Puissance Rayonnée d’une Antenne : Calcul et Définition

Puissance Rayonnée d’une Antenne : Calcul et Définition

Le calcul de la puissance rayonnée par une antenne repose sur l’évaluation de la puissance transmise au champ électromagnétique dans l’espace environnant. Il est essentiel de distinguer la puissance réellement rayonnée de la puissance injectée dans l’antenne, car une partie de cette dernière peut être dissipée sous forme de chaleur ou réfléchie en raison d’un mauvais appariement d’impédance.

Définition de la puissance rayonnée

La puissance rayonnée, souvent notée Prad, correspond à la portion de la puissance d’entrée effectivement convertie en rayonnement électromagnétique par l’antenne. Elle est mesurée en watts (W) et constitue un indicateur clé de l’efficacité de rayonnement d’une antenne.

Cette grandeur dépend directement de deux paramètres : l’efficacité de rayonnement de l’antenne (radiation efficiency) et la puissance d’entrée disponible. Le rapport entre ces deux donne la performance réelle de l’élément rayonnant.

Fonction et utilité du calcul

Connaître la puissance rayonnée permet :

• D’évaluer les performances globales du système d’émission.
• D’assurer la conformité avec les réglementations d’exposition électromagnétique.
• De déterminer le gain effectif de l’antenne dans un environnement réel.
• D’optimiser la couverture d’un réseau sans fil (cellulaire, WiFi, etc.).

Paramètres intervenant dans le calcul

Plusieurs grandeurs sont impliquées dans l’estimation de la puissance rayonnée :

1. Puissance d’entrée (Pin) : Puissance transmise à l’antenne.
2. Efficacité de rayonnement (η) : Rapport entre la puissance rayonnée et la puissance reçue.
3. Perte par dissipation : Partie de la puissance transformée en chaleur dans le conducteur ou les diélectriques.
4. Réflexion (ROS) : Influence de l’appariement d’impédance sur la part de puissance réellement transmise à l’antenne.

Formule de base

La puissance rayonnée se calcule ainsi :

Prad = η × Pin

où η représente l’efficacité de rayonnement (comprise entre 0 et 1) et Pin la puissance d’entrée en watts.

Exemple concret

Soit une antenne alimentée avec une puissance de 50 W et présentant une efficacité de 85 % :

• η = 0,85
• Pin = 50 W

Alors :

Prad = 0,85 × 50 = 42,5 W

Cela signifie que 42,5 W sont réellement convertis en ondes électromagnétiques rayonnées.

Différence entre puissance rayonnée et puissance isotrope équivalente

Il est fondamental de ne pas confondre puissance rayonnée et puissance isotrope rayonnée équivalente (PIRE) :

La PIRE est donnée par : PIRE = Prad × Gain

Comparaison entre efficacité et gain

Influence du ROS sur la puissance rayonnée

Le rapport d’ondes stationnaires (ROS) joue un rôle critique. Un ROS élevé traduit un désaccord d’impédance, entraînant une réflexion partielle du signal. Cela réduit la puissance réellement transmise à l’antenne, et donc la puissance rayonnée :

Plus le ROS est faible (idéalement 1:1), plus la puissance rayonnée est proche de la puissance d’entrée disponible.

Cas des antennes directives vs omnidirectionnelles

Le calcul de la puissance rayonnée ne varie pas en fonction de la directivité, mais son interprétation pratique change :

• Omnidirectionnelle : La puissance est répartie dans toutes les directions du plan horizontal.
• Directive : La puissance est concentrée dans une direction spécifique, ce qui augmente le gain apparent.

Cela modifie la couverture mais pas la valeur de Prad elle-même.

Application dans les systèmes radio

Dans les systèmes de radiocommunications (LTE, 5G, WiFi), la maîtrise de la puissance rayonnée permet :

• D’optimiser la qualité de service (QoS).
• De limiter l’interférence inter-cellules.
• De satisfaire les exigences d’exposition du public.
• De maximiser la portée avec des contraintes d’énergie minimale.

Influence des matériaux et conception

La performance rayonnée dépend aussi :

• Des matériaux conducteurs et diélectriques utilisés.
• De la géométrie de l’antenne.
• Du support ou plan de masse.
• Des environnements proches (effet de sol, objets métalliques).

Contrôle et mesure

La puissance rayonnée peut être mesurée indirectement en chambre anéchoïque, ou estimée à partir de mesures de champ et de connaissance du gain. On utilise généralement des wattmètres, analyseurs de réseau vectoriels (VNA), ou systèmes de mesure de champ électromagnétique.

Pour approfondir les principes liés à l’optimisation de l’efficacité d’antenne, il est pertinent d’étudier les méthodes de conception basées sur la directivité et la bande passante.