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L’antenne ground-plane,
Comment fonctionne-t-elle ?
Robert BERRANGER F5NB
Si vous demandez à un OM ce qu’est l’antenne Ground-Plane, il vous répondra sûrement “c’est un
monopôle vertical quart d’onde dont le plan de sol a été remplacé par des radians quart d’onde disposés
symétriquement”. Physiquement, ce n’est pas faux, mais cette simple définition ne nous renseigne pas
sur le fonctionnement réel de cette antenne. Nous allons voir qu’il est plus compliqué qu’il y paraît.
Préambule. Concernant le monopôle proche d’un plan de sol parfait, le
rayonnement se fait dans une moitié de sphère. Par rapport
à l’espace libre, il y a donc un facteur 2 qui double la résis-
Pour simplifier les analyses, les systèmes antennaires que
jWdY[ Z[ hWoedd[c[dj" ie_j ),"+ ²$ ;d [\\[j" [d _dj]hWdj b[
nous allons examiner seront tous constitués de fils conduc-
flux du vecteur de Poynting dans une demi-sphère seulement,
teurs parfaits d’un diamètre égal à h/10 000. La ligne d’ali- on obtient une puissance rayonnée divisée par deux pour les
mentation sera isolée du système par un transformateur par- mêmes valeurs de flux relatif (d\ /ds), donc du courant dans
fait 1/1 (sinon, elle ferait partie du système antennaire).
le monopôle. Si pour I constant, P est divisée par deux, alors
R est multipliée par deux.
R
Monopôle vertical quart d’onde
sur plan de sol parfait. Directivité.
C’est une vue de l’esprit, mais c’est un bon point de départ. Comparons notre monopôle au sol avec le même en espace
Prenons une plaque parfaitement conductrice, horizontale, et libre, pour une même puissance rayonnée. Pour le mono-
pôle au sol, comme sa résistance de rayonnement est double,
de très grandes dimensions devant la longueur d’onde. Au
centre, érigeons verticalement un monopôle quart d’onde. le courant est divisé par racine de deux, et donc le champ
L’alimentation du système est faite entre la base du monopôle électrique aussi. Ceci entraînerait normalement une directivité
et la plaque conductrice. divisée par deux, soit un gain diminué de 3 dB.
Ce système a les propriétés suivantes : Mais, à courant égal dans le monopôle, un plan de sol parfai-
Hi_ijWdY[ Z[ hWoedd[c[dj 3 ),"+ ² tement conducteur a pour effet de multiplier par 2 le champ
(2)
?cfZWdY[ ZÊWb_c[djWj_ed _Z[dj_gk[ fk_igk[ \W_j[ Wk l[djh[ électrique , soit une directivité (puissance) multipliée par
de courant, et antenne à la résonance. quatre (gain de +6 dB). Au final, par rapport à un monopôle
:_h[Yj_l_j 3 )"(." ie_j kd ]W_d Z[ +"'+ Z8_ blWj_ed 3 & $ h/4 (ou un dipôle h/2) en espace libre, la directivité est multi-
:_W]hWcc[ Z[ hWoedd[c[dj i_jk [dj_h[c[dj Zk Yj ce- pliée par deux (×4, ÷2) et est donc de 3,28 (gain de 5,15 dBi).
Ceci semble évident par ailleurs, puisque la puissance n’étant
nopôle du plan de sol (la plaque conductrice).
rayonnée que dans une demi-sphère, cela entraîne un double-
Si l’on compare ce système antennaire à un dipôle h/2, son ment de la directivité.
impédance semble paradoxale. En effet, sachant que la ré-
sistance de rayonnement est proportionnelle au carré de la Monopôle quart d’onde en espace
longueur d’un brin rayonnant inférieur au quart d’onde, que la
fonction de répartition du courant est la même dans le quart libre avec contrepoids idéal.
d’onde et la demie onde, et que l’impédance du dipôle h/2 en
b_]d[ [ij Z[ -) ²" dejh[ cedefb[ gkWhj ZÊedZ[ jWdj Z[ bed- C’est une autre vue de l’esprit, mais utile également pour
gueur moitié devrait avoir une résistance de rayonnement de comprendre la suite.
'."(+ ² b[ gkWhj $ Eh [bb[ [ij Z[ ),"+ ²$ Fekhgke_ 5 Nous avons déjà évoqué le quart d’onde en espace libre. Il
pose un problème d’alimentation avec un émetteur qui exige
Résistance de rayonnement. de débiter dans un dipôle électrique. Nous obtiendrons ce dipôle
en ajoutant au système antennaire un contrepoids, que nous
supposerons parfait, donc avec les caractéristiques suivantes :
De fait, le monopôle aurait une résistance de rayonnement _cfZWdY[ b[Yjh_gk[ dkbb[
Z[ '."(+ ² iÊ_b jW_j Z_ifei [d [ifWY[ b_Xh[$ Eh" bW fhen_c_j
hi_ijWdY[ Z[ hWoedd[c[dj dkbb[
du plan de sol parfaitement réflecteur et infini va modifier le
lebkc[ eYYkf dkb
rayonnement, et donc la résistance de rayonnement. On conçoit que ce contrepoids soit théorique.
La méthode utilisée habituellement pour déterminer la résis- Dans ces conditions, le monopôle quart d’onde a une résis-
tance de rayonnement consiste à calculer la puissance rayonnée jWdY[ Z[ hWoedd[c[dj [j ZÊWb_c[djWj_ed Z[ '."(+ ² [j kd[
en fonction du courant en intégrant la totalité du flux du vecteur
directivité égale à celle du dipôle h/2 en espace libre, soit 1,64
de Poynting traversant la surface d’une sphère ayant un rayon
(gain de 2,15 dBi), puisqu’il rayonne dans un volume sphé-
très grand devant lambda et comme centre l’antenne. rique.
Une fois connue cette puissance P, on obtient la résistance
de rayonnement à partir de la relation R = P (eff) / I² (eff) (1) . En En conclusion, l’effet d’un plan de sol parfait sur un monopôle
R
appliquant cette méthode au quart d’onde en espace libre, on
quart d’onde est de doubler la résistance de rayonnement et
jhekl[ kd[ hi_ijWdY[ Z[ hWoedd[c[dj Z[ '."(+ ²$
la directivité du même monopôle placé en espace libre.
Elle est correcte, car le quart d’onde rayonne dans un espace Tout ce qui vient d’être dit est résumé sur la figure 1.
sphérique.
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