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Diagramme de rayonnement

Diagrammes de rayonnement d'antenne tridimensionnels. La distance radiale par rapport à l'origine dans n'importe quelle direction représente l'intensité du rayonnement émis dans...

Diagrammes de rayonnement d'antenne tridimensionnels. La distance radiale par rapport à l'origine dans n'importe quelle direction représente l'intensité du rayonnement émis dans cette direction. La partie supérieure montre le diagramme directionnel d'une antenne cornet , la partie inférieure montre le diagramme omnidirectionnel d'une antenne dipôle verticale simple .

Dans le domaine de la conception d'antennes, le terme diagramme de rayonnement (ou diagramme d'antenne ou diagramme de champ lointain ) fait référence à la dépendance directionnelle (angulaire) de la force des ondes radio provenant de l'antenne ou d'une autre source.

En particulier dans les domaines de la fibre optique , des lasers et de l'optique intégrée , le terme diagramme de rayonnement peut également être utilisé comme synonyme de diagramme de champ proche ou diagramme de Fresnel . Cela fait référence à la dépendance positionnelle du champ électromagnétique dans le champ proche , ou région de Fresnel de la source. Le diagramme de champ proche est le plus souvent défini sur un plan placé devant la source, ou sur une surface cylindrique ou sphérique l'entourant.

Le diagramme de champ lointain d'une antenne peut être déterminé expérimentalement à une distance d'antenne , ou bien le diagramme de champ proche peut être trouvé à l'aide d'un scanner de champ proche , et le diagramme de rayonnement en est déduit par calcul. Le diagramme de rayonnement en champ lointain peut également être calculé à partir de la forme de l'antenne par des programmes informatiques tels que NEC . D'autres logiciels, comme HFSS, peuvent également calculer le champ proche.

Le diagramme de rayonnement en champ lointain peut être représenté graphiquement sous la forme d'un tracé d'une variable parmi un certain nombre de variables connexes, comme l' intensité du champ à un rayon constant (grand) (un diagramme d'amplitude ou diagramme de champ ), la puissance par angle solide unitaire ( diagramme de puissance ) et le gain directif . Très souvent, seule l'amplitude relative est tracée, normalisée soit par rapport à l'amplitude sur le point de visée de l'antenne , soit par rapport à la puissance totale rayonnée. La quantité tracée peut être indiquée sur une échelle linéaire ou en dB . Le tracé est généralement représenté sous la forme d'un graphique tridimensionnel (comme à droite), ou sous la forme de graphiques séparés dans le plan vertical et le plan horizontal . C'est ce qu'on appelle souvent un diagramme polaire .

Réciprocité

Diagrammes de rayonnement d'un dipôle demi-onde vertical , une antenne omnidirectionnelle. Les diagrammes polaires horizontaux et verticaux sont des projections du diagramme tridimensionnel sur des plans horizontaux et verticaux, respectivement. Une antenne omnidirectionnelle émet une intensité de signal égale dans toutes les directions horizontales, son diagramme horizontal n'est donc qu'un cercle.

C'est une propriété fondamentale des antennes que le diagramme de réception (sensibilité en fonction de la direction) d'une antenne utilisée pour la réception soit identique au diagramme de rayonnement en champ lointain de l'antenne utilisée pour l'émission . Ceci est une conséquence du théorème de réciprocité de l'électromagnétisme et est démontré ci-dessous. Par conséquent, dans les discussions sur les diagrammes de rayonnement, l'antenne peut être considérée comme émettrice ou réceptrice, selon ce qui est le plus pratique.

La réciprocité a ses limites : elle ne s’applique qu’aux éléments d’antenne passifs – les antennes actives qui intègrent des amplificateurs ou d’autres composants alimentés individuellement ne sont pas réciproques. Et même lorsque l’antenne est constituée exclusivement d’éléments passifs, la réciprocité ne s’applique qu’aux ondes émises et interceptées par l’antenne. La réciprocité ne s’applique pas à la distribution du courant dans les différentes parties de l’antenne généré par les ondes interceptées ni aux courants qui créent les ondes émises : les profils de courant d’antenne diffèrent généralement pour la réception et la transmission, même si les ondes dans le champ lointain rayonnent vers l’intérieur et vers l’extérieur le long du même trajet, avec le même motif global, mais avec une direction inversée.

Motifs typiques

Diagramme typique du rayonnement polaire. La plupart des antennes présentent un diagramme de « lobes » ou de maxima de rayonnement. Dans une antenne directive , illustrée ici, le lobe le plus grand, dans la direction de propagation souhaitée, est appelé « lobe principal ». Les autres lobes sont appelés « lobes secondaires » et représentent généralement le rayonnement dans des directions non désirées.

Le rayonnement électromagnétique étant un rayonnement dipolaire , il n'est pas possible de construire une antenne qui rayonne de manière cohérente et égale dans toutes les directions, bien qu'une telle antenne isotrope hypothétique soit utilisée comme référence pour calculer le gain de l'antenne .

Les antennes les plus simples, les antennes monopôles et dipôles , sont constituées d'une ou deux tiges métalliques droites le long d'un axe commun. Ces antennes à symétrie axiale ont des diagrammes de rayonnement avec une symétrie similaire, appelés diagrammes omnidirectionnels ; elles rayonnent une puissance égale dans toutes les directions perpendiculaires à l'antenne, la puissance ne variant qu'avec l'angle par rapport à l'axe, et tombant à zéro sur l'axe de l'antenne. Cela illustre le principe général selon lequel si la forme d'une antenne est symétrique, son diagramme de rayonnement aura la même symétrie.

Dans la plupart des antennes, le rayonnement des différentes parties de l'antenne interfère sous certains angles ; le diagramme de rayonnement de l'antenne peut être considéré comme un diagramme d'interférence . Il en résulte un rayonnement minimum ou nul sous certains angles où les ondes radio des différentes parties arrivent hors phase , et des maxima locaux de rayonnement sous d'autres angles où les ondes radio arrivent en phase . Par conséquent, le diagramme de rayonnement de la plupart des antennes présente un diagramme de maxima appelés « lobes » sous différents angles, séparés par des « zéros » auxquels le rayonnement devient nul. Plus l'antenne est grande par rapport à une longueur d'onde, plus il y aura de lobes.

Un diagramme de rayonnement rectangulaire, une méthode de présentation alternative au diagramme polaire

Dans une antenne directionnelle dont l'objectif est d'émettre les ondes radio dans une direction particulière, l'antenne est conçue pour rayonner la majeure partie de sa puissance dans le lobe dirigé dans la direction souhaitée. Par conséquent, dans le diagramme de rayonnement, ce lobe apparaît plus grand que les autres ; il est appelé « lobe principal ». L'axe de rayonnement maximal, passant par le centre du lobe principal, est appelé « axe du faisceau » ou « axe de visée ». Dans certaines antennes, telles que les antennes à faisceau divisé, il peut exister plus d'un lobe principal. Les autres lobes à côté du lobe principal, représentant un rayonnement indésirable dans d'autres directions, sont appelés lobes mineurs. Les lobes mineurs orientés à un angle par rapport au lobe principal sont appelés « lobes secondaires ». Le lobe mineur dans la direction opposée (180°) au lobe principal est appelé « lobe arrière ».

Les lobes secondaires représentent généralement un rayonnement dans des directions indésirables. Par conséquent, dans les antennes directionnelles, l'objectif de conception est généralement de réduire les lobes secondaires. Les lobes secondaires sont normalement les plus grands des lobes secondaires. Le niveau des lobes secondaires est généralement exprimé sous la forme d'un rapport entre la densité de puissance du lobe en question et celle du lobe principal. Ce rapport est souvent appelé rapport des lobes secondaires ou niveau des lobes secondaires. Des niveaux de lobes secondaires de −20 dB ou plus ne sont généralement pas souhaitables dans de nombreuses applications. L'obtention d'un niveau de lobe secondaire inférieur à −30 dB nécessite généralement une conception et une construction très soignées. Dans la plupart des systèmes radar, par exemple, des rapports de lobes secondaires faibles sont très importants pour minimiser les fausses indications de cible via les lobes secondaires.

Preuve de réciprocité

Pour une preuve complète, voir l' article sur la réciprocité (électromagnétisme) . Nous présentons ici une preuve simple courante limitée à l'approximation de deux antennes séparées par une grande distance par rapport à la taille de l'antenne, dans un milieu homogène. La première antenne est l'antenne de test dont on veut étudier les diagrammes ; cette antenne est libre de pointer dans n'importe quelle direction. La deuxième antenne est une antenne de référence, qui pointe rigidement vers la première antenne.

Chaque antenne est connectée en alternance à un émetteur ayant une impédance source particulière et à un récepteur ayant la même impédance d'entrée (l'impédance peut différer entre les deux antennes).

On suppose que les deux antennes sont suffisamment éloignées l'une de l'autre pour que les propriétés de l'antenne émettrice ne soient pas affectées par la charge qui lui est appliquée par l'antenne réceptrice. Par conséquent, la quantité d'énergie transférée de l'émetteur au récepteur peut être exprimée comme le produit de deux facteurs indépendants ; l'un dépendant des propriétés directionnelles de l'antenne émettrice, l'autre dépendant des propriétés directionnelles de l'antenne réceptrice.

Pour l'antenne émettrice, par définition du gain, , la densité de puissance de rayonnement à une distance de l'antenne (c'est-à-dire la puissance traversant la surface unitaire) est

.

Ici, les angles et indiquent une dépendance à la direction de l'antenne, et représentent la puissance que l'émetteur délivrerait à une charge adaptée. Le gain peut être décomposé en trois facteurs : le gain de l'antenne (la redistribution directionnelle de la puissance), l' efficacité du rayonnement (qui tient compte des pertes ohmiques dans l'antenne) et enfin la perte due à la discordance entre l'antenne et l'émetteur. Strictement, pour inclure la discordance, il devrait être appelé gain réalisé , mais ce n'est pas un usage courant.

Pour l'antenne de réception, la puissance délivrée au récepteur est

.

Voici la densité de puissance du rayonnement incident, ainsi que l' ouverture de l'antenne ou la surface effective de l'antenne (la surface que l'antenne devrait occuper pour intercepter la puissance captée observée). Les arguments directionnels sont maintenant relatifs à l'antenne de réception et sont à nouveau considérés comme incluant les pertes ohmiques et par désadaptation.

En mettant ces expressions ensemble, la puissance transférée de l'émetteur au récepteur est

,

où et sont les propriétés dépendantes de la direction des antennes d'émission et de réception respectivement. Pour la transmission de l'antenne de référence (2) à l'antenne de test (1), c'est-à-dire

,

et pour la transmission dans le sens inverse

.

Ici, le gain et la surface effective de l'antenne 2 sont fixes, car l'orientation de cette antenne est fixe par rapport à la première.

Or, pour une disposition donnée des antennes, le théorème de réciprocité exige que le transfert de puissance soit également efficace dans chaque direction, c'est-à-dire

,

d'où

.

Mais le côté droit de cette équation est fixe (car l'orientation de l'antenne 2 est fixe), et donc

,

c'est-à-dire que la dépendance directionnelle de l'ouverture effective (de réception) et du gain (d'émission) sont identiques (QED). De plus, la constante de proportionnalité est la même quelle que soit la nature de l'antenne, et doit donc être la même pour toutes les antennes. L'analyse d'une antenne particulière (comme un dipôle hertzien ), montre que cette constante est , où est la longueur d'onde en espace libre. Par conséquent, pour toute antenne, le gain et l'ouverture effective sont liés par

.

Même pour une antenne de réception, il est plus courant d'indiquer le gain que de spécifier l'ouverture effective. La puissance délivrée au récepteur s'écrit donc plus souvent comme

(voir bilan de liaison ). L'ouverture effective est toutefois intéressante pour la comparaison avec la taille physique réelle de l'antenne.

Conséquences pratiques

  • Lors de la détermination du diagramme de rayonnement d'une antenne de réception par simulation informatique, il n'est pas nécessaire d'effectuer un calcul pour chaque angle d'incidence possible. Au lieu de cela, le diagramme de rayonnement de l'antenne est déterminé par une seule simulation et le diagramme de réception est déduit par réciprocité.
  • Lors de la détermination du motif d'une antenne par mesure , l'antenne peut être soit réceptrice, soit émettrice, selon ce qui est le plus pratique.
  • Pour une antenne pratique, le niveau du lobe latéral doit être minimum, il est nécessaire d'avoir la directivité maximale.

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