Question au sujet des antennes vs. longueur d'onde

[orignal]

Je viens de regarder les six épisodes de la série sur les antennes.  Super.

Il y a un truc que je ne pige pas.

Dans l'épisode 3, vers 2:50, dans une animation, on voit un dipôle être "frappé" par une onde électromagnétique. 

Ce que je ne comprend pas, c'est le rapport entre la longueur du dipôle et la longueur d'onde.  On voit que le dipôle est assez long pour "attraper" toute l'onde, mais c'est parce que l'amplitude est moindre que la longueur du dipôle.

La longueur d'onde, elle, se mesure dans l'autre sens (dans la direction de la propagation de l'onde, cà d, perpendiculaire au dipôle).

Qu'est-ce que j'ai manqué?

[Yffig]

Bonjour Orignal,

Une première mise en garde... Le sujet des antennes est un vaste sujet qui peut faire appel à  des connaissances très avancées (équations de Maxwell, etc.) faisant l'objet de très nombreux ouvrages (les plus accessibles sont, par ex., ceux de J.J. Carr: "Practical Antenna Handbook") et de nombreux papiers sur le Net . Mais il est assez facile d'admettre et de ne retenir que les résultats essentiels. Le propos de Bertrand est d'exposer des éléments de base, ce qu'il fait parfaitement.
Concernant tes questions, je te propose quelques éléments pour enrichir ta compréhension, mais il est impossible de développer beaucoup plus (il y a des montagnes de livres et de sites pour cela).
Regarde, par ex. , le schéma donné par:
http://www.cea.fr/comprendre/pages/physique-chimie/essentiel-sur-ondes-electromagnetiques-communication.aspx
Le vecteur V est la direction de propagation de l'onde EM, les vecteurs champ électrique E et magnétique B sont perpendiculaires entre eux et à  la direction de propagation. Quand le champ EM varie dans le temps et se déplace dans l'espace, il induit tension et courant dans le dipôle. Le dipôle est constitué tout naturellement d'une réactance (self ou capacité selon la fréquence) et d'une résistance: il est alors "normal" qu'il possède une fréquence d'accord où il devient uniquement résistif. Cette fréquence d'accord est donnée par les dimensions physiques (tout comme une corde de guitare résonne selon sa longueur physique) très proche de la demi longueur d'onde, (en pratique on utilise souvent un facteur correctif de 0.95) : le dipôle est aussi appelé antenne demi-onde.
L'antenne 1/2 onde est souvent analysée comme une ligne de transmission de longueur = quart de longueur d'onde dont on aurait séparé les deux conducteurs // de manière à  les placer perpendiculairement avec la ligne et colinéaires entre eux: c'est pourquoi tu retrouves la longueur d'onde dans les dimensions de l'antenne.
L'antenne est orientée dans la direction du champ E qui est celle de l'antenne d'émission, si tu l'orientes perpendiculairement, la tension (et le courant induit) seront théoriquement nuls. Quand l'antenne demi onde est orientée dans le sens du champ E, la distribution du courant dans l'antenne est alors une demi co-sinusoïde (courant nul aux extrémités et max au milieu de l'antenne).

Bonne journée

Yffig

[loulou31]

Yiffig

Je voulais répondre simplement, mais je dois avouer que ton explication est vraiement très claire et precise.
Bravo et merci à  toi pour Orignal et tous les autres qui auront eu plaisir à  te lire ou a qui grace a toi ils vont commencer à  comprendre comment fonctionne une antenne.


Jean-Louis

P.S : même Bertrand qui a beaucoup de talent n'aurait pas su mieux expliquer!

[Yffig]

@ Jean Louis

Merci pour ton appréciation !   ;)

Je me souviens, lors de mes travaux (personnels) sur les antennes, d'avoir lu il y a 10 ans environ, et avec gourmandise, un papier de QST ou QEX (je pourrais essayer de le retrouver...) intitulé (de mémoire) quelque chose comme "Why antennas radiate ?"..... L'auteur avait eu besoin d'équations de la relativité restreinte pour l'expliquer... Comme quoi, c'est pas simple du tout... même si le papier original d'Einstein s’appelait bien "De l'électrodynamique des corps en mouvement"(en 1905, les travaux de J.C. Maxwell étaient déjà  largement reconnus).
EDIT : Le papier (retrouvé) est à  http://www.arrl.org/files/file/QEX%20Binaries/2005/0105downs.pdf

A contrario, alors ado, je dévorais le petit "Pratique des Antennes" de Ch. Guilbert qui m'a permis d'acquérir le B-A-BA des connaissances pratiques nécessaires (en admettant simplement que "c'est comme ça que ça marche") que j'ai pu ultérieurement consolider par des théories plus sérieusement établies et que j'ai bien sûr depuis quasiment oubliées.
Il m'en reste cependant un solide fonds de connaissances qui me permet aujourd'hui de bien savoir ce qui est essentiel dans la compréhension des antennes et que j'aurais plaisir à  faire partager aux membres du forum, si d'aventure, ils posaient les bonnes questions..(pas des affirmations absurdes du genre "une antenne, c'est comme le secondaire d'un transfo qui serait placé à  distance"...(c'est du vécu)).

A+

Yffig

[Yffig]

Re,

Je te recommande de télécharger l'excellente présentation faite par Jean Phillippe Mulller:
http://www.ta-formation.com/cours/e-antennes.pdf
Pas trop compliqué et joliment illustré. Y a en particulier une expérience de répartition du courant dans un dipôle bien "lumineuse"au §2 !
Et en plus synthétique avec exercices: http://www.ta-formation.com/acrobat-modules/ondes-antennes.pdf
Et pour d'autres sujets, d'aller regarder l'ensemble de son site: http://www.ta-formation.com/indexx.htm
Il a aussi mis qq vidéos sur YT: https://www.youtube.com/user/jipehemphyap

A +

Yffig

[orignal]

Merci à  vous deux.  J'irai lire la docu recommandée quand j'aurai un peu plus de temps.  (Et je reviendrai ici valider ce que j'en aurai compris!)

Mais après une lecture du premier commentaire de Yffig, je pense comprendre que le rapport entre la longueur du dipôle et la longueur d'onde est lié au temps de propagation des charges du point central de l'antenne jusqu'aux extrémités?  Et que pour résonner, des multiples de la longueur d'onde sont idéaux?  (harmoniques)

Je vais pousser mon analyse préliminaire en disant que le facteur de 0,95 est dû au fait que les charges se déplacent à  une vitesse qui correspond plus ou moins à  95% de la vitesse de la lumière?

J'ai tout faux ou je suis dans la bonne direction?

[Yffig]

Bonsoir Grand Caribou !

Avant que je n'oublie....et cela concerne un autre fil sur lequel nous avons beaucoup échangé... J'ai récemment été "au cul" d'une Audi qui possédait des clignotants comme celui que Serge nous avait proposé sur le forum... Y'a peut être un max de blé à  se faire si ça n'équipe que les super berlines de Luxe... :D.

Alors, je vais répondre à  tes 3 questions.... Tu verras que je vais y passer beaucoup plus de temps que le temps que tu auras mis à  les poser !  ;)  (tes questions sont ici reproduites en italique).
1-"le rapport entre la longueur du dipôle et la longueur d'onde est lié au temps de propagation des charges du point central de l'antenne jusqu'aux extrémités":
La réponse est NON ! Oublie les charges, qui sont des électrons dans ta pensée sans doute...
Quand tu allumes ton interrupteur mural pour allumer ton plafonnier.. crois tu que les électrons étaient tous affamés sur un pôle de ton interrupteur à  attendre que tu leur ouvres le chemin vers ta loupiote pour s'y faire expulser à  des températures de 1600 K ?
Si oui.. arrête immédiatement l'électronique et mets toi à  la pêche au cabillaud...  ;)
Les électrons se déplacent dans un conducteur à  la vitesse d'un escargot  (je n'ai plus le chiffre en tête mais c'est facilement trouvable sur le Net). Ce qui se déplace à  quasiment la vitesse de la lumière...??? C'est, c'est ........
Ce sont ..... tout simplement les CHAMPS (électrique E et magnétique B et donc le champ EM): c'est le champ E qui fait bouger ces grosses feignasses d'électrons (si tant est qu'ils existent selon la physique quantique) qui n'arrêtent pas de se cogner sur les atomes, de prendre la place d'un autre qui regrette de s'être barré de son orbite....etc.
Donc si ce sont les champs qui font tout le boulot... et qui gigotent comme des malades à  une fréquence F et se déplacent quasiment à  la vitesse de la lumière (notée c), c'est donc qu'ils ont une longueur d'onde λ dans ce déplacement, non ?
Ces 3 grandeurs sont reliées par une relation aussi "lumineuse" que celle ci:  λ*F = c
Tu vois bien dans la formule précédente qu'elle est homogène: des mètres * l'inverse d'un temps vaut bien des m/s, non ?

Donc...les dimensions physiques d'une antenne sont en rapport direct avec la longueur d'onde du champ EM dans le vide (ou dans l'air , c'est itou)
D'une manière générale, on écrira que λ*F = Vp, où Vp est la vitesse de propagation de l'onde EM dans le milieu: V= c dans le vide et quasiment dans l'air, Vp ~2/3 de c dans un milieu diélectrique tel que l'isolant d'une ligne de transmission.

2-  "le facteur de 0,95 est dû au fait que les charges se déplacent à  une vitesse qui correspond plus ou moins à  95% de la vitesse de la lumière ?" cf plus haut..; donc RIEN à  VOIR !
Ce facteur (empirique) de 0.95x est dû essentiellement aux "effets de bord" et un petit peu à  une considération éminemment pratique:
- les effets de bord: ils sont dus au fait que la "longueur électrique" d'une antenne n'est pas exactement la longueur physique du matériel qui la constitue ("pointes" du champ électrique, glaçons qui pendouillent sur ton antenne au printemps  ;), gouttes de rosée au petit matin, etc.)
- quand tu vas couper ton dipôle en plein milieu pour récupérer le pouillième d'énergie qu'il aura capté, tu vas devoir écarter les deux brins 1/4 d'onde donc rallonger les dimensions physiques de ton dipôle, tout bêtement.
Ce facteur 0.95x est en fait une chance... en effet si tu calcules sa longueur à  exactement  λ/2... tu auras alors la possibilité de réduire sa longueur d'un poil avec une lime ou une scie à  métaux si tu as la chance de posséder un analyseur d'antenne. Par contre si tu devais la rallonger, fais d'abord une formation de plombier... ;).
En pratique, si tu restes à   λ/2, ça fera pas une grosse différence !

3- "pour résonner, des multiples de la longueur d'onde sont idéaux?  (harmoniques)"
Là  tu es dans le VRAI... sauf que cela ne vaut pas pour tout type d'antenne et que ce sont des multiples de la demi longueur d'onde: 2λ/2, 3λ/2, 4λ/2, etc. C'est absolument vrai pour un dipôle seul...mais faux pour une Yagi pourtant constitué de dipôles alignés et (de mémoire, à  vérifier donc) pour une quart d'onde (quand tu en seras là , je te dirais pourquoi).
Exprimé plus clairement, la longueur L du dipôle étant donnée, le dipôle va résonner à  toutes les fréquences multiples de celle qui correspond à  L=λ/2.
(Je pourrais développer avec l'analogie de la corde de guitare.... mais c'est assez pour ce soir)

A +

Yffig

[orignal]

Rebonjour, encore à  lire et en train d'essayer de comprendre toute cette docu.  J'y arrive, et ça commence à  être plus clair.

J'ai posé la même question à  un collègue ingénieur, et il m'a dit qu'une bonne façon de visualiser le tout, c'était qu'il fallait éviter que l'onde ne se reflète en produisant une onde dont la phase serait destructive, ce qui atténuerait l'onde initiale.  Il m'a dit d'imaginer des vagues frappant le bord d'une piscine et qui "rebondissent".

À mon tour de fournir un lien d'information.  À lire attentivement!  https://www.sciencesetavenir.fr/animaux/biodiversite/noel-renne-caribou-elan-orignal-quelles-differences_130187

Le clignotant de Serge n'équipe pas que les voitures de luxe. En Amérique du Nord, on le retrouve sur la Mustang comme en fait foi ce .gif.  (Une voiture pour les pauvres qui veulent paraître riche...)

[Yffig]

Bonsoir Grand Renne du Père Noà«l !

Merci pour le lien sur le bestiaire  ;) , je savais que je n'étais pas dans le vrai mais te saluer comme "Grand Élan" m'avait paru sonner faux (ici, en Bretagne, tu sais... à  part reconnaître un cochon d'une vache, on ne connait pas grand chose en zoologie... on est meilleurs en poissons pélagiques).

Plaisanterie mise à  part, l'explication de ton collègue fait tout à  fait sens:
Pour qu'un signal s'établisse de manière efficiente sur une antenne demi onde, il faut que sa longueur soit telle que la distribution du courant sur cette antenne respecte les "conditions aux limites" (et c'est vrai pour nombre de phénomènes physiques... cordes vibrantes, cavités de résonance de certains lasers, etc). Si les limites de l'antenne (ses extrémités) ne respectent pas la condition que le courant incident y prend une valeur nulle... alors il y aura de l'énergie qui sera réfléchie avec une phase opposée donc venant se soustraire à  l'énergie incidente et le résultat sera rapidement "peau de lapin".
Tu verras souvent dessiné sur une antenne demi onde, la co-sinusoïde de la répartition du courant le long de l'antenne: nulle aux extrémités, et max au milieu de l'antenne. c'est pourquoi on coupe l'antenne demi-onde au milieu pour y prélever ce courant max via une résistance de charge égale à  l'impédance de l'antenne à  la résonance (pour un dipôle demi-onde cette résistance vaut très exactement 73.2 Ω avec un peu de réactance selfique ...calculs faits en 1932 par un dénommé Carter, inconnu notoire). Dès que tu vas exciter ton dipôle avec un champ EM de fréquence un peu différente, les réflexions aux extrémités vont se soustraire au courant et cela d'autant plus que tu vas t'écarter de la fréquence de résonance... une antenne a donc une certaine bande passante (et c'est heureux).
Tu trouveras aussi souvent représentée la répartition de la tension le long du dipôle: c'est une sinusoïde cette fois ! En effet, aux extrémités du dipôle, la tension atteint un maximum (avec deux polarités opposées, note le bien...) alors que la tension au milieu de l'antenne est nulle ! (bizarre, non ?  et bin non... si tu continues à  me poser des questions tu sauras comment on fait très bon usage de cette tension nulle).
Note bien que dans ces deux représentations des répartitions courant et tension, l'origine de l'axe de mesure est le milieu du dipôle (qui est donc à  un potentiel nul = point de référence des mesures de tension).
Si tu me poses la question suivante (et elle est très légitime),: "pourquoi branche-t-on la ligne de transmission au milieu du dipôle si la tension y est nulle ??? ? "je te répondrai une autre fois car c'est un sujet qui mérite quelques développements (pas très complexes par ailleurs).
Allez ici, c'est dodo... Bonne soirée !
A +
Yffig