genera lite sur les antennes

8/3/2019 Genera Lite Sur Les Antennes

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Gnralits sur les antennes HF (amateur)

Robert BERRANGER, F5NB

Article publi dans Radio-REF de mai 2005

Il nest pas question ici de faire un cours sur les antennes HF, il faudrait monopoliser les

pages de Radio-REF pendant plusieurs annes (et je ne suis pas spcialiste). Je me

contenterai donc dun rappel succinct de quelques notions fondamentales, qui semblent

parfois oublies. Merci aux "Jean-Pierre" de "All docteur ?", F6FQX et F6BPS, ainsi

qu F6AEM, pour leur contribution sous forme de relecture "active".

Antenne ? Vous avez dit "antenne" ?

Tout conducteur dont la longueur nest pas ngligeable devant la longueur donde et qui

est parcouru par un courant HF gnre un champ lectromagntique complexe. Si ce champ

nest pas neutralis par un champ inverse (comme dans une ligne), alors une partie de celui-ci

se propage (champ actif) tandis que lautre partie (champ ractif) reste comme attach au

conducteur. Dans cette situation, le conducteur est appel antenne . Le champ actif rayonn

constitue des pertes par rayonnement qui sajoutent aux autres pertes, par effet Joule, dans les

conducteurs et les dilectriques (sol), etc On dfinit une rsistance de rayonnement (Rr)

quivalente celle qui, parcourue par le courant de lantenne, dissiperait la mme puissance

que celle rayonne. Cette rsistance sajoute aux rsistances de pertes (Rp) pour constituer la

rsistance dantenne (Ra) et dissiper la puissance totale fournie au systme antennaire.Un champ lectromagntique, comme son nom lindique peut tre dcompos en deux

champs : un champ lectrique et un champ magntique en quadrature. Si pour les champs

ractifs, la proportion entre les deux composantes dpend du producteur, bobine ou

condensateur, pour le champ actif rayonn, la proportion entre les deux composantes ne

dpend que du milieu de propagation, quel que soit le systme qui la produit, boucle ou

fouet.

Une antenne peut tre involontaire (rayonnement parasite), ou "tudie pour". Dans ce

dernier cas, on cherche ce quelle rayonne le maximum de la puissance que peut fournir un

metteur. Celui-ci tant un gnrateur bipolaire (deux bornes en sortie), lantenne devra tre

diple aussi, cest dire compose, soit de deux brins ariens, soit dun brin arien et dun

"contrepoids" (voir plus loin), soit dune boucle.

La liaison entre lmetteur et lantenne se fera avec une ligne adapte. Lensemble antenne,

ligne et metteur aura des caractristiques lectriques telles que le transfert dnergie sera

maximum entre lmetteur et lantenne (adaptation de lantenne).

Ensuite on cherchera ce que le maximum de la puissance consomme par lantenne soit

effectivement rayonn (rendement lectrique de lantenne).

Enfin, on installera lantenne dans un environnement (gomtrie, position, hauteur au dessus

du sol, etc) tel que le rayonnement soit maximum dans une direction privilgie

(directivit (gain) de lantenne).


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Polarisation de londe.

La polarisation de londe mise est dtermine par la direction du champ lectrique compare

au sol. Elle est "horizontale" pour un fil horizontal (parallle au sol), "verticale" pour un fil

vertical (perpendiculaire au sol) et "incline" pour tous les cas mixtes (nous naborderons pas

la polarisation circulaire, inutilise en HF).Une diffrence fondamentale entre les polarisations H et V rsulte de la contribution du sol

la formation du diagramme de rayonnement. Pour un angle dincidence donn, londe

grande distance est la combinaison dune onde directe et dune onde rflchie par le sol. Lors

de cette rflexion, deux phnomnes se produisent :

- une partie de lnergie est absorbe par le sol- londe quil rflchit subit un dphasage.Or les ondes polarises horizontalement, contrairement aux ondes polarises verticalement, et

quels que soient le sol et lincidence, se rflchissent pratiquement sans pertes et en phase.

Ainsi pour un sol moyen (jardin), le gain dun doublet H sur celui dun doublet V peut

atteindre 5 dB.

Une autre diffrence concerne la contribution du sol la formation du diagramme vertical.

Pour toutes les antennes prs du sol, le diagramme vertical est compos dun nombre de lobes

qui va en augmentant avec la hauteur de lantenne au dessus du sol (plus un par demi-onde).

Lorsque le fil fait un angle de 90 avec le sol, cas de la verticale, la combinaison de londe

directe et de londe rflchie par le sol est maximum dans une direction parallle celui-ci

(0), les diagrammes commencent donc par un demi lobe. Ceci est montr par la thorie des

images largement invoque dans la littrature. Mais, elle nest applicable que pour un sol

parfaitement conducteur, ce qui nest jamais obtenu en pratique. Avec un sol ordinaire, le

diagramme se "referme" 0 comme montr plus loin dans le chapitre "Lantenne monople".

Pour une antenne horizontale, les diagrammes dbutent par un minimum et il lui faut une

hauteur de 0,5 pour commencer avoir un gain acceptable 10 dlvation. Par contre le

diagramme est trs peu influenc par la nature du sol.

En pratique, avec un sol moyen, si lon considre le gain pour des angles entre 5 et 10 (long

DX), le doublet H ne surpasse le doublet V que sil est une hauteur suprieure 0,5 (par

ailleurs, hauteur souvent ncessaire pour avoir un bon dgagement).

Lantenne diple filaire.

Lantenne diple est constitue de deux fils conducteurs relis aux deux bornes de lmetteur.

Ces fils peuvent tre en ligne, parallles (partiellement), angle droit ou angle quelconque,

gaux ou ingaux, libres ou runis (boucle). Ils peuvent tre disposs horizontalement,verticalement, en oblique ou mixte. Lensemble peut tre lectriquement rsonant ou non.

Fonctionnement lectrique du diple :

Les fils constituent des selfs en srie avec la capacit qui existe entre les deux brins du diple.

Nous avons donc un circuit rsonant srie dont lamortissement est principalement d la

rsistance de rayonnement. Cela veut dire quil existe aux abords du diple un fort champ

ractif. Mais celui-ci ne produit pas de rayonnement lointain. Ce modle srie est valable pour

la frquence de rsonance et en dessous (antennes raccourcies). Pour les frquences

suprieures, cela se complique.

Sur la figure 1, nous avons quelques exemples dantennes diples filaires.


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Figure 1

N-B : Ces exemples sont gnriques. Il existe de nombreuses variantes, en particulier sur le

mode dalimentation. Alors, pour des antennes semblables, nous pouvons avoir des

comportements trs diffrents.

Sur la figure 2, nous avons quelques exemples dantennes diples boucles.

Figure 2

N-B :Les boucles dcrites ici ont un primtre gal Lambda et sont rsonantes. Les

polarisations sont plus ou moins mixtes avec une prdominance pour lune delle en fonction

de la rpartition des courants dans la boucle. A hauteur gale du boom, les versions polarisation verticale ont un angle de dpart plus faible.

Lantenne monople.

Dun point de vue rayonnement, rien ne force avoir un diple, un seul suffit si lon dispose

dun point de rfrence pour la tension quon lui applique. Par contre lmetteur a absolumentbesoin de dbiter dans un diple lectrique. Il existe plusieurs systmes antennaires


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remplissant ces fonctions mixtes. Parmi ceux-ci, nous nous attarderons sur le monople

vertical avec plan de sol.

Une partie du diple lectrique est forme dun fil (le monople) rig perpendiculairement et

au centre dune surface conductrice qui constitue lautre partie. Celle-ci ne rayonne pas si

lalimentation est connecte au point de symtrie des courants la parcourant. La surfaceconductrice, appele "plan de sol", doit tre en principe infiniment grande devant lambda. Le

plan de sol peut tre naturel (eau, terre), ou artificiel (plaque mtallique ou une grande

quantit de fils disposs en toile).

Ce systme antennaire a les proprits suivantes :

- Rsistance de rayonnement divise par deux par rapport au diple- Rayonnement inexistant sous le plan de sol- Angle de dpart parallle au plan de sol (zro degr si sol parfait)- Rayonnement omnidirectionnel dans la direction perpendiculaire au monople.Mais tout ceci ne vaut que si le plan de sol est infini, homogne et parfaitement conducteur

pour la frquence dmission, ce qui est difficile obtenir pour les frquences HF.

Parmi les plans de sol naturels, seule leau sale (mer calme) se rapproche de la perfection. Le

sol type prairie ou jardin nest acceptable que sil est dtremp. Leau douce nest pas

meilleure. Le sol urbain est moins bon encore et le sable du dsert ou le sol gel, pires. Voir

sur la figure 3 leffet de la qualit du sol sur le diagramme vertical de rayonnement dun

monople quart donde (daprs ON4UN).

Figure 3

Nous voyons que non seulement le diagramme vertical "remonte", mais le rendement du

systme diminue. A noter quen dehors de leau sale, si la connexion au sol se fait par un

piquet de terre, le rendement peut chuter de plusieurs dcibels. Pour avoir des rsultats

conformes ces diagrammes, il est ncessaire de rajouter au niveau du sol au minimum deux

radians quart donde en opposition.


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Pour amliorer le gain et abaisser langle de dpart, la vritable solution passe par un plan de

sol artificiel. Pour tre efficace, celui-ci doit comporter au moins une cinquantaine de fils

radiaux (en toile) enterrs, et de longueur suprieure /4.

Une solution pour viter les radians consiste utiliser un monople demi-onde. Un seul piquet

de terre suffit alors. Le gain maxi ne sen trouve pas modifi par rapport un monople quart

donde, et le diagramme vertical sabaisse un peu (gain de 1 2 dB 10). Par contreladaptation un cble coaxial est plus dlicate du fait de sa haute impdance (surtout si

lantenne est multi bandes).

Autres monoples.

Nous pouvons "hisser" un monople vertical une certaine hauteur au dessus du sol en

remplaant le plan de sol par un ensemble de radians horizontaux de longueur finie, et ayant

les mmes proprits lectriques que lui. La plus connue des antennes de ce type est la

"ground plane"(1), qui comporte trois ou quatre radians horizontaux de longueur/4. Elle estpeu employe en HF en dessous de 28 MHz, car dun encombrement important.

Si ses caractristiques lectriques sont bien celles dun monople, limpdance et lediagramme de rayonnement diffrent dun monople au sol du fait des dimensions finies du

plan de sol artificiel form par les radians (effets de diffraction).

On peut utiliser des radians raccourcis avec encore un rendement acceptable. Mais, plus les

radians sont courts, et plus la nature du support de lantenne et la hauteur au dessus du sol ont

une influence sur limpdance et le diagramme de rayonnement. Le phnomne est beaucoup

moins sensible avec un monople demi-onde, comme pour le monople au sol.

Il existe des monoples HF horizontaux. Leur fonctionnement est complexe suivant la qualit

du sol et la hauteur du monople. Celui-ci est en gnral long de plusieurs lambdas. Lorsquil

est dispos trs prs du sol, cest la mauvaise qualit de ce dernier qui permet le rayonnement

et le systme a un rendement mdiocre comme pour la "Beverage". Sil est dispos une

hauteur faible devant la longueur donde, cest la "monte" qui rayonne le plus, la partie

horizontale jouant surtout le rle dune capacit terminale (dautant plus que le sol est bon

conducteur). Nous sommes alors ramens au cas dun monople (court) vertical charg.

Ces antennes ne prsentent quun intrt particulier pour nous, radioamateurs.

Antennes contrepoids.

Ce sont toutes les antennes qui nont pas t tudies pour tre diples. Alors, ce sont donc

des monoples ? Oui, mais selon la nature du contrepoids, elles fonctionneront en "vrais"

monoples, ou en "pseudos" diples.Avec les monoples verticaux vus prcdemment, les contrepoids, sol ou radians, taient

senss ne pas rayonner. Mais ce sont des cas particuliers. Dans la plupart des cas, le

contrepoids a une forme "patatode", sans aucune symtrie, et il rayonne dune faon

patatode galement. Cest pourquoi, jappelle ces systmes antennaires des "pseudos

diples".

Le contrepoids est obligatoire pour le rayonnement du "monople". Il peut prendre parfois des

aspects inattendus. Parmi les contrepoids courants, nous trouvons :

- Les pistes de masse du circuit imprim (dans un botier en plastique dun mini metteurUHF).

- La tresse de masse du cble coaxial dalimentation- Le botier mtallique de lmetteur (postes portables avec fouets)


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- La personne humaine qui tient les postes ci-dessus dans la main ou sur le dos. Noussommes bons conducteurs, car composs plus de 70% deau sale.

- Un vhicule mtallique. Celui-ci peut tre un plan de sol presque parfait pour les UHF,mais un pitre contrepoids pour les bandes basses HF, mme sil prsente une bonne

capacit avec un sol gnralement mdiocre.

- Une structure mtallique, grue, pylne, mt, haubans, charpente, toit, etc- Un bateau mtallique, toujours bon contrepoids quand il navigue sur la mer (cas du bateaude plaisance en maritime mobile).

- Un avion avec suffisamment de parties mtalliques, cas typique du contrepoids"patatode".

- Une combinaison de plusieurs types, par exemple, une personne agenouille sur le sol etqui met avec un poste HF sur son dos (bon pour soigner les rhumatismes).

Il est certain que lorsque nous installons un monople avec un contrepoids de ce genre, nous

navons quune vague ide du rendement et du diagramme de rayonnement. Nous pouvons

essayer de le modliser et simuler le systme antennaire obtenu. Ceci demande en gnral une

grosse puissance de calcul.

Du monople au diple.1 - Les mtamorphoses de la Ground-Plane.

La "Ground-Plane" est vaguement dfinie. Le terme englobe un ensemble dantennes ayant

des comportements trs diffrents et que nous allons dtailler ci-aprs dans la figure 4.

Figure 4


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En (1), nous avons en rfrence un monople avec plan de sol parfait de dimensions infinies.

Pour tous les autres cas, nous avons un sol rel moyen (jardin).

En (2), la Ground-Plane avec radians horizontaux, est monte trs proche du sol. Le rsultat

ne change pas, que le point commun des radians soit reli au sol ou non. Nous voyons que le

gain a chut et le lobe est remont, conformment la figure 3.

En (3), la mme G-P est monte 0,7. Le gain sest un peu amlior. L non plus, le rsultatne change pas que le point commun des radians soit reli ou non au mt et la terre. Noter

que la gaine de lalimentation coaxiale remplit le rle dun mt mtallique.

En (4) et (5), nous avons la G-P la mme hauteur, mais avec des radians raccourcis. Nous

voyons maintenant que nous sommes trs dpendants du mt support, et par consquent de

lalimentation coaxiale. La solution consiste "rallonger" lectriquement les radians par des

bobines pour les faire rsonner en quart donde.

En (6) et (7), nous avons la ground plane 50 avec les radians /4 carts de 60. Elle est

peu dpendante du mt. Cest celle la plus utilise.

En (8), nous avons un diple vertical. Son diagramme est identique celui de la ground-plane

50, mais nous avons un srieux problme pour viter le couplage de lalimentation.

Du monople au diple (suite).2 - Cas de lantenne verticale.

Une antenne verticale avec un radian accord, peut tre un "vrai" diple si le radian est

horizontal et non reli au support mtallique vertical. Sinon, cest un "pseudo" diple au

comportement diffrent selon la longueur du mt et linclinaison du radian (cas usuel). Il faut

avoir au moins deux radians identiques, opposs et horizontaux, pour avoir un comportement

du type "monople". Elle peut tre aussi utilise en "vrai monople" si elle est dispose sur un

plan de sol de qualit suffisante (difficile obtenir).

N-B : Tant que le radian de/4 reste proche de lhorizontale, le mt mtallique vertical, reliou non au radian a peu dinfluence, ce qui nest plus vrai ds quon lincline.

Nous avons sur la figure 5 toute une srie de diagrammes de rayonnement verticaux

correspondant aux situations dcrites ci-dessus.


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Figure 5

La hauteur de 0,7 correspond une antenne monte sur un immeuble toit non mtallique,

par exemple. Le sol considr est un sol moyen (jardin). Cela se dgrade un peu pour les

polarisations verticales avec un sol urbain.

Les diagrammes 1 et 2 montrent le rayonnement pour une antenne verticale classique avec unseul radian au niveau du sol. Nous voyons bien la dissymtrie dans le plan H, et le faible

gain. Par contre il reste encore acceptable 5 dlvation.

Les diagrammes 3 et 4 montrent le rayonnement pour la mme antenne une hauteur de 0,7.

Dans la direction du radian, le gain a un peu augment 5, mais pratiquement pas au dessus.

Par contre dans la direction perpendiculaire, nous gagnons 5 dB 20 dlvation.

Tous ces diagrammes montrent bien un comportement de diple mixte.

Le diagramme 5 montre le rayonnement de la mme antenne prs du sol, avec deux radians

accords et opposs. Nous avons maintenant un comportement de monople avec un nul au

znith. Le rayonnement devient quasiment omni dans le plan H, mais le gain na pas

augment par rapport un seul radian.

Le diagramme 6 montre la mme antenne 0,7. L, sil devient plus omni, le gain a plutttendance baisser. Ceci sexplique par la diffrence de polarisation qui nest plus mixte, mais

quasiment verticale, et lon sait que le sol est mauvais rflecteur pour la polar V.

Pour comparaison, le diagramme 7 montre la directivit dun doublet H plac trs prs du sol.

Il tire au znith, et le gain 5 est beaucoup plus faible que pour les verticales. Celles-ci ont

un net avantage quand elles sont places au niveau du sol, mais gnralement le faible

dgagement dans nos zones urbaines fait que ce nest pas la panace.

Le diagramme 8 montre le mme diple H 0,7. L, il fait jeu gal avec les verticales pour

les faibles angles et pour les angles plus levs, qui correspondent au DX "rgional", le gain

est meilleur de 2 3 dB. En contrepartie, le rayonnement nest pas aussi omni quavec la

verticale et il existe des creux de 10 20 dB (en pratique) dans la direction des fils du diple.


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Antennes raccourcies (non rsonantes)

Toutes les antennes peuvent tre raccourcies. Mais avec le raccourcissement, leur aptitude

rayonner diminue. Il faut donc quelles soient parcourues par un plus fort courant pour la

mme puissance rayonne. Cela se traduit par une diminution (au carr) de leur rsistance de

rayonnement. Le rapport de celle-ci avec la rsistance de pertes diminue, ce qui parconsquence, diminue le rendement. Par ailleurs, limpdance devenant trs faible et

fortement ractive, ncessite un systme dadaptation qui est aussi cause de pertes.

Un raccourcissement de 50% a peu dinfluence sur le rendement lectrique, dautant moins

que le conducteur a une forte section. Avec les antennes multi-bandes trappes, il faut tenir

compte des pertes supplmentaires dans les trappes. Pour une antenne de qualit, lavantage

du multi-bande compense largement la (faible) diminution du rendement.

Les antennes fermes (boucles) peuvent aussi tre raccourcies. La problmatique est la mme

que pour les antennes ouvertes.

Avec des antennes fortement raccourcies, non seulement le rendement peut tomber quelques

% avec son systme daccord, mais le rayonnement tend devenir isotrope, entranant la

diminution du gain amen par la directivit.Malgr tout, les antennes raccourcies ont des adeptes. Et lon arrive ce paradoxe amusant :

Tandis quen circuits hyper, certains se creusent les mninges pour fabriquer des

condensateurs variables qui ne rayonnent pas, dautres, en HF, se dmnent pour essayer de

faire rayonner un condensateur (antenne dite E-H).

Les rseaux

Nous pouvons associer plusieurs antennes entre elles pour constituer un rseau. On peut

indiffremment alimenter toutes les antennes ou seulement une partie dentre elles, voire une

seule. Dans ce cas, les autres antennes rayonnent lnergie quelles rcuprent par couplage,

grce au champ ractif (comme des circuits accords en radio) et alors elles doivent tre

rsonantes (ou accordes) et relativement proches les unes des autres.

Les rseaux sont gnralement tudis pour obtenir une directivit de lensemble, ce qui se

traduit par un accroissement de la puissance rayonne (gain) dans cette direction par rapport une antenne unique.

N-B : Quand le rseau est mont mcaniquement sur un mme support, cest lensemble qui

prend usuellement le nom dantenne (beam en anglais, sans quivalent en franais).En HF, le rseau le plus utilis par les radioamateurs est la clbre antenne YAGI compose

de diples horizontaux. Dans le mme esprit, nous pouvons coupler des boucles (quads

plusieurs lments).

Nous pouvons aussi coupler ou associer des monoples. En gnral, tous les monoples sontaliments. En combinant les espacements entre monoples et les dphasages dans les

alimentations, nous pouvons obtenir des diagrammes de rayonnement ajustables. Les rseaux

radioamateurs dpassent rarement quatre monoples, tandis que certains rseaux

professionnels peuvent en avoir plus dune centaine, notamment pour un radar transhorizon

ou une station dcoutes radio.

Antennes large bande

Si lon se place dun point de vue rayonnement, la largeur de bande dune antenne en espace

libre est thoriquement infinie, tant quelle prsente une rsistance de rayonnement telle que

lon sache lalimenter. Donc en pratique, pour les frquences infrieures sa frquence dersonance, son rendement diminue comme expliqu ci-dessus dans "antennes raccourcies".


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Pour les frquences trs leves, les pertes ohmiques augmentent beaucoup plus vite que la

rsistance de rayonnement qui change peu. Par ailleurs, le diagramme de rayonnement se

modifie avec lapparition de lobes multiples.

En fait, lorsque lon parle de la bande passante dune antenne, il sagit de sa bande passante

lectrique au niveau de son alimentation. Cest une notion assez confuse qui ne caractrise pas

les qualits de rayonnement dune antenne, mais son aptitude pouvoir tre alimentesimplement dans la bande passante dfinie. Celle-ci lest en gnral pour un ROS de 1,5, 2 ou

3, suivant lintrt du constructeur. La rfrence ROS 1 correspond une impdance

nominale, choisie parmi les impdances courantes des lignes (50 , 75 , 300 , 600 )(2).

Ceci dit, il peut tre intressant dutiliser une antenne unique pour un grand nombre de

frquences dmission, sans avoir sans cesse radapter son impdance celles de la ligne et

de lmetteur (impdance nominale de charge).

La largeur de bande lectrique dune antenne est fonction du rapport entre son paisseur

(diamtre des brins) et sa longueur. Plus lantenne est paisse, et plus la bande est large.

En HF, il nest pas question demployer de gros tubes pour des problmes de poids. Ceux-ci

sont remplacs par plusieurs fils disposs sur le primtre dun tube virtuel. Sur la figure 6

nous avons les exemples dun doublet et dun monople larges bandes.

Figure 6

Le procd atteint vite ses limites, et un monople large bande 612 MHz est un monstre de

plusieurs dizaines de mtres cubes.

Si nous prenons une antenne ground-plane 50, le brin infrieur est dj pais. Nous pouvons

alors remplacer le brin suprieur par des "radians" inverss pour constituer un diple pais

(antenne bicne). En remplaant le brin filaire par quatre "radians" horizontaux, nousobtenons lantenne discne. Si celle-ci est encombrante en HF, elle est trs employe

professionnellement en VHF large bande.

Une autre solution consiste amortir lectriquement la rsonance de lantenne avec une

rsistance, ce qui revient augmenter ses pertes. Dans ce cas, la limite, une bande passante

infinie correspond un rendement nul. Donc, nous serons amens faire un compromis. Lun

des plus judicieux se retrouve dans un diple trombone horizontal, amorti par une rsistance

au milieu de la boucle(3). Pour nous, qui navons que des portions de bandes, en choisissant la

bonne longueur du trombone, son espacement, la valeur de la rsistance et le rapport du

transfo dadaptation, nous pouvons obtenir un compromis tout fait acceptable. Nous

pouvons conserver un ROS infrieur 3 dans une bande de plusieurs octaves tout en ayant un

rendement suprieur 65% (pertes maxi de 2 dB, soit 1/3 de point S). Pour ces antennes, en

dessous de leur frquence de rsonance basse, leur rendement diminue beaucoup plus


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rapidement que celles qui sont non charges. Naturellement, elle se comporte avec son

environnement comme nimporte quel autre doublet. Aussi lorsque sa longueur dpasse la

longueur donde, le diagramme dans le plan, se met "feuilleter" avec des minima prononcs.

Ceci est galement valable pour des antennes non accordes comme le "long fil". Une parade

(partielle) consiste incliner les antennes, mais le gain baisse car la polarisation devient

mixte.

On peut aussi adjoindre lantenne un systme dadaptation large bande. Si nous connaissons

la fonction de transfert lectrique de celle-ci, nous pouvons insrer en srie dans

lalimentation un systme ayant la fonction de transfert inverse. Concernant les monoples

HF, leur impdance varie beaucoup en fonction de leur environnement, et finalement les

systmes dadaptations "universels" large bande pour monoples fonctionnent avec des pertes

importantes(4). Nous avons sur la figure 7 le cas limite o ladaptation est faite uniquement par

les pertes. Nous voyons quavec des pertes "raisonnables" de 3 dB (quivalentes un

rendement de 50%), le rsultat est dj significatif. Noter que ces pertes peuvent comprendre

celles de la ligne.

Figure 7

N-B : Il existe dautres antennes "charges" par des rsistances, dont le but premier nest pas

dlargir leur bande passante, mais de forcer des circulations de courants pour obtenir undiagramme de rayonnement particulier (antennes ondes progressives). Les pertes dans la

rsistance ne changent pas le gain maxi, elles correspondent la suppression de la moiti dudiagramme de rayonnement (antenne monodirectionnelle). Ces antennes, gnralement de

grande taille, sont rserves pour des liaisons point point et ne conviennent pas pour lesradioamateurs qui cherchent en principe contacter le monde entier.

Pour les antennes en rseau, nous pouvons obtenir une large bande en couplant et alimentant

judicieusement plusieurs diples de longueurs diffrentes, en gnral selon une loi Log-

priodique, do le nom de ces antennes. En HF, le procd nest gure applicable au dessous

de 10 MHz pour des raisons dencombrement. Pour nous radioamateurs, qui navons que des

portions de bandes particulires, le procd est cher pay. En effet, une Log-priodique 1030

MHz de 10 lments na pas plus de gain moyen quune YAGI 3 lments trappes.


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Lantenne HF en mission et en rception.

Pour une liaison par onde directe, les antennes mission et rception doivent tre de mme

polarisation. Des polarisations orthogonales peuvent entraner une attnuation de plus de 20

dB (facilement observable en liaisons locales VHF).

Pour une liaison par rflexion ionosphrique, londe rflchie par lionosphre tant depolarisation plus ou moins elliptique selon les paramtres de la liaison, la polarisation de

lantenne de rception importe peu pour nous radioamateurs qui ralisons une multiplicit de

liaisons diffrentes. Ceci est particulirement vrai pour le DX, o il y a alors intrt prendre

une polarisation orthogonale celle des principaux parasites. Les bruits industriels tant

surtout polar V, une antenne polar H sera prfre en zone urbaine. Mais rien nempche

davoir en rception deux systmes antennaires de polarisations diffrentes et dutiliser celui

qui convient le mieux sur linstant (diversit de polarisation).

En mission, le champ magntique terrestre a pour effet dintroduire deux modes de

propagation distincts. Cest dire que londe se ddouble en deux ondes appeles par

convention onde ordinaire et onde extraordinaire . Seule londe ordinaire se propage longue distance, lautre tant trs attnue. La rpartition de la puissance rayonne entre onde

ordinaire et onde extraordinaire dpend de langle que fait le champ magntique terrestre avec

la direction de propagation(5), mais aussi de la polarisation de londe de dpart. Aux latitudes

moyennes, en principe la polarisation verticale produirait plus donde ordinaire et donc

serait plus favorable au DX. Mais la possibilit davoir plus facilement une antenne gain

avec polar H, fait que celle-ci est gnralement prfre.

Mesure du rayonnement.

Elle se fait par la mesure de lun des champs, soit lectrique, soit magntique. Une seule

mesure suffit car le rapport entre les champs lointains est une constante dans lair.

a) Mesure indirecte.En HF, cest souvent la seule mthode pour dterminer le champ lointain rayonn. Elle

consiste mesurer la puissance absorbe par lantenne, puis estimer le rendement pour

obtenir la puissance totale rayonne. Pour un diple, les pertes peuvent tre calcules en

fonction des matriaux et des diamtres de fils utiliss. Pour un monople, on peut mesurer la

rsistance dantenne et la comparer avec la rsistance thorique. Il reste dterminer le gain

apport par la directivit, gain calcul en fonction de la gomtrie de lantenne et de son

environnement. Nous pouvons alors calculer les champs en fonction de la P.I.R.E. (Puissance

Isotrope Rayonne Equivalente) qui est gale {Puissance absorbe x Rendement xDirectivit}.

b) Mesure directe.Rappel :Dans un systme antennaire, les dimensions sont relatives la frquence de travail.

Nous pouvons toujours mesurer le champ proche laide dune antenne talon et dun

mesureur de champ, mais cela a peu dintrt. Il faut faire une mesure de champ lointain si

lon veut pouvoir calculer un affaiblissement de propagation. Le champ lointain ne peut tre

mesur quau del de la zone de Fresnel qui se situe lintrieur dun cercle dune dizaine de

longueurs dondes.

Cela reste relativement facile pour les frquences leves, o lantenne peut tre dispose

lintrieur dune chambre anchode, cest dire aux parois non rflchissantes. On peut ainsimesurer le gain et la directivit dune antenne hyper en "espace libre".


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Pour les VHF, par exemple 144 MHz, on peut disposer les antennes (celle tester et celle de

mesure) une distance dune centaine de mtres sur terrain dgag, sur deux pylnes de 30 m,

de prfrence en bois. Lantenne tester sera rotative. Nous ferons deux sries de mesures,

lune en polar H et lautre en polar V.

Pour les frquences MF et infrieures, avec propagation par onde de sol, les mesures se feront

directement au sol, au del de la zone de Fresnel, aprs mise en place dfinitive de lantenne.Pour les frquences HF, avec propagation ionosphrique, la mesure directe est quasiment

impossible. Prenons par exemple un doublet H pour la bande des 40 m, dispos 30 m de

hauteur au dessus du sol. Pour mesurer le champ lointain rayonn dans un angle vertical de

10 (DX), nous devons faire la mesure de champ 800 m de distance et 150 m de hauteur.

Donc pour nous radioamateurs, si nous voulons "mesurer" la qualit de notre systme

antennaire HF, nous sommes condamns faire des statistiques avec une infinit de mesuresponctuelles en rception. Et encore, pas en absolu, mais par comparaison entre deux ariens,

dont lun a des performances connues. Limprcision de lappareil de mesure que nous

utilisons, cest dire le S-mtre, ne facilite pas les choses. Nous voyons que cest un travail

de plus ou moins longue haleine, suivant lactivit de lOM.

Antennes et environnement.

La connaissance des caractristiques dune antenne HF est insuffisante pour dterminer les

conditions de rayonnement lointain, il faut aussi connatre son environnement. Cest pourquoi

je prfre lexpression "systme antennaire" qui montre que lantenne (au sens commun), nen

est quune partie.

En HF, le principal environnement est le sol et nous avons dj dissert sur ses effets. Ensuite,

nous avons la proximit (/8).

Celles-ci peuvent provoquer des pertes par absorption (grande quantit dlments), et

gnralement dformer le diagramme de rayonnement en comblant partiellement les "creux".

Une fort de feuillus sous la pluie constitue un bon cran absorbant (doublement sil est

proche, car il empche la rflexion sur le sol).

Donc, nous avons toujours intrt dgager nos antennes de tout obstacle conducteur, et

comme ceux-ci sont gnralement proches du sol, rehausser les antennes. Un diple H dans

un grenier (maison tages et toit non conducteur) peut tre plus dgag et plus efficace pour

le DX quun monople au ras du sol dans le jardin.

Choix dune antenne.

Alors, quelle antenne choisir ? Je dirais qu chaque cas son antenne. Mais pour nous, comme

il y a presque autant de cas que de radioamateurs, cela se complique

(6)

. Donc, je ne vais pasvous donner de recette miracle linstar des vendeurs dantennes, mais quelques lments

pour les cas extrmes.

Dabord, le "must" :

Si vous avez les moyens en argent, et de la place, installez un pylne tlescopique motoris

dune hauteur rglable entre 10 et 35 m, avec une YAGI 6 l. pour les bandes hautes, une

Yagi 2 l. pour le 40 m et un diple raccourci (capacits terminales) pour le 80 m. Pour le 160

m, vous ferez rayonner le pylne, et donc il vous faudra enterrer des centaines de mtres de

tresse de cuivre tout autour. Non, ne souriez pas, certains radioamateurs ont des installations

de ce genre

Et pour le jeune OM qui na que son argent de poche :

Il faut quil ait un minimum de place, de limagination et de la persvrance. Il pourrafabriquer avec des bouts de fils lectriques des antennes diples et les placer le plus haut


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possible. Sil habite une maison individuelle, la chemine est parfaite pour y mettre un diple

en V invers au bout dun mt TV. La plupart de nos bandes HF ont lavantage davoir des

rapports de frquences doubles ou triples, et cela facilite les multi-rsonances. Il pourra relire

cinquante annes de Radio-REF au radio club et passer au crible de la raison (quil aura

acquise, entre autre, en lisant cet article) les multiples descriptions dantennes, pour en trouver

quelques unes qui conviennent son cas. Il commencera par des antennes simples avec lesouci de sa scurit. Il ne se rabattra sur les antennes fortement raccourcies quen dsespoir de

cause.

Plutt que dessayer de construire des antennes avec une impdance sadaptant un cble

coaxial, par ailleurs fort cher, il pourra construire une antenne alimentation par ligne

parallle avec une bote daccord "home made" faite avec des composants de rcupration (au

mme radio club).

Ce quil ne devra pas faire, surtout sil habite en collectif (jen parle, car cela sest dj vu) :

Il ne devra pas brancher un long fil unique la sortie dune bote dantenne, laissant le soin au

fil de terre du secteur de refermer le circuit, (quelquefois sans le savoir) (7). Il arrivera

charger son metteur, avoir mme un bon rendement et raliser dexcellents DX, mais il se

fchera sans doute avec sa famille et tous ses voisins en leur injectant directement sa HF dansleurs appareils lectroniques.

Enfin pour terminer, avoir une puissance "pas terrible" et une antenne "faute de mieux",

nempche pas un OM dobtenir le DXCC. Cela est simplement un peu plus long et exige de

compenser ces handicaps par un art de DXeur sans failles. Mais lOM nen a que plus de

mrite.

Rappels gnraux sur les antennes.

- Les dimensions dune antenne sont relatives la longueur donde lectrique () de lafrquence de travail.

- Plus une antenne est petite (


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- Le rendement lectrique dun diple est gnralement acceptable ds que sa longueurdpasse /4.

- Le rendement dun monople peut tre faible si le plan de sol (ou le contrepoids) estmdiocre.

- Un bon ROS signifie que le systme antennaire est adapt, mais ne prsage aucunementdu bon fonctionnement de celui-ci en rendement et directivit

(10)

.- Lalimentation dun diple (vrai ou pseudo) laide dun cble coaxial doit se faire au

travers dun symtriseur (balun) sinon, sauf rares exceptions, le cble coaxial participe au

rayonnement (dautant plus vrai que le diple est dissymtrique).

- Lalimentation dun monople laide dun cble coaxial ne rayonne pas condition, soitquil passe sous le plan de sol dun vrai monople, soit dans un plan neutre dun pseudo

diple. Si nous insrons un symtriseur, et que lantenne se dsaccorde, cest la preuve

que le cble coaxial tait intgr au systme antennaire. Il faut alors, soit revoir le systme

en modifiant le contrepoids pour que le coaxial passe dans un plan neutre, soit loigner le

symtriseur de lantenne jusqu ce quil ne modifie plus laccord. Alors, la partie du coax

entre le symtriseur et le monople continuera faire partie de lantenne.

- Lorsque lon nous vend un monople. Nous navons quune moiti dantenne. Lautremoiti dpendra de son installation.

- La physique est "ttue", les mathmatiques peuvent tre "trompeuses", et le rayonnementsembler un phnomne "sotrique". Alors, mfions nous des antennes "miracle"(11).

Conclusions.

Cet article est loin dtre exhaustif, mais sil vous permet de vous poser les bonnes questions,

il aura rempli son rle. A vous ensuite de partir la pche pour avoir les bonnes rponses.

Attention aux descriptions de ralisations "exotiques" qui peuvent tre remarquables, bien

souvent elles ne fonctionnent que chez leurs auteurs. Rappelez-vous, en HF, ce qui rayonne,

ce nest pas votre antenne, mais votre systme antennaire.

F5NB.

Bibliographie

En dehors des supports de cours et autres "Initiation ltude des antennes", indisponibles dans lecommerce, je recommande vivement la lecture de lexcellent ouvrage "Low-Band DXing" de JohnDevoldere, ON4UN, ainsi que "La propagation des ondes" du regrett Serge Cannivenc, F8SH.

Notes :

(1)La "ground-plane" est un cas spcial. Avec quatre radians horizontaux et gaux /4,elle fonctionne comme un monople. Plus les radians sont inclins, et plus elle fonctionnecomme un diple vertical. Lorsque les radians sont compltement verticaux, nous avons

une antenne " jupe".

(2)Ces impdances ne sont pas le fruit du hasard, mais correspondent celles des antennesHF les plus courantes.

(3)Ce systme est applicable aux autres boucles.(4)Ainsi, pour un fouet de 1m50 pour la bande VHF 30-88 MHz, utilis avec un poste

portable, le systme dadaptation (non rglable) apporte jusqu 3 dB de pertes pourgarantir un ROS maxi de 1,5.


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(5)Ceci peut tre lorigine de la non rciprocit dune liaison (pertes de transmissiondiffrentes pour les deux sens), mais rarement de plus dun point S.

(6)Les professionnels tudient une antenne etadaptentson environnement, alors quegnralement, les radioamateurs choisissent leur antenne en fonction de son

environnement.

(7)Mais rien nempche de raliser ce systme antennaire en rception uniquement.(8)Pour des antennes rsonantes. Avec une antenne courte, si lon peut encore arriver obtenir un bon rendement lmission, en rception, le signal diminuera aussi

proportionnellement sa hauteur efficace. Nous voyons ainsi quun "bon report" est plus

li son antenne de rception qu celle dmission du correspondant.(9)On peut dfinir un "centre de gravit lectrique" du courant dans le diple.(10) Cela vaut surtout pour une antenne "home made" et les monoples, car pour une

antenne diple du commerce dun constructeursrieux, un bon ROS signifie

gnralement que lantenne a t installe correctement, et donc que lon peut esprer

obtenir les performances annonces.(11) Le lecteur incrdule (rapport ce texte), ou trop crdule (rapport la pub), pourra

relire "Histoires dantennes" paru dans R-REF de mars 2003.

genera lite sur les antennes

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