Les bases de l'antenne fouet : Ce qu'il faut savoir

Reconnaissables à leur forme élancée de tige/fil, les antennes fouet tirent leur nom distinctif du mouvement flexible qu'elles présentent lorsqu'elles sont frappées. Bien que d'apparence simple, ces antennes sont utilisées dans un large éventail d'applications, des radios portables aux systèmes de communication avancés. Ses racines remontant aux premiers jours de la communication radio, les antennes fouets ont depuis joué un rôle important dans le domaine des communications sans fil.

Cet article vise à explorer les caractéristiques uniques, les types, les cas d'utilisation et les aspects technologiques des antennes fouets qui les distinguent et leur confèrent un rôle indispensable dans le paysage des communications sans fil. En outre, il vise à fournir des indications clés à prendre en compte lors de la sélection et de l'installation d'une antenne fouet afin de garantir ses performances optimales.

Introduction aux antennes fouets

L'antenne fouet a été introduite dans le processus de développement d'un système de communication radio portable pendant la Seconde Guerre mondiale. La nécessité de disposer d'un dispositif de communication fiable et compact a largement contribué à matérialiser la conception actuelle de l'antenne fouet. Ces améliorations ont ensuite conduit à l'adoption généralisée des antennes fouet dans les systèmes portables de radiofréquence (RF) dans les applications civiles de l'après-guerre, révolutionnant ainsi les communications personnelles et commerciales.

Élément fondamental des systèmes de communication RF, l'antenne fouet se compose généralement d'une fine tige/fil flexible dont l'extrémité inférieure est reliée à un émetteur ou à un récepteur. Comme l'antenne est montée verticalement, elle agit comme un signal. rayonnant dans toutes les directions sur un plan horizontal, à l'exception de son angle mort conique.

Principalement utilisé dans haute fréquence (Les antennes fouet sont disponibles en différentes longueurs, les plus courtes étant utilisées avec les radios de poche et les talkies-walkies, tandis que les plus longues sont montées sur les toits et les pylônes radio, servant de support à la radio. antennes de station de base.

Conception et structure de l'antenne fouet

La structure de base d'une antenne fouet est constituée d'un fil ou d'une tige droite et flexible, généralement faite d'un matériau conducteur tel que l'acier ou l'aluminium. Cependant, pour des opérations telles que les radios portables, elle peut également être mise en œuvre sous la forme d'une série de tubes métalliques emboîtés qui peuvent être rétractés lorsqu'ils ne sont pas utilisés.

Les éléments d'une antenne fouet typique sont les suivants,

1.  Noyau conducteur:

Fil solide ou toronné en acier inoxydable, en acier recouvert de cuivre ou en matériaux similaires à l'aluminium.

2.  Gaine protectrice

La gaine flexible en caoutchouc ou en plastique, en plus d'agir comme une surface protectrice, offre :

• Isolation, empêchant tout contact accidentel avec l'élément conducteur.

• Dans certains cas, elle ajoute à la flexibilité de l'antenne.

Toutefois, cette caractéristique est surtout présente dans les antennes fouets fonctionnant dans des conditions défavorables.

3.  Connecteur de base:

Il permet de fixer l'antenne fouet à la radio ou au matériel de montage. Des goujons filetés, des connecteurs BNC ou des connecteurs SMA sont généralement utilisés en fonction de l'application.

4.  Bobine de chargement:

Les antennes fouets conçues pour des applications compactes intègrent une bobine de chargement près de leur base. Cette bobine augmente la longueur électrique effective de l'antenne sans en augmenter la taille physique.

La longueur de l'antenne est une autre contrainte importante dans la conception d'une antenne fouet. La longueur de l'antenne correspond à la longueur d'onde de sa gamme de fréquences opérationnelles. Les antennes les plus longues sont utilisées pour les basses fréquences (telles que HF et VHF) et les plus courtes pour les hautes fréquences. La longueur varie entre 1/10 de longueur d'onde et 5/8 de longueur d'onde, la longueur la plus courante étant 1/4 de longueur d'onde.

Cependant, certaines antennes fouet de courte longueur utilisent des techniques telles que les bobines de chargement ou les chapeaux capacitifs pour augmenter leur longueur électrique sans ajouter à leur longueur physique pour des raisons pratiques.

Le type de matériau utilisé dans une antenne fouet affecte la conductivité, le poids et la résistance à la corrosion de l'antenne, contribuant ainsi à sa performance et à sa durabilité. Parmi les types de matériaux couramment utilisés, on peut citer

• Acier:

L'acier offre une excellente combinaison de résistance et de durabilité, ce qui en fait un choix résistant.

• Aluminium:

La combinaison d'une bonne conductivité et d'un poids léger en fait un choix populaire pour les appareils portables.

• Fibre de verre:

Comme il offre une combinaison de solidité, de flexibilité et de résistance aux intempéries, il est plus souvent utilisé pour les fouets plus longs, montés sur des véhicules et des structures.

Types d'antennes fouet

Antenne fouet monopolaire

Il s'agit du type d'antenne fouet le plus simple et le plus répandu. Elle se compose d'un seul conducteur droit monté perpendiculairement à un plan de masse (la carrosserie métallique d'un véhicule ou un système de fil de contrepoids qui agit comme la seconde moitié du système d'antenne). La popularité de ce type d'antenne est due à son :

• Conception simple et rentable
• Longueur typique d'un quart de longueur d'onde
• Diagramme de rayonnement omnidirectionnel dans le plan horizontal

Les antennes fouets monopolaires sont particulièrement efficaces pour les applications telles que les autoradios, les émetteurs-récepteurs portatifs et les stations de base qui nécessitent une large zone de couverture et où la taille n'est pas une contrainte importante.

Antenne pour canard en caoutchouc

Il s'agit d'une version raccourcie et flexible de l'antenne fouet monopole. Spécialement conçue pour la portabilité et la durabilité, ses caractéristiques notables sont les suivantes :

• Taille compacte, généralement beaucoup plus courte qu'un quart de longueur d'onde
• Enveloppé dans une gaine en caoutchouc ou en plastique pour la protection et la flexibilité
• Une bobine de chargement est incorporée pour compenser la longueur réduite.

Si les antennes canard en caoutchouc sont excellentes en termes de portabilité et de robustesse, elles présentent un compromis entre leur efficacité et leur taille compacte. Toutefois, pour de nombreuses applications portables telles que les appareils portatifs comme les talkies-walkies, les radios portables et certains routeurs Wi-Fi, ce compromis est acceptable étant donné l'amélioration significative de la facilité d'utilisation et de la durabilité.

Antenne fouet à ressort

Les antennes fouet à ressort sont spécialement conçues pour fonctionner dans des environnements où elles risquent d'être soumises à des contraintes physiques ou à des impacts. Sa caractéristique principale, la base flexible du ressort, permet à l'antenne de se plier et de revenir à sa position d'origine, ce qui lui permet de maintenir des performances constantes dans des environnements difficiles où une antenne rigide pourrait tomber en panne ou se désaligner fréquemment.

L'antenne fouet à ressort est couramment utilisée dans les applications montées sur véhicule, en particulier pour les véhicules tout-terrain et les engins de chantier qui nécessitent une grande durabilité et une résistance aux dommages causés par les collisions ou les obstacles bas.

Antenne fouet montée sur véhicule

Ce type d'antenne fouet est spécialement conçu en fonction de l'aérodynamisme associé, de la résistance au vent et aux intempéries et de la facilité d'assemblage avec les automobiles, les camions et d'autres véhicules. Leurs caractéristiques uniques sont les suivantes :

• Une variété d'options de montage telles que les montages magnétiques, les montages à travers les trous et les montages à clipser.
• Mécanismes de basculement ou de repli pour le dégagement dans les zones de faible hauteur

Souvent plus longues que les antennes portables, ce qui permet d'obtenir de meilleures performances à des fréquences plus basses, ces antennes sont principalement utilisées pour les radios CB, les radios amateurs et les systèmes de communication de flotte.

Antenne fouet télescopique

Ces antennes sont dotées d'une série de tubes qui s'emboîtent les uns dans les autres, ce qui permet d'ajuster leur longueur et de les utiliser pour des opérations multi-bandes. Leurs caractéristiques notables sont les suivantes :

• Possibilité d'extension ou de rétraction à différentes longueurs
• Compacité qui les rend idéales pour le stockage ou le transport

La nature réglable des antennes télescopiques permet aux utilisateurs de manipuler leur longueur pour une gamme de fréquences, ce qui les rend particulièrement utiles pour les récepteurs portables à ondes courtes, les radios scanners et les antennes de télévision qui fonctionnent sur une large gamme de fréquences.

Antenne fouet stubby

Les antennes fouet stubby sont les versions ultra-compactes des antennes fouet, ce qui en fait un candidat idéal pour les applications critiques en termes de taille. Elles se caractérisent par leur :

• Longueur extrêmement courte
• Inductance fortement chargée qui compense sa faible longueur

Principalement utilisées pour les applications UHF et les fréquences supérieures, ces antennes fouets sont le plus souvent utilisées dans les téléphones intelligents modernes, les appareils Bluetooth et certains équipements radio tactiques.

Bien que les antennes stubby offrent une compacité inégalée, elles ont l'efficacité la plus faible parmi les types d'antennes fouet. Toutefois, cet inconvénient est compensé par la réduction significative de la taille qu'elles apportent dans de nombreuses applications électroniques grand public à haute fréquence.

Gamme de fréquences et applications

Radios CB (26.965 - 27.405 MHz)

La radio à bande publique (CB) est l'une des applications les plus connues des antennes fouets. Fonctionnant dans la gamme de croisement HF/VHF, les radios CB sont largement utilisées dans :

• L'industrie du camionnage pour la communication entre les conducteurs
• Les amateurs de tout-terrain pour coordonner les activités
• Communication d'urgence lors de catastrophes naturelles
• Opérations commerciales locales pour une coordination à court terme de l'équipe

Les antennes fouet CB sont généralement plus longues en raison de la gamme de fréquences plus basse, souvent autour de 102 pouces (2,6 mètres) pour les antennes à quart d'onde complet. Cependant, des antennes plus courtes et chargées sont également courantes pour un montage plus pratique sur le véhicule.

Bande VHF (30 - 300 MHz)

Les antennes fouets ont un large éventail d'applications dans la bande des très hautes fréquences (VHF). En voici quelques-unes

• VHF marine (156 - 174 MHz) : Utilisée pour les communications de navire à navire et de navire à terre.
• Radiodiffusion FM (88 - 108 MHz) : Même si elles ne sont pas utilisées pour la transmission, de nombreuses radios FM portables utilisent des antennes fouet pour la réception.
• Services d'urgence : Les services de police, d'incendie et d'ambulance utilisent souvent les bandes VHF avec des antennes fouets montées sur les véhicules

Bien que les antennes fouets fonctionnant dans la gamme VHF soient généralement plus courtes que les antennes CB, elles sont encore suffisamment longues pour être visibles sur les véhicules ou les appareils portatifs.

Bande UHF (300 MHz - 3 GHz)

Les antennes fouets sont également mises en œuvre dans la bande des ultra-hautes fréquences (UHF) où fonctionnent de nombreuses technologies sans fil modernes. Voici quelques-uns des cas d'utilisation :

• Réseaux cellulaires (700 MHz - 2,6 GHz) : Les téléphones mobiles utilisent souvent des antennes internes de type fouet.
• Wi-Fi (2.4 GHz et 5 GHz) : De petites antennes fouets sont utilisées dans de nombreux routeurs et appareils compatibles Wi-Fi.
• GPS (1.57542 GHz) : Pour les récepteurs GPS dans les véhicules ou les équipements extérieurs.
• Télédiffusion en UHF (470 - 890 MHz) : Même s'ils ne sont pas utilisés pour la transmission, de nombreux téléviseurs portables utilisent des antennes fouets télescopiques pour la réception.

Les antennes fouet UHF sont généralement beaucoup plus courtes que les antennes fouet VHF, souvent de quelques centimètres de long, ce qui les rend idéales pour la fabrication d'appareils compacts.

IoT et réseaux de capteurs sans fil

L'internet des objets (IoT) et les réseaux de capteurs sans fil s'appuient sur des antennes efficaces et compactes pour permettre une connectivité transparente. Fonctionnant principalement dans les bandes UHF et HF, ces technologies utilisent souvent des antennes fouets en raison de l'efficacité, de la taille et de la rentabilité qu'elles offrent. Les cas d'utilisation les plus courants sont les suivants

• LoRaWAN : Fonctionnant à des fréquences telles que 433 MHz, 868 MHz et 915 MHz (en fonction de la région), LoRaWAN utilise de petites antennes fouets pour assurer une communication à longue portée et à faible consommation d'énergie.
• Zigbee et Bluetooth : Fonctionnant généralement dans la bande ISM 2,4 GHz, ces protocoles bénéficient d'antennes fouets lorsqu'ils sont utilisés dans des appareils compacts et robustes pour les communications à courte portée.
• NB-IoT et LTE-M : Les solutions IoT cellulaires, fonctionnant dans des bandes cellulaires sous licence, utilisent souvent des antennes fouets pour maintenir des connexions fiables avec une consommation d'énergie minimale.

Applications spécialisées

Les antennes fouet sont également utilisées dans des domaines très spécialisés :

• Communications militaires : Les radios tactiques utilisent des antennes fouets robustes conçues pour fonctionner sur une large gamme de bandes de fréquences, garantissant ainsi des communications fiables et robustes.
• Aérospatiale : Les systèmes de communication des aéronefs utilisent des antennes fouets pour leur conception aérodynamique, afin d'assurer une transmission efficace des données en dépit des perturbations de l'air et du vent.
• Stations météorologiques : Les systèmes de surveillance météorologique à distance dépendent souvent d'antennes fouet pour la transmission de données environnementales sur de longues distances.

Avantages des antennes fouets

Les antennes fouet offrent plusieurs avantages qui les rendent populaires dans une large gamme d'applications.

Simplicité et rentabilité :

• Leur conception simple les rend faciles à fabriquer.
• Relativement peu coûteux par rapport à d'autres types d'antennes.

Rayonnement omnidirectionnel :

• Idéal pour les applications mobiles où les changements d'orientation sont fréquents.
• Efficace pour la diffusion et la réception dans plusieurs directions.

Durabilité et résistance aux intempéries :

• Leur structure simple les rend résistants aux facteurs environnementaux.
• Peut être facilement protégé des intempéries par des revêtements ou des gaines de protection.
• Les versions montées sur ressorts offrent une excellente résistance aux contraintes physiques.

Faible impact visuel:

• Leur profil élancé les rend moins visibles que beaucoup d'autres types d'antennes.
• Peut être facilement dissimulé ou intégré dans des structures existantes.

Portabilité:

• Légers et faciles à transporter, en particulier les versions télescopiques.
• Idéal pour les opérations sur le terrain et les systèmes de communication mobiles.

Inconvénients des antennes fouets

Bien que les antennes fouets offrent un nombre considérable d'avantages, elles présentent également certaines limitations, telles que

Gain limité: Le diagramme de rayonnement omnidirectionnel de l'antenne fouet se traduit par un gain réduit par rapport aux antennes directionnelles, ce qui la rend moins adaptée aux communications point à point à longue portée.

Sensibilité au bruit: Comme l'antenne peut capter des interférences dans toutes les directions, elle nécessite un filtrage supplémentaire pour les environnements RF bruyants.

Contraintes de longueur: Les applications à basse fréquence nécessitent des antennes fouets plus longues, ce qui n'est pas toujours pratique. De même, les antennes fouets raccourcies compromettent l'efficacité par rapport à la taille.

Dépendance à l'égard de l'avion au sol: Les performances de l'antenne dépendent fortement d'un plan de masse adéquat. Une mauvaise mise à la terre peut donc conduire à un fonctionnement inefficace et inadéquat.

Capacité de charge limitée: Son profil mince peut limiter la capacité de traitement de la puissance, ce qui le rend inadapté aux applications de transmission à haute puissance.

Antenne fouet vs. antenne dipôle

Les antennes fouet et les antennes dipôles font partie des types d'antennes les plus utilisés. Leurs différences de structure, de taille et de fonctionnalités opérationnelles les rendent applicables à différents cas d'utilisation. Voici une comparaison des principales caractéristiques soulignant leurs distinctions.

Caractéristique	Antenne fouet	Antenne dipôle
Structure	Élément unique avec plan de masse	Deux éléments symétriques
Taille	Généralement d'une longueur d'un quart d'onde	Généralement demi-longueur d'onde
Plan de masse	Nécessite un plan de masse	Ne nécessite pas de plan de masse
Schéma de rayonnement	Omnidirectionnel en azimut (plan horizontal)	Modèle en huit en azimut
Impédance	Typiquement 30-50 ohms (avec plan de masse)	Près de 70 ohms
Applications	Communications mobiles, appareils portables	Installations fixes, applications à large bande
Facilité d'installation	Généralement plus facile à installer, en particulier dans les applications mobiles	Nécessite plus d'espace et souvent des structures de soutien

Antenne fouet vs. antenne stubby 

Les antennes stubby étant une alternative compacte aux antennes fouet conventionnelles, elles offrent des avantages uniques lorsque la taille et la durabilité sont une priorité. Par conséquent, même s'il existe des similitudes entre les deux types d'antennes, il existe des variations dues à leurs différences de conception. Vous trouverez ci-dessous une comparaison entre les antennes fouet et les antennes stubby soulignant leur caractère unique.

Caractéristique	Antenne fouet	Antenne stubby
Taille	La fourchette va de quelques centimètres à plusieurs pieds	Généralement, ils ne mesurent que quelques centimètres de long
Gamme de fréquences:	Peut être conçu pour une large gamme de fréquences	Généralement utilisé pour les hautes fréquences (UHF et plus)
Efficacité	Généralement plus efficace, surtout aux basses fréquences	Moins efficace en raison de sa longueur électriquement courte
Largeur de bande:	La bande passante est souvent plus large	Largeur de bande généralement plus étroite
Applications:	Polyvalent, utilisé dans diverses applications	Principalement utilisés lorsque la compacité est cruciale (par exemple, appareils portatifs)
Durabilité:	Peut être plus sensible aux dommages physiques en raison de sa longueur	Généralement plus robuste en raison de sa taille compacte
Esthétique:	Plus visible et peut affecter l'esthétique de l'appareil	Moins gênant, plus adapté aux appareils aux lignes épurées

Une antenne fouet a-t-elle besoin d'un plan de masse ?

Une antenne fouet a besoin d'un plan de masse pour fonctionner à plein régime. Les principales exigences qui requièrent un plan de masse sont les suivantes :

• Équilibre électrique :

Comme une antenne fouet est plus ou moins la moitié d'une antenne dipôle, le plan de masse agit comme sa "moitié manquante". Cela crée une image miroir efficace de l'antenne qui maintient l'équilibre électrique et un fonctionnement efficace.

• Modèle de rayonnement :

Un plan de sol approprié garantit un schéma de rayonnement omnidirectionnel dans le plan horizontal sans distorsion, ce qui peut entraîner une force de signal inégale et une couverture réduite.

• Adaptation de l'impédance :

Le plan de masse aide l'antenne fouet à atteindre l'impédance d'entrée correcte, garantissant un transfert de puissance efficace qui, autrement, pourrait entraîner une perte de signal et une réduction des performances de l'antenne.

Les types de plans de sol associés aux antennes fouets peuvent être classés en plans de sol naturels et artificiels.

Les plans de sol naturels comprennent les carrosseries de véhicules, les toits métalliques et parfois la Terre elle-même lorsqu'elle est utilisée comme surface réfléchissante.

Les plans de masse artificiels sont principalement des fils radiaux, des disques métalliques ou d'autres surfaces conductrices qui créent un plan de masse efficace dans les installations fixes.

En l'absence d'un plan de masse conventionnel, les alternatives suivantes peuvent être utilisées comme plan de masse efficace,

• Fils de contrepoids :

Fils radiaux disposés autour de la base de l'antenne, fournissant un substitut de plan de masse fonctionnel.

• Chargement des bobines :

Les bobines d'inductance allongent électriquement l'antenne, ce qui permet de compenser l'absence de plan de masse, mais cela entraîne une légère réduction des performances de l'antenne.

• Antennes de type "No-Ground-Plane" (NGP) :

Il s'agit d'antennes spécialement conçues pour minimiser la dépendance à l'égard du plan de masse.

Un plan de masse bien établi garantit les performances optimales de l'antenne fouet. Il est donc essentiel de comprendre son importance et les alternatives disponibles pour garantir une communication fiable et efficace dans diverses applications.

Installation et montage

Une antenne fouet correctement installée garantit un fonctionnement optimal pendant une période prolongée. Vous trouverez ci-dessous plusieurs considérations à prendre en compte lors de l'installation et du montage d'une antenne fouet.

1. Emplacement

• Un site avec un minimum d'obstacles physiques permet une meilleure propagation du signal.
• Il convient également de noter que le fait de placer l'antenne à proximité d'autres antennes, de lignes électriques ou de grands objets métalliques peut provoquer des perturbations RF.

2. Méthodes de montage

• Supports magnétiques : Il s'agit de types de montage rapides et portables, qui conviennent à des installations temporaires, mais qui sont moins fiables à grande vitesse ou dans des conditions difficiles.
• Supports permanents : Ces supports nécessitent un perçage de la surface de montage, ce qui en fait une option stable pour une utilisation à long terme.
• Supports à clipser : Particulièrement utiles pour les installations temporaires, ces supports peuvent être facilement fixés sans aucune modification de la surface de montage.

3. Considérations relatives au plan de masse

• Assurer un excellent contact électrique entre l'antenne et le plan de masse.
• Pour les installations sur des surfaces non métalliques, il convient d'utiliser des plans de masse artificiels tels que des plaques métalliques ou des fils radiaux pour imiter l'effet de mise à la terre.

4. Acheminement des câbles

• Utilisez un câble coaxial de haute qualité et à faible perte pour minimiser la perte de signal.
• Veillez à ce que les câbles soient aussi courts que possible et évitez les courbes trop prononcées qui pourraient dégrader le signal.

6. Considérations relatives à la sécurité

• Évitez l'installation à proximité de lignes électriques aériennes ou d'obstacles suspendus, en particulier pour les antennes de grande taille.
• Veillez à ce que l'antenne soit solidement fixée afin d'éviter qu'elle ne se détache en cas de déplacement ou de conditions météorologiques défavorables.

7. Mise au point et essais

• Après l'installation, utilisez un appareil de mesure du ROS (rapport d'ondes stationnaires) pour mesurer les performances de l'antenne et ajustez la longueur ou la position de l'antenne si nécessaire pour obtenir des valeurs de ROS optimales et un fonctionnement efficace.

Conclusion

Dans le paysage dynamique des communications sans fil, les antennes fouets jouent un rôle important, offrant des solutions polyvalentes pour un large éventail d'applications. Malgré leur conception simple et élancée, ces antennes s'imposent comme des composants indispensables, grâce à leur adaptabilité, leur rentabilité et leur facilité d'entretien, ce qui les rend indispensables dans les systèmes de communication modernes. Leur capacité à fonctionner dans des environnements et des gammes de fréquences diversifiés souligne encore leur importance pratique.

Malgré certaines limitations, telles que leur dépendance à un plan de masse et les contraintes de gain, les antennes fouet continuent de prouver leur pertinence. Leur fiabilité, leur simplicité et leur flexibilité inégalées garantissent une connectivité transparente des appareils et favorisent l'innovation dans d'innombrables applications, des systèmes radio traditionnels aux technologies IoT émergentes, consolidant ainsi leur place dans le monde en constante évolution de la technologie sans fil.