Utiliser et comprendre les bons termes, les bonnes méthodes pour mieux faire les choses. C’est ce que j’ai voulu faire ici. J’ai donc parcouru le web en essayant de trouver les réponses “correctes” à mes questions. La majorité des informations provient de parties de cours pour radioamateur. C’est donc du sérieux :) Il faut admettre que les principes mathématiques qui sont à la base de la théorie sont assez ardus, savoir utiliser les nombres complexes est plus qu’utile (c’est très facile mais faut apprendre). Pour celui ou celle qui n’a pas un bagage suffisant en math ce sera un peu plus “hard” mais ça reste relativement accessible pour un bachelier ou un (bon) BEP technique et en re bossant un peu le sujet. On pourra se contenter de retenir les formules en sachant les utiliser.
Juste avant de se lancer, le symbole λ (Lambda) représente la longueur d’onde.
Pourquoi et comment une antenne rayonne t’elle ?
Après avoir produit une certaine puissance avec notre émetteur, il faudra amener cette puissance à l’antenne, d’où la nécessité de lignes de transmission. A l’autre bout du câble, il faudra transformer cette puissance en onde électromagnétique, c’est le rôle de l’antenne.
Inversement à la réception l’antenne transforme l’onde électromagnétique en puissance électrique, véhiculée par une ligne de transmission afin d’attaquer le récepteur. Un système d’antenne comporte l’antenne proprement dite, la ligne de transmission (par exemple le câble coaxial) et éventuellement un coupleur d’antenne.
Petits rappels d’électromagnétisme sans équation
Les charges électriques au repos peuvent exercer des forces électriques entre elles, cette action à distance se fait par l’intermédiaire d’un champ électrique. Toute charge électrique notée Q immobile génère un champ électrique noté E dans l’espace environnant, qui décroît inversement avec le carré de la distance.
De la même manière, toute circulation de courant (c’est-à-dire des charges en mouvement) à travers une interconnexion élémentaire est à l’origine d’un champ magnétique tournant autour de la ligne. Cette ligne exercera une force à distance sur toute autre interconnexion parcourue par un courant.
Une manière simple de comprendre l’origine du rayonnement électromagnétique
Toute charge (courant électrique, champ magnétique,…) et tout mouvement de charge sont capables de créer des champs électriques et magnétiques autour d’eux et devraient être capables de produire un rayonnement électromagnétique (création d’une onde électromagnétique qui se propage librement dans l’espace). Cependant, dans la nature, quasiment tous les objets ne rayonnent pas. En effet, la plupart des objets contiennent des charges positives et négatives en équilibre, si bien que les champs électriques que chacune de ces charges génèrent s’annulent. Lorsqu’un courant circule le long d’une interconnexion, les charges véhiculées ne s’accumulent pas au bout de l’interconnexion, mais reviennent par un autre chemin, formant ainsi une boucle.Ainsi, le champ magnétique créé par chaque élément de cette boucle s’additionne avec la contribution des autres et annulent quasiment le champ magnétique total à grande distance.
Pour ce qui nous concerne en pratique, il faut donc introduire un “décalage” dans les charges pour obtenir une onde, c’est ce qu’on nomme le “déphasage” ! Si c’était une course, on devrait faire en sorte que l’arrivé “ex aequo” de nos compétiteurs (charges) soit impossible, il DOIT y avoir un “décalage” entre les deux sinon aucune onde ne sera générée à longue distance.
Alors comment une antenne fait-elle pour rayonner ?
Intuitivement, on sent bien qu’il faut qu’il y ait ce déséquilibre, ce décalage, ce déphasage, dans la distribution de charges et les courants parcourant l’antenne pour qu’il y ait une onde, sinon tout est neutre, en équilibre, rien ne se passe. Pour générer ce décalage, on peut, par exemple, introduire une variation temporelle (variation dans le temps) du courant ou toute discontinuité dans l’antenne conduisant à une accumulation de charges. Vous l’avez compris, c’est pour empêcher l’annulation de la contribution de chaque charge et de chaque élément de courant de l’antenne. Ceci donnera à notre assemblage de “de métal ou de fil” les propriétés caractéristiques d’une antenne. C’est à dire transformer pour la réception un champ électromagnétique en courant électrique et pour l’émission un courant électrique en champ électromagnétique. C’est bien ce que attendons tous de nos antennes non ?
En l’occurrence, c’est un déséquilibre, le déphasage qui génère l’onde… Sans lui pas de radio !
Les antennes élémentaires
Nous savons déjà :
- comment des charges réparties sur un conducteur produisaient un champ électrique
- et que le courant qui traversait ce conducteur produisait un champ magnétique.
que l’ensemble des deux constituait un tout indissociable appelé champ électromagnétique.
Ce conducteur dont il était question s’appelle une antenne. Ces antennes sont du type “fil (ou conducteur) rayonnant”, mais vous savez déjà qu’il existe aussi des antennes utilisant des surfaces rayonnantes (bien qu’au sens mathématique un fil possède aussi une surface…).
L’antenne doublet
L’antenne doublet encore appelée dipôle est constituée d’un conducteur filiforme de longueur l, coupé en son milieu pour l’alimentation par un générateur. Théoriquement la longueur l peut être comprise entre une fraction de λ à quelques λ.
Toutefois, pour une longueur mécanique d’une demi longueur d’onde (λ/2), cette antenne présente des caractéristiques particulières: son impédance est de l’ordre de 73 Ω1 , mais cette impédance varie un peu avec le diamètre du conducteur.
1) Théoriquement Z = 73,2 + j 42,5 pour λ/2, mais ce terme est rapidement annulé si on raccourci très légèrement le doublet.
L’antenne demi onde alimentée par son extrémité
Il s’agit d’un conducteur filiforme de longueur égale à λ/2 et alimenté en une extrémité. L’impédance est relativement grande (1000 à 5000 Ω) et nécessite un coupleur tel que représenté ci-dessous
2) en anglais “end fed half wave antenna” éléments rayonnants feeder ou ligne de transmission λ/2
Pour une plage de 7 à 21 MHz, par exemple, L = 4,5 µH , avec une prise au 1/6eme et C = 10 à 140 pF
Le conducteur peut être mis horizontalement (voir ci-dessus) ou verticalement ou obliquement (“slooper“), en L inversé, en Vé inversé ou sous forme de demi carré (“half square“).
Le dipôle replié ou “Folded dipole” (trombone)
Le dipôle replié présente les caractéristiques suivantes :
- sa directivité est la même que celle d’un dipôle simple
- son impédance est 4 x celle d’un dipôle simple et est donc de l’ordre de 300 Ω.
Elle est donc alimentée par du câble twin-lead (voir plus loin) ou nécessite un balun pour l’adaptation 300/75 Ω et le passage symétrique/asymétrique
- l’impédance peut être variable en modifiant le rapport entre les diamètres des éléments
- la réactance ne varie que très légèrement lorsqu’on s’écarte de la résonance, autrement dit la bande passante est plus grande
A NOTER : cette antenne est essentiellement utilisée en VHF-UHF.
L’antenne à éléments parasites (antenne Yagi)
Dans le but d’accroître le rayonnement d’un dipôle dans une direction déterminée, on peut utiliser une combinaison de plusieurs antennes alimentées par la même source. On conçoit que suivant les phases relatives des courants dans les différents éléments, les champs produits s’additionneront ou se soustrairont. Ce qui modifie le diagramme de rayonnement. Mais on peut aussi n’alimenter qu’un seul élément, les autres éléments prenant leur énergie sur l’élément principal. On parle alors d’antennes à éléments parasites ou d’antenne Yagi. On connait tous ce type d’antenne et on trouve facilement de la doc dessus. On ne va pas s’étendre sur le sujet.
Les baluns
Le mot balun est la contraction de balanced to unbalanced. (équilibré / déséquilibré) .
Lorsque nous avons un dipôle, le courant dans chacun des brins est de même amplitude et en opposition de phase. Il en va de même avec un câble coaxial où le courant dans l’âme est exactement de même amplitude, mais de phase opposée à celui qui passe dans le blindage (la tresse). Il en est encore de même avec une ligne symétrique. Tous ces systèmes sont dit être équilibrés ou “balanced”.
Utilisation de baluns
Considérons un système où l’impédance de sortie du transceiver est de 50 Ω. Si l’antenne à une impédance voisine de 200 ± j0 ou 450 ± j0 ou 800 ± j0 alors il est plus facile d’utiliser un balun dont le rapport (du nombre de spires) est de 1:2 , 1:3 ou 1:4
Les coupleurs d’antennes
Nous savons que la puissance dans la charge est maximale lorsque la valeur de la charge est égale à celle de la résistance interne du générateur. Ici, il faudra obtenir une impédance d’antenne égale à l’impédance de la ligne de transmission et égale à l’impédance de l’émetteur (ou du récepteur) pour obtenir un transfert maximal.
Dans la plupart des cas, on essaie aussi d’avoir l’antenne en résonance c’est-à-dire que la partie imaginaire ± j X de son impédance (Z = R ± j X) soit nulle ou très faible. (J est un nombre complexe, normalement noté i. Pour comprendre vous devez avoir des notions sur les nombres complexes qui ont une partie imaginaire et une partie réelle. Avec des √ négatives. Jeter un œil simple ici et plus détaillé ici)
Dans certains cas on n’arrive pas à cette optimalisation, on utilise alors un coupleur d’antenne encore appelé boîte de couplage ou en anglais “antenna tuner unit” ou ATU.
Pour des raisons de facilité, les radioamateurs ont l’habitude de mesurer le TOS à la sortie de l’émetteur alors qu’il serait plus correct de le mesurer au niveau de l’antenne. Ils ont aussi pris la mauvaise habitude de mettre le coupleur d’antenne à la sortie de l’émetteur (figure de gauche), alors qu’il serait plus correct de corriger le ROS au niveau de l’antenne .
Règles générales sur les coupleurs
Réaliser un coupleur c’est passer d’une impédance Zin = R ± jX (généralement quelconque) à une impédance caractéristique des lignes coaxiales généralement utilisées et/ou à celle de nos émetteurs-récepteurs, c-à-d à Zout = 50 Ω. (in=entrée, out=sortie). On utilise des circuits LC (bobine et capacité).
Les circuits LC se présentent sous forme de L, de Té, de Pi ou parfois de combinaisons plus complexes.
En général :
- une partie résistive ou imaginaire faible entraîne toujours des courants élevés et des pertes en RI² élevées (Puissance) sachant aussi que I=√P/R
- une partie résistive ou imaginaire élevée entraîne toujours des tensions élevées et des problèmes d’isolation (formation d’arc, claquage, etc …)
- une partie imaginaire faible ou nulle n’est jamais un problème puisque c’est ce que nous voulons obtenir
- le plus facile est d’avoir des parties réelles et imaginaires sensiblement du même ordre de grandeur par exemple 15 ± j 30 ou 600 ± j 200 et à l’opposé, le plus difficile est d’avoir des impédances telles que 1 ± j 2000 • le plus facile est d’avoir des parties réelles et imaginaires voisines de 50 Ω, disons entre 5 et 500, au delà de cette fourchette l’adaptation est encore possible mais posera probablement quelques problèmes
Coupleur en L
Le montage de la figure a ci-dessus a est utilisé lorsque Zin > Zout , le montage de la figure b est utilisé lorsque Zin < Zout et dans la figure c, un inverseur permet d’avoir les 2 possibilités.
Ce dernier schéma est adopté dans le “Atomatic Antenna Tuner AT”. Dans cette réalisation, la self L est composée de 8 selfs que l’on peut mettre en série ou non à l’aide de relais commandés par un microprocesseur ces selfs ont les valeurs théoriques de 0,08, 0,16, 0,32 , 0,64 , 1,25 , 2, 5 , 5 et 10 µH. La plus grande self possible est donc 20 µH Ces selfs sont faites sur des tores T106-2 (de la marque Amidon) et comporte respectivement 1 , 2 , 3 , 4 , 7 , 11, 17 et 25 spires.
De façon similaire le condensateur C est réalisé par des condensateurs de 5 , 10 , 20, 40, 80, 160, 320 , 640 pF que l’on peut mettre en parallèle grâce à des relais. La plus grande capacité est donc 1275 pF. Ces condensateurs sont mis en circuits par des relais commandés par un microprocesseur.
Mais il est évident que l’on peut aussi réaliser un tel coupleur avec une self variable (“self à roulette”) de 34 µH et un condensateur variable de 500 pF sur lequel on peut encore un condensateur fixe de 500 pF en parallèle pour les bandes basses par exemple.
Mais on peut également inverser la self et la condensateur. Dans ce cas, le montage (ci-dessous) de la figure a est utilisé lorsque Zin > Zout et le montage de la figure b est utilisé lorsque Zin < Zout
Coupleur en pi
La plupart des boîtes de couplage utilisent un circuit en pi
Coupleur en T
Le problème consiste à isoler les condensateurs C1 et C2. Les condensateurs variables sont en effet prévus pour avoir un coté à la masse et l’axe est aussi généralement à la masse.
Pour une réalisation pratique :
- C1 et C2 : 2 x 250 pF toutefois pour les bandes basses (160 et 80 m) il peut s’avérer nécessaire de mettre des condensateurs de 250 pF en parallèle pour obtenir grande valeur
- L peut être constitué d’une self à roulette de 34 µH, mais on peut aussi réaliser une self commutable en utilisant deux bobines :
- une self de 6 spires sur un diamètre de 18 mm avec une ou deux prises intermédiaires
- une self de 18 spires sur un mandrin de 40 mm avec plusieurs prises intermédiaires
Le coupleur “transmatch”
On pourrait dire qu’il s’agit d’un coupleur en Té un peu spécial. Le condensateur C1 et un condensateur différentiel constitué de C1a et C1b.
Le coupleur pour antenne asymétrique
Le coupleur ci-dessous permet non seulement d’adapter des impédances de 50 à 3000 Ω vers 50 Ω, mais aussi de réaliser la transformation symétrique/asymétrique.
Chaque self (L1 à L4) est en fait réglable par commutation (11 positions). Selon la bande, on peut encore ajouter des condensateurs en parallèle sur le condensateur variable C.
L’antenne long fil
L’antenne la plus simple est certainement constitué par un simple fil dont la longueur est quelconque par rapport à la longueur d’onde. On appelle souvent cette antenne “long fil”. Une antenne long fil ne nécessite pas de ligne de transmission, car l’extrémité du fil entre directement dans la maison et est directement connectée à l’émetteur ou au récepteur.
Toutefois si l’antenne long fil est utilisée en émission, la désadaptation entre son impédance et celle de l’émetteur pourra nécessiter l’emploi d’un coupleur d’antenne tel que celui représenté ci-contre. Il s’agit d’un circuit en L avec une self ajustable et un condensateur variable.
Par contre si l’antenne long fil est utilisée comme antenne de réception radio et dans ce cas on peut se passer de coupleur d’antenne.
A NOTER : L’antenne en L inversé. Cette antenne est similaire à l’antenne long fil. Sa longueur est égale à λ/2 et les parties verticale et horizontale ont à peu près la même longueur
Nous allons nous arrêter là car, en plus des antennes les plus connues, la liste est longue :
- L’antenne verticale à trappes
- L’antenne verticale à charge linéaire
- L’antenne Battle Creek
- Antenne verticale à éléments pilotés
- L’antenne Windom (multibandes)
- …
Pour terminer, juste pour mémoire, petit rappel sur un sujet en lien :
Les filtres. Il existe 4 types de FILTRES de base :
- Filtre passe bas
Laisse passer tous les signaux avec des fréquences inférieures à la fréquence de coupure f0 , éliminant tous ceux avec fréquence la plus élevée do f0 .
- Filtre passe haut
Laisse passer tous les signaux avec des fréquences supérieures à la fréquence de coupure f0 , éliminant ceux avec fréquence inférieure à f0 .
- Filtre passe-bande
Ne laisse passer que des signaux compris entre une fréquence minimale f1 et une fréquence maximale f2 , comprises dans la fréquence centrale f0 .
- Filtre coupe-bande (rejet de bande)
Laisse passer tous les signaux, sauf ceux compris entre une fréquence minimale f1 et un fréquence maximale f2 , qui se situe dans la fréquence centrale f0 .
Voilà on devrait y voir un peu plus clair. Je vous invite à fouiner sur le web pour plus de détails.
73 à tous et que Dame propag vous bénisse :)