Chpitre Iv Eln

Cours de la Matière « Propagation d’ondes et Antennes» : 3éme Année Licence Electronique
Chapitre IV
Caractéristiques Générales des Antennes
IV.1 Définition d’une antenne :
Dispositif permettant de rayonner ou de capter à distance les ondes électromagnétiques

dans un appareil ou une station d'émission ou de réception. Historiquement, l'antenne a été
découverte par Alexandre Popov.
L'antenne est un conducteur électrique plus ou moins complexe généralement placé dans un
endroit dégagé.
IV.2 Caractéristiques Générales des Antennes

Pour décrire les performances d'une antenne, il est nécessaire de définir ses différentes
caractéristiques, à savoir le diagramme de rayonnement, la directivité, le gain, etc.
IV.2.1 Diagramme de rayonnement

Le diagramme de rayonnement d’une antenne montre les variations du champ ou de la
densité de puissance dans l'espace de rayonnement de l'antenne à une distance fixe r.
Le diagramme de rayonnement peut aussi, représenter la variation spatiale de l'intensité de
rayonnement. On définit la fonction caractéristique d’une antenne par l'intensité de
rayonnement normalisée à l’unité :
Umax (θ0 , φ0 ) désigne l’intensité de rayonnement maximale dans la direction privilégiée
ψ0(θ0 , φ0 ).
Le tracer de r(θ, φ) dans l’espace(θ, φ) représente le diagramme de rayonnement de l’antenne.
Il est indépendant de la distance du point d'observation au centre du système de coordonnées.
L’antenne isotrope qui rayonne d’une façon équivalente (omnidirectionnelle) dans toutes les
directions de l’espace est une antenne hypothétique qui sert comme antenne de référence pour
l’étude d’autres types d’antennes. Son diagramme de rayonnement se présente sous forme
Enseignante. OUACIFI.M -----------------------------------------------------------------------------------------------------

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1
d’une sphère (Figure IV.1.a). Cependant, Le diagramme de rayonnement d’une antenne réelle
présente des directions privilégiées (maximum de rayonnement) et des directions où le champ
rayonné est nul (Figure IV.1.b). Ce type d’antenne s’appelle antenne directive.
Figure IV.1. Diagramme de rayonnement d’une antenne.
Souvent, on utilise des coupes de ce diagramme; le plus souvent dans un plan

horizontal θ=Cte (généralement 90°) et φ variable ou dans un plan vertical φ=Cte
(généralement 0 ou 90°) et θ variable.
IV.2.2 Les trois zones de rayonnement
L'espace de rayonnement de l'antenne est généralement subdivisé en trois régions, à savoir :
(Figure IV.2)
a. Région réactive (zone de Rayleigh) : cette région est délimitée par une sphère de rayon
𝑅1 = 0.62√𝑑3 /𝜆 où 𝜆 est la longueur d'onde et "d" est la plus grande dimension de
l'antenne. C’est la région entourant la source de rayonnement où la puissance réactive
(purement imaginaire) prédomine.
b. Région du champ proche rayonné (zone de Fresnel) : c'est la région comprise entre la
zone réactive et la zone du champ lointain et dans laquelle la divergence du faisceau devient
appréciable. Cette région est délimitée par une distance radiale R telle que R1≤ R ˂R2 (avec
R2 = 2d2/λ) et le champ rayonné dépend, en général, de la distance radiale. De plus, la
composante radiale du champ est appréciable.

-
2
c. Région du champ lointain (zone de Fraunhofer) : dans cette région, l’onde rayonnée est
plane et les champs ont une structure TEM par rapport à la direction radiale. La puissance
rayonnée est purement réelle et indépendante de la distance radiale.
Figure IV.2. Les trois zones de rayonnement d’une antenne
IV.2.3 Directivité
La directivité d'une antenne dans une direction donnée est par définition le rapport de
son intensité de rayonnement U(ϴ,φ) dans cette direction sur l'intensité de rayonnement d'une
antenne de référence. L'antenne de référence est généralement la source isotrope. La
formulation mathématique de cette caractéristique radioélectrique est comme suit :
𝑈(𝜃,𝜑) 𝑈(𝜃,𝜑)
D(𝜃, 𝜑)= = 4𝜋
𝑈𝑖𝑠𝑜 𝑃𝑟
La directivité maximale est le paramètre le plus souvent utilisé. Elle caractérise la directivité
dans la direction du rayonnement maximum et est définie par :
𝑈𝑚𝑎𝑥 𝑈𝑚𝑎𝑥
𝐷0 = 𝐷(𝜃0 , 𝜑) = = 4𝜋
𝑈𝑖𝑠𝑜 𝑃𝑟
Pour une source isotrope, nous aurons : 𝐷𝑖𝑠𝑜 (𝜃 , 𝜑)=(D0)iso=1 (ou 0 db)
IV.2.4 Gain d'une antenne
Le gain d'une antenne est un paramètre très intéressant caractérisant les performances
radioélectriques d'une antenne. Il tient compte aussi bien des propriétés de directivité que du
rendement (donc des pertes) de cette antenne. Le gain relatif de l'antenne s'écrit :

-
3
4𝜋𝑈(𝜃, 𝜑)
𝐺(𝜃, 𝜑) = 𝑒𝑖 = 𝑒𝑖 𝐷(𝜃, 𝜑)
𝑝𝑟
et désigne le rendement de l’antenne. Il est définie par :
𝑝
ei =𝑝𝑓
𝑟
𝑝𝑓 = 𝑝𝑟 + 𝑝𝑑 est la puissance fournie à l'antenne par la ligne de transmission issue de

l'émetteur. 𝑝𝑑 représente les différentes pertes en puissance dans l'antenne. Pour une source
sans pertes 𝑝𝑓 = 𝑝𝑟 .
Dans la direction du rayonnement maximum la relation entre le gain et la directivité maximale

est exprimée sous la forme :
4πUmax
𝐺0 = ei D0 = ei
Pr
La directivité et le gain maximum sont souvent exprimés en décibels à l'aide des relations
D0 (db) = 10 log 10 (D0 ) et G0 (db) = 10 log 10 (G0 )
IV.2.5 Impédance d'entrée
L'impédance d'entrée d'une antenne caractérise la charge apportée par cette antenne au
circuit d'excitation (figure IV.3).
Figure IV.3. Circuit équivalent d’une antenne en émission.
Au sens de la théorie des circuits, l'antenne est représentée par un dipôle, dont l'impédance
d'entrée serait :
Za=Ra+jXa=RL+Rr+jXa (*)

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4
Ra et Xa représentent respectivement la résistance et la réactance de l'antenne à son entrée.

Rr est la résistance de rayonnement. C’est une caractéristique dépendante du champ lointain
qui permet de représenter la puissance active rayonnée par l’antenne.
RL est la résistance de pertes de l'antenne (la puissance dissipée dans l'antenne). Elle permet
de représenter les pertes électriques et diélectriques.
L'expression (*) permet de définir le rendement ecd (dû aux pertes électrique et diélectrique)
sous la forme d'un rapport de résistances :

𝑅𝑟
𝑒𝑐𝑑 =
𝑅𝑟 + 𝑅𝐿
IV.2.6 Bande passante

D'une manière générale, la bande passante d'une antenne est la bande de fréquence
pour laquelle les performances radioélectriques de cette antenne restent conformes à une
norme imposée. Par exemple, l’impédance d'entrée dont la considération est fondamentale
pour les problèmes d'adaptation (transfert d'énergie). La bande passante est alors celle pour
laquelle la partie réelle de l'impédance d'entrée est supérieure ou égale à 0.707 fois sa valeur
maximale (Figure IV.4). Il est souvent plus commode de considérer la représentation de
l'impédance d'entrée normalisée en abaque de Smith et de définir la bande passante comme
étant la bande de fréquence pour laquelle cette représentation reste confinée dans un cercle de
TOS (taux d'ondes stationnaires) égale à une certaine valeur imposée (généralement 2).
Figure IV.4. Bande passante d’une antenne.

-
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IV.2 Caractéristiques Générales des Antennes

IV.2.1 Diagramme de rayonnement

Umax (θ0 , φ0 ) désigne l’intensité de rayonnement maximale dans la direction privilégiée

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Figure IV.1. Diagramme de rayonnement d’une antenne.

Souvent, on utilise des coupes de ce diagramme; le plus souvent dans un plan

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Figure IV.2. Les trois zones de rayonnement d’une antenne

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𝑝𝑓 = 𝑝𝑟 + 𝑝𝑑 est la puissance fournie à l'antenne par la ligne de transmission issue de

Dans la direction du rayonnement maximum la relation entre le gain et la directivité maximale

Figure IV.3. Circuit équivalent d’une antenne en émission.

Enseignante. OUACIFI.M -----------------------------------------------------------------------------------------------------

Ra et Xa représentent respectivement la résistance et la réactance de l'antenne à son entrée.

sous la forme d'un rapport de résistances :

IV.2.6 Bande passante

Figure IV.4. Bande passante d’une antenne.

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