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Antenne Liaison 16 UHF AS-4127A en chambre anéchoïque.

Caractéristiques principales des antennes

Le fonctionnement d'une antenne peut être décrit par de nombreuses caractéristiques permettant de mesurer à la fois ses performances électriques et sa manière de rayonner les ondes dans l'espace. Une liste, non exhaustive, faisant généralement consensus est la suivante :

• Les diagrammes de rayonnement, qui sont des représentations graphiques d'une propriété de rayonnement de l'antenne comme fonction de l'espace, telle que gain, la directivité ou encore le niveau de champ, pouvant être caractérisée en champ proche comme en champ lointain. En pratique, c'est souvent le diagramme de gain réalisé qui est sous-entendu.
• L'efficacité, ou le rendement de l'antenne, qui mesure la quantité d'énergie perdue sous une autre forme que le rayonnement.
• La valeur de l'impédance en entrée.
• La, ou les fréquences d'utilisation, la bande passante.
• La polarisation.

Diagramme de rayonnement

L'énergie rayonnée par une antenne est répartie inégalement dans l'espace, certaines directions étant privilégiées. Ainsi, un diagramme de rayonnement est la distribution spatiale d'une quantité caractérisant le champ électromagnétique généré par une antenne. Un diagramme de rayonnement représente le module de la quantité étudiée sur un repère 3D sphérique, ou dans un repère polaire 2D en réalisant un plan de coupe. Ce dernier est souvent utilisé pour des antennes présentant une symétrie axiale, telle que l'antenne dipolaire.

Diagramme de rayonnement présentant un lobe principal, un lobe arrière et une multitude de lobes secondaires en périphérie.

Pour une antenne directive, les zones de rayonnement les plus intenses se distinguent graphiquement sous la forme de "lobes". Ainsi, on parle de "lobes principaux" et "lobes secondaires". Le diagramme de rayonnement d'une antenne permet de visualiser ces lobes dans les deux ou trois dimensions, dans le plan horizontal ou dans le plan vertical incluant le lobe le plus important. L'optimisation de la géométrie de ces lobes, à la fois pour maximiser le gain dans le lobe principal, et le minimiser dans les lobes secondaires, est une problématique entière en conception d'antennes.

Exemples de diagrammes de rayonnement idéaux.

L'antenne isotrope est une antenne idéale irréalisable en pratique dont le diagramme de rayonnement est uniforme dans toutes les directions.

Les quantités les plus souvent étudiées via un diagramme de rayonnement sont listées ci-dessous.

Fréquence d'utilisation

Une antenne s'utilise en général avec des signaux autour d'une fréquence donnée pour laquelle l'antenne possède des capacités optimales pour émettre ou recevoir l'énergie électromagnétique correspondante dans l'espace environnant. La fréquence de résonance d'une antenne dépend d'abord de ses dimensions propres, mais aussi des éléments qui lui sont ajoutés : on peut la mesurer approximativement avec un dipmètre. Par rapport à la fréquence de résonance centrale de l'antenne, un affaiblissement de 3 dB détermine les fréquences minimum et maximum d'utilisation ; la différence entre ces deux fréquences correspond à la bande passante.

Par exemple, une antenne classique est l'antenne dipôle demi-onde, qui résonne à la fréquence pour laquelle sa longueur est d'une demi longueur d'onde avec une largeur de bande d'environ 1 % si elle est très mince. En pratique, et pour les fréquences élevées, le diamètre du conducteur n'est plus négligeable par rapport à la longueur d'onde, ce qui augmente considérablement sa bande passante. En règle générale:

• la bande passante d'une antenne diminue si l'antenne devient petite par rapport à la demi-onde : il n'existe pas d'antennes large bande et compactes. Du moins avec des pertes raisonnables.
• la bande passante d'une antenne filaire augmente si le diamètre du conducteur augmente.

Certaines antennes dites « multibandes » peuvent fonctionner correctement sur des segments discontinus de bande de fréquences sans dispositif particulier. D'autres nécessitent l'emploi d'un circuit adaptateur d'impédance pour fonctionner correctement.

Impédance d'antenne

L'impédance d'antenne est la généralisation de la notion d'impédance utilisée pour les autres composants passifs (résistances, condensateurs, bobines…) appliquée aux antennes. Il s'agit donc du rapport complexe observé entre la tension et le courant à l'entrée d'une antenne en émission. L'utilité de cette notion est importante pour assurer les meilleurs transferts d'énergie entre les antennes et les dispositifs qui y sont connectés grâce aux techniques d'adaptation.

Une antenne prise entre ses deux bornes d'accès constitue donc un dipôle ayant une impédance complexe $R+jX$ où $R$ et $X$ représentent respectivement la résistance et la réactance de l'antenne. La résistance d'antenne $R$ est elle-même la somme de deux types de résistance qui traduisent les différentes utilisations de l'énergie absorbée : la première $Rp$ est la résistance liée aux pertes par effet Joule dans l'antenne tandis que la deuxième $Rr$ est la résistance de rayonnement liée à l'énergie utile rayonnée par l'antenne dans l'espace qui l'entoure.

$R=Rp+Rr$

On dit d'une antenne qu'elle résonne sur une fréquence si à cette fréquence le terme imaginaire $jX$ est nul. La puissance absorbée par l'antenne est la puissance absorbée par la résistance $R$. La résistance de rayonnement $Rr$ est parfois qualifiée de fictive, car elle n'est pas soumise à la loi de Joule : en effet, la puissance absorbée par cette résistance est, à la différence d'une véritable résistance, transformée en rayonnement électromagnétique.

Très souvent, les constructeurs des antennes cherchent à obtenir une résistance pure $R=$ 50 ohms, et $X=0$ afin de pouvoir alimenter cette antenne par une ligne 50 ohms (plus rarement 300 ou 600 ohms) mais toujours 75 ohms pour les antennes de la TNT. En effet, idéalement, l'antenne doit présenter à sa ligne d'alimentation une résistance pure égale à l’impédance caractéristique de cette ligne. La ligne d'alimentation fonctionnera alors "en onde progressive". Cette condition est pratiquement toujours recherchée aux fréquences au-delà de 30 MHz, car elle optimise le transfert d'énergie et surtout assure la transmission d'un signal fidèle en n'imposant pas de conditions sur la longueur de cette ligne. La mesure du rapport d'ondes stationnaires permet de s'assurer que la ligne fonctionne en onde progressives.

Cependant, pour les fréquences basses, il est parfois impossible d'obtenir une impédance résistive de 50 ohms. On doit alors intercaler entre l'antenne et la ligne d'alimentation un transformateur d'impédance qui aura pour but de transformer l'impédance complexe de l'antenne en une résistance pure, généralement de 50 ohms. C'est un dispositif d'adaptation ou adaptateur d'antenne.

Le dispositif d'adaptation est parfois constitué par la ligne elle-même. La longueur de la ligne devient alors critique, et le rapport d'ondes stationnaires est élevé.

Polarisation

La polarisation d'une antenne est celle du champ électrique E de l'onde qu'elle émet. Un dipôle demi-onde horizontal a donc une polarisation horizontale, d'autres antennes ont une polarisation elliptique ou circulaire.

Dans cette optique de réception terrestre on peut considérer que l'antenne "type Yagi" atténue le signal d'un facteur 10 soit (10 db) lors de sa rotation du mode de réception horizontale au mode de polarisation verticale pour un même émetteur.

En réception, l'écart entre la polarisation reçue et celle de l'antenne crée une atténuation pouvant être totale si la polarisation est perpendiculaire. La polarisation circulaire est utilisée si les antennes d'émission et réception sont orientées de façon aléatoire, par exemple pour les satellites défilants ou non stabilisés.

Rendement

La somme des puissances émises dans toutes les directions définit la puissance effectivement rayonnée. Le rapport avec la puissance fournie par la ligne de transmission définit son rendement. La résistance (partie réelle de l'impédance) présentée par l'antenne a deux origines :

• la résistance de rayonnement. L'énergie absorbée par la résistance de rayonnement est l'énergie rayonnée par l'antenne.
• la résistance de pertes. L'énergie absorbée par cette résistance est dissipée en chaleur par l'antenne, par effet joule dans les résistances ou par pertes dans les diélectriques.

Le rendement est fonction du rapport entre ces deux résistances. Une antenne aura un bon rendement si la résistance de pertes est faible devant la résistance de rayonnement. Les antennes du type dipôle demi-onde ou monopole ont en général une résistances de rayonnement bien plus élevées que leur résistance de pertes, et leur rendement reste donc bon. Par contre, si l'antenne possède des dimensions faibles par rapport au dîpôle demi-onde, sa résistance de rayonnement va diminuer. C'est alors que se posera vraiment le problème du rendement et qu'il faudra chercher à réduire aussi la résistance de pertes (qualité des surfaces conductrices, élargissement des conducteurs…).

Si on considère la puissance appliquée à l'entrée de la ligne de transmission, le rendement est évidemment plus faible, puisqu'une partie de l'énergie est dissipée dans cette ligne. Une ligne est caractérisée par les pertes en dB par unité de longueur, pour une fréquence donnée. Mais si la ligne est le siège d'ondes stationnaires du fait de la désadaptation, les pertes dans la ligne seront encore supérieures.

Puissance maximale en émission

Le rendement définit la puissance effectivement rayonnée, la puissance non rayonnée est dissipée thermiquement soit dans les fils, raccords, visseries, etc., ce qui limite la puissance moyenne tolérée. La puissance crête maximale tolérée dépend du champ électrique avant amorçage en chaque point de l'antenne, dans les lignes, pointes, guides, supports, isolants. Le point le plus critique est en général la ligne de transmission, coaxiale ou guide : son diamètre doit être adapté, ainsi que son diélectrique.

Formes et dimension

Une antenne multibandes HF de type Yagi rotative.

Antenne de radiogoniométrie

La forme et les dimensions d'une antenne sont extrêmement variables : celle d'un téléphone portable est parfois invisible car à l'intérieur du boîtier ou se limitant à une petite excroissance sur l'appareil, tandis que la parabole du radiotélescope d'Arecibo dépasse 300 m de diamètre. Très grossièrement on peut dire que pour la même fréquence d'utilisation, les dimensions d'une antenne seront d'autant plus grandes que son gain sera élevé et son lobe principal plus étroit.

Les antennes directives peuvent être fixes pour les liaisons point à point, ou rotatives en télécommunications mobiles. Les antennes de poursuite des satellites sont orientables en azimut (direction dans le plan horizontal) et en site (hauteur au-dessus de l'horizon).