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

L'antenne unipolaire est une étape importante dans le domaine de la communication sans fil. C'est l'une des pièces auxquelles on ne pense pas souvent, mais elle est présente partout, du téléphone portable dans votre poche à la radio dans votre voiture. Dans cet article, nous allons explorer le monde des antennes unipolaires, en soulignant comment elles se sont adaptées pour devenir un élément indispensable de la vie quotidienne.

Au début, il peut sembler difficile de comprendre les principes fondamentaux du fonctionnement d'une antenne unipolaire, mais nous sommes là pour vous faciliter la tâche. L'efficacité et la simplicité sont les principales caractéristiques de ces antennes, qui constituent une option abordable pour une grande variété d'utilisations.

Cet article présente un examen complet des antennes monopolaires, de leurs origines historiques, des types d'antennes, de leur structure et de leurs éléments de conception, ainsi que de la fonction importante qu'elles jouent dans les réseaux de communication modernes. Il aborde également les avantages, les inconvénients et les utilisations particulières des antennes unipolaires. Nous étudierons comment ces dispositifs capturent et envoient des signaux, ce qui nous permet de rester connectés de bien des façons.

Histoire de l'antenne monopôle

L'antenne monopôle, dont le concept initial remonte à la fin du 19e siècle, trouve son origine dans les recherches pionnières de Guglielmo Marconiqui a utilisé les premières versions des concepts monopolaires pour ses études révolutionnaires sur la télégraphie sans fil. Depuis plus d'un siècle, les antennes monopôles sont essentielles dans le secteur des communications sans fil. C'est au début des années 1900 qu'ils se sont lancés dans l'aventure en s'appuyant sur les recherches fondamentales sur le rayonnement électromagnétique. Ces antennes ont révolutionné la façon dont nous capturons et transmettons les signaux grâce à leur efficacité et à leur simplicité, ce qui a conduit à leur popularité dans une variété d'applications.

Au début, les antennes unipolaires ont joué un rôle clé dans les premières étapes du développement des communications radio. Elles offraient une méthode simple pour transmettre et recevoir des signaux audio sur de longues distances. L'utilisation des antennes unipolaires s'est développée au fur et à mesure des avancées technologiques. Elles étaient l'option préférée pour les nouvelles technologies sans fil en raison de leur prix abordable et de leur polyvalence.

Les antennes monopoles ont évolué au fil du temps pour répondre aux besoins d'un monde de plus en plus interconnecté. Aujourd'hui encore, elles constituent un élément essentiel de la technologie sans fil, permettant une transmission précise des données et une communication internationale. Leur développement reflète les avancées de la technologie sans fil, démontrant leur applicabilité continue dans l'ère numérique.

Qu'est-ce qu'une antenne monopôle ?  

Un élément conducteur unique, généralement un fil ou une tige, placé au-dessus d'un plan de masse conducteur, constitue une antenne monopôle, qui est une forme d'antenne radio. Cette antenne est un dispositif simple à fil unique largement utilisé dans les systèmes de communication sans fil pour l'envoi et la réception de signaux. Comme sa longueur est généralement conçue pour résonner à une certaine longueur d'onde du signal émis ou reçu, elle est considérée comme une antenne résonante.

La tige conductrice d'une antenne unipolaire oscille par des ondes de tension et de courant stationnaires sur sa longueur, fonctionnant principalement comme un résonateur ouvert pour les ondes radio. La longueur de l'antenne peut être facilement calculée en fonction de la longueur d'onde de l'onde radio souhaitée. L'antenne unipolaire a un gain moyen de 3,7 dBi et fonctionne dans la gamme de fréquences de 1,7 à 2 GHz.

Structure et caractéristiques de conception  

En raison de leurs propriétés uniques, les antennes unipolaires sont extrêmement utiles pour une large gamme d'applications, en particulier dans les systèmes de positionnement global où une réception précise du signal est essentielle.

Élément rayonnant : Il s'agit de l'élément principal permettant d'envoyer et de recevoir des ondes électromagnétiques, et il s'agit généralement d'une tige verticale ou d'un fil. Le composant fondamental d'une antenne monopôle est un dispositif conducteur unique, appelé monopôle, qui est positionné au-dessus d'un plan de sol. Ce concept, simple mais très efficace, permet d'obtenir une onde polarisée verticalement. Le diagramme omnidirectionnel des antennes monopoles dans le plan horizontal est un élément crucial qui garantit des capacités de réception et d'émission cohérentes, quelle que soit l'orientation de l'antenne par rapport aux signaux du satellite.

Plan de masse : Un réseau de fils ou une surface conductrice qui améliore les performances de l'élément rayonnant en servant de surface réfléchie. En raison de leur mode de fabrication, les antennes monopolaires ont besoin d'un grand plan de masse pour fonctionner correctement. Pour s'assurer qu'il y a suffisamment de surface pour contrebalancer efficacement l'élément monopôle, ce besoin affecte souvent l'ensemble de la conception de l'appareil.

Caractéristiques de conception : Il s'agit notamment d'ajouter des bobines de charge pour minimiser la taille physique sans affecter les performances, de modifier la hauteur et de s'amincir pour l'adaptation de l'impédance. Les performances de l'antenne sont fortement influencées par la longueur du monopôle, qui est généralement exprimée comme un quart de la longueur d'onde de la fréquence. Cette mesure est calculée pour assurer une résonance optimale et la meilleure réception possible des signaux sans fil.

Types d'antennes monopoles  

Il existe plusieurs types d'antennes monopoles, chacune répondant à des applications spécifiques :  

Antenne magnétique à fouet

Un type d'antenne unipolaire est l'antenne fouet, qui est extrêmement flexible pour éviter de se fissurer facilement. Le nom de cette antenne a été inspiré par le mouvement de fouet qu'elle affiche lorsqu'elle est perturbée. La partie inférieure de cette antenne est simplement fixée à l'émetteur ou au récepteur radio et consiste en une tige ou un fil droit et flexible.

Ces antennes sont généralement fabriquées à l'aide d'un ensemble de tubes métalliques télescopiques emboîtés pour les radios portables, ce qui leur permet d'être repliées lorsqu'elles ne sont pas utilisées. Les fouets plus longs, qui peuvent atteindre 11 mètres, sont principalement conçus pour être montés sur des automobiles et d'autres structures qui comprennent une tige flexible en fibre de verre avec une âme en fil de fer. La longueur d'onde des ondes radio peut être utilisée pour calculer la longueur idéale de cette antenne.

Il s'agit des antennes unipolaires les plus couramment utilisées dans les bandes radio VHF, UHF et HF. Elles sont largement utilisées pour les boombox, les talkies-walkies, les appareils compatibles Wi-Fi, les radios FM, les téléphones sans fil et les radios portatives. Les radios bidirectionnelles pour voitures et avions et les autoradios y sont connectés.

Monopoles à plan de masse

La moitié d'une antenne dipôle est placée à angle droit au-dessus d'un plan de masse conducteur pour créer une antenne monopôle à plan de masse. Elle ne transmet pas de signaux sous le plan de masse, bien qu'elle fonctionne de la même manière qu'une antenne dipôle placée au-dessus. Les caractéristiques de rayonnement efficaces et la facilité d'utilisation de ces antennes les rendent populaires dans les réseaux internet et les communications mobiles. Les antennes monopôles du plan de masse sont également asymétriques, ce qui les rend très utiles pour se connecter à des émetteurs-récepteurs qui sont asymétriques.

Monopoles quart d'onde

Lorsqu'un plan de masse infini est substitué à une moitié d'une antenne dipôle demi-onde, l'autre moitié du dipôle se "reflète" dans le plan de masse. Le contrepoids est un autre nom pour ce plan de masse. C'est ce qu'on appelle le monopôle quart d'onde.

Le monopôle agit comme un dipôle "demi-onde" dans tous les sens du terme. En d'autres termes, la résistance au rayonnement est égale à la moitié de celle d'un dipôle demi-onde et il présente le même diagramme de rayonnement en forme de beignet. Les mêmes méthodes de chargement et d'alimentation peuvent être utilisées, et il peut être plié ou courbé comme un dipôle.

Monopoles hélicoïdaux

Une antenne hélicoïdale est constituée d'au moins un fil conducteur torsadé en forme d'hélice. Les antennes qui sont créées avec au moins deux ou quatre fils en hélice sont appelées quadrifilaires ou bifilaires, tandis que celles qui sont conçues avec un seul fil hélicoïdal sont appelées monofilaires. Les composants hélicoïdaux sont utilisés pour réaliser des fonctionnalités à large bande.  

Monopoles pliés

Ce type d'antenne radiateur à mât monopole est principalement utilisé par les stations de radiodiffusion AM comme antenne d'émission dans le spectre des ondes moyennes. Le système de mise à la terre de cette antenne, qui consiste en des fils souterrains, est principalement fixé à un mât ou à une tige métallique verticale. En d'autres termes, le mât est entouré de fils verticaux qui sont reliés électriquement au sommet. Un anneau métallique situé à la base du mât relie simplement ces fils, et la ligne d'alimentation électrique de l'émetteur est connectée entre l'anneau et le sol. Lorsqu'une station de radio AM partage un pylône avec d'autres antennes, telles que des antennes de radiodiffusion FM, il s'agit de l'option idéale.

Monopoles raccourcis avec bobines de chargement

Lorsque les contraintes d'espace empêchent l'utilisation d'une antenne de pleine longueur, en particulier aux basses fréquences, un "monopôle raccourci avec bobine de chargement" est une antenne verticale (monopôle) qui est physiquement plus courte qu'une conception typique d'un quart de longueur d'onde. Cependant, en ajoutant un inducteur (bobine de charge) en série à sa base, l'antenne est amenée à résonner à la fréquence souhaitée, ce qui la "rallonge" électriquement et lui permet de fonctionner à une longueur physique plus courte. Cela permet de préserver la résonance tout en économisant de l'espace.  

Adaptation d'impédance  

L'antenne transfère efficacement l'énergie entre le dispositif rayonnant et la ligne de transmission par le biais de l'adaptation d'impédance. L'adaptation d'impédance pour les antennes unipolaires implique généralement de modifier la longueur de l'élément rayonnant ou d'ajouter des éléments tels que des stubs d'accord, des baluns ou des réseaux d'adaptation. Pour que l'antenne fonctionne aussi efficacement que possible dans la bande de fréquences prévue, elle doit être fabriquée avec une impédance adaptée à l'environnement de l'utilisateur final. Une portée maximale, une faible consommation d'énergie, un échauffement réduit et un flux de données fiable sont les résultats d'une efficacité optimale. Pour garantir que la puissance maximale est délivrée du circuit RF à l'antenne avec le moins de réflexion possible, l'impédance d'entrée de l'antenne doit être réglée sur 50 Ω.

L'antenne monopôle a-t-elle besoin d'un plan de masse ?  

Non, dans les antennes monopoles qui fonctionnent à des fréquences inférieures à 20 MHz, le plan de masse est généralement la terre ; dans ce cas, l'antenne est un mât vertical placé sur le sol et isolé électriquement du sol par un isolant. La ligne d'alimentation est reliée à la terre à la base de l'antenne d'un côté et au mât de l'autre. Un réseau radial de fils enterrés s'étendant vers l'extérieur à partir d'une terminaison proche de la base de l'antenne est fréquemment utilisé dans les antennes d'émission pour réduire la résistance à la terre. Pour la radiodiffusion dans les bandes MF et LF, cette conception est utilisée pour les antennes d'émission à radiateur sur mât. L'antenne en T et l'antenne parapluie sont des exemples de monopoles capacitivement chargés au sommet qui sont utilisés pour augmenter l'efficacité et la puissance rayonnée parce que le mât de l'antenne est électriquement court aux basses fréquences, ce qui se traduit par une faible résistance au rayonnement.

Les plans de sol artificiels sont utilisés pour permettre à l'antenne d'être installée au-dessus du sol car la taille du plan de sol nécessaire est plus petite aux fréquences VHF et UHF. Antenne fouet quart d'onde dont le plan de masse est constitué de trois ou quatre longs fils ou tiges quart d'onde qui rayonnent horizontalement ou en diagonale à partir de sa base reliée au côté terre de la ligne d'alimentation. Il s'agit d'un exemple courant d'antenne monopôle à ces fréquences, à monter sur des mâts ou des structures. La surface métallique de la carrosserie d'un avion ou du toit d'une voiture constitue un excellent plan de masse aux fréquences gigahertz. Les antennes de téléphonie cellulaire des voitures sont constituées de courts câbles montés sur le toit, et les antennes de communication des avions sont souvent constituées d'un court conducteur placé dans un carénage aérodynamique qui s'étend à partir du fuselage. C'est ce qu'on appelle une antenne à pales. 

Les antennes monopolaires comprennent également les antennes fouet en caoutchouc et à quart d'onde utilisées avec les radios FM portables et les talkies-walkies. Le côté masse de l'émetteur de ces appareils portables est simplement relié à la connexion de masse de sa carte de circuit imprimé ; l'antenne ne dispose pas d'un plan de masse efficace. La combinaison antenne et masse peut fonctionner davantage comme une antenne dipôle asymétrique que comme un monopôle, car la masse du circuit imprimé est souvent plus petite que celle de l'antenne. Un plan de masse simple pourrait être la main et le corps de la personne qui les tient.

Diagramme de rayonnement d'une antenne monopôle  

Afin d'identifier clairement la fonction et la directivité de l'antenne, le diagramme de rayonnement est une représentation de l'émission ou de la réception du front d'onde de l'antenne qui spécifie sa puissance. Les régions de champ lointain et de champ proche sont affectées lorsque l'antenne émet de la puissance. Pour toute antenne, le diagramme de rayonnement peut être représenté graphiquement en fonction de la distance radiale et de la position angulaire.
En raison de son diagramme de rayonnement omnidirectionnel, l'antenne unipolaire émet de l'électricité dans toutes les directions qui lui sont verticales. En réduisant le rayonnement à zéro au sommet de l'axe de l'antenne, la puissance rayonnée de l'antenne varie en fonction de l'angle d'élévation. Elle émet des ondes radio polarisées verticalement.

La densité de puissance rayonnée à une altitude donnée est directement proportionnelle à la distance radiale de la ligne par rapport à la source, quel que soit l'angle d'élévation. Pour une densité de puissance comparable à celle d'un monopôle quart d'onde et isotrope en décibels, l'axe radial est modifié.

Quelle est la fonction d'une antenne monopôle (applications) ?  

Les antennes monopolaires sont utilisées dans divers contextes, notamment pour les appareils portatifs et les systèmes montés sur des véhicules. Grâce à leur polyvalence et à leurs coûts de production raisonnablement bas, elles constituent une option intéressante pour les fabricants qui souhaitent ajouter des dispositifs de communication sans fil de qualité sans augmenter leur taille de manière significative ou modifier leur apparence.

En termes d'applications, les performances constantes et fiables des antennes unipolaires profitent aux clients, qu'il s'agisse de fournisseurs de services de navigation ou d'utilisateurs de services de smartphones. Leur simplicité fondamentale ne diminue pas leur puissance ; au contraire, elle souligne l'élégance d'un système bien conçu qui fournit une transmission précise de manière constante et efficace.

• Un grand nombre d'industries, notamment la science spatiale, la technologie radar, la recherche biomédicale, etc., utilisent des antennes monopôles.
• Le monopôle est couramment utilisé comme antenne résonante, sa tige agissant comme un résonateur ouvert, en particulier pour les ondes radio, et fluctuant par le biais d'ondes stationnaires de tension et de courant sur toute sa longueur. Par conséquent, la longueur d'onde radio sélectionnée est le seul facteur qui détermine les longueurs d'antenne.
• Les systèmes de communication sans fil utilisent beaucoup ce type d'antenne.
• Pour les applications portables, une antenne monopôle pentagonale à profil bas est construite et utilisée.
• Cette antenne est largement utilisée dans les radios AM/FM portables, les voitures, etc.
• Les applications bi-bande, multi-bande et UWB (ultra-wideband) utilisent toutes des antennes monopôles, qui sont incroyablement efficaces, peu coûteuses et discrètes.

Antenne monopole vs. antenne dipôle  

Bien que les antennes monopolaires et dipolaires soient toutes deux des types résonants, elles diffèrent en termes de conception et d'application :  

• Une antenne unipolaire utilise un seul pôle ou élément conducteur et se compose d'une tige conductrice droite positionnée verticalement sur un plan de sol réel. Une antenne dipôle, en revanche, transmet ou reçoit de l'énergie radioélectrique à l'aide de deux pôles ou éléments conducteurs séparés au centre.
• L'antenne dipôle utilise un plan de masse synthétique constitué par ses éléments radiateurs symétriques, tandis que l'antenne monopôle dépend d'un plan de masse, le conducteur externe d'un câble coaxial faisant office de référence de masse.
• Le diagramme de rayonnement omnidirectionnel d'une antenne unipolaire offre une couverture horizontale cohérente. En revanche, les éléments radiateurs de l'antenne dipôle, qui sont déphasés de 180° par rapport aux conducteurs intérieur et extérieur du câble coaxial, fournissent un diagramme de rayonnement symétrique sur le plan vertical.
• Alors que les antennes monopôles sont disponibles dans un nombre limité de formes et de variétés, les dipôles sont largement utilisés et existent dans une grande variété.

Avantages et inconvénients  

Avantages  

Les antennes monopoles sont l'option préférée pour de nombreuses applications de communication sans fil, car elles offrent un certain nombre d'avantages significatifs par rapport à d'autres types d'antennes. Elles se distinguent par leur facilité d'utilisation, leur prix abordable et leur efficacité dans la transmission et la réception des signaux, ce qui garantit qu'elles sont essentielles au fonctionnement d'une grande variété d'appareils.

• Taille et conception compactes - Ils sont réputés pour leur conception simple. Cette facilité d'utilisation permet de les intégrer plus facilement dans des gadgets tels que la technologie portable, les smartphones et les systèmes de navigation des voitures. Contrairement aux types d'antennes plus complexes, les monopoles peuvent fonctionner efficacement sans nécessiter de grandes surfaces ou des structures complexes. Grâce à leur petite taille, les fabricants sont en mesure de maintenir la portabilité et l'élégance des appareils sans sacrifier la qualité du signal.

• Qualité élevée du signal - En milieu urbain, où les interférences multi-trajets peuvent sérieusement affecter la qualité du signal, les antennes monopolaires sont très efficaces. Grâce à leur capacité naturelle à réduire le bruit et à maintenir un signal fort, elles offrent une connectivité fiable aux utilisateurs qui naviguent dans des environnements urbains difficiles.

• Rentabilité - Contrairement aux antennes plus compliquées, leur conception simple élimine le besoin de matériaux coûteux et de procédures de fabrication fastidieuses. En raison de leur rentabilité, les antennes unipolaires sont un choix souhaitable pour les producteurs qui souhaitent créer des dispositifs de communication sans fil de haute qualité à un prix raisonnable.

• Haute performance - En raison de leurs diagrammes de rayonnement avantageux et de leurs capacités de bande passante, les antennes monopôles sont nettement plus performantes. Elles peuvent envoyer et recevoir efficacement des signaux de satellites avec une perte négligeable, garantissant ainsi des données géographiques fiables et précises.

• Transmission efficace - L'impédance réactive d'une antenne unipolaire est comparativement élevée sur la majeure partie de sa gamme de fréquences. Vous pouvez modifier l'impédance sans sacrifier la sensibilité en plaçant un amplificateur actif avec une impédance d'entrée élevée.

Inconvénients  

• Faible rayonnement - Lorsqu'une antenne unipolaire rayonne de manière égale dans toutes les directions le long du plan horizontal, cela signifie que l'énergie est distribuée de manière uniforme. Par conséquent, l'intensité du signal dans une direction donnée n'est pas très forte, même si cette caractéristique omnidirectionnelle est utile pour les applications nécessitant une couverture étendue.

• Interférences - Les objets métalliques proches et le sol peuvent provoquer des réflexions du signal, qui interfèrent avec le chemin principal du signal. Ces réflexions peuvent entraîner la réception ou l'émission de signaux dans des polarisations inattendues (verticales et horizontales), ce qui risque de dégrader la qualité du signal et de provoquer des interférences par trajets multiples.

• Nécessité d'un plan de masse - Les antennes monopoles nécessitent un plan de masse qui est généralement proportionnel à la longueur d'onde de fonctionnement. Cela peut conduire à des plans de sol volumineux et encombrants pour les basses fréquences, ce qui les rend difficiles à déployer dans des environnements à espace limité ou sur des appareils de petite taille.

• Erreurs d'étalonnage - Il peut être difficile d'étalonner des antennes unipolaires à l'intérieur de chambres blindées car leurs impédances peuvent différer de plusieurs ordres de grandeur. Les mesures prises trop près du plan de masse ou de l'extrémité de l'antenne risquent d'être inexactes.

Applications dans les systèmes de communication  

Pour assurer une connectivité fiable dans le réseau de communication sans fil, les antennes unipolaires sont essentielles. Pour des liaisons de communication fiables, ces antennes sont essentielles car elles peuvent recevoir et envoyer des signaux dans un schéma horizontal de 360 degrés. En milieu urbain, où des obstacles peuvent potentiellement empêcher la circulation des signaux, cette caractéristique est particulièrement utile.

• Les antennes monopoles sont désormais un élément crucial du développement et du fonctionnement des systèmes GNSS/GPS en raison de leur conception simple et de leur prix abordable. En reconnaissant leur fonction essentielle dans la communication sans fil, nous pouvons exploiter le potentiel de nouvelles avancées dans les services de géolocalisation, en augmentant leur fiabilité et leur accessibilité pour les utilisateurs du monde entier.

• Elles sont également utilisées pour diffuser des signaux de télévision par voie hertzienne en raison de leur facilité d'utilisation et de leurs modèles d'émission efficaces. Ces antennes garantissent une transmission fiable des signaux aux foyers et aux entreprises, en particulier dans les zones dépourvues de connectivité par satellite ou par câble.

• Comme les antennes monopoles peuvent transmettre des signaux uniformément dans toutes les directions horizontales, elles sont souvent utilisées dans les tours de transmission AM/FM. Grâce à leur couverture omnidirectionnelle, les émissions radiophoniques peuvent atteindre efficacement de vastes audiences dans les zones urbaines et rurales.

Conclusion  

En conclusion, en raison de leur facilité d'utilisation, de leur efficacité et de leur polyvalence, les antennes unipolaires restent un élément fondamental de la technologie des communications. Leur large éventail d'utilisations, de la radiodiffusion aux réseaux sans fil contemporains, et leur pertinence historique soulignent leur importance dans le développement de la technologie. Leurs avantages les rendent inestimables dans le domaine de la communication, qui connaît une croissance rapide. Cet article permet aux utilisateurs de comprendre ce qu'est une antenne monopôle et ses caractéristiques de conception, tout en comparant ses avantages et ses inconvénients, ainsi que ses applications, afin d'améliorer encore vos solutions technologiques.