Le gain des antennes

Antenne isotrope

L’antenne isotrope est un modèle théorique qui sert de référence pour le calcul du gain des antennes. On la représente comme un point dans l’espace qui rayonnerait de la même façon dans toutes les directions. Son gain est de 1 ou, exprimé en décibel, il est de 0 dBi (décibel par rapport à l’antenne isotrope).

Analogie avec un luminaire

Une façon pratique de comprendre ce qu’est le gain d’une antenne est de faire une expérience avec une lampe de poche. L’ampoule nue rayonne dans toutes les directions (ou presque). Le flux lumineux est le même quelque soit la direction. Si on place un réflecteur derrière cette ampoule, les rayons lumineux vont être concentrés vers une direction privilégiée. La puissance dissipée est la même mais l’éclairement dans l’axe du réflecteur sera plus élevé au détriment des autres directions, en particulier de l’arrière du réflecteur.

Pour les antennes, un phénomène identique se produit. Par exemple, le dipôle demi-onde rayonne principalement dans le plan perpendiculaire à son axe et pratiquement pas dans le prolongement des brins comme sur la figure ci-contre. Le fait de concentrer l’énergie rayonnée dans une ou plusieurs directions privilégiées a le même effet qu’une augmentation de la puissance émise : un gain de 3 décibels au niveau de l’antenne équivaut à doubler la puissance de l’émetteur.

D’où vient le gain d’une antenne ?

 

Prenons le cas du doublet demi-onde dans l’espace. Si l’on coupe le tore par un plan contenant son axe (et le dipôle par la même occasion) on obtient le diagramme ci-contre avec le profil du tore représenté en gris. En fond bleu est représenté le rayonnement de l’antenne isotrope dans l’espace avec la même puissance d’émission. Tout se passe comme si l’énergie que l’antenne isotrope rayonne suivant les directions proches de l’axe du tore était utilisée pour renforcer le rayonnement dans le plan perpendiculaire à son axe (flèches rouges). En fait le gain d’une antenne n’est qu’une autre façon de répartir le rayonnement en favorisant certaines directions au détriment des autres.

Le gain en dB d’une antenne

On exprime généralement le gain d’une antenne en décibels, soit par rapport au dipôle, soit par rapport à l’antenne isotrope.

L’unité utilisée dans le premier cas est le dBd (décibel par rapport au dipôle) et dans le second cas le dBi (décibel par rapport à l’antenne isotrope. Le dBd est une unité pratique car elle permet de se faire une idée de l’amélioration apportée par l’antenne à gain mais le dBi est une meilleure référence car elle est universelle.

La différence entre le dBi et le dBd est 2,15 décibels, autrement dit un dipôle demi-onde a un gain de 2,15 dBi.

Dans les catalogues et publicités des fabricants, il est fréquent que les gains des antennes soient exprimés simplement en dB sans autre précision. Par précaution on considérera qu’il s’agit de dBi plutôt que de dBd. D’autant plus que les gains annoncés sont parfois délibérément exagérés et quand ils sont exacts, ils sont alors souvent exprimés par rapport à l’antenne isotrope.

Réversibilité de l’antenne

L’antenne est un dispositif réversible, on bénéficie de ses performances à la fois en émission et en réception. Le fait d’utiliser une antenne présentant un gain de 6 dBd a un double avantage :

  • en émission : effet équivalent à quadrupler la puissance de l’émission (voir PER et PIRE)
  • en réception : tous les signaux provenant de la direction du lobe principal de l’antenne seront amplifiés de 6dB.Relation entre dimensions du lobe principal et gain de l’antenne

 

Comme le gain est d’autant plus grand que l’énergie est rayonnée en un faisceau étroit, il est possible d’estimer grossièrement le gain d’une antenne en mesurant les deux angles d’ouverture à -3dB (qE verticalement et qA horizontalement). La formule suivante permet cette estimation pour des angles inférieurs à 90 degrés et pour des antennes dont le lobe principal se distingue nettement des lobes secondaires.

 G : gain en dBi de l’antenne, θE : angle d’ouverture en élévation (verticalement), θA : angle d’ouverture en azimut (horizontalement), Les angles sont exprimés en degrés.

 

 

Exemple :

Le gain théorique d’une antenne dont le lobe principal a une ouverture horizontale de 80 degrés et une ouverture verticale de 40 degrés est de 11 dBi. Ce gain est en pratique plus faible de 1 ou 2 degrés. On peut améliorer le gain d’une antenne omnidirectionnelle en diminuant la hauteur de son lobe principal, ce qui a pour effet de limiter le rayonnement vers les nuages. Ce principe est utilisé dans les systèmes d’antenne de téléphonie mobile, le but des opérateurs étant de couvrir avec une moindre puissance l’espace situé à très basse altitude, là où évolue la quasi totalité des utilisateurs.

 

Gain standard de quelques antennes

Le tableau ci-dessous n’a qu’une valeur très indicative car le gain d’une antenne ne dépend pas uniquement de sa forme, de ses dimensions ou du nombre de ses éléments. La qualité de sa réalisation, son vieillissement, les conditions de son installation… sont des facteurs importants.

 type d’antenne
angle d’ouverture
 gain (dBi) 
 H  V
 biquad SHF  50  50  11
 bi-square  60  4
 bobtail curtain  5
 cornet SHF 40  40  12
 cubical quad 2 éléments  9
 dipôle demi-onde  2,1
 delta-loop onde entière  3
 dipôle raccourci (exemple)  1,7
 discone  2
 hélice 10 spires  36  36  14
 log périodique 6 éléments actifs  10
 réseau 65 30  13
 parabole 4 m sur 435MHz  12 12  20
 verticale l/4  360  80  5
 turnstile  360  80  -0,8
 yagi 3 éléments horizontale près du sol  60  15  8
 yagi 7 éléments verticale dans l’espace  55  40  12

 

 

Comparaison du gain de deux antennes

Comparer deux antennes en ne s’intéressant qu’à leurs gains respectif peut avoir un intérêt pour les transmissions à vue directe sur UHF et SHF mais perd son sens pour les antennes sur les bandes décamétriques. La valeur de l’angle de départ doit être prise en compte car il détermine le mode de propagation qui va être privilégié. Comme chaque rebond sur le sol coûte entre 1 et 8 décibels et qu’un rebond dans l’ionosphère est encore plus ruineux (entre 3 et des dizaines de dB), on aura intérêt à utiliser un mode 1F plutôt que 2F. Ceci est plus facilement obtenu avec un angle de départ de 10 degrés qu’avec un angle de 30 degrés.

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