Antenne dipôle : Qu’est-ce que c’est ? (Et les types d’antennes)

Qu’est-ce qu’une antenne dipôle ?

Une antenne dipôle (également appelée doublet ou antenne dipôle) est définie comme un type d’antenne RF (radiofréquence), constituée de deux éléments conducteurs tels que des tiges ou des fils. Le dipôle est l’une des variétés d’antennes qui produisent un diagramme de rayonnement se rapprochant de celui d’un dipôle électrique élémentaire. Les antennes dipôles sont le type d’antenne le plus simple et le plus largement utilisé.

Un ‘dipôle’ signifie ‘deux pôles’ donc l’antenne dipôle est constituée de deux éléments conducteurs identiques tels que des tiges ou des fils métalliques. La longueur des fils métalliques est approximativement la moitié de la longueur d’onde maximale (c’est-à-dire,) dans l’espace libre à la fréquence de fonctionnement.

Ce fil ou cette tige est fendu au centre, et les deux sections sont séparées par un isolant, ces sections sont connues sous le nom de section d’antenne.

Ces deux sections d’antenne sont connectées à une alimentation ou à un câble coaxial à l’extrémité la plus proche du centre de l’antenne. Notez que la longueur d’onde est la distance entre deux points maximum ou minimum consécutifs. L’antenne dipôle de base avec le point d’alimentation central est représentée sur la figure ci-dessous.

La source de tension radiofréquence (RF) est appliquée au centre entre les deux sections de l’antenne dipôle. Cette tension et un courant circulant dans les deux éléments conducteurs produisent un signal radio ou une onde électromagnétique à rayonner vers l’extérieur de l’antenne.

Le courant est maximum et la tension est minimum au centre de l’antenne dipôle. Inversement, le courant est minimal et la tension est maximale aux extrémités de l’antenne dipôle.

Le diagramme de rayonnement de l’antenne dipôle de base est représenté sur la figure ci-dessous. Il est perpendiculaire à l’axe de l’antenne.

Notez que le diagramme de rayonnement est la représentation graphique des propriétés de rayonnement des antennes en fonction de l’espace c’est-à-dire, le diagramme de rayonnement de l’antenne décrit comment l’antenne rayonne l’énergie dans l’espace.

L’antenne dipôle est un type de transducteur qui convertit les signaux électriques en ondes électromagnétiques RF et les rayonne du côté de l’émission et convertit les ondes électromagnétiques RF en signaux électriques du côté de la réception.

Conception d’une antenne dipôle

Nous pouvons concevoir de nombreuses antennes dipôles qui fonctionneront sur les bandes HF (haute fréquence), VHF (très haute fréquence) et UHF (ultra-haute fréquence) du spectre des fréquences radioélectriques.

Concevons une antenne dipôle de 1 MHZ.

Sélection de la longueur de l’antenne dipôle

Comme nous savons que la longueur d’onde d’une onde radio ou de toute autre onde varie de façon inversement proportionnelle à la fréquence. elle est donnée par :

(1)

Où, C = vitesse de la lumière =

f = fréquence, en Hertz

= longueur d’onde, en mètre

Donc,

(2)

Donc, à une demi-longueur d’onde, la longueur de l’antenne est donnée par,

(3)

Donc, à partir de l’équation (3), nous pouvons dire que, si nous avons utilisé un émetteur radio de 1 MHz, alors la longueur de base du fil d’antenne sera de 150 mètres ou 492 pieds ou 5905 pouces.

Ceci est correct si nous négligeons « l’effet final ». Cet « effet d’extrémité » est l’effet diélectrique de l’air à l’extrémité de l’antenne qui augmente la longueur effective de l’antenne. En raison de l’effet d’extrémité, un fil d’antenne est considéré comme 5 % plus long que sa longueur réelle. Cela produira des interférences entre les courants d’excitation et d’oscillation et, à cause de cela, l’amplitude de l’oscillation peut être affaiblie.

Par conséquent, pour contrebalancer l' »effet de fin » et faire en sorte que l’antenne fonctionne correctement, il est nécessaire de couper le fil d’antenne d’environ à 5% et rend sa longueur physique approximativement 95% de la moitié de la longueur d’onde.

Ainsi, pour obtenir la longueur pratique du fil d’antenne, la valeur multipliée par un facteur K à la longueur de base du fil d’antenne, soit ,

(4)

La valeur de K dépend de l’épaisseur du conducteur et de la fréquence de fonctionnement. Cette valeur de K est précise pour un fil d’antenne à une fréquence allant jusqu’à 30 MHz.

Sélection de l’impédance d’alimentation ou de la résistance de rayonnement

L’impédance d’alimentation d’un dipôle est définie par le rapport entre la tension et le courant au point d’alimentation. Elle est généralement alimentée au point de tension minimum et de courant maximum.

Pour assurer le transfert maximum d’énergie de l’alimentation, ou de la source/charge, l’impédance d’alimentation de l’antenne dipôle doit être la même que celle de la source ou de la charge. En adaptant l’impédance d’alimentation à l’impédance de la source ou de la charge, l’antenne peut fonctionner à son efficacité maximale.

La résistance de rayonnement ou une impédance d’alimentation d’entrée d’une antenne dipôle idéale en espace libre peut être approximativement modélisée par une impédance de 73 Ω et dans des conditions pratiques, elle varie de 60 Ω à 70 Ω. L’impédance de l’antenne peut être modifiée en variant la longueur ou la forme des fils.

De nombreux types de câbles coaxiaux ont une impédance caractéristique de 75 Ω donc, l’antenne dipôle peut être alimentée avec un câble coaxial de 75 Ω à deux fils qui est une bonne correspondance pour une antenne dipôle demi-onde.

Aussi, le dipôle demi-onde peut être alimenté avec une ligne de transmission d’impédances 300 Ω, et 600 Ω ligne à fil ouvert avec des dipôles pliés selon les capacités de traitement de la puissance.

Utiliser une alimentation équilibrée ou un balun

L’antenne dipôle est l’antenne équilibrée. Par conséquent, il est nécessaire d’utiliser une alimentation équilibrée. Une alimentation équilibrée est constituée de deux conducteurs parallèles. Les courants qui circulent dans les deux conducteurs sont égaux en magnitude mais de directions opposées. Par conséquent, le champ rayonnant de ces deux conducteurs s’annule et aucune puissance n’est dissipée. L’espacement entre les conducteurs est normalement maintenu à environ 0,01 longueur d’onde. S’il est nécessaire d’utiliser une alimentation coaxiale, il faut alors utiliser le balun équilibré.

Câble coaxial

L’alimentation la plus courante qui est utilisée pour alimenter l’antenne est le câble coaxial ou câble coaxial. Il est souvent appelé câble RF.

Un câble coaxial transporte du courant dans les deux conducteurs. Ces courants sont égaux en magnitude mais de directions opposées. En raison de cela, tous les champs rayonnants sont liés à l’intérieur du câble et donc ils s’annulent les uns les autres.

Donc, il n’y a pas de champ rayonnant à l’extérieur du câble donc il n’est pas affecté par la proximité de tout objet. Par conséquent, il est le mieux adapté comme une alimentation de l’antenne dipôle.

Isolateur de tension

Un isolateur de tension est un isolant électrique qui est conçu pour résister à la traction d’un câble ou d’un fil électrique suspendu.

Il est inséré entre deux longueurs du fil conducteur, pour les isoler électriquement les uns des autres. Il est utilisé dans les fils électriques aériens, pour soutenir les antennes radio et les lignes électriques aériennes.

Ainsi, la conception globale d’une antenne dipôle de 1 MHz est présentée dans la figure ci-dessous.

Types d’antennes dipôles

Les types les plus courants d’une antenne dipôle sont l’antenne dipôle demi-onde. Il existe de nombreux types d’antennes dipôles peuvent être conçus. Expliquons en détail les principaux types d’antennes dipôles.

Antenne dipôle repliée

Une antenne dipôle repliée est un réseau de l’antenne à deux dipôles. Si deux antennes dipôles sont connectées en parallèle pour former une boucle de fil mince, alors on l’appelle une antenne dipôle repliée.

Comme son nom l’indique, la forme de l’antenne dipôle est repliée sur elle-même. Dans l’antenne dipôle repliée, deux dipôles demi-onde – l’un continu et l’autre fendu au centre sont repliés et réunis en parallèle aux extrémités. Le dipôle divisé est alimenté au centre par une ligne de transmission équilibrée. Par conséquent, les deux dipôles ont les mêmes tensions à leurs extrémités et deux courants identiques sont générés.

Le diagramme de rayonnement d’un dipôle plié est le même que pour un dipôle ordinaire mais l’impédance d’entrée du dipôle plié est plus élevée et la directivité d’un dipôle plié est bidirectionnelle.

Antenne dipôle repliée à deux fils

Si deux antennes dipôles sont connectées en parallèle pour former une boucle de fil mince, on parle alors d’antenne dipôle repliée à deux fils.

Si le rayon des deux conducteurs est égal, alors des courants égaux circulent dans les deux conducteurs dans la même direction c’est-à-dire, les courants sont égaux en magnitude et en phase. Si le courant total alimenté à la borne est ‘I’, chaque dipôle aura un courant ‘I/2’. Ainsi, avec la même puissance appliquée, seule la moitié du courant circule dans le premier dipôle, et donc l’impédance d’entrée augmente et devient quatre fois plus élevée. L’antenne dipôle repliée est représentée sur la figure ci-dessous.

La formule générale pour le calcul de l’impédance d’un dipôle replié est donnée par,

Où, n = nbre. de fils d’antenne

Donc, pour un dipôle replié à deux fils de rayon égal, l’impédance d’entrée ou la résistance de rayonnement est donnée par

Par conséquent, le dipôle replié à deux fils peut être alimenté par une ligne de transmission conventionnelle à fils ouverts de 300 Ω sans aucun dispositif d’adaptation.

Antenne dipôle repliée à trois fils (tripôle replié)

Si trois antennes dipôles sont connectées en parallèle pour former une boucle de fil mince, alors on parle d’antenne dipôle repliée à trois fils ou antenne tripôle repliée.

Si les antennes dipôles repliées à trois fils sont utilisées avec des rayons égaux, alors le courant égal circule dans les trois conducteurs. Si le courant total alimenté à la borne est ‘I’, alors chaque dipôle aura un courant ‘I/3’.

Donc, avec la même puissance appliquée, seulement un tiers du courant rayonnant total circule dans le premier dipôle, et donc l’impédance d’entrée augmente et devient neuf fois. L’antenne dipôle repliée est représentée sur la figure ci-dessous.

Donc, pour un dipôle replié à trois fils avec un rayon égal, l’impédance d’entrée ou la résistance de rayonnement est donnée par

Par conséquent, le dipôle replié à trois fils ou le tripôle replié peut être alimenté avec une ligne de transmission ouverte conventionnelle à deux fils de 600 Ω sans aucun dispositif d’adaptation.

Donc, l’antenne dipôle pliée ou l’antenne tripôle possède une importante propriété de transformation d’impédance. Il est donc facile de l’adapter à une ligne de transmission qui alimente l’antenne. Il est également possible de modifier l’impédance d’entrée en maintenant le rayon des deux dipôles inégaux. Dans cette condition, un plus grand courant circule à travers un dipôle plus épais et donc nous pouvons maintenir n’importe quelle impédance d’entrée désirée.

Avantages d’une antenne dipôle repliée

Certains des avantages d’une antenne dipôle repliée comprennent :

1. Elle a une impédance d’entrée élevée ; donc elle rend facile l’appariement avec la ligne de transmission.
2. Elle a une fréquence large bande c’est-à-dire, large bande, donc il est approprié pour la diffusion FM et TV.
3. Il a un gain élevé et une directivité élevée par rapport à une antenne dipôle simple donc, il peut être utilisé dans l’antenne Yagi-Uda.

Antenne dipôle FM

L’antenne dipôle FM est définie comme l’antenne dipôle demi-onde polarisée verticalement. L’antenne dipôle FM est surtout utilisée car elle est à construire et elle est adaptée pour fournir une meilleure réception de la diffusion FM VHF. L’antenne dipôle FM est représentée sur la figure ci-dessous.

Le diagramme de rayonnement de l’antenne dipôle FM est perpendiculaire à l’axe de l’antenne c’est-à-dire qu’il est horizontal car l’antenne dipôle FM est une antenne dipôle demi-onde polarisée verticalement. Le diagramme de rayonnement de l’antenne dipôle FM est représenté sur la figure ci-dessous.

L’antenne dipôle FM est généralement utilisée pour la gamme de fréquences de radiodiffusion FM entre 88 MHz et 108 MHZ.

Antenne dipôle éventail

Le dipôle éventail ou antenne filaire multibande est une antenne dans laquelle plusieurs dipôles sont connectés avec une ligne d’alimentation commune, et ils sont étalés comme un éventail d’où son nom d’antenne dipôle éventail.

Comme le nom l’indique la forme de l’antenne dipôle éventail ressemble à un éventail. Elle est également connue sous le nom d’antenne dipôle parallèle.

Dans l’antenne dipôle éventail, chaque dipôle de la multibande est coupé à partir du centre des bandes et connecté à une alimentation commune. Le dipôle doit être coupé à partir de l’endroit où nous voulons qu’il rayonne. Lorsque le signal est transmis, nous ne recevons que le signal de cette bande qui rayonne, car les autres dipôles ont une impédance plus élevée par rapport à cet élément rayonnant.

L’antenne dipôle éventail est représentée sur la figure ci-dessus. Il s’agit d’une antenne dipôle en éventail à 4 bandes. Ici, nous avons utilisé 80 m, 40 m, 20 m, et 10 m dipôle multi-bandes qui sont connectés en parallèle avec une ligne d’alimentation commune.

Lorsque le dipôle 80 m rayonne signifie que le courant passe à travers les dipôles 80 m, dans cette condition, nous recevons le signal seulement des bandes 80 m parce qu’il a une impédance plus faible tandis que l’autre bande 40 m, 20 m, et 10 m ont une impédance plus élevée par rapport à l’élément rayonnant 80 m.

De même, lorsque le dipôle de 40 m rayonne, nous ne recevons le signal que des bandes de 40 m car il a une impédance plus faible par rapport à l’autre dipôle. Notez que selon la loi des courants de Kirchhoff, les autres dipôles rayonnent également mais pas efficacement.

Antenne dipôle demi-onde

L’antenne dipôle demi-onde est le type d’antenne dipôle le plus utilisé. Comme son nom l’indique, la longueur totale de l’antenne dipôle est égale à la demi-longueur d’onde () à la fréquence de fonctionnement.

Il est connu comme un dipôle demi-longueur d’onde ou simplement dipôle ou doublet. Elle est également connue sous le nom d’antenne de Hertz.

L’antenne dipôle demi-onde est constituée d’un conducteur de deux quarts de longueur d’onde avec le point d’alimentation au centre. C’est l’antenne symétrique dans laquelle les deux extrémités sont au même potentiel que le point central.

La distribution du courant dans l’antenne dipôle demi-onde est approximativement sinusoïdale sur la longueur du dipôle c’est-à-dire une onde stationnaire par nature. L’antenne dipôle demi-onde de base et la distribution de la tension et du courant sur celle-ci sont montrées dans la figure ci-dessous.

Le diagramme de rayonnement de l’antenne dipôle demi-onde est montré dans la figure ci-dessous. Elle montre que les directions de rayonnement maximal sont perpendiculaires au conducteur ou à l’axe de l’antenne. Elle est également perpendiculaire à la direction du courant de l’antenne.

L’antenne dipôle demi-onde peut fonctionner autour de la gamme de fréquences de 3 kHz à 300 GHz ; elle est donc surtout utilisée dans les récepteurs radio.

Antenne dipôle courte

L’antenne dipôle courte est le type d’antenne le plus simple de toutes les antennes. Une antenne dipôle courte est celle dans laquelle la longueur du fil est inférieure à la moitié de la longueur d’onde c’est-à-dire,().

Dans une antenne dipôle courte, l’impédance d’alimentation commence à augmenter et sa réponse est moins dépendante des changements de fréquence. La distribution du courant dans l’antenne dipôle courte est approximativement triangulaire.

La longueur de l’antenne dipôle courte se situe entre et . c’est-à-dire . La répartition du courant sur l’antenne dipôle courte est approximativement triangulaire. L’antenne dipôle courte de base et la distribution de courant sur celle-ci sont présentées dans la figure ci-dessous.

Le diagramme de rayonnement de l’antenne dipôle courte est simplement un cercle. Il est légèrement différent de celui de l’antenne dipôle demi-onde. Le diagramme de rayonnement de l’antenne dipôle courte et sa comparaison avec l’antenne dipôle demi-onde sont présentés dans la figure ci-dessous.

Une antenne dipôle courte est utilisée à la place de l’antenne dipôle demi-onde complète dans certaines applications où l’antenne dipôle demi-onde complète est trop grande.

À quoi sert une antenne dipôle (applications) ?

Certaines des applications de l’antenne dipôle comprennent :

• L’antenne dipôle est largement utilisée en radio et en télécommunications.
• Une antenne peut être utilisée soit comme une antenne d’émission, soit comme une antenne de réception. Une antenne d’émission est utilisée pour convertir les signaux électriques en ondes électromagnétiques et les rayonner. Alors qu’une antenne de réception est utilisée pour convertir les ondes électromagnétiques en signaux électriques. Dans une communication bidirectionnelle, la même antenne dipôle peut être utilisée pour l’émission et la réception.
• Une antenne dipôle demi-onde est utilisée dans les récepteurs de radio et de télévision.
• Une antenne dipôle repliée est utilisée dans les antennes Yagi-Uda pour la réception de la télévision terrestre (TV) en utilisant la ligne équilibrée de Z0 = 300 Ω car une antenne dipôle repliée a une impédance d’entrée élevée et donc elle s’adapte facilement à l’impédance de la ligne de transmission.
• L’antenne dipôle repliée est utilisée dans les opérations à large bande telles que la diffusion FM et TV (Télévision).
• Les antennes VHF et UHF sont utilisées dans les communications mobiles terrestres dans les zones côtières, la sécurité publique, la communication publique et les applications industrielles.
• L’antenne dipôle FM est utilisée comme antenne de diffusion-réception FM pour la bande de diffusion FM de 88 MHz à 108 MHz.
• Une antenne à réflecteur parabolique est couramment utilisée pour les communications par satellite, la radioastronomie et pour divers types de liaisons de radiocommunication.