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
Dernière édition par F1AMM le 07.08.24 15:01, édité 2 fois
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
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