Types d’antennes et caractéristiques

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Dans le vide (ou dans l’air), les ondes radio se déplacent à la vitesse de la lumière (300.000 km/s). La longueur d’onde (mesurée en mètres et notée λ, lettre grecque minuscule lambda) est la distance parcourue dans le vide par l’onde au cours d’une durée égale à la période du signal. La fréquence (notée F et mesurée en hertz, Hz) est le nombre de période du signal par seconde. La fréquence sera souvent donnée dans un multiple du hertz. Quelques exemples :

  • 1 Hz = 0.0000010 MHz (Million d’hertz) ou 10-6 MHz (dix puissance moins six méga hertz)
  • 1 GHz (Milliard d’Hertz) = 109 Hz, ou 1000 MHz ou 106 MHz ou encore 1 000 000 kHz (Million)
  • 1 Kilohertz (Millier) = 1 000 Hz ou 103 Hz
  • 1 Mégahertz (Million d’hertz) = 1 000 kHz ou 106 Hz

Pour vous donner une idée de la durée d’un signal de 1 GHz. Prenez une 1 seconde, divisez la en 1 milliard de tranches égales, prenez une tranche et vous aurez une idée de ce que représente la durée du signal pour une fréquence d’un gigahertz. Idem avec une longueur, prenez un millimètre, divisez le en 1 milliard de tranches égales, prenez une tranche et vous aurez une idée de ce que représente 1 milliardième de mm !

Ci-dessous : Tableau récapitulatif des multiples et sous multiples du Hertz.

Pour transformer les longueurs d’onde en fréquences (et inversement), on utilisera les formules suivantes en faisant attention aux multiples utilisés (mètre et MHz) :

A RETENIR PAR CŒUR

F(MHz) = 300 / (m)

(m)= 300 / F(MHz)

 

Exemples

 Quelle est la longueur d’onde de la fréquence 150 MHz ?

Réponse

300 / 150 = 2 mètres

A quelle fréquence correspond la longueur d’onde 100 mètres ?

Réponse

300 / 100 = 3 MHz

Quelques notions sur les gammes d’onde doivent être connues :

Initiales de la gamme, adjectif qualificatif et étendue des 8 gammes d’ondes suivantes tant en longueur d’onde qu’en fréquence. On rappelle que les stations du service amateur doivent déclarer auprès de l’ANFR leur puissance PAR maximum par gamme d’ondes. Il y a donc lieu de connaître l’étendue des gammes d’ondes pour établir cette déclaration.

 A RETENIR

Les plages de longueurs d’onde commencent aux longueurs correspondant au qualificatif. Par exemple, les ondes hectométriques (MF) commencent à 1 hectomètre (=100 mètres) et finissent à 10 hm, soit 1000 m ou 1 km.

Exemples

  • Quelles sont les longueurs d’onde couvertes par la gamme VHF ? 1 à 10 mètres
  • Quelles sont les fréquences couvertes par les ondes SHF ? 3 à 30 GHz
  • Dans quelle gamme d’onde doit être classée la fréquence 432 MHz ? UHF
  • Comment sont qualifiées les ondes de la gamme HF ? décamétriques

 

L’antenne doublet demi-onde (ou dipôle)

C’est l’antenne de base. Elle est constituée d’un fil d’une longueur égale à une demi-longueur d’onde alimenté en son milieu. Ainsi, chaque brin mesure un quart d’onde (= λ/ 4). L’antenne idéale est isolée dans l’espace ou dans l’air, loin de toutes masses et du sol.

L’impédance (notée Z et donnée en Ω ohms ; Ω : lettre grecque oméga majuscule) au point d’alimentation varie en fonction de l’angle que forment les brins : s’ils sont alignés, l’impédance est de 73 Ω ; s’ils forment un angle de 120°, Z = 52 Ω ; s’ils forment un angle droit (90°), Z = 36 Ω.

Exemple

Un dipôle mesure 50 mètres de long. Sur quelle fréquence (en MHz) résonne-t-il ?

Réponse

Le dipôle est un doublet demi-onde qui résonne sur une longueur d’onde de 50 x 2 = 100 m, donc F = 300 / 100 = 3 MHz
(voir formule de transformation ci-avant ; le calcul est simple et s’effectue sans calculette).

Dans une antenne doublet demi-onde replié

Aussi appelée trombone, les extrémités libres du dipôle sont reliées par un fil parallèle et proche du doublet si bien que la longueur totale du fil est égale à une longueur d’onde. Cette antenne a une impédance d’environ 300 Ω au point d’alimentation lorsqu’il est placé au milieu de l’antenne.

L’antenne quart d’onde verticale (GP, Ground Plane en anglais)

Cette antenne est constituée d’une moitié de dipôle et nécessite un plan de sol (radiants fixés à la base de l’antenne) ou une masse (la terre ou la carrosserie d’un véhicule) afin de reconstituer électriquement le deuxième brin de l’antenne. L’impédance de cette antenne est de 36 Ω si le plan de sol ou la masse est perpendiculaire au brin rayonnant (schéma ci-dessus).

Si les radiants (ou la masse) forment un angle de 120° avec le brin rayonnant, l’impédance de cette antenne est de 52 Ω. Un brin plus court que le quart d’onde peut être utilisé. Il faut dans ce cas rallonger artificiellement l’antenne grâce à une bobine (positionnée à la base ou au milieu du brin) ou une capacité terminale (au sommet de l’antenne). Le quart d’onde raccourci présente une impédance plus faible à la résonance.

Exemple

Quelle est la longueur (en centimètres) d’une antenne quart d’onde fonctionnant sur 150 MHz ?

Réponse

Longueur d’onde = 300 / 150 = 2 mètres. L’antenne quart d’onde fonctionnant sur cette fréquence aura pour longueur : 2 m / 4 = 0,50 m = 50 cm.
(calcul simple ne nécessitant pas l’utilisation d’une calculette)

Dans la pratique, la longueur théorique calculée d’un quart d’onde est diminuée d’environ 5% (variable selon le matériau utilisé). Dans l’exemple ci-dessus, l’antenne quart d’onde mesurera : 50 cm x 95% = 47,5 cm. Ce coefficient de raccourcissement est aussi valable pour le dipôle mais pas pour le trombone qu’il faudra au contraire rallonger. De plus, l’impédance de l’antenne, donnée ici en espace libre, varie en fonction du sol (proximité et qualité) et de son environnement immédiat (élément métallique, bâtiment, arbre, …)

Antenne Yagi ou Beam

Le diagramme de rayonnement de l’antenne doublet ressemble à un tore traversé par le dipôle. Le rayonnement est maximum perpendiculairement aux brins. Il est nul dans le prolongement des brins. Si les deux demi-brins ne sont pas alignés ou si le sol est trop près de l’antenne, le diagramme de rayonnement se déforme. De même, la présence d’éléments parasites près du brin rayonnant déforme le lobe principal et concentre l’énergie dans une direction.

Les éléments directeurs sont plus courts que le brin rayonnant, les éléments réflecteurs sont plus longs. Lorsque  le nombre d’éléments augmente sur ce type d’antenne, son gain (son effet directif) augmente et l’impédance du brin rayonnant diminue. Le gain obtenu par l’antenne dépend à la fois du nombre d’éléments et de la distance entre ces éléments

Le gain d’une antenne

Le gain se mesure dans la direction maximum de rayonnement. Le gain se calcule en dB par rapport à l’antenne doublet (dBd) ou par rapport à l’antenne isotropique (dBiso).

L’antenne isotropique est une antenne idéale : un point qui rayonne et dont le lobe de rayonnement est une sphère. Le doublet a un gain de 2,14 dB par rapport à l’antenne isotropique. Les lobes de rayonnement se représentent dans le plan vertical (on fait une « coupe » du diagramme de rayonnement selon l’axe du rayonnement maximum) ou horizontal (le diagramme de rayonnement est représenté comme si on était au-dessus de l’antenne).

Les diagrammes de rayonnement se représentent aussi par des volumes. Les surfaces de chacun des diagrammes de rayonnement représentés ci-dessous doivent être égales car les surfaces représentent la puissance émise qui est répartie différemment selon le type d’antennes. Dans les diagrammes ci-après, le plan de sol, les éléments parasites et le sol sont représentés en gris. Les caractéristiques des antennes (impédance, gain) sont identiques à l’émission et à la réception.

 

 

PUISSANCE APPARENTE RAYONNÉE (PAR)

C’est la puissance d’alimentation de l’antenne multipliée par le rapport arithmétique correspondant au gain de l’antenne par rapport au doublet (il faut transformer les dBd en rapport). Cette puissance correspond à la puissance qu’il faudrait appliquer à un dipôle pour avoir la même puissance rayonnée dans la direction la plus favorable de l’antenne.

PUISSANCE ISOTROPE.  (PIRE)

La puissance isotrope rayonnée équivalente (PIRE) prend pour référence l’antenne isotropique.

ANGLE D’OUVERTURE

C’est l’écart d’angle entre les directions pour lesquelles la puissance rayonnée est la moitié (–3 dB) de la puissance rayonnée dans la direction la plus favorable. Le gain avant / arrière est le rapport, transformé en dB, obtenu en divisant la puissance rayonnée dans la direction la plus favorable par la puissance rayonnée dans la direction opposée à 180°.

POLARISATIONS

Selon la position du brin rayonnant, l’onde rayonnée est polarisée verticalement ou horizontalement. Il est aussi possible d’obtenir des polarisations circulaires (tournantes dans un sens).

La répartition des tensions et intensités le long d’un brin rayonnant et le couplage d’antennes ne sont pas au programme de l’épreuve de réglementation bien que quelques questions aient été relevées. De même, des questions portant sur les multi-doublets et les antennes à trappes qui sont des antennes multibandes ont été recensées et seront étudiées dans la partie technique.

RÉFLECTEURS PARABOLIQUES

Certaines antennes, utilisées dans les très hautes fréquences (SHF et au-delà) emploient des réflecteurs paraboliques (ou paraboles) qui réfléchissent les ondes et concentrent les rayonnements sur un foyer, où est placée l’antenne (généralement un doublet). La distance entre le foyer et la parabole est appelée la focale (F). D étant le diamètre de la parabole, le rapport F/D détermine l’angle d’illumination de l’antenne située dans le foyer et la forme du réflecteur (plus ou moins concave).

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