Antennes verticales

Antennes verticales

Après vous être imprégné des articles précédents, nous allons aborder les antennes verticales, et bien entendu dans une démarche de vulgarisation et un cadre expérimentale…

Pour rappel :

1. L’antenne quart d’onde

L’antenne verticale dite quart d’onde est en fait une antenne demi-onde ou dipôle auxquels nous allons ajouter un plan de sol artificiel nommé radians, afin de corriger l’impédance à 50 Ω en fonction de l’inclinaison de ceux-ci.

Un Brin vertical (dipôle) avec des radians est une antenne dit demi-onde que l’on nommera Ground-Plane Antenna (GPA).

Pourquoi choisir une demi-onde alimentée en son centre ? Tout simplement pour se retrouver dans un ventre d’intensité, et donc un nœud de tension. (Voir article sur les antennes généralités).

1.1. Petit calcul pratique d’une Ground Plane

Les antennes verticales

Calculons un brin rayonnant quart d’onde :

Une longueur d’onde nommée lambda λ égale la vitesse de la lumière divisée par la fréquence [Pour limiter l’usage des zéros nous prendront 300/ fréquence en MHz (300000/446000)].

Exemple pour PMR 446 MHz :

  • 300/446 = 0.67 mètres
  • Soit un quart d’onde égale logiquement 0.67/4 soit 0.168 mètre.

Bien entendu, ça parait simple, trop simple car il faut tenir compte que la vitesse de la lumière ou de propagation des ondes qui est d’environ de 300 000 km/s en espace libre. Hors dans un conducteur il faut prendre en compte de la propriété du matériau utilisé à conduire l’énergie haute fréquence que l’on va nommer K, le coefficient de vélocité.

Sans se prendre la tête, le coefficient de vélocité couramment admit dans un conducteur cuivre ou alu est de 0.95 à 0.96. Donc notre élément quart d’onde et radian sera multiplié par K.

Dans notre exemple, 0.168 x 0.95 = 0.159 m. On a perdu 9 mm, ce qui n’est pas énorme contenu de la fréquence à exploiter et de la largeur de bande couverte par l’antenne, mais chaque microvolts perdu par désadaptation d’impédance ou par mauvaise réalisation est perdu !!!

La première étape de notre antenne verticale simple ground-plane est obtenue. Chaque élément fera 0.159 mètre.

Calculateur en ligne de GPA

1.2. Réalisation pratique d’une Ground Plane

Les outils :

  • 1 Scie à métaux (Ou une Dremel : disque carbone, brosse acier, meule fraise) ;
  • 1 Fer à souder 80 Watt avec une grosse panne ;
  • 1 Lime métal fine ;
  • Du métal d’apport étain min 60% [1,5mm de diamètre (183°)] ;
  • De la pâte décapante ;
  • De la toile émeri / Papier de verre finition ;
  • 1 Règle (double décimètre), mètre ;
  • 1 Rapporteur …

L’âme du câble coaxial est reliée à l’élément vertical et le blindage (la masse) aux radians. Pour des raisons pratiques, nous utiliserons 3 à 4 radians.

Antenne doublet demi-onde

L’antenne doublet demi-onde (croquis au-dessus) à une impédance en son centre d’environ 75 Ω.

Sur ce croquis (Wikipédia) les radians sont à 90 degrés par rapport à l’élément vertical ce qui amène à avoir une impédance d’environ 36 Ω. Nous voulons nous rapprocher le plus possible des 50 Ω « demandés » par l’émetteur et le récepteur. Pour ce faire il suffira de rabattre les radians à un angle de 135 degrés par rapport à l’élément vertical.

Au plus simple, se procurer une fiche support SO239 et une PL259 pour le câble coaxial ou une embase socle à souder fiche N et sa fiche pour le câble. Ou encore une rallonge et adaptateur SMA pour le portatif.

Pour la réalisation des 5 brins, on peut utiliser du fil électrique de 2.5 mm² dénudé, car la gaine d’isolation engendre des capacités supplémentaires et on devra donc raccourcir l’antenne par rapport aux calculs vus plus haut. On coupera alors les 5 longueurs d’éléments à 159 mm.

Personnellement, j’utilise des barres de laiton trouvées dans le magasin de bricolage du coin diamètre 3 mm.

 

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Une fois le matériel regroupé, on peut commencer.

Nettoyer les extrémités qui seront soudées avec un papier de verre. Étamer les extrémités des éléments avec un fer bien chaud et relativement puissant, genre 80 watts. Souder proprement le brin rayonnant sur la fiche SO239.

Voir la méthode de Seb le résilient, qui a préparé les pièces, et ajouté un renfort tubulaire creux par dessus le brin et la fiche SO239 :

 

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Tracer sur une feuille, un angle de 135 degrés entre le brin rayonnant et les radians. Ce tracé vous servira à respecter cet angle.

L’option cosse à souder permet de démonter l’antenne. Visser vos cosses à souder si vous avez pris cette option ou souder directement sur la fiche. Une fois fini, vérifier tout les angles et laisser refroidir !!!

Angle 135°

Reste à maintenir l’antenne ailleurs que directement sur la radio. Pour ce faire, j’utilise du tube IRO d’électricien diamètre 20 mm. Je vais me servir de l’extrémité manchonné, car le manchon a le parfait diamètre pour maintenir la fiche N (dans mon cas – il en est de même pour une PL259).

La longueur de ce tube IRO est suffisamment longue pour dépasser les radians. Disons une longueur supérieure à une demi-onde. Ensuite avec des colliers pour ces tubes IRO, effectuez la fixation de votre choix. Etant entendu que le câble coaxial descend dans le tube IRO sur au moins 1 quart d’onde.

Ce diamètre ne se trouve pas en PVC « plomberie » donc pas d’erreur possible. A savoir que pour solidifier son installation, on peut être tenté d’utiliser du PVC renforcé. Hors ce type de tuyau contient du carbone et ce dernier ne fait pas bon ménage avec l’électricité en générale mais également avec la haute fréquence.

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2. Antenne 5/8 ème d’onde

L’antenne verticale 5/8ème d’onde est connue pour son gain optimal, soit +2 à 3dB par rapport au quart d’onde si dessus. Son impédance présente l’avantage d’être relativement basse, avec une réactance (Xl) modérée à compenser. La bande passante en devient plus large et les pertes plus faibles. L’antenne s’accorde aisément à la base en jouant sur les inductances et la prise d’alimentation.

Afin de se rapprocher de l’impédance Zc recherchée, nous y ajouterons des radians quart d’onde. La longueur de ce contrepoids (radians) n’est pas critique et n’a que peu d’influence sur le gain et l’impédance propre de l’antenne. Néanmoins, il empêche la circulation de tout courant de gaine sur le câble coaxial d’alimentation.

Les radians à la base découplent l’antenne de l’influence du sol pour l’impédance mais pas pour le gain et l’angle de départ qui dépendent toujours des propriétés de réflexion du sol avec la polarisation verticale. (Rechercher influence du sol en zone de Fresnel pour les curieux).

A l’aide d’un analyseur de réseau vectoriel (NanoVna) effectuer une mesure au pied de l’antenne pour obtenir directement l’impédance sur le brin rayonnant :

On obtient environ 37 Ω pour l’impédance Zc et –j98 Ω pour la réactance (capacitive dans ce cas). L’adaptation peut se faire avec une inductance (self) à la base en série entre le pied de l’antenne et la fiche coaxiale. Cette inductance compenserait la partie réactive de 98 Ω pour ne laisser que la partie réelle de 37 Ω.

Cette solution offre un compromis pour un ROS inférieur à 1.35, mais ne met pas l’antenne à la masse de la structure afin d’offrir une protection contre les décharges atmosphériques. On préférera une adaptation par circuit dit en L avec deux inductances pour mettre le brin rayonnant à la masse. Ce mode d’adaptation offre l’avantage de transformer l’impédance de l’antenne en une charge purement résistive de 50 Ω, soit un ROS de 1. La mise au point se fera par petite touche.

Antenne 5/8 ème d’onde

Réunir le matériel nécessaire à savoir :

  • Un socle fiche N ;
  • Un support isolant à 9 mm de diamètre d’une longueur de 50 mm ;
  • 50 cm de conducteur rigide (baguette d’apport brasure par exemple ou tige de laiton, mais un peu trop fragile) ;
  • 4 x 161 mm pour les radians ;
  • Petite boite étanche pour loger la self ;
  • Tôle cuivre, alu, époxy double face 5 x 5 cm (préférez cuivre ou époxy).

Sur un support isolant d’un diamètre de 9 mm, bobiner 5 spires espacées avec, dans un premier temps du fil de cuivre dénudé ou du fil argenté. Le pied de l’ensemble, self et brin rayonnant, connecté au blindage de votre fiche socle N. Sur l’âme de votre fiche sera soudé un câble assez souple et ira chercher l’accord parfait au contact de la self disons vers le milieu de la bobine pour commencer.

Se déplacer en allant vers le brin rayonnant ou vers la masse pour trouver la résonance parfaite.
Je sais, vous allez me dire « on s’en fou, dis nous comment faire, on n’a pas tous un NanoVna !!! ».

2.1. Petit calcul pratique

Chercher lambda : 300/446.1 Mhz = 0.672 mm
Coefficient de vélocité environ 0.96

  • Brin rayonnant : 0.672 x 0.96 = 0.645 mm /8=0.080 x 5 = 0.403 mm
  • Radians : 0.672 / 4 = 0.168 mm

2.2. Réalisation pratique

  • Prendre la tôle de 5 x 5 cm, percer un trou central diamètre 16 mm pour y fixer la fiche socle N ;
  • Percer 4 trous 3 mm pour la fixation sur 3 points seulement ;
  • Percer également de part en part les quatre coins de cette plaque pour y fixer les radians à votre convenance (cosse à souder ou soudés directement).
  • Avec votre brin rayonnant garder 10 mm avant de commencer le bobinage. Sur un mandrin, queue de foret de 9 mm, bobiner 5 tours espacés sur une longueur de 40 mm. Si vous avez opté pour une baguette de brasure matériau rigide et donc peut casser au bobinage. Astuce, le chauffer légèrement pour l’attendrir.
  • Remettre le brin rayonnant dans l’axe de la bobine, retirer 7 mm des 10 gardés plus haut. Souder cette extrémité sur le 4 ème trou de la fiche socle.

Comme expliqué plus haut, souder sur l’âme de la fiche un fil souple le plus court possible pour aller chercher l’accord parfait. C’est assez délicat à trouver et ce n’est que par touche successives que vous aller y arriver.

Cette antenne mérite d’être réalisée car assez technique à faire, d’où une certaine fierté du résultat et dispose d’un gain non négligeable pour une verticale.

3. Antenne J et Slim Jim Les antennes verticales

L’antenne SLIM-JIM est clairement proche des caractéristiques techniques de l’antenne J. La propriété la plus importante est l’impédance caractéristique de 50 Ω (résistance au rayonnement) qui est aisée à adapter. Le gain est un peu supérieur. Elles ont toutes les deux des propriétés très proches mais sont d’une construction différente et ont un diagramme de rayonnement légèrement différent.

L’antenne Slim-Jim, le terme Slim signifie mince et JIM pour J Integrated Matching fait l’objet d’un brevet, mais rien n’empêche d’en fabriquer une pour son usage personnel et à titre expérimental. C’ est un dipôle replié d’une longueur égale à λ/2 dérivée de l’antenne J.

Il est attaqué à son extrémité par un transformateur quart d’onde d’adaptation.

La masse du coaxial se raccorde au brin court et l’âme sera raccordée au brin long. Il en sera ainsi pour les deux types d’antennes, la J et la SLIM-JIM. L’adaptation de la fréquence de résonance de la SLIM-JIM peut se faire en réduisant ou en augmentant la taille de la section inférieure λ/4 de l’antenne (c-d). Il se produit alors de faibles changements de fréquence dans la plage de fréquence déterminée.

Concernant les dimensions pour réaliser une slim-jim avec une fréquence centrale de 446.100 Mhz (comprenant les canaux analogiques et numériques) nous obtenons pour :

Slim-Jim

A et B : point d’alimentation pour trouver les 50 Ω

  • a = 32.3 cm
  • b = 0.7 cm
  • C + D = 16.1 cm
  • D = 1.6 cm
  • E = 1.5 cm (non critique)
  • F = 49.1 cm

Diamètre du conducteur sans grande importance puisque vous pouvez aussi bien la réaliser avec du twin lead que de la barre laiton 3 à 4 mm, tube ou barre d’alu …

La mise au point est assez critique en UHF. Si le T.O.S ne se trouve pas proche de 1 :1 en faisant glisser le câble coaxial de chaque côté, il faut modifier les dimensions de l’antenne. Hors en UHF, comme j’ai réalisé moi-même, c’est une seule barre d’aluminium d’une extrémité à l’autre. Dans ce cas aucun réglage n’est possible car il faut rallonger ou raccourcir les dimensions verticales. L’astuce est d réaliser cette antenne avec des tubes et barres de laiton qui coulissent l’une dans l’autre comme en VHF.

En VHF, réalisées avec du tube de cuivre, il est possible de fabriquer l’antenne avec des diamètres différents pour permettre d’allonger ou de raccourcir l’antenne tout en gardant l’intervalle b.

Slim-Jim

Pour toutes autres fréquences, je vous renvoi vers l’excellent article d’un RA anglais : https://m0ukd.com/calculators/slim-jim-and-j-pole-calculator/

De nombreuses autres réalisations sont disponibles sur le Net.

4. Symétrisation ou pas ?

L’alimentation directe par câble coaxial donne de bons résultats. En théorie, l’alimentation de l’antenne devrait s’effectuer par une ligne symétrique. Les courants parcourant la ligne 1/4 d’onde devraient être d’amplitudes égales et en opposition de phase. Sans symétrisation, il n’est pas exclu que la ligne 1/4 d’onde, voir la gaine du câble coaxial, participent au rayonnement de l’antenne. Oup’s.

La partie supérieure est l’élément rayonnant λ/2 et la partie inférieure un stub d’adaptation où l’impédance voulue est sélectionnée. Cette section ne rayonne pas.

Il est possible de mettre en place une symétrisation en insérant un transformateur balun 1:1 (Balun : balanced unbalanced pour équilibré déséquilibré) du type choke balun au niveau des points A et B. Ce balun peut être réalisé en enroulant par exemple 5 spires jointives de câble coaxial Ø 5 mm sur un petit morceau de tube PVC Ø 25 mm.

Vu son grand angle de départ, la J peut avantageusement être placée au sol. Le rayonnement sera envoyé selon un angle de 20° environ, dans l’espace. Avec la Slim-Jim, cet angle est bien plus petit et cette antenne mérite d’être placée très haut. La J est donc mieux adaptée pour sortir du trou que la Slim-Jim favorisant l’horizon.

Ref : les antennes F5AD, publication de M. Jean-Matthieu Stricker, MM Brault ingénieur et Piat. Et votre serviteur  !!!

5. Les antennes verticales, Il y en a bien d’autres

  • L’antenne colinéaire mono-bande ;
  • L’antenne colinéaire bi-bande ;
  • L’antenne à jupe ;
  • La topfkreis (compliquée à réaliser) ;

Bonne réalisation et bon trafic !

NB : les antennes nécessitant des réglages pointus méritent d’être mesurées à l’analyseur de réseau avant d’y raccorder un émetteur. Les dégâts peuvent être irrémédiables.

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