ANTENNES, technologie

Le régime d'émission

D'un point de vue physique, le rayonnement d'une onde électromagnétique résulte de l'accélération de charges électriques et donc, notamment, de la circulation de courants alternatifs ou impulsionnels. Une antenne, de façon très générale, se présente comme une structure dont la forme et les matériaux constitutifs sont conçus pour favoriser la circulation de tels courants. À l'émission, leur excitation est assurée par un générateur branché directement à l'antenne ou par l'intermédiaire d'une liaison (ligne de transmission, guide d'ondes...). À la réception, c'est l'onde dans laquelle l'antenne est immergée qui est responsable de la circulation des courants, collectés localement par un récepteur. Il existe une très grande variété d'antennes selon le signal à transmettre, et notamment sa bande de fréquences, la distance et l'étendue de la région à desservir, l'environnement. Pour une antenne donnée, la détermination de l'onde rayonnée passe par la résolution des équations de Maxwell. Ce difficile problème de physique mathématique n'est en général pas soluble analytiquement, même pour les structures les plus simples. De puissants ordinateurs sont nécessaires à la conception d'antennes dont l'insertion dans des systèmes de plus en plus complexes exige d'excellentes performances.

En première approche, l'onde rayonnée par une antenne peut être caractérisée par sa densité de puissance (exprimée en watts par mètre carré dans le système international S. I.). Cette densité est directement liée à la puissance susceptible d'être captée par une antenne de réception. À grande distance, c'est-à-dire à une distance grande tout à la fois devant la longueur d'onde et les dimensions de l'antenne, sa répartition angulaire dans l'espace devient indépendante de la distance. Ainsi peut-on construire la surface caractéristique de rayonnement – ou indicatrice d'émission – en reportant, pour chaque direction d'observation, un vecteur dont la longueur est proportionnelle à la densité de puissance rayonnée dans cette direction. Des coupes de cette surface par des plans fournissent des diagrammes de rayonnement qui illustrent clairement le caractère directif de l'antenne considérée. Pour les antennes directives, la direction de rayonnement privilégié est repérable par le lobe principal dont la largeur angulaire est définie conventionnellement pour une atténuation de trois ou dix décibels par rapport au maximum. Des lobes secondaires de plus faible amplitude encadrent le lobe principal. Ils sont le plus souvent caractérisés globalement par l'amplitude du plus élevé d'entre eux par rapport à celle du lobe principal. En espace libre, la densité de puissance rayonnée décroît de façon inversement proportionnelle au carré de la distance. Pour une antenne isotrope, fictive en raison de la nature vectorielle des ondes électromagnétiques, elle serait simplement égale au rapport de la puissance émise, W_E, à la surface, 4 πr², de la sphère de rayon r. Pour une antenne réelle, la directivité D(u) permet de rendre compte des variations de la densité de puissance rayonnée σ en fonction de la direction d'observation. Dans une direction repérée par le vecteur unitaire u :

Une antenne est généralement caractérisée par sa directivité maximale, le plus souvent exprimée en décibels. Aux pertes de l'antenne près, la puissance rayonnée est identique à la puissance fournie à l'antenne par le générateur et, de ce fait, la directivité peut s'interpréter comme le gain réalisé en puissance d'émission, par rapport au cas d'une antenne isotrope rayonnant la même densité de puissance à une certaine distance. Ce gain peut varier de quelques unités à plusieurs dizaines de milliers[...]