Qu'est-ce qu'une antenne passive ? Guide complet

Les antennes passives, simples mais efficaces dans leur conception, sont capables de recevoir et d'émettre des signaux lorsqu'elles sont configurées de manière appropriée, en s'appuyant entièrement sur leur conception structurelle sans alimentation externe. Cet article explore les considérations de conception, les gammes de fréquences de fonctionnement et les avantages qu'elles présentent par rapport aux antennes actives. En développant ces concepts fondamentaux liés aux antennes passives, l'article vise à aider les utilisateurs à prendre des décisions éclairées sur le choix des antennes passives pour des utilisations quotidiennes et spécialisées.

Comprendre les antennes passives

Les antennes passives fonctionnent sans source d'énergie externe, car elles n'utilisent pas d'amplificateurs de signal intégrés. Entièrement dépendantes de leur conception structurelle, ces antennes sont des solutions simples mais efficaces pour la transmission de signaux dans une variété d'applications allant de la réception de la télévision à la communication par satellite.

Contrairement à antennes actives qui utilisent des composants actifs tels que des diodes à cristal, des transistors et des diodes à faisceau, les antennes passives utilisent leurs éléments d'antenne tels que des boucles et des dipôles pour une transmission efficace. Lorsqu'un signal électromagnétique traverse ses éléments, il induit un courant alternatif qui est ensuite transmis à un récepteur connecté pour traitement ultérieur. Le signal CA induit correspond à l'information qu'il transporte et, comme l'antenne est conçue pour résonner à des plages de fréquences déterminées, elle est capable de traiter uniquement les fréquences prévues et d'en rejeter d'autres. Les antennes passives peuvent transmettre des signaux lorsqu'elles sont connectées à un émetteur, convertissant les signaux électriques en ondes électromagnétiques pour la propagation.

Bien que les antennes passives puissent être sensibles aux interférences dans des environnements difficiles, leur simplicité de conception minimise les problèmes tels que l'intermodulation.

Types d'antennes passives

Il existe une large gamme d'antennes passives, chacune conçue pour répondre à des besoins uniques en matière de communication sans fil. Quelques-uns des types de common sont présentés ci-dessous :

• Antenne de panneau

Ces antennes se caractérisent par leur forme plate, rectangulaire et en forme de panneau. Comme ces antennes produisent un faisceau de signal radiofréquence directionnel, elles permettent de traiter des applications qui nécessitent une distribution ciblée du signal. Les antennes panneau sont généralement utilisées pour former des connexions point à point et multipoint dans les stations de base cellulaires et les réseaux Wi-Fi au milieu d'une forte densité d'utilisateurs pour une performance optimale du réseau avec une réduction des interférences.

• Antenne Yagi

L'antenne Yagi ou Yagi - Uda se compose principalement d'un élément moteur, d'un réflecteur et d'une série de directeurs, tous disposés perpendiculairement pour former un long élément. Cette configuration permet aux antennes Yagi de créer un diagramme de rayonnement très directionnel. La directivité offre un excellent gain dans une direction, tout en réduisant au minimum les perturbations indésirables. Comme les antennes Yagi se distinguent par leur directivité et leurs capacités de gain supérieures, elles sont utilisées pour la radiodiffusion télévisuelle en milieu rural et pour les activités de communication sans fil à longue portée.

• Antenne sectorielle

Les antennes sectorielles assurent une couverture sur un secteur angulaire qui va généralement de 60 à 180 degrés. Les fournisseurs de services peuvent ainsi combiner plusieurs antennes de ce type pour obtenir une couverture à 360 degrés. Ces antennes excellent dans la distribution de signaux améliorés pour des régions ciblées et sont donc utilisées dans les réseaux cellulaires, les stations de base et les réseaux Wi-Fi. En comparaison, les antennes sectorielles offrent une plus grande largeur de faisceau que les antennes Yagi et ont généralement un gain comparable ou légèrement inférieur à celui des antennes panneau, en fonction de leur conception.

• Antenne dipôle

Ces antennes ont l'une des conceptions les plus simples, qui consiste en deux éléments conducteurs positionnés au centre, avec la ligne d'alimentation placée à une distance équidistante du point central. Avec un diagramme de rayonnement toroïdal et un gain modéré, ces antennes sont généralement utilisées dans les applications radio FM/AM, les antennes de télévision et dans divers systèmes de communication. En outre, l'antenne dipôle est souvent utilisée comme point de départ pour des conceptions plus complexes telles que le dipôle plié et la conception à période logarithmique.

• Antenne monopole

Une antenne unipolaire se compose d'un conducteur en forme de tige monté sur un plan de masse conducteur, qui est essentiel pour former le diagramme de rayonnement souhaité et assurer une transmission efficace du signal. Par conséquent, ce type d'antenne peut également être considéré comme une antenne demi-dipôle montée sur une surface conductrice. De conception simple et compacte, ces antennes offrent une couverture uniforme dans toutes les directions horizontales. Elles constituent donc un excellent choix pour les communications mobiles, les systèmes de communication des véhicules et les applications à basse fréquence.

• Antenne PCB

Les antennes pour circuit imprimé (PCB) sont directement intégrées au circuit imprimé. Par conséquent, ces antennes constituent un choix idéal pour les applications où l'espace est limité. Comme il n'y a pas de coûts de fabrication supplémentaires, les antennes PCB constituent une excellente solution rentable pour plusieurs applications, notamment les appareils IoT, les smartphones, les routeurs Bluetooth et Wi-fi.

Considérations relatives à la conception d'une antenne passive

La conception d'une antenne passive, comme celle d'une antenne active, comprend de nombreux aspects qui affectent la performance et l'efficacité de l'antenne. Voici quelques caractéristiques importantes à prendre en compte dans la conception des antennes passives :

• Type d'application : Stationnaire ou mobile

L'application prévue joue un rôle important dans la conception des antennes. Les antennes stationnaires, telles que les antennes de station de base, sont axées sur la stabilité, la robustesse et un gain élevé. En revanche, les antennes mobiles, telles que celles qui équipent les voitures ou les téléphones portables, doivent être légères et petites et avoir un diagramme de rayonnement plus large afin de maintenir une meilleure connectivité dans des directions et des situations variées.

• Utilisation à l'intérieur ou à l'extérieur

Les antennes d'intérieur sont conçues pour être esthétiques tout en réduisant au minimum le risque d'interférence. Comme elles sont protégées des éléments environnementaux, elles n'ont pas besoin de matériaux robustes. Les antennes extérieures, en revanche, doivent résister aux contraintes environnementales telles que le vent, la pluie et l'exposition aux UV. Elles doivent donc être équipées de boîtiers de protection avec des matériaux résistants à la corrosion.

• Nombre de dispositifs pris en charge

Les antennes conçues pour gérer plusieurs appareils doivent prendre en charge plus de trafic tout en conservant l'intégrité du signal. Par exemple, les antennes des routeurs Wi-Fi utilisent des technologies telles que l'entrée multiple et la sortie multiple (MIMO) pour desservir simultanément plusieurs appareils. En revanche, les antennes destinées à un seul appareil, comme celles utilisées dans les télécommandes, sont de conception plus modeste.

• Stratégies de réduction de la perte de signal

La minimisation de la perte de signal est une caractéristique essentielle de la conception d'antennes passives. Une solution consiste à utiliser des antennes directionnelles qui permettent d'obtenir un gain plus important sans nécessiter d'amplification supplémentaire. Une autre stratégie consiste à passer des câbles coaxiaux conventionnels aux câbles à fibres optiques. Comme les fibres optiques sont capables de couvrir de longues distances avec une perte de signal minimale, elles sont parfaites pour les applications qui nécessitent un câblage important.

Composants clés de la conception d'antennes passives

Le bon fonctionnement des antennes passives dépend de plusieurs éléments clés. Certains des composants clés de la conception d'antennes passives sont les suivants :

• Élément rayonnant

L'élément rayonnant est au cœur de la conception des antennes passives. L'élément rayonnant est responsable de la génération et de l'absorption des ondes électromagnétiques. Il est calibré en fonction de la fréquence de fonctionnement du système et optimisé en termes de dimensions et de matériaux, pour une efficacité maximale. La forme de l'élément rayonnant (dipôle, monopôle ou patch) détermine non seulement le diagramme de rayonnement de l'antenne, mais aussi sa polarisation et son gain.

• Station de base

La station de base sert de nœud central qui relie les antennes à des structures de communication plus importantes. Bien qu'elle ne soit pas un élément direct de la conception de l'antenne, la station de base est en mesure de garantir des échanges de signaux imperceptibles, ce qui permet d'obtenir des performances fiables et cohérentes pour les applications mobiles et stationnaires.

• Plan de masse

Les plans de masse sont spécialement conçus pour gérer la gamme de fréquences et l'application prévues de l'antenne. Ils sont chargés d'améliorer la directivité et l'efficacité de l'élément rayonnant de l'antenne en réfléchissant les ondes électromagnétiques. En outre, dans les antennes unipolaires, le plan de masse complète le trajet du courant, ce qui améliore le diagramme de rayonnement.

• Ligne d'alimentation

Les lignes d'alimentation servent de lien entre l'antenne, l'émetteur et le récepteur et facilitent la transmission du signal tout en garantissant une perte de signal minimale. Même si les câbles coaxiaux sont communiquement utilisés comme lignes d'alimentation, pour les conceptions compactes telles que les antennes PCB, on utilise plutôt des lignes microruban. En adaptant correctement l'impédance entre la ligne d'alimentation et l'antenne, la réflexion de la puissance peut être minimisée, ce qui garantit un transfert d'énergie efficace.

Applications des antennes passives

La simplicité, la rentabilité et la durabilité des antennes passives font qu'elles sont largement utilisées dans de nombreux secteurs. Voici quelques-unes de leurs applications les plus courantes :

• Telecommunications et radiodiffusion

Dans les réseaux mobiles, les réseaux d'antennes passives sont utilisés avec les tours de téléphonie cellulaire pour couvrir de vastes zones et assurer une transmission et une réception fiables des signaux. De même, les systèmes Wi-Fi utilisent des antennes passives compactes, telles que les dipôles, pour fournir un accès sans fil à l'internet dans les maisons, les bureaux et les espaces publics. Dans le domaine de la radiodiffusion, les antennes Yagi sont largement utilisées pour recevoir les signaux de télévision terrestre, car elles offrent un gain et une directionnalité excellents.

• Satellite Communication

Les antennes paraboliques sont communiquement utilisées dans les stations terrestres pour la communication par satellite afin de garantir une directivité et un gain élevés. Les antennes passives compactes sont intégrées dans les appareils GPS, afin d'aider l'utilisateur à naviguer grâce à des données de localisation précises. En outre, les satellites de surveillance météorologique utilisent également des antennes passives lorsqu'ils transmettent des informations météorologiques aux stations terrestres afin de permettre des prévisions météorologiques et des études climatiques précises.

• IdO et appareils intelligents

La croissance de l'Internet des objets (IoT) a considérablement augmenté la demande d'antennes passives compactes et efficaces. Les smartwatches, les trackers de fitness et les systèmes domestiques intelligents s'appuient souvent sur des antennes PCB et monopolaires pour permettre la connectivité via les protocoles Bluetooth, Wi-Fi ou Zigbee. Pour les applications IoT industrielles, les antennes passives sont utilisées pour transmettre des données entre les machines et les systèmes centralisés, améliorant la fiabilité des performances et rationalisant les processus.

• Applications automobiles

Les antennes passives sont utilisées dans les systèmes d'entrée sans clé, permettant une communication sécurisée entre le véhicule et le porte-clés. En outre, les technologies émergentes telles que la communication véhicule à tout (V2X) utilisent ces antennes pour faciliter l'interaction entre les véhicules, l'infrastructure et les piétons, améliorant ainsi la sécurité routière et la gestion du trafic.

Des ondes kilométriques aux ondes décimétriques : comprendre la polyvalence des antennes passives

Une antenne passive se comporte différemment et a des rôles différents à jouer dans différentes gammes de fréquences. Les basses, moyennes et hautes fréquences couvrent une large gamme de bandes, et la conception et la qualité de cette antenne passive dépendent de la bande. Vous trouverez ci-dessous un summaire des caractéristiques de l'antenne passive, des gammes de fréquences de travail pour les bandes LF, MF, HF, VHF, UHF et micro-ondes, ainsi que des applications pour chaque bande :

• Basse fréquence (LF) et moyenne fréquence (MF) :

Fonctionnant dans la gamme de 30 kHz à 3 MHz, les bandes LF et MF sont connues pour leurs grandes longueurs d'onde, qui nécessitent l'utilisation de grandes structures d'antennes pour une performance efficace. Bien que ces fréquences ne soient pas idéales pour les appareils compacts, elles excellent dans la communication à longue distance en raison de leur capacité à parcourir de grandes distances avec une perte minimale. Les antennes MF sont principalement utilisées dans les systèmes de navigation maritime et aéronautique, tels que les balises non directionnelles (NDB), qui facilitent la navigation à longue distance sur l'eau et sur des terrains difficiles. Leur capacité à se propager à la surface de la Terre avec peu d'atténuation les rend essentielles pour les applications critiques en matière de sécurité, où une communication fiable est cruciale sur de vastes étendues.

• Haute fréquence (HF) :

Les bandes HF, qui vont de 3 MHz à 30 MHz, sont réputées pour leur capacité à faciliter la communication à longue distance, principalement grâce à la réflexion des signaux sur l'ionosphère. Cette caractéristique permet aux signaux de voyager bien au-delà de la ligne de visée, ce qui permet une communication mondiale. Les bandes HF sont largement utilisées pour la radiodiffusion internationale, les radioamateurs et la communication militaire, où la connectivité à longue distance est essentielle sans qu'il soit nécessaire de recourir à des systèmes satellitaires. Grâce à leur capacité unique de réflexion sur l'ionosphère, les antennes HF, telles que les dipôles ou les réseaux Yagi-Uda, conviennent à la propagation par onde ionosphérique, ce qui est particulièrement avantageux pour la communication à distance et la transmission à haute fréquence.

• Très haute fréquence (VHF) et ultra haute fréquence (UHF) :

Les fréquences VHF (30 MHz à 300 MHz) et UHF (300 MHz à 3 GHz) permettent une communication en visibilité directe car leurs longueurs d'onde plus courtes facilitent la conception d'antennes plus compactes. Dans ces gammes de fréquences, les antennes ont tendance à être plus petites et plus efficaces pour les applications mobiles, y compris les appareils portatifs. La bande VHF est fréquemment utilisée dans la radiodiffusion FM, la transmission télévisuelle et les systèmes de contrôle du trafic aérien, où la communication à portée modérée et la résistance au bruit atmosphérique sont essentielles. Les bandes UHF jouent un rôle crucial dans les systèmes de communication contemporains tels que la télédiffusion, le GPS, les téléphones mobiles et les réseaux Wi-Fi. Les antennes UHF offrent une plus grande largeur de bande, ce qui permet des taux de transfert de données plus rapides et des connexions plus fiables dans les réseaux communication numériques et mobiles.

• Bandes micro-ondes (3 GHz à 300 GHz) :

Les fréquences micro-ondes nécessitent l'utilisation d'antennes hautement directionnelles, telles que les antennes paraboliques et les antennes à cornet, car elles peuvent transmettre des signaux sur de longues distances avec une perte minimale. Ces fréquences jouent un rôle essentiel dans les systèmes radar, la communication par satellite et la transmission de données à grande capacité via des relais radio à micro-ondes. Les micro-ondes sont particulièrement utiles dans les scénarios qui nécessitent une communication point à point, tels que les systèmes satellitaires, les radars militaires et les télécommunications avancées. La directivité élevée et la capacité à transmettre de grands volumes de données rendent les antennes à micro-ondes essentielles pour les systèmes de communication civils et militaires.

Antenne passive vs antenne active

Alors que les antennes passives se contentent de relayer les signaux reçus vers le récepteur, les antennes actives sont équipées d'un amplificateur à faible bruit (LNA) intégré qui améliore la puissance du signal. La décision d'utiliser un type d'antenne plutôt qu'un autre dépend de plusieurs facteurs, notamment la puissance du signal, la longueur du câble, la disponibilité de l'alimentation et les besoins spécifiques de l'application. Le tableau comparatif ci-dessous présente les principales différences entre les antennes passives et les antennes actives.

Le bon type d'antenne pour répondre à vos besoins

Le choix d'un type d'antenne approprié, active ou passive, est une décision très importante pour garantir les meilleures performances de l'application. Reconnaître les différences entre ces deux formes d'antennes aidera à prendre une décision éclairée.

Les antennes passives sont des dispositifs simples qui consistent uniquement en un élément conçu pour recevoir des signaux sans aucun circuit d'amplification supplémentaire. Elles ne nécessitent pas d'alimentation externe car elles ne sont pas équipées de composants intégrés tels que des amplificateurs à faible bruit (LNA). Les antennes passives sont généralement déployées lorsque l'antenne peut être rapprochée du récepteur, où l'atténuation du signal est minimisée. Cette simplicité se traduit souvent par des coûts et une consommation d'énergie moindres, ce qui fait que les antennes passives conviennent aux applications avec des câbles courts et aux environnements où la puissance du signal est suffisante.

Les antennes actives, en revanche, intègrent un LNA qui amplifie le signal reçu avant de le transmettre au récepteur. Cette amplification compense la dégradation du signal qui peut se produire sur de longues distances ou dans des environnements où les interférences sont importantes. Les antennes actives nécessitent une alimentation électrique qui alimente l'amplificateur, une certaine complexité et des modes de défaillance possibles, mais elles peuvent constituer une amélioration considérable de la qualité du signal dans des conditions difficiles. Elles sont particulièrement utiles dans les situations où l'antenne peut être placée à une grande distance du récepteur ou en présence d'une forte atténuation du signal.

La longueur du câble, le bruit ambiant, la disponibilité de l'alimentation et la complexité du système doivent être pris en compte lors du choix entre les antennes passives et actives. Pour les installations comportant de longues longueurs de câble et/ou des interférences importantes, une antenne active peut fournir l'amélioration du signal nécessaire et maintenir les performances à un niveau conforme aux normes. En revanche, pour les réseaux avec de petites longueurs de câble et peu d'interférences, les avantages de simplicité et de robustesse de l'antenne passive peuvent prévaloir.

Globalement, lors de la sélection d'une antenne, il est nécessaire de prendre en compte les compromis entre la simplicité et l'accessibilité des antennes passives et les performances et la complexité des antennes actives, en comparant les deux approches pour la sélection afin de déterminer le type d'antenne le plus approprié pour une application donnée. En évaluant soigneusement les exigences de votre application, vous serez en mesure de décider du type d'antenne à utiliser.

Conclusion

Les antennes passives offrent des solutions polyvalentes à un large éventail d'applications, ce qui en fait un acteur clé de la communication sans fil moderne. Même si elles dépendent uniquement de leur structure pour la transmission du signal, leurs applications vont de la facilitation de la radiodiffusion mondiale à la mise en place d'appareils IoT compacts. En adaptant leur conception à des exigences et à des environnements spécifiques, les antennes passives continuent de servir de solution vitale et adaptable pour faire progresser la connectivité sans fil.