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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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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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.