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TD1 Ray Antenne Master 2016 17

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Université Abdelmalek Essaadi

Département de Physique
MASTER TSE & ETC

Travaux dirigés
Module rayonnement et Antennes
Série n°1

Exercice 1

Soit une antenne parcourue par une distribution de courant J s (figure ci-dessous).

1- Montrer que lorsque la distance d’observation est grande devant la longueur


d’onde, le vecteur potentiel peut s’écrire sous la forme:
  e j k r 
A( P )  0 N(  ,  )
4 r


En déduire l’expression du vecteur de rayonnement N(, ) .
2- Déterminer l’expression de la puissance active rayonnée en fonction des

composantes du vecteur N(, ) en coordonnées sphériques. Déduire l’intensité de
rayonnement.

Exercice 2
Dans les problèmes où le rayonnement est dû à des distributions de courants
électriques (J) et magnétiques (M), les champs électriques et magnétiques sont
obtenus par la superposition des champs produits par les deux distributions séparément:
     
E  E A  EF et H  HA  HF
1-a- En utilisant une procédure dans le domaine fréquentiel, montrer que les champs
EA et HA peuvent s’écrire sous la forme :
 
  
EA    Ve  j A   j
 . A  

 jA 
1  
  HA et
 1 
HA    A
 j 
b- Déduire les expressions des champs électromagnétiques EF et HF.
c- Déduire les champs électromagnétiques totaux. Interpréter ces résultats.

2-Etablir les deux équations différentielles que doivent vérifier respectivement les
vecteurs potentiels A et F.

Exercice 3
Pour une antenne dipôle court de longueur ℓ, orientée selon l’axe oz et traversée par un
courant I (voir la figure ci-dessous), on montre que lorsque la distance d’observation est
grande devant la longueur d’onde, le champ électromagnétique prend la forme :
 K I   K I 
E(M)  j Z (r ) a  H(M)  j (r ) a 
8 8
1- Montrer que le vecteur potentiel est de la forme :
 0  jk  
en déduire l’expression de ψ(r). A  I   (r ) 1  cos   a z ;
8  sin   6 
2- Déduire la densité surfacique de puissance Sr(θ, φ). Vérifier que cette densité de
puissance est nulle dans la direction θ = 0 et qu’elle est maximale dans la
direction θ = π/2. Que représente cette dernière direction.
3- Déterminer la puissance totale rayonnée. En déduire que la résistance de
rayonnement de cette antenne est ≈ 197.ℓ2/λ2.

Exercice 4

Pour une antenne dipôle de longueur ℓ = /2, orientée selon l’axe oz et traversée par un
courant I = I0.cos(kz) (voir la figure ci-dessous), on montre que lorsque la distance
d’observation est grande devant la longueur d’onde, le champ électrique rayonné par ce dipôle
prend la forme :  
cos( cos )

 Z I 0  jkr  2  
Ej e   a
2 r  sin  
 

1- Déduire l’expression du champ magnétique rayonné.


  
 e  jkr  cos( 2 cos )  
2- Montrer que le vecteur potentiel est de la forme: A  A0   az , et déduire
r  sin 2  
l’expression de A0.  

On utilisant le rotationnel du vecteur potentiel, retrouver l’expression du champ


magnétique de la question 1.
3- Déduire la densité surfacique de puissance Sr(θ, φ).
4- Déterminer la fonction caractéristique de rayonnement qui représente la répartition
angulaire de la densité de puissance Sr(θ, φ) sur une sphère de rayon r (càd l’intensité de
rayonnement).
5- Quelles symétries possède le diagramme de rayonnement de cette antenne ? Quelles sont
ses directions de rayonnement maximal ? De quel type de diagramme s’agit-il ?
Représenter ce diagramme en 2D et 3D.
6- Déterminer la puissance totale rayonnée. Déduire la résistance de rayonnement de cette
antenne.
R
/4 r
On peut utiliser les relations suivantes :
A grandes distances de l’antenne R ≈ r - z cos θ

e jkz  e  jkz
coskz  
2
   
A  A r a r  A a   A a 

 Ar 
   sin  cos  sin  sin  cos    A x 
 A    
 cos  cos  cos  sin   sin    A y 
   
 A 
  sin  cos  0   A z  -/4

 
  a r   A  sin  A   a   A r  r sin  A   
A    
r sin      r sin    r 


a    rA   A r 
 
r  r  
 2
cos 2 ((  / 2) cos ) 1  cos y
0
sin 
d  
0
2y
dy  1.2175

2
 cos ((  / 2) cos )  3
   sin 
 sin  

Exercice 5
Deux dipôles élémentaires de même longueur sont placés orthogonalement dans le
plan xoy sous forme de croix (figure ci-dessous). Les deux fils sont alimentés avec
des courants de même amplitude mais qui sont en quadrature de phase (la différence
  
de phase est /2) I  (x  j y ) I .
  
1- Montrer que le vecteur de rayonnement est de la forme N  I  ( x  j y ) .

2- Déterminer les composantes sphériques de N(, ) .
3- Déduire l’expression du champ électrique :

4- Dans le plan z = 0 (θ = /2), la polarisation est linéaire selon la direction  . Montrer
que :
5- Montrer que le diagramme de rayonnement en puissance est de la forme :
. Représenter ce diagramme et déduire la valeur de la

directivité. Que peut-on conclure.

Exercice 6
Soit une antenne circulaire de rayon a (a <<) située dan le plan xoy. Elle est
parcoure par un courant uniforme I (figure ci-dessous):
a- Montrer que  2 jka sin  cos 
N r  a I sin  0 sin  e d '
 2
N  a I cos   sin  e jka sin  cos  d  '
0
 2 sin  cos 
N  a I 0 cos  e jka d'

Tel que Ψ = ϕ - ϕ’ . Vérifier que Nr et Nθ sont nuls.


b- Les intégrales précédentes sont une représentation des fonctions de Bessel
j n 2 j n 2 cos 
J n ( x )  2 0 cos( n  ) e jx cos 
d , 0  0 sin( n  ) e jx d
2

Vérifier que
N  j 2  a I J 1 ( ka sin  )

c- L’équation précédente est valable pour n’importe quelle antenne circulaire


traversée par un courant uniforme. Dans le cas particulier où a<<, k a sinθ<<1
et J1(x) ≈ x/2 pour x<<1, déduire l’expression de Nφ et montrer que

j  0 kIa 2 e  j k r    0 k I a 2 e  j k r   0 k I a 2 e  j k r
A  sin  H  sin  E   sin 
4 r 4 Z 0 r 4 r

d- Déterminer la résistance de rayonnement et de cette antenne.

a
ϕ

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