d’un brin conducteur de longueur lambda /4 , ou un petit peu moins, car, comme pour le dipôle, si le conducteur est un tube de gros diamètre , ou un conducteur plat large, la longueur sera légèrement plus faible. Ce brin  est connectée normalement à l’âme du câble coaxial qui apporte la RF.

- d'un plan de sol auquel sera connecté le blindage du câble coaxial : Ce plan de sol est indispensable pour toute antenne quart d’onde.

Le plan de sol peut-être :

-Soit un plan métallique très grand, perpendiculaire au brin rayonnant quart d’onde. ( exemple un toit métallique de véhicule)

-Soit un plan métallique plus petit, par exemple un disque de rayon lambda/ 4 environ.

-Soit un boitier métallique d’appareil de radiocommunication, à condition que ses dimensions ne soient pas trop petites par rapport au quart d’onde.

-Soit plusieurs brins « de sol » de longueurs environ lambda/ 4 , disposés en rayons et perpendiculaires au brin rayonnant central.

-Soit Plusieurs brins comme ci-dessous, mais inclinés, ce qui va augmenter la résistance de rayonnement,. C’est l‘ « antenne ground plane ».  Voir FIG 104 

Remarquons que si le plan de sol est un brin unique dans l'axe de l'autre brin, on retrouve le dipôle demi-onde..

FIG184

FIG187

Le courant est indiqué par les flèches rouges de la figure. On a vu que dans le câble coaxial, nous avons deux courants en opposition de phase ( de sens opposé à tout instant) , le courant dans l’âme et le courant à la surface intérieure du blindage. Ce courant à la surface intérieure du blindage est NECESSAIRE. Il doit donc trouver un chemin. Ici, il va aller dans  les brins de sol.

Si les brins de sol sont absent, on aura des gros problèmes, car ce courant « de gaine » va alors passer à l’extérieur du blindage ( FIG105) , et le câble coaxial sera inclus dans l’antenne . Cela sera la source de problèmes en réception, car le câble peut passer dans des environnements pollués ( notamment par des appareils numériques …)…Source de problèmes aussi en émission : perturbations des appareils audio, etc…

FIG185

La résistance de rayonnement de l’antenne quart d’onde est la moitié de celle du dipôle demi-onde, c'est-à-dire une trentaine d’ohms. Si on incline les brins , ( FIG104) on obtient 50 ohms, résistance idéale pour la connexion à un câble d’impédance caractéristique 50 ohms…

Les perturbations sont les mêmes que pour un dipôle. En particulier, le sommet de l’antenne est un point à haute impédance ( point chaud) ; Si on rapproche ce sommet d’une masse conductrice, le rayonnement de l’antenne s’effondre.

Lors de l’utilisation d’une telle antenne, on prendra donc soin de ne pas rapprocher son sommet d’un quelconque conducteur. 

   Il suffit d’ailleurs d’approcher la main du sommet de l’antenne pour voir son rayonnement s’effondrer !  On peut d'ailleurs ainsi s'assurer si grossièrement  l'antenne est à la résonance: Si en approchant la main du sommet, le rayonnement baisse, l'antenne est proche de la résonance, peut-être un peu trop longue....Si en approchant la main du sommet, le rayonnement commence d'abord par augmenter, cela signifie que l'antenne est trop courte, puisqu'un rajout de capacité améliore l'accord.....

La bande passante  de l'antenne quart d'onde.

Comme pour le dipôle, la bande passante sera d'autant plus large que le brin rayonnant sera lui aussi large.  Ainsi, un brin constitué d'un fil aura une bande passante étroite (  tout est relatif, car l'antenne quart d'onde possède quand même une bande large, comparée à d'autres antennes) . 

Par contre, si le brin est constitué d'un tube large  ou d'une  "plaque" métallique de largeur égale au tiers de sa longueur, la bande passante sera de l'ordre de 30 %. Par ailleurs, plus on élargira ce brin, plus il faudra le raccourcir par rapport au quart d'onde d'origine. 

Dans le cas d'une plaque large, on pourra découper un profil en forme d'ellipse , de façon à réduire la capacité entre le bas de la plaque et le plan de sol...

L'antenne boucle :

L’antenne boucle est constituée d’une boucle de périmètre nettement inférieur à la demi-onde, refermée sur une capacité d’accord. On peut donc la considérer comme un circuit LC .

La résistance de rayonnement d’une boucle circulaire de diamètre D est

r = 300 ( p/lambda)puissance4 ( où p est le périmètre de la boucle)

Le rendement de l’antenne sera fonction du rapport entre la résistance de rayonnement et

la résistance ohmique. Si nous réduisons trop les dimensions, la résistance de rayonnement va devenir beaucoup plus faible que la résistance ohmique, et le rendement de l’antenne va fortement baisser.

Supposons par exemple une boucle de diamètre 2 cm sur 434 MHz

( lambda = 70 cm)

La résistance de rayonnement est alors de 20 milliohms.

La résistance ohmique est fonction de la section du conducteur. Supposons qu’elle soit de 200 milliohms si le conducteur est large. Le rendement sera alors de 10 %. Si maintenant on réduit de moitié le diamètre, avec le même conducteur, La résistance de rayonnement est divisée par 16, et la résistance ohmique divisée par 2. Donc le rendement est divisé par 8, et n’est plus que de 1,2 % ….

Si c’est possible, il y a tout intérêt à utiliser un conducteur assez large pour la boucle, ce qui aura deux avantages :

- Réduction de la résistance ohmique du conducteur, donc augmentation du rendement.

- Réduction de l’inductance ZL , donc réduction du coefficient Q = ZL/r , et donc augmentation de la bande passante. N’oublions pas qu’un des principaux problèmes de ces antennes de dimensions réduites, c’est la bande passante…. 

Adaptation de l’antenne boucle

Il va falloir trouver comment adapter la résistance série de ce circuit qui a un fort coefficient de surtension Q, à la source 50 ohms du signal … On appliquera les règles vues dans le chapitre « adaptation par circuit LC ».

Supposons que l’antenne ait un Q de 80 et une résistance série totale ( rayonnement et pertes joule) de 1 ohm. La résistance au point chaud est de donc de 1 ohm x Q2 = 6400 ohms ( voir chapitre 2) . On peut trouver sur le conducteur un point à 50 ohms, en utilisant la règle que nous avons vue du pont inductif. Ce point sera à une distance x de la masse, x = racine carrée de ( 50/6400) = 9 % de la longueur totale de la boucle.

FIG106

FIG186

L'antenne patch : un exemple l'antenne patch demi-onde

( SPA)

Rapprochons un dipôle demi-onde d'un plan de masse parallèle. La résistance de rayonnement va s’effondrer, passer de 60 ohms à quelques ohms. Plus le dipôle sera proche du plan , plus la résistance de rayonnement sera faible . En effet, le courant dans la masse va produire un champ qui va s'opposer au champ produit par le courant dans l'antenne. Et cela d'autant plus que l'antenne sera proche de la masse. A la limite, nous obtenons une ligne résonante demi-onde, voir le chapitre "lignes de transmission"...

Le rendement va s’effondrer si cette résistance de rayonnement devient bien inférieure à la résistance ohmique. Pour retrouver le rendement, il faut diminuer la résistance ohmique, et donc avoir un conducteur très large, pratiquement aussi large que long, ce qui donnera une "surface" résonante.

Par ailleurs, si nous plaçons un diélectrique à forte constante diélectrique entre le brin rayonnant et le plan de masse, du fait du coefficient de vélocité, nous raccourcissons l’antenne. Par exemple, pour une céramique de epsilon = 81, le quart d'onde est neuf fois plus court. Finalement, avec tout cela, nous obtenons une « antenne patch » sur céramique… Pour la faire rayonner, il faudra trouver un point de la surface qui présente une résistance de 50 ohms par rapport à la masse.

On pourra encore réduire les dimensions en faisant des fentes adéquates sur la surface: Si on oblige ainsi le courant à se concentrer en certains points, on augmente l'inductance. Si cette inductance est augmentée dans les zones parcourues par un courant élevé, on diminue la fréquence de résonance. Mais on diminue encore la bande passante....

On peut augmenter cette bande passante en disposant au dessus de la première surface résonante, une seconde surface . ( "stacked patch", antenne multicouches) Le surcouplage adéquat des deux surface résonantes va permettre d'augmenter la bande passante.

Un avantage de l'antenne patch, mise à part le gain de place, c'est la stabilité de la fréquence de résonance, car les champs sont à basse impédance et confinés, donc moins sensibles aux variations de capacités dues à l'environnement. Par ailleurs, la céramique est stable et possède peu de pertes, donc l'augmentation du Q due aux dimensions réduites ne se traduit pas par une chute trop grande du rendement.

Alimentation du patch: Vu que la résistance de rayonnement , en série, est très basse, il faudra se connecter en parallèle pour trouver une résistance de 50 ohms. L'alimentation se fait donc entre un point bien précis de la surface et la masse... Tout cela par simulation, avec un logiciel électromagnétique 3D.

.Problème des antennes intégrées sur un appareil portable.

Lors qu’une antenne est intégrée sur un appareil de petites dimensions, nous aurons un problème de compatibilité électromagnétique :

- Dans le sens émission, le rayonnement de l’antenne peut perturber les fonctions de l’appareil

-Dans le sens réception, les rayonnements de l’appareil peuvent être captés par l’antenne, et perturber la réception.

Pour éviter ces problèmes, il faudra qu’un blindage efficace protège l’appareil.

Il faudra s’intéresser non seulement le blindage lui-même, mais aussi aux conducteurs extérieurs qui entrent dans l’appareil ( micro, HP,…) car nous aurons alors à traiter un problème de CEM : le "mode commun". ( voir le chapitre routage des cartes) 

Par exemple, si l'appareil émet plusieurs watts avec une modulation dont l' enveloppe n'est pas constante, ( AM, SSB, etc..) alors la RF pourra perturber l'ampli du microphone si cet ampli n'est pas protégé. 

Pour les antennes émettant de très petites puissances, il n’est pas toujours nécessaire de blinder la partie électronique par rapport à l’antenne. 

Mais le problème se pose très souvent en réception, si la carte comprend des circuits numériques, car ces circuits sont très polluants du point de vue électromagnétique .


Cas d’une antenne boucle : On évitera d’inclure l’antenne dans la masse de la carte , donc ,  FIG186, minimiser la distance D.

On pourra aussi placer l’antenne sur la face extérieure de la couche de masse , car les courants qui passent sur une surface ne sont pas présents sur l’autre surface, si l’épaisseur du cuivre est égale à 7 ou 8 fois l’épaisseur de peau.

A 500 MHz, l’épaisseur de peau du cuivre est de l’ordre de 3µ . Donc un plan de masse de 20 µ sera déjà efficace ….

Cas de l’antenne quart d’onde.

Lorsque une antenne quart d’onde est utilisée, la masse de la sortie RF doit être en contact avec le blindage à proximité immédiate de la sortie antenne.

Il faut bien voir qu’à partir de la base de l’antenne, un courant RF va circuler dans le blindage, car ce blindage est aussi plan de sol pour l’antenne…Le boitier de l’appareil fait donc partie intégrante de l’antenne !

FIG108. 

FIG188