Directivités à 90% de couverture

Les antennes sont comparées quantitativement sur la base de leur directivité de couverture à 90%.

3.6.4.1. Illumination en polarisation rectiligne

La gure 3.31 représente les directivités de couverture pour une illumination en polarisa- tion rectiligne. -7.9 -8.5 -9.1 -9.7 -11.3 -12.8 -19.2 -20.0 -18.0 -16.0 -14.0 -12.0 -10.0 -8.0 QFHA Combinaison Dipôle & Boucle Dipôles en croix

Spirale Antenne U IFA Dipôle demi- onde

Fig. 3.31.: Directivité de couverture à 90% pour une illumination en polarisation recti- ligne

Nous commentons successivement chaque antenne par rapport à une illumination en po- larisation rectiligne :

3. Caractérisation de la couverture isotrope

Dipôle demi-onde : Il s'agit ici d'une antenne de référence. Le dipôle est l'une des an- tennes la plus couramment utilisée dont le rayonnement de type omnidirectionnel est bien connu. Il est donc particulièrement sensible aux extinctions causées par la désadaptation de polarisation, en raison de sa polarisation uniformément rectiligne. Son diagramme de rayonnement, s'il est omnidirectionnel dans le plan azimutal n'est par contre pas isotrope puisqu'il présente deux trous dans les directions colineaires à l'axe du dipôle. Pour une couverture de 90%, le dipôle reçoit presque 10dB de moins que la combinaison de dipôles en croix.

Combinaison boucle-dipôle et dipôles en croix : Les deux structures présentent qua- siment la même couverture dans les 3 meilleurs du corpus. Leurs caractéristiques en champ lointain sont cependant très diérentes :

 La combinaison boucle-dipôle possède une polarisation quasiment circulaire et uniforme sur tout le diagramme (voir gure 2.14 page 40). La puissance reçue est ainsi invariante par rapport aux rotations de polarisation de la source. Ceci tend à accroître la couverture. Cependant son diagramme de rayonnement est dipolaire (voir gure 2.13 page 40). Le rayonnement est nul dans l'axe du dipôle. Ceci tend à diminuer la couverture.

 En comparaison, les dipôles en croix ont un rayonnement en puissance quasi isotrope avec un écart de 4.5 dB entre leur minimum et leur maximum (voir gure 2.3 page 34) mais un diagramme de polarisation hétérogène qui n'est circulaire que dans la direction normale aux dipôles (voir gure 2.4 page 34). Le premier eet tend à augmenter la couverture tandis que le second tend à la diminuer.  Au nal les couvertures sont équivalentes mais pour des raisons diérentes. La

couverture optimale est obtenue avec une antenne qui combinerait les deux ca- ractéristiques d'une polarisation uniformément circulaire et d'un rayonnement parfaitement isotrope en puissance. Cependant nous avons montré au chapitre 1 qu'une telle antenne n'était pas physiquement réalisable. Ainsi la combinaison boucle et dipôle et les dipôles en croix sont parmi les deux meilleures structures canoniques en terme d'optimisation de la couverture isotrope.

Antenne spirale : L'antenne spirale possède des caractéristiques de rayonnement rappe- lant les dipôles en croix. Son diagramme de rayonnement ne présente pas d'annula- tion, il est à symétrie de révolution autour de l'axe de symétrie de la spirale. L'écart entre extrémas du rayonnement est plus important que pour les dipôles en croix. Le rayonnement est polarisé circulairement selon l'axe de symétrie de la spirale et recti- lignement dans son plan. La polarisation circulaire n'est cependant pas produite par une quadrature de phase entre deux distributions de courants orthogonales mais par l'enroulement en spirale des deux brins. Pour cette raison, la polarisation circulaire n'est pas aussi pure que celle des dipôles en croix. En raison de ces imperfections, la couverture de la spirale est légèrement moins bonne que celle des dipôles en croix. Antenne QFHA : L'antenne QFHA obtient la meilleure couverture. Son fonctionnement

est intermédiaire entre les dipôles en croix et la spirale en ce sens que la polarisation circulaire est engendrée par une quadrature de phase entre les 4 brins la composant mais également par l'enroulement en spiral. Le diagramme de rayonnement est à symétrie de révolution avec un lobe plus important dans la direction avant en raison de la forme hélicoïdale qui contribue à former le faisceau vers l'avant. L'isotropie en puissance n'est pas parmi les meilleures en raison de la dissymétrie avant-arrière. Cependant la qualité de la polarisation circulaire est excellente sur une ouverture plus importante que dans le cas des dipôles en croix, ce qui explique la très bonne

3.6. Comparaison des structures de l'état de l'art couverture.

Antenne en U : Son isotropie de puissance est la meilleure : seulement 2 dB d'écart entre extrema de puissance. Elle n'est pas contre pas polarisée circulairement ce qui la rend sensible à l'inclinaison de l'axe de polarisation de la source. En conséquence elle arrive en cinquième position en terme de couverture en illumination à polarisation rectiligne.

Antenne IFA sur petit plan de masse : Elle obtient la 3e meilleure couverture derrière les dipôles en croix. Pour une couverture de 90%, la puissance reçue est inférieure de 3dB à ceux-ci. L'antenne IFA est un type de structure couramment utilisée pour la communication sans l. Elle sera plus amplement détaillée au chapitre 2. La bonne couverture obtenue provient en partie du fait que l'IFA est ici montée sur un plan de masse de petite dimension par rapport à la longueur d'onde. La longueur du plan de masse est de λ/3.4 pour un toit de longueur λ/4.5. La structure rayonne donc presque autant sous le plan de masse qu'au-dessus. La diérence entre la directivité maximum et minimum est de 10dB. Son diagramme de polarisation est hétérogène, principalement à polarisation rectiligne mise à part dans quatre directions pour lesquelles il est polarisé circulairement. D'une manière générale, plus la taille du plan de masse augmente, plus la couverture de l'antenne diminue, car l'antenne rayonne de manière directive au dessus du plan de masse.

3.6.4.2. Illumination en polarisation circulaire

La gure 3.32 présente les directivités des antennes pour 90% de couverture sous la forme d'histogrammes groupés. -8.5 -10.2 -12.3 -13.0 -16.4 -5.4 -15.0 -25.75 -29.19 -30.0 -25.0 -20.0 -15.0 -10.0 -5.0 Combinaison Dipôle & Boucle

Antenne U Dipôle demi- onde

IFA QFHA Spirale Dipôles en croix Gauche Droite

Fig. 3.32.: Directivité de couverture à 90% pour une illumination en polarisation circu- laire. Les barres groupées correspondent aux deux sens de polarisation circu- laire de l'onde incidente.

Combinaison boucle-dipôle et Antenne QFHA : Ces deux antennes obtiennent leurs meilleures couvertures pour un sens de rotation de polarisation et leurs plus mau-

3. Caractérisation de la couverture isotrope

vaises pour l'autre sens. Leur rayonnement étant complètement ou essentiellement polarisé dans un sens donné, on se retrouve soit dans un cas de parfaite adaptation de polarisation, soit dans un cas de désadaptation sévère.

L'antenne en U, le dipôle et l'antenne IFA : Ces antennes sont essentiellement pola- risées rectilignement et obtiennent une bonne isotropie de puissance. Elles reçoivent donc une illumination en polarisation circulaire dans toutes les directions et ne sont pas sensibles à une inclinaison des sources. Elles obtiennent donc une meilleure couverture qu'en polarisation rectiligne.

L'antenne spirale et les dipôles en croix : Il s'agit d'antennes planaires à polarisation circulaire. Chaque hémisphère de part et d'autre du plan de l'antenne sont polarisés circulairement avec un sens opposé. Dans le cas où l'illumination est circulaire, l'un des hémisphères sera très bien couvert et l'autre très mal. Cela explique les mauvaises performances de ces antennes dans ce contexte. En outre, leur symétrie de part et d'autre du plan de l'antenne explique que les performances soient identiques pour les deux sens de polarisation d'illumination.

3.7. Conclusion

Après avoir exposés les critères existants, nous avons proposé une méthode de caractéri- sation adaptée au problème posé. Ce critère appelé fonction de couverture nous a permis d'étudier quantitativement l'inuence des caractéristiques derayonnement de l'antenne sur notre problèmatique : l'ouverture du diagramme et son état de polarisation.

Par rapport aux critères précedents, ce nouveau critère se veut plus facilement interpré- table dans un contexte d'application à la communication. Il permet par exemple de faire des armations telles que L'antenne A couvre X % des orientations avec Y dB de gain minimum ou Pour une couverture dans X % des orientations, l'antenne A obtient X dB de gain de plus que l'antenne B.

Nous avons ensuite étendu cette méthode de caractérisation an de prendre en compte l'environnement de propagation. Cette méthode plus sophistiquée est appelée couverture eective. Dans le cas d'un modèle statistique réaliste de canal de propagation radio pour un environnement type intérieur, nous avons étudié quantitativement l'inuence des ca- ractéristiques des antennes selon les conditions de l'environnement.

Finalement, le critère a été utilisé an de comparer les meilleures antennes isotropes miniatures identiées au chapitre 2 issues de la bibliographie.

4. Conception et réalisation de