Retours après formation antennes et discussion avec 8KKY (Club Radio Amateur de Roubaix)
Qu'est ce que l'impédance caractéristique (Zc) d'une ligne de transmission?
L'impédance caractéristique d'une ligne de transmission est définir par la formule:
où L et C sont l'inductance et la capacitance par unité de longueur.
Elle dépend principalement des dimensions des fils conducteurs, de leur espacement ainsi que de la constante diélectrique de l'isolant qui les sépare.
Pour un câble coaxial, l'impédance caractéristique est de 50 ou 75 ohms.
Pour une paire torsadée: 120 ohms (câble tel) - 90 ohms (câble USB) - 100 ohms (câble Ethernet).
Pour une ligne bifilaire, généralement 300 ohms.
L'impédance d'une antenne
L'impédance de l'antenne est difficile à calculer car elle dépend de nombreux composants. Plutôt que de la calculer on préférera donc la mesurer.
Cas du dipôle 1/2 onde:
A sa fréquence de résonance, un dipôle de 1/2 onde à une impédance résistive série de 73 ohms. (cette résistance correspond à sa résistance de rayonnement).
S'il est trop long, son impédance devient inductive, et sa résistance augmente (ex: Z=88+j97 ohms)
S'il est trop court, son impédance devient capacitive, et sa résistance d'émission diminue (Z=65-j48)
Source: http://f5zv.pagesperso-orange.fr/RADIO/RM/RM08/RM08a/RM08a03.html
Une discussion intéressante sur les liens entre impédance d'antennes et angle des
Cas du monopole 1/4 d'onde:
A sa fréquence de résonance, un monopôle 1/4 d'onde perpendiculaire à un "ground plane" conductif, à une impédance de 37 ohms. En pratique, si le plan de masse n'est pas parfait (antenne de type fouet par exemple, l'impédance augmente.
Lorsqu'une antenne fouet est montée sur un toit, on y ajoute souvent un plan de masse virtuel correspondant à des tiges métalliques d'une longueur équivalente à 1/4 d'onde.
Si l'on augmente l'angle entre l'antenne et le "plan de masse virtuel", on augmente artificiellement l'impédance caractéristique du monopôle. Celà est souvent fait pour modifier l'impédance vers 50 ohms ce qui facilite l'adaptation à un câble coaxial standard.
A lire: très intéressant: http://pierre.rondel.free.fr/antennes.htm
Qu'est ce que l'adaptation d'impédance et à quoi ça sert
pour avoir une meilleure performance d'émission RF au global, il faut optimiser le circuit d'émission complet entre émetteur, câble et antenne pour que les impédances soient égales.
Toute différence d'impédance gère une déperdition de la puissance de transmission qui est réfléchie dans le propre émetteur au lieu d'être convertie en radiations. En plus de ces déperditions, celà peut faire chauffer le câble, voire endommager le transmetteur (s'il n'est pas doté d'une protection).
On appelle celà le VSWR ou le SWR (voltage standing wave ratio)
VSWR 1:1 est parfait, et en pratique 1,2:1 est déjà trys bon. 2:1 reste ok (10% de reflection
Le "return loss" est une autre manière de dire la même chose, plus simple et de plus en plus utilisée:
Mesure en db (10log) du quotient Puissance émise sur puissance retournée.
"When a transmission line (cable) is terminated by an impedance that does not match the characteristic impedance of the transmission line, not all of the power is absorbed by the termination. Part of the power is reflected back down the transmission line."
Que fait on pour réduire le VSWR?
Pour réduire le VSWR on doit optimiser toute la ligne de transmission pour que les différentes parties (emetteur, ligne de transmission, antennes) soient accordés sur la même impédance, pour celà on utilise des baluns et des boîtes d'accord. Lors de la mesure, on peut utiliser des atténuateurs pour réduire les risques liés aux VSWR dans la boite d'accord ou dans l'émetteur.
"Baluns are used extensively in antennas to not only convert from balanced to unbalanced signals but also to match the impedance of the source to the antenna".
"It is common practice in EMC testing to include attenuators at any point where there is an impedance mismatch".
Source:
http://emc.toprudder.com/vswr.pdf
Adaptation d'impédance, ou boîte d'accords
Lorsqu'on émet en HF, on peux souhaiter utiliser la même antenne pour émettre sur plusieurs bandes de fréquence. Une antenne est généralement dimensionnée pour une fréquence particulière pour laquelle elle va entrer en résonance et donc être la plus efficace.
Prenons le cas d'antenne la plus courante en HF, le dipôle de demi-onde -qui consiste en deux fils de longueur égale à 1/4 de la longueur d'onde sur laquelle on veut émettre. (gain d'environ 2,14 dbi)
Cette antenne a été dimensionnée pour une fréquence spécifique. Si l'on veut l'utiliser pour émettre sur d'autres fréquences, il nous faut la rallonger ou la réduire artificiellement pour qu'elle résonne à la fréquence souhaitée. Pour ce faire, on utilise une boîte d'accord, composée de bobines et condensateurs variables que l'on va "régler" pour accorder la fréquence d'émission de l'émetteur à la longueur de l'antenne.
Ce que l'on cherche à faire c'est adapter la longueur à un nombre impair de quart de longueurs d'onde. C'est effectivement sur une longueur d'antenne correspondante à les nombres impairs de quart de longueurs d'onde que l'antenne aura une impédance plus faible.
Le principe c'est que pour "rallonger" l'antenne, on doit ajouter de l'inductance et pour la "raccourcir" on ajoute de la capacitance. (C'est facile d'avoir cette image car une bobine est en quelque sorte un fil enroulé donc qui rallonge).
Lorsque l'on travaille sur une longueur supérieure à 1/2 onde, on modifie le diagramme de radiation de l'antenne. Un exemple intéressant et connue: pour une longueur d'antenne correspondant à 5/4 de longueur d'onde le dipôle voit son gain augmenter nettement (mais sa largeur de faisceau diminuer en conséquence) (gain +- 5,2 dbi contre 2 dbi pour dipôle 1/2 onde). Cette longueur d'antenne même si elle ne correspond pas à une résonance est souvent utilisée.
Qu'est ce que l'impédance caractéristique (Zc) d'une ligne de transmission?
L'impédance caractéristique d'une ligne de transmission est définir par la formule:
où L et C sont l'inductance et la capacitance par unité de longueur.Elle dépend principalement des dimensions des fils conducteurs, de leur espacement ainsi que de la constante diélectrique de l'isolant qui les sépare.
Pour un câble coaxial, l'impédance caractéristique est de 50 ou 75 ohms.
Pour une paire torsadée: 120 ohms (câble tel) - 90 ohms (câble USB) - 100 ohms (câble Ethernet).
Pour une ligne bifilaire, généralement 300 ohms.
L'impédance d'une antenne
L'impédance de l'antenne est difficile à calculer car elle dépend de nombreux composants. Plutôt que de la calculer on préférera donc la mesurer.
Cas du dipôle 1/2 onde:
A sa fréquence de résonance, un dipôle de 1/2 onde à une impédance résistive série de 73 ohms. (cette résistance correspond à sa résistance de rayonnement).
S'il est trop long, son impédance devient inductive, et sa résistance augmente (ex: Z=88+j97 ohms)
S'il est trop court, son impédance devient capacitive, et sa résistance d'émission diminue (Z=65-j48)
Source: http://f5zv.pagesperso-orange.fr/RADIO/RM/RM08/RM08a/RM08a03.html
Une discussion intéressante sur les liens entre impédance d'antennes et angle des
Cas du monopole 1/4 d'onde:
A sa fréquence de résonance, un monopôle 1/4 d'onde perpendiculaire à un "ground plane" conductif, à une impédance de 37 ohms. En pratique, si le plan de masse n'est pas parfait (antenne de type fouet par exemple, l'impédance augmente.
Lorsqu'une antenne fouet est montée sur un toit, on y ajoute souvent un plan de masse virtuel correspondant à des tiges métalliques d'une longueur équivalente à 1/4 d'onde.
Si l'on augmente l'angle entre l'antenne et le "plan de masse virtuel", on augmente artificiellement l'impédance caractéristique du monopôle. Celà est souvent fait pour modifier l'impédance vers 50 ohms ce qui facilite l'adaptation à un câble coaxial standard.
A lire: très intéressant: http://pierre.rondel.free.fr/antennes.htm
Qu'est ce que l'adaptation d'impédance et à quoi ça sert
pour avoir une meilleure performance d'émission RF au global, il faut optimiser le circuit d'émission complet entre émetteur, câble et antenne pour que les impédances soient égales.
Toute différence d'impédance gère une déperdition de la puissance de transmission qui est réfléchie dans le propre émetteur au lieu d'être convertie en radiations. En plus de ces déperditions, celà peut faire chauffer le câble, voire endommager le transmetteur (s'il n'est pas doté d'une protection).
On appelle celà le VSWR ou le SWR (voltage standing wave ratio)
VSWR 1:1 est parfait, et en pratique 1,2:1 est déjà trys bon. 2:1 reste ok (10% de reflection
Le "return loss" est une autre manière de dire la même chose, plus simple et de plus en plus utilisée:
Mesure en db (10log) du quotient Puissance émise sur puissance retournée.
"When a transmission line (cable) is terminated by an impedance that does not match the characteristic impedance of the transmission line, not all of the power is absorbed by the termination. Part of the power is reflected back down the transmission line."
Que fait on pour réduire le VSWR?
Pour réduire le VSWR on doit optimiser toute la ligne de transmission pour que les différentes parties (emetteur, ligne de transmission, antennes) soient accordés sur la même impédance, pour celà on utilise des baluns et des boîtes d'accord. Lors de la mesure, on peut utiliser des atténuateurs pour réduire les risques liés aux VSWR dans la boite d'accord ou dans l'émetteur.
"Baluns are used extensively in antennas to not only convert from balanced to unbalanced signals but also to match the impedance of the source to the antenna".
"It is common practice in EMC testing to include attenuators at any point where there is an impedance mismatch".
Source:
http://emc.toprudder.com/vswr.pdf
Adaptation d'impédance, ou boîte d'accords
Lorsqu'on émet en HF, on peux souhaiter utiliser la même antenne pour émettre sur plusieurs bandes de fréquence. Une antenne est généralement dimensionnée pour une fréquence particulière pour laquelle elle va entrer en résonance et donc être la plus efficace.
Prenons le cas d'antenne la plus courante en HF, le dipôle de demi-onde -qui consiste en deux fils de longueur égale à 1/4 de la longueur d'onde sur laquelle on veut émettre. (gain d'environ 2,14 dbi)
Cette antenne a été dimensionnée pour une fréquence spécifique. Si l'on veut l'utiliser pour émettre sur d'autres fréquences, il nous faut la rallonger ou la réduire artificiellement pour qu'elle résonne à la fréquence souhaitée. Pour ce faire, on utilise une boîte d'accord, composée de bobines et condensateurs variables que l'on va "régler" pour accorder la fréquence d'émission de l'émetteur à la longueur de l'antenne.
Ce que l'on cherche à faire c'est adapter la longueur à un nombre impair de quart de longueurs d'onde. C'est effectivement sur une longueur d'antenne correspondante à les nombres impairs de quart de longueurs d'onde que l'antenne aura une impédance plus faible.
Le principe c'est que pour "rallonger" l'antenne, on doit ajouter de l'inductance et pour la "raccourcir" on ajoute de la capacitance. (C'est facile d'avoir cette image car une bobine est en quelque sorte un fil enroulé donc qui rallonge).
Lorsque l'on travaille sur une longueur supérieure à 1/2 onde, on modifie le diagramme de radiation de l'antenne. Un exemple intéressant et connue: pour une longueur d'antenne correspondant à 5/4 de longueur d'onde le dipôle voit son gain augmenter nettement (mais sa largeur de faisceau diminuer en conséquence) (gain +- 5,2 dbi contre 2 dbi pour dipôle 1/2 onde). Cette longueur d'antenne même si elle ne correspond pas à une résonance est souvent utilisée.
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