ORIGINE ET PRINCIPE DE
L'ANTENNE DIRECTIVE HB9CV
HB9CV,
Rudolf Baumgartner
----------
L'antenne
dipôle demi-onde est la
forme classique d'un
aérien pour ondes de
radio. Considérée comme
élément résonnant,
elle peut être mise en
oscillation sur sa
fréquence propre. Les
courants et tensions
alternatifs produits dans
l'antenne par l'émetteur
font apparaître autour
de celle-ci un champ
électromagnétique,
alternatif, dont
l'étendue dans l'espace
est très grande. Par
suite de la vitesse de
propagation finale du
champ, qui est de 300
000km/s, la partie
extérieure des lignes de
force ne revient plus à
l'antenne en temps voulu,
mais est remplacée par
le front des lignes de
force suivantes. Ce
phénomène de
substitution, qui
confère au spectre
spacial de l'énergie un
aspect allongé, en forme
de soucoupe, caractérise
le rayonnement.
Au moyen de
cette explication simple
et logique, on peut se
faire une idée du
rayonnement
énergétique. Bien que,
au siècle dernier
déjà, par ses travaux
de génie, Maxwell ait
fait connaître, dans ses
grandes lignes, la
théorie du rayonnement
d'énergie et qu'il ait
posé ses fameuses
équations du champ
électro-magnétique, le
mécanisme exact d'une
antenne émettant de
l'énergie est resté
jusqu'à nos jours un
mystère.
Le dipôle
demi-onde a un
rayonnement maximum dans
le plan normal au
conducteur, et minimum
dans l'axe de l'antenne
(figure 1).
Figure 1 :Rayonnement
d'un dipole demi-onde
Si on
alimente simultanément
plusieurs dipôles,
placés parallèlement,
ou à la suite les uns
des autres, la
caractéristique de
rayonnement sera
modifiée en fonction de
l'écartement des
conducteurs et des
déphasages des courants
et tensions dont ils sont
les sièges. Cette
modification est une
conséquence de la
superposition des
rayonnements produits par
les différents dipôles.
C'est sur ce principe
d'interférence que sont
basées toutes les
antennes directives de ce
type.
La plupart
du temps, le besoin
s'impose de concentrer
l'énergie rayonnée dans
une direction donnée.
Une solution génialement
simple fut indiquée, il
y a de longues années,
par le savant japonais
Yagi. Deux dipôles sont
disposés parallèlement,
à une distance de ?/4 à
?/10 (? étant la
longueur d'onde). L'un
des deux dipôles est
alimenté par
l'émetteur, cependant
que le second se trouve
mis en oscillation
simultanée par l'effet
d'un couplage
électro-magnétique. On
dira qu'il oscille de
façon parasite. Si la
longueur de l'élément
parasite est quelque peu
augmentée, il ne peut
plus entrer exactement en
résonance avec la
fréquence de
l'émetteur, et il sera
le siège d'une
composante réactive
inductive, avec le
déphasage correspondant.
Il s'ensuit un effet de
réflexion qui favorise
le rayonnement des deux
éléments dans la
direction A (figure 2),
et qui, au contraire, s'y
oppose dans la direction
B. Réciproquement, un
élément parasite de
longueur légèrement
plus courte que la
longueur de résonance
aura pour effet
d'engendrer une
composante réactive
capacitive, cette fois,
avec un déphasage
correspondant, mais dans
le sens inverse.
Il agira
comme directeur, et, vu
depuis la direction de
rayonnement, il sera
placé devant le dipôle
alimenté. Une antenne
directive Yagi classique
à trois éléments
(figure 3). Comparée à
un simple dipôle, une
telle antenne permet des
performances bien
meilleures. Par
l'adjonction d'autres
éléments, en
particulier de
directeurs, comme c'est
le cas pour les antennes
à ondes ultra-courtes,
on peut encore augmenter
le gain. Cependant, à
partir du quatrième
élément,
l'amélioration est bien
modeste, et elle le
devient encore plus pour
chacun des suivants. La
vogue extraordinaire des
antennes Yagi tient au
fait qu'un seul des
éléments doit être
alimenté. L'antenne peut
être réalisée comme
une construction
entièrement métallique
et résistant aux
intempéries.
Figure 2 :Rayonnement
d'une antenne 2
éléments. |
Figure 3 :Rayonnement
d'une antenne 3
éléments. |
Cependant,
le rendement de chaque
élément parasite
excité est plutôt
faible. Dans le meilleur
des cas, la moitié
seulement de la puissance
reçue est restituée
sous forme de rayonnement
secondaire. Il vient de
ce fait à l'esprit de ne
pas exciter réflecteurs
et directeurs d'une
façon parasite, mais au
contraire de les
alimenter directement
depuis l'émetteur, avec
une phase correcte, de
manière à approcher un
rendement de 100%. Ainsi,
la mise en faisceau du
rayonnement, proprement
étudiée, au moyen de
deux éléments
seulement, mais
directement excités,
devrait être aussi
bonne, si ce n'est
meilleure, qu'avec les
trois éléments Yagi. On
a aujourd'hui la preuve
que c'est bien le cas.
La question
qui reste à résoudre
est de savoir si une
telle antenne peut être
construite aussi
simplement et durablement
qu'une antenne Yagi, en
dépit de son
alimentation compliquée.
Déjà en
1951, H.J. Gruber
décrivait une antenne
directive à deux
eacute;léments
alimentés complètement
(W8MGP), connue comme
antenne-trombone ou
ZL-spéciale. Elle
consiste en deux
éléments repliés
(figure 4). Bien que l'on
ait la preuve de ses
excellentes performances,
il n'en reste pas moins
qu'une grande antenne
double à dipôles
reliés n'est pas une
petite affaire. Il n'est
guère possible d'éviter
un montant robuste et non
métallique, en plusieurs
parties, pour chaque
dipôle replié.
L'antenne
directive HB9CV joint les
avantages électriques
des deux éléments
directement alimentés
aux avantages mécaniques
de l'antenne Yagi.
Elle
consiste en deux dipôles
simples, alimentés au
moyen d'un dispositif
d'adaptation en double T
(figure 5). La
simplification principale
réside en ce que tout le
système d'alimentation
est réalisé en fil de
cuivre. Elle peut donc
être facilement montée,
son prix représente peu
de chose ; il n'y a
guère à redire au point
de vue électrique et,
enfin, elle a prouvé,
pendant cinq années
d'exploitation, qu'elle
était insensible aux
intempéries.
Figure 4 :Antenne
trombone OM ZL spéciale
Figure 5 :Antenne
directive HB9CV
Caractéristiques
Au cours des
paragraphes suivants, les
propriétés
caractéristiques de
l'antenne directive HB9CV
seront discutées en
détail. Il faut
peut-être prendre la
peine de les résumer
dès le début en une
courte forme, de manière
à montrer que cette
antenne apporte à tous
les égards un bilan
positif.
Simplicité
eu égard à ses
performances,
équivalence avec une
antenne Yagi,
dimensionnée de façon
optimum, à trois
éléments avec écart
large (wide spaced), ou
à quatre éléments avec
écart faible (close
spaced).
Comportement
électrique à l'abri des
critiques ; pas de
défaillances à noter.
Après le montage,
l'antenne est prête à
être utilisée.
Bonne
largeur de bande ; même
la bande des 10m, de 28
à 29,5MHz est couverte
sans atténuation
notable.
Condition
d'alimentation favorable
; taux d'ondes
stationnaires modéré à
la résonance, qui
n'augmente que lentement
lors de désaccord.
Comparaison
avec d'autres types
d'antennes directives
Il devrait
être clair que cela n'a
pas de sens de construire
une antenne à trois ou
quatre éléments avec
réflecteurs ou
directeurs parasites,
lorsqu'on peut obtenir le
même résultat avec les
deux éléments de
l'aérien HB9CV. Ce
progrès peut en
particulier devenir
déterminant pour
l'amateur dans la bande
des 20m. Cette bande
permet, contrairement à
celle des 10 et 15m, des
liaisons lointaines à
tous les instants du
cycle des taches solaires
et reste la bande
classique DX. Cependant,
les pertes par absorption
sont déjà sensiblement
plus fortes que pour les
10 et 15m. A cela
s'ajoute le fait que, en
tant que bande étroite,
elle n'est plus seulement
remplie en totalité par
des stations d'amateurs,
mais aussi par de
puissants émetteurs
commerciaux. Un trafic
satisfaisant n'est
possible que si
l'intensité du signal
dépasse le niveau moyen
de bruit. Pour atteindre
ce but, l'expérience
montre qu'une station
plus puissante, de 50 à
200 W environ, est
nécessaire, station
disposant d'une bonne
antenne directive. Par
suite de l'encombrement
d'une telle antenne pour
la bande des 20m,
beaucoup d'amateurs
reculent devant sa
construction. Deux
éléments seraient le
maximum de ce qu'on
pourrait risquer, mais le
gain d'un aérien à deux
éléments, dont un
parasite, n'est guère
élevé. Et on pourrait
se demander si
l'amélioration obtenue
justifierait un tel luxe.
C'est ici que l'antenne
HB9CV comble une lacune,
en permettant, grâce à
des moyens modestes,
d'atteindre une puissance
suffisante pour se tirer
d'affaire avec succès.
Il n'y a aucun doute que
dans beaucoup de cas
l'unique solution à
envisager pour la bande
des 20m est l'antenne
HB9CV. Il est évident,
d'après les reports dans
la bande des 20m, que les
résultats seront
excellents dans les
conditions plus faciles
des 10 et 15m, si bien
que la construction de
systèmes d'antennes plus
volumineux dans ces
bandes-là devient
superflue. Comme point
essentiel, il faut
mentionner les antennes
directives multi-bandes.
L'antenne à trois bandes
G4ZU et ses variantes
sont d'excellents
perfectionnements. Cette
dernière est responsable
du retard de la présente
description. L'auteur
croyait que l'antenne
HB9CV était dépassée
par la G4ZU. Ce n'est
cependant pas le cas. Il
s'agit de savoir quels
buts envisage un amateur
en construisant un
aérien directif. S'il
désire un dispositif qui
travaille également sur
trois bandes et qui soit
le plus économique
possible, alors le
système G4ZU s'impose.
Mais il faut savoir que
chaque aérien
multi-bandes est un
compromis. Il est
malheureux qu'un aérien
à trois bandes ait le
gain le plus faible dans
la bande des 20m, où un
gain maximum serait
nécessaire, et le plus
élevé dans celle des
10m, où, dans de bonnes
conditions, on pourrait
renoncer à la
directivité.
Il n'en
reste pas moins que
l'antenne G4ZU, malgré
son comportement à
contre-sens, possède
d'excellentes
performances, vue sous
l'angle économique. Pour
celui qui doit avoir une
antenne directive à une
ou plusieurs bandes, en
désirant le maximum sans
compromis, l'antenne
HB9CV est une solution.
Sans doute doit-on
construire pour chaque
bande, séparément une
antenne à deux
éléments. Comme il
apparaîtra plus tard,
trois antennes HB9CV
peuvent sans difficulté
être montées les unes
au-dessus des autres. Il
est bien connu que les
antennes directives
multi-bandes que l'on
construit soi-même ne
sont accordées qu'avec
peine. Celui qui ne
possède pas les bases
techniques nécessaires
pour comprendre
clairement le
fonctionnement de telles
antennes ferait mieux
d'en acheter une dans le
commerce. C'est
peut-être justement un
avantage tout particulier
de l'antenne HB9CV, se
passer complètement de
cet accord délicat. Elle
s'impose aussi, comme
construction à réaliser
soi-même, pour les gens
qui n'ont pas
d'expérience dans le
domaine des antennes
directives.
Il faut
encore mentionner les
antennes appelées
Mini-Beam. Chaque antenne
peut-être raccourcie à
volonté et cependant
avoir la fréquence de
résonance désirée, si
on remplace la capacité
et l'inductance de
l'antenne, rendues plus
faibles par le
raccourcissement de
celles-ci. Ceci se fait,
le plus souvent, au moyen
de bobines placées à
l'endroit ou le courant
est maximum, ou de
condensateurs là ou la
tension est maximum. Il
est clair que chaque
raccourcissement diminue
l'étendue du champ
électromagnétique
autour de l'antenne et
agit de la même façon
sur l'efficacité de
rayonnement.
Electriquement, cela
entraîne une diminution
de la résistance de
rayonnement.
Réciproquement, les
pertes Joule sont
augmentées, lorsqu'on
connecte une bobine à
faible section à la
place du conducteur
formant l'antenne. Avec
des antennes directives
dipôles à plusieurs
éléments, la
résistance de
rayonnement est de toute
façon faible, de l'ordre
de 10 à 20 ohms,
cependant que la
résistance de pertes en
haute fréquence pour des
antennes tubulaires en
métal léger se monte
souvent à 1 ou 2 ohms.
Le rendement se tient
donc favorablement autour
de 90%. En raccourcissant
les éléments, on peut
même atteindre le cas ou
la résistance de
rayonnement s'abaisse à
5 ohms, par exemple, et
celle correspondant aux
pertes se monte à 5
ohms, d'où un rendement
maximum de 50%. La perte
de la moitié de
l'énergie n'agit pas
tellement au point de vue
de l'intensité du
signal. Cependant la
distribution sinusoïdale
des courants et tensions
le long de l'antenne est
perturbée par
l'adjonction de bobines,
et le bon fonctionnement
de celle-ci s'en ressent.
Une Mini-Beam peut
s'envisager là où il
n'y a pas de place pour
toute autre antenne. Mais
si l'on a cette place à
disposition, il serait
dommage de se priver du
gain optimum possible, en
raccourcissant l'antenne.
Il y a
encore différants types
d'aériens directifs,
dont la discussion ici
mènerait trop loin.
C'est ainsi
que des aériens
directifs avec dipôles
parallèles peuvent se
construire facilement
d'après l'antenne HB9CV,
en tant qu'antenne
pivotante et insensible
aux intempéries, alors
que tous les systèmes
compliqués comportent
des exigences bien plus
sévères, sous l'angle
de la longévité. Pour
la plupart des amateurs,
il s'agit de construire
un aérien qui soit une
source de satisfaction et
non de tracas. Il doit
donc être construit de
façon à résister au
temps et aux
intempéries.
Description
technique
Dimensions
complètes de l'antenne
La
description qui va suivre
contient toutes les cotes
nécessaires à la
construction. Il s'agit
de valeurs vérifiées
par l'expérience.
L'antenne de la figure 6
est le modèle original
HB9CV, qui fut maintes
fois réalisé.
Figure 6 :Dimensions
complètes de l'antenne
HB9CV
La figure 7
montre l'alimentation en
Gamma, qu'on envisage
pour les émetteurs à
sortie asymétrique.
L'auteur aimerait faire
ressortir qu'il ne
possède pas
d'expérience personnelle
sur l'alimentation en
Gamma et qu'il ne peut de
ce fait s'en porter
garant. Cependant bien
des amateurs on déjà
constaté que
l'alimentation en Gamma
fonctionne aussi bien que
celle en T
Figure 7 :Alimentation
en Gamma
Toutes les
autres questions de
détails se rapportant
aux cotes nettes données
dans ce chapitre seront
traitées en détails
dans la partie technique
qui suivra. On y donnera
aussi les dimensions de 3
antennes pour 20,15 et
10m.
Intensité
du signal, Décibel,
Energie
Avant de
discuter des antennes en
général et des antennes
à faisceau dirigé en
particulier, il est
nécessaire de se faire
une idée de la façon
dont les modifications de
la puissance de sortie,
d'une part, et les gains
des antennes directives,
d'autre part, agissent
sur l'intensité du
signal à la réception.
Celui qui est déjà
familier de ces questions
peut sauter ce chapitre.
Pour la
plupart des liaisons
radio, le signal capté
dans le récepteur est
transformé en un son.
Une liaison radio est
jugée bonne, si le bruit
propre du récepteur est
très en dessous de
l'intensité sonore du
signal. En l'absence de
toute perturbation
extérieure, le signal
(qu'il s'agisse de signes
Morse, de la voix humaine
ou de musique) est
parfaitement clair et
n'est accompagné d'aucun
bruit de fond audible. On
attribue au signal
l'intensité S9, d'après
l'échelle S du système
RST. L'expérience a
montré que, pour de bons
récepteurs à ondes
courtes, une tension
haute fréquence de 50µV
à l'entrée de l'antenne
correspond à
l'intensité S9. Les
constructeurs de
récepteurs à ondes
courtes étalonnent la
plupart du temps le
S-mètre sur cette base.
Il est
cependant nécessaire de
parler de la notion de
décibel. Le décibel est
le quotient logarithmique
de deux puissances P1 et
P2, selon la formule :
P1
db = 10 log-------
P2
La formule
se comprend facilement au
moyen de la table
comparative de la figure
8, qui donne les
équivalences entre
décibels et quotients de
puissances qui se
rencontrent le plus
souvent en
radio-technique.
Le tableau
de la figure 9, montre la
dépendance entre
intensité sonore,
rapport de puissances en
db, tension d'antenne et
sensation sonore, jugée
à l'oreille. Le lecteur
est prié de l'étudier
soigneusement, car les
indications relatives à
l'intensité de signal ne
sont guère unifiées
entre stations
d'amateurs.
Dans le
tableau, l'intensité S9,
corresponds à une
tension d'entrée de
50µV a été prise comme
niveau de puissance zéro
(en db). Pour des niveaux
supérieurs à S9, on
donnera l'indication
habituelle : S9 + 12db,
par exemple, cependant
que les niveaux
inférieurs à S9 auront
un chiffre en db
négatif, ce qui ne
présente aucune
difficulté.
Le pas d'un
niveau S au suivant
comporte toujours 6 db,
correspondant à une
différence de puissance
dans le rapport de 1 à
4. Admettons qu'on capte
le signal d'un émetteur
de 100 W avec le niveau
S9 ; le niveau tombe à
S8 (-6db) lors d'une
réduction de la
puissance émise à 25 W,
à S7 (-12 db) lors d'une
réduction à 6,24 W,
etc. Inversement pour
hausser le niveau
d'intensité à S9 + 6
db, la puissance émise
doit être augmentée à
400 W.
Dans la
troisième colonne
(tension d'antenne), on
voit que, pour augmenter
l'intensité d'une
quantité S, la tension
de l'antenne doit être
chaque fois doublées.
Cela entraîne que la
puissance quadruple, car
l'on peut admettre que la
résistance d'une antenne
reste constante. Si
celle-ci est en
résonance et
correctement adaptée, il
n'y aura qu'une
résistance ohmique, si
bien que, d'après la loi
d'ohm U = R.I., le
courant double aussi. De
la relation P = U.I., on
tire que la puissance
quadruple, c'est-à-dire
qu'elle augmente
quadratiquement avec le
courant ou la tension.
Dans la
colonne relative à
l'intensité du signal,
à l'intelligibilité et
au bruit, les chiffres
indiqués sont ramenés
à la sensibilité de
notre oreille. Aussi
peut-on se faire une
idée des améliorations
à obtenir par
l'augmentation de la
puissance émise ou par
les gains des antennes.
On voit
ainsi qu'il est à vrai
dire inutile de doubler
l'énergie émise, car on
ne gagnerait que 3 db,
soit 1/2 de niveau S. Il
faut au moins quadrupler
cette énergie si l'on
veut une amélioration
rentable. On voit en
outre que le gain d'un
dipôle à deux
éléments parasites de 5
db n'entraîne pas tout
à fait un niveau S
supplémentaire, ce qui
implique déjà une
amélioration sensible,
mais cependant pas très
importante. Un gain de 8
à 10 db, atteint avec
l'antenne HB9CV,
correspond à un niveau S
de 1,5, ce qui est à
souligner.
| dB |
P |
dB |
P |
| +10 |
x 10 |
-10 |
x 1/10 |
| +20 |
x 100 |
-20 |
x 1/100 |
| +30 |
x 1000 |
-30 |
x 1/1000 |
| +40 |
x 10000 |
-40 |
x 1/10000 |
| etc. |
etc. |
etc. |
etc. |
|
| dB |
P |
dB |
P |
dB |
P |
| 1 |
1,26 |
11 |
12,6 |
21 |
126 |
| 2 |
1,58 |
12 |
15,8 |
22 |
158 |
| 3 |
2 |
13 |
20 |
23 |
200 |
| 4 |
2,5 |
14 |
25 |
24 |
250 |
| 5 |
3,16 |
15 |
31,6 |
25 |
316 |
| 6 |
4 |
16 |
40 |
26 |
400 |
| 7 |
5 |
17 |
50 |
27 |
500 |
| 8 |
6,3 |
18 |
63 |
28 |
630 |
| 9 |
7,95 |
19 |
79,5 |
29 |
795 |
| 10 |
10 |
20 |
100 |
30 |
1000 |
|
|
Figure
8
Figure 9
Fonctionnement
Il
est difficile de trouver dans la
littérature spécialisée des
renseignements sur le
fonctionnement de deux dipôles
de longueur inégale, distants de
&lambda:/8,alimentés tous
deux et couplés par rayonnement
mutuel. Il est difficile de
traiter ce problème
mathématiquement. On en vient à
bout plus facilement par des
considérations logiques et par
des essais pratiques. Ayant
obtenu de bons résultats
démontrés pratiquement, on
pourra, par des investigations
scientifiques, découvrir encore
d'autres résultats. Il est
possible d'éclaircir le
fonctionnement de l'antenne de
manière à obtenir une
compréhension générale.
L'écartement
de deux dipôles fut établi à
1:8 de la longueur d'onde, parce
que cela s 'est avéré
avantageux au point de vue
électrique et mécanique. Avec
cet écartement, le meilleur
effet directionnel se produit
lorsque l'élément placé
derrière a sur celui de devant
un retard de phase de 225°
(180° + 45°) respectivement une
avance de 135° (185° - 45°).
Afin de mettre en service deux
dipôles avec cet écart de
phase, dipôles réalisant une
antenne travaillant sans défaut,
trois conditions doivent être
remplies :
1.
Le système d'alimentation doit
être dimensionné de façon que
les deux dipôles soient excités
avec le déphasage indiqué. En
tournant le câble d'alimentation
entre dipôle de 180°, il se
produit un déphasage électrique
de 180° pour ce que l'on appelle
la ligne de déphaseuse. Le temps
de propagation depuis le point
d'alimentation sur la ligne
déphaseuse jusqu'à l'élément
situé derrière provoque une
rotation de phase supplémentaire
de 45°.
2.Le
couplage par rayonnement mutuel
doit aussi produire la même
différence de phase de 225°,
sinon il agit à l'opposé de
l'alimentation directe. Cela se
produit lorsqu'on allonge
l'élément antérieur. L'antenne
est seulement constituée, à
proprement parler, d'un
réflecteur alimenté et d'un
directeur.
3.Pour
que l'antenne travaille avec le
rendement optimum et puisse être
alimentée sans réflexions, elle
doit être équivalente à une
résistance ohmique, ramenée au
point d'alimentation. En fait les
longueurs des éléments peuvent
être choisies de façon à
compenser totalement la
composante inductive réactive du
réflecteur et capacitive du
directeur.
Le
système d'alimentation
Les
deux éléments sont excités par
deux dispositifs d'adaptation en
T, reliés ensemble par la ligne
déphaseuse. L'énergie en
provenance de l'émetteur est
injectée à l'extrémité
antérieure de la ligne
déphaseuse où est connecté en
même temps le dispositif en T du
directeur. Tout le système est
réalisé en fil de cuivre. Du
câble isolé en matière
plastique, comme on en utilise
pour les installations
domestiques, convient
parfaitement. Le diamètre des
conducteurs doit naturellement
correspondre à celui du câble
d'alimentation. Les
considérations suivantes ont
conduit à cette forme bon
marché de l'alimentation :
l'énergie haute fréquence de
l'émetteur atteint le point
d'alimentation de l'antenne avec
l'impédance correspondant à
l'impédance caractéristique du
câble d'alimentation. A partir
de là, elle aboutit par le
double dispositif en T aux
centres des deux dipôles avec
l'impédance correspondante.
Ainsi le double dispositif en T,
y compris la ligne déphaseuse
conduit les ondes progressives
avec la même impédance que le
câble d'alimentation. Il ne se
produit alors en aucun point du
système d'alimentation des
courants ou tensions supérieurs
à ceux du câble d'alimentation.
Il devient ainsi parfaitement
inutile de réaliser le
dispositif en T en tube.
Une
alimentation symétrique en
câble plat (twin lead) de 150 ou
de 240 à 300 ohms a donné de
bons résultats ; par contre, un
essai avec du câble plat à 75
ohms s'est révélé non
satisfaisant. A l'alimentation
symétrique en T avec 150 ohms
correspond l'alimentation
asymétrique en Gamma avec du
câble coaxial à 75 ohms.
On
insiste, dans la littérature,
sur l'imperfection du système
d'alimentation en T. La partie
médiane du tube formant dipôle,
situé entre les deux points
terminaux du dispositif en T
forme, vu du côté alimentation,
une boucle en court-circuit et
provoque une composante réactive
indésirable.
On
peut compenser au moyen de
condensateurs placés en série
dans les brins du T. Des essais
ont indiqué que l'accord de
l'antenne HB9CV au moyen de ce
condensateur est beaucoup trop
critique. De petits écarts de
part et d'autre de la valeur
correcte font que l'énergie de
l'émetteur ne se répartit que
d'un côté, soit vers le
réflecteur soit vers le
directeur. L'emploi de tels
condensateurs de correction est
à déconseiller.
Par
contre, la composante réactive
provoquée par la boucle en
court-circuit que nous venons de
mentionner peur être compensée
par de petites modifications de
la longueur des éléments. Cela
s'est déjà produit avec
l'antenne HB9CV.
Le
taux d'ondes stationnaires
favorable montre que ce léger
inconvénient du dispositif en T
ne joue ici qu'un rôle sans
importance.
La
ligne de déphasage doit remplir
les conditions suivantes :
1.
Afin qu'elle ne rayonne pas,
l'écart des deux conducteurs ne
doit pas dépasser 12 à 25 mm.
Cela n'est pas critique. La
résistance caractéristique de
la ligne déphaseuse ne joue
aucun rôle, surtout si l'on
tient compte de la faible
longueur de ?/ 8.
2.
La ligne de déphasage doit
rester isolée, de façon que les
deux conducteurs ne puissent en
aucune façon entrer en
court-circuit ou entrer en
contact avec d'autres parties
métalliques. Le fait que la
ligne déphaseuse isolée repose
sur le montant transversal ou
qu'elle soit montée à une bonne
distance ne semble jouer aucun
rôle du point de vue
électrique.
3.
La longueur électrique de la
ligne de déphasage doit être de
? / 8. Il est bien connu que la
vitesse de propagation sur deux
conducteurs parallèles et
isolés est légèrement
en-dessous de la vitesse de la
lumière c, et vaut environ 0,9
c. Lorsqu'on monte le dispositif
en T ou en Gamma dans le plan des
éléments, exactement comme sur
les figures 6/7, la ligne de
déphasage devient
automatiquement plus courte de
10% environ et a juste la bonne
longueur électrique. On peut
aussi utiliser un câble plat à
300 ohms ; sa vitesse de
propagation vaut 82 à 86 % de c.
Des essais ont montré que les
variations de la longueur
électrique de la ligne
déphaseuse peuvent atteindre 10
% sans inconvénient notable.
En
conclusion de ce paragraphe,
donnons quelques indications
concernant le choix du câble
d'alimentation. Il dépend en
première instance de la manière
dont est réalisée la sortie de
l'émetteur. En cas de sortie
symétrique, on peut envisager du
câble plat (twin lead) de 150 ou
de 240 à 300 ohms, des câbles
minces, utilisés en réception,
conviennent jusqu'à des
puissances d'environ 200 W et
pour des longueurs atteignant 12
mm au maximum.
Pour
des puissances cu des longueurs
supérieures, on choisira des
câbles du type (émetteur) avec
diamètre correspondant plus gros
et pertes plus faibles. L'auteur
donne la préférence au câble
à 150 ohms, et ceci pour les
motifs suivants : les pertes sont
à peine plus élevées qu'avec
celui à 300 ohms, et il est si
étroit que, pour la plupart des
antennes, on peut l'amener par
les trous d'alésage à
l'intérieur du mât vertical. Il
n'est pas nécessaire de
l'éloigner du tube métallique,
car sa résistance
caractéristique n'est modifier
que de 35 %, s'il repose sur des
surfaces métalliques, alors que
cette modification atteint 30 %
pour celui à 300 ohms.
Pour
des sorties d'émetteur
asymétriques, le câble coaxial
à 75 ohms avec dispositif
d'adaptation en gamma est le plus
judicieux.
Là
aussi, la qualité du câble
(c'est-à-dire, la section des
conducteurs et les pertes) doit
être déterminée par la
puissance émise et par la
longueur d'amenée. Pour un bon
câble d'alimentation, les pertes
ne devraient pas dépasser 2 db,
c'est-à-dire les 20% du gain de
l'antenne. Les fabricants de
câbles haute fréquence donnent
tous renseignements sur la charge
et les pertes en db par unité de
longueur.
Naturellement,
selon les circonstances, des
transformations d'impédances le
long du conducteur d'alimentation
selon les méthodes connues
peuvent se faire. La méthode la
meilleur et la plus simple est
encore d'utiliser un câble
homogène conduisant de
l'émetteur à l'antenne, cas ou
l'émetteur aussi bien que
l'antenne doivent être adaptés
à là résistance
caractéristique du câble
d'alimentation, si l'on désire
une transmission d'énergie sans
réflexion.
Fréquence
de résonance et longueur des
éléments
L'antenne
considérée globalement, est en
résonance, lorsque les longueurs
des deux éléments sont égales
à 0,96 ?/2 . La fréquence de
résonance reste inchangée, si
l'un des éléments est d'autant
allongé, que l'autre est
raccourci.
Déjà
lorsque les deux éléments sont
de même longueur, l'antenne
présente une caractéristique de
directivité, mais qui est
cependant mauvaise, parce que la
phase de l'alimentation ne
coïncide pas avec celle du
couplage mutuel. Des essais ont
établi avec quelle différence
de longueur des éléments
l'antenne présente ses
meilleures propriétés.
Gain
et rapport avant-arrière
Le
comportement en ce qui concerne
le gain et le rapport
avant-arrière en fonction des
différences de longueur des
éléments se trouve représenté
à la figure 10. Il s'ensuit
qu'on obtient le gain le plus
élevé pour une longueur de
réflecteur égale à 0,98. ? / 2
et 0,94. ? / 2 pour le directeur,
c'est-à-dire pour une
différence de longueur des
éléments entre eux de 4% en
gros, tandis que le meilleur
rapport avant-arrière se produit
pour une différence de 11%. Avec
la valeur moyenne de 8% on
obtient en même temps l'optimum
de gain et de rapport
avant-arrière. Cela correspond
à une longueur de réflecteur de
? / 2 .0,92 pour le directeur. Il
y a deux raisons qui font
apparaître ces longueurs comme
les plus favorables. La pratique
dans le trafic radio mondial
d'amateurs montre que le rapport
avant-arrière est aussi
important que le gain, surtout à
la réception, où
l'affaiblissement de signaux
provenant de directions non
désirées est important. Encore
plus important est le fait que,
avec cette différence de
longueurs, l'antenne fait preuve
d'une largeur de bande favorable.
En pratique, on admet un gain
effectif de 8 à 10 db. Cela
correspond à un gain d'énergie
de 6,3 à 10 fois par rapport au
simple dipôle. Si les deux
stations qui communiquent sont
l'une et l'autre équipées avec
un aérien prévu pour
l'émission et la réception, les
gains des antennes réceptrices
et émettrices s'additionnent.
Dans ce cas, il se produit un
gain de 16 à 20 dBn et, au point
de vue de l'intensité du signal,
on gagne 3 niveaux S par rapport
à ce qu'on aurait si chaque
station avait un dipôle simple.
Sur la base de multiples
observations et essais
comparatifs, ces améliorations
d'intensité se vérifient en
moyenne. Naturellement il y a
toujours des écarts de part et
d'autre.
Figure 10 :Gain et rapport
avant-arrière
On
ne pourrait obtenir d'autres
éclaircissements sur le rapport
avant-arrière qu'au moyen de
longues expériences
d'exploitation. Il se trouve
entre 10 et 40 db, et il est
fortement dépendant de l'angle
vertical d'incidence ou de
rayonnement. On a mesuré pour
des liaisons lointaines, par
exemple entre la Suisse et la
Californie, des rapports
avant-arrière de 40 db, alors
que pour de courtes distances
(short skips) de quelque 200 km,
avec réflexion simple, sur la
ionosphère, et dans des
conditions de rayonnement
oblique, on ne mesurait que des
différences de 10 db. Lors
d'essais rapprochés entre deux
stations distantes de 8 km en
terrain plat, le rapport
avant-arrière se tenait toujours
autour de 25 db, ce qu'on peut
admettre comme valeur moyenne. En
tout cas il faut compter avec de
gros écarts à partir de la
valeur moyenne, en ce qui
concerne le rapport
avant-arrière.
Influence
de l'angle vertical
Les
différences mentionnées dans le
gain de l'antenne et plus
particulièrement dans le rapport
avant-arrière sont dépendantes
en grande partie de la
caractéristique de rayonnement
de l'antenne dans le plan
vertical. Afin de comprendre la
façon dont le diagramme de
rayonnement vertical influe sur
le rapport avant-arrière,
considérons la représentation
valable pour l'espace libre de la
figure 11. Le minimum se trouve
derrière l'antenne et dans son
plan horizontal. Pour un
rayonnement très plat partant de
l'antenne ou y aboutissant, par
derrière, sous un angle vertical
d'environ 10°, comme on peut s'y
attendre avec des stations
éloignées, particulièrement
dans la bande des 10m, on peut
compter sur un très bon rapport
avant-arrière. Mais déjà lors
d'un angle d'incidence oblique,
l'affaiblissement d'un
rayonnement venu de derrière
diminue. Cela s'accorde bien avec
l'observation empirique. Le
principe reste valable bien que
le diagramme vertical effectif
au-dessus du sol se réduise à
la moitié supérieure de la
figure 11, et qu'il apparaisse
beaucoup plus compliqué du fait
des interférences produites par
des réflexions sur le sol.
Figure 11 :Influence de
l'angle vertical
Taux
d'ondes stationnaires et largeur
de bande
Lorsqu'elle
fonctionne sur sa fréquence de
résonance, l'antenne directive
HB9CV possède un bon taux
d'ondes stationnaires, entre 1,05
et 1,02, ce qui est vérifié par
l'expérience de l'auteur et
celle d'autres personnes.
Connaissant le taux d'ondes
stationnaires d'un conducteur
d'alimentation, on peut d'une
façon bien connue, représenter
le taux dans sa variation entre
les points où le courant -ou la
tension-est maximum et ceux où
il est minimum. Pour le cas
idéal où le taux est égal à
1, il n'y a pas d'ondes
stationnaires, et le câble
conduit partout le même courant
ou la même tension. Nous avons
une onde progressive pure, avec
les pertes minimales. Au cas où
il n'y a pas d'adaptation, il se
produit sur le câble des ondes
stationnaires plus ou moins
fortement marquées,
c'est-à-dire des maxima de
courant avec des pertes Joule
plus élevées, ou des maxima de
tension avec des pertes
diélectriques correspondantes.
C'est pourquoi il ne faut pas
dimensionner d'une manière trop
serrée les conducteurs
d'alimentation, sous l'angle de
section des conducteurs et de la
rigidité d'isolation. Il est
important de savoir quelles
pertes supplémentaires entraîne
l'aggravation du taux d'ondes
stationnaires croissant, il se
produit les pertes
supplémentaires suivantes :
Taux
d'ondes stationnaires Pertes
supplémentaires
1
ou 1 :
1.........................................
.0 %
2
ou 2 :
1..........................................25
%
3
ou 3 :
1.........................................
55 %
5
ou 5 :
1........................................125
%
Par
exemple, lorsque
l'affaiblissement d'un conducteur
d'alimentation en l'absence
d'ondes stationnaires se monte à
2 db, il atteindra 125% soit 2,5
db avec un taux de 2. Cette
aggravation de 0,5 db n'est pas
sensible à l'oreille. On peut
peut-être aussi dire en toute
quiétude, que jusqu'à 2, un
taux peut être considéré
commen bon.
L'opinion
répandue largement parmi les
amateurs, selon laquelle on
devrait maintenir un taux d'ondes
stationnaires à 1, est pour le
moins exagérée.
Pour
en revenir à l'antenne HB9CV, on
voit que les conditions
d'adaptation à la résonance
sont quasi idéales. Par suite de
l'alimentation directe, les deux
éléments compensent presque
exactement toutes les composantes
réactives, si bien que l'antenne
représente une charge presque
purement formée de la
résistance de rayonnement, le
tout avec un rendement optimum.
Lorsqu'on
se trouve au-dessus ou en-dessous
de la fréquence de résonance,
les composantes réactives du
directeur et du réflecteur ne se
compensent plus. Au point
d'alimentation de l'antenne, il
se produit des réflexions
d'énergie, et, par suite, une
augmentation des ondes
stationnaires.
La
figure 12 montre la variation du
taux d'ondes stationnaires en
fonction de la fréquence.
Lorsque la fréquence de
résonance d'une antenne est
choisie vers le milieu d'une
bande d'amateur, elle pourra
fonctionner avec un bon rendement
jusqu'aux extrémités de la
bande.
Figure 12 :Variation du
taux d'ondes stationnaires en
fonction de la fréquence
Si
l'on prend une largeur de bande
égale à 2% de la fréquence de
travail, notre expérience a
montré qu'on ne remarque aucune
perte dans tout le domaine, que
ce soit au point de vue de
l'alimentation ou du rayonnement.
Même lorsqu'on s'écarte de 5%
de la résonance, l'antenne se
comporte encore favorablement, en
dépit de ce qu'on aurait pu
attendre (voir le diagramme de
rayonnement de la figure 14). La
largeur de bande est ainsi tout
à fait suffisante, dans le
domaine relativement large des
10m.
Diagramme
de rayonnement
Les
mesures praqtiques des diagrammes
de rayonnement sont d'un
intérêt tout particulier. Comme
exemple typique, les figures 13
et 14 montrent le diagramme de
l'antenne pivotante pour ondes de
20m de la station HB9MC et celui
de la station HB9CV, tous deux
mesurés à 8 km de distance, en
terrain plat. Lors de toutes les
mesures du même genre, il n'est
guère possible d'éviter
l'influence locale de
circonstances diverses sur les
mesures entraînant des
irrégularités. Cependant, on
peut reconnaître que la forme du
diagramme s'accorde bien avec les
propriétées décrites. Il y a
lieu de mentionner les minima qui
se produisent de part et d'autre,
entre la boucle principale et la
première boucle latérale. Dans
ces deux directions qui, en
règle générale, s'écartent
d'un angle de 100° de la
direction de rayonnement
principale, l'affaiblissement par
rapport au rayonnement principal
se montre souvent en pratique à
50 ou 60 db. A la réception, de
forts parasites ayant un niveau
d'intensité S9, produits soit
par des perturbations
électriques locales, soit par
des stations émettant sur la
même fréquence, peuvent être
complètement étouffés grâce
à ces minima, alors que toute
réception serait impossible au
moyen d'antennes habituelles.
Figure 13 :Diagramme de
rayonnement (bande 20m, station
HB9MC)
Figure 14 :Diagramme de
rayonnement (bande 10m, station
HB9CV
Réciprocité
On
n'a pas fait de distinction
jusqu'ici entre le fonctionnement
de l'antenne en émetteur et en
récepteur. Pour une claire
compréhension des faits, il faut
mentionner que la loi de
réciprocité est entièrement
valable pour les antennes. Les
propriétés d'une antenne, que
l'on constate lorsque celle-ci
fonctionne en émetteur, telles
que le gain, les
caractéristiques de rayonnement,
le rapport avant-arrière, etc.,
restent entièrement valables
lors de son emploi comme
réceptrice. Les avantages d'un
aérien directif sont ainsi
doublement favorables. Il est
ainsi compréhensible qu'aucun
autre dispositif technique
n'améliorera une station autant
qu'un aérien directif. Du côté
émetteur, une compensation par
l'augmentation correspondante de
la puissance reste possible. Par
contre, du côté récepteur, il
n'y a aucune possibilité de ce
type, car il est connu que la
sensibilité de récepteur est
limité par la qualité des
circuits et la technique des
tubes.
Accord
et comportement électrique
Une
antenne directive HB9CV n'a
besoin d'aucun accord après le
montage. L'expérience montre que
la fréquence effective de
résonance se tient près de la
fréquence de travail désirée.
De même, dès le début, le taux
d'ondes stationnaires est bas.
Ainsi le couplage à l'émetteur
s'effectue-t-il d'une manière
facile et non critique. La
largeur de bande de l'antenne,
relativement bonne, a pour
conséquence que même pour de
gros écarts de fréquence, il
n'y a pas besoin de procéder à
un nouvel accord du côté de
l'émetteur.
Influence
réciproque de plusieurs antennes
directives
Lorsque
plusieurs aériens directifs sont
montés sur le même mât, la
question se pose de savoir à
quelle distance ils doivent être
placés les uns des autres, pour
éviter des influences
réciproques défavorables.
Un
aérien pour les 10m et un autre
pour les 20m sont dans un rapport
harmonique. L'antenne pour les
10m pourrait exciter l'autre,
fonctionnant comme antenne pleine
onde. Lorsqu'on regarde les
choses de plus près, on constate
que, par suite de la fixation
centrale des deux antennes au
même mât, le couplage est
quasiment nul. Au cas où
l'antenne pour les 20m serait
excitée en 10m, le centre de
courant de celle pour 10m se
trouverait placé en face du
centre de tension de celle pour
20m. Ainsi le danger d'une
oscillation mutuelle indésirable
est pratiquement écarté.
Une
autre possibilité d'influence
réciproque vient du fait que les
éléments proches, appartenant
à une autre antenne, pourraient
jouer le rôle de composants
capacitifs additionnels et ainsi
changer la fréquence de
résonance de l'antenne.
Lorsqu'on dispose plusieurs
aériens dans le même plan,
c'est effectivement le cas et on
est conduit à des mises au point
fastidieuses sur les antennes une
fois montées. Des essais ont
montré que les barreaux
d'antennes peuvent être placés
à une distance de l'antenne en
question égale à 1/20 de la
longueur d'onde, sans qu'il
apparaisse un désaccord, même
lorsque les barreaux sont plus
longs que ceux de l'antenne en
question. S'ils sont plus courts
le voisinage peut être rendu
étroit. En pratique une antenne
pour les 15m devrait aussi être
montée à une distance de 1m au
dessus ou au dessous d'un aérien
de 20m, lorqu'il faut éviter en
toute sécurité des désaccords
capacitifs.
Possibilités
d'utilisation de l'antenne
directive HB9CV
Si
nous nous occupons principalemnt
des aériens directifs pour la
bande de 10, 15 et 20m, c'est
parce que la question de la
construction de grosses unités
se pose le plus fréquemment.
L'antenne HB9CV convient
naturellement tout aussi bien
pour le domaine des ondes ultra
courtes. La construction
d'antennes pour ces faibles
longueurs d'ondes est très
facile et bon marché. Leur
largeur de bande suffit même
pour des canaux de télévision
situés plus bas en fréquence.
Ainsi la bande des émetteurs en
ondes ultra-courtes est presque
entièrement couverte. Pour les
bandes en ondes ultra-courtes du
trafic amateur, elle s'impose
pour des stations fixes et
portables. Il en résulte des
performances déjà bonnes, et
même parfois étonnantes.
Développements
ultérieurs
Les
essais de développement et les
mesures relatives à cette
antenne ont été effectués sur
la bande des 2m. Au vu des bons
résultats obtenus avec deux
éléments alimentés, il vint à
l'esprit de tenter des essais
avec trois éléments alimentés.
Ils furent malheureusement tout
à fait négatifs. Dans tous les
cas, ils furent nettement plus
mauvais qu'avec deux éléments.
Avec trois éléments alimentés,
les conditions deviennent si
compliquées qu'on peut se
demander si l'amélioration
obtenue de cette façon en vaut
la peine. Cependant, il n'y a
aucun doute que la voie reste
ouverte dans d'autres directions.
Construction
de l'antenne
Lors
de la construction d'une antenne
directive, il s'agit tout d'abord
d'accorder les désirs du
constructeur avec les données
locales, de la façon la plus
rationnelle. Comme les désirs
ainsi que les données locales
varient fortement d'un cas à
l'autre, on mentionnera, dans la
description qui va suivre,
d'autres variantes de
réalisation, comme celles qu'a
choisies l'auteur. Il sera ainsi
plus facile, dans un cas
particulier, de traiter la
construction de l'antenne sur une
base plus large, de manière à
trouver pour chaque cas la
solution la plus favorable.
Influence
de l'endroit où est placée
l'antenne et de la hauteur de
celle-ci.
L'espace
environnant d'une station, qu'il
soit proche ou éloigné a, comme
on le sait, une influence
déterminante sur le rayonnement.
L'effet d'écran des montagnes
est connu de chacun et on ne peut
naturellement pas y remédier au
moyen d'une antenne directive.
C'est en espace libre, avec un
sol bon conducteur, que l'antenne
rayonne dans les meilleures
conditions. Dans ce cas, le
rayonnement direct et celui qui
est réfléchi par le sol
s'additionnent. Le meilleur
emplacement est donc une colline
plate, bien dégagée, avec un
sol ayant de bonnes propriétés
conductrices. Des cimes
montagneuses, ainsi que de très
hauts batiments sont moins
favorables, du fait que des
réflexions au sol se font d'une
manière imprécise et la plupart
du temps moins favorable. Les
navires en haute mer ont, grâce
à la surface conductrice de
l'eau, des conditions de
rayonnement excellentes.
La
plupart des stations disposées
en ville ou dans des quartiers
très habités perdent la plus
grande partie des réflexions au
sol à cause des nombreux
obstacles environnants. Même le
rayonnement direct est plusieurs
fois affaibli par l'action des
bâtiments élevés se trouvant
dans les parages. La différence
entre un emplacement situé en
ville, soit dans de mauvaise
conditions, et un autre, situé
en rase campagne, peut atteindre
10db.
Un
aérien directif donnera partout
la même amélioration. S'il est
utilisé en un mauvais
emplacement, il subsiste la
possibilité d'obtenir un signal
supérieur à la moyenne avec une
puissance de 50 à 200 watts, ce
qui est parfois considéré comme
une bonne liaison à distance,
également en téléphonie. Celui
qui a la chance d'habiter une
colline idéale, peut s'amuser,
avec une antenne directive et une
puissance de 20W, à jouer sur un
niveau dépassant toute
concurrence, ce qui lui est
d'autant plus facile qu'il peut
entendre les faibles stations,
qui , en milieu urbain et avec
les niveaux locaux élevés de
perturbations, restent
inaudibles.
La
hauteur de l'antenne est d'une
importance capitale pour le
rayonnement. Il est recommandé
d'étudier ce chapitre dans la
littérature spécialisée.
De
toute façon, il faut dire, d'une
manière restrictive, que le
fonctionnement d'une antenne
théoriquement favorable ne
concorde avec la pratique que
lorsque l'aérien est monté sur
un mât en espace libre. Il est
rarement possible de réaliser de
telles solutions idéales. Là
où il y a beaucoup de
bâtiments, les divers
conducteurs métalliques dans les
maisons (béton armé, conduites
de toutes sortes, paratonnerres,
etc.) font que le potentiel de
terre est élevé en hauteur, et
que, de ce fait, la hauteur
effective de l'antenne au dessus
du sol est diminuée. Ainsi, dans
la plupart des cas pratiques, à
la question : à quelle hauteur
faut-il construire l'antenne ? on
peut répondre : le plus haut
possible. Comme solution
approchée, on peut envisager de
construire une antenne sur un
toit de maison. Une deuxième
variante, considérablement plus
chère et plus compliquée au
point de vue technologique,
serait de monter l'antenne sur un
mât métallique.
Lorsque
l'aérien se trouve à la même
hauteur que le pignon de la
maison voisine, ou au-dessus, on
peut certainement s'attendre à
obtenir de bons résultats.
L'expérience a montré ques des
batiments laissent encore passer
les ondes courtes en dessous de
30MHz. Ce n'est que dans le
domaine des ondes ultra-courtes
qu'ils forment écran
infranchissable. Comme fait
réjouissant, on peut retenir que
même des aériens placés très
bas, entre des murs de maisons,
ont donné des résultats
dépassant ce qu'on attendait.
Des antennes fixes, suspendues au
plafond comme antennes
d'intérieur, ont donné des
intensités de signaux bien
supérieures à des antennes
normales, en espace libre et haut
placées (center fed, Zepp,
Windom, etc., exception faite,
peut-être, d'une bonne antenne
Ground plane). C'est pourquoi,
nous allons parler tout d'abord
de telles antennes directives
simples.
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