thumb|Antennes de réception de la télévision. thumb|Antenne rideau HF de télécommunication. thumb|Un diagramme animé d'une antenne dipôle recevant une onde radio.Une antenne est un dispositif radioélectrique permettant de convertir des signaux électriques, propagés à l'aide de conducteurs électriques, en onde radio se propageant en espace libre. Une antenne peut-être utilisée en émission, elle rayonne alors sous forme d'onde électromagnétique le signal électrique qui l'alimente. L'autre mode de fonctionnement d'une antenne est celui en réception. Dans ce cas, l'antenne capte une onde électromagnétique incidente qu'elle convertit partiellement en signal électrique alimentant un récepteur.
L'antenne est un élément fondamental des systèmes de communication. Ses caractéristiques propres (fréquence de fonctionnement, bande passante, gain, directivité, rendement...) influencent directement les performances de qualité et de portée de ces systèmes. Les antennes peuvent être conçues pour optimiser l'une de ces caractéristiques.
L'étude et la conception des antennes forment un champ d'étude important des sciences de l'ingénieur et de l'électromagnétisme.
Une antenne est un objet théoriquement passif. Il existe cependant des assemblages d'antennes associées à des composants électroniques actifs, comme des amplificateur faible bruit ou des filtres. Ces assemblages sont alors désignés comme "antennes actives".
Historique vignette|Marconi à Signal Hill en 1901. Des antennes sont utilisées pour la première fois en 1886 par Heinrich Hertz dans le cadre d'une expérience réussie de transmission d'énergie sans-fil. En utilisant une antenne d'émission dipolaire placée au point focal d'un réflecteur parabolique, il parvint à recevoir de l'énergie électrique à l'aide d'une antenne boucle de réception placée dans la même pièce. Il démontra ainsi expérimentalement l'existence des ondes électromagnétiques prédites par la théorie de l'électromagnétisme de James Clark Maxwell publiée en 1873.
À partir de 1895, Marconi cherche à développer un système de télégraphie sans fil qui nécessite alors le développement de dispositif similaires, alors baptisées "antennes". Il réussit la première transmission transatlantique en 1901, prouvant ainsi la crédibilité des systèmes de communication sans-fil entre Poldhu, un promontoire au sud de la Cornouailles au Royaume-Uni et Signal Hill, une colline de Saint-Jean de Terre-Neuve au Canada.
De nos jours, les antennes sont un élément essentiel de tous les systèmes de communication sans-fil comme la radiodiffusion ou la téléphonie mobile mais également des systèmes radar, qu'ils soient militaires pour la défense anti-aérienne ou civils (météo, automobile).
Théorie Réciprocité des antennes
Les caractéristiques propres d'une antenne comme le gain ou la fréquence de fonctionnement ne dépendent pas du fait qu'elle fonctionne en émission ou en réception. Ainsi, aucune distinction n'est faite dans la description des antennes entre émission et réception.
Les limites du principe de réciprocité des antennes est qu'elles, et les milieux de propagation considérés, soient constituées exclusivement de matériaux à propriétés linéaires et isotropes.
Le théorème de réciprocité ne s'applique qu'à la partie passive des antennes actives.
Fonctionnement en émission Émission du doublet électrique élémentaire thumb|Émission d'ondes radio par une antenne dipôle left|thumb|Schéma géométrique d'une antenne élémentaire.
Un doublet électrique élémentaire est un élément conducteur de taille dans lequel circule un courant électrique alternatif de fréquence telle que la longueur d'onde dans le vide associée soit très grande devant On a . C'est une antenne idéale qui n'existe pas en réalité.
Le courant peut être décrit au cours du temps par l'équation , où est l'amplitude du courant, l'unité imaginaire, la pulsation et le temps.
Soit un repère plan en coordonnées polaires centré sur l'antenne et dont l'axe principal est colinéaire à celle-ci. Sous la condition de champ lointain, traduite par , le champ électrique alors engendré par cette antenne élémentaire en un point s'écrit :
Où est l'impédance du vide, le nombre d'onde et l'unité imaginaire.
La composante du champ électrique lointain de l'onde électromagnétique est donc coplanaire avec le conducteur et perpendiculaire à la ligne qui relie le point où il est évalué au conducteur. Si nous imaginons l'antenne élémentaire au centre d'une sphère et parallèle à l'axe nord-sud, le champ électrique de l'onde électromagnétique rayonnée sera parallèle aux méridiens et le champ magnétique de l'onde aura la même direction que les parallèles géographiques.
Émission d'une antenne dipolaire Les caractéristiques d'une antenne filaire réelle, comme une antenne dipolaire, peuvent être obtenues par intégration de doublets élémentaires.
Si P est la puissance rayonnée par l'antenne élémentaire (doublet électrique), le champ électrique rayonné en un point situé à une distance r de cette antenne, est maximal dans une direction perpendiculaire au conducteur de l'antenne (sens du vecteur de Poynting). On pourra voir à ce sujet les équations de Panofsky-Phillips, qui permettent de retrouver facilement l'expression du champ électrique rayonné dans la zone de champ lointain (r >> λ).
L'amplitude (maximale) de ce champ est donnée par la relation :
E en V/m ; P en W ; r en m. Avec k = 90 pour un doublet électrique élémentaire (élément théorique, petit par rapport à la longueur d'onde).
Émission de l'antenne isotrope L'antenne isotrope est une antenne fictive qui rayonnerait le même champ dans toutes les directions. Elle sert de référence pour définir le "gain" des antennes (voir plus loin).
La formule précédente s'applique pour trouver l'amplitude maximale du champ E, en faisant k = 60 (on retrouve cette formule en considérant le flux du vecteur de Poynting sur la surface d'une sphère de rayon r).
Si on considère le champ efficace, on fera k = 30.
Émission du dipôle demi-onde Si on considère l'amplitude maximum du champ E dans une direction médiatrice du dipôle, la formule précédente s'applique en faisant k = 98 ( de plus que l'antenne isotrope).
Si on cherche le champ efficace, on fera k = 49.
Fonctionnement en réception Le champ électrique d'une onde électromagnétique induit une tension dans chaque petit segment de tout conducteur électrique. La tension induite dépend de la valeur du champ électrique et de la longueur du segment. Mais la tension dépend aussi de l'orientation du segment par rapport au champ électrique.
Ces petites tensions induisent des courants et ces courants qui circulent traversent chacun une petite partie de l'impédance de l'antenne. Le résultat est que le schéma équivalent de Thévenin d'une antenne n'est pas immédiat à calculer.
En utilisant le théorème de réciprocité on peut démontrer que le schéma équivalent de Thévenin d'une antenne en réception est le suivant :
left|thumb|Schéma géométrique d'un circuit équivalent. est la tension du schéma équivalent de Thévenin. est l'impédance intrinsèque du vide. est l'impédance du schéma équivalent de Thévenin et est égale à l'impédance de l'antenne. est la résistance série de l'impédance de de l'antenne. est le gain de l'antenne (le même qu'en émission) dans la direction d'où viennent les ondes électromagnétiques. est la longueur d'onde. est le champ électrique de l'onde électromagnétique incidente. est l'angle de désalignement du champ électrique avec l'antenne. Par exemple, si l'antenne est un dipôle, la tension induite sera maximum quand le champ électrique est aligné avec le conducteur. Si ce n'est pas le cas, et qu'ils forment un angle de , la tension induite sera multipliée par . Cette formule donne donc l'atténuation en fonction de l'angle de dépolarisation.
Le schéma équivalent et la formule à droite sont valables pour tout type d'antenne. Ce peut être une antenne dipolaire, une antenne parabolique, une antenne Yagi-Uda ou un réseau d'antennes.
Notions relatives aux antennes réceptrices: les trois définitions suivantes découlent toutes de la formule du paragraphe précédent.
Longueur effective de l'antenne Puissance maximum disponible Surface effective ou section efficace
Caractéristiques
Les caractéristiques principales d'une antenne sont : les fréquences d'utilisation ; le diagramme de rayonnement ; l'impédance d'antenne ; la polarisation ; le rendement ; la puissance maximale tolérée en émission ; l'encombrement mécanique
Fréquence d'utilisation Une antenne s'utilise en général avec des signaux autour d'une fréquence donnée pour laquelle l'antenne possède des capacités optimales pour émettre ou recevoir l'énergie électromagnétique correspondante dans l'espace environnant. La fréquence de résonance d'une antenne dépend d'abord de ses dimensions propres, mais aussi des éléments qui lui sont ajoutés : on peut la mesurer approximativement avec un dipmètre. Par rapport à la fréquence de résonance centrale de l'antenne, un affaiblissement de détermine les fréquences minimum et maximum d'utilisation ; la différence entre ces deux fréquences correspond à la bande passante.
Par exemple, une antenne classique est l'antenne dipôle demi-onde, qui résonne à la fréquence pour laquelle sa longueur est d'une demi longueur d'onde avec une largeur de bande d'environ 1 % si elle est très mince. En pratique, et pour les fréquences élevées, le diamètre du conducteur n'est plus négligeable par rapport à la longueur d'onde, ce qui augmente considérablement sa bande passante. En règle générale: la bande passante d'une antenne diminue si l'antenne devient petite par rapport à la demi-onde : il n'existe pas d'antennes large bande et compactes. Du moins avec des pertes raisonnables. la bande passante d'une antenne filaire augmente si le diamètre du conducteur augmente.
Certaines antennes dites « multibandes » peuvent fonctionner correctement sur des segments discontinus de bande de fréquences sans dispositif particulier. D'autres nécessitent l'emploi d'un circuit adaptateur d'impédance pour fonctionner correctement.
Impédance d'antenne L'impédance d'antenne est la généralisation de la notion d'impédance utilisée pour les autres composants passifs (résistances, condensateurs, bobines…) appliquée aux antennes. Il s'agit donc du rapport complexe observé entre la tension et le courant à l'entrée d'une antenne en émission. L'utilité de cette notion est importante pour assurer les meilleurs transferts d'énergie entre les antennes et les dispositifs qui y sont connectés grâce aux techniques d'adaptation.
Une antenne prise entre ses deux bornes d'accès constitue donc un dipôle ayant une impédance complexe où et représentent respectivement la résistance et la réactance de l'antenne. La résistance d'antenne est elle-même la somme de deux types de résistance qui traduisent les différentes utilisations de l'énergie absorbée : la première est la résistance liée aux pertes par effet Joule dans l'antenne tandis que la deuxième est la résistance de rayonnement liée à l'énergie utile rayonnée par l'antenne dans l'espace qui l'entoure.
On dit d'une antenne qu'elle résonne sur une fréquence si à cette fréquence le terme imaginaire est nul. La puissance absorbée par l'antenne est la puissance absorbée par la résistance . La résistance de rayonnement est parfois qualifiée de fictive, car elle n'est pas soumise à la loi de Joule : en effet, la puissance absorbée par cette résistance est, à la différence d'une véritable résistance, transformée en rayonnement électromagnétique.