Plans au sol

Les plans de masse sont un élément clé dans la conception, le montage et les performances des antennes GPS et d'autres types d'antennes de véhicule. Bien qu'ils ne soient pas nécessaires pour toutes les antennes GPS et autres antennes de véhicules, ils peuvent souvent constituer une amélioration critique.

Dans ce court article, nous explorons l'utilisation des plans de masse dans une variété de types d'antennes GPS de premier plan et les paramètres physiques qui rendent les plans de sol efficaces.

Qu'est-ce qu'un plan de masse?

Un plan de masse est un composant d'antenne qui fournit une surface plane, horizontale et conductrice d'électricité sur laquelle une antenne peut être montée. Les plans de masse sont généralement circulaires et peuvent être intégrés dans la conception d'une antenne et son montage ou achetés séparément. La surface est généralement en métal et entièrement mise à la terre électriquement.

Le plan de masse remplit la fonction d'une terre artificielle pour l'antenne (comme si elle avait été montée sur la Terre) et est nécessaire lorsqu'il n'y a pas de conditions de sol appropriées ou que l'antenne sera montée en hauteur.

Les plans de masse améliorent la fonction de l'antenne en dirigeant les signaux de radiofréquence  vers l'antenne, en les amplifiant et en améliorant la réception du signal. Les plans ronds circulaires fournissent une surface réfléchissante pour les ondes radio, les ondes radio réfléchies créant une image de la moitié supérieure de l'antenne sur la surface du plan. De cette façon, le plan de masse fonctionne comme l'autre moitié de l'antenne, de la même manière qu'une antenne dipôle.

Pour que le plan de masse soit efficace, son rayon doit, au minimum, dépasser un quart de longueur d'onde de la fréquence de l'antenne (mesurée à partir de la base de l'antenne). Le plan conducteur n'est pas toujours circulaire et, dans certaines conceptions, le plan de masse est reproduit à l'aide de radiaux ou de rayons d'un quart de longueur d'onde positionnés perpendiculairement à la base de l'antenne. Les radiales produisent le même effet qu'un plan de masse entièrement circulaire.

Les types de plans de masse fonctionnels varient considérablement. De nombreuses plaques rectifiées sont des plaques ou des disques métalliques d'épaisseur variable. Les supports d'antenne magnétiques peuvent fournir une connexion à une surface métallique qui peut fonctionner comme un plan de masse grâce à un couplage capitatif. Des kits radiaux rectifiés avec différents nombres de rayons peuvent également être utilisés.

Pourquoi les antennes GPS ont-elles besoin de plans de masse?

Les signaux GPS et autres signaux GNSS sont connus pour être relativement faibles, en raison de l'atténuation significative subie lorsqu'ils voyagent à partir de satellites en orbite terrestre moyenne à travers l'ionosphère et l'atmosphère de la Terre. Ils sont également affectés par des phénomènes optiques (réflexion, réfraction, etc.) qui peuvent générer des trajets multiples importants, retardant l'acquisition du signal et une fixation fiable.

Les avantages de l'utilisation d'un plan de masse d'antenne GPS sont les suivants:

• Amélioration du temps de convergence pour le GPS
• Protection contre les effets des trajets multiples et d'autres formes de brouillage
• Élargissement du diagramme d'antenne
• Amélioration de la précision de la position
• Augmentation du gain d'antenne qui peut être obtenue

Plans de masse pour les principaux types d'antennes GPS

Les antennes GPS peuvent dépendre du plan de masse ou être indépendantes du plan de sol, ce qui signifie qu'elles peuvent fonctionner de manière optimale sans avoir besoin d'un plan de sol.

Pour les antennes dépendantes du plan de masse, la fonction de l'antenne sera altérée sans l'inclusion d'un plan de masse, généralement un disque métallique. La taille du plan de masse de l'antenne GPS et le centrage de l'antenne sur celui-ci peuvent également affecter la fréquence centrale de l'antenne, en l'éloignant des fréquences GNSS cibles. Les principaux types d'antennes GPS qui nécessitent un plan de masse sont les suivants:

• Antennes GPS patch: sont l'un des types d'antennes GPS les plus courants car elles peuvent être intégrées dans une gamme d'appareils et de conceptions d'antennes. Ils sont souvent intégrés dans des antennes patch qui se trouvent sur le toit métallique d'une voiture, ce qui fournit la surface métallique nécessaire. Ils sont généralement fabriqués en céramique et en métal, montés sur une plaque de base métallique. Un plan de masse pour une antenne patch permet d'augmenter considérablement le gain de l'antenne et les performances globales, surtout si le plan de masse est grand.
• Antennes GNSS à puce: sont de  petites antennes omnidirectionnelles à faible coût  qui connaissent une amélioration significative des performances à mesure que la taille de leur plan de sol disponible augmente. L'impact des plans de masse sur l'efficacité des antennes à puce signifie qu'un plan de masse suffisamment grand doit être pris en compte dans la conception du dispositif dans lequel l'antenne sera intégrée. Sans un plan de masse adéquat, une antenne GPS à puce ne fonctionnera pas correctement.
• Antennes à éléments fractals: comptez également sur la taille du plan de sol pour offrir des performances adéquates.

Les types d'antennes GPS notables indépendantes du plan de sol comprennent les antennes boucles et les antennes dipôles. L'absence de besoin d'un plan de masse les rend très pratiques. Les antennes Helix n'ont généralement pas besoin de plans de masse. Les performances d'une antenne hélicoïdale peuvent être améliorées dans les cas où un plan de masse est inclus, mais dans certains cas, l'antenne peut devenir plus sensible aux interférences.

Conclusion

Les plans au sol jouent un rôle essentiel dans l'optimisation des performances de nombreuses antennes GPS et de véhicules, en particulier celles qui reposent sur une surface conductrice réfléchissante pour augmenter le gain, réduire les interférences et améliorer la fiabilité globale du signal. Bien que tous les types d'antennes ne les exigent pas, comprendre quand et comment utiliser un plan de masse est essentiel pour obtenir des performances GNSS précises et stables. En associant la conception de l'antenne aux caractéristiques appropriées du plan de masse, les ingénieurs et intégrateurs peuvent considérablement améliorer l'acquisition du signal, la précision positionnelle et l'efficacité du système dans un large éventail d'applications.