Du courant HF à l’onde radio

Lorsqu’un radioamateur appuie sur le PTT, l’émetteur produit quelques watts, parfois quelques dizaines ou centaines de watts de haute fréquence. Cette énergie traverse le câble coaxial, arrive à l’antenne… et quelques instants plus tard, le signal peut être reçu à plusieurs centaines ou plusieurs milliers de kilomètres.

Mais que se passe-t-il réellement dans l’antenne ?

Comment une tension et un courant circulant dans un morceau de cuivre peuvent-ils donner naissance à une onde électromagnétique capable de traverser l’espace ?

On entend parfois des explications très simplifiées : les électrons seraient « projetés » par l’antenne, l’onde serait créée à son extrémité ou encore l’antenne « lancerait » la HF dans l’air.

La réalité est différente et surtout beaucoup plus intéressante.

Dans cet article, nous allons suivre le chemin de l’énergie depuis l’émetteur jusqu’à l’espace, sans entrer dans les équations complexes de Maxwell. Nous verrons que le rayonnement d’une antenne est intimement lié à la circulation du courant HF, à la distribution des tensions et des courants le long du conducteur et à la création de champs électrique et magnétique variables.

1. L’antenne est un convertisseur d’énergie

Pour commencer, oublions quelques instants les notions de dipôle, de Yagi ou de verticale.

Une antenne peut être considérée comme un dispositif de conversion d’énergie.

En émission, elle transforme une partie de l’énergie électrique haute fréquence provenant de l’émetteur en énergie électromagnétique rayonnée dans l’espace.

Le chemin peut être résumé ainsi :

Émetteur → ligne de transmission → antenne → onde électromagnétique

En réception, le phénomène est réciproque :

Onde électromagnétique → antenne → ligne de transmission → récepteur

Une même antenne peut donc généralement être utilisée aussi bien pour émettre que pour recevoir.

Cette propriété est appelée réciprocité.

2. Que fournit réellement l’émetteur ?

Prenons l’exemple d’une station émettant sur :

14,2 MHz

La fréquence signifie que les grandeurs électriques associées au signal varient périodiquement à raison de :

14 200 000 cycles par seconde.

La période correspondante vaut :

$T=\frac{1}{f}$

À 14,2 MHz :

$T=\frac{1}{14,200,000}$

soit environ :

$T \approx 70,4\ ns$

Une période complète ne dure donc qu’environ 70 nanosecondes.

Contrairement au courant continu d’une batterie, le courant HF change constamment d’amplitude et de sens.

Dans l’antenne, les charges électriques sont donc soumises à un mouvement alternatif extrêmement rapide.

Et c’est précisément cette variation qui est à l’origine du phénomène de rayonnement.

3. Un courant électrique crée un champ magnétique

Ce phénomène n’est pas propre aux antennes.

Dès qu’un courant circule dans un conducteur, il apparaît autour de celui-ci un champ magnétique.

On le représente généralement par la lettre :

Si le courant est continu et stable, le champ magnétique est lui aussi stable.

Mais dans notre antenne, le courant est alternatif et sa fréquence peut atteindre plusieurs millions, voire plusieurs milliards de hertz.

Le champ magnétique varie donc lui aussi constamment.

Lorsque le courant augmente, diminue puis change de sens, le champ magnétique évolue avec lui.

4. Une tension électrique crée également un champ électrique

Il existe parallèlement un second phénomène.

Une différence de potentiel électrique produit un champ électrique, généralement représenté par la lettre :

Notre antenne possède donc simultanément :

un champ électrique E ;
un champ magnétique H.

Comme la tension et le courant HF varient continuellement, ces deux champs varient eux aussi.

Nous commençons alors à nous rapprocher de ce qu’est réellement une onde radio.

5. Du champ électromagnétique à l’onde radio

Les champs électrique et magnétique variables sont intimement liés.

Dans la zone éloignée de l’antenne, ils constituent une onde électromagnétique capable de se propager dans l’espace.

Dans une représentation simplifiée du champ lointain :

le champ électrique E est perpendiculaire à la direction de propagation ;
le champ magnétique H est perpendiculaire au champ E ;
E et H sont donc également perpendiculaires entre eux.

Nous obtenons ainsi trois directions orthogonales :

champ électrique ↔ champ magnétique ↔ propagation

Dans le vide, cette onde se déplace à la vitesse de la lumière :

$c \approx 299,792,458\ m/s$

que l’on arrondit généralement à :

$c \approx 300,000,000\ m/s$

soit environ 300 000 km/s.

6. Les électrons ne partent pas vers le correspondant

C’est une idée fausse particulièrement répandue.

Lorsqu’une antenne émet, les électrons contenus dans le cuivre ne quittent pas l’antenne pour parcourir des centaines de kilomètres jusqu’au récepteur.

Ils participent à un mouvement alternatif local dans le conducteur.

Ce qui se propage à grande distance est l’énergie portée par le champ électromagnétique, et non une circulation d’électrons allant de l’émetteur au récepteur.

Une analogie imparfaite mais utile est celle d’une vague à la surface de l’eau.

Lorsqu’une vague traverse un bassin, les molécules d’eau ne parcourent pas nécessairement toute la longueur du bassin avec elle. Elles effectuent principalement des mouvements locaux tandis que la perturbation se propage.

Avec une antenne, le principe est différent physiquement, mais l’analogie permet de comprendre qu’il faut distinguer le déplacement local des charges de la propagation de l’énergie électromagnétique.

7. Prenons maintenant un dipôle demi-onde

Le dipôle est particulièrement intéressant pour comprendre le rayonnement.

Il est constitué de deux conducteurs alimentés en leur centre.

Sa longueur totale est approximativement égale à une demi-longueur d’onde :

$L \approx \frac{\lambda}{2}$

avec :

$\lambda=\frac{c}{f}$

À 14,2 MHz :

$\lambda=\frac{300}{14,2}$

soit environ :

$\lambda \approx 21,13\ m$

Une demi-longueur d’onde théorique représente donc :

$\frac{21,13}{2}\approx10,56\ m$

Dans la pratique, le dipôle résonannt sera généralement un peu plus court en raison de différents phénomènes : diamètre du conducteur, environnement, proximité du sol, isolation du fil, effets d’extrémité, etc.

On rencontre ainsi fréquemment la formule pratique :

$L(m)\approx\frac{143}{f(MHz)}$

Pour 14,2 MHz :

$L\approx\frac{143}{14,2}\approx10,07\ m$

soit environ 5,03 m par brin comme point de départ avant réglage.

8. Le courant n’est pas identique partout sur le dipôle

C’est un point essentiel pour comprendre le rayonnement.

Sur un dipôle demi-onde résonant, la distribution du courant n’est pas uniforme.

De manière simplifiée :

au centre du dipôle :

courant maximal ;
tension relativement faible.

aux extrémités :

courant proche de zéro ;
tension élevée.

On peut représenter cela ainsi :

La distribution réelle est continue le long des conducteurs.

C’est cette distribution des courants, ainsi que leurs phases respectives, qui joue un rôle fondamental dans la formation du diagramme de rayonnement.

9. Toute l’antenne participe au rayonnement

Une autre représentation simpliste consiste à imaginer que l’onde radio serait principalement « fabriquée » à l’extrémité du fil parce que le courant ne pourrait plus continuer son chemin.

Ce n’est pas une bonne description.

Les différentes portions du conducteur parcourues par un courant HF variable contribuent au champ électromagnétique total.

On peut imaginer le dipôle comme constitué d’une multitude de très petits éléments rayonnants.

Chacun produit une contribution électromagnétique possédant :

une amplitude ;
une phase ;
une direction.

À distance de l’antenne, toutes ces contributions se combinent.

Dans certaines directions, elles s’additionnent fortement.

Dans d’autres, elles s’annulent partiellement ou presque totalement.

C’est ainsi qu’apparaît le diagramme de rayonnement de l’antenne.

10. Pourquoi un dipôle ne rayonne-t-il pas pareil dans toutes les directions ?

Un dipôle demi-onde isolé dans l’espace ne rayonne pas uniformément dans toutes les directions.

Son rayonnement est maximal approximativement perpendiculairement à son axe et minimal dans l’axe du dipôle.

Si le dipôle est horizontal :

Diagramme rayonnement

En trois dimensions, son diagramme théorique ressemble approximativement à un tore, autrement dit à un beignet entourant le conducteur.

Dans une installation réelle, le sol, la hauteur, les bâtiments, les mâts et les autres conducteurs viennent évidemment modifier ce diagramme.

11. Alors, qu’est-ce que le gain d’une antenne ?

Une antenne passive ne fabrique pas d’énergie supplémentaire.

Une Yagi présentant par exemple un gain de plusieurs dB ne transforme pas magiquement 100 W en 200 ou 300 W de puissance réelle fournie par l’émetteur.

Elle redistribue l’énergie rayonnée dans l’espace.

En concentrant davantage le rayonnement dans certaines directions, on obtient un signal plus important dans celles-ci, au prix d’un rayonnement plus faible dans d’autres directions.

C’est comparable, avec les limites de l’analogie, à une ampoule et un réflecteur.

L’ampoule seule éclaire dans de nombreuses directions.

Placée devant un réflecteur adapté, une plus grande partie de la lumière peut être dirigée vers une zone précise sans que l’ampoule produise nécessairement davantage de puissance.

Une antenne directive exploite un principe comparable de redistribution spatiale de l’énergie.

12. Le cas de la Yagi

Une antenne Yagi comporte généralement :

un élément alimenté ;
un réflecteur ;
un ou plusieurs directeurs.

Seul l’élément actif est directement raccordé à la ligne de transmission.

Les autres éléments sont appelés parasites.

Pourtant, ils jouent un rôle déterminant.

Le champ produit par l’élément alimenté induit des courants dans ces éléments parasites. Ceux-ci produisent à leur tour leurs propres champs électromagnétiques.

Selon leur longueur et leur position, ces champs possèdent des amplitudes et des phases particulières.

Dans la direction souhaitée, les différentes contributions s’additionnent favorablement.

Dans la direction arrière, elles tendent davantage à s’annuler.

On obtient ainsi :

plus de rayonnement vers l’avant et moins vers l’arrière.

Voilà l’origine de la directivité et du gain d’une Yagi.

13. Champ proche et champ lointain

Autour d’une antenne, le champ électromagnétique n’a pas partout les mêmes propriétés.

On distingue notamment le champ proche et le champ lointain.

Le champ proche

À proximité de l’antenne, les relations entre E et H sont complexes.

Une partie de l’énergie est temporairement stockée dans les champs électriques et magnétiques puis peut être restituée à l’antenne.

Cette zone est particulièrement sensible à l’environnement.

Un objet métallique placé à proximité peut donc modifier :

la fréquence de résonance ;
l’impédance ;
le diagramme de rayonnement ;
le ROS mesuré.

C’est notamment pour cette raison qu’une antenne réglée à faible hauteur peut changer de comportement une fois installée définitivement.

Le champ lointain

À une distance suffisante, le comportement devient celui d’une onde électromagnétique rayonnée.

Les champs E et H y sont liés de manière beaucoup plus simple et l’énergie se propage essentiellement vers l’extérieur.

C’est généralement cette zone qui nous intéresse lorsque nous parlons d’un signal radio reçu à plusieurs kilomètres.

14. Quelle est la relation entre puissance et champ électrique ?

À grande distance d’une antenne, l’énergie se répartit sur une surface de plus en plus grande.

Pour une source isotrope idéale rayonnant une puissance (P), la densité de puissance à une distance (r) serait :

$S=\frac{P}{4\pi r^2}$

avec :

(S) : densité de puissance en W/m² ;
(P) : puissance rayonnée en watts ;
(r) : distance en mètres.

Cette relation montre une propriété fondamentale :

la densité de puissance diminue avec le carré de la distance.

Si la distance double, la même énergie doit se répartir sur une surface quatre fois plus importante.

Une antenne réelle n’étant généralement pas isotrope, on tient également compte de son gain :

$S=\frac{P,G}{4\pi r^2}$

dans la direction considérée.

15. Une antenne doit-elle obligatoirement faire λ/2 pour rayonner ?

Non.

Une antenne n’a absolument pas besoin de mesurer une demi-longueur d’onde pour rayonner.

Il existe des antennes :

quart d’onde ;
5/8 d’onde ;
boucles ;
antennes raccourcies ;
antennes hélicoïdales ;
patchs ;
antennes chargées par bobines ;
antennes beaucoup plus longues qu’une longueur d’onde.

Elles peuvent toutes rayonner.

La longueur influence cependant fortement :

l’impédance ;
la distribution des courants ;
la réactance ;
le rendement ;
le diagramme de rayonnement.

Une antenne très courte devant la longueur d’onde peut ainsi rayonner, mais son adaptation et surtout son rendement peuvent devenir problématiques.

16. Et les fameux 50 Ω ?

Nous arrivons à une confusion particulièrement fréquente.

Une antenne n’a pas besoin de présenter 50 Ω pour rayonner.

Les 50 Ω constituent avant tout une valeur standard très répandue dans les systèmes radiofréquences.

Un dipôle demi-onde idéal isolé dans l’espace présente par exemple une résistance au point d’alimentation d’environ 73 Ω.

Selon sa hauteur et son environnement, cette valeur peut changer sensiblement.

D’autres antennes peuvent présenter :

25 Ω ;
35 Ω ;
100 Ω ;
plusieurs centaines d’ohms ;
voire plusieurs milliers d’ohms.

Elles peuvent néanmoins parfaitement rayonner.

Les systèmes d’adaptation — baluns, Unun, réseaux LC, transformateurs quart d’onde, etc. — servent notamment à permettre un transfert convenable de l’énergie entre des impédances différentes.

17. Un ROS de 1:1 signifie-t-il que l’antenne rayonne parfaitement ?

Non, et c’est une distinction fondamentale.

Un ROS de :

$1:1$

indique une excellente adaptation à l’endroit où la mesure est effectuée.

Mais il ne mesure pas directement le rendement de rayonnement de l’antenne.

Prenons un exemple extrême : une charge fictive de 50 Ω.

Elle peut présenter un ROS pratiquement parfait.

Pourtant, elle est précisément conçue pour transformer presque toute la puissance HF en chaleur plutôt que pour la rayonner.

Nous pouvons donc avoir :

excellent ROS ≠ excellente antenne

Inversement, une antenne présentant un ROS légèrement supérieur à 1:1 peut parfaitement réaliser d’excellentes liaisons.

Le ROS est une information importante, mais ce n’est qu’une partie du problème.

18. Résistance de rayonnement et pertes

Lorsqu’on étudie l’impédance d’une antenne résonante, il est utile de distinguer deux phénomènes.

Une partie de la puissance est transformée en onde électromagnétique : elle peut être représentée par la résistance de rayonnement (R_r).

Une autre partie est perdue sous forme de chaleur dans :

les conducteurs ;
les bobines ;
les connexions ;
le sol ;
certains matériaux environnants.

On peut représenter simplement la partie résistive de l’antenne par :

$R=R_r+R_p$

où :

(R_r) est la résistance de rayonnement ;
(R_p) représente les résistances de pertes.

Le rendement peut alors être approximativement exprimé par :

$\eta=\frac{R_r}{R_r+R_p}$

Prenons une antenne présentant :

$R_r=45\ \Omega$

et :

$R_p=5\ \Omega$

Son impédance résistive totale est de 50 Ω et son rendement vaut :

$\eta=\frac{45}{45+5}=0,90$

soit :

90 %

Mais imaginons maintenant :

$R_r=5\ \Omega$

et :

$R_p=45\ \Omega$

L’antenne présente toujours 50 Ω !

Pourtant :

$\eta=\frac{5}{50}=0,10$

soit seulement :

10 % de rendement.

Voilà une excellente démonstration du fait qu’une impédance de 50 Ω et un bon ROS ne suffisent pas à prouver qu’une antenne est efficace.

19. Pourquoi la hauteur et l’environnement changent-ils le rayonnement ?

Une antenne ne fonctionne presque jamais seule dans un espace parfaitement vide.

Dans la réalité, elle est entourée :

du sol ;
du toit ;
d’un pylône ;
de haubans ;
de gouttières ;
de bâtiments ;
d’arbres ;
d’autres antennes.

Tous ces éléments peuvent interagir avec les champs produits par l’antenne.

Le sol est particulièrement important.

Une partie du rayonnement peut atteindre le sol puis être réfléchie. L’onde réfléchie se combine alors avec l’onde directe.

Selon la hauteur de l’antenne et la direction considérée, les deux contributions peuvent :

s’additionner ;
s’annuler partiellement.

Cela modifie fortement le diagramme vertical et donc l’angle de départ du signal.

En HF, cet angle peut avoir une influence considérable sur les communications via l’ionosphère.

20. La polarisation vient également du champ électrique

Lorsque nous disons qu’une antenne est polarisée horizontalement ou verticalement, nous faisons généralement référence à l’orientation du champ électrique E de l’onde rayonnée.

Un dipôle horizontal produit principalement une polarisation horizontale.

Une verticale quart d’onde produit principalement une polarisation verticale.

En espace libre, pour recevoir efficacement une onde polarisée horizontalement, on utilise normalement une antenne ayant la même polarisation.

Sur les bandes HF, les réflexions et réfractions ionosphériques peuvent cependant modifier la polarisation au cours de la propagation.

Sur VHF et UHF en liaison directe, la correspondance des polarisations devient souvent beaucoup plus importante.

21. Et en réception ?

Le phénomène fonctionne également dans l’autre sens.

Une onde électromagnétique arrivant sur une antenne interagit avec ses conducteurs.

Le champ électrique exerce une action sur les charges présentes dans le conducteur et engendre une tension et un courant HF au niveau de l’antenne.

Cette énergie, extrêmement faible dans de nombreux cas, est acheminée par la ligne de transmission jusqu’au récepteur.

Le récepteur amplifie ensuite le signal et en extrait l’information :

voix ;
CW ;
FT8 ;
télévision ;
données numériques.

L’antenne est donc bien un dispositif réciproque :

elle transforme une énergie électrique guidée en onde électromagnétique en émission et réalise la conversion inverse en réception.

22. Du courant HF jusqu’au correspondant

Nous pouvons maintenant résumer toute la chaîne.

L’émetteur génère une puissance HF.

Cette puissance est transportée par la ligne de transmission jusqu’à l’antenne.

Dans l’antenne, des tensions et des courants HF apparaissent suivant une distribution déterminée par sa géométrie, sa longueur, son environnement et sa fréquence de fonctionnement.

Ces grandeurs électriques variables sont associées à des champs électrique et magnétique variables.

Les contributions produites par les différentes parties de l’antenne se combinent dans l’espace.

À grande distance, nous obtenons une onde électromagnétique qui transporte l’énergie loin de l’antenne.

Cette onde peut ensuite rencontrer une autre antenne.

Une très petite partie de son énergie y engendre alors une tension et un courant HF qui sont acheminés jusqu’au récepteur.

Et voilà comment quelques watts produits dans un shack peuvent finalement donner naissance à un signal reçu à l’autre bout du monde.

Ce qu’il faut retenir

Le fonctionnement d’une antenne peut sembler mystérieux lorsqu’on commence la radio. Pourtant, quelques principes permettent déjà d’en comprendre l’essentiel.

1. Une antenne est un convertisseur d’énergie.

En émission, elle transforme de l’énergie électrique HF guidée en énergie électromagnétique rayonnée. En réception, elle réalise le phénomène inverse.

2. Les électrons ne voyagent pas jusqu’au correspondant.

Les charges présentes dans le conducteur sont mises en mouvement par le signal HF, mais c’est l’énergie électromagnétique qui se propage dans l’espace.

3. Le courant HF et la tension ne sont pas identiques partout sur l’antenne.

Leur distribution dépend notamment de la longueur, de la géométrie et de la fréquence.

4. Toute l’antenne participe au rayonnement.

Les contributions électromagnétiques des différentes parties du conducteur s’additionnent ou s’annulent partiellement suivant la direction considérée.

5. C’est ce phénomène qui produit le diagramme de rayonnement.

Un dipôle rayonne principalement perpendiculairement à son axe. Une Yagi exploite plusieurs éléments pour favoriser certaines directions.

6. Le gain ne signifie pas que l’antenne crée de la puissance.

Une antenne directive concentre davantage l’énergie disponible dans certaines directions au détriment des autres.

7. Une antenne n’a pas besoin de présenter exactement 50 Ω pour rayonner.

Les 50 Ω sont essentiellement une valeur standard utilisée pour faciliter le transfert de puissance dans nos installations radio.

8. Un ROS de 1:1 ne garantit pas une antenne performante.

Une charge fictive peut présenter un ROS presque parfait tout en transformant pratiquement toute la puissance reçue en chaleur.

9. Le rendement est fondamental.

Une bonne antenne doit transformer une part aussi importante que possible de la puissance disponible en rayonnement plutôt qu’en pertes.

Finalement, derrière toutes les antennes que nous utilisons — du simple dipôle à la Yagi, de la verticale HF à l’antenne hélice pour les hyperfréquences — se retrouve le même principe fondamental :

des courants et des tensions HF distribués dans des conducteurs produisent des champs électriques et magnétiques variables qui, en se combinant, permettent à une partie de l’énergie de se propager dans l’espace sous forme d’onde électromagnétique.

C’est cela, tout simplement — même si la physique qui permet de le décrire complètement est beaucoup plus riche — qu’une antenne fait lorsqu’elle rayonne.