Les antennes en compatibilité électromagnétique

L’analyse des sources d’incertitudes, ou plus simplement, la compréhension de phénomènes physiques rencontrés lors des mesures pratiquées en compatibilité électromagnétique (CEM), exige bien souvent la consultation de traités d’électromagnétisme. Cet article entre dans cette préoccupation en s’efforçant de réaliser une synthèse des connaissances empruntées à l’étude des antennes. Il faut savoir que les antennes interviennent en métrologie CEM en diverses occasions, notamment pour l’émission de champs forts lors des essais d’immunité, ou bien pour la mesure de champs faibles émanant d’un appareil électronique en fonctionnement. Nous devons préciser que la gamme de fréquences envisagée s’étend de 30 MHz à 1 GHz, qu’un champ électrique fort peut atteindre une amplitude de 1 V/m à 10 V/m ou plus, et qu’un champ faible se situe au voisinage de 100 µV/m.

L'article est divisé en trois parties bien distinctes, mais reliées par des propriétés physiques communes. Il aborde en tout premier lieu le concept de dipôle élémentaire. Le terme dipôle utilisé ici diffère toutefois de son équivalent de l’électrocinétique, car nous sommes confrontés au rayonnement d’un élément conducteur de dimension Δl et parcouru par un courant uniforme animé de variations d’amplitude sinusoïdales.

Cette première partie est principalement dédiée aux calculs des champs proches et des champs lointains agissant à une distance r du dipôle. L’investigation est ensuite étendue aux calculs d’autres paramètres pertinents parmi lesquels, figurent la puissance active transmise dans l’espace et l’entrée du concept de résistance de rayonnement.

La seconde partie entièrement consacrée aux antennes émettrices est plus particulièrement axée sur le dipôle symétrique composé de deux conducteurs de dimensions L₀ accordés en quart d’onde. Nous verrons que ce fonctionnement, très utilisé en métrologie, procure à l’antenne symétrique des propriétés proches d’une ligne de transmission. L’assimilation aux lignes facilite grandement le calcul de la variation du courant sur les conducteurs, ainsi que la détermination du champ lointain. Il est également montré que le dipôle résonnant en quart d’onde possède pour autre caractéristique remarquable, une résistance de rayonnement de 73 Ω. D’autres paramètres propres à la métrologie CEM et aux antennes viennent ensuite compléter l’étude du dipôle symétrique, tels que l’impédance d’entrée, le gain en puissance, la surface effective et le facteur d’antenne. Il est bon de préciser que, dans cette seconde partie, l’analyse descriptive et physique des antennes, émettant ou recevant des signaux sur une large bande de fréquences, est brièvement exposée.

La troisième partie de l’article concerne surtout les antennes réceptrices soumises aux inductions de champs électromagnétiques, assimilés localement à une onde plane. Le calcul de la fem collectée sur une antenne de type monopôle, constituée d’un conducteur de dimension L₀ et perpendiculaire à un plan métallique, est entrepris. Les développements font appel aux propriétés de réciprocité électromagnétique ainsi qu’à la théorie des images électriques. Il est montré que le monopôle ainsi configuré est strictement équivalent au dipôle symétrique étudié en seconde partie. Le calcul de la tension apparaissant sur une résistance de charge connectée à la base du monopôle est développé en étudiant attentivement l’influence de la longueur d’onde. On regarde successivement le monopôle accordé en quart d’onde, puis l’hypothèse basse fréquence, où la longueur d’onde dépasse très largement la dimension L₀. L’analyse se poursuit par les calculs du transfert de puissance active, réalisé entre une antenne réceptrice et une charge, puis étendu à une source de signaux dotée d’une impédance interne et connectée à une antenne émettrice. Pour conclure cette troisième partie, la directivité des antennes est examinée sur la base d’un exemple illustrant la variabilité du rayonnement observée sur le dipôle symétrique stimulé par des résonances de rang élevé. La répartition de l’énergie électromagnétique dans l’espace se manifeste par de multiples lobes bien reflétés dans la fonction analytique relatant la directivité de l’antenne.

Les différentes sections composant chaque partie sont assorties d’exemples voués à l’exercice des ordres de grandeurs. Le lecteur trouvera également avantage à consulter l’article [E 1 020] consacré aux bases de l’électro-magnétisme, ainsi qu'à l'article [D 1 322] rapportant les principaux éléments de la théorie des lignes de transmission.