CHAPITRE I : Etat de l'art sur les antennes
imprimées et leurs applications
1. Historique
Le concept d'antenne imprimée fut pour la
première fois imaginé en 1953 par Georges Deschamps [1], qui
suggérait de canaliser efficacement les rayonnements parasites
engendrés par les discontinuités qui existent dans les circuits
micro-ondes planaires. Le premier brevet reprenant ce concept fut
déposé en 1956 par Henri Gutton et Georges Boissinot [2]. Il
fallut cependant attendre les années 1970 pour voir apparaître la
réalisation des premiers prototypes, notamment grâce à
l'amélioration des techniques de photolithogravure du cuivre et de l'or
sur substrat diélectrique, ainsi que des progrès dans la
modélisation. En 1972, John Howell réalisa des antennes
imprimées à polarisations linéaire et circulaire en bandes
L et UHF pour la NASA [3][4]. À la même période, Robert
Munson de Ball Aerospace Systems conçu et breveta une antenne
imprimée conformée sur toute la circonférence d'un missile
pour des applications de type télémétrie entre ce missile
et une station de poursuite au sol [5].
Cette antenne, décrite en détail dans [6], fut
quelques années plus tard combinée avec des
éléments rayonnants identiques pour former ce qui fut le premier
réseau d'antennes imprimées, le but étant alors
d'augmenter la directivité du diagramme de rayonnement.
2. Définition et caractéristique d'une
antenne imprimée [7]:
Une antenne imprimée est constituée d'une
métallisation de forme géométrique appropriée,
déposée sur une face d'un substrat diélectrique tandis que
l'autre face est le plus souvent complètement ou partiellement
métallisée (figure 1).
Figure 1 : Structure d'une antenne imprimée. a.
Fonction caractéristique de rayonnement
Soit une antenne située en O (figure 2), le rayonnement
est observé au point M, situé en champ lointain de l'antenne. Les
champs électriques et magnétiques sont contenus dans un plan
perpendiculaire au vecteur de propagation. Le champ électrique s'exprime
par :
Benamrane Fouad
(1)
Benamrane Fouad (5)
6
Figure 2 : Situation de l'antenne par rapport au point
M
d'observation
La fonction caractéristique de rayonnement est
définie par :
(2)
Avec et les composantes du champ électrique dans la
direction des et
b. Diagramme de rayonnement
C'est la représentation de la fonction
caractéristique dans l'espace. Il est représenté deux
plans perpendiculaires qui sont : le plan E et le plan H.
Figure 3 : diagramme de rayonnement en 3D
Le lobe principal est défini entre les deux minima de
chaque côté du maximum. Des maxima secondaires apparaissent de
chaque côté. Ils constituent les lobes secondaires.
c. Directivité
La directivité dans une direction est le rapport entre
la valeur de la fonction caractéristique de rayonnement dans cette
direction à sa valeur moyenne dans tout l'espace :
(4)
d. Gain d'une antenne
Le gain dans une direction est définie par le rapport de
la densité de puissance
rayonnée dans une direction à la densité de
puissance qui serait rayonnée par une antenne
7
isotrope sans pertes, les deux antennes étant
alimentées par la même puissance et placées à la
même position.
e. Largeur de bande
La largeur de bande, appelée aussi bande passante,
d'une antenne définie le domaine de fréquences dans lequel le
rayonnement de l'antenne présente les caractéristiques
requises.
La largeur relative de bande est un pourcentage exprimant le
rapport de la bande à la
Pour connaître la largeur de bande d'une antenne
relativement au rayonnement, on
trace le paramètre de réflexion en fonction de la
fréquence. On admet généralement que si
ce paramètre est inférieur à -10 dB, la
puissance de rayonnement est suffisante. Il suffit alors de repérer sur
la courbe les valeurs de la fréquence correspondant à cette
valeur.
3. Différents types d'antenne [14] Antenne
multi-faisceau .3.1
> Définition : La même antenne fournit plusieurs
faisceaux distincts et simultanés fonctionnant à la même
fréquence.
Figure 5 : Représentation d'une antenne
multi-faisceau
Benamrane Fouad
> Exemples d'application :
Benamrane Fouad
8
· Les antennes de réception de
télévision par satellites ont souvent deux ou trois faisceaux,
permettant ainsi de recevoir deux ou trois satellites avec la même
antenne.
· Les antennes pour radars de poursuite ont
généralement une voie somme et deux voies différence.
Antenne multi-polarisation .3.2
> Définition : Cette antenne fournit,
simultanément, à la même fréquence et dans la
même direction deux faisceaux dans deux polarisations orthogonales.
Figure 6 : Représentation d'une antenne
multi-polarisation > Exemples d'application :
· Les antennes de contrôle de trafic aérien
ont parfois à la réception deux diagrammes en polarisation
circulaire orthogonale. L'un des diagrammes permet de détecter les
cibles et l'autre les nuages (voie « nuage »).
· Par la polarisation, on peut discriminer la nature du
sol, aussi, les antennes des radars d'imagerie ont deux diagrammes en
polarisation orthogonale (généralement rectilignes).
· Certaines antennes de satellites de
télécommunication utilisent deux faisceaux en polarisation
croisée pour doubler la capacité de transmission («
réutilisation de fréquence »).
Antenne multifréquence .3.3
> Définition : Cette antenne fournit,
simultanément, deux faisceaux dans deux fréquences
différentes et dans la même direction.
Benamrane Fouad
9
Figure 7 : Représentation d'une antenne
multifréquence
La difficulté va se trouver dans la conception de la
source primaire qui doit fonctionner (en général) dans les deux
bandes et dans le duplexeur qui doit découpler sévèrement
la voie réception de la voie émission.
> Exemples d'application
· Les antennes de contrôle de trafic aérien
sont parfois utilisées simultanément pour un radar primaire
(à 3 GHz, par exemple) et pour un radar secondaire (à 1 GHz).
· Les antennes de satellites de
télécommunications ont une fréquence « sol vers
satellite » (4 GHz par exemple) et une fréquence « satellite
vers sol » (6 GHz par exemple). Au sol, l'antenne doit donc fournir un
diagramme d'émission à la fréquence 4 GHz et un diagramme
de réception à la fréquence 6 GHz.
Antenne à balayage électronique
.3.4
> Définition : Une antenne à balayage
électronique est généralement une antenne réseau
dont les éléments rayonnants sont équipés de
déphaseurs électroniques, permettant de réaliser sur
l'ouverture, très rapidement, des lois de phase linéaires et donc
de pointer le faisceau dans des directions différentes.
Figure 8 : Représentation d'une antenne à
balayage électronique
> Exemples d'application
Benamrane Fouad
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· Les antennes de radars multifonctions,
c'est-à-dire des radars devant assurer la veille et la poursuite de
cibles, sont des antennes à balayage électronique.
· Certaines antennes de satellites de
télécommunication et, notamment, celles qui équipent les
avions commerciaux sont à balayage électronique
4.Avantages et inconvénients des antennes
imprimées
Compte tenu de leur forme, les antennes imprimées ont de
nombreux avantages mais aussi quelques inconvénients qui peuvent limiter
leur usage (tableau 1 et tableau 2) [8]. 5. Techniques
d'alimentations
L'un des problèmes du fonctionnement des antennes
imprimées réside aussi dans la réalisation d'une
alimentation de qualité. L'excitation par guides d'ondes rectangulaire
ou cylindrique est généralement écartée. Bien que
l'alimentation coaxiale soit fréquente, on utilise de
préférence des lignes imprimées, notamment dans le cas
où plusieurs éléments doivent être alimentés.
Dans les exemples ci-après, il s'agit toujours d'alimenter une
antenne
rectangulaire excitée sur son mode fondamental ,
c'est-à-dire avec des courants de
surface générés selon la direction OY
· Sonde coaxiale
Cette alimentation a l'avantage d'être située
à l'arrière de l'élément et d'utiliser une ligne
blindée (figure 9). Dans le cas de substrats de faibles
épaisseurs, un point d'impédance réelle et quasiment
égale à 50 Q est obtenu pour le mode fondamental, pour une sonde
située à environ 1/ 3 de la longueur résonante. Cette
valeur permet l'adaptation à la plupart des coaxiaux HF
d'impédance caractéristique 50 Q.
Par contre, dans le cas de substrats épais, la
réactance inductive supplémentaire apportée par la sonde
(qui peut aussi sensiblement rayonner) affecte la bande passante. Pour corriger
cette partie inductive, certains auteurs ont proposé l'introduction d'un
effet capacitif par la réalisation :
> d'une fente annulaire pratiquée dans le pavé
autour de la sonde coaxiale.
> d'une pastille terminale connectée à une
sonde plus courte, séparée du patch par du
diélectrique.
Benamrane Fouad
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Figure 9 : Alimentation par une sonde coaxial.
L'utilisation de sondes engendre aussi des problèmes
de réalisation tels que le perçage du substrat, la soudure
(notamment dans le cas de fréquences élevées), peu de
souplesse de conformation.
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