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Technique - Les antennes à gain
Les antennes à gain


Nous avons passé en revue les antennes à gain plus ou moins unitaire, nous allons entrer maintenant dans le domaine magique des antennes possédant du gain.  
Attention, n'allez pas vous imaginer des choses, il n'y a pas de miracle ou de magie.  Comme vous le savez, les antennes ayant du gain doivent être orientées dans la direction du correspondant.  Ceci constitue déjà une piste pour la compréhension du phénomène car l'énergie que nous allons concentrer dans la direction du correspondant choisi sera prise sur les autres directions.

Comme vous le constatez, il n' y a pas de mystère. A votre gauche une antenne munie d'un réflecteur parabolique. Notez bien que le paraboloïde est le réflecteur de l'antenne et non pas l'élément actif. Nous allons nous consacrer à l'étude des antennes de type Yagi, les paraboles, bien que fonctionnant que un modèle similaire, ont des caractéristiques de fonctionnement spécifiques.
L'antenne Yagi-Uda : 

Il arrive parfois que des inventions modifient profondément la technique et les connaissances d'un domaine et c'est ce qui s'est produit dans le monde de la radioélectricité. Deux chercheurs japonais, les docteurs Uda et Yagi ont, vers 1930, conçu le principe de l'antenne à gain, ce modèle est toujours vivant et nous l'utilisons au quotidien.
Constitution : 

Voila comment la bête est construite, dans ce cas qui nous occupe, il s'agit d'une trois éléments.
On retrouve un élément actif, le dipôle, qui sera alimenté en énergie haute fréquence. Devant le dipôle prend place un élément légèrement plus court, cet élément est appelé "directeur". Derrière le dipôle est positionné un élément légèrement plus long appelé "réflecteur".
Toutes les antennes ayant du gain respectent plus ou moins ce schéma, non pas sur le nombre d'éléments car vous avez déjà pu constater que certaines antennes en comportent un grand nombre, mais sur la constitution.
L'avant de l'antenne se trouve du côté du directeur, l'arrière de l'antenne est côté réflecteur.
Fonctionnement : 

Que se passe t'il quand une onde électromagnétique atteint une telle antenne ?

Nous allons nous intéresser uniquement à la composante électrique de l'onde électromagnétique. 
Donc le premier élément qui est baigné par le champ est le directeur. Il absorbe une partie du rayonnement mais comme tout élément physique dans notre bas monde, il réémet une partie de cette énergie. Sa dimension, légèrement inférieure à la demi longueur d'onde, fait qu'il réémet vers l'arrière, dans le sens de progression de l'onde électromagnétique.
A l'instant t+pas grand chose, c'est le dipôle (appelé également radiateur) qui est baigné par le champ qui est maintenant renforcé puisque nous trouvons le champ originel plus le champ réémis. Le dipôle va convertir le champ électromagnétique en tension utilisable par votre récepteur par induction. Et ce n'est pas fini car l'onde continue de progresser  dans l'espace et elle va maintenant atteindre le réflecteur. Ce réflecteur va se comporter comme le directeur, càd absorber mais aussi réémettre mais cette fois-ci en avant car il est plus long que la longueur d'onde/2. Ce champ réémis va renforcer le champ induit par le dipôle.
Si le principe de réémision vous chiffonne, essayez de réfléchir à ce qui se passe avec vos organes sensoriels et plus particulièrement avec vos yeux.
Si vous avez la faculté d'observer le monde qui vous entoure, c'est uniquement parce que les éléments qui vous entourent réémettent de l'énergie.
Ils sont frappés par la lumière du soleil ou d'une source lumineuse quelconque et renvoient une partie de l'énergie reçue. Mettez vous au soleil, vous allez constater une augmentation de température  (l'absorption d'énergie) et une réémission ce qui permet aux autres de vous voir

Le gain des antennes :

Ces antennes ont donc du gain. Comme nous l'avons souligné, le gain n'apparaît pas mystérieusement, il s'agit simplement de réduire une antenne plus ou moins omnidirectionnelle en antenne directionnelle. L'énergie concentrée en une direction n'est que la somme de ce qui aurait été diffusé dans toutes les directions sur une antenne omnidirectionnelle. Ceci se traduit concrètement par des diagrammes de rayonnement.

Voici la distribution de l'énergie dans le plan horizontal et ici la distribution de l'énergie dans le plan vertical

Si l'on observe attentivement le dessin à gauche, on constate que la distribution de l'énergie est matérialisée par un volume (en bleu, on ne voit ici qu'une vue 2 dimensions) qui a un axe et que cet axe est l'axe de l'antenne. Plus on s'écarte de cet axe, plus l'énergie diminue ce qui nous permet de définir un angle qui sera appelé "ouverture" et qui sera caractérisé par une diminution de 50% de la puissance transmise (3 dB). Une antenne sera, entre autres, caractérisée par son ouverture dans le plan vertical et dans le plan horizontal. Corrélativement, plus l'ouverture sera faible, plus le gain sera important. On constate également que toute l'énergie ne se retrouve pas dans le lobe principal mais qu'une certaine partie de cette énergie se trouve disséminée dans des lobes secondaires. Ces lobes sont des lobes parasites, inévitables que les constructeurs, amateurs et professionnels vont s'attacher à réduire autant que faire se peut.

Retour sur le gain :

  • Comme nous l'avons déjà dit, on distingue deux plans sur une antenne, le plan vertical et le plan horizontal.
  • L'ouverture est définie comme la largeur angulaire à - 3dB de part et d'autre du lobe principal
  • Le gain est défini comme le rapport de la radiation maximum dans une direction par rapport à la radiation d'un aérien isotrope. Dans ce cas le gain défini sera noté en dBi. Comme cet aérien est plus une vue de l'esprit qu'une réalité, on a l'habitude (bonne) d'établir des comparaisons par rapport au dipôle l/2. Dans ce dernier cas, le gain sera noté en dBd. La différence entre dBi et dBd est de 2,15 dB. En d'autres termes une antenne de 13 dBi a un gain de 10,85 dBd.
Connaissant les ouvertures dans les deux plans, il sera aisé de calculer le gain par rapport au dipôle en appliquant la formule suivante :
Ce gain est exprimé en rapport

         27000
G = ________
        
FE FH

Pour le convertir en dBd, il faudra appliquer :

 G dBd = 10 Log G


Remarques sur l'utilisation des antennes à gain :

Utiliser une antenne à gain c'est bien, bien l'utiliser c'est mieux !
  • Le gain d'une antenne est proportionnel à sa longueur et non pas à son nombre d'éléments.
  • la hauteur par rapport au sol est une donnée déterminante pour les angles de radiation
  • comme toute antenne, moins on perdra de puissance dans le système d'alimentation, meilleure sera l'efficacité globale du système
  • il est bien entendu vital que l'antenne puisse être orientée (ne riez pas, j'ai des exemples sous la main)
  • le matériau utilisé pour la construction peut être plus ou moins facteur de perte, faites confiance à l'aluminium.
  • une antenne exposée aux intempéries depuis de nombreuses années n'a plus les performances d'une antenne équivalente neuve (oxydation)

 Fin de ce chapitre qui est plutôt relaxant, il s'agissait simplement de comprendre d'où venait le gain.