ele6506 mesures d antennes pau

ECOLE POLYTECHNIQUE DE MONTREAL

Département de Génie Electrique

ANTENNE et PROPAGATION

Projet FinalApplications A


Département de Génie Electrique

ELE 6506 : ANTENNE et PROPAGATION

(3 crédits)

Professeur Jean-Jacques Laurin Chargé de cours : Eric Choinière

Projet Final : Mesures d’AntenneApplications Aux Techniques In-Door

Par Pierre-Jean Paureau Matricule 1411446


es

PAUREAU Pierre-Jean Projet Final : Mesures d’Antennes Antennes et Propagation Matricule 1411446 Applications Aux Techniques In-Door ELE6506

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SOMMAIRE

SOMMAIRE ....................................................................................................................................... - 2 -

TABLE DES FIGURES ....................................................................................................................... - 3 -

1. INTRODUCTION : ..................................................................................................................... - 4 -

2. PRELIMINAIRES SUR LES MESURES D’ANTENNES : ......................................................... - 5 -

3. METHODES DE MESURE : ....................................................................................................... - 7 -

3.1. Méthode par réflexion : ........................................................................................................ - 7 -

3.2. Mesures en espace libre : ...................................................................................................... - 8 -

3.2.1. Antennes élevées (environnement extérieur) : ............................................................... - 8 -

3.2.2. Méthodes pour un environnement intérieur : ................................................................. - 9 -

3.2.2.1. Chambres anéchoïdes : .......................................................................................... - 9 -

3.2.2.1.1. Technologie de l’absorbants : ............................................................................. - 9 -

3.2.2.1.2. Choix de la forme de la chambre : ...................................................................... - 9 -

3.2.2.2. Antennes compactes : .......................................................................................... - 11 -

3.2.2.3. Méthodes champ proche – Champ lointain : ........................................................ - 15 -

4. MESURE DES DIFFERENTS PARAMETRES : ....................................................................... - 17 -

4.1. Le diagramme de rayonnement : ......................................................................................... - 17 -

4.2. La phase : ........................................................................................................................... - 17 -

4.3. Le gain : ............................................................................................................................. - 18 -

4.4. Méthode absolue : .............................................................................................................. - 19 -

4.5. Méthode à deux antennes : .................................................................................................. - 19 -

4.6. Méthode à trois antennes : .................................................................................................. - 19 -

4.7. Méthode relative : ............................................................................................................... - 19 -

4.8. La directivité : .................................................................................................................... - 20 -

4.9. L’impédance d’entrée : ....................................................................................................... - 20 -

4.10. La distribution de courant : ............................................................................................. - 21 -

4.11. La polarisation : .............................................................................................................. - 21 -

5. CONCLUSION : ........................................................................................................................ - 23 -

6. BIBLIOGRAPHIE : ................................................................................................................... - 24 -


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TABLE DES FIGURES

Figure 1 : Illustration de la courbure d’une onde................................................................................... - 5 -

Figure 2 : Mesure par réflexion ............................................................................................................ - 7 -

Figure 3 : Antennes élevées.................................................................................................................. - 8 -

Figure 4 : Les deux types de chambre anéchoïde ................................................................................ - 10 -

Figure 5 : CATR dans un réflecteur parabolique (CNES Toulouse) et dans un montage de type Cassegrain .......................................................................................................................................................... - 11 -

Figure 6 : Croquis de l’antenne compacte présente à MDA Corporation ............................................. - 11 -

Figure 7 : Diffraction des bords du réflecteur parabolique .................................................................. - 13 -

Figure 8 : Fluctuations du champ avec un réflecteur parabolique ........................................................ - 13 -

Figure 9 : Réflecteur parabolique à bords arrondis .............................................................................. - 14 -

Figure 10 : Fluctuations avec un réflecteur parabolique aux bords arrondis ......................................... - 14 -

Figure 11 : Réflecteur adapté à la méthode d’antenne compacte ......................................................... - 15 -

Figure 12 : Discrimination de la surface ............................................................................................. - 16 -

Figure 13 : Mesure de la phase en champ proche ................................................................................ - 18 -

Figure 14 : Mesure de la phase en champ lointain............................................................................... - 18 -

Figure 15 : Aperçu d’une polarisation elliptique ................................................................................. - 21 -

Figure 16 : Dispositif de mesure de polarisation ................................................................................. - 22 -

Figure 17 : Différents types de polarisation ........................................................................................ - 22 -


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1. INTRODUCTION : Les antennes sont de nos jours présentes dans de nombreux domaines. Depuis l’essor des technologies numériques et en particulier de l’essor du cellulaire dans les années 90, les antennes nous sont en effet utiles au quotidien. Il va donc de notre intérêt de bien connaître les antennes, et de les caractériser au mieux. Malheureusement, les formules analytiques issues de la résolution de problèmes liés aux antennes sont souvent très complexes. Pour pallier à ce problème, nous disposons maintenant de calculateurs et de méthodes numériques telles la méthode des moments (MoM), la FDTD ou la méthode des lignes (MOL). Mais certaines antennes, en particulier les réseaux d’antennes, ne peuvent être totalement simulés de nos jours malgré la puissance informatique dont nous disposons. Pour cela nous avons donc recours à des travaux de modélisation, des simplifications du modèle, des approximations des résultats. C’est pour toutes ces raisons qu’il est indispensable de maîtriser les techniques de mesures sur les antennes afin de confronter les résultats des simulations et modélisations avec la réalité physique. Afin d’effectuer ces mesures le plus efficacement possible, il est nécessaire de connaître quelques notions sur les antennes avant de passer aux méthodes proprement dites. Ainsi, après avoir exposé les règles de bases concernant les mesures d’antennes, nous exposerons les différentes mesures d’antennes ; nous nous arrêterons, en particulier, plus longuement sur les mesures d’antennes en environnement intérieur. Ces méthodes de mesure sont en effet utilisées par les plus grandes firmes telles que SATIMO, le CNES, MDA Corporation ou encore plus proche de nous, l’Ecole Polytechnique de Montréal.


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2. PRELIMINAIRES SUR LES MESURES D’ANTENNES : Quelques règles méritent d’être suivies si l’on veut faciliter la méthodologie lors des mesures. Ces règles sont exposées ci-après. Tout d’abord il est préférable de mesurer l’antenne en réception. En effet dans le cas des antennes réciproques, les caractéristiques d’émission et de réception sont identiques. Ensuite le meilleur moyen de mesurer une antenne est de l’illuminer par une onde plane. Or les ondes planes n’existent pas dans la nature. En effet, pour créer une onde plane, il faudrait disposer d’une feuille de cuivre infinie parfaitement plane. Celle-ci devrait en plus posséder des courants de surface uniforme en tout point de la feuille. Ceci étant irréalisable, nous ne pouvons que tendre vers un comportement d’onde plane. Pour cela nous devons nous situer en zone lointaine ; ceci signifie que la courbure de l’onde sphérique arrivant sur l’antenne de test sera petite vis-à-vis du diamètre maximal de l’antenne (c'est-à-dire la diagonale pour une antenne carrée, le diamètre pour une antenne circulaire…). La condition de champ lointain,

approximation de l'onde plane, est vérifiée à partir d’une distance de ��

� , qui peut s’avérer

géométriquement grande selon la fréquence étudiée. Il est possible de montrer qu’à cette distance, l’erreur de phase est de 22.5°.

Figure 1 : Illustration de la courbure d’une onde

Enfin un dernier paramètre, et non des moindres, mérite d’être pris en compte. Il s’agit de l’environnement dans lequel l’antenne est mesurée. En effet celle-ci rayonnera dans toutes les directions selon son diagramme de rayonnement. De fait, il faut ainsi éviter toute interférence


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avec une onde réfléchie par le sol ou par un obstacle. D’autre part, notre environnement est pollué d’ondes électromagnétiques, et ceci est encore plus vrai de nos jours, rendant les mesures extérieures délicates. A cela s’ajoute l’encombrement du banc de mesure rendant parfois impossible la mesure en champ lointain. Dernier point, les techniques de mesure restent de nos jours, onéreuses, restreignant ainsi le choix de la technique dont on dispose. Malgré tout, les ingénieurs ont réussi à contourner la majorité de ces problèmes en utilisant des techniques spécifiques, comme la prédiction en champ lointain à partir de la connaissance du champ proche, les mesures scalaires, et les appareils commerciaux assistés par ordinateur. Voyons cela plus en détail.


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3. METHODES DE MESURE : Les mesures d’antennes sont effectuées sous certaines conditions à l’aide d’autres antennes. Les deux grandes catégories de mesure sont les mesures effectuées à l’intérieur et à l’extérieur, et toutes deux ont leurs limitations. Rappelons brièvement que les mesures extérieures sont principalement limitées par les conditions non contrôlées de l’environnement, tandis que les mesures intérieures sont plutôt limitées par l’encombrement du banc de mesure.

3.1. Méthode par réflexion : Le but de ce typer de mesure est de créer une interférence constructive au niveau de l'antenne à mesurer, appelée zone de tranquillité. Il faut pour vérifier cette condition que les réflexions spéculaires du sol interfèrent constructivement avec les rayons directs.

Figure 2 : Mesure par réflexion

Pour cela on place l'antenne à tester à hauteur constante, et on ajuste la hauteur de l'antenne d'émission. Ce dispositif simple permet de trouver la position idéale afin d’avoir la meilleure zone de tranquillité possible. Ces dispositifs sont utilisés pour des mesures de diagramme de rayonnement à l'extérieur, où le sol fait office de surface réfléchissante. Les antennes testées sont


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la plupart du temps des antennes large bande UHF, ou des antennes fonctionnant pour des fréquences allant jusque 16 GHz.

3.2. Mesures en espace libre : Ces techniques sont utilisées pour supprimer les obstacles du milieu extérieur. Elles permettent de simuler une immersion dans l’espace libre, c'est-à-dire sans obstacles ni perturbations extérieures. Ce type de mesure inclut les mesures en chambre anéchoïde, les antennes élevées, les antennes compactes, et les mesures en champ proche.

3.2.1. Antennes élevées (environnement extérieur) : La mesure par antennes élevées est utilisée la plupart du temps dans des environnements lisses. Les antennes sont placées sur des tours ou des toits, et cette méthode est surtout utilisée pour des antennes de grande dimension.

Figure 3 : Antennes élevées

Les contributions de l'environnement sont réduites ou éliminées en :

• sélectionnant judicieusement la directivité et le niveau des lobes secondaires de la source • ayant une bonne vision directe • redirigeant ou absorbant les réflexions des obstacles qui n'ont pu être déplacés • utilisant des techniques de traitement du signal, comme une signature en modulation ou

l'utilisation d'impulsions


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Cette méthode a notamment été utilisée en Amérique du Nord dans les montagnes Rocheuses. Alors que l’antenne émettrice était placée sur le sommet d’une montagne, l’antenne à tester était quant à elle placée de l’autre coté de la vallée. L’environnement était alors dépourvu de tout obstacle et l’approximation d’onde plane était très bonne.

3.2.2. Méthodes pour un environnement intérieur : 3.2.2.1. Chambres anéchoïdes :

Afin d'avoir un environnement contrôlé, et minimiser les interférences, on utilise les chambres anéchoïdes comme une alternative aux tests en extérieur. Les chambres anéchoïdes sont plutôt utilisées dans la bande des micro-ondes mais peuvent être utilisées pour des fréquences plus basses, des chambres présentant un coefficient de réflexion de -40 dB en incidence normale à 100 Mhz ayant été développées.

3.2.2.1.1. Technologie de l’absorbants : Les murs sont couverts d'absorbants de matériaux absorbant le champ électromagnétique et atténuant sa rétrodiffusion. Deux tecnologies sont en concurrence :

• La technologie utilisée est généralement la pyramide de mousse de polyuréthane chargée d'un complexe à base de carbone (suffisantes aux fréquences élevées et aux faibles puissances).

• On peut utiliser également des carreaux de ferrite, seuls ou en combinaison avec des absorbants pyramidaux qui convertissent l’énergie électromagnétique en rayonnement infrarouge.

3.2.2.1.2. Choix de la forme de la chambre : Il y a deux types de chambres anéchoïdes : les chambres rectangulaires et les chambres fuselées. Chacune d'elles a pour but de minimiser les réflexions spéculaires.


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Figure 4 : Les deux types de chambre anéchoïde

La chambre rectangulaire est utilisée pour simuler les conditions en espace libre et maximiser le volume de la zone de tranquillité. L'énergie réfléchie est minimisée par l'utilisation d'absorbants radiofréquences de grande qualité. La configuration prend en compte le diagramme de rayonnement et la localisation de la source, la fréquence de travail, et suppose que l'antenne de réception est isotrope. La chambre fuselée est en forme de cornet pyramidal. Elle commence par le fuselage pour se finir en chambre rectangulaire dans la zone de test. La source est habituellement placée proche du sommet de manière à ce que les réflexions par les murs sur les côtés soient proches de la source. Cette condition implique un faible déphasage entre le rayon incident et les rayons réfléchis, permettant de conserver un front d'onde circulaire au niveau de l'antenne à tester. Lorsque la fréquence augmente, il devient de plus en plus difficile de placer l'antenne suffisamment proche du sommet tout en assurant une différence de phase entre les rayons incidents et les rayons spéculaires en dessous d'un niveau acceptable. Pour de telles applications les réflexions des murs sont supprimées en utilisant des sources à grand gain dont les rayons vers les murs sont minimaux.


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De plus la source est alors déplacée à la fin de la pyramide, de manière à se placer dans les conditions de la chambre rectangulaire.

3.2.2.2. Antennes compactes : Afin de simuler un champ lointain proche de l’onde plane sur de courtes distances on utilise ce qu’on appelle des « Compact Antenna Test Ranges » ou CATR. Les CATR permettent de générer des ondes quasi-planes sur de courtes distances, de l’ordre de 10 à 20 mètres, distance

faible comparée à la distance ��

� requise dans des conditions standard.

Ce sont essentiellement des réflecteurs larges afin d'optimiser les caractéristiques ondes planes des champs au niveau proche de l'ouverture. Leurs configurations prennent en compte les configurations de réflecteurs existants : parabolique, Cassegrain…

Figure 5 : CATR dans un réflecteur parabolique (CNES Toulouse) et dans un montage de type Cassegrain

Figure 6 : Croquis de l’antenne compacte présente à MDA Corporation


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La figure 6 représente par exemple l’antenne compacte présente à MDA Corporation. Celle-ci est composée d’un sous réflecteur hyperboloïde et d’un réflecteur principal paraboloïde (les distances focales ainsi que le diamètre des réflecteurs ont été prises de manière arbitraire). L’angle entre ces deux réflecteurs est de 90°. Ces croquis ont été fait avec l’aide du logiciel Grasp9 Student Version®. Afin de prédire le bon usage des CATR, nous pouvons recourir aux méthodes numériques telles la méthode des moments ou la FDTD. Mais ces techniques sont impraticables aux hautes fréquences. Même la théorie géométrique de la diffraction est difficile à utiliser à cause des nombreuses arêtes diffractantes. Jusqu’à maintenant la technique la plus facile et la plus performante reste l’optique physique. Les principaux désavantages des antennes compactes sont l’obturation de l’ouverture, les rayons directs émis par la source vers l’antenne de test, la diffraction des bords du réflecteur, la réflexion des murs et le couplage entre les deux antennes. Afin d’atténuer la diffraction et de supprimer l’obturation de l’ouverture, on peut utiliser un offset à partir de l’antenne source. La diffraction et le rayonnement direct peuvent être atténués en utilisant un réflecteur avec une grande distance focale. On peut également utiliser des absorbants afin de limiter la diffraction. Une onde plane pourrait être émise si le réflecteur avait une courbure parfaite et une taille infinie, et une source placée exactement au niveau du foyer de la parabole. Ces conditions sont bien sûr impossibles à remplir dans la réalité, les réflecteurs CATR sont de taille finie, et n’ont pas une surface parfaite. Les CATR ne peuvent donc produire que des ondes quasi planes. La zone utile est située là où le front d’onde est plan, la zone de tranquillité. Elle présente une dimension de l’ordre de 50 à 60 % de la taille totale du réflecteur. En dehors de cette zone, l’amplitude des champs diminue rapidement selon l’axe transverse au réflecteur. Le champ dans la zone de tranquillité n’est pas parfait : on trouve des erreurs de phase et des oscillations de l’amplitude des composantes des champs. Une différence de phase de moins de 10°, et des oscillations de moins de 1 dB sont acceptables dans la plupart des applications. Les imperfections sont principalement causées par les diffractions du bord du réflecteur. Le champ diffracté se répand dans toutes les directions, et interfère constructivement et de façon destructive dans la zone de tranquillité.


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Figure 7 : Diffraction des bords du réflecteur parabolique

Les fluctuations peuvent être numériquement calculées pour les basses fréquences.

Figure 8 : Fluctuations du champ avec un réflecteur parabolique

Afin de limiter la contribution du champ diffracté, de nouvelles formes de réflecteurs ont été étudiées, avec des bords arrondis par exemple.


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Figure 9 : Réflecteur parabolique à bords arrondis

Les fluctuations associées à ce genre de réflecteur peuvent également être approchées numériquement. On voit dans la figure ci-après que l’ondulation de l’amplitude du champ sur la surface du réflecteur au bord arrondis est beaucoup moins importante que dans le cas d’un réflecteur « normal ».

Figure 10 : Fluctuations avec un réflecteur parabolique aux bords arrondis


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Une autre technique pouvant être utilisée est de disposer d’une source très directive afin de ne pas illuminer les bords du réflecteur, et recouvrir ceux-ci d’un absorbant ou d’un matériau à pertes. De même les bords du réflecteur sont finis en pointe, afin de faire une transition entre le réflecteur et l’air.

Figure 11 : Réflecteur adapté à la méthode d’antenne compacte

La fréquence de fonctionnement des CATR est déterminée par la taille du réflecteur et par la qualité de sa surface. Il y a peu de fluctuations dans la zone de tranquillité aux basses fréquences. Les fluctuations augmentent avec les hautes fréquences, vu que la surface devient de moins en moins parfaite à mesure que la longueur d’onde diminue. De nombreux systèmes CATR opèrent de 1 GHz à 100 GHz. Il est à noter qu’il existe d’autres réflecteurs CATR comme le montage Cassegrain, par exemple, ou autres montages à plusieurs réflecteurs. Les CATR présentent l’intérêt d’effectuer les mesures de grandes antennes sur de courtes distances, dans l’environnement contrôlé des chambres anéchoïdes. Une CATR peut être utilisée pour n’importe quelle mesure d’antenne mesurable en milieu extérieur (diagramme de rayonnement, gain…)

3.2.2.3. Méthodes champ proche – Champ lointain : Les dimensions géométriques requises lors des tests d’antennes peuvent être réduites en effectuant des mesures en champ proche, et à l’aide de formules analytiques transformer les mesures champ proche en mesures champ lointain. C’est la méthode champ proche – champ lointain, ou en anglais, Near Field / Far Field (NF/FF) method. Cette méthode est essentiellement utilisée pour prédire le diagramme de rayonnement, dans des environnements intérieurs. Cependant les mesures peuvent être réalisées dans des environnements contrôlés, et sous toutes contraintes météorologiques. Les résultats calculés en champ lointain sont aussi précis que les techniques de mesure effectuées en champ lointain. Cependant les mesures prennent du temps et sont chères. Elles requièrent des systèmes coûteux et complexes, des techniques de calibration


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très précises, des logiciels de calcul compliqués, et les diagrammes ne sont pas obtenus en temps réel. Les données du champ proche (l’amplitude et la distribution de phase) sont mesurées par une sonde placée sur une surface présélectionnée. Les mesures sont ensuite converties en champ lointain en utilisant des transformées de Fourier. La complexité de la transformation dépend de la surface de mesure, et augmente si l’on passe de surface plane à cylindrique à sphérique. On peut en effet utiliser les algorithmes de FFT aux surfaces planes, mais ceux-ci ne sont pas applicables pour une sphère. Le choix de la surface doit être judicieux et dépend de la nature de l’antenne. On préfèrera une surface plane pour des antennes à grand gain et des antennes planes, et une surface sphérique pour des antennes à faible gain et à rayonnement omnidirectionnel. L’acquisition du champ proche se fait en discriminant la surface sélectionnée en petites surfaces de plus grande

dimension inférieure à ��.

Figure 12 : Discrimination de la surface


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4. MESURE DES DIFFERENTS PARAMETRES : 4.1. Le diagramme de rayonnement :

Les diagrammes de rayonnement en amplitude et en phase, la polarisation et le gain d’une antenne sont mesurés sur une sphère de rayon constant, dans le système de coordonnées sphériques. On parle de diagramme de rayonnement lorsque l’on fixe le rayon de la sphère et la fréquence et que l’on fait varier les angles θ et φ. Il est impossible en pratique de mesurer un diagramme en trois dimensions, donc on mesure des diagrammes en deux dimensions et on reconstruit numériquement le diagramme en trois dimensions. Le nombre minimal de plans en deux dimensions mesuré doit être de deux, ce sont généralement les plans E et H. Un diagramme en deux dimensions est obtenu en fixant soit θ, soit φ, et en faisant varier l’angle non fixé. On parle de diagramme d’élévation lorsque l’on fixe φ, et réciproquement de diagramme azimutal lorsque l’on fixe θ. Le diagramme de rayonnement peut être mesuré en émission ou réception lorsque l’antenne est réciproque, ce qui est le cas de la plupart des antennes. Les positions sont enregistrées avec les grandeurs des champs, et le diagramme est tracé en temps réel. Les antennes sources sont souvent log-périodiques pour des fréquences en-dessous de 1 GHz, paraboliques ou en cornets pour des fréquences proches de 400 MHz. Il est nécessaire de pouvoir contrôler pour la source :

• la fréquence (avec une très bonne stabilité et une très bonne pureté spectrale) • le niveau de puissance • la modulation

Le système de réception peut être très basique, un bolomètre peut faire l’affaire. Afin de faire les mesures dans différents endroits de l’espace, il faut que le système soit capable de tourner dans différents plans, ce qui implique une certaine complexité dans la mécanique du dispositif.

4.2. La phase : La phase d’une antenne est 2π-périodique, et est une valeur relative, c'est-à-dire qu’elle ne prend son sens que par rapport à une référence. Il existe deux méthodes simples pour mesurer la phase d’une antenne, pour les longues distances et pour les courtes distances. La première méthode consiste à coupler la source alimentant l’antenne sous test afin d’obtenir la référence, puis de faire la différence de phase avec le signal reçu par la sonde (voir figure 12).


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Figure 13 : Mesure de la phase en champ proche

La seconde méthode est utilisée pour les longues distances. Une antenne source émet un signal capté par deux antennes, l’antenne de référence et l’antenne sous test. L’antenne de référence est fixe, tandis que l’antenne sous test se déplace. Et l’on mesure simultanément la position de l’antenne sous test et la différence de phase engrangée.

Figure 14 : Mesure de la phase en champ lointain

4.3. Le gain :

Il existe beaucoup de méthodes pour mesurer le gain d’une antenne, et le choix de la méthode à utiliser dépend beaucoup de la fréquence de travail. Mais ces différentes méthodes peuvent être synthétisées en deux grands groupes : la méthode absolue et la méthode relative.


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4.4. Méthode absolue : La méthode absolue est utilisée pour calibrer des antennes sans avoir la connaissance du gain des antennes sources. Dans toutes les sous-méthodes possibles, on utilise la formule de Friis. Il faut au minimum deux antennes. Celles-ci sont distantes d’une distance R vérifiant la condition de champ lointain pour chaque antenne. Les antennes doivent être adaptées en polarisation et alignées selon le maximum de rayonnement, et stables en fréquence afin de ne pas générer d’erreurs.

4.5. Méthode à deux antennes : En s’appuyant sur l’équation de Friis, nous avons :

��| � ��| 20�� 4�� 10��

��

Avec :

• GT : gain de l’antenne d’émission • GR : gain de l’antenne de réception • R : distance entre les deux antennes • λ : longueur d’onde • PT : Puissance émise • PR : Puissance reçue

Si l’antenne de réception et d’émission est la même, il vient :

��| 12 �20�� 4��

� � � 10��

� En mesurant R, λ, PT et PR on peut en déduire très facilement le gain de l’antenne.

4.6. Méthode à trois antennes : Si les deux antennes ne sont pas identiques, on peut alors utiliser trois antennes afin de déterminer le gain de chacune des antennes. En se servant de l’équation (I) pour chaque couple possible d’antennes, nous arrivons à la résolution d’un système qui nous donne le gain de chacune des antennes.

4.7. Méthode relative : La méthode relative est utilisée avec des antennes source dont le gain est connu et à partir duquel on calcul le gain relatif, afin de déterminer le gain absolu de l’antenne. Les deux antennes


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reconnues par tout le monde comme des antennes de référence sont le dipôle résonant !� (avec un

gain de 2.1 dB) et le cornet pyramidal (avec un gain allant de 12 à 25 dB). Ces deux antennes sont à polarisation linéaire. Le dipôle, en espace libre, possède une grande pureté de polarisation Les cornets pyramidaux ont une très faible polarisation elliptique (inférieure à -40 dB). De plus, grâce à leur diagramme très directif, elles sont moins perturbées par l’environnement extérieur que le dipôle demi-onde. La méthode s’effectue en deux temps. Dans un premier temps, on utilise l’antenne sous test (qui possède une certaine polarisation) en réception, et on mesure la puissance qu’elle reçoit, PT. Dans un second temps on remplace l’antenne test par l’antenne dont le gain nous est connu (et de polarisation identique à la polarisation de l’antenne sous test), sans changer ni la géométrie du dispositif, ni la source. On mesure la puissance qu’elle reçoit, PS. Afin de trouver le gain de l’antenne test on utilise la formule suivante :

��| ��"| � 10�� "

�

4.8. La directivité : La plus simple méthode, mais aussi la moins précise, pour calculer la directivité, est de suivre la procédure suivante :

• Mesurer les diagrammes de rayonnement dans les plans E et H • Déterminer l’angle d’ouverture à -3 dB • Calculer la directivité en utilisant des formules analytiques

Cette méthode est surtout utilisée pour obtenir un gabarit de la directivité. Elle est plus précise quand le niveau des lobes secondaires est très inférieur au niveau du lobe principal.

La seconde méthode consiste à calculer la puissance rayonnée et l’intensité de rayonnement. Pour cela on échantillonne le champ sur une sphère de rayon r constant, dans des plans à φ constante et θ variable, et inversement. L’espacement des points de mesure dépend de la précision voulue. Afin de vérifier une précision voulue, les points doivent se resserrer avec l’augmentation de la directivité du diagramme de rayonnement.

4.9. L’impédance d’entrée : La procédure habituelle pour calculer l’impédance d’entrée d’une antenne est de mesurer le ROS, puis d’en déduire le module du coefficient de réflexion. Il suffit alors de déterminer la phase du coefficient de réflexion en localisant un minimum ou un maximum de tension le long de la ligne de transmission qui alimente l’antenne. Une fois que l’on a le coefficient de réflexion, on peut en déduire facilement l’impédance d’entrée en connaissant l’impédance caractéristique de la ligne.


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L’impédance d’entrée est généralement fonction de la fréquence, de la géométrie, de la méthode d’excitation et de la proximité d’objets. C’est pour cela qu’elle se fait généralement sur site.

4.10. La distribution de courant : La connaissance en amplitude et en phase de la distribution de courant le long d’une antenne permet de calculer le diagramme de rayonnement. Une méthode simple pour mesurer le courant est d’approcher une spire près de l’antenne. Un courant induit proportionnel au courant de l’antenne sous test va alors se former dans la spire.

4.11. La polarisation : La polarisation est la courbe décrite par le champ électrique dans un plan perpendiculaire à la direction de propagation. La polarisation est caractérisée par le ratio axial, le sens de rotation, et l’angle de tilt τ.

Figure 15 : Aperçu d’une polarisation elliptique


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Une méthode simple de détermination de polarisation est l’utilisation d’un dipôle linéaire. On utilise l’antenne de test en émission. Le dipôle est utilisé comme sonde dans le plan de polarisation souhaité.

Figure 16 : Dispositif de mesure de polarisation

Le dipôle tourne dans le plan de polarisation, et l’on mesure la tension générée au niveau du dipôle. Puis il suffit de tracer la valeur de la tension en fonction de l’angle que fait le dipôle, en coordonnées polaires. En fonction de la courbe obtenue, on en déduit le type de polarisation.

Figure 17 : Différents types de polarisation


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5. CONCLUSION :

Le spectre électromagnétique devient de plus en plus saturé. Les applications fonctionnant à l’ordre du térahertz commence à se démocretiser. Dans l’avenir nous serons donc amenés à développer des antennes fonctionnant à des fréquences très élevées. C’est pour cela qu’il faut parfaitement être capable de caractériser des antennes fonctionnant à ces fréquences. Or la complexité des mesures d’antennes augmente avec la fréquence. Il faut donc continuer à innover et développer de nouvelles techniques de mesures expérimentales afin que ces antennes du futur puissent être convenablement identifiées. Concernant les techniques In-Doors, l’augmentation de la fréquence aurait néanmoins un point bénéfique : l’encombrement ne serait plus qu’un problème secondaire car plus la fréquence augment plus la longueur d’onde diminue et à cela s’ajoute la diminution de la taille des antennes.


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6. BIBLIOGRAPHIE : Figures 1, 5, 11, 12, 16, 17 : Balanis, Constantine A., “Antenna Theory – Analysis and Design”, 2nd Edition : John Willey, 1997 Figures 2 : L. H. Hemmings et R. A. Heaton, “Antenna Gain Calibration on a ground Reflection Range”, IEEE Trans. Antennas Propagat., Vol AP-21, n°4, Juillet 1973) Figures 3, 13, 14, 15 : IEEE Standard Test procedures for antennas, 1979 Figures 4 : W. H. Kummer et E. S. Gillepsie, “Antennas Measurements-1978”, Proc IEEE, Vol 66, n°4, Avril 1978) Figures 7, 8, 9, 10 : W. D. burnside, M. C. Gilreath, B. M. Kent et G.L. Clerici, “Curved Edge Modification of Compact Range Reflectors”, IEEE Trans. Antennas Propagat., Vol AP-35, n°2, Février 1987) [1] : Balanis, Constantine A., “Antenna Theory – Analysis and Design”, 2nd Edition : John Willey, 1997 [2] : http://ieeexplore.ieee.org [3] : http://www.techniques-ingenieur.fr [4] : http://www.lehman-inc.com/pdf/mag.pdf

ele6506 mesures d antennes pau

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