Pour connaître l’impédance d’une antenne il faut
utiliser des appareils spécifiques qui ne font pas partie des
équipements traditionnels du passionné.
Dans cet article, nous vous proposons un pont résistif qui, non
seulement, vous permettra de mesurer l’impédance (en ohms) d’une
antenne mais vous permettra également de connaître le rapport
de transformation d’un balun ou d’établir la longueur exacte
d’un câble coaxial de 1/4 d’onde utilisé comme
transformateur d’impédance.
Pour mesurer l’impédance d’une antenne, il est souvent
proposé l’utilisation d’un pont résistif construit suivant
le schéma de la figure 3. Ce type de montage présente pourtant
de nombreux inconvénients.
En effet, la résistance R3, reliée en série entre l’entrée
et la sortie du pont, doit forcément être de type non inductive
et pouvoir dissiper une puissance supérieure à celle débitée
par l’émetteur.
Aujourd’hui, l’approvisionnement de résistances non
inductives de 52 à 72 Ω et d’une puissance comprise entre 50
et 100 W, se révèle très difficile. En outre, ces composants
présentent un autre inconvénient. Travaillant à des puissances
très élevées, ils chauffent et leur valeur ohmique baisse avec
l’augmentation de la température.
Dans certains ponts, cette résistance est remplacée par un
potentiomètre qui, par contre, ne peut supporter des puissances
très importantes et n’acceptera sur son entrée que des
signaux de 0,5 W maximum. Par ailleurs, le graphite du
potentiomètre étant de forme circulaire, il se comporte comme
une spire et génère une inductance en série avec le câble
coaxial. Ce phénomène fausse les mesures d’impédance
effectuées sur les antennes.
Alors, la solution ? Notre impédancemètre d’antenne !
Etude du schéma
Le pont de la figure 4 est capable de mesurer avec précision une
valeur d’impédance quelconque.
Dans ce circuit, la résistance R3 est un trimmer de 500 Ω qui,
ayant une très faible induction, permet d’effectuer des
mesures précises, même sur les fréquences VHF.
Mais, comme nous venons de l’expliquer précédemment, sur ce
type de circuit nous ne pouvons appliquer un signal d’une
puissance supérieure à 0,5 W. Il n’est donc pas question de
raccorder à ce pont des signaux HF provenant d’un émetteur
mais exclusivement des signaux provenant d’un générateur HF.
En effet, ce dernier fournit des puissances qui sont
généralement comprises entre 10 et 20 milliwatts.
Comme vous pouvez l’imaginer, la tension de sortie de notre
pont ne sera que de quelques millivolts. Même un multimètre
réglé sur sa plus petite échelle ne pourrait pas lire des
valeurs de tension si faibles. Pour résoudre ce problème, il
faut amplifier la tension, redressée par la diode DS1, et c’est
le rôle de l’amplificateur opérationnel IC1 (voir figure 4).
Avec les valeurs données aux résistances R11 et R10, IC1
amplifie environ 9 fois la tension appliquée sur son entrée non
inverseuse. Donc, il fournit, en sortie, une tension d’environ
3 volts.
Cette valeur de tension peut être facilement lue par n’importe
quel multimètre.
La diode LED DL1, reliée en série avec la diode zener DZ1, s’allume
lorsque le circuit est mis sous tension ou lorsque la pile d’alimentation
de 9 V est presque complètement déchargée.
Figure 1 : Vue
du pont, côté composants.
La pile doit être insérée dans l’emplacement prévu en bas
du boîtier.
Figure 2 : Vue
du pont du côté des pistes imprimées.
Figure 3 :
Schéma électrique d’un pont classique dont nous
déconseillons l’utilisation car il présente de nombreux
inconvénients (lire le texte).
Figure 4 : Comme
vous pouvez le comprendre à partir de ce schéma électrique, un
pont capable de mesurer l’impédance d’une antenne est
légèrement plus complexe que le pont dont le schéma est donné
en figure 3. Le signal HF est redressé par la diode DS1 puis
amplifié par le circuit intégré IC1. Sur l’entrée de ce
pont, il n’est pas question d’injecter le signal, trop
puissant, d’un émetteur mais le signal provenant d’un
générateur HF.
Figure 5a :
Dessin du circuit imprimé de l’impédancemètre d’antenne à
l’échelle 1.
Figure 5b : Plan
d’implantation des composants du pont qui vous permettra de
mesurer l’impédance de toutes sortes d’antennes.
Liste des composants du LX.1393
R1 : 47 Ω
R2 : 47 Ω
R3 : 500 Ω trimmer
R4 : 10 kΩ
R5 : 10 kΩ
R6 : 1 kΩ
R7 : 1 MΩ
R8 : 220 Ω
R9 : 10 kΩ
R10 : 10 kΩ
R11 : 82 kΩ
R12 : 1 kΩ
C1 : 10 nF céramique
C2 : 10 nF céramique
C3 : 10 nF céramique
C4 : 10 nF céramique
C5 : 10 μF électr.
C6 : 10 nF céramique
C7 : 100 pF céramique
C8 : 47 μF électr.
C9 : 100 nF céramique
C10 : 100 nF céramique
JAF1 : self 10 μH
JAF2 : self 10 μH
DS1 : diode schottky 1N5711
DZ1 : diode zener 5,1 V 1/2 watt
DL1 : diode LED rouge
IC1 : circuit intégré CA3130
S1 : interrupteur
Réalisation pratique du pont
Tous les composants indiqués sur le plan d’implantation de la
figure 5b, doivent être montés sur le circuit imprimé LX.1393
dont le dessin est donné en figure 5a.
Nous vous conseillons de souder d’abord le support pour le
circuit intégré IC1 et, ensuite, toutes les résistances.
Poursuivez le montage en soudant le trimmer R3, la diode DS1, en
dirigeant sa bague noire vers le condensateur céramique C2 et la
diode zener DZ1, en dirigeant sa bague noire vers la résistance
R8 (voir figure 5b).
La diode schottky peut être remplacée exclusivement par ses
équivalents BAR10 ou HP8052.
Soudez maintenant tous les condensateurs céramiques et les deux
électrolytiques C5 et C8, en faisant attention à leurs
polarités respectives.
Après avoir soudé les selfs JAF1 et JAF2, insérez le circuit
intégré IC1 dans son support, en dirigeant son
encoche-détrompeur vers le condensateur céramique C7.
Une fois le montage de la carte terminé, fixez les deux
connecteurs BNC dans les deux trous latéraux du boîtier
métallique.
Montez ensuite, les deux douilles banane de châssis pour la
sortie vers le multimètre (voir figure 7).
Enfin, montez l’interrupteur S1 et insérez le circuit à l’intérieur
du boîtier, en faisant coïncider le trou présent sur la face
supérieure et le curseur du trimmer R3.
Maintenant, soudez les points de masse du circuit imprimé aux
côtés du boîtier (voir figure 6).
Reliez, à l’aide de queues de résistances ou de petits bouts
de fil de cuivre étamé, les deux connecteurs BNC, les deux
douilles banane et l’interrupteur S1 aux emplacements prévus
sur le circuit imprimé.
Terminez le montage en soudant les deux fils de la prise de pile
et la diode LED, en la pliant en L et en la disposant comme
indiqué sur la figure 5b.
Quand la pile de 9 V est installée, pour faire fonctionner le
pont, il suffit de basculer l’inverseur S1 de façon à ce que
la LED s’allume.
Avant utilisation, le boîtier doit être fermé par ses deux
couvercles.
Figure 6 : Comme
vous pouvez le voir sur ce dessin, la masse du circuit imprimé
doit être soudée en plusieurs points au boîtier métallique.
Figure 7 : Les
bagues isolantes des douilles bananes pour la sortie multimètre
doivent être placées du côté intérieur du boîtier.
Figure 8 :
Brochage de l’amplificateur opérationnel IC1, CA3130 et dessin
de la diode LED. Comme vous pouvez le voir sur la figure 5b, la
broche plus longue de la diode, indiquée avec la lettre A, doit
être dirigée vers l’interrupteur S1.
Sur le banc d’essai
Pour vérifier le bon fonctionnement de l’appareil, appliquez
sur son entrée un signal provenant d’un générateur HF et
connectez un multimètre, réglé sur l’échelle 3 volts, aux
douilles banane de sortie (voir figure 9).
Ensuite, réglez l’amplitude du signal en sortie du
générateur HF jusqu’à ce que le multimètre indique une
tension d’environ 2 à 3 volts.
Note : une tension de 1,5 volt est déjà suffisante.
Maintenant, connectez une résistance de 47 à 56 Ω sur la
sortie BNC (voir figure 10) puis tournez le curseur du trimmer R3
jusqu’à ce que l’aiguille du multimètre bascule rapidement
vers 0 volt.
Ensuite, débranchez le générateur HF et la résistance,
commutez le multimètre sur l’échelle « ohm » et, en
connectant ses pointes de touche sur l’âme des prises BNC d’entrée
et sortie du pont (voir figure 11), mesurez la valeur ohmique du
trimmer R3.
Si cette procédure a été correctement suivie, la valeur du
trimmer doit correspondre exactement à la valeur de la
résistance utilisée pour le calibrage (entre 47 et 56 Ω).
Notre instrument est prêt à mesurer l’impédance de toutes
sortes d’antennes !
Figure 9 : Pour
calibrer le pont, connectez un générateur HF sur son entrée et
réglez l’amplitude du signal en sortie jusqu’à ce que l’aiguille
du multimètre se positionne à fond d’échelle de 1 ou 1,5 V.
Figure 10 : Une
fois cette opération effectuée, connectez une résistance entre
47 et 56 Ω sur la sortie du pont et tournez le curseur du
trimmer R3 jusqu’à faire basculer l’aiguille du multimètre
sur la position 0 V.
Figure 11 :
Déconnectez le générateur HF et la résistance reliée à la
sortie du pont. Après avoir commuté le multimètre sur ohm,
connectez ses pointes de touche sur l’âme des BNC d’entrée
et de sortie pour lire la valeur du trimmer R3. Cette valeur
correspond à la valeur de la résistance précédemment
utilisée. En utilisant le même principe, vous pouvez facilement
mesurer la valeur d’impédance d’une antenne sur sa
fréquence de travail.
Figure 12 : Pour
mesurer l’impédance d’une antenne dipôle, réglez le
générateur sur la fréquence centrale de l’antenne et tournez
le curseur du trimmer R3 jusqu’à ce que l’aiguille descende
à 0 V.
Ensuite, mesurez la valeur du trimmer R3 (voir figure 11) qui
correspondra exactement à l’impédance de l’antenne dipôle.
Figure 13 : Pour
vérifier si les trappes d’un dipôle multibande ont été bien
calculées, tournez le curseur du trimmer R3 jusqu’à obtenir
une valeur de 52 Ω. Ensuite, balayez la bande avec le
générateur HF, en partant de la fréquence minimale pour aller
à la fréquence maximale. Vous remarquerez que chaque fois que
le générateur passera sur une fréquence d’accord, l’aiguille
du multimètre basculera rapidement vers 0 V.
Figure 14 : Pour
connaître la fréquence d’accord d’une antenne verticale
mobile, il faut d’abord qu’elle soit mise en place.
Connectez ensuite à l’impédancemètre, le générateur HF et
le câble coaxial de l’antenne. Réglez le trimmer R3 sur 52 Ω
et recherchez, sur le générateur HF, la fréquence d’accord
qui fera dévier l’aiguille du multimètre sur la position 0 V.
Figure 15 : Pour
contrôler le rapport de transformation d’un balun, vous devez
d’abord régler le trimmer R3 sur 52 Ω. Ensuite, connectez le
primaire du balun sur la sortie du pont. Puis, envoyez un signal
HF ayant la même fréquence que celle de la fréquence de
travail de l’antenne. Tournez alors le curseur du trimmer 500
Ω relié au secondaire du balun, jusqu’à ce que l’aiguille
bascule vers 0 V. La valeur du trimmer 500 Ω permet de
connaître le rapport de transformation du balun.
Figure 16 : Pour
connaître l’impédance à la sortie d’un morceau de câble
coaxial de 1/4 d’onde, il faut d’abord régler le trimmer R3
jusqu’à ce que le multimètre indique 52 Ω. Ensuite, réglez
le générateur HF sur la fréquence de travail de l’antenne.
Tournez alors le curseur du trimmer 500 Ω connecté sur la
sortie du câble, jusqu’à ce que l’aiguille du multimètre
se positionne sur 0 V. La valeur qui sera mesurée sur le trimmer
500 Ω vous permettra de calculer l’impédance en sortie du
câble coaxial.
Note : la valeur de l’impédance du câble
coaxial de 1/4 d’onde se calcule avec la formule donnée dans
le texte.
Figure 17 :
Notre impédancemètre vous permettra de vérifier qu’un
morceau de câble coaxial taillé sur 1/4 d’onde et replié en
U formera un transformateur d’impédance 52 Ω à environ 200
Ω.
Réglez d’abord le trimmer R3 sur 52 Ω. Connectez alors, sur l’entrée
du pont, le générateur HF calé sur la fréquence de travail de
l’antenne. Sur la sortie, raccordez votre transformateur d’impédance
en coaxial. Tournez le curseur du trimmer 500 Ω jusqu’à ce
que l’aiguille du multimètre bascule vers 0 V.
La valeur lue aux bornes du trimmer de 500 Ω correspondra à l’impédance
de sortie du balun coaxial.
Comment modifier l’impédance d’une antenne
Tous les passionnés du domaine des radiocommunications savent qu’en
modifiant la longueur physique d’une antenne, on modifie
également son impédance. Dans le cas d’une antenne directive,
composée de plusieurs éléments parasites, on peut éloigner ou
approcher l’élément réflecteur ou le premier directeur de
son dipôle.
Lorsque vous installez une antenne dont l’impédance
caractéristique est donnée pour 52 Ω, même si c’est une
antenne commerciale et même si vous l’avez payé fort cher,
elle présentera toujours un certain taux d’ondes
stationnaires.
En effet, elle a été calculée pour des conditions idéales,
jamais atteintes dans la réalité d’une installation sur un
toit de maison.
Le même phénomène reste valable pour les antennes destinées
à être montées sur les véhicules. C’est pour cette raison
que ces aériens disposent toujours d’une possibilité de
réglage de longueur. Certains modèles d’antennes verticales
pour véhicule ont une longueur fixe mais sont équipés d’un
petit disque métallique pouvant coulisser sur toute la hauteur
du brin en se comportant comme un condensateur (voir figure 14).
Comment mesurer l’impédance d’une antenne
Avant toute chose, commencez par connecter l’antenne en examen
sur la sortie du pont (voir figure 12), puis choisissez une
fréquence sur le générateur HF et réglez le trimmer R3 jusqu’à
ce que le multimètre mesure une tension de 0 V.
Ensuite, débranchez le générateur et l’antenne du pont, puis
mesurez la valeur ohmique du trimmer R3 en plaçant les pointes
de touche sur l’âme des prises entrée et sortie (voir figure
11). Le résultat de cette lecture correspondra à la valeur de l’impédance
de l’antenne. Pour obtenir des valeurs différentes, il suffit
de faire varier la longueur du dipôle.
Donnons maintenant un exemple concret de mesure d’impédance
sur une antenne 144-146 MHz.
Réglez le générateur HF sur 145 MHz (centre de la bande), puis
tournez le curseur du trimmer R3 jusqu’à ce que l’aiguille
du multimètre se positionne sur 0 V. Une fois l’antenne et le
générateur déconnectés, le multimètre (commuté sur ohm)
indiquera une valeur ohmique de 53 Ω. Cela veut dire que la
valeur de l’impédance de l’antenne est aussi égale à 53 Ω.
Lors de l’utilisation de ce pont, vous remarquerez que lorsque
la fréquence émise par le générateur HF augmente, l’aiguille
du multimètre n’atteint plus le 0 V mais se stabilise à une
tension d’environ 0,5 ou 0,6 V. Mais, même dans ce cas, vous
pourrez toujours voir nettement à quel moment l’aiguille du
multimètre retombe vers le minimum.
Comment contrôler les antennes dipôle multibande
Un certain nombre de dipôles multibande commerciaux sont
disponibles sur le marché. Il est également possible de les
construire soi-même.
La réalisation de tels dipôles dépasse le cadre de notre
article mais sachez que des « trappes » sont judicieusement
placées sur chacun des brins constituant l’antenne. Leur
nombre varie en fonction du nombre de bandes à couvrir.
Note : Les trappes sont des circuits LC
(self-condensateur) ou équivalent LC et sont destinées à «
découper » électriquement une antenne sur différentes
fréquences. Bien entendu, la valeur des trappes et leur
emplacement sur l’antenne sont calculés en fonction des
fréquences de travail à obtenir.
Pour vérifier que les caractéristiques de ces trappes aient
été bien calculées, réglez le trimmer R3 jusqu’à l’obtention
d’une valeur ohmique située entre 50 et 52 Ω. Ensuite,
connectez un câble coaxial venant de l’antenne sur la sortie
du pont et le générateur HF sur son entrée (voir figure 13).
Supposons que nous voulions vérifier l’accord d’un dipôle
multibande sur les fréquences 14, 30 et 50 MHz. Pour ce faire,
placez le générateur HF sur l’échelle 10 à 60 MHz et
tournez lentement le bouton de réglage de la fréquence.
Si les trappes ont été bien calculées, l’aiguille du
multimètre atteindra la valeur de 0 V lorsque vous passerez sur
14, 30 et 50 MHz. Remarquez que si l’aiguille se déplace vers
0 V à des fréquences différentes de celles normalement
prévues, il est nécessaire de modifier le nombre de spires des
trappes jusqu’à obtenir un parfait synchronisme.
Remarque : Sur les dipôles multibande, on peut constater
un phénomène très intéressant : l’aiguille du multimètre
bascule sur 0 V à chaque fréquence égale à 3 fois celle d’accord.
Dans notre cas, on aura un déplacement de l’aiguille sur 14 x
3 = 42 MHz, un autre sur 30 x 3 = 90 MHz et le dernier sur 50 x 3
= 150 MHz.
Comment accorder une antenne mobile
Pour connaître la fréquence à laquelle une antenne mobile
présente une impédance de 52 Ω, vous devez d’abord la mettre
en place à l’endroit prévu.
Ensuite, vous devez connecter le générateur HF sur l’entrée
du pont et le câble coaxial venant de l’antenne sur sa sortie.
Après avoir réglé le trimmer R3 sur une valeur ohmique de 52
Ω, tournez le bouton du générateur HF jusqu’à ce que l’aiguille
du multimètre, lui aussi relié au pont, bascule sur 0 V.
Si l’antenne a été fabriquée pour fonctionner sur les
fréquences situées entre 144 et 146 MHz et que l’aiguille
tombe à 0 V lorsque le générateur passe sur 140 MHz, cela
signifie que le brin doit être légèrement raccourci.
A l’inverse, si l’aiguille du multimètre indique 0 V lorsque
le générateur passe sur 150 MHz, cela veut dire qu’il faut
rallonger le brin de l’antenne.
Comme nous l’avons dit plus haut, certaines antennes ont un
brin de longueur fixe mais qui disposent d’un petit disque
métallique coulissant pouvant être déplacé sur toute la
hauteur. C’est en déplaçant ce disque que vous rechercherez l’impédance
de 52 Ω (voir figure 14).
Contrôle d’un balun
Le pont que vous avez réalisé, vous donne aussi la possibilité
de contrôler le rapport de transformation d’un balun et d’évaluer
sa largeur de bande.
Note : BALUN est la contraction des mots anglais
BALanced-UNbalanced, ce qui signifie symétrique-asymétrique.
Pour simplifier : un balun est destiné à réaliser une
adaptation entre un dipôle symétrique par construction et le
câble coaxial qui, lui, est asymétrique.
Il peut également être utilisé comme transformateur d’impédance.
Avant d’effectuer cette mesure, tournez le curseur du trimmer
R3 afin d’obtenir une valeur ohmique située entre 50 et 52 Ω.
Sur l’entrée du pont, raccordez un générateur HF tandis que
sur sa sortie, vous connecterez le primaire du balun. Sur le
secondaire, reliez un petit trimmer de 500 Ω (voir figure 15).
Après avoir choisi la fréquence de travail du générateur,
tournez doucement le curseur du trimmer 500 Ω du balun jusqu’à
ce que l’aiguille du multimètre bascule sur 0 V. Mesurez alors
la valeur ohmique aux bornes du trimmer du balun.
Si le multimètre indique, par exemple 200 Ω, le rapport de
transformation du balun sera :
200 : 52 = 3,8
Pour obtenir un rapport différent et pouvoir ainsi adapter le 52
Ω du câble coaxial aux valeurs d’impédance de 250 ou 300 Ω,
il faut ajouter des spires au secondaire du balun.
Après avoir trouvé la valeur ohmique du trimmer aux bornes du
balun produisant une tension de 0 V en sortie du pont, modifiez
la fréquence du générateur HF.
Si vous avez utilisé un tore en ferrite ayant une perméabilité
moyenne, vous remarquerez que l’aiguille du multimètre reste
immobile entre les fréquences allant de 7 à 100 MHz.
Si vous rencontrez le besoin d’un balun pouvant fonctionner
au-dessous de 7 MHz ou au-dessus de 100 MHz, il vous faudra
choisir des tores ayant une perméabilité différente et
vérifier la gamme de fréquence de fonctionnement de votre
balun.
Transformateur câble coaxial 1/4 d’onde
Pour adapter deux valeurs différentes d’impédance, on utilise
un morceau de câble coaxial de longueur égale à un 1/4 d’onde.
Pour savoir quelle doit être la valeur de l’impédance de ce
câble, on utilise la formule suivante :
Z 1/4 l = v (Z antenne x Z câble de descente)
La longueur du morceau de câble coaxial de 1/4 l doit être
ensuite être multipliée par son coefficient de vélocité, qui
est égal à 0,66 pour les câbles de 52 Ω et à 0,80 pour ceux
de 75 Ω.
En raison des tolérances des coefficients de vélocité, il
arrive fréquemment que le câble coaxial soit coupé plus long
ou plus court que sa taille idéale.
Nous pouvons vous rassurer en affirmant que les longueurs des
câbles, obtenues à l’aide des formules théoriques, sont
toujours légèrement supérieures à celles définitives. De
cette façon, vous aurez la possibilité de les modifier et d’atteindre
les valeurs exactes.
Le pont en notre possession, nous permet aussi de vérifier que
le câble utilisé ait la bonne longueur. Pour effectuer ce
contrôle, tournez le curseur de R3 jusqu’à obtenir une valeur
ohmique équivalente à celle du câble de descente d’antenne,
c’est-à-dire entre 50 et 52 Ω. Connectez le générateur HF
et le câble coaxial 1/4 d’onde sur l’extrémité duquel vous
devez souder un trimmer de 500 Ω (voir figure 16).
Après avoir réglé le générateur HF sur la fréquence
centrale de l’antenne, réglez le trimmer 500 Ω jusqu’à
obtenir une tension 0 V lue sur le multimètre.
Maintenant, déconnectez le câble coaxial et mesurez la valeur
ohmique du trimmer. Si cette dernière est supérieure ou
inférieure à l’impédance de l’antenne, vous devez
respectivement rallonger ou raccourcir la longueur du câble
coaxial.
Comme vous l’avez sûrement remarqué, la bande passante de ce
morceau de câble est très faible. Cela veut dire que sur une
antenne ayant son centre de bande à 30 MHz, ce câble adaptateur
ne fonctionnera convenablement que sur les fréquences situées
entre 28 et 32 MHz.
Si on essaie de sortir de cette gamme, il résultera une
augmentation importante du taux d’ondes stationnaires.
En modifiant la fréquence du générateur HF, vous pouvez
connaître la valeur de la fréquence maximale et minimale de
résonance de l’antenne car, en cas de dépassement de ces
valeurs, l’aiguille du multimètre montera rapidement à fond d’échelle.
Quand vous maîtriserez bien le pont, vous vous rendrez compte de
la facilité avec laquelle on peut effectuer la mesure d’impédance
d’une antenne, connaître sa fréquence centrale de travail et
modifier le rapport de transformation d’un balun quelconque
pour pouvoir l’adapter à la valeur de l’antenne.