Antenne à réseau de dipôles périodiques logiques : Un guide complet

La technologie progresse à pas de géant dans le monde d'aujourd'hui. La communication joue un rôle majeur dans cette croissance rapide et les antennes sont l'un des composants les plus cruciaux. Les antennes dipôles log-périodiques (LPDA) jouent un rôle important dans les systèmes modernes de radiodiffusion et de télécommunication. Les antennes dipôles log-périodiques sont des antennes directionnelles composées de plusieurs éléments disposés selon un schéma spécifique. La longueur des éléments d'antenne diminue généralement vers l'avant de l'antenne et avec des éléments de différentes longueurs, elles sont capables de capter différentes fréquences, ce qui les rend idéales pour les applications qui nécessitent des solutions de communication robustes et polyvalentes à différentes fréquences. Elles sont appelées antennes log-périodiques car l'impédance de ces antennes est une fonction logarithmique périodique de leur fréquence. Les antennes log-périodiques sont généralement utilisées pour des applications où différentes fréquences doivent être transmises ou reçues à différents angles et à différentes fréquences, comme la radiodiffusion télévisuelle, la surveillance à large bande, les systèmes de mesure, etc.

Historique et développement de l'antenne LPDA

L'antenne log-périodique est considérée comme inventée par l'ingénieur électricien américain Dwight E. Isbell et son collègue Raymond DuHamel en 1957-1958 et ils ont publié un article à ce sujet. Plus tard, le concept a été développé par Paul Mayes. Le concept d'antenne log-périodique a été breveté par l'université de l'Illinois aux États-Unis à la suite des travaux de ces inventeurs. Cependant, on pense également qu'elle a été inventée par John Dunlavy en 1952, mais qu'elle n'a pas été reconnue comme il se doit car elle a été inventée dans le cadre d'une mission secrète alors qu'il travaillait pour l'armée de l'air des États-Unis.

Caractéristiques de conception de l'antenne log-périodique

Les antennes log-périodiques sont composées de plusieurs éléments dipolaires de longueurs et d'espacements différents, disposés dans une configuration linéaire ou plane. En général, elles sont disposées de telle sorte que la longueur des éléments diminue vers l'avant de l'antenne et avec une phase alternée entre eux à des intervalles spécifiques suivant une fonction logarithmique de la fréquence. Ces éléments d'antenne sont généralement fabriqués à partir de matériaux conducteurs, tels que l'aluminium ou le cuivre, et montés parallèlement de part et d'autre d'une structure de support généralement constituée d'un matériau non conducteur. Les caractéristiques de performance de l'antenne log-périodique dépendent de la longueur, de l'espacement, de la différence de phase et de la progression logarithmique des éléments.

Les antennes log-périodiques fonctionnent selon le principe de l'inversion de phase en fonction de la fréquence. Chaque élément résonne à une fréquence différente et, à mesure que la fréquence augmente, l'élément résonnant se déplace vers les éléments plus petits, créant un signal ondulatoire qui se déplace le long de la structure centrale. Ce mécanisme permet d'obtenir une réponse en fréquence à large bande avec un gain et une impédance cohérents dans les antennes log-périodiques.

Paramètres clés

Compte tenu des principaux paramètres de performance des antennes log-périodiques, celles-ci sont capables de fonctionner dans plusieurs bandes de fréquences. Les antennes log-périodiques peuvent fonctionner sur une large gamme de fréquences, de quelques mégahertz à plusieurs gigahertz, en fonction de leur conception. Les antennes log-périodiques sont utilisées pour obtenir un gain relativement élevé en raison de leur diagramme de rayonnement et de leur directionnalité. Elles peuvent fonctionner avec un gain de crête d'environ 10-11dBi et le gain varie généralement entre 5 et 15 dBi. La portée opérationnelle d'une antenne log-périodique dépend de tous ces facteurs, tels que la fréquence, le gain, ainsi que des facteurs environnementaux et de tout obstacle ou interférence. Les antennes log-périodiques utilisent dans la plupart des cas des connecteurs femelles normaux de type N et sont généralement montées sur poteau ou sur mât. Mais cela peut varier en fonction du type d'antenne log-périodique, car elles sont également disponibles sous forme de panneaux très compacts.

Principales caractéristiques de l'antenne log-périodique

Parmi les principales caractéristiques d'une antenne log-périodique, on peut citer la gamme de fréquences à large bande, le gain directionnel et leur conception compacte.

• Gamme de fréquences à large bande

Les antennes log-périodiques, en raison de la présence d'éléments d'antenne conducteurs de différentes longueurs, ont la capacité de fonctionner sur une large gamme de fréquences. Leur couverture sur un large spectre de fréquences en fait une option d'antenne appropriée pour diverses applications de communication et de radiofréquence. Cela permet aux utilisateurs d'utiliser une seule antenne pour communiquer sur plusieurs canaux à différentes fréquences. Les antennes log-périodiques sont donc extrêmement utiles dans les applications où l'environnement opérationnel est dynamique ou change rapidement, car elles peuvent assurer une communication stable et ininterrompue dans de tels scénarios.

• Gain directionnel

Les antennes log-périodiques ont un gain stable, ce qui est un avantage clé. Elles sont capables de maintenir un gain directionnel élevé et stable même lorsque la fréquence varie ou fluctue. Ainsi, les antennes log-périodiques sont capables de fournir un gain directionnel cohérent sur différentes bandes de fréquences. Grâce à leur gain directionnel élevé, elles sont capables de cibler les signaux vers une direction spécifique, augmentant ainsi la portée de la communication dans cette direction. Cette caractéristique rend les antennes log-périodiques idéales pour les applications qui nécessitent une communication efficace et précise à longue distance.  

• Conception compacte

Les antennes log-périodiques ont une conception et une structure simples. Elles sont généralement compactes et peuvent donc être facilement utilisées dans des applications où l'espace est limité. Elles peuvent être utilisées de manière pratique dans des applications statiques et mobiles. Les antennes log-périodiques sont relativement faciles à fabriquer et à installer en raison de leur conception compacte.

Types d'antennes log-périodiques

Les antennes log-périodiques sont disponibles sous différentes formes et à différentes fréquences. Quatre des types d'antennes les plus courants sont présentés ci-dessous.

• Réseau de dipôles logiques périodiques (LPDA)

Il s'agit du type le plus courant d'antenne log-périodique. Comme leur nom l'indique, les antennes LDPA sont constituées d'un réseau d'éléments d'antennes dipôles disposés en longueur croissante et montés de part et d'autre d'une perche de support. Les éléments d'antenne sont connectés en parallèle à une ligne d'alimentation et le dipôle le plus long agit comme un réflecteur. L'antenne LPDA est généralement alimentée par l'élément demi-dipôle le plus court via un port unique. Les LPDA présentent généralement des impédances d'entrée, un ROS et des caractéristiques de rayonnement uniformes sur une large gamme de fréquences. Ce type d'antennes log-périodiques est généralement utilisé pour la réception de la télévision et les applications radio.

• Antenne monopôle log-périodique

Les antennes monopolaires log-périodiques sont assez semblables aux LPDA. Dans cette variante, les monopôles sont utilisés à la place des

Les antennes sont composées de dipôles et sont généralement montées sur un plan de masse conducteur. Cette conception améliore les performances en termes de gain et est couramment utilisée dans les systèmes de communication au sol.

• Antenne log-périodique planaire

Ce type d'antenne log-périodique a ses éléments d'antenne imprimés sur un substrat plan semblable à un circuit imprimé. En raison de leur conception compacte, elles sont idéales pour être utilisées dans des dispositifs plus petits avec des limitations d'espace ainsi que pour des applications mobiles. Elles sont également couramment utilisées dans les applications radar et micro-ondes.

• Antenne périodique à logarithme filaire

Comme les autres antennes log-périodiques, les antennes log-périodiques à fil ont également plusieurs éléments d'antenne. Cependant, au lieu des éléments solides typiques, ces antennes se composent d'éléments d'antenne fabriqués à l'aide de fils supportés par un cadre rigide ou une structure de flèche.

Antennes log-périodiques vs. antennes Yagi

Les antennes LPDA et les antennes Yagi sont assez similaires. Cependant, elles présentent quelques différences essentielles qui les rendent uniques tant en termes de structure physique et de conception qu'en termes de paramètres de performance.

Les antennes log-périodiques ont généralement une structure triangulaire et sont composées de plusieurs éléments d'antenne de différentes longueurs et distances les uns par rapport aux autres, disposés dans un réseau spécifique de part et d'autre d'une structure en forme de flèche. Les antennes Yagi ont une structure plus linéaire avec leurs multiples éléments d'antenne qui sont généralement de la même longueur, contrairement aux antennes log-périodiques, disposés en réseau le long d'une structure en forme de flèche. En raison de la longueur similaire des éléments d'antenne, les antennes Yagi sont considérées comme légèrement plus faciles à construire et à fabriquer que les antennes log-périodiques. Les antennes log-périodiques sont légèrement plus complexes à concevoir et à fabriquer, car les différentes longueurs des éléments, leur espacement et les différences de phase doivent être calculés et mis en œuvre avec précision. En outre, les antennes Yagi sont généralement plus volumineuses que les antennes log-périodiques. Cependant, les antennes log-périodiques sont comparativement plus faciles à installer que les antennes Yagi, car ces dernières nécessitent un alignement plus précis pour une performance optimale dans une direction spécifique.

En ce qui concerne les paramètres de performance, les antennes log-périodiques et les antennes Yagi sont disponibles dans une large gamme de bandes de fréquences. Les antennes log-périodiques fonctionnent généralement dans des gammes de fréquences comprises entre 30 et 4200 MHz, tandis que les antennes Yagi fonctionnent entre 30 et 3000 MHz. Les antennes log-périodiques ont un diagramme de rayonnement plus large et donc un gain plus faible et sont moins directives que les antennes Yagi. Les antennes Yagi sont très directionnelles et ont une bande passante étroite, ce qui leur confère un gain beaucoup plus élevé dans une direction spécifique. Les signaux d'une antenne Yagi sont concentrés dans une zone de couverture d'un angle d'environ 45 degrés à 90 degrés, tandis que les antennes log-périodiques sont capables d'avoir une zone de couverture beaucoup plus large grâce à des éléments d'antenne de longueurs et d'espacements différents.

Les antennes log-périodiques et les antennes Yagi varient également en termes d'applications. Les antennes log-périodiques sont généralement utilisées dans des applications qui nécessitent que les signaux soient transmis et reçus dans plusieurs directions et à plusieurs fréquences différentes simultanément. Elles sont utilisées dans les applications LPWAN, LoRa, LTE-M, NB-IoT, IoT, M2M, etc. Les antennes Yagi sont meilleures pour les systèmes de communication point à point, comme dans les applications de radiodiffusion, domestiques et commerciales, car elles sont très directionnelles et ont un gain élevé vers une direction spécifique.

Les coûts d'installation initiale et les coûts de maintenance des antennes Yagi et des antennes log-périodiques sont relativement similaires. Toutefois, les antennes log-périodiques sont généralement considérées comme plus polyvalentes, car elles peuvent être utilisées pour des cas d'utilisation nécessitant des fréquences différentes. Les antennes Yagi nécessitent un entretien plus régulier pour maintenir leur performance dans une direction à un niveau optimal.

Avantages des antennes log-périodiques

Les antennes log-périodiques sont un type d'antenne extrêmement polyvalent utilisé dans divers systèmes de communication en raison de leurs principaux avantages en termes de performances. Voici quelques-uns de ces avantages.

• Large bande

Les antennes log-périodiques sont capables de couvrir une large gamme de fréquences et peuvent fonctionner sur plusieurs bandes de fréquences grâce à leur large bande passante, sans qu'il soit nécessaire de les régler ou de les ajuster. Les antennes log-périodiques sont donc considérées comme polyvalentes, car une seule antenne peut remplacer plusieurs antennes conçues pour différentes gammes de fréquences. C'est pourquoi les antennes log-périodiques sont polyvalentes et rentables.

• Diagramme de rayonnement directionnel

Les antennes log-périodiques ont un diagramme de rayonnement directionnel. Elles sont donc capables de concentrer leur énergie dans une direction spécifique, ce qui les rend idéales pour les communications longue distance. Le diagramme de rayonnement des antennes log-périodiques présente de faibles lobes latéraux, ce qui signifie qu'elles rayonnent la majeure partie de leur énergie dans la direction souhaitée et minimisent l'énergie perdue dans d'autres directions. Leur diagramme directionnel les rend plus résistantes aux interférences provenant d'autres signaux non désirés et d'obstacles. Cela permet également d'améliorer le rapport signal/bruit.

• Gain élevé

Les antennes log-périodiques ont généralement un gain plus élevé en raison de leur diagramme de rayonnement directionnel. Elles ont donc la capacité de transmettre et de recevoir des signaux sur de plus longues distances et avec une grande efficacité. Dans les systèmes de communication, un gain élevé est un paramètre crucial pour maintenir des signaux forts et stables sur une plus grande distance.

• Taille compacte

Les antennes log-périodiques peuvent être utilisées dans des applications où l'espace est limité car elles sont généralement conçues pour être petites et compactes par rapport à d'autres types d'antennes. Elles sont idéales pour les applications fixes et mobiles.

Globalement, les antennes log-périodiques offrent des avantages clés tels qu'une large gamme de fréquences, un gain élevé, un diagramme de rayonnement directionnel et une taille compacte, ce qui en fait une option polyvalente et pratique pour diverses applications dans les domaines de la communication et de la radiodiffusion.

Inconvénients et limites

Bien que les antennes log-périodiques présentent certains avantages clés, il existe également quelques limitations.

• Conception et construction de complexes

Les antennes log-périodiques étant conçues pour fonctionner sur plusieurs fréquences différentes, leur conception doit être précise. La longueur des éléments de l'antenne, leur espacement et leur emplacement, la différence de phase entre les éléments, etc. doivent tous être pris en considération. En raison de la complexité de leur conception et de leur construction, les antennes log-périodiques ont tendance à être relativement coûteuses.

• Assemblage et entretien

L'installation et la maintenance d'une antenne log-périodique peuvent être légèrement complexes et prendre du temps car elles comportent de multiples éléments qui nécessitent un espacement et un placement précis. De plus, pour s'assurer que l'antenne fonctionne de manière optimale en permanence avec une transmission et une réception stables et précises du signal, une maintenance régulière est nécessaire pour les antennes log-périodiques.

• Interférence

En particulier dans les applications extérieures, les antennes log-périodiques ont tendance à être soumises aux interférences d'autres signaux ainsi qu'à toute obstruction physique. Elles peuvent également être affectées par des conditions météorologiques telles que des vents forts, ce qui les rend sensibles à la charge du vent.

Applications des antennes log-périodiques

Comme nous l'avons vu tout au long de cet article, les antennes log-périodiques sont extrêmement polyvalentes et sont donc utilisées dans diverses applications dans différents secteurs d'activité. Certains des cas d'utilisation les plus courants sont présentés ci-dessous.

• Télévision et radiodiffusion

Les antennes log-périodiques sont couramment utilisées pour la télédiffusion et la radiodiffusion afin de recevoir et de transmettre des signaux, car elles sont capables de fonctionner dans une large gamme de fréquences, ce qui leur permet de fournir un contenu sur plusieurs canaux et stations. Grâce aux caractéristiques de conception et de performance des antennes log-périodiques, il est possible d'utiliser une seule antenne pour plusieurs bandes de fréquences en utilisant des antennes log-périodiques.

• WiFi

Les antennes logiques périodiques sont également couramment utilisées pour établir des réseaux WiFi. Elles peuvent être utilisées pour transmettre et recevoir des signaux pour des applications WiFi car elles sont capables de fournir une connexion internet sans fil stable et forte.

• Réseaux cellulaires

Comme les réseaux WiFi, ils sont également utilisés dans les réseaux cellulaires pour transmettre et recevoir des signaux des tours cellulaires, permettant ainsi la communication mobile. Leur directionnalité et leur gain leur permettent de concentrer les signaux dans une certaine direction, ce qui leur permet d'établir des connexions sur de longues distances.

• Boosters de signal

Les antennes log-périodiques sont également couramment utilisées dans les systèmes d'amplification des signaux. Leur gain élevé et leur directivité améliorent la force et la portée des signaux pour une meilleure réception et transmission, ce qui les rend idéales pour les amplificateurs de signaux.

• Systèmes d'antennes distribuées (DAS)

Les antennes log-périodiques sont également couramment utilisées pour les installations DAS. Leur large bande passante, leur gain élevé et leur directivité permettent d'améliorer la couverture sans fil et la capacité des systèmes de communication dans les grands bâtiments, les stades, les aéroports et autres lieux publics.

Installation et entretien

Le processus d'installation d'une antenne périodique commence par le choix du site. Il est important de choisir un emplacement avec un minimum d'obstructions et d'interférences pour garantir une performance optimale. Les autres conditions météorologiques et facteurs environnementaux doivent également être pris en considération. Les antennes log-périodiques sont généralement montées sur un mât ou un poteau afin de minimiser les obstructions dans les voies de transmission du signal. Il est important de fixer solidement les antennes pour garantir leur stabilité et leur bon alignement. Des câbles coaxiaux et des connecteurs de haute qualité doivent être utilisés pour minimiser la perte de signal pendant la transmission. Un autre facteur à prendre en compte est la mise à la terre, qui est cruciale pour protéger l'antenne des surtensions électriques qui peuvent survenir. Il est essentiel de placer l'antenne dans le bon sens et de l'aligner correctement pour garantir des performances optimales vers une direction spécifique dans une gamme de fréquences souhaitée. Enfin, il est important d'effectuer des tests suffisants et de procéder aux ajustements nécessaires pour obtenir une qualité optimale et des performances fiables d'une antenne log-périodique.

Études de cas

Les antennes log-périodiques sont utilisées dans de nombreuses industries et ont des cas d'utilisation variés, comme nous le verrons tout au long de l'article. Nous décrivons ci-dessous quelques-uns des scénarios et applications réels des antennes log-périodiques.

• Radiodiffusion

Les antennes log-périodiques sont capables de couvrir un large spectre de fréquences grâce à leur structure avec différents éléments d'antenne allongés et des différences de phase, et sont donc couramment utilisées dans la radiodiffusion et la télévision. Les antennes log-périodiques sont donc largement utilisées dans les zones urbaines comme dans les zones reculées pour transmettre des signaux sur différents canaux et assurer une couverture efficace et stable.

• Militaire et défense

Les antennes log-périodiques sont largement utilisées dans l'industrie militaire et de la défense pour diverses applications de défense et de sécurité. Elles sont couramment utilisées dans les avions, les satellites, les systèmes radar, les équipements militaires, etc. pour la transmission et la réception de signaux. Les antennes log-périodiques sont capables d'assurer une communication fiable sur une large bande passante et une directionnalité élevée, ce qui les rend idéales pour les missions critiques et les opérations de surveillance dans l'armée. Dans le domaine militaire et de la défense, le personnel de l'armée utilise des dispositifs alimentés par des antennes log-périodiques pour rester connecté sur différents sites opérationnels. Cela est possible grâce à la fiabilité et à la stabilité des signaux transmis et reçus par les antennes log-périodiques. Ces antennes sont également largement utilisées pour des applications de surveillance dans le cadre de missions militaires et de défense. Elles sont capables de transmettre et de recevoir des signaux rapidement, ce qui les rend importantes pour les missions critiques. Les antennes log-périodiques permettent l'échange de données en temps réel entre les capteurs distants, les drones et les centres de commandement. Le personnel de l'armée peut ainsi prendre des décisions en toute connaissance de cause dans le cadre d'applications critiques dans les missions militaires et de défense.

• Guerre électronique

Les antennes log-périodiques font également partie intégrante des systèmes de guerre électronique. Leur gain directionnel élevé et leur transfert de signal ciblé peuvent être cruciaux pour identifier les dispositifs ennemis et pour intercepter et brouiller les signaux de communication de l'ennemi. Dans la guerre électronique, les antennes log-périodiques sont utilisées dans le cadre de systèmes d'interception, de brouillage ou de sécurisation des communications en tirant parti de leurs capacités à large bande et de leurs performances directionnelles. Cela peut être crucial dans la guerre pour contre-attaquer efficacement les signaux de communication de l'ennemi afin d'obtenir un avantage tactique sur le champ de bataille.

Conclusion

Les antennes log-périodiques sont un composant crucial dans le paysage moderne de la technologie des antennes. Les antennes log-périodiques sont disponibles sous différentes formes, tailles et configurations et, parmi elles, les antennes log-périodiques à réseau dipolaire sont au premier plan en tant que type d'antennes log-périodiques le plus utilisé. Les antennes LPDA fonctionnent de telle sorte que l'impédance de l'antenne est une fonction logarithmique périodique de sa fréquence de fonctionnement. Elles sont capables de faciliter une large gamme d'applications allant de la radiodiffusion télévisuelle aux systèmes WiFi et cellulaires, en passant par les applications militaires et de défense critiques. La capacité des antennes log-périodiques à fonctionner sur une large gamme de fréquences, leur capacité directionnelle et leur conception compacte en font un dispositif polyvalent et une solution pratique pour les consommateurs qui cherchent à améliorer leurs systèmes de communication.