Qu'est-ce qu'une antenne dipôle ? Un guide complet

L'antenne dipôle est l'un des types d'antennes les plus fondamentaux et les plus largement utilisés dans les systèmes de communication. Réputées pour leur simplicité et leur efficacité, les antennes dipôles jouent un rôle essentiel dans les communications sans fil dans diverses applications, de la radiodiffusion aux réseaux IoT et 5G modernes. Leur polyvalence et leur facilité de mise en œuvre en ont fait un tournant dans l'évolution des technologies de communication.

Cet article explore en profondeur les antennes dipôles et leurs principes fondamentaux. Nous examinerons leurs principales caractéristiques, leurs différents types et leurs diagrammes de rayonnement. Les configurations avancées, telles que les antennes en réseau et les conceptions à double polarisation, seront abordées afin de mettre en évidence leur adaptabilité dans les systèmes modernes. En outre, nous nous pencherons sur les applications, les avantages et les limites des antennes dipôles et les comparerons aux antennes monopôles. Enfin, nous explorerons leur rôle dans les technologies modernes, y compris l'IoT, la 5G et la communication spatiale. À la fin, vous comprendrez clairement pourquoi les antennes dipôles restent indispensables dans les systèmes de communication.

Qu'est-ce qu'une antenne dipôle et comment fonctionne-t-elle ?

Le type d'antenne le plus simple mais le plus utilisé dans le domaine de la radio et des télécommunications est l'antenne dipôle, qui se compose de deux éléments conducteurs ou tiges qui envoient et reçoivent des ondes électromagnétiques. En général, les deux parties conductrices ont des longueurs de métal égales. Il s'agit d'un composant essentiel des systèmes de communication sans fil en raison de sa conception simple, qui lui permet d'envoyer et de recevoir efficacement des signaux sur une large gamme de fréquences.

Un champ électrique est créé autour de l'antenne lorsqu'un courant alternatif (CA) est appliqué à la ligne d'alimentation. Le champ électrique change de direction en même temps que le courant alternatif, produisant des ondes électromagnétiques qui rayonnent à partir de l'antenne.

La longueur de l'antenne dipôle est importante pour son fonctionnement. Elle doit correspondre à un certain pourcentage de la longueur d'onde du signal radio qu'elle est censée envoyer ou recevoir. Le terme "antenne dipôle demi-onde" fait référence au fait que cette longueur est généralement égale à la moitié de la longueur d'onde. L'antenne transforme efficacement l'énergie électrique en ondes radio lorsque la longueur et la longueur d'onde sont adaptées.

Les antennes dipôles émettent et reçoivent des signaux de manière égale dans deux directions opposées perpendiculaires à l'antenne, ce que l'on appelle un diagramme de rayonnement bidirectionnel. Cela est dû au fait que le champ électrique du courant alternatif est le plus faible aux extrémités de l'antenne et le plus élevé au centre. Par conséquent, la majorité de l'énergie émise par l'antenne est dirigée perpendiculairement à sa longueur.

Un courant alternatif est créé dans les conducteurs d'une antenne dipôle lorsque les ondes radio l'affectent. Un récepteur ou un autre équipement électronique peut être alimenté par ce courant une fois qu'il a été transmis à la ligne d'alimentation. En retransformant les ondes radio en énergie électrique, l'antenne dipôle sert d'antenne réceptrice.

Ainsi, à l'émission, une antenne dipôle transforme l'énergie électrique en ondes radio, et à la réception, elle retransforme les ondes radio en énergie électrique. Pour une transmission et une réception efficaces des signaux, la longueur et la conception de l'antenne sont importantes.

Principales caractéristiques d'une antenne dipôle

1. Conception simple

La structure d'une antenne dipôle, qui consiste en deux parties conductrices de même longueur couplées à une ligne d'alimentation, la rend simple. Sa conception simple facilite le déploiement et la fabrication. Les antennes dipôles peuvent fonctionner dans les bandes HF (haute fréquence), VHF (très haute fréquence) et UHF (ultra-haute fréquence) du spectre des fréquences radio.

2. Résonance à demi-longueur d'onde

Les éléments d'une antenne dipôle ont généralement la moitié de la longueur d'onde de la fréquence de fonctionnement. Cette résonance permet d'obtenir une efficacité de rayonnement maximale. Comme la longueur du dipôle est la moitié de la longueur d'onde et la première longueur de résonance, son rayon n'a pas d'effet sur son impédance d'entrée. À sa fréquence de résonance, qui se produit à sa longueur de résonance, une antenne fonctionne efficacement.

3. Diagramme de rayonnement omnidirectionnel

Ce rayonnement omnidirectionnel est parfait pour relier des appareils situés sur le même plan et sur des côtés opposés, en raison de leur schéma d'émission en forme de beignet. Ces antennes sont souvent mal utilisées dans les applications mobiles et à l'intérieur des bâtiments. Les antennes dipôles omnidirectionnelles utilisées dans les applications mobiles n'ont pas la bonne configuration requise pour se connecter à un pylône situé à une altitude beaucoup plus élevée. Dans certaines applications, les antennes dipôles omnidirectionnelles sont particulièrement mauvaises dans les déploiements point à multipoint, où un utilisateur peut se trouver dans une zone morte alors qu'il se trouve juste en dessous d'une antenne émettrice.

4. Polarisation linéaire

La polarisation d'une antenne dipôle est linéaire par nature. L'orientation de la polarisation dépend de la façon dont l'antenne est montée. L'énergie est transmise le long d'une direction perpendiculaire à la tige du dipôle lorsqu'une antenne dipôle rayonne sur le côté large.

5. Gain

Le gain d'antenne est un paramètre spécifique utilisé pour mesurer la directivité du diagramme de rayonnement de l'antenne. En particulier, une antenne à gain élevé émet dans une certaine direction. Le gain d'antenne est un phénomène passif dans lequel l'électricité est simplement réaffectée pour fournir plus de puissance rayonnée dans une direction particulière plutôt que d'être ajoutée par l'intermédiaire de l'antenne. Le gain de l'antenne peut être exprimé en dBi et dBd.

Par rapport à l'antenne dipôle de référence, le gain de l'antenne dipôle peut être calculé en dBd. Le gain de l'antenne dipôle est de 2,15 dBi comme référence. En utilisant la formule dBi = dBd + 2,15, il est assez facile de passer de dBi à dBd en ajoutant ou en soustrayant 2,15.

Types d'antennes dipôles

1. Antenne dipôle demi-onde

Les antennes dipôles demi-onde sont un type spécifique d'antennes dipôles dans lesquelles la longueur du dipôle est égale à la moitié de la longueur d'onde à la fréquence de fonctionnement. Cette antenne est également appelée antenne de Hertz. Comparée à d'autres antennes, celle-ci a une structure de résonance plus simple, ce qui la rend appropriée à la fois pour la transmission et la réception dans une variété d'applications. Cette antenne fonctionne dans la gamme de fréquences de 3 kHz à 300 GHz.

Les antennes dipôles demi-onde présentent les avantages suivants : elles sont légères, économiques et ont une impédance d'entrée comparable à celle de la ligne de transmission. Les inconvénients d'une antenne demi-onde sont son diagramme de rayonnement omnidirectionnel et son indépendance, qui lui permet de servir de composant de base pour d'autres types d'antennes fonctionnant à de très hautes fréquences. Les récepteurs de télévision et de radio sont les principaux appareils qui utilisent ces antennes.

2. Antenne dipôle pliée

Une antenne de type plié est un groupe de deux antennes dipôles qui sont simplement reliées l'une à l'autre pour former une fine boucle de fil. Comme son nom l'indique, l'antenne dipôle est repliée et se compose de deux dipôles demi-onde, dont l'un est divisé au centre et l'autre continu. Aux deux extrémités, ces dipôles sont pliés et reliés en parallèle.

Le diagramme de rayonnement d'une antenne dipôle repliée est comparable à celui d'un dipôle normal, à l'exception d'une plus grande impédance d'entrée et d'une directivité bidirectionnelle. La large bande passante et la valeur élevée de l'impédance d'alimentation de cette antenne sont les principales caractéristiques de son utilisation. Par conséquent, ces antennes sont utilisées de manière indépendante, en tant qu'élément clé d'autres antennes, et pour fournir une large bande passante. Il existe des antennes à deux fils et à trois fils.

3. Antenne dipôle courte

Le type d'antenne le plus simple est le dipôle court. Il s'agit simplement d'un fil alimenté en son centre et mis en circuit ouvert. Dans le domaine des antennes, les termes "petit" ou "court" signifient toujours "par rapport à une longueur d'onde". Par conséquent, seule la taille du fil par rapport à la longueur d'onde de la fréquence de fonctionnement importe, et non la taille exacte de l'antenne dipôle. Si la longueur d'un dipôle est inférieure à un dixième de la longueur d'onde, il est généralement considéré comme court.

4. Antenne dipôle log-périodique

Une antenne multiéléments directionnelle avec une large gamme de fréquences de fonctionnement est appelée antenne log-périodique. Elle est parfaite pour les applications qui nécessitent des solutions de communication fiables et flexibles en termes de fréquence, en raison de sa structure géométrique distinctive, qui permet des performances et un gain constants sur toute sa largeur de bande.

5. Antenne dipôle croisée

Une antenne dipôle croisée, également connue sous le nom d'antenne tourniquet, est un type d'antenne radio composée de deux antennes dipôles identiques alimentées en quadrature de phase et placées à angle droit l'une par rapport à l'autre. Les deux courants appliqués aux dipôles sont déphasés de 90 degrés. L'idée que l'antenne ressemble à un tourniquet lorsqu'elle est positionnée horizontalement est reflétée dans le nom.

L'antenne fonctionne selon deux modes. L'antenne émet des ondes radio polarisées horizontalement et perpendiculaires à son axe lorsqu'elle est en mode normal. En mode axial, l'antenne émet un rayonnement à polarisation circulaire le long de son axe. Pour les applications MIMO et satellites, ces antennes sont parfaites.

Diagramme de rayonnement des antennes dipôles

Le diagramme de rayonnement d'une antenne dipôle est toroïdal et ressemble à un beignet. Le rayonnement maximal est perpendiculaire à l'axe de l'antenne et le rayonnement minimal le long de l'axe. Ce diagramme est efficace pour les communications horizontales, ce qui rend les antennes dipôles très polyvalentes.

Les deux principales configurations dipolaires avancées sont les suivantes :

1. Antennes matricielles utilisant des dipôles

Les réseaux d'antennes dipôles peuvent être utilisés pour augmenter la couverture, le gain et la directivité. Les systèmes de communication à grande échelle et les radars sont deux exemples d'applications utilisant ces réseaux. Plusieurs dipôles, souvent des dipôles demi-onde, sont utilisés dans la construction de divers types d'antennes réseau. L'utilisation de plusieurs dipôles a pour but d'augmenter le gain directionnel de l'antenne par rapport à celui d'un seul dipôle, le rayonnement des dipôles individuels interférant avec l'augmentation de la puissance émise dans des directions spécifiques. La ligne d'alimentation est divisée à l'aide d'un réseau électrique pour alimenter les éléments dans les réseaux comportant de nombreux éléments dipolaires. Les retards de phase relatifs résultant de la transmission entre le point commun et chaque élément sont soigneusement pris en compte.

Afin d'améliorer le gain de l'antenne dans les directions horizontales, vous pouvez empiler des antennes dans la direction verticale dans un réseau large où les antennes sont alimentées en phase les unes avec les autres. Cela préserve la directionnalité des antennes dipôles horizontales et la nullité dans la direction de leurs éléments. Cette direction nulle devient toutefois verticale dans un réseau d'antennes dites colinéaires si chaque doublet est orienté verticalement. Cela permet au réseau d'acquérir le diagramme de rayonnement omnidirectionnel habituellement requis (dans le plan horizontal). Dans les bandes de fréquences VHF et UHF, où les longueurs d'onde des éléments sont faibles et ne permettent pas d'en empiler plusieurs sur une tour, on utilise des réseaux colinéaires verticaux.

2. Conceptions de dipôles à double polarisation (antennes MIMO)

Les dipôles à double polarisation peuvent traiter plusieurs signaux à la fois en utilisant deux antennes à polarisation orthogonale. Les réseaux sans fil modernes bénéficient grandement de cette conception, qui est essentielle aux systèmes MIMO et augmente le débit et la fiabilité des données. Une antenne capable de recevoir et de transmettre simultanément des signaux de radiofréquence avec deux polarisations différentes, généralement une polarisation horizontale ou verticale, est appelée antenne MIMO à double polarité.

Dans le sens de la propagation, les signaux RF sont émis par des antennes à polarisation linéaire dans un seul plan. Outre le fait qu'elles doivent être alignées entre l'émetteur et le récepteur, les antennes à polarisation linéaire peuvent être orientées verticalement ou horizontalement. Les antennes à polarisation circulaire émettent des fréquences radio selon un schéma cylindrique.

Les antennes à double polarisation émettent simultanément des fréquences radio horizontales et verticales. L'application d'antennes à double polarité dans des environnements à forte densité est son principal avantage par rapport aux antennes à polarité horizontale et verticale. Les zones à forte densité de population connaissent un encombrement extrême des fréquences radio, qui se traduit par des niveaux élevés d'interférences et de bruit. Contrairement aux antennes traditionnelles à polarisation linéaire, qui n'émettent que dans un seul schéma linéaire, les antennes à double polarité surmontent la congestion en émettant à la fois dans des schémas horizontaux et verticaux.

Il existe trois techniques pour polariser les antennes RF : la plus fréquente est la polarisation verticale, suivie par la polarisation horizontale et la moins populaire est la polarisation circulaire. L'orientation de la forme d'onde RF est déterminée par le plan du champ électrique.

À quoi sert une antenne dipôle ?

Les antennes dipôles sont importantes dans les systèmes de communication en raison de leur adaptabilité. Voici quelques-unes des applications les plus utilisées :

1. Radiodiffusion

Les appareils de communication radio tels que les talkies-walkies et les radios bidirectionnelles utilisent fréquemment des antennes dipôles. Elles sont utilisées pour la transmission et la réception de signaux à courte portée.

2. Radiodiffusion télévisuelle

Elles assurent une transmission et une réception efficaces des signaux et sont fréquemment utilisées dans les antennes de télévision VHF et UHF. Les signaux de télévision sont envoyés des stations émettrices vers les résidences par l'intermédiaire d'antennes dipôles. Elles peuvent également être utilisées pour recevoir des signaux de télévision dans des maisons qui n'ont pas d'accès à l'internet ou à la télévision par satellite.

3. Communication sans fil

Les antennes dipôles assurent une connectivité fiable et sont essentielles aux appareils Bluetooth, aux systèmes Wi-Fi et à d'autres solutions de réseau sans fil. Les routeurs et les points d'accès Wi-Fi sont des exemples de dispositifs de mise en réseau sans fil qui utilisent des antennes dipôles. L'accès sans fil à l'internet est rendu possible grâce à leur aide dans la transmission et la réception des signaux entre les appareils.

4. Réseaux cellulaires

Les stations de base utilisent des antennes dipôles pour assurer la communication cellulaire, permettant une connectivité fiable et un transfert de données rapide. Les signaux cellulaires sont transmis et reçus par les téléphones mobiles à l'aide d'antennes dipôles. Elles assurent une communication fiable entre les tours cellulaires et les appareils mobiles.

5. Radio amateur (Ham Radio)

Les antennes dipôles sont utilisées pour les communications VHF et UHF en raison de leur facilité d'utilisation et de leur efficacité. Les opérateurs de radio amateur, communément appelés radioamateurs, utilisent fréquemment des antennes dipôles. Dans les communications radioamateurs, elles sont utilisées à la fois pour la transmission et la réception des signaux.

6. Communication aéronautique

Les antennes dipôles sont utilisées par les avions pour les systèmes de communication VHF, qui assurent l'efficacité et la sécurité de l'aviation. Les systèmes radar qui détectent et suivent des objets tels que les navires, les avions et les phénomènes météorologiques utilisent des antennes dipôles. En contribuant à la transmission et à la réception des signaux radar, elles permettent de mesurer la distance, la vitesse et la direction d'un objet.

Avantages des antennes dipôles

1. La simplicité

La conception des antennes dipôles est simple : deux pièces conductrices de même longueur sont couplées à une ligne d'alimentation. En raison de leur simplicité, elles peuvent être construites avec une connaissance simple de la technologie et des outils. En outre, comme le dépannage et les réparations ne nécessitent que des modifications ou des remplacements mineurs, leur méthode simple les rend faciles à entretenir.

2. Le rapport coût-efficacité

Les antennes dipôles sont fabriquées à partir de matériaux couramment accessibles et d'un prix raisonnable, tels que le cuivre et l'aluminium. Ceci, ainsi que la conception simple qui élimine le besoin de composants complexes, garantit que les antennes dipôles sont parmi les choix d'antennes les moins coûteux. En raison de leur prix abordable, elles sont parfaites pour les installations à grande échelle telles que l'électronique grand public ou la transmission radio.

3. La polyvalence

Les antennes dipôles peuvent être facilement modifiées pour différentes gammes de fréquences en changeant la longueur des éléments conducteurs. Grâce à leur adaptabilité, elles peuvent être utilisées à des fins diverses, notamment pour les réseaux cellulaires, le Wi-Fi à haute fréquence et les émissions de radio AM à basse fréquence. Leur applicabilité dans les systèmes de communication traditionnels et modernes est assurée par leur capacité à fonctionner efficacement sur une gamme de fréquences.

4. Des performances fiables

Les antennes dipôles sont utilisées efficacement depuis de nombreuses années dans les réseaux sans fil, la radiodiffusion et la télévision, et les communications aériennes. Leur efficacité dans l'envoi et la réception de messages, ainsi que leurs modèles de rayonnement réguliers, sont les principales raisons de leur fiabilité. Elles sont considérées comme une option fiable dans les systèmes critiques et non critiques.

5. Rayonnement omnidirectionnel

Les antennes dipôles rayonnent l'énergie uniformément dans le plan horizontal, ce qui signifie qu'elles fournissent une force de signal constante dans toutes les directions perpendiculaires à l'axe de l'antenne. Elles sont parfaites pour des applications telles que le Wi-Fi et la radiodiffusion, où la couverture dans plusieurs directions est importante, en raison de leur diagramme de rayonnement omnidirectionnel. Leur capacité à offrir une couverture horizontale constante améliore la connexion et garantit un fonctionnement fiable dans un certain nombre d'environnements.

Limites des antennes dipôles

1. Taille de l'antenne

La longueur d'onde du signal qu'une antenne dipôle est censée utiliser est en corrélation directe avec sa longueur. La longueur totale de l'antenne pour un dipôle demi-onde est égale à la moitié de la longueur d'onde du signal. Des éléments dipolaires plus longs sont nécessaires pour les transmissions à basse fréquence, car la longueur d'onde augmente à mesure que la fréquence diminue. Par exemple, un dipôle demi-onde utilisé pour la radio FM et conçu pour une fréquence de 100 MHz mesure environ 1,5 mètre de long. Pour des applications telles que la radiodiffusion AM, qui doivent fonctionner à des fréquences extrêmement basses, cette taille peut devenir irréalisable.

2. Limitations directionnelles

Les antennes dipôles rayonnent l'énergie de manière égale sur l'ensemble de l'antenne et présentent généralement un diagramme de rayonnement omnidirectionnel dans le plan horizontal. Lorsqu'un faisceau focalisé ou dirigé est nécessaire, comme dans les systèmes de communication point à point, cela devient une limitation, même si cela est bénéfique pour les applications nécessitant une large couverture. D'autres éléments, tels que des réflecteurs ou des directeurs (utilisés dans les antennes Yagi-Uda) ou la combinaison de dipôles en réseaux, sont nécessaires pour obtenir un rayonnement directionnel, ce qui complique la conception.

3. Adaptation d'impédance

L'impédance de l'antenne doit correspondre à celle de la ligne de transmission et de tous les appareils connectés pour obtenir des résultats optimaux ; dans la plupart des systèmes de communication, cette impédance est de 50 ou 75 ohms. En espace libre, l'impédance d'entrée d'une antenne dipôle standard est d'environ 73 ohms. Même si ces valeurs sont assez proches des valeurs standard, les différences liées à l'environnement ou aux configurations d'installation peuvent entraîner des déséquilibres d'impédance susceptibles d'entraîner une perte de puissance et une réflexion du signal. Le déploiement devient plus complexe lorsque des modifications appropriées, telles que l'utilisation de baluns ou de circuits d'adaptation, sont nécessaires pour garantir un transfert de puissance efficace.

Antennes dipôles et antennes monopôles

Une antenne dipôle diffère d'une antenne monopôle de plusieurs façons. Analysons plus en détail les principales différences entre ces deux types d'antennes.

1. L'antenne dipôle a un rayonnement en bas et des champs des deux côtés. Inversement, l'antenne monopôle a un rayonnement nul sous le plan de masse et un seul champ dans la moitié supérieure de la zone.

2. Pour créer un plan de sol synthétique, les antennes dipôles ont généralement besoin d'un radiateur supplémentaire. En revanche, une antenne unipolaire nécessite un véritable plan de masse.

3. Les éléments radiateurs de l'antenne dipôle sont déphasés de 180 degrés. L'antenne unipolaire, quant à elle, possède le conducteur extérieur d'un câble coaxial et le plan de référence de la connexion de la ligne de transmission. Lorsqu'on utilise une antenne unipolaire, ces motifs constituent le plan de masse.

4. Le diagramme de rayonnement d'une antenne dipôle est verticalement symétrique, mais celui d'une antenne monopôle ne l'est pas. Alors que le diagramme de rayonnement de l'antenne unipolaire dépend de l'orientation du plan de masse, l'antenne dipôle est un type d'antenne très fréquent.

5. Une antenne monopôle a un nombre limité de types et de variétés sur le marché, alors qu'un dipôle est une antenne commune avec de nombreuses variétés.

Antennes dipôles avec la technologie moderne

Les antennes dipôles sont devenues cruciales pour les réseaux 5G et les appareils de l'Internet des objets, car elles offrent un service fiable et une connectivité rapide dans des conceptions de petite taille. Elles répondent aux nombreuses exigences et à la forte demande de données des technologies modernes. Les antennes dipôles sont largement utilisées dans de nombreuses applications de technologie sans fil pour la communication sans fil. Les antennes dipôles peuvent prendre en charge les communications multifréquences comme la 5G, le LTE, le Wi-Fi, etc. car elles disposent souvent d'une large bande passante.

Dans les communications par satellite, les antennes dipôles croisées sont utilisées pour la polarisation circulaire, ce qui permet une transmission fiable des signaux dans l'espace. Les antennes filaires simples appelées dipôles sont fréquemment utilisées dans les systèmes de communication et de diffusion par satellite.

Conclusion

La simplicité, le prix abordable et les performances d'une antenne dipôle en font un excellent choix. Elle est simple à construire et ne nécessite pas de circuit de réglage ou d'adaptation complexe. Elle peut fonctionner correctement sur une grande variété de fréquences et dispose d'une large bande passante. Une antenne dipôle fournit également une alimentation équilibrée, ce qui réduit les interférences et le bruit de mode commun. Tout bien considéré, une antenne dipôle est un choix idéal pour de multiples applications.

En conclusion, les communications sans fil nécessitent des antennes dipôles. Elles offrent un bon équilibre entre performance et simplicité. La compréhension des antennes dipôles vous sera utile dans le secteur des communications sans fil, quelle que soit votre formation.