antennes

PARTIE A :
Mesure d'antennes microondes


L'objectif de ce TP est de caracteriser differents types d'antennes microondes par la mesure de
leurs principaux parametres specifiques :
Mesure a l'analyseur de reseaux vectoriel du coefficient de reflexion, de la frequence de
resonance et de la bande passante d'une antenne patch fonctionnant a 5,8 GHz ;
Mesure des diagrammes de rayonnement dans les plans E et H ainsi que du gain d'un
cornet electromagnetique et d'une antenne a fentes dans une chambre anechoique a la frequence
de 9,3 GHz.

I. Mesure du coefficient de reflexion et de la bande passante
d'antennes microrubans a l'analyseur de reseaux
On se propose de mesurer a l'analyseur de reseaux vectoriel le coefficient de reflexion
d'antennes imprimees en fonction de la frequence et de determiner leur bande nominale de
fonctionnement.
Les antennes a caracteriser sont une antenne patch de forme rectangulaire (figure 1) ou un
reseau de quatre antennes realise a partir d'un seul element (figure 2).
Ces antennes ont ete realisees en technologie microruban sur un substrat de verre teflon
d'epaisseur h = 0,8 mm et de permittivite relative r = 2,57. Les elements rayonnants metallises
sont en cuivre.
L'antenne patch de forme rectangulaire est alimentee par une ligne microruban d'impedance
caracteristique 50 dont le point de jonction est sur l'axe de symetrie de l'element rayonnant.
L'encoche de la ligne d'alimentation permet d'obtenir une bonne adaptation d'impedance.
Les dimensions de l'antenne patch seule sont :
W = 23,71 mm ; L = 15,62 mm et l = 3,5 mm
Pour mesurer le coefficient de reflexion de ces antennes en fonction de la frequence, on
dispose d'un analyseur de reseaux vectoriel fonctionnant jusqu'a 20 GHz et connecte a une
interface USB/GPIB.
L
W
l

Figure 1 : Schema de l'antenne patch rectangulaire
TP4 - Caracterisation d'antennes microondes
1

---

Figure 2 : Schema du reseau d'antennes patch

1. Etalonner l'analyseur de reseaux en reflexion (1-port calibration) dans la bande de
frequences 5-6,6 GHz.
2. Connecter l'une des deux antennes a l'acces de l'analyseur de reseaux qui a ete etalonne.
Proceder ensuite a l'acquisition automatique des donnees a l'aide du logiciel ADS via l'interface
USB/GPIB et recuperer les mesures dans un composant hypothetique (boite noire) portant le
nom SP2, situe dans la bibliotheque Data Items. Resimuler le comportement de l'antenne entre
5-6,6 GHz en precisant bien le nombre de points de mesure.
3. Visualiser le module du coefficient de reflexion (parametre S11) en decibels de l'antenne en
fonction de la frequence. En deduire la frequence de resonance f0 de l'antenne etudiee. Noter la
valeur du module de S11 a la resonance.
4. La bande passante de ce type d'antennes imprimees est generalement imposee par les
variations rapides de l'impedance d'entree du patch.
On a l'habitude de prendre pour critere d'utilisation du patch la bande de frequences dans
laquelle le Taux d'Ondes Stationnaires (T.O.S ou V.S.W.R, en anglais) est inferieur a 2.
Visualiser le T.O.S de l'antenne dans la bande de frequences 5-6,6 GHz en rajoutant dans la
fenetre Schematic la fonction VSWR permettant de calculer directement le T.O.S a partir du
parametre S11 mesure.
En deduire la largeur f de la bande passante de l'antenne mesuree. Calculer le rapport f/f0.
5. Representer sur un abaque de Smith l'impedance d'entree de l'antenne etudiee en fonction
de la frequence puis mesurer sa valeur a la resonance. Conclure.

II. Mesure de diagrammes de rayonnement et de gains d'antennes
dans une chambre anechoique
On se propose de mesurer les diagrammes de rayonnement (plans E et H) ainsi que le gain de
deux antennes differentes (cornet electromagnetique et antenne a fentes) dans une chambre
anechoique a la frequence de 9,3 GHz.

II.1. Description du materiel
Les parois de la chambre anechoique sont tapissees d'un revetement absorbant le rayonnement
electromagnetique. La structure alveolaire de ce revetement permet d'obtenir une reflexion assez
faible sous incidence oblique.
TP4 - Caracterisation d'antennes microondes
2

---

Les caracteristiques d'attenuation sont limitees a des frequences superieures a une frequence
pour laquelle la longueur d'onde dans le vide est du meme ordre de grandeur que la dimension
des alveoles.
La distance R entre l'antenne source qui est un cornet pyramidal et l'antenne a etudier doit etre
mesuree precisement.
Les montages utilises en emission et en reception sont schematises respectivement a la figure 3
et a la figure 4.
Le montage utilise en emission (figure 3) comporte une diode GUNN comme source
microondes qui excite le guide d'ondes selon le mode fondamental TE01, a une frequence voisine
de 9,3 GHz. La puissance fournie est de l'ordre de 100 mW. Un isolateur connecte a la sortie de
la source permet de proteger le generateur hyperfrequence contre d'eventuelles ondes reflechies.
On dispose egalement d'un attenuateur calibre pour regler la puissance d'emission et attenuer
completement le signal lorsque l'on doit penetrer dans la chambre anechoique. Cet attenuateur
sera egalement utilise pour mesurer le gain des antennes a tester.


+11V
Antenne d'emission
alimentation
(Cornet pyramidal)
26
22
Oscillateur
32
Masse
20
40
isolateur
a diode
Gunn
Vvariable
Reglage frequence
Attenuateur calibre

Figure 3 : Montage utilise a l'emission
L'onde hyperfrequence emise par un cornet pyramidal (antenne d'emission) est recue par
l'antenne a tester. Cette antenne montee en reception est placee sur une table tournante pouvant
pivoter dans un plan vertical ou horizontal (plans E et H) (figure 4) .
La puissance du signal recu est mesuree a l'aide d'un wattmetre (Boonton). Cette mesure est
transferee a un ordinateur qui recoit egalement les informations de positionnement en
provenance de la base tournante.
Le diagramme de rayonnement est affiche en temps reel sur l'ecran de l'ordinateur pendant la
mesure. L'acquisition et l'affichage des donnees sont automatiquement pris en charge par le
logiciel Ant32 (version 2.0.8) qui fonctionne dans un environnement MS-Windows.
Le logiciel Ant32 est un traceur de diagrammes d'antennes utilise pour mesurer et analyser le
rayonnement des antennes. Les diagrammes de rayonnement mesures peuvent etre enregistres en
rectangulaire ou en polaire, en lineaire ou en logarithme (decibels) et normalises par rapport a la
valeur maximale de la puissance recueillie. Des marqueurs peuvent etre utilises pour la recherche
de l'ouverture a 3 dB ainsi que pour determiner les lobes secondaires.
TP4 - Caracterisation d'antennes microondes
3

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Precautions a prendre avant les mesures :
- Regler la tension d'alimentation (entre 9 et 10 V) du generateur a diode Gunn de facon a
etre a la frequence desiree. Utiliser le frequencemetre pour verifier la valeur de la frequence.
- Manipuler l'attenuateur calibre avec "douceur".


Revetement absorbant
Chambre anechoique
Sonde du
wattmetre
Antenne de
reception
Emission


Base
tournante
Ouvrir
d
fc xcvwxc
qsdfgbqd
qsdfgbqd
qsdfgbqd
Enregistrer
Im primer
Quitter
-53.8
V
H
-15.6 dBm
Pilotage de la base
Wattmetre
Ordinateur
tournante
Boonton

Figure 4 : Montage utilise a la reception
II.2. Etude d'un cornet pyramidal
Deux cornets pyramidaux identiques sont montes a l'emission et a la reception.
Leur dimensions (annexe) sont : a = b = 78 mm
* Pour le plan E : L = 120 mm et l = 126 mm
* Pour le plan H : L = 149 mm et l = 155 mm
1. Relever le diagramme de rayonnement du cornet a 9,3 GHz dans les plans E et H. Utiliser
une representation en polaire puis cartesienne et normaliser les diagrammes par rapport a la
puissance maximale recueillie par l'antenne a tester (antennes d'emission et de reception alignees).
2. Determiner les ouvertures a 3 dB dans les deux plans. Les comparer aux valeurs theoriques
du cornet donnees dans l'article (voir annexe). Commenter.
3. Mesurer le gain des cornets pyramidaux montes en emission et en reception en utilisant la
methode directe.
TP4 - Caracterisation d'antennes microondes
4

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4. Calculer le gain theorique de ces cornets en utilisant la formule 213 de l'article donne en
annexe. Comparer les resultats obtenus et discuter les causes d'ecarts possibles.
Le gain mesure des cornets servira de gain etalon pour determiner le gain de l'antenne a fentes
a l'aide de la methode de comparaison.

II.3. Etude d'une antenne a fentes
L'antenne a mesurer est constituee d'un reseau de 8 fentes resonnantes de longueur /2,
percees dans le grand cote d'un guide d'ondes rectangulaire alimente en mode TE01.
Les fentes sont espacees de g/2 (g etant la longueur d'onde dans le guide) et decalees
alternativement de 2 mm par rapport a l'axe du grand cote du guide (figures 5 et 6). Une etude a
l'analyseur de reseaux de la variation du module du coefficient de reflexion en fonction de la
frequence a permis d'accorder mecaniquement l'antenne pour optimiser son rayonnement a la
frequence de 9,3 GHz : l'accord a 9,3 GHz de l'antenne est obtenu pour une position de la vis
micrometrique de 11 mm.
Ce reseau est etudie en regime d'ondes stationnaires, le piston de court-circuit mobile
permettant d'amener un ventre de champ electrique au centre des fentes.

Figure 5 : Schema de l'antenne a fentes
z
M


O
y

m
x


Figure 6 : Schema de l'antenne a fentes

1. Mesurer le gain de l'antenne sachant que l'antenne cornet precedente sert d'etalon a
9,3 GHz. On utilisera pour cela la methode de comparaison.
2. Tracer les diagrammes de rayonnement dans les plans E et H. Commenter l'allure des
diagrammes obtenus.
TP4 - Caracterisation d'antennes microondes
5

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3. Dans le plan H, determiner experimentalement l'ouverture a 3 dB correspondante puis les
directions dans lesquelles le rayonnement est nul. Comparer aux valeurs theoriques (zeros du
facteur de reseau).

Les formules permettant de tracer les diagrammes de rayonnement en puissance a grande
distance (OM >> ) d'une fente fine (l << ) (figure 7), resonante (L = /2) dont la loi
y
d'eclairement est de la forme
jt
E = E cos(
) e x et
E
H <<
sont donnees par :
0
L
0
* Dans le plan E ( = 0 ou ) :
rE = 1
2


cos( sin )

*


Dans le plan H ( = /2 ou 3/2) :
2
r () =
H


cos






z
E
y
l
L
x

Figure 7 : Schema d'une fente

On rappelle que le facteur de reseau en puissance d'un alignement de N sources espacees
regulierement de d, le dephasage entre deux sources adjacentes valant et rayonnant chacune la
meme puissance s'ecrit sous la forme suivante :
*

Dans le plan E : 2
F = 1
(car = )
E
2
2

N

2 d
sin(
)
=
cos +
*



Dans le plan H :
2
1
2
F () =

avec
:


H


N



sin( )

= -

2


2
Dans notre cas, les fentes qui sont decalees par rapport a l'axe du grand cote du guide d'ondes
sont alimentees en phase (=0).
Le diagramme de rayonnement du reseau de fentes est donne par le principe de
multiplication des diagrammes : R( ,
)
= F2 ( ,
)
xr( ,
)

TP4 - Caracterisation d'antennes microondes
6

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ANNEXE :
Article sur les cornets electromagnetiques

8,3. Cornets electromagnetiques
b

sin
sin


8,31. Principes et diagrammes de rayonnement -

Pour le plan E : E( ) b

=

(204)
On appelle cornet un guide d'ondes a section progres-
b


sivement croissante se terminant par une ouverture
sin




rayonnante. Il est possible, a l'aide des equations de
Maxwell, de determiner la repartition des champs Ces formules supposent que la distribution d'amplitude
electrique et magnetique dans ce guide et d'en deduire la
sur l'ouverture reproduit la distribution a la gorge, c'est-
distribution d'amplitude et de phase sur l'ouverture : ce a-dire la repartition des champs du mode TE01.
travail a ete fait par plusieurs auteurs, notamment
BARROW et CHU, et l'on trouvera a ce sujet un
excellent expose dans un ouvrage de M. de BROGLIE
[I.b.9]. Cependant, on obtient une bonne approxi-
mation en considerant que les ondes qui se propagent
dans le cornet sont des ondes spheriques centrees sur la
gorge de celui-ci, c'est-a-dire sur le point d'intersection
des aretes de l'evasement. Suivant que cet evasement se
fait dans un seul plan ou dans les trois dimensions, le

cornet est dit sectoral ou pyramidal. Ainsi, les
Fig.113 : Coupe par le plan median d'un cornet
figures 112.a et 112.b representent respectivement un Des mesures faites sur un grand nombre de cornets
cornet sectoral dans le plan E et un cornet sectoral dans
montrent que les ouvertures a 3 dB des diagrammes
le plan H. La figure
112.c represente un cornet sont un peu differentes de celles indiquees dans le
pyramidal.
tableau. On trouve :

Pour le plan H : (2 =
3 )
68


(205)
a

Pour la plan E : (2 =
3 )
56


(206)
b

Pour eclairer des reflecteurs, on utilise presque toujours
des cornets de faibles dimensions. Il est alors interessant
Fig. 112 : Cornets electromagnetiques
de connaitre leurs diagrammes. Comme les parois
Dans les 3 cas, le cornet est excite par un guide d'ondes
externes, parcourues alors par des courants, participent
rectangulaire travaillant sur le mode TE01, ce qui est le au rayonnement, les formules (203) et (204) ne sont plus
cas le plus courant. On a appele a l'ouverture du cornet applicables. On peut neanmoins continuer a se servir des
dans le plan H et b son ouverture dans le plan E.
formules (205) et (206) pour les ouvertures a 3 dB.
Si l'on considere un plan median du systeme Quant aux ouvertures a 10 dB, elles sont alors donnees
(figure 113), on voit que les fronts d'onde sont des par :
cercles tels que MM', centres sur O et que, sur
l'embouchure AB, les regions peripheriques sont


Pour le plan H : (2

= +
10 )
31 79
(207)
affectees d'un retard de phase sur les regions centrales.

a
Pour que le cornet presente le maximum de gain et un

Pour le plan E : (2 =
10 )
88

(208)
diagramme aussi etroit que possible, il faut que ces
a
retards de phase soient negligeables. En admettant 45 avec : a < 3 et b < 2,5
comme retard maximal admissible, on trouve que l'angle

On peut ainsi tracer approximativement le diagramme
doit etre tel que :

du cornet pour degrossir un calcul.
sin

(202)
La relation (202) conduit a des cornets relativements
2a
longs. Si l'on veut utiliser ces cornets comme antennes
Dans ces conditions, les diagrammes de rayonnement ayant un gain un peu important, ce qui donne des
peuvent etre deduits du tableau V, ce qui donne :
valeurs de a et de b de plusieurs , on sera conduit a un
a

cos
sin


materiel encombrant. Il vaut mieux alors accepter des


Pour le plan H :
a
E( )

=
(203)
variations de phase sur l'ouverture et augmenter . Mais
2
2
2
a

il existe des relations bien definies entre les differentes
sin
-

4


dimensions du cornet qui conduisent alors a une valeur
maximale du gain pour un cornet de longueur L
determinee : un cornet qui satisfait a ces conditions est
TP4 - Caracterisation d'antennes microondes
7

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dit cornet optimal. Le tableau XVI [I.b.1] donne les
caracteristiques des cornets optimaux, deduites des
travaux de RHODES.
Tableau XVI - Caracteristiques des cornets optimaux d'apres
RHODES
Ouverture des
Angle au sommet

diagrammes a
(2)
Longueur L
3 dB : 23 degres
degres

Plan E Plan H
Plan E Plan H

9
9,8
17
22
22
10
11,5
22
27,5
13,25
11
13
25
32
10
12
14
29
37
7,8
14
16,3
36
44
5,25
16
19
42
50
4,1
18
22
45
55
3,5
20
25
19
60
3
On peut d'ailleurs tracer les diagrammes de

rayonnement de cornets presentant des variations de
phase sensibles sur l'ouverture, en admettant toujours Fig. 115 :Valeurs relatives du champ dans le plan E
que les distributions d'amplitudes sont celles qui ont
conduit aux formules (201) et (202). Si l est la longueur
8,32. Gain - La connaissance du gain d'un cornet est
du cote du cornet (figure 113), la variation de phase tres importante, soit que celui-ci soit utilise pour eclairer
maximale en A ou B est :
un paraboloide, soit qu'il soit utilise comme antenne.
Dans ce dernier cas, on se sert souvent d'un cornet
2
a
2
=
pour le plan H et
b
=
pour le plan E comme etalon de gain. Les formules qui donnent les
8l
8l
gains des cornets ont ete etablies par SCHELKUNOFF.
(209)
Pour un cornet sectoral dans le plan E, on a :
Les figures 114 et 115 permettent de calculer les
64 a R




b
2
b
2
b
=

+
diagrammes de rayonnement dans le plan H et dans le
GE
C
S
(210)
b


2R



b
2 Rb
plan E. est en parametre et est l'angle entre l'axe du




cornet et la direction ou l'on calcule le champ.
ou C2(x) et S2(x) designent les integrales de FRESNEL :

2


q
2
q
C(x) = cos
dq

S(x) = sin
dq
2
2
0


0


et ou Rb est la longueur de l'arete correspondant a b.
Les integrales de FRESNEL peuvent etre trouvees dans
des tables de fonctions. Pour un cornet sectoral dans le
plan H, on a :
4 b R
G =
[
(211)

{ C(u)-C(v ]2) +[S(u)-S(v ]2
a
H
)
a
}
R

avec :
1
a
a
u =
+

2
a
R
a


R
1

a
a
v =
-

2
a
R
a


et ou Ra est la longueur de l'arete correspondant a a.

Pour un cornet pyramidal :
Fig. 114 : Valeurs relatives du champ dans


G
G
G
=
(212)
le plan H

H
E
32 b
a

TP4 - Caracterisation d'antennes microondes
8

---

Ces formules sont d'un calcul assez laborieux. On peut

calculer le gain avec une bonne approximation a l'aide
de l'expression suivante :

ab

GdB = 10 1+ log
-(A + B)


(213)
2


ou A et B, exprimes en dB, sont donnes par le tableau

XVII.

Tableau XVII - Valeurs de A et B correspondant a la formule
(213) en dB

Plan H
Plan E

A

A

B

B

0,05 0,025 0,40 1,20 0,05
0,1
0,40
2,6

0,10 0,05 0,50 1,80 0,10 0,15 0,50
4
0,15 0,10 0,60 2,50 0,15 0,30 0,60 5,95
0,20 0,15 0,70 3,25 0,20 0,60 0,70
8

0,25 0,45 0,80 3,95 0,25
0,9
0,80
10
0,30 0,65 0,90 4,60 0,30 1,35 0,90 10,9

0,35 0,90
1
5,20 0,35 1,95
1
11
Les valeurs de sont donnees par la formule (209)











TP4 - Caracterisation d'antennes microondes
9

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