Je vous propose une causerie sur un projet d'antenne bi-bande pour le 40 et le 80 m. Nous allons réaliser cette étude d'ingénierie en particulier garce au logiciel de simulation Eznec. Voici, en gros le cahier des charges
Longueur entre les ancrages 35 m; en fait c'est la distance maximum de déploiement de l'antenne
Hauteur des ancrages 15 m
Fils d'antenne : aluminium nu Ø 2 mm
Descente d'antenne : coaxial 50 Ω ou bifilaire 600 Ω (on verra le mieux)
Fréquence à optimiser : 7.100 MHz et 3.650 MHz
Eznec nous permet de modéliser une antenne résonante sur 3.650 MHz; elle doit faire 2 x 19,7132 = 39,4264 m. A 3.650 MHz on est très voisin de la formule classique L=144/F car Eznec indique : L=143,9/F
Examinons l'impédance que présente ce doublet entre 3 et 30 MHz et déjà repérons les fréquences pour lesquelles le réactif s'annule. K=F/3.648
C'est donc comme si la vitesse de propagation dans le fil de l'antenne diminuait avec la fréquence. 7 x 6.648 = 25,536 MHz. Graphiquement on voit que le racourcissement de l'antenne est linéaire avec la fréquence.
Le fameux coefficient de 144 évolue donc avec la fréquence ou tout au moins le rang de l'harmonique
Ce doublet présente comme impédance :
3.650 MHz 59,94 + J 1,363 Ω
7.100 MHz 4720 + J 513,7 Ω; normal, on est proche de la longueur d'onde
14.200 MHz 1742 + J 1754 Ω
Nous allons néanmoins utiliser ce doublet comme référence de bande passante sur 80 m : 175 kHz (3.563 - 3.738) à ROS=2 (normalisé à 60 Ω comme si on disposait d'un transformateur parfait ramenant l'impédance à 60 Ω). Rappelons que cette antenne est trop longue pour satisfaire à notre cahier des charges : 35 m maxi et on est à 39,43 m
Un des moyens d'élargir la bande passante est de construire une antenne cage. Dans Eznec, simulons une antenne à 6 fils régulièrement répartis sur un cercle de Ø 60 cm. Les extrémités de chaque brin sont terminés par des prismes.
Pour amener cette antenne à la résonance à 3.650 MHz, il faut une longueur hors tout de 36,696 m. C'est bien, l'antenne est plus courte que la filaire simple mais la mise en oeuvre est un challenge. L'impédance est à 43,7 Ω. La bande passante est de 390 kHz (3.48 - 3.87) à ROS=2. Nous somme donc quasi à l'antenne parfaite pour le 80 m.
Nous sommes loin du bi-bande 80-40 car à 7.1 MHz l'impédance est 638,1 - J 141,7 Ω. Utilisons mon logiciel Tbmn afin de tenter un accord bi-bande. Le résultat est surprenant
On remarque :
Que la courbe AHAHi04 est à éviter pour le 80 m
Que les courbes EHEBd07 ABEBi02 sont à éviter pour le 40 m
Ensuite, il faut faire une loupe pour choisir. On doit remarquer que EHABi06 ne passe pas par le ROS=1. Dans le fichier Description.csv (produit par Tbmn) une colonne indique l'écart final lors de la résolution numérique des solutions. Cet écart est à 0.76 pour cette solution ce qui n'est pas très bon.
EHABd05 propose [EH]; Type Elevateur/PasseHaut;3,65 MHz; De l'antenne vers le Tx :; série; 497,0 pF (- 87,7 Ω); shunt; 10,066 µH ( 230,9 Ω) [AB]; Type Abaisseur/PasseBas;7,1 MHz; De l'antenne vers le Tx :; shunt; 156,5 pF (- 143,3 Ω); série; 4,019 µH ( 179,3 Ω) Ces valeurs sont faciles à mettre en oeuvre.
L'analyse des capacités de cette antenne cage incitent à comprendre que chercher la résonance n'est pas indispensable. On peut conclure que plus c'est haut, long et gros, meilleurs c'est.
Cette antenne cage est trop longue pour satisfaire au cahier des charges. Raccourcissons cette antenne (Eznec est sympa pour faire ça) à 35 m. A partir de maintenant nous resterons sur la prescription de longueur inférieure à 35 m. On verra, plus tard, qu'on peut gagner un peu de longueur de fil en faisant pendre l'antenne entre ses points d'ancrage. Eznec dispose d'une fonction Catenary permettant de faire ça. Néanmoins sa mise en oeuvre sur l'antenne cage serait compliquée.
ABEHi01 propose [AB]; Type Abaisseur/PasseBas;7,1 MHz; De l'antenne vers le Tx :; shunt; 131,7 pF (- 170,2 Ω); série; 4,258 µH ( 190,0 Ω) [EH]; Type Elevateur/PasseHaut;3,65 MHz; De l'antenne vers le Tx :; série; 473,1 pF (- 92,2 Ω); shunt; 2,842 µH ( 65,2 Ω)
L'adaptateur à 50 Ω optimal est différent mais facilement réalisable et la bande passante sur le 80 m à été très peu réduite. On remarquera la mise en série de la self de 4.258 µH et du condensateur de 473.1 pF C'est curieux mais correcte. Le Smith est aussi curieux car, en général, les traces des deux bandes sont orthogonales
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Pour le moment, nous avons seulement envisagé d'adapter l'antenne en son centre à 50 Ω avec l'adaptateur bi-bande. Il nous faut examiner le cas d'une descente en fils parallèles. Comme l'antenne est à 15 m, nous retenons cette longueur de ligne et on simplifiera en se limitant à une ligne d'impédance caractéristique de 600 Ω. Eznec nous laisse la possibilité, soit de construire géométriquement la ligne, en fils, soit d'utiliser une ligne virtuelle. Nous utiliserons la ligne virtuelle. Eznec calcule l'impédance ramenée
Donc beaucoup de réactif mais des résistances raisonnables. Plaçons en bas de cette ligne l'adaptateur bi-bande à 50 Ω. Il n'y a plus que 3 solutions
La bande passante reste satisfaisante sur 40 m mais elle est maintenant notablement réduite sur le 80 m.
Qu'en est-il si, en laissant l'adaptateur en bas, on utilisait une ligne 50 Ω de 15 m mais avec un coefficient de vélocité de 0.6 L'impédance ramenée est
Les courbes de ROS sont affligeantes. Il est possible d’intégrer dans Eznec l'adaptateur bi-bande :
Suivi de la ligne de 15 m de coaxial. Le ROS, en bas, ressort alors
La bande passante a été peu dégradée.
Il faut comprendre que la longueur de la ligne fait tourner le graphe du Smith mais le graphe est fonction de la fréquence et donc tous les points du graphe ne tournent pas du même angle; la déformation dégrade le ROS dans la bande passante. C'est ce qui montre l'intérêt d'adapter l'impédance de l'antenne à celle de la ligne en plaçant l'adaptateur en haut.
Une variante consisterait à adapter l'impédance de l'antenne à celle de la ligne 600 Ω. Il y aurait alors 4 solutions mais il faudrait ensuite convertir le 600 Ω au 50 Ω de l'émetteur en bas de la ligne.
Conclusion :
A priori, ce n'est pas une bonne idée que d'installer l'adaptateur en bas de l'antenne (au sol). On a déjà vu ça avec la Lévy, la ligne 600 Ω dégrade les performances mais, avec une Lévy, l'objectif n'est pas le même car, par principe, on va utiliser une boite d'accord en bas et on vise une utilisation multibande.
L'adaptateur au centre de l'antenne amène des contraintes :
Bande passante nécessairement large car on ne peut pas accorder en live l'adaptateur
Des composants fixes petits, pour des problèmes de poids et d'encombrement, induisant nécessairement des pertes
La nécessité de mesurer précisément l'impédance de l'antenne et la valeur des composants avec un NanoVNA
Un poids non négligeable au centre, surtout du fait du poids du coaxial; dans le cas de l'antenne à cage un support au centre paraît indispensable
Nous montrerons, par la suite, comment simplifier la mécanique de l'antenne.
Simplifions la construction mécanique de l'antenne cage en la limitant à 3 fils toujours sur un cercle de Ø 60 cm. Les écarteurs en triangle devraient être plus simples à mettre en oeuvre que des cerceaux pouvant se déformer sous des contraintes différentielles. Utilisons Tbmn afin de calculer un adaptateur embarqué à 50 Ω; Il y a 10 solutions. Comme d'habitude la solution la meilleure sur une bande est la plus mauvaise sur l'autre. Il faut faire un compromis et nous choisirons à titre d'exemple ABEHi06 pour faciliter la lecture
[AB]; Type Abaisseur/PasseBas;7,1 MHz; De l'antenne vers le Tx :; shunt; 94,7 pF; série; 6,147 µH [EH]; Type Elevateur/PasseHaut;3,65 MHz; De l'antenne vers le Tx :; série; 374,8 pF; shunt; 6,145 µH
Les bandes passantes restent encore très intéressantes
Il s'agit d'une antenne, à l'ancienne, constituée de 3 fils (toujours Ø 2 mm aluminium) parallèles à 1 m les uns des autres. Les fils sont droits entre des ancrages à 35 m de distance. Le mode de raccordement de la source dans la simulation Eznec vaut une explication. On suppose que lors de la construction, au centre des fils on ménage une longueur de 20 cm permettant d'ouvrir chacun des trois doublets. On alimente les doublets externes à partir du doublet central par des fils à 20 cm d'écartement. Eznec dit qu'alors c'est une ligne d'impédance caractéristique 636 Ω.
Des essais ont montré une meilleure réponse en raccordant les fils principaux par les fils 4, 5, 6, 7. Dans Eznec, les lignes 636 Ω sont symbolisées par la lettre T dans un carré. Comme d'habitude calculons avec Tbmn un adaptateur à 50 Ω embarqué au centre de l'antenne. Cette fois, il y a 11 solutions.
Le résultat est donc très intéressant : on couvre la bande 80 m à ROS=2 et la bande 40 m à ROS=1.2
On peut, grâce à Eznec, faire mieux. Les fils de 35 m, dans la réalisation pratique, ne seront pas tout droit; il vont pendre au centre. Imaginons que l'on soit au niveau d'un des ancrages et que l'on puisse tendre, tout droit, les 3 x 35 m de fils : c'est impossible mais imaginons qu'on détende, en longueur de 2,00 m; ça va déjà mieux. Eznec permet facilement de transformer les fils de 35 m + 2 m en une chaînette entre les ancrages à 35 m de distance. Ça se fait fil par fil. Commençons par le fil n°1 en ayant coché Preserve Connections.
Finalement l'antenne transformée est celle-ci où chacun des 3 fils à été découpé en 25 fils de 1.48 m (27 m au total). Le point bas au milieu de l'antenne est à 9.78 m au dessus du sol (5 m de creux).
Tbmn ne trouve plus que 7 solutions
Bien que les fils soient plus longs, la forme en cloche a dégradé les performances par rapport à la nappe droite plus courte.
Notons les pertes 3.650 MHz : -1.21 dB 7.100 MHz : -0,82 dB
Deux composants en série L-C pour ABEHi03 : 7,595 µH 231,6 pF = 3,79 MHz
Deux composant en parallèle LC pour EHABd05 : 16,843 µH 97,4 pF = 3,93 MHz
Les impédances intermédiaires sont voisines
L'adaptateur ABEHi03 est le plus simple à construire côté selfs. L'antenne est réaliste mais on ne pourra plus faire mieux avec cette géométrie. C'est déjà pas mal
Gardons l'écartement maximum de 35 m. Chaque brins d'antenne part de 8 m pour monter à 15 m avec le même système de couplage que précédemment. Chaque brins, droit, fait 18,7553 m. Aucun intérêt par rapport à la nappe horizontale
La réalisation en catenary est assez facile. Chaque brin est allongé de 1 m soit 18,75 m
Bilan : on ne gagne plus rien non plus mais la réalisation peut être plus facile. Si on écarte trop les fils, les graphes du ROS deviennent tout tordu.
Conclusion : Je crois qu'on touche au terme du projet qui est évidemment contraint par le cahier des charges.
Nous allons partir d'une boucle idéale (théorique) circulaire, constituée de 36 fils de 2,290 m soit 82,44 m, résonante sur 3.650 MHz (réactif nul). Elles est constituée en fil d'aluminium Ø 2 mm et elle est à 12 m au dessus d'un sol moyen.
Deux grandes différences par rapport à notre doublet de référence :
Les résonances sont franches sur les harmoniques paires et impaires
Les décalages en fréquence sur les harmoniques sont négligeables.
L'hypothèse émise (sur de dipôle) que la vitesse de propagation diminue avec la fréquence n'est donc pas très solide. Notons que sur 80 m l'impédance est de 128 Ω et que sur les autres harmonique elle est du double 250 Ω.
La bande passante propre de l'antenne (/128 Ω) sur le 80 m est de 194 kHz (3.750 - 3.556) à ROS=2
Si on ouvre la boucle, la résonance est à 1.771 mais l'impédance tombe à 12,7 Ω. Pour évaluer le ROS sur 1.8355 MHz (160 m 1.831 - 1.840), il faut adapter avec un 'L' pour supprimer le réactif La bande passante (antenne + 'L') est de 19 kHz à ROS=2
Il faut 3 fils de 28,308 m soit 84,924 m pour la résonance sur 3.650 MHz.
Si on l'alimente l'antenne depuis le milieu d'un côté. L'impédance est alors de 103 Ω et la bande passante 154 kHz.
Si on l'alimente dans une pointe l'impédance est de 109 Ω et la bande passante 158 kHz.
ANTENNE BOUCLE CARRÉE (4 côtés)
Il faut 4 fils de 21 m soit 84 m pour la résonance sur 3.650 MHz.
Si l'alimente l'antenne depuis le milieu d'un côté. L'impédance est alors de 114 Ω et la bande passante 172 kHz.
Si on l'alimente dans une pointe l'impédance est de 116,6 Ω et la bande passante 172 kHz.
ANTENNE BOUCLE TRAPÉZOÏDALE (4 côtés)
Nous allons comparer deux boucles
Pour une résonance sur 3.650 MHz il faut 83,816 m de fils. En alimentation sur la petite base Z=131 Ω BP = 190 kHz
Pour une résonance sur 3.650 MHz il faut 83,335 m de fils. En alimentation sur la petite base Z=162 Ω BP = 230 kHz. Cette antenne résonne sur 7.280 MHz Z=172 Ω. Sur 7.100 MHz Z=177,4 - J 145,3 Ω (il faudrait 3,26 µH pour compenser son réactif). Muni d'un adaptateur bi-bande, le résultat (/50 Ω) est intéressant
8 solutions mais certaines sont curieusement ressemblantes, probablement du fait que les impédances d'antennes sont voisines.
Cacade : ABAHd02 [AB]; Type Abaisseur/PasseBas;3,65 MHz; De l'antenne vers le Tx :; shunt; 79,7 pF (- 547,2 Ω); série; 3,391 µH ( 77,8 Ω) [AH]; Type Abaisseur/PasseHaut;7,1 MHz; De l'antenne vers le Tx :; shunt; 5,481 µH ( 244,5 Ω); série; 601,7 pF (- 37,3 Ω) Cacade : ABAHi03 [AB]; Type Abaisseur/PasseBas;7,1 MHz; De l'antenne vers le Tx :; shunt; 79,7 pF (- 281,2 Ω); série; 3,390 µH ( 151,2 Ω) [AH]; Type Abaisseur/PasseHaut;3,65 MHz; De l'antenne vers le Tx :; shunt; 5,484 µH ( 125,8 Ω); série; 602,1 pF (- 72,4 Ω) Cacade : AHABd04 [AH]; Type Abaisseur/PasseHaut;3,65 MHz; De l'antenne vers le Tx :; shunt; 6,588 µH ( 151,1 Ω); série; 326,5 pF (- 133,5 Ω) [AB]; Type Abaisseur/PasseBas;7,1 MHz; De l'antenne vers le Tx :; shunt; 166,1 pF (- 134,9 Ω); série; 2,440 µH ( 108,8 Ω) Cacade : AHABi05 [AH]; Type Abaisseur/PasseHaut;7,1 MHz; De l'antenne vers le Tx :; shunt; 6,587 µH ( 293,8 Ω); série; 326,5 pF (- 68,7 Ω) [AB]; Type Abaisseur/PasseBas;3,65 MHz; De l'antenne vers le Tx :; shunt; 166,1 pF (- 262,5 Ω); série; 2,440 µH ( 56,0 Ω) Cacade : AHAHd06 [AH]; Type Abaisseur/PasseHaut;3,65 MHz; De l'antenne vers le Tx :; shunt; 3,608 µH ( 82,7 Ω); série; 231,5 pF (- 188,3 Ω) [AH]; Type Abaisseur/PasseHaut;7,1 MHz; De l'antenne vers le Tx :; shunt; 3,181 µH ( 141,9 Ω); série; 298,1 pF (- 75,2 Ω) Cacade : AHAHi07 [AH]; Type Abaisseur/PasseHaut;7,1 MHz; De l'antenne vers le Tx :; shunt; 3,606 µH ( 160,9 Ω); série; 231,5 pF (- 96,8 Ω) [AH]; Type Abaisseur/PasseHaut;3,65 MHz; De l'antenne vers le Tx :; shunt; 3,181 µH ( 73,0 Ω); série; 298,2 pF (- 146,2 Ω)
Réduisons la taille de l'antenne à 43,874 m pour une résonance à 7.100 MHz Z=244 Ω. Utilisons un adaptateur bi-bande 80-40 m. Le résultat est typique d'une configuration inadaptée. Comme quoi, adapter bi-bande ne suffit pas; il faut que l'antenne ait été astucieusement conçue.
Quand l'antenne s'y prête les résultats sont bien meilleurs (adaptateur bi-bande 40-20 m).
Cette antenne a été largement utilisée pour des liaisons commerciales stables de point à point. Certaines stations disposaient de quelques dizaines de ces antennes, parsemées sur le terrain. On peut se demander pourquoi et pourquoi les amateurs ne l'utilisent pas.
C'est une antenne qui, en plan, à la forme d'un losange aplati de grandes dimensions (exemple des diagonales 80 m / 216 m); elle est en général installée très haut (au moins 30 m). Voici un patchwork des différentes fenêtres d'Eznec
La source est sur la gauche du losange et ROS est calculé par rapport à 600 Ω. A droite, la pointe se termine sur une résistance de 600 Ω. J'ai choisi arbitrairement 13,8 MHz pour montrer les propriétés d'une telle antenne.
Puissance perdue dans la charge -2,6 dB; donc la moitié de la puissance qui est perdue dans la charge d'extrémité
Diagramme de rayonnement horizontal : l'antenne est très directive ce qui limite le bruit et le QRM
Diagramme de rayonnement vertical : l'angle de départ est faible et concentré
Gain : du fait de la concentration du faisceau le gain atteint 18,7 dB, y compris les pertes dans la résistance et les pertes dans le sol (-1,9 dB). Le perte dans le fil sont très faibles : 0.26 dB
Bande passante : elle est remarquable
Les propriétés de l'antenne expliquent son usage fréquent en liaison point à point. En fonction de la propagation, tout en utilisant la même antenne, on peut adapter la fréquence d'exploitation en bénéficiant de la bande passante remarquable.
Pour une station d'amateur, tout azimut, sur un terrain relativement petit, ça ne peut être une solution. Je crois que ça valait le coup de se pencher sur cette célèbre antenne.
Ca s'en cause souvent sous différents vocables dont "ventilateur".
L'idée est de coupler deux dipôles en leur centre à fin d'espérer réaliser une antenne bi-bande. Dans un premier temps nous allons examiner la situation sur des configurations théoriques que permet Eznec. Déjà construisons deux dipôles, l'un résonnant sur 7.1 MHz et l'autre sur 3.650 MHz, avec le même fils que d'habitude Ø 2 mm aluminium, à 15 m au dessus d'un sol moyen
7.100 Mhz (20,58 m) Z=88,81 Ω; BP à ROS = 2 7.410 – 6.835 = 575 kHz
3.650 MHz (39,41 m) Z=70,16 Ω; BP à ROS=2 3.755 – 3.555 = 200 kHz
On place les deux dipôles en croix et on les écarte l'un de l'autre de 1000 m. On les alimente artificiellement en phase avec la même source. De part l'écartement, les dipôles rayonnent peu l'un sur l'autre mais les impédances se retrouvent en parallèle sur la même source.
Nous pouvons constater que le couplage des impédances n'amène pas de grands changements. Plaçons les deux dipôles l'un au dessus de l'autre en croix et alimenté en parallèle.
Nous pouvons constater que les dipôles en croix ne se perturbent pas l'un l'autre, ni par leur impédance ni par leur rayonnement mutuel. Faisons tourner un des dipôles de 30°
7.100 MHz Z=61,61 + J 6,62 Ω la résonance est à 7.055 Z=61,33 Ω BP 7.325 – 6.800 = 525 kHz
3.650 MHz Z=63,63 - J 6,2 Ω la résonance est à 3.665 Z=65,9 Ω BP 3.780 – 3.565 = 215 kHz
Plaçons les deux dipôles à 45°
7.100 MHz Z=48,03 + J 5,957 Ω la résonance est à 7.060 Z=48,01 Ω BP 7.290 – 6.830 = 460 kHz
3.650 MHz Z=61,89 - J 6,758 Ω la résonance est à 3.665 Z=64,28 Ω BP 3.780 – 3.565 = 215 kHz
Isolons et fermons le dipôle 40 m sur 48 Ω et injectons 100 W dans le dipôle 80 m à 7.060 MHz. La charge reçoit 1 W soit -20 dB Faisons l'inverse, le dipôle 80 m étant fermé sur 64,28 Ω et injectons 100 W dans le dipôle 40 m à 3.665 MHz. La charge reçoit 0,2645 W soit -25,7 dB
Les couplages entre les deux dipôles sont donc encore relativement faibles, au moins jusqu'à 45°.
J'ai ensuite mis les deux dipôles dans le même plan vertical, espacés de 10 cm (H moyen 15 m). Les résultats n'étaient pas glorieux concernant le 40 m; alors, par talonnements, j'ai modifié la longueur du dipôle 40 m qui passe de 20.58 m à 20.80 m. Voici le meilleur résultat que j'ai eu en adaptant avec un double 'L' bi-bande:
Voici ce que ça donnerait si on pouvait utiliser un transformateur parfait 80 Ω -> 50 Ω à la place de l'adaptateur bi-bande.
Toutes ces expérimentations sont faites virtuellement sur des fils droits (tendus). Vu déjà le peu de satisfaction sur 40 m l'étude avec un tracé en caténaire n'en veut pas l'effort. Ca permettrait de rallongeur un peu le doublet 80 m mais ce n'est pas lui qui pose le plus de problème.
Après avoir dit du mal des descentes d'antenne en fils parallèles, j'ai repris la simulation sur un doublet de 35 m avec une descente centrale en 600 Ω. Comme l'antenne est à 12 m j'ai eu l'idée de mettre un boite d'accord bibande en dessous de l'antenne (donc au sol du jardin) au bout de la ligne; la longueur de le ligne 600 Ω à donc été fixée dans Eznec à 12 m.
En fait c'est avec une ligne de 12,50m que ça marche le mieux
De plus, l'adaptateur bibande est particulièrement simple à réaliser
A noter qu'à 7.1 MHz :
L'impédance ramenée par l'antenne + la ligne (côté antenne de l'adaptateur) est de 89,8 + j 45,6 Ω
L'impédance propre de l'antenne est de 1379 + J 1850 Ω (totalement désaccordée)
C'est un cas particulier qui méritait d'être signalé. La longueur de la ligne est critique, probablement parce qu'on est proche du 1/4 d'onde à 7 MHz
Une question qu'on se pose souvent : quel est l'intérêt de disposer d'une antenne résonnante, c'est à dire sans réactif à la fréquence d'usage mais dont la résistance de rayonnement n'est en général pas de 50 Ω ?
Dans mon cas de figure, une antenne résonante pour le 3.7 MHz doit faire 38.87 m. Or je n'ai de disponible que 35 m. Évaluons ce que j'y perds sur ce graphique :
La trace bleue 38.87 m correspond à l'antenne résonante. C'est la plus large bande qu'on peu faire (fil de Ø 2 mm aluminium). Que l'on réalise l'adaptation par un transformateur parfait (l'antenne fait 60 Ω) ou un adaptateur en 'L', les graphes se superposent
Tous les autres graphes sont quasiment dans le même fuseau. Le plus mauvais résultat (graphe violet 38.87 m ABAHi00) correspond à une adaptation bi-bande 3.7/7.1 MHz. de l'antenne résonante
35 m AB
35 m EB
35 m EH
Correspondent à une adaptation par un adaptateur en 'L' mono-bande de mon antenne plus courte.
J'ai tenté plusieurs solutions intégrant des selfs sur l'antenne, de façon à rendre l'antenne trop courte résonante sur 3.7 MHz. Les résultats, côté bande passante, sont catastrophiques.
Curieusement, l'adaptation bi-bande (3.7/7.1 MHz) par un double 'L' (graphe orange 35 m AHABdO3) se comporte très bien. Le fait que l'adaptation soit bi-bande ne réduit pas la bande passante sur 3.7 MHz et est même meilleurs que l'adaptation bi-bande de l'antenne résonante 38.87 m ABAHi00.
Dernière édition par F1AMM le 15.09.24 10:36, édité 1 fois
J'ai repris mon étude sur simulateur en même temps que je commençais la réalisation de l'antenne. Il fallait réussir à tendre un cordage entre les deux points d'amarrage cible. Ce ne fut pas aisé :
Les amarrages sont presque au sommet de deux résineux : un pin et un épicéa. L'accès en sécurité n'est pas aisé et nécessite d'équiper les arbres. C'est fait.
Tendre le cordage était compliqué aussi car il fallait passer par dessus d'arbres plus petits mais très amoureux par leur ramifications des cordages. C'est fait.
Les poulies sont en places pour éviter de remonter trop souvent dans l'arbre. La corde est à 12 m et je me suis rendu compte que je disposais de 48,50 m entre les troncs et non de 38 m.
Avec la pluie revenue, j'ai repris les simulations dans Eznec. J'ai pris conscience que le comportement de mon antenne (projet) allait être fortement influencé par la ligne coaxiale de raccordement à la station de 50 m. J'ai donc simulé cette ligne dans Eznec ainsi que la mise à la terre côté station.
Ce que je veux réaliser est un antenne expérimentale me permettant de faire des essais. Le site est éloigné de l'antenne opérationnelle actuelle. Je poursuis donc l'idée de ne pas embarquer, en haut de l'antenne, des dispositifs qui nécessitent de monter et descendre l'antenne. Je me suis orienté vers une antenne dont la descente est constituée de deux fils parallèles quasi verticaux et d'installer, au pied de l'antenne un boite, abritant de la pluie, pour passer de l'échelle de grenouille à la ligne coaxiale. Dans la boite je pourrai tester divers adaptateurs dont des balun / unun / chock balun etc.
Ne pas installer d'adaptateur embarqué avec l'antenne mais de disposer l'adaptateur au sol (+ 1m) au pied de l'échelle de grenouille chante tout. Disposer d'une antenne résonnante n'a plus d'intérêt car son impédance n'est pas identique à celle de la ligne et de toute façon je vise une antenne au moins bi-bande. Il donc fallu rechercher trouver ? une solution réalisable et efficace.
Voici à quoi ressemble le projet
C'est une antenne repliée qu'on peut assimiler à une boucle verticale. La descente est à 1/3 2/3 pour simplifier la mise en oeuvre locale. Plus l'impédance de la ligne est faible mieux ça semble se comporter. J'ai retenu deux fils Ø 2 mm distant de 100 mm soit 552.6 Ω. Cette ligne doit être construite avec des fils dans Eznec et non en utilisant un objet ligne du fait du courant de mode commun très important. J'ai constaté (dans Eznec) l'inefficacité totale d'un, ou plusieurs, chock balun sur le coaxial; les courants qui circulent dessus semblent être occasionnés par le rayonnement de l'antenne (dissymétrie géométrique du site). Par contre l'efficacité de la prise de terre (MALT) côté station est fondamentale.
L'image de la simulation dans Eznec est plus complexe car elle intègre la ligne coaxiale jusqu'à la station
Et voici les bandes passantes pressenties :
Eznec permet de faire des mesures sur cette antenne; c'est un outils idéal pour ne pas sortir d'un chapeau un type d'antenne à installer. Il n'est pas nécessaire d'avoir fait Polytechnique pour faire ça et c'est beacoup plus simple qu'une expérimentation à la pince coupante.
Une fois l'antenne construite, il faudra tout recaler avec des mesures au NanoVNA.
Le système d'haubanage est terminé. J'avais réussi à placer une dyneema entre les arbres mais, comme c'est un site d'expérimentations je voulais disposer de 2 dyneema. Ca été un peu compliqué à faire depuis le sol (plancher des vaches) : une cordelette qui tire deux haubans, dans un sens puis dans l'autre, en évitant toute queue de cochon et donc en rembobinant à chaque fois.
Faire passer deux cordes dyneema dans les mêmes poulies c'est une très mauvaise idée. Les cordes se vrillent entre elles et c'est dure à tirer... J'ai du regrimper dans les arbres pour placer les deux dyneema sur des poulies séparée, l'une au dessus de l'autre. Maintenant il y a une Ø 4 mm sur le dessus et, en dessous, en deux bouts noués, une Ø 5 mm pour la future antenne.
J'en ai profité, pour mesurer (avec des repères visibles depuis le sol) la longueur utile dont je dispose : 38,70 m, dégagée des ramures (48,50 m entre les poulies).
J'ai remis ça dans nanoCAD pour déterminer toutes les longueurs. Je vais faire une maquette grandeur réelle mais, au lieu d'utiliser le fil d'aluminium un peu raide, je vais utiliser du hauban Mastran de Ø 2 mm qui est relativement souple mais statique (non élastique). J'espère ainsi être certain que géométriquement, ça passe par rapport aux divers obstacles (arbustes) en dessous.
Si ça marche, je préfabriquerai l'antenne en fil d'aluminium à hauteur d'homme afin de bloquer les isolateurs et de fixer la bonne longueur des petits haubans tirant le brin inférieur de la boucle. Ca prend quand même 5 m de hauteur et sur quasi 40 m de long. Ca promet de nombreux embrouillages.
La maquette en cordelette Mastran de Ø 2 mm est en place suivant les cotations suivantes
Ca donné lieu à quelques élagages. L'antenne entre bien dans le gabarit des arbres du site. J'ai donc réalisé, au sol, le squelette avec le fil d'aluminium Ø 2 mm. Le fil est assez raide et conserve la mémoire de son enroulement sur le touret (attention aux queues de cochon). Les 84 m de fils sont encombrant et l'ensemble est actuellement replié au niveau des isolateurs, sous tension (tirage) à l'horizontal, afin de détendre l'aluminium.
Ci-après le Smith auquel on peut s'attendre (simulation Eznec). Le premier est normalisé par rapport à 50 ohms.
Voici ce qu'on peut espérer derrière un adaptateur bi-bande 80-40 m (8 solutions)
Ou derrière un adaptateur 40-20 m (11 solutions)
Si une fois en place, cette antenne avait les caractéristiques attendues, ça serait... bien.
Il a fait très beau en Ile de France : T-shirt. J'ai donc mis en place l'antenne en fil d'aluminium. Ca ne s'est pas trop mal passé mais que de chemin parcouru quand on fait ça tout seul. J'ai utilisé des masse traînante au bout des fils pour empêcher que le fil ne reprenne sa forme spiralée consécutive à son stockage sur touret
Par rapport au plan projet le haut du 'V' est en réalité à 3 m alors qu'il était prévu à 3.37 m. Je pense que c'est la hauteur du fil supérieur qui est plus faible (11 m au lieu de 11,37 m) car on voit les haubans qui font une petite flèche. L'échelle de grenouille est en place. Il faut maintenant réalisé le dispositif de raccordement au coaxial en interposant un adaptateur. Dans un premier temps je vais réutiliser mon dispositif abrité par on pot de fleur retourné. Le problème c'est qu'il faut tirer l'échelle vers le bas pour tendre le 'V'.
Ca y'est, c'est monté et l'antenne est raccordée à la longue ligne coaxiale. La question angoissante était : est-ce que la réalité est conforme aux prévisions d'Eznec. Ci après un premier résultat :
En rouge la prévision Eznec
En bleu la mesure au NanoVNA
Les points de mesure réels sont écartés de 14.364 kHz et ceux d'Eznec de 5 kHz
Il y a deux cas de raccordement, suivant que l'on raccorde le conducteur extérieur du coaxial (masse) sur l'un ou l'autre brin. Rappelons que dans cette mesure brute, il n'y a ni symétriseur ni chock balun. La configuration masse à l'Ouest correspond à celle ou le brin à la masse est, en gros, au dessus du câble coaxial
Ci-après une comparaison entre les deux mesures
Je considère que le résultat est grossièrement satisfaisant. L'évaluation Eznec est fait avec un sol particulier
Il sera nécessaire de faire calculer Eznec sur d'autres caractéristiques du sol afin de voir si la correspondance Eznec # réalité peut être améliorée.
Dernière édition par F1AMM le 23.10.24 13:38, édité 1 fois
Voyons ce que cette antenne, une fois adaptée, peut montrer comme ROS.
Déjà voici la liste des adaptateurs possibles (tout au moins trouvés). AHAHi04 est curieux et déjà visible dans les simultations Eznec mais ça tombe bien raide en haut de la bande 80 m.
Et l'adaptateur que j'ai l'intention de retenir
C'est curieux, ça correspond à deux passe-bas abaisseur. Ca optimise le 80 m en laissant le 40 m convenable (je ne fais pas de télégraphie). 3µH c'est assez facile à réaliser
Premier adaptateur Fréquence 3,69 MHz Z in 156,68 + j39,00 Z out 137,80 + j 14,05 shunt 182,6 pF (- 236,2 ) série 3,313 µH ( 76,8 )
Deuxième adaptateur Fréquence 7,13 Mhz Z in 14,36 + j72,79 Z out 50,00 + j0,00 shunt 445,5 pF (- 50,1 ) série 2,882 µH ( 129,1 )
Un fois réalisé et en place, je pourrai tester en émission
Je me suis re-roulé dans LTSpice pour déterminer les courants dans les composants
La source fait 100 W soit 100 V d'amplitude. Les courants sont en amplitude aussi.
7.130 MHz Z antenne = 90.244 -j170.59 Ω I L1 : 2.2 A I L2 : 4.0 A I C1 : 6.0 A I C2 : 2.5 A I antenne : 1.5 A
3.650 MHz Z antenne = 156.68 +j39 Ω I L1 : 2.0 A I L2 : 1.2 A I C1 : 1.7 A I C2 : 0.75 A I antenne : 1.1 A
A 7.130 MHz, les courants sont donc loin d'être négligeables: il faudra mieux utiliser deux condensateurs en parallèle pour C1 (445.5 pF)
Remarques :
Je ne comprends pas pourquoi I L1 = 2.2 A à 7.130 MHz; on devrait trouver 2 A.
Si quelqu'un sait comment, dans LTSpice, on insère une impédance exprimée sous la forme A+ jB (en Ω) ça serait sympa de m'expliquer car je suis obligé de simuler avec R+jlω ou R+1/Cω. Utiliser LTSpice est une véritable galère pour moi; l'IHM est redoutable.
Peut-être que cet adaptateur n'est pas le plus astucieux côté pertes.
J'ai aussi cherché quel type de sol, paramétré dans Eznec, collait le mieux avec les mesures réelles. Sans conviction je trouve un sol Sandy, Dry donc beaucoup plus sec que ce que j'imaginais. Le graphe Eznec est en rouge, la mesur en bleue.
Il me semble que cela dépend de l'impédance vue par la source.
En effet, ça vient bien de l'impédance ramenée
J'étais inquiet, remettant en cause mon logiciel Tbmn. Je suis retourné dans le monde virtuel d'Eznec et repris l'antenne théorique. Dans Eznec je peux simuler l'adaptateur calculé par Tbmn et voici ce que ça donne pour un adaptateur du même type :
Donc, Tbmn fonctionne bien (enfin presque)
Dans Eznec je ne peux pas utiliser les données réelles, résultat de la mesure. SimNEC devrait pouvoir le faire mais je suis encore très loin de maîtriser l'outil.
Et j'ai trouvé la cause de la divergence. Cela vient qu'en simulation, j'ai un un pas d'analyse de 5 kHz alors qu'en mesure, j'ai un pas de 14,364 kHz plus précisément les points de mesure encadrant 7.130 MHz sont 7.133428 MHz - 7.119064 MHz. En simulation Tbmn trouve la fréquence exacte spécifiée sans interpolation, ce qui n'est pas le cas pour un fichier .s1p venant d'une mesure réelle
Tbmn fait ce qu'il peut en calculant une interpolation linéaire de l'impédance entre les deux impédances de chaque point de mesure. Voici l’algorithme actuel
C'est peut-être (très probablement) là qu'est le problème et c'est à vérifier. Tbmn affiche les fréquences d'adaptation spécifiées par l'opérateur et affiche les 'z' calculées ci-dessus. L'adaptateur est calculé sur ces deux 'z' (bi-bande) et c'est probablement là qu'est le problème.
Le palliatif rapide est, peut-être, d'utiliser un pas de mesure (sur l'antenne réelle) plus petit. J'utilise nanovna-saver et on ne peut pas spécifier les fréquences de mesures dans un fichier comme on le fait avec Eznec. Je ne sais même pas si nanovna-saver peut travailler à fréquence fixe (sweep = 0). Il va donc falloir concaténer des fichiers .s1p
Un calé sur la bande 80 m
L'autre calé sur la bande 40m
Il faut néanmoins, aussi, vérifier et/ou corriger l'algorithme. Voila une nouvelle occupation et il faut reprendre la campagne de mesure; ça fait courir dans le jardin (calibration, mesure)
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