Régions du Champ d’une Antenne
Zones de rayonnement électromagnétique
Champ proche réactif, Fresnel et Fraunhofer
Les trois régions du champ d’une antenne
Lorsqu’une antenne émet des ondes électromagnétiques, l’espace qui l’entoure se divise en
trois régions distinctes, chacune caractérisée par un comportement différent des champs
électrique et magnétique. Ces régions sont essentielles pour comprendre la propagation des
ondes radio, effectuer des mesures d’antenne correctes et concevoir des systèmes de
communication efficaces.
La délimitation de ces zones dépend principalement de deux facteurs : la dimension physique de l’antenne et la longueur d’onde du signal émis. Plus l’antenne est grande ou plus la fréquence est élevée, plus ces régions s’étendent loin de l’antenne. Pour les radioamateurs, comprendre ces régions est crucial pour l’installation d’antennes, les mesures de performance et le respect des distances de sécurité.
Vue d’ensemble des trois régions
- Région 1 – Champ proche réactif (Rayleigh) : Zone immédiate où les champs sont réactifs et ne rayonnent pas
- Région 2 – Champ proche rayonnant (Fresnel) : Zone de transition où le rayonnement commence mais n’est pas encore uniforme
- Région 3 – Champ lointain (Fraunhofer) : Zone éloignée où les ondes sont planes et le diagramme de rayonnement est établi
Région 1 : Champ Proche Réactif (Rayleigh)
La région de champ proche réactif (ou région de Rayleigh) est la zone immédiatement adjacente à l’antenne, typiquement à une distance inférieure à une longueur d’onde.
- Les champs E et H ne sont pas en phase
- Énergie principalement stockée (non rayonnée)
- Impédance fortement réactive (capacitive ou inductive)
- Dominé par le champ électrique (antenne courte) ou magnétique (boucle)
- Forte interaction avec les objets proches
- Pas de propagation d’énergie significative
Dans cette région, l’antenne est extrêmement sensible à son environnement proche. La présence d’objets métalliques, de structures ou même du corps humain peut considérablement modifier l’impédance de l’antenne et ses caractéristiques de rayonnement. C’est pourquoi il est crucial de maintenir un dégagement autour de l’antenne lors de l’installation.
Les systèmes RFID et NFC exploitent le champ réactif pour transférer l’énergie et les données à courte distance.
2. Mesures de proximité :
Les capteurs capacitifs et inductifs utilisent le champ réactif pour détecter la présence d’objets.
3. Chargement sans fil :
Les chargeurs inductifs (Qi) fonctionnent dans le champ proche réactif pour transférer l’énergie efficacement.
4. Zones à éviter :
Pour les mesures d’antenne et l’évaluation des performances, cette zone doit être exclue car elle ne représente pas le rayonnement réel.
Dans cette région, les champs électromagnétiques sont les plus intenses. Pour les transmetteurs haute puissance, il est recommandé de maintenir les personnes en dehors de cette zone pour éviter toute exposition excessive aux champs RF.
Exemple pour une antenne de 1 mètre à 145 MHz :
R₁ ≈ 2,07 m
La région réactive s’étend jusqu’à environ 2 mètres de l’antenne
Région 2 : Champ Proche Rayonnant (Fresnel)
La région de Fresnel (ou champ proche rayonnant) est une zone de transition entre le champ réactif et le champ lointain. Les ondes commencent à se propager mais leur distribution angulaire et leur phase ne sont pas encore stables.
- Les ondes commencent à rayonner
- Variations de phase significatives sur le front d’onde
- Distribution angulaire du champ variable avec la distance
- Effets de diffraction encore importants
- L’impédance tend vers 377 Ω (impédance du vide)
- Le diagramme de rayonnement n’est pas stable
Cette région est particulièrement importante pour les antennes à ouverture (paraboles, antennes à réseau phasé) où la formation du faisceau se produit dans la zone de Fresnel. La distribution d’énergie dans cette zone influence directement les caractéristiques du faisceau en champ lointain.
Le cornet d’alimentation est souvent positionné dans la zone de Fresnel de la parabole pour optimiser l’illumination.
2. Réseaux d’antennes :
La formation de faisceaux des réseaux phasés commence dans la zone de Fresnel.
3. Communications de proximité :
Certains systèmes point-à-point courte distance opèrent dans cette zone.
4. Mesures d’antenne :
Généralement à éviter pour les mesures de diagramme de rayonnement car les résultats ne sont pas représentatifs du champ lointain.
Dans la zone de Fresnel, si vous déplacez le point de mesure, le diagramme de rayonnement change. En champ lointain, le diagramme reste constant quelle que soit la distance (seule l’amplitude change).
Exemple pour une parabole de 3 mètres à 1,2 GHz :
D = 3 m
R₂ = 2×(3²)/0,25 = 72 m
La zone de Fresnel s’étend de quelques mètres jusqu’à 72 mètres
Région 3 : Champ Lointain (Fraunhofer)
La région de Fraunhofer (ou champ lointain) commence là où les ondes peuvent être considérées comme planes. C’est la zone où l’antenne présente son diagramme de rayonnement caractéristique et où toutes les mesures standards sont effectuées.
- Ondes planes (fronts d’onde parallèles)
- Champs E et H perpendiculaires et en phase
- Impédance = 377 Ω (impédance caractéristique du vide)
- Densité de puissance décroît en 1/r²
- Diagramme de rayonnement stable avec la distance
- Pas d’effets de diffraction significatifs
- Zone de mesure pour les caractéristiques d’antenne
Toutes les spécifications d’antenne (gain, directivité, diagramme de rayonnement, rapport avant/arrière) sont mesurées en champ lointain. C’est la seule région où ces mesures ont un sens et sont reproductibles. Pour les mesures professionnelles, on utilise souvent des chambres anéchoïques ou des terrains de mesure extérieurs garantissant des distances en champ lointain.
Pratiquement toutes les communications radio (radioamateur, broadcast, satellitaire, mobile) se font en champ lointain.
2. Mesures d’antenne :
Gain, diagramme de rayonnement, polarisation, impédance rayonnée doivent être mesurés en champ lointain.
3. Radar et détection :
Les systèmes radar opèrent en champ lointain où l’équation radar s’applique.
4. Propagation radio :
Les modèles de propagation (espace libre, Friis) s’appliquent en champ lointain.
En champ lointain, la densité de puissance (en W/m²) décroît proportionnellement au carré de la distance. Si vous doublez la distance, la puissance reçue est divisée par 4 (perte de 6 dB). Cette loi fondamentale permet de calculer les bilans de liaison radio.
Exemple pour une Yagi VHF de 2 m à 145 MHz :
D = 2 m
R₂ = 2×(2²)/2,07 = 3,86 m
3λ = 6,21 m
Champ lointain : r > 6,21 m (la plus grande des deux conditions)
Formules de calcul des distances
| Région | Distance limite | Formule | Condition simplifiée |
|---|---|---|---|
| Champ proche réactif (Rayleigh) |
r < R₁ | R₁ = 0,62 √(D³/λ) | r < λ (pour petites antennes) |
| Champ proche rayonnant (Fresnel) |
R₁ < r < R₂ | R₁ < r < 2D²/λ | Zone de transition |
| Champ lointain (Fraunhofer) |
r > R₂ | R₂ = 2D²/λ ET R₂ > 3λ |
Prendre la plus grande des deux conditions |
D = Plus grande dimension de l’antenne (en mètres)
λ = Longueur d’onde (en mètres) = 300/f(MHz)
r = Distance du point de mesure par rapport à l’antenne (en mètres)
R₁ = Limite externe du champ proche réactif
R₂ = Limite minimale du champ lointain
Exemples pratiques de calcul
• Dipôle demi-onde HF
• Fréquence : 14 MHz (bande 20m)
• Longueur : D = 10 m (λ/2)
Calculs :
λ = 300/14 = 21,4 m
R₁ = 0,62 √(D³/λ)
R₁ = 0,62 √(10³/21,4)
R₁ = 0,62 √(1000/21,4)
R₁ = 0,62 × 6,84
R₁ = 4,2 m
R₂ = 2D²/λ
R₂ = 2×(10²)/21,4
R₂ = 200/21,4
R₂ = 9,3 m
3λ = 3 × 21,4 = 64,2 m
Conclusion :
• Champ réactif : r < 4,2 m
• Fresnel : 4,2 m < r < 64,2 m
• Fraunhofer : r > 64,2 m
(On prend 3λ car plus grand que 9,3 m)
• Yagi 5 éléments VHF
• Fréquence : 145 MHz (bande 2m)
• Longueur : D = 2,5 m
Calculs :
λ = 300/145 = 2,07 m
R₁ = 0,62 √(D³/λ)
R₁ = 0,62 √(2,5³/2,07)
R₁ = 0,62 √(15,625/2,07)
R₁ = 0,62 × 2,75
R₁ = 1,7 m
R₂ = 2D²/λ
R₂ = 2×(2,5²)/2,07
R₂ = 12,5/2,07
R₂ = 6,0 m
3λ = 3 × 2,07 = 6,2 m
Conclusion :
• Champ réactif : r < 1,7 m
• Fresnel : 1,7 m < r < 6,2 m
• Fraunhofer : r > 6,2 m
(On prend 3λ = 6,2 m car plus grand que 6,0 m)
• Antenne parabolique
• Fréquence : 11,7 GHz (Ku-band)
• Diamètre : D = 0,6 m (60 cm)
Calculs :
λ = 300/11700 = 0,0256 m (2,56 cm)
R₁ = 0,62 √(D³/λ)
R₁ = 0,62 √(0,6³/0,0256)
R₁ = 0,62 √(0,216/0,0256)
R₁ = 0,62 × 2,90
R₁ = 1,8 m
R₂ = 2D²/λ
R₂ = 2×(0,6²)/0,0256
R₂ = 0,72/0,0256
R₂ = 28,1 m
3λ = 3 × 0,0256 = 0,077 m (7,7 cm)
Conclusion :
• Champ réactif : r < 1,8 m
• Fresnel : 1,8 m < r < 28,1 m
• Fraunhofer : r > 28,1 m
(On prend 28,1 m car plus grand que 0,077 m)
• Antenne fouet véhicule
• Fréquence : 435 MHz (bande 70cm)
• Longueur : D = 0,35 m (λ/2)
Calculs :
λ = 300/435 = 0,69 m
R₁ = 0,62 √(D³/λ)
R₁ = 0,62 √(0,35³/0,69)
R₁ = 0,62 √(0,043/0,69)
R₁ = 0,62 × 0,25
R₁ = 0,15 m (15 cm)
R₂ = 2D²/λ
R₂ = 2×(0,35²)/0,69
R₂ = 0,245/0,69
R₂ = 0,35 m
3λ = 3 × 0,69 = 2,07 m
Conclusion :
• Champ réactif : r < 0,15 m
• Fresnel : 0,15 m < r < 2,07 m
• Fraunhofer : r > 2,07 m
(On prend 3λ = 2,07 m car plus grand que 0,35 m)
Tableau récapitulatif comparatif
| Propriété | Champ réactif (Rayleigh) |
Champ proche (Fresnel) |
Champ lointain (Fraunhofer) |
|---|---|---|---|
| Distance | r < 0,62√(D³/λ) | Entre R₁ et R₂ | r > 2D²/λ et r > 3λ |
| Phase E-H | Déphasage important | En transition | En phase |
| Type d’ondes | Champs stationnaires | Ondes sphériques | Ondes planes |
| Impédance | Fortement réactive | Variable | 377 Ω (résistive) |
| Énergie | Stockée (non rayonnée) | Partiellement rayonnée | Totalement rayonnée |
| Diagramme | Non défini | Variable avec distance | Stable |
| Décroissance | 1/r³ ou plus | Entre 1/r² et 1/r³ | 1/r² |
| Mesures | Non recommandé | Non recommandé | Zone standard |
| Applications | RFID, NFC, couplage | Formation faisceaux | Communications radio |
| Sensibilité env. | Très élevée | Modérée | Faible |
Implications pour les radioamateurs
Maintenez toujours les zones habitées en dehors du champ proche réactif, particulièrement pour les émetteurs de forte puissance. Les normes d’exposition RF recommandent des distances minimales basées sur la puissance et la fréquence.
• HF (1,8-30 MHz) : Minimum 5-10 m des zones habitées pour 100W
• VHF (144 MHz) : Minimum 2-3 m des zones habitées pour 100W
• UHF (435 MHz) : Minimum 1-2 m des zones habitées pour 50W
Ces distances assurent que vous êtes dans la zone de Fresnel ou Fraunhofer où l’exposition RF est plus faible et mieux définie.
Pour mesurer correctement le ROS, le gain ou le diagramme de rayonnement de votre antenne, vous devez vous assurer d’être en champ lointain. Un analyseur d’antenne portable utilisé trop près donnera des résultats incorrects car l’antenne n’aura pas son comportement normal.
1. ROS et impédance :
Peuvent être mesurés à toute distance, mais l’antenne peut être désaccordée par les objets en champ réactif.
2. Diagramme de rayonnement :
Nécessite absolument le champ lointain. Pour une Yagi VHF, restez à plus de 6-10 m.
3. Gain :
Mesuré en champ lointain uniquement, en comparaison avec une antenne de référence.
4. Tests de portée :
Assurez-vous que les deux stations sont en champ lointain l’une par rapport à l’autre.
Monter une antenne en hauteur l’éloigne du sol et des obstacles, réduisant les perturbations du champ proche. En VHF/UHF, où la propagation est en ligne de vue, atteindre le champ lointain sans obstruction est crucial pour maximiser la portée.
1. Dégagement horizontal :
Au moins λ/2 de tout obstacle métallique (gouttières, toits métalliques, etc.)
2. Dégagement vertical :
Minimum 1λ au-dessus du sol ou du toit pour les antennes horizontales
3. Orientation :
Pour les antennes directives, assurez-vous que le lobe principal est dégagé jusqu’au champ lointain dans la direction souhaitée
4. Tests terrain :
Après installation, testez avec des correspondants connus dans différentes directions pour valider la couverture
Les antennes installées à l’intérieur des bâtiments (grenier, appartement) opèrent souvent dans un environnement où le champ proche interagit fortement avec la structure du bâtiment. Cela peut désaccorder l’antenne et créer des points chauds RF. Soyez particulièrement vigilant avec les distances de sécurité.
Sur un véhicule, l’antenne est toujours en interaction avec la carrosserie métallique qui sert de plan de masse. C’est normal et attendu – le véhicule fait partie du système d’antenne. Assurez-vous simplement que les occupants ne sont pas dans le champ proche réactif immédiat (généralement quelques dizaines de cm pour les antennes VHF/UHF mobiles).
Conclusion
Comprendre les trois régions du champ électromagnétique d’une antenne est fondamental
pour tout radioamateur sérieux. Le champ proche réactif, bien qu’important pour certaines
applications spécialisées, doit généralement être évité pour les opérations radio
normales. La région de Fresnel est une zone de transition intéressante pour comprendre
la formation des faisceaux, mais c’est le champ lointain (Fraunhofer) qui constitue la
zone d’opération principale pour les communications radio.
Lors de l’installation de vos antennes, prenez toujours le temps de calculer ces distances
pour votre configuration spécifique. Cela vous permettra non seulement d’assurer la
sécurité RF autour de votre station, mais aussi de garantir que vos antennes fonctionnent
dans des conditions optimales. Une antenne correctement installée, avec un dégagement
suffisant pour atteindre le champ lointain sans obstruction, fera toute la différence
dans vos performances en émission et en réception. 73 et bonnes installations !
Guide des Régions du Champ d’une Antenne