ANTENNES, technologie

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Les possibilités offertes par la propagation des ondes électromagnétiques dans les milieux naturels sont exploitées à des fins multiples : radiodiffusion, télévision, radar, télécommunications, radionavigation...

Dans toutes ces applications, l'antenne désigne ce composant indispensable au rayonnement et à la captation des ondes. Le mot est d'origine latine (antenna) et servait à désigner la vergue du gréement des navires romains. Une telle dénomination convenait donc particulièrement bien aux structures filaires rayonnantes déployées par les pionniers de la radiotélégraphie dès la fin du xixe siècle. Par la suite, les structures ont évolué et se sont beaucoup diversifiées pour tenir compte tout à la fois de la découverte de nouveaux modes de propagation terrestre et des progrès technologiques constants en direction des fréquences élevées.

L'appellation d'antenne prévaut dans une large part du spectre des ondes électromagnétiques, qui s'étend des longueurs d'onde kilométriques jusqu'aux longueurs d'onde submillimétriques voisines de l'infrarouge. Aux longueurs d'onde plus courtes encore, dans le domaine optique par exemple, ce terme global n'est plus guère utilisé, au profit d'une dénomination plus précise des différents éléments constitutifs.

Les deux aspects du fonctionnement d'une antenne – rayonnement et captation – sont très étroitement liés. C'est l'équipement électronique associé à une antenne qui en définit l'éventuelle spécificité. Dans certains cas (radars, notamment), la même antenne est utilisée indifféremment à l'émission et à la réception.

Dans sa finalité, le rayonnement d'une antenne se ramène à un problème d'éclairage. Selon l'application considérée, on peut rechercher une illumination aussi uniforme que possible de l'espace environnant, ou encore un éclairage très localisé d'une partie de cet espace. De telles préoccupations existent dans le domaine des antennes, et une première classification, d'ordre fonctionnel, permet de distinguer les antennes peu directives des antennes directives. La notion de directivité est importante et permet d'apprécier la concentration du rayonnement ou l'aptitude à capter dans une direction donnée. Les antennes peu directives sont utilisées en l'absence d'une localisation fixe et/ou connue par avance des correspondants (émission de radiodiffusion ou de télévision, réception panoramique...). Au contraire, les antennes directives le sont dans les liaisons, dites point-à-point, établies avec un interlocuteur privilégié dont la position est, de préférence, connue a priori (transmission par faisceaux hertziens ou relais spatiaux, réception de télévision). En dépit de propriétés spécifiques bien particulières, les différentes antennes n'échappent guère à cette règle simple selon laquelle la directivité est d'autant plus élevée que leurs dimensions sont grandes par rapport à la longueur d'onde. Dès lors, on comprend mieux l'affectation des ondes longues aux applications pour lesquelles la directivité n'est pas essentielle et, inversement, la recherche des courtes longueurs d'onde lorsque, par souci d'économie ou de discrétion, une certaine directivité est souhaitable.

Les différents types d'antennes se distinguent, par ailleurs, en fonction de critères d'utilisation liés, par exemple, à la tenue en puissance, à la nature du signal à transmettre, à la résistance mécanique et, bien sûr, à l'environnement. La présence des milieux naturels tels que la troposphère, l'ionosphère, le sol, la mer, etc., impose, à une fréquence donnée, un certain mode de propagation et conditionne donc très étroitement la structure de l'antenne. Les principaux types d'antennes ont été regroupés en trois domaines correspondant approximativement aux ondes kilométriques et hectométriques, aux ondes décamétriques et métriques, puis aux micro-ondes.

Historique

La possibilité de transmettre à distance et sans fil des signaux électriques fut entrevue dès la mise en évidence des phénomènes d'induction par Michael Faraday (1831). Ainsi, dans une certaine mesure, la bobine, qui deviendra le cadre, peut-elle être considérée comme la première antenne. Toutefois, il ne s'agit pas encore véritablement de propagation, et il faut attendre les expériences de Heinrich Hertz (1887) pour confirmer la théorie de James Clerk Maxwell (1873) selon laquelle les champs électriques et magnétiques se propagent, comme la lumière, sous forme d'ondes. Avec un doublet électrique formant éclateur, Hertz réussit à produire et à détecter des ondes décimétriques. On peut déjà noter la présence d'un réflecteur parabolique destiné, comme en optique, à focaliser le rayonnement. De fait, c'est du côté des ondes kilométriques que Guglielmo Marconi franchit des étapes décisives en radiotélégraphie avec, au départ, un simple fil relié à un cerf-volant. La première liaison transatlantique eut lieu en 1901. Très vite, les possibilités offertes par la triode, inventée par Lee De Forest en 1906, permirent d'effectuer des liaisons téléphoniques sur de grandes distances. La première liaison transpacifique entre les États-Unis et le Japon, avec relais à Honolulu, eut lieu en 1915. Jusqu'à la fin de la Première Guerre mondiale, les antennes demeurèrent exclusivement constituées par des fils, ou des arrangements de fils disposés au sol, suspendus au plus haut des supports disponibles – la tour Eiffel, entre autres –, tendus entre les superstructures des navires, déroulés à partir des avions...

Jusqu'en 1920, l'idée persiste que, conformément aux théories d'Arnold Sommerfeld, seules les ondes longues permettent des liaisons au-delà de l'horizon par diffraction à la surface de la Terre. Ce sont les radioamateurs, relégués dans le domaine des ondes décamétriques, qui montrèrent que de telles liaisons sont possibles avec ces ondes, en utilisant leur réflexion sur l'ionosphère. Avec de telles longueurs d'onde, la dimension raisonnable des antennes permet une évolution des structures dans le dessein essentiel d'accroître la directivité et, donc, de s'accommoder de puissances d'émission plus faibles. Les arrangements en losange, en V, etc., sont caractéristiques. Parallèlement se développent les pylônes d'émission pour radiodiffusion en ondes hectométriques alors que les récepteurs correspondants sont équipés de simples cadres.

Avec la Seconde Guerre mondiale apparut le radar, notamment grâce à la découverte d'un nouveau tube de puissance, le magnétron (1940). Dès lors, la possibilité d'obtenir des antennes très directives, des conditions de propagation favorables, tant dans l'ionosphère que dans la troposphère, font des micro-onde [...]

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Écrit par :

  • : professeur à l'université Pierre-et-Marie-Curie, Paris-VI, chef du service d'électromagnétisme à l'École supérieure d'électricité

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Pour citer l’article

Jean-Charles BOLOMEY, « ANTENNES, technologie », Encyclopædia Universalis [en ligne], consulté le 30 novembre 2021. URL : https://www.universalis.fr/encyclopedie/antennes-technologie/