📡 Antennes et Propagation

Semestre 4 - DUT GEII

Conception, simulation et caractérisation d'antennes pour systèmes sans fil. Applications IoT, WiFi, 4G/5G, satellite.

PART A - Présentation Générale du Cours

Contexte et objectifs

Ce module constitue la suite directe du cours de Propagation et Hyperfréquences du S3, en approfondissant la conception et la caractérisation d’antennes pour les communications sans fil modernes. Dans un contexte où les systèmes RF se multiplient (IoT, 5G, satellite, RFID), la maîtrise de la conception d’antennes devient une compétence clé pour l’ingénieur en électronique.

Objectifs pédagogiques :

Prérequis nécessaires :

PART B - Expérience, Contexte et Fonction

Organisation et ressources

Le module était structuré en trois volets complémentaires combinant théorie, simulation et pratique :

Cours magistraux (18h) :

Travaux dirigés (12h) :

Travaux pratiques (18h) :

Projet (20h) : Conception complète d’une antenne (patch ou Yagi) : dimensionnement, simulation, fabrication, mesures et documentation.

Ressources pédagogiques :

Méthodologie d'étude

Phase 1 : Comprendre les fondamentaux : Assimiler les paramètres caractéristiques (gain, directivité, diagramme, polarisation) et leur signification physique. Établir le lien entre géométrie de l’antenne et ses performances.

Phase 2 : Maîtriser le dimensionnement : S’exercer sur les formules de calcul pour dipôles et patchs. Comprendre l’influence des paramètres (fréquence, substrat, dimensions) sur les performances. Utiliser les TD pour développer l’intuition.

Phase 3 : Simulation intensive : Prendre en main les logiciels de simulation EM. Commencer par des structures simples (dipôle) puis progresser vers des antennes complexes (Yagi, patch). Analyser S11, gain, diagrammes.

Phase 4 : Mesures et validation : Confronter simulations et mesures réelles en chambre anéchoïque et au VNA. Identifier les écarts et leurs causes (imperfections de fabrication, environnement, câbles).

Phase 5 : Approche système : Développer une vision globale avec les bilans de liaison. Intégrer antennes, propagation, pertes et marges pour concevoir un système complet.

Difficultés rencontrées

Complexité de la simulation EM : Les logiciels 3D (CST, HFSS) ont une courbe d’apprentissage importante. Le maillage, les conditions aux limites et les temps de calcul nécessitent de l’expérience. Commencer par des tutoriels simples avant d’aborder des structures complexes.

Sensibilité aux paramètres de fabrication : Les antennes patch sont sensibles à l’épaisseur du substrat, aux tolérances d’usinage PCB et à la qualité des soudures. Un décalage de quelques % en fréquence est fréquent entre simulation et réalité.

Environnement de mesure : Même en chambre anéchoïque, des réflexions résiduelles et le couplage avec les câbles affectent les mesures. L’étalonnage du VNA et le positionnement précis des antennes sont critiques.

Compromis de conception : Gain, bande passante et encombrement sont antagonistes. Une antenne directive (Yagi) a un gain élevé mais est volumineuse. Un patch est compact mais a une bande étroite. Identifier le bon compromis selon l’application demande de l’expérience.

Propagation multi-trajets : En environnement réel, les phénomènes de réflexion, diffraction et fading compliquent le bilan de liaison. Les modèles théoriques (Friis, Okumura-Hata) donnent des estimations qu’il faut corriger par des marges de sécurité.

PART C - Aspects Techniques

Module 1 : Paramètres caractéristiques des antennes

Diagramme de rayonnement

Le diagramme de rayonnement représente la distribution spatiale de la puissance rayonnée par l’antenne.

Représentations :

Caractéristiques du diagramme :

Gain et directivité

Directivité D (dBi) : La directivité quantifie la capacité de l’antenne à concentrer l’énergie dans une direction privilégiée, comparée à une antenne isotrope.

D = 4π × Umax / Prad

Où Umax est l’intensité de rayonnement maximale et Prad la puissance totale rayonnée.

Gain G (dBi) : Le gain tient compte des pertes réelles de l’antenne (pertes ohmiques, diélectriques).

G = η × D

Où η est l’efficacité de rayonnement (typiquement 70-95%).

Relation entre gain et ouverture : Plus l’antenne est directive (ouverture étroite), plus son gain est élevé.

Antenne dipôle demi-onde

Figure 1 : Antenne dipôle λ/2 avec caractéristiques et diagrammes de rayonnement

Polarisation

La polarisation décrit l’orientation du champ électrique de l’onde rayonnée.

Types de polarisation :

Rapport axial (AR) : Pour une polarisation circulaire, l’AR mesure la qualité de circularité :

Importance : Pour une communication efficace, émetteur et récepteur doivent avoir la même polarisation. Une désadaptation de polarisation entraîne des pertes (jusqu’à ∞ dB pour des polarisations orthogonales).

Impédance d’entrée et adaptation

Impédance complexe :

Z = R + jX

Adaptation 50Ω : La plupart des systèmes RF utilisent une impédance caractéristique de 50Ω. L’antenne doit être adaptée à cette valeur pour un transfert de puissance maximal.

Coefficient de réflexion S11 :

S11 (dB) = 20 log |Γ|
où Γ = (Z - Z0) / (Z + Z0)

Taux d’ondes stationnaires (TOS ou SWR) :

TOS = (1 + |Γ|) / (1 - |Γ|)

Bande passante

Une antenne a plusieurs bandes passantes selon le critère considéré :

Bande d’adaptation : Plage de fréquences où S11 < -10 dB. Pour les antennes résonnantes (dipôle, patch), typiquement 2-5% de la fréquence centrale.

Bande de rayonnement : Plage où le gain reste dans une certaine tolérance (ex: ±1 dB).

Bande de polarisation : Plage où la polarisation reste acceptable (AR < 3 dB pour circulaire).

Module 2 : Types d'antennes

Antennes filaires

Dipôle demi-onde (λ/2) :

Structure la plus simple et fondamentale en théorie des antennes.

Caractéristiques :

Calcul pratique :

λ = c / f = 300 / f(MHz)  [en mètres]
L ≈ 143 / f(MHz)  [en mètres]

Applications : Radio FM, WiFi simple, mesures, référence.

Dipôle replié :

Variante avec deux brins reliés aux extrémités.

Monopole quart d’onde (λ/4) :

Moitié d’un dipôle au-dessus d’un plan de masse (effet miroir).

Caractéristiques :

Applications : Antennes véhicules, WiFi, GSM, radio mobiles.

Antenne Yagi-Uda :

Antenne directive composée d’éléments parasites.

Antenne Yagi-Uda

Figure 2 : Structure d'une antenne Yagi-Uda avec réflecteur et directeurs

Structure :

Principe : Les éléments parasites re-rayonnent l’énergie captée avec un déphasage qui concentre le faisceau vers l’avant.

Caractéristiques :

Dimensionnement : L’optimisation d’une Yagi nécessite des simulations (MMANA-GAL, 4NEC2) pour ajuster longueurs et espacements.

Applications : TNT (TV numérique terrestre), liaisons point-à-point WiFi, radioamateur, télémétrie.

Antennes imprimées (patch)

Patch rectangulaire :

Antenne constituée d’un élément métallique rectangulaire sur un substrat diélectrique avec plan de masse.

Antenne patch rectangulaire

Figure 3 : Antenne patch rectangulaire avec formules de dimensionnement

Principe de fonctionnement : Le patch se comporte comme une cavité résonnante. Les bords rayonnent comme deux fentes espacées de λ/2.

Formules de dimensionnement :

  1. Largeur W (influence l’impédance) : 
    W = (c / 2fr) × √(2 / (εr + 1))
  2. Permittivité effective εreff : 
    εreff = (εr + 1)/2 + (εr - 1)/2 × [1 + 12h/W]^(-1/2)
  3. Extension de longueur ΔL (effet de frange) : 
    ΔL = 0.412h × [(εreff + 0.3)(W/h + 0.264)] / [(εreff - 0.258)(W/h + 0.8)]
  4. Longueur L : 
    L = (c / 2fr√εreff) - 2ΔL

Où :

Substrats courants :

Modes d’alimentation :

Caractéristiques :

Avantages :

Inconvénients :

Applications : GPS, WiFi, télémétrie, drones, IoT, GNSS.

Patch circulaire :

Variante circulaire, souvent utilisée pour polarisation circulaire.

Antennes large bande

Antenne log-périodique :

Structure avec éléments de longueurs croissantes selon une loi logarithmique.

Antenne spirale :

Spirale d’Archimède ou logarithmique.

Antenne biconique :

Deux cônes métalliques face à face.

Antennes spécialisées

Antenne cornet :

Extrémité ouverte d’un guide d’onde.

Réseau d’antennes (Array) :

Combinaison de plusieurs antennes élémentaires avec déphasage contrôlé.

Antenne RFID :

Antennes spécifiques pour identification radio-fréquence.

Module 3 : Propagation des ondes radioélectriques

Modes de propagation

Onde de sol (surface wave) :

L’onde suit la courbure terrestre en s’appuyant sur la conductivité du sol.

Onde de surface (ground wave) :

Propagation en contact direct avec le sol, faible hauteur.

Onde d’espace (space wave) :

Propagation directe + réfléchie sur le sol (two-ray model).

Horizon radio :

d (km) ≈ 4.12 × [√h1(m) + √h2(m)]

Où h1 et h2 sont les hauteurs des antennes.

Onde ionosphérique (sky wave) :

Réflexion sur les couches ionisées de l’atmosphère (ionosphère).

Phénomènes de propagation

Réflexion :

Rebond de l’onde sur une surface (sol, bâtiments, obstacles).

Diffraction :

Contournement d’obstacles par l’onde.

Zone de Fresnel :

Ellipsoïde entre émetteur et récepteur. Pour un lien optimal, la première zone de Fresnel doit être dégagée à 60%.

Rayon première zone de Fresnel :

r (m) = √(λ × d1 × d2 / (d1 + d2))

Où d1 et d2 sont les distances aux antennes.

Réfraction :

Courbure de la trajectoire lors du changement de milieu (indice optique différent).

Absorption :

Atténuation par absorption dans les matériaux.

Multi-trajets et fading :

En environnement complexe, multiples répliques du signal arrivent avec retards et phases différents.

Modèles de propagation

Espace libre (Friis) :

Propagation idéale sans obstacles.

Équation de Friis

Figure 4 : Équation de Friis pour la propagation en espace libre

Équation de Friis :

Pr = Pt + Gt + Gr + 20 log(λ / 4πd)  [en dB]

Ou en termes de pertes en espace libre (FSPL - Free Space Path Loss) :

FSPL (dB) = 32.45 + 20 log(f_MHz) + 20 log(d_km)

Exemple : f = 2.4 GHz, d = 100 m FSPL = 32.45 + 20 log(2400) + 20 log(0.1) = 32.45 + 67.6 - 20 = 80 dB

Modèle à deux rayons (two-ray model) :

Rayon direct + rayon réfléchi sur le sol.

Okumura-Hata :

Modèle empirique pour environnements urbains/suburbains.

COST-231 Hata :

Extension du modèle Okumura-Hata.

Modèle Walfisch-Ikegami (COST-231) :

Modèle pour environnements urbains avec diffraction sur toits.

Recommandation ITU-R P.1546 :

Courbes de propagation pour services VHF/UHF (broadcast).

Module 4 : Simulations et mesures

Outils de simulation électromagnétique

MMANA-GAL :

Logiciel basé sur la méthode des moments (MoM) pour antennes filaires.

4NEC2 :

Interface graphique pour moteur NEC-2 (Numerical Electromagnetics Code).

CST Microwave Studio :

Logiciel commercial 3D complet (FIT - Finite Integration Technique).

HFSS (Ansys) :

Logiciel commercial utilisant FEM (Finite Element Method).

FEKO :

Logiciel hybride MoM/FEM pour structures électriquement grandes.

Mesures en chambre anéchoïque

Principe :

Chambre tapissée d’absorbants RF (pyramides ou ferrites) pour éliminer les réflexions et recréer un espace libre.

Mesures réalisées :

Diagramme de rayonnement :

Gain absolu : Méthode des trois antennes ou comparaison avec antenne étalonnée.

Polarisation : Rotation antenne source pour identifier polarisation AUT.

Équipements :

Mesures au VNA (Vector Network Analyzer)

Analyseur de réseau vectoriel :

Mesure amplitude et phase des paramètres S.

S11 (coefficient de réflexion) :

Impédance Z : Calculée à partir de S11 : Z = Z0 × (1 + S11) / (1 - S11)

TOS : Calculé à partir de S11 : TOS = (1 + |S11|) / (1 - |S11|)

Procédure :

  1. Calibrage (Open, Short, Load, Thru)
  2. Connexion antenne
  3. Balayage fréquentiel
  4. Identification fréquence de résonance (min S11)

Pièges à éviter :

Bilan de liaison radio

Logiciel Radio Mobile :

Outil de planification de couverture radio.

Paramètres d’entrée :

Sorties :

Marge de liaison :

Différence entre puissance reçue et sensibilité récepteur.

Équation bilan :

Pr (dBm) = EIRP (dBm) - FSPL (dB) + Gr (dBi) - Pertes_diverses (dB)
Marge (dB) = Pr (dBm) - Sensibilité_Rx (dBm)

PART D - Analyse et Réflexion

Évaluation

Le module était évalué selon une approche mixte valorisant théorie, pratique et projet :

Travaux pratiques (25%) : Évaluation continue sur les 9 séances de TP (simulation et mesures). Critères : compréhension outils, méthodologie, qualité résultats, analyse écarts simulation/mesure.

Projet antenne (40%) : Conception complète d’une antenne (patch ou Yagi) en binôme sur 20h. Livrables : cahier des charges, dimensionnement théorique, simulations, fabrication, mesures, rapport technique et soutenance orale. Évaluation sur démarche scientifique, qualité réalisation et validation expérimentale.

Contrôle continu (15%) : Interrogations écrites courtes (QCM, exercices) pendant les TD pour vérifier acquisition fondamentaux.

Examen final (15%) : Épreuve de 2h : exercices de dimensionnement, analyse de diagrammes, calculs de bilans de liaison. Documents autorisés (polycopié, formulaire).

Compétences développées

Techniques :

Transversales :

Apports pour la formation

Poursuite d’études (Licence, École d’ingénieurs) :

Ce module constitue une base solide pour des spécialisations en :

Les compétences en simulation EM sont directement valorisables en bureau d’études industriel.

Vie professionnelle :

Applications directes dans de nombreux secteurs :

Métiers visés :

Perspectives et évolutions technologiques

Tendances actuelles :

Massive MIMO (Multiple-Input Multiple-Output) : Réseaux de dizaines/centaines d’antennes en station de base 5G pour beamforming avancé (focalisation du faisceau vers chaque utilisateur). Amélioration capacité et efficacité spectrale.

Antennes reconfigurables : Modification dynamique des caractéristiques (fréquence, diagramme, polarisation) par :

Antennes millimétriques (mmWave) : Bandes 26, 28, 39 GHz pour 5G. Antennes miniatures intégrées dans smartphones et stations de base. Défis : pertes de propagation, sensibilité blocage.

Antennes imprimées 3D : Fabrication additive métallique pour formes complexes (spirales 3D, antennes diélectriques). Optimisation topologique par IA.

Intégration antenne-circuit (AiP - Antenna in Package) : Antennes intégrées dans substrat ou boîtier du circuit (SiP, PCB multicouche). Réduction taille et coût, crucial pour IoT et wearables.

Antennes pour satellite LEO (Low Earth Orbit) : Constellations Starlink, OneWeb nécessitent antennes plates à balayage électronique (phased arrays) pour suivi satellite.

Intelligence Artificielle en conception : Algorithmes d’optimisation (algorithmes génétiques, réseaux neurones) pour synthèse automatique d’antennes selon spécifications.

Conseils pour approfondir

Livres de référence :

Ressources en ligne :

Projets personnels :

Certifications professionnelles :

Retour d'expérience et conseils pratiques

💡 Conseil n°1 : Simulation avant fabrication
Ne jamais fabriquer une antenne sans l'avoir simulée. Les erreurs de dimensionnement sont coûteuses (PCB, usinage). Une simulation bien paramétrée permet d'anticiper les performances et d'optimiser avant réalisation.
💡 Conseil n°2 : Importance du plan de masse
Pour monopoles et patchs, le plan de masse est critique. Sa taille, sa qualité (continuité électrique) et sa connexion (vias) influencent directement le diagramme de rayonnement et l'adaptation.
💡 Conseil n°3 : Gérer les écarts simulation/mesure
Un écart de 5-10% en fréquence entre simulation et mesure est normal. Causes : tolérances substrat (εr), usinage PCB, soudures, connecteurs. Prévoir une plage d'ajustement (stubs ajustables, trimming).
⚠️ Piège n°1 : Environnement de mesure
Mesurer une antenne sur une table métallique ou près d'un mur fausse complètement les résultats. Toujours mesurer en chambre anéchoïque ou à l'extérieur, loin d'obstacles (> 3λ).
⚠️ Piège n°2 : Câbles rayonnants
Le câble coaxial d'alimentation peut rayonner et perturber le diagramme (courant de mode commun). Utiliser des ferrites (chokes) ou un balun pour bloquer ces courants parasites.
⚠️ Piège n°3 : Bande passante patch
Les antennes patch ont une bande étroite (2-5%). Pour élargir : augmenter épaisseur substrat (h), utiliser substrat faible εr, ou empiler plusieurs patchs. Compromis gain/bande.

Applications pratiques et études de cas

Cas 1 : Antenne WiFi 2.4 GHz pour drone

Besoin : antenne compacte, légère, gain modéré (3-5 dBi), omnidirectionnelle.

Solution : Patch rectangulaire sur FR-4.

Cas 2 : Liaison point-à-point 5.8 GHz pour transmission vidéo

Besoin : portée 2 km en zone dégagée, débit vidéo HD.

Solution : Antennes Yagi 18 éléments (gain 16 dBi).

Bilan de liaison :

Zone de Fresnel : rayon 1.5 m au milieu de la liaison. Vérifier dégagement sur profil terrain (Radio Mobile).

Cas 3 : Antenne RFID UHF pour logistique

Besoin : lecture étiquettes RFID jusqu’à 10 m, polarisation circulaire (lecture tous angles).

Solution : Antenne patch circulaire double alimentation en quadrature.

📚 Ressources et documents complémentaires

Documents de cours disponibles

Les ressources suivantes sont accessibles dans le dossier du cours :

Cours théoriques :

Travaux dirigés :

Travaux pratiques :

Documentation technique :

Pour aller plus loin

Logiciels et outils :

Communautés et forums :

Bases de données :

Formules essentielles à retenir

Conversion longueur d’onde / fréquence :

λ (m) = c / f = 300 / f(MHz)

Dipôle λ/2 :

L (m) ≈ 143 / f(MHz)
Z ≈ 73 Ω
Gain = 2.15 dBi

Patch rectangulaire :

L ≈ λ/(2√εreff) - 2ΔL
W ≈ λ/(2√((εr+1)/2))

Friis et FSPL :

FSPL (dB) = 32.45 + 20log(f_MHz) + 20log(d_km)
Pr (dBm) = Pt(dBm) + Gt(dBi) + Gr(dBi) - FSPL(dB)

Horizon radio :

d (km) ≈ 4.12 × [√h1(m) + √h2(m)]

Zone de Fresnel :

r (m) = √(λ × d1 × d2 / (d1 + d2))

Tableau récapitulatif des antennes

Type Gain (dBi) Bande passante Encombrement Coût Applications
Dipôle λ/2 2.15 5-10% Moyen Très faible FM, WiFi simple, mesure
Monopole λ/4 5.15 5-10% Faible Très faible GSM, radio mobile
Patch rectangulaire 6-8 2-5% Très faible Faible GPS, WiFi, IoT, drones
Yagi 3 éléments 6-8 3-5% Moyen Faible WiFi directif, TNT
Yagi 10 éléments 13-15 2-3% Élevé Moyen Liaison longue distance
Log-périodique 6-10 > 100% Élevé Moyen Mesure, EMC
Cornet 10-25 10-30% Moyen Moyen Radar, micro-ondes
Parabole 20-40 10-20% Très élevé Élevé Satellite, radar

Bandes de fréquences et longueurs d’onde

Bande Fréquence λ Applications typiques
FM Radio 88-108 MHz 2.8-3.4 m Radio FM, RDS
VHF Aéro 108-137 MHz 2.2-2.8 m Communications aéronautiques
VHF Maritime 156-174 MHz 1.7-1.9 m Maritime VHF
TNT (UHF TV) 470-862 MHz 35-64 cm Télévision numérique terrestre
GSM 900 890-960 MHz 31-34 cm 2G mobile
LoRa EU 863-870 MHz 34-35 cm IoT longue portée
RFID UHF 865-868 MHz (EU) 34-35 cm Logistique, inventaire
GPS L1 1575 MHz 19 cm Navigation GNSS
GSM 1800 (DCS) 1710-1880 MHz 16-17.5 cm 2G/4G mobile
WiFi 2.4G 2.4-2.5 GHz 12-12.5 cm WiFi b/g/n, Bluetooth
4G LTE 2.6 GHz 11.5 cm 4G mobile
WiMAX 3.5 GHz 8.6 cm Accès fixe sans fil
WiFi 5G 5.15-5.85 GHz 5.1-5.8 cm WiFi a/n/ac/ax
5G mmWave 26-28 GHz 1.1-1.2 cm 5G haut débit

🎯 Points clés à retenir

1. Une antenne est un transducteur entre onde guidée (câble) et onde libre (espace) - son efficacité dépend de l'adaptation d'impédance et du rayonnement.

2. Le compromis gain/bande passante/encombrement est incontournable : choisir le type d'antenne selon l'application.

3. La simulation EM est indispensable avant fabrication, mais doit être validée par mesure expérimentale.

4. En propagation réelle, les phénomènes multi-trajets et l'environnement complexifient le bilan de liaison - prévoir des marges.

5. Les antennes sont au cœur de la révolution IoT/5G/satellite : un domaine d'avenir avec de nombreuses opportunités.

Ce cours a été dispensé au semestre 4 du DUT GEII à l’INSA Toulouse (2021-2022).

Paramètres caractéristiques

Diagramme de rayonnement :

Directivité et gain :

Polarisation :

Impédance d’entrée :

Bande passante :

Équation de Friis

\(P_r = P_t \cdot G_t \cdot G_r \cdot \left(\frac{\lambda}{4\pi d}\right)^2\)

Types d’antennes

Antennes filaires

Dipôle demi-onde (λ/2) :

Dipôle replié :

Monopole quart d’onde (λ/4) :

Antenne Yagi-Uda :

Antennes imprimées (patch)

Patch rectangulaire :

Dimensions :

Avantages :

Inconvénients :

Antennes large bande

Antenne log-périodique :

Antenne spirale :

Antenne biconique :

Antennes spéciales

Antenne cornet :

Réseau d’antennes (Array) :

Antenne RFID :

Propagation des ondes

Modes de propagation

Onde de sol :

Onde de surface :

Onde d’espace :

Onde ionosphérique :

Phénomènes de propagation

Réflexion :

Diffraction :

Réfraction :

Absorption :

Modèles de propagation

Espace libre :

Okumura-Hata :

COST-231 :

Modèle à deux rayons :

🛠️ Travaux pratiques

TP Simulation d’antennes

Logiciels utilisés :

Antennes simulées :

Paramètres analysés :

TP Mesures d’antennes

Chambre anéchoïque :

Mesure adaptation :

TP Bilan de liaison

Radio Mobile :

Scénarios étudiés :

Projet Antenne

Réalisation d’une antenne :

💻 Outils utilisés

Simulation EM

Planification radio

Mesure

📊 Évaluation

🔗 Liens avec d’autres cours

📐 Formules de dimensionnement

Dipôle λ/2

Patch rectangulaire

Gain théorique

💡 Applications pratiques

Communications

Télédétection

RFID

📖 Compétences développées

🎯 Bandes de fréquences courantes

Bande Fréquence λ Applications
FM 88-108 MHz 2.8-3.4 m Radio FM
VHF TV 174-223 MHz 1.3-1.7 m TV analogique
UHF TV 470-862 MHz 35-64 cm TNT
GSM 900 900 MHz 33 cm 2G mobile
GPS L1 1575 MHz 19 cm Navigation
DCS 1800 1800 MHz 16.7 cm 2G/4G mobile
WiFi 2.4G 2.4 GHz 12.5 cm WiFi b/g/n
WiFi 5G 5.8 GHz 5.2 cm WiFi a/n/ac

⚠️ Pièges en conception

Antennes patch

Antennes filaires

Mesures

🔧 Conseils pratiques

Réalisation PCB

Tests terrain

Optimisation