Généralités Sur Les Antennes
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7/25/2019 Gnralits Sur Les Antennes
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Gnralits sur les antennes
Introduction
Le domaine des tlcommunications a connu un progrs technologiques au cours de ces
dernires annes grce la forte demande de la population et de l'industrie. Parmi lesapplications de ce domaine qui ont attir plus d'attentions- sont les antennes. Elles sont des
lments indispensables pour assurer une opration d'mission ou de rception des ondes
lectromagntiques dans l'atmosphre terrestre ou dans l'espace. Elles sont prsentes dans tous
les systmes de communication sans fil.
En fait la frquence d'onde millimtrique une antenne cornet est gnralement utilise en
raison de sa haute performance. !ependant ce type d'antennes prsente quelques
incon"nients tels que la taille et le co#t. Par ailleurs l'utilisation des frquences de plus enplus le"es dans les systmes micro-ondes base de structure micro ruban a t l'origine du
d"eloppement des antennes les antennes patchs antenne fente et ou"erture couple. !es
antennes sont utilises beaucoup dans les configurations rseau$ afin d'amliorer leurs
performances et de permettre la ralisation des fonctions trs particulires telles que % le
pointage et le balayage lectronique la dtection adaptati"e et la gnration de diagrammes
de rayonnement "aris ou dsirs. !ependant au$ bandes millimtriques ces configurations
de micro ruban souffrent de perte d'insertion en raison du conducteur. En ralit le
d"eloppement des nou"eau$ systmes de tlcommunications ncessite des "olutions
technologiques ma&eures au ni"eau des antennes. !es dernires doi"ent faire face au$
diffrents problmes e$istant soit l'augmentation de la porte l'largissement de l'angle de
cou"erture et l'intgration dans les surfaces porteuses telles que les a"ions fuses .... Pour
remdier ces problmes les antennes conformes sont les meilleures candidates puisqu'elles
ont la proprit d'tre compatible a"ec la structure porteuse de fonctionner dans la bande
millimtrique d'a"oir une bande passante plus large et de garantir une bonne cou"erture. !e
document est rparti sur quatre chapitres. Le premier chapitre comprend quelques gnralits
sur le principe de fonctionnement des antennes. (n commence par donner un aper)u sur les
gnralits sur les antennes. Les caractristiques d'antennes telles que* le diagramme de
rayonnement gain et directi"it la polarisation et la bande passante. Le deu$ime chapitre a
t consacr sur l+tude de l+intrt des antennes guides d+ondes dans le domaine des
tlcommunications. Le troisime chapitre est consacr L+application des antennes guides
d+ondes en tlcom. ,ans le quatrime chapitre nous allons "oir quels sont les problmes
lis au$ applications des antennes guide d+ondes.
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!aractristiques des antennes.
Les caractristiques principales d'une antenne sont :
les frquences d'utilisation *
le diagramme de rayonnement *
l'impdance d'antenne *
la polarisation *
le rendement *
la puissance ma$imale tolre en mission *
l'encombrement mcanique
Frquence d'utilisation
ne antenne s'utilise en gnral a"ec des signau$ autour d'une frquence donne pour laquellel'antenne possde des capacits optimales pour mettre ou rece"oir l'nergie
lectromagntique correspondante dans l'espace en"ironnant. La frquencede rsonanced'une
antenne dpend d'abord de ses dimensions propres mais aussi des lments qui lui sont
a&outs % on peut la mesurer appro$imati"ement a"ec undiamtre. Par rapport la frquence
de rsonance centrale de l'antenne un affaiblissement de d/ dtermine les frquences
minimum et ma$imum d'utilisation * la diffrence entre ces deu$ frquences correspond la
bande passante.
la bande passante d'une antenne diminue si l'antenne de"ient petite par rapport la
demi-onde % il n'e$iste pas d'antennes large bande et compactes. ,u moins a"ec des
pertes raisonnables.
la bande passante d'une antenne filaire augmente si le diamtre du conducteur
augmente.
http://fr.wikipedia.org/wiki/Fr%C3%A9quencehttp://fr.wikipedia.org/wiki/R%C3%A9sonancehttp://fr.wikipedia.org/wiki/Dipm%C3%A8trehttp://fr.wikipedia.org/wiki/Dipm%C3%A8trehttp://fr.wikipedia.org/wiki/Bande_passantehttp://fr.wikipedia.org/wiki/Bande_passantehttp://fr.wikipedia.org/wiki/R%C3%A9sonancehttp://fr.wikipedia.org/wiki/Dipm%C3%A8trehttp://fr.wikipedia.org/wiki/Bande_passantehttp://fr.wikipedia.org/wiki/Fr%C3%A9quence -
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!ertaines antennes dites 0 multibandes 1 peu"ent fonctionner correctement sur des segments
discontinus de bande de frquences sans dispositif particulier. ,'autres ncessitent l'emploi
d'un circuit adaptateur d'impdancepour fonctionner correctement.
L'impdance d'antenne est la gnralisation de la notion d'impdanceutilise pour les autres
composants passifs 2rsistances condensateurs selfs...3 au$ antennes. 4l s'agit donc du rapport
comple$e obser" entre la tension et le courant l'entre d'une antenne en mission. L'utilit
de cette notion est importante pour assurer les meilleurs transferts d'nergie entre les antennes
et les dispositifs qui y sont connects grce au$ techniques d'adaptation.
Polarisation
La polarisation d'une antenne est celle du champ lectriqueE de l'onde qu'elle met. n
dip5le demi-onde hori6ontal a donc une polarisation hori6ontale d'autres antennes ont une
polarisation elliptique ou circulaire.
En rception l'cart entre la polarisation re)ue et celle de l'antenne cre une attnuation
pou"ant tre totale si la polarisation est perpendiculaire. La polarisation circulaire est utilise
si les antennes d'mission et rception sont orientes de fa)on alatoire par e$emple pour les
satellites dfilants ou non stabiliss.
Diagramme de rayonnement
L'antenne isotropec'est--dire rayonnant de la mme fa)on dans toutes les directions est un
modle thorique irralisable dans la pratique. En ralit l'nergie rayonne par une antenne
est rpartie ingalement dans l'espace certaines directions tant pri"ilgies % ce sont les
0 lobes de rayonnement 1. Le diagramme de rayonnementd'une antenne permet de "isualiser
ces lobes dans les trois dimensions dans le plan hori6ontal ou dans le plan "ertical incluant le
lobe le plus important. La pro$imit et la conductibilit du sol ou des masses conductrices
en"ironnant l'antenne peu"ent a"oir une influence importante sur le diagramme de
rayonnement. Les mesures sur les antennes sont effectues en espace libre ou en chambre
ancho7que.
Le diagramme de rayonnement complet peut tre rsum en quelques paramtres utiles %
Directivit
http://fr.wikipedia.org/wiki/Adaptateur_d'imp%C3%A9dancehttp://fr.wikipedia.org/wiki/Imp%C3%A9dance_(%C3%A9lectricit%C3%A9)http://fr.wikipedia.org/wiki/Adaptation_d'imp%C3%A9danceshttp://fr.wikipedia.org/wiki/Adaptation_d'imp%C3%A9danceshttp://fr.wikipedia.org/wiki/Champ_%C3%A9lectriquehttp://fr.wikipedia.org/wiki/Champ_%C3%A9lectriquehttp://fr.wikipedia.org/wiki/Antenne_isotropehttp://fr.wikipedia.org/wiki/Antenne_isotropehttp://fr.wikipedia.org/wiki/Antenne_isotropehttp://fr.wikipedia.org/wiki/Diagramme_de_rayonnementhttp://fr.wikipedia.org/wiki/Chambre_an%C3%A9cho%C3%AFquehttp://fr.wikipedia.org/wiki/Chambre_an%C3%A9cho%C3%AFquehttp://fr.wikipedia.org/wiki/Adaptateur_d'imp%C3%A9dancehttp://fr.wikipedia.org/wiki/Imp%C3%A9dance_(%C3%A9lectricit%C3%A9)http://fr.wikipedia.org/wiki/Adaptation_d'imp%C3%A9danceshttp://fr.wikipedia.org/wiki/Champ_%C3%A9lectriquehttp://fr.wikipedia.org/wiki/Antenne_isotropehttp://fr.wikipedia.org/wiki/Diagramme_de_rayonnementhttp://fr.wikipedia.org/wiki/Chambre_an%C3%A9cho%C3%AFquehttp://fr.wikipedia.org/wiki/Chambre_an%C3%A9cho%C3%AFque -
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Si possible mettre un scema de directivit
,iffrents diagrammes d'mission d'antennes
La directi"it de l'antenne dans le plan hori6ontal est une caractristique importante dans le
choi$ d'une antenne.
ne antenne quidirecti"e ou omnidirectionnelle rayonne de la mme fa)on dans toutes les
directions du plan hori6ontal.
ne antenne directi"e possde un ou deu$ lobes nettement plus importants que les autres
qu'on nomme 0 lobes principau$ 1. Elle sera d'autant plus directi"e que le lobe le plus
important sera troit. La directi"it correspond la largeur du lobe principal entre les angles
d'attnuation d/.
Pour toutes les antennes la dimension constitue un paramtre fondamental pour dterminer la
directi"it. Les antennes directi"it et gain le"s seront tou&ours grandes par rapport la
longueur d'onde. 4l e$iste en effet des relations mathmatiques 2transformation de 8ourier3
entre les caractristiques spatiales et le diagramme de rayonnement.
Gain
Legaindfinit l'augmentation de puissance mise ou re)ue dans le lobe principal. 4l est d# au
fait que l'nergie est focalise dans une direction comme l'nergie lumineuse peut tre
concentre grce un miroiret9ou une lentillecon"ergents. 4l s'e$prime en d/i 2dcibelspar
rapport l'antenne isotrope3. Pour une antenne le miroir peut tre constitu par un lment
rflecteur 2cran plan ou parabolique3 tandis qu'un lment directeur 2dans une antenne :agi
par e$emple3 &ouera le r5le de la lentille.
!endement
http://fr.wikipedia.org/wiki/Gain_d'antennehttp://fr.wikipedia.org/wiki/Gain_d'antennehttp://fr.wikipedia.org/wiki/Miroirhttp://fr.wikipedia.org/wiki/Lentille_optiquehttp://fr.wikipedia.org/wiki/D%C3%A9cibelhttp://fr.wikipedia.org/wiki/Antenne_isotropehttp://fr.wikipedia.org/wiki/Antenne_isotropehttp://fr.wikipedia.org/wiki/Antenne_Yagihttp://fr.wikipedia.org/wiki/Gain_d'antennehttp://fr.wikipedia.org/wiki/Miroirhttp://fr.wikipedia.org/wiki/Lentille_optiquehttp://fr.wikipedia.org/wiki/D%C3%A9cibelhttp://fr.wikipedia.org/wiki/Antenne_isotropehttp://fr.wikipedia.org/wiki/Antenne_Yagi -
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La somme des puissances mises dans toutes les directions dfinit la puissance effecti"ement
rayonne. Le rapport a"ec la puissance fournie par la ligne de transmission dfinit son
rendement. La rsistance 2partie relle de l'impdance3 prsente par l'antenne a deu$
origines %
la rsistance de rayonnement. L'nergie absorbe par la rsistance de rayonnement est
en fait l'nergie rayonne par l'antenne.
la rsistance de pertes. L'nergie absorbe par cette rsistance est dissipe en chaleur
par l'antenne par effet &oule dans les rsistances ou par pertes dans les dilectriques.
Le rendement est fonction du rapport entre ces deu$ rsistances. ne antenne aura un bon
rendement si la rsistance de pertes est faible de"ant la rsistance de rayonnement. Les
antennes du type dip5le demi-onde ou monopole ont en gnral une rsistance de
rayonnement bien plus le"es que leur rsistance de pertes et leur rendement reste donc bon.
Puissance ma"imale en mission
Le rendement dfinit la puissance effecti"ement rayonne la puissance non rayonne est
dissipe thermiquement soit dans les fils raccords "isseries etc. ce qui limite la puissancemoyenne tolre. La puissance crte ma$imale tolre dpend du champ lectrique a"ant
amor)age en chaque point de l'antenne dans les lignes pointes guides supports isolants. Le
point le plus critique est en gnral la ligne de transmission coa$iale ou guide % son diamtre
doit tre adapt ainsi que son dilectrique.
Formes et dimension
La forme et les dimensions d'une antenne sont e$trmement "ariables % celle d'un tlphoneportable est parfois in"isible car l'intrieur du bo;tier ou se limitant une petite e$croissance
sur l'appareil tandis que la parabole duradiotlescope d'rs grossirement on peut dire que pour la mme frquence d'utilisation les dimensions
d'une antenne seront d'autant plus grandes que son gain sera le" et son lobe principal plus
troit * La taille et la forme de l+antenne ne sont donc que la consquence de l+ob&ectif "is en
utilisant cette antenne.
http://fr.wikipedia.org/wiki/Radiot%C3%A9lescope_d'Arecibohttp://fr.wikipedia.org/wiki/Radiot%C3%A9lescope_d'Arecibohttp://fr.wikipedia.org/wiki/Radiot%C3%A9lescope_d'Arecibo -
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>horiquement toutes les formes d+antennes pourraient tre utilises pour capter n+importe
quel signal mais sui"ant les types d+antennes de nombreuses contraintes peu"ent appara;tre
pour atteindre les ob&ectifs "iss %
>aille trop grande de l+antenne qui la rend irralisable ou impossible grer !o#t trop
important par rapport au ser"ice rendre.
?ystme de pointage trop onreu$ si l+on souhaite raliser un alignement prcis.
?ignal de mau"aise qualit.
Les di##rents types d$antennes
%on#&res SS
Le guide d$onde
En dehors de leur parcours en espace libre les ondes se dplacent dans un en"ironnement qui
les confine dans un espace dfini.
Plusieurs solutions e$istent. !hacune est adapte une plage de longueur d+onde bien
spcifique %
Fibre optique :domaine du "isible
%(ble coa"ial :frquences infrieures @AB6
Guide d$onde :frquences micro-onde
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Sttoscope :frquence d+ondes acoustiques
Les guides d+ondes sont de simples conduits passifs rectangulaires ou circulaires et dont la
forme permet le transport d+ondes %
Sans ncessiter d$nergie :la simple forme du conduit et la taille de sa section
permet le transport
Sans trop de pertes :?+agissant d+une conduite utilisant uniquement les proprits
des ondes il y a trs peu de pertes contrairement au$ cbles oC l+attnuation est
importante pendant le transport
)vec un #iltrage naturel :les longueurs d+ondes transportes sont proches de la taille
de la section du guide d+onde ou de sa demi-taille. ?ans utiliser de filtre lectronique
seule la plage d+onde "ise est transporte
)vec #iabilit :l+absence de pice acti"e garantit la fiabilit du systme et l+absence
de panne mme dans des conditions difficiles 2espace climat rigoureu$ etc3
!es a"antages font des guides d+ondes des lments indispensables des antennes satellitesque ce soit au sol pour la rception ou l+mission ou dans les satellites principalement en tant
qu+interface entre la partie qui concentre les ondes et la partie qui les transforme en signal
lectrique.
Les antennes guide d$ondes
ne antenne guide d+onde est une antenne directionnelle qui pri"ilgie la propagation
d+ondes de frquence donne dans une direction particulire et selon un angle d+ou"erture
prcis. !e genre de dispositif se r"le bien adapt pour capter le signal d+un point loign
2par e$emple une maison "ue plusieurs centaines de mtres3 ou bien pour compenser les
pertes dues des obstacles situs entre la source et l+antenne 2entre les tages d+une maison
dont les murs parasitent fortement le signal comme le mchefer ou le bton arm3.
Les antennes cornets
Le premier type d+antenne que l+on rencontre frquemment dans le domaine des satellites que
ce soit en "ol ou au sol est la famille des antennes cornets.
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Fonctionnement des antennes cornets
L+antenne cornet fonctionne comme un entonnoir qui "a %
*n rception :amener les ondes "ers l+embout du guide d+onde
*n mission :raliser un passage Den douceur+ des ondes du milieu confin du guide
d+onde "ers l+espace libre. ?ans cela il y aurait une perte de puissance importante.
Les avantages des antennes cornets
Les a"antages de ces antennes sont principalement %
leur petite taille lorsque l+on reste dans le domaine des micro-ondes ce qui est le cas
des communications satellites
leur compacit et leur robustesse qui en font des ob&ets asse6 simples intgrer et
stables dans le temps
leur faible gain qui en font des collecteurs 9 metteurs bien adapts lorsque l+on
souhaite cou"rir un champ asse6 large
+aille des antennes cornets
La taille de l+antenne cornet est directement lie la taille des longueurs d+ondes "ises. !+est
pourquoi elles sont plus sou"ent utilises dans les micro-ondes et longueurs d+onde
priphriques % les cornets ne sont pas de taille trop imposante.
Par e$emple une antenne cornet pour des frquences %
de = = AB6 ne mesurera que @= centimtres de section pour un gain de F= d/
au$ alentours de @AB6 il faudra utiliser une antenne de section suprieure G= cm
pour @Gd/
Lorsque l+on "eut capter des signau$ e$trmement faibles comme en radioastronomie il faut
construire des antennes c de trs grandes tailles.
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!alisation des antennes cornets
?i l+on souhaite faire rayonner en espace libre une onde lectromagntique guide par un
guide d+onde rectangulaire par e$emple une ide simple consiste proposer de laisser
l+e$trmit du guide ou"erte permettant ainsi l+nergie lectromagntique de se propager
librement dans l+espace. ?i on procde de cette manire on constate qu+une fraction trs
faible de l+nergie incidente sur l+ou"erture est rayonne tandis que la ma&eure partie est
rflchie l+ou"erture du guide. !e phnomne peut tre analys en comparant les
impdances d+onde du guide et de l+espace libre qui sont trs diffrentes % il e$iste donc
l+e$trmit ou"erte du guide une rupture d+impdance qui conduit la rfle$ion de la quasi-
totalit de l+nergie incidente 2la condition au$ limites sur un circuit ou"ert conduit dans le
cas idal une rfle$ion totale3.
Pour attnuer ce phnomne l+ide la plus simple consiste pr"oir une 6one de transition
entre le guide et l+espace libre % en augmentant progressi"ement les dimensions du guide on
se rapproche des conditions de propagation en espace libre et la transition a"ec l+espace libre
se fera plus naturellement % on ralise ainsi une antenne cornet.
Les antennes patc
ne antenne patch consiste en un lment mtallique de forme quelconque 2rectangulaire circulaire fente ou formes plus labores3 dpos sur la surface d+un substrat dilectrique qui prsente surl+autre face un plan conducteur 2plan de masse3. ne antenne patch rectangulaire est l+antenne patch laplus courante sa structure est dtaille ci-dessous. Les dimensions du patch sont gnralement del+ordre de la demi-longueur d+onde. Le choi$ de la longueur est guid par la frquence de rsonance donner l+antenne. Le plan de masse ne pou"ant pas tre infini il peut tre gal ou quatre fois lalongueur d+onde ce qui reprsente parfois un encombrement trop important. n plan de masse plus
petit conduira une modification des proprits de l+antenne. Les caractristiques du substrat influentsur celles de l+antenne. En gnral sa permitti"it doit tre faible il doit tre d+paisseur ngligeablede"ant la longueur d+onde et prsenter de faible perte
2. Principe de fonctionnementL+lment rayonnant le plus classique est un rectangle et nous ne nous concentrerons que surce type d+antennes. Pour plus d+informations sur des antennes patch de formes ne antenne patch peuttre "ue comme une ligne de transmission 2ligne microruban3 ou"erte chacune de ses e$trmits. !esF discontinuits se comportent comme deu$ e$trmits rayonnantes. La deu$ime manire de traiterune antenne patch est de la considrer comme une ca"it rsonante forme par le patch le plan demasse et les bords. En basse frquence la ca"it peut tre considre comme une capacit qui stocHedes charges et dans laquelle un champ lectrique uniforme est cr entre le patch et le plan de masse.
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7/25/2019 Gnralits Sur Les Antennes
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Les antennes cicor ou ricor
!+est une boite de conser"e con"ertie en antenne cornet. Les dimensions particulires de la
boite de conser"e de la clbre marque Iicor tant trs proches des dimensions optimales
d+une antenne cornet fait maison le terme d+antenne Iicor est au&ourd+hui largement utilis.
J titre de comparaison une 0 "raie 1 antenne cornet fait maison admet un gain de signal
d+en"iron @Fd/i alors qu+a"ec une boite Iicor con"ertit en antenne cornet le gain est plut5t
de Kd/i. n peu moins donc mais l+utilisation d+une boite de conser"e facilite grandement la
construction de l+antenne. La boite Iicor c+est un peu un lment prfabriqu. (n lui
pardonnera donc de ne pas tre dans les dimensions optimales.
L+antenne Iicor est l+u"re de radioamateurs ces personnes folles d+e$primentation en
techniques de transmission. Les radioamateurs sont des bricoleurs qui s+amusent chercher de
nou"eau$ moyens d+e$ploiter les ondes radio et autres frquences lectromagntiques mais
des fins personnelles ce n+est qu+un hobby. !ela n+a pas empch la communaut mondiale
des radioamateurs de contribuer de nombreuses a"ances en matire de tlcommunication.
4ls sont en quelque sorte des chercheurs anonymes et dsintresss. Et ce sont donc eu$ qui
ont in"ent l+antenne Iicor.
.Intr,t et #onctionnement d$une antenne -i#i !icor
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7/25/2019 Gnralits Sur Les Antennes
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La force du signal Mifi pose sou"ent problme dans une grande maison et parfois dans de
petits appartements oC de nombreu$ matriels lectroniques crent des interfrences. Isultat
difficile de se connecter au rseau Mifi de sa bo$ situe dans une pice "oisine car les ondes
sont freines "oire stoppes par les murs et autres matriau$ qui absorbent les ondes.
,ans ces circonstances le rfle$e de chacun est d+acheter un amplificateur Mifi une antenne
Mifi ou un rpteur Mifi. Pourtant a"ec une antenne Iicor on peut obtenir le mme rsultat
moindre co#t.
En effet nous a"ons "u plus haut que certains matriels et matriau$ absorbaient les ondes
Mifi. ne boite de conser"e absorbe elle aussi des ondes de la mme manire. 4l suffit donc
de faire un petit bricolage pour pou"oir capter les ondes que rcupre la boite Iicor. Nous"ous proposons de raliser une antenne directionnelle de type bo;te de chicore c+est--dire en
utilisant une bo;te mtallique cylindrique comme base. !e type d+antenne est un guide d+onde
particulirement utilis en cas de liaison point--point longue distance 2&usqu+ F Hm3.
>echniquement c+est la porte de tous qu+initirent les pionniers du Mi8i en effectuant des
liaisons fiables de plusieurs Hilomtres a"ec des lments radio con)us l+aide de
rcupration de matriau$ de la "ie quotidienne.
Pour toute technologie utilisant comme mdia les ondes radiolectriques il est essentiel
d+utiliser des antennes adaptes en frquence et en polarisation pour obtenir de bonnes
performances. !onnaissant les dimensions du guide d+onde en question qui dpendent
directement de la frquence radio employe il est relati"ement facile de construire sa propre
antenne pri$ rduit
!alisation d$une antenne cicore
Nous "ous proposons de raliser une antenne directionnelle de type bo;te de chicore
2IicoreO par e$emple3 c+est--dire en utilisant une bo;te mtallique cylindrique comme
base. !e type d+antenne est un guide d+onde particulirement utilis en cas de liaison point--
point longue distance 2&usqu+ F Hm3. >echniquement c+est la porte de tous qu+initirent
les pionniers du Mi8i en effectuant des liaisons fiables de plusieurs Hilomtres a"ec des
lments radio con)us l+aide de rcupration de matriau$ de la "ie quotidienne.
Pour toute technologie utilisant comme mdia les ondes radiolectriques il est essentiel
d+utiliser des antennes adaptes en frquence et en polarisation pour obtenir de bonnes
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performances. !onnaissant les dimensions du guide d+onde en question qui dpendent
directement de la frquence radio employe il est relati"ement facile de construire sa propre
antenne pri$ rduit.
)pplications
L+emploi de deu$ guides d+onde de part et d+autre pour tablir une liaison n+est pas
obligatoire mais permet nanmoins d+augmenter la distance qu+il est possible de parcourir
sans relais.