Antennes et champ réactif

[invite2bfd7c79]

Bonjour.
Je précise que j'ai déjà posé ma question sur le forum électronique et on m'a conseillé de venir ici. Je fais actuellement des recherches (bibliographiques) sur les limites à la miniaturisation d'antennes et après avoir lu quelques articles là-dessus (Wheeler, Chu, Harrington,McLean,etc...), apparemment la dégradation des performances d'une antenne miniature est due à une augmentation du rapport champ réactif/champ rayonné, quelqu'un peut-il m'expliquer pourquoi une antenne électriquement petite à tendance à stocker l'énergie EM plutôt que la rayonner ?
Merci d'avance à ceux qui me répondront.

Ps: je m'intéresse plus particulièrement aux antennes imprimées.
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[LPFR]

Bonjour.
Ce que produit l'onde EM émisse dans une antenne est l'accélération des électrons. Pour ceci il faut du courant alternatif le long de l'antenne. Quand l'antenne est courte, il y a peu de longueur où les électrons sont accélérés, et le rayonnement est plus faible. L'antenne pressente une impédance capacitive. Pour augmenter le courant il faut augmenter la tension d'alimentation, ce qui accroît le champ "électrostatique" (inutile). Mais ce n'est pas cette augmentation du "champ réactif" qui est directement physiquement responsable du faible rayonnement de l'antenne courte. Et une antenne ne stocke pas l'énergie électromagnétique. Si elle est courte, elle se comporte plus comme un condensateur que comme une charge résistive; c'est tout.
Au revoir.

[b@z66]

Le fait qu'une antenne soit trop courte(ou que la fréquence d'excitation utilisée soit trop faible) a pour principal conséquence que les principaux phénomènes d'ondes stationnaires que l'on pourrait y observer sont minimiser et on se rapproche donc fortement du cas du circuit-ouvert pour une antenne filaire ou d'un court circuit pour une antenne du type loop. La théorie des lignes de transmission montre bien qu'un circuit ouvert(ou court-circuit) peut se comporter avec un aspect capacitif(ou inductif) pour de faibles fréquences alors que l'aspect "rayonnement" n'est pas encore assez important car il faut une quantité non-négligeable d'éléments de courants en phase dans l'antenne pour avoir une contribution véritablement constructive(c'est à dire que l'antenne doit avoir un minimum de grandeur pour que la résistance de rayonnement soit suffisante).

[f6bes]

Bjr b@z66,
ATTENTION, là il ne s'agit pas d'antenne courte VIS à VIS de la fréquence, mais d'antenne " raccourçie" mais "accordée" à la fréquence.Donc pas de stationnaires.
A+

[A voir en vidéo sur Futura]

[b@z66]

Bjr b@z66,
ATTENTION, là il ne s'agit pas d'antenne courte VIS à VIS de la fréquence, mais d'antenne " raccourçie" mais "accordée" à la fréquence.Donc pas de stationnaires.
A+

Pourtant, la question concernait bien, me semble-t-il, la "miniaturisation" d'une antenne vis à vis d'une fréquence d'utilisation donnée. Bien sûr, même dans ce cas, on peut accordé une antenne trop courte en lui adjoignant un circuit d'accord pour supprimer la partie réactive(comme une inductance sur une antenne fouet trop courte) mais cela ne fait au fond qu'augmenter artificiellement la taille de l'antenne avec la longueur du nouvel élément. Enfin, le mot stationnaire était peut-être mal choisi mais ce qui est à l'origine du courant qui rayonne dans une antenne de type fouet, c'est bien toujours la présence d'onde stationnaires ou progressives sinon une antenne fouet ne resterait qu'un vulgaire "circuit-ouvert".

[b@z66]

Pourtant, la question concernait bien, me semble-t-il, la "miniaturisation" d'une antenne vis à vis d'une fréquence d'utilisation donnée. Bien sûr, même dans ce cas, on peut accordé une antenne trop courte en lui adjoignant un circuit d'accord pour supprimer la partie réactive(comme une inductance sur une antenne fouet trop courte) mais cela ne fait au fond qu'augmenter artificiellement la taille de l'antenne avec la longueur du nouvel élément. Enfin, le mot stationnaire était peut-être mal choisi mais ce qui est à l'origine du courant qui rayonne dans une antenne de type fouet, c'est bien toujours la présence d'onde stationnaires ou progressives sinon une antenne fouet ne resterait qu'un vulgaire "circuit-ouvert".

PS: De plus, généralement, ces circuit d'accord même s'ils sont théoriquement utilisables pour une fréquence donnée sont quand même assez dur à mettre en pratique si l'on souhaite également ajuster la résistance de rayonnement équivalente pour avoir une puissance de rayonnement suffisante car cela conduit normalement à introduire un facteur de surtension beaucoup plus important dans le circuit d'accord provoquant ainsi qu'une sélectivité en fréquence beaucoup plus grande et donc une bande-passante beaucoup plus restreinte.

[f6bes]

Bsr à toi,
Le post de début parle de "miniaturisée" des antennes. Pour ma part, j'en comprends, que l'on conserve la fréquence d'accord, mais qu'on réduit les dimensions physiques d'une maniére quelconque. (ça on c'est le faire depuis longtemps).
A la limite une bobine et son condo contistue une "antenne" qui garde son accord.
Mais faut pas s'attendre à des performances de rayonnement.

Faudrait que [weetabix] précise sa pensée.
Je pense aussi que c'est pour du domaine SHF et au delà (bien que l'on puisse "réduire" aussi en dessous de ces bandes).
Bonne soirée

[invite2bfd7c79]

Bonjour.

Faudrait que [weetabix] précise sa pensée.

Dans ce cas reprenons. Je parle ici d'antennes imprimées (patch rectangulaire imprimés sur substrat diélectrique donc) miniaturisées au moyen de substrat à fort "epsilon" et de l'utilisation d'un court circuit. Le but est donc bien de conserver la fréquence de résonance initiale (aux alentours de 400MHz), mais avec un encombrement réduit (et même bien réduit).Évidemment, les performances ne sont pas vraiment au rendez-vous: moins de 1% de bande passante, efficacité et gain médiocre.
Pour trouver des explications à ces pertes de performances, j'ai entrepris des recherches, et j'ai trouvé des articles sur IEEE tels "fundamental limitations of small antennas" de Wheeler où un calcul du facteur de qualité d'une antenne quelconque permet de relier la plus grande dimension de l'antenne au produit efficacité*bande passante. On voit donc avec ces calculs que miniaturiser une antenne la condamne à avoir des performances médiocres, mais il n'y a pas de vraie explication physique. J'ai lu d'autres publications sur le net qui expliquent que plus on miniaturise une antenne et plus sa réactance augmente, et incriminent le champ réactif dans lequel "baigne" l'antenne, mais tout ceci n'est pas très clair.
Par ailleurs j'ai un peu de mal à me représenter le mécanisme de rayonnement d'une antenne, j'ai cru comprendre que c'était du aux champ de Coulomb présent à proximité de l'antenne qui accélére les électrons au voisinage de l'antenne, ceux-ci émettant le rayonnement.Est-ce bien ça ?
Désolé pour toutes ce questions, je n'ai pas une grande expérience des antennes, je suis encore étudiant

[LPFR]

Bonjour.
Pour le mécanisme de rayonnement d'une antenne, vous pouvez lire les premières pages de ce fascicule.
Au revoir.

[f6bes]

Pour trouver des explications à ces pertes de performances, j'ai entrepris des recherches, et j'ai trouvé des articles sur IEEE tels "fundamental limitations of small antennas" de Wheeler où un calcul du facteur de qualité d'une antenne quelconque permet de relier la plus grande dimension de l'antenne au produit efficacité*bande passante. On voit donc avec ces calculs que miniaturiser une antenne la condamne à avoir des performances médiocres, mais il n'y a pas de vraie explication physique. J'ai lu d'autres publications sur le net qui expliquent que plus on miniaturise une antenne et plus sa réactance augmente, et incriminent le champ réactif dans lequel "baigne" l'antenne, mais tout ceci n'est pas très clair.
:

Bjr à toi,
Pour une antenne il y une notion de "surface équivalente".
En gros, une antenne baigne ou rayonne dans un champ électromagnétique.
Plus sa surface de "captation" (ou émission) sera étendue, plus elle sera performante. Ca ce comprends un peu.
Par exemple dans une antenne en forme de boucle la MEILLEURE surface est la CIRCONFERENCE (Maximum de surface pour un périmétre donnée), ensuite viens le CARRE, le TRIANGLE et..etc en tant que forme.

Donc si tu miniaturises ton antenne tu réduis ta surface de captation/émission au détriment de champ émis/ reçu.

Voir:
http://fr.wikipedia.org/wiki/%C3%89q...communications
http://f5ad.free.fr/ANT-QSP_F5AD_Dis...leur_champ.htm

A+

[f6bes]

Remoi,
A propos d'antenne réduite; expérimentation chez un chercheur suisse:
http://www.von-info.ch/HB9AFO/histoi...utionnaire.htm
C'est lui:
http://www.von-info.ch/HB9AFO/camhf1200_01.jpg
Zut il s'est fait poignardé dans le dos !
A+

[curieuxdenature]

Bonjour [weetabix]

pour compléter un peu, l'antenne se caractérise par ce qu'on appelle une hauteur effective (ou encore efficace, ou hauteur de rayonnement) pour la differencier de ses dimensions matérielles.

Lit aussi le pdf de LPFR pour plus de précisions et je prendrais 2 cas numériques:
1- une antenne verticale de 60 m a une hauter effective de 2*L/Pi soit 38 metres. C'est un exemple.
2- un cadre de 12 spires de 50 cm de diamètre accordé sur une emission de 500 m de longueur d'onde aura une He de 3.76 cm ...

tu vois la difference.

[b@z66]

Bjr à toi,
Pour une antenne il y une notion de "surface équivalente".
En gros, une antenne baigne ou rayonne dans un champ électromagnétique.
Plus sa surface de "captation" (ou émission) sera étendue, plus elle sera performante. Ca ce comprends un peu.
Par exemple dans une antenne en forme de boucle la MEILLEURE surface est la CIRCONFERENCE (Maximum de surface pour un périmétre donnée), ensuite viens le CARRE, le TRIANGLE et..etc en tant que forme.

Donc si tu miniaturises ton antenne tu réduis ta surface de captation/émission au détriment de champ émis/ reçu.

Voir:
http://fr.wikipedia.org/wiki/%C3%89q...communications
http://f5ad.free.fr/ANT-QSP_F5AD_Dis...leur_champ.htm

A+

Attention quand même à ce type de raisonnement, il est loin d'être valable pour toutes les antennes: une antenne filaire y échappe par exemple totalement. Par contre, il est tout à fait valable pour toutes les antennes à "captation" du genre paraboloïdes ou cornet.

[f6bes]

Attention quand même à ce type de raisonnement, il est loin d'être valable pour toutes les antennes: une antenne filaire y échappe par exemple totalement. Par contre, il est tout à fait valable pour toutes les antennes à "captation" du genre paraboloïdes ou cornet.

Bjr à toi,
Ben non une antenne filaire n'y échappe pas.
Pour les surfaces "fermées" , il y a la surface "effective" visible, mais pour une filaire l'on parle de "surface EQUIVALENTE". C'est pour cela que l'on emploie ce mot: équivalent.
Faudrait que je recherche la formule.
Bonne journée

[f6bes]

Remoi:
Voir page 15 de ce document:
http://dpmc.unige.ch/hyper/68.pdf
A+

[b@z66]

Merci pour ce le lien mais je connaissais déjà le principe. D'ailleurs, on en retrouve également une démonstration très détaillée dans le document de LPFR, message#6, page 21-23(et qui a été repris sur Wikipédia apparemment http://fr.wikipedia.org/wiki/Antenne...r.C3.A9ception), . Ce que je voulais seulement souligner, c'était que faire le raccourci surface physique=surface effective n'était pas justifiable pour toutes les antennes. Notamment, dans les antennes filaires où la différence d'ordre de grandeur entre les deux peut être énorme, le fait d'augmenter trop la longueur de l'antenne ne conduit pas du tout à l'augmentation de la surface effective dans une direction donnée.

[LPFR]

...et qui a été repris sur Wikipédia apparemment http://fr.wikipedia.org/wiki/Antenne...r.C3.A9ception

Re.
Oui, c'était l'époque où je perdais encore mon temps avec wikipedia.
A+

[invite2bfd7c79]

Bonjour.

Ce que je voulais seulement souligner, c'était que faire le raccourci surface physique=surface effective n'était pas justifiable pour toutes les antennes. Notamment, dans les antennes filaires où la différence d'ordre de grandeur entre les deux peut être énorme, le fait d'augmenter trop la longueur de l'antenne ne conduit pas du tout à l'augmentation de la surface effective dans une direction donnée.

Mais dans le cas des antennes imprimées, y'a-t'il un lien direct entre la surface du patch métallique et la surface équivalente ?

[LPFR]

Bonjour.

Mais dans le cas des antennes imprimées, y'a-t'il un lien direct entre la surface du patch métallique et la surface équivalente ?

Re.
Elles sont sûrement liées. Mais la relation dépend de la forme géométrique, des caractéristiques diélectriques du support et de la façon dont le patch est alimenté.
La surface équivalente est sûrement plus grande quand le patch est plus grand, mais la relation n'est sûrement pas un simple facteur multiplicatif.
A+

[b@z66]

Bonjour.

Mais dans le cas des antennes imprimées, y'a-t'il un lien direct entre la surface du patch métallique et la surface équivalente ?

Pas nécessairement, le rayonnement est émis dans ce genre d'antenne au niveau des espaces entre le "patch" métallique et le plan de masse(donc au niveau du diélectrique). Aux endroits où le patch s'arrête, tout se passe donc comme pour une antenne à ouverture, le champ électromagnétique peut s'en échapper. Ce qui compte finalement le plus dans ces antennes pour la surface équivalente, ce n'est pas la surface du patch mais la surface de l'espace entre le patch et le diélectrique.

[calculair]

Bonjour

La physique des antennes et les lois de l'optique se rejoignent souvent. Si elles semblent être differentes quelque fois, c'est en fait une question de notation.

Le gain d'une antenne, ou sa directivité, n'est en fait que ce que l'on appelle la diffraction en optique.

Pour eviter qu'un rayon diffracte, il faut disposer de rayons de grand diametre, emis ( ou reçus) par des lentilles ou miroirs de grande surface ( grand diametre pour les miroirs de telescope)

On relie ainsi la surface equivalente ( ou reelle quelquefois) au gain ( ou la directivité) par la formule

G = 4 pi S /lambda²

Cette formule des radioelectriciens est quasiment equivalente à celle des opticiens qui donne que l'angle en radian d'une tache de diffraction est

alpha = 1,22 d / lambda

Ainsi , il est impossible de violer les lois de l'electromagnetisme, qui sont applicables aux ondes radioelectriques et lumineuses

Si l'antenne a de petites dimensions, si elle est bien adaptée electriquement, elle rayonnera toute l'energie reçue par la source ( aux pertes joule près), mais ces performances en termes de directivité '( ou de gain ) seront mediocres


Ainsi pas de miracle, les opticiens diront avec des instruments de petits diametres, le pouvoir séparateur, n'est pas trés bon......c'est une question de vocabulaire...

Un radio astromome dira peut être d'un grand télescope ayant un miroir de grand diametre, qu'il a un gain important ( au lieu d'un pouvoir séparateur fabuleux !!)

[invite2bfd7c79]

Bonsoir.

Ce que produit l'onde EM émisse dans une antenne est l'accélération des électrons. Pour ceci il faut du courant alternatif le long de l'antenne. Quand l'antenne est courte, il y a peu de longueur où les électrons sont accélérés, et le rayonnement est plus faible. L'antenne pressente une impédance capacitive.

Le problème c'est que lorsqu'on l'on regarde l'expression de la résistance de rayonnement d'un patch de longueur lambda (effectif)/2, celle-ci ne fait intervenir que la hauteur du substrat et la largeur du patch (I.E. la longueur des fentes rayonnantes), plus d'autres choses mais pas la longueur en tout cas...

@Calculair: je crois que je vois où tu veux en venir, l'idée est bonne mais bon comme l'on dit les autres le lien entre surface équivalente et surface réelle du patch est loin d'être évident, et ça pose un peu problème pour mener le raisonnement jusqu'au bout.

D'ailleurs, en considérant qu'il faille plutôt raisonner sur les fentes, peut-on considérer qu'il y en a toujours 2 pour un patch court-circuité ?

[b@z66]

D'ailleurs, en considérant qu'il faille plutôt raisonner sur les fentes, peut-on considérer qu'il y en a toujours 2 pour un patch court-circuité ?

Tout dépend de la façon utilisée pour court-circuité ce patch: si c'est en court-circuitant la fente à l'extrémité du patch, j'aurais tendance à répondre dans le sens que ta question sous-entend.

[invite2bfd7c79]

Tout dépend de la façon utilisée pour court-circuité ce patch: si c'est en court-circuitant la fente à l'extrémité du patch, j'aurais tendance à répondre dans le sens que ta question sous-entend.

C'est la solution classique: des trous métallisés disposés à (lambda effectif)/4, espacé avec un pas régulier très petit devant la longueur d'onde.