La réponse courte : une antenne transforme un signal électrique alternatif en onde radio, et une onde radio en signal électrique. Le signal fait aller et venir les électrons dans le métal, et ces courants et charges variables lancent une onde qui se propage vers l’extérieur. Une antenne dipôle y parvient avec deux bras alimentés au centre. Une antenne monopôle utilise un seul élément et une surface conductrice appelée plan de masse.
La radio peut sembler magique. Un petit morceau de métal envoie de l’énergie à travers une vallée sans rien qui le relie au récepteur. Pourtant, la physique sous-jacente part de quelque chose de simple : des électrons qui se déplacent dans un fil. Ce guide suit ce mouvement pas à pas, d’un simple fil jusqu’à une antenne dipôle et une antenne monopôle en fonctionnement, puis revient à la façon dont une antenne reçoit un signal.
Commençons par un fil : que font les électrons ?
Un fil métallique est déjà rempli d’électrons capables de se déplacer. Dans le cuivre, environ un électron par atome peut circuler librement dans le métal au lieu de rester lié à un seul atome. Une batterie n’a pas besoin de fournir ces électrons. Ils sont là avant même que l’on branche quoi que ce soit.
Branchez une source d’alimentation : elle crée un champ électrique le long du fil. Ce champ pousse chaque électron libre, et tous commencent à dériver dans le même sens, en plus de leur rapide mouvement aléatoire.
Cette dérive est étonnamment lente, souvent une fraction de millimètre par seconde seulement. Une lampe s’allume pourtant presque instantanément, car le champ électrique parcourt le fil bien plus vite que les électrons : ceux de tout le fil se mettent donc en mouvement presque au même moment.
Pourquoi les électrons vont-ils et viennent-ils ?
Une batterie pousse dans un seul sens. Pas un émetteur radio. Il produit une tension alternative, qui varie progressivement, inverse sa polarité et se répète.
Lorsqu’une extrémité du fil est positive, les électrons sont poussés vers elle. Lorsque la polarité s’inverse, la force électrique s’inverse aussi et les électrons repartent dans l’autre sens. Ils ne progressent jamais vraiment le long du fil. Ils font simplement des allers-retours autour de leur position locale.
Un détail prête souvent à confusion. Les électrons portent une charge négative : ils se déplacent donc dans le sens opposé à ce que l’on appelle par convention le courant électrique. Cette convention a été fixée avant que l’on connaisse les électrons, et elle est restée. Les flèches de courant et les flèches d’électrons pointent donc dans des sens opposés.
Lire l’onde : que montre réellement le graphique ?
Les signaux radio sont généralement représentés par une onde sinusoïdale. Quatre termes de base la décrivent :
- Cycle : une répétition complète du motif.
- Amplitude : l’écart maximal de l’onde par rapport à zéro.
- Fréquence : le nombre de cycles par seconde, mesuré en hertz. Un signal radio à 868 MHz se répète 868 millions de fois par seconde.
- Phase : l’endroit où se trouve l’onde dans son cycle à un instant donné.
L’essentiel à retenir, c’est que le graphique montre comment une grandeur telle que la tension ou le courant varie dans le temps. Ce n’est pas la trajectoire physique d’un électron. Les électrons ne parcourent pas le fil en suivant une courbe sinusoïdale.
La meilleure façon de lire l’onde est de suivre un cycle complet. Le courant décrit directement le mouvement collectif des électrons : c’est donc lui que nous utiliserons ici. Chaque électron conserve aussi son rapide mouvement aléatoire ; « se déplacer » désigne donc ci-dessous leur dérive collective. Rappelez-vous que le courant conventionnel pointe dans le sens opposé à cette dérive. Suivez les numéros sur le graphique :
- Tout à gauche. Les électrons se sont déplacés au maximum vers la gauche. Leur dérive collective s’arrête brièvement, et le courant est donc nul.
- Vers la droite, à pleine vitesse. Les électrons passent par leur position centrale. Le courant est à son maximum et pointe vers la gauche : la courbe rouge est donc à son point le plus bas.
- Ralentissement, puis tout à droite. Les électrons atteignent l’autre extrême, et leur dérive collective s’arrête de nouveau brièvement. Le courant est nul.
- Vers la gauche, à pleine vitesse. Ils repassent par le centre dans l’autre sens. Le courant culmine en pointant vers la droite : la courbe rouge est donc à son point le plus haut.
- Retour au point de départ. Ils ralentissent de nouveau jusqu’à l’extrême gauche, et le cycle suivant commence.
Remarquez que la position et le courant ne culminent pas en même temps. Les électrons sont au plus loin du centre exactement quand le courant est nul, et le courant est le plus fort quand ils passent par le centre.
Cet exemple est un simple fil résistif, où la tension monte et descend au rythme du courant : un graphique de tension aurait donc le même calage temporel. Une antenne est différente. Les électrons réagissent au champ électrique local à l’endroit où ils se trouvent, et le courant et la charge varient le long de l’antenne : un graphique de tension seul n’indique donc pas toujours le calage exact du courant.
Les distances sont elles aussi minuscules. Aux fréquences et courants radio typiques, le va-et-vient de la dérive peut être bien plus petit qu’un atome.
Comment ce mouvement produit-il une onde radio ?
Trois faits de physique se combinent ici :
- Les électrons ont un champ électrique. Toute charge en possède un autour d’elle, qui s’étend dans l’espace environnant.
- Le courant électrique produit un champ magnétique. Les charges en mouvement créent un champ magnétique autour du fil.
- Les champs variables se créent mutuellement. Un champ électrique variable produit un champ magnétique, et un champ magnétique variable produit un champ électrique.
Un courant constant donne un champ magnétique constant, et ce champ reste simplement autour du fil. Mais dans une antenne, les courants et les charges changent de sens des millions de fois par seconde. Les champs proches de l’antenne ne peuvent pas s’ajuster instantanément, car les changements se propagent à une vitesse finie. Une partie du champ variable continue de s’éloigner sous la forme d’un motif auto-entretenu de champs électriques et magnétiques. Ce motif qui voyage est une onde électromagnétique, et il emporte de l’énergie loin de l’antenne à la vitesse de la lumière.
Les électrons restent dans le métal. Seule l’onde s’éloigne.
L’onde a aussi son propre calage temporel. Elle naît du changement : le champ qu’elle transporte dépend donc de la rapidité avec laquelle le courant varie. Le courant varie le plus vite à l’instant où les électrons s’inversent, c’est-à-dire quand le courant lui-même est nul. Cet effet met ensuite du temps à voyager et arrive donc plus tard en tout point éloigné. La position des électrons, le courant et le champ émis ne culminent donc pas tous en même temps.
Pourquoi la longueur de l’antenne compte-t-elle ?
La longueur d’onde, souvent notée λ, est la distance parcourue par une onde pendant un cycle. Les ondes radio sont très rapides, mais à 868 MHz chaque cycle est extrêmement bref : une onde ne parcourt donc qu’environ 345 mm avant le début du cycle suivant.
Imaginez maintenant un signal qui se déplace le long d’une antenne. Arrivé à la pointe, le métal s’arrête : le signal se réfléchit et revient. À des longueurs appropriées, l’onde aller et l’onde réfléchie se combinent en un motif répétitif et intense de courant le long de l’antenne. C’est un peu comme pousser une balançoire au bon moment : chaque nouvelle poussée de l’émetteur s’ajoute au mouvement déjà en cours. C’est la résonance, et c’est pourquoi le calage du signal et la longueur de l’antenne doivent fonctionner ensemble.
Deux longueurs sont particulièrement courantes. Une antenne demi-onde mesure une demi-longueur d’onde d’une pointe à l’autre. Une antenne quart d’onde est un élément unique d’un quart de longueur d’onde, qui fonctionne avec un plan de masse.
Une fois l’idée comprise, le calcul est simple. La longueur d’onde est la vitesse de la lumière divisée par la fréquence : un quart de longueur d’onde en mètres vaut donc environ 75 divisé par la fréquence en MHz. Cela donne environ 86 mm à 868 MHz et 82 mm à 915 MHz, deux fréquences LoRa courantes.
L’antenne dipôle : deux bras qui travaillent ensemble
Une antenne dipôle se compose de deux bras conducteurs reliés à une source de signal au centre. La source pousse des électrons dans un bras tout en les retirant de l’autre, puis s’inverse. Les électrons se déplacent ainsi le long des bras dans une même direction générale, d’abord dans un sens puis dans l’autre, et la charge est poussée à répétition vers les extrémités.
Dans un dipôle demi-onde typique, cela se stabilise en un motif répétitif appelé onde stationnaire :
- Le courant est le plus fort près du centre et tombe vers zéro aux pointes, car les électrons ne peuvent pas aller au-delà du bout du métal.
- La charge s’accumule près des extrémités, avec une pointe positive et l’autre négative, qui s’échangent à chaque demi-cycle.
Il en résulte le célèbre diagramme de rayonnement en forme de beignet. Un dipôle rayonne le plus fortement sur les côtés et presque rien directement dans l’axe de ses extrémités.
Comment un dipôle lance une onde, étape par étape
Les charges et les lignes de champ offrent une autre façon utile de se représenter le même processus. Une ligne de champ électrique va de la charge positive à la charge négative : observez donc ce que font les lignes pendant le premier demi-cycle :
- La charge commence à se séparer. La source pousse les électrons vers le bas de l’antenne. Le bras supérieur garde une charge positive et le bras inférieur gagne une charge négative, en commençant près du centre. De courtes lignes de champ les relient.
- Le champ s’étend. À mesure que la charge s’étend le long des bras, les lignes de champ s’étendent avec elle. Les changements du champ voyagent à la vitesse de la lumière : l’espace lointain ne les ressent donc pas encore.
- La charge atteint son maximum. Au bout d’un quart de cycle, la plus grande charge s’est accumulée près des pointes, et la dérive collective des électrons s’arrête brièvement. Le courant est nul, comme dans le cycle que nous avons suivi plus tôt.
- Les changements se propagent vers l’extérieur. Lorsque les électrons inversent leur sens, les champs électrique et magnétique autour de l’antenne changent. Ces changements se propagent vers l’extérieur à la vitesse de la lumière et emportent de l’énergie. Les lignes courbes du schéma nous aident à nous représenter le champ électrique ; ce ne sont pas des fils physiques qui se détachent de l’antenne.
Au demi-cycle suivant, la charge s’accumule dans l’autre sens et le motif se répète avec le champ orienté dans l’autre sens. Ce motif répétitif de champs électriques et magnétiques variables, qui se propage vers l’extérieur, est l’onde radio.
L’antenne monopôle : un élément et un plan de masse
Un monopôle quart d’onde est un élément conducteur d’un quart de longueur d’onde qui fonctionne avec une surface conductrice appelée plan de masse. Le signal est appliqué entre la base de l’élément et cette surface. Malgré ce que suggère le terme anglais « ground plane », un plan de masse n’a pas besoin d’être relié à la terre.
Imaginez un plan de masse idéal, plat et parfaitement conducteur. Les charges à sa surface se réorganisent en réaction à l’élément, et leur effet au-dessus du plan est exactement le même que si une image miroir de l’antenne existait en dessous. La charge positive à la pointe de l’élément correspond à une charge négative à la pointe de son reflet, et le courant dans l’image circule dans le sens correspondant. Ensemble, l’élément et son image ont la même forme qu’un dipôle demi-onde. Le plan de masse fournit électriquement la moitié manquante.
Le diagramme de rayonnement d’un monopôle quart d’onde idéal correspond donc à la moitié supérieure du beignet d’un dipôle.
Les plans de masse réels ne sont bien sûr pas infinis. Un toit de véhicule, un ensemble de fils radiaux ou un circuit imprimé peuvent tous convenir, mais une surface petite ou irrégulière modifie l’accord et peut incliner le diagramme. Le modèle du miroir est un point de départ, pas une description exacte de chaque appareil.
Dipôle ou monopôle : une comparaison simple
Voici les deux conceptions côte à côte, à la même fréquence.
| Caractéristique | Dipôle demi-onde | Monopôle quart d’onde |
|---|---|---|
| Construction | Deux bras conducteurs | Un élément et une surface conductrice |
| Longueur typique | Environ λ/2 (≈ 173 mm à 868 MHz) | Environ λ/4 (≈ 86 mm à 868 MHz) |
| Point d’alimentation | Centre, entre les bras | Base, entre l’élément et le plan de masse |
| Plan de masse | Non requis | Requis, et fait partie de l’antenne |
| Diagramme de rayonnement | Beignet complet | Moitié supérieure d’un beignet (plan idéal) |
Aucune conception n’est meilleure par principe. Le choix dépend généralement de la place disponible, de la surface de montage et de ce à quoi l’appareil est fixé.
Note technique facultative : impédance et gain
Dans le cas idéal, un dipôle demi-onde a une impédance d’alimentation d’environ 73 Ω et un gain d’environ 2,15 dBi. Un monopôle quart d’onde idéal sur un plan de masse infini et parfaitement conducteur a environ la moitié de cette impédance, soit à peu près 36 Ω, et un gain d’environ 5,15 dBi, car la même puissance va dans la moitié de l’espace. Le gain maximal d’une installation réelle dépend de sa géométrie, de ses pertes et de son diagramme de rayonnement.
Comment une antenne reçoit un signal
Inversez maintenant toute l’histoire. Lorsqu’une onde électromagnétique atteint une antenne de réception, son champ électrique pousse les électrons libres du métal. À mesure que le champ alterne, les électrons vont et viennent, ce qui produit une faible tension et un faible courant alternatifs au point d’alimentation de l’antenne. Un récepteur amplifie et décode ce signal.
Grâce à une propriété appelée réciprocité, une antenne a généralement le même diagramme de rayonnement et le même gain à l’émission et à la réception. Un dipôle qui émet mal dans l’axe de ses extrémités reçoit aussi mal depuis cette direction.
Un exemple pratique : un monopôle sur un traceur
Le traceur GPS Loko utilise une antenne monopôle : tout ce qui précède s’applique donc directement. Son diagramme est le plus faible dans l’axe de la pointe : diriger l’antenne droit vers l’autre radio est donc généralement moins bon que de la garder verticale. Elle a besoin d’une surface conductrice pour fonctionner, et du métal à proximité ou un corps peuvent modifier son accord et absorber de l’énergie. Le placement de l’antenne n’est qu’une partie d’une liaison radio, comme l’expliquent ces guides sur la ligne de visée radio et la portée du signal.
Pour aller plus loin
- What's the difference between a dipole and a ground plane antenna? (Electronic Design)
- Understanding antenna specifications and operation, part 2 (DigiKey)
- Dipole antenna et monopole antenna (Wikipedia, en anglais)