Projets:Lab:2015:Tuto VNWA:Les Antennes introduction

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Introduction à l’analyse vectorielle : Chapitre 7a, Les Antennes, Introduction

Les antennes ? Mais c’est très simple ! De prime abord, une antenne peut sembler complexe, mais tout devient simple dès que l’on commence à comprendre ses principes de base.

Avec un peu d’imagination, l’on peut les comparer à une ampoule électrique à vis. Elle est montée sur un support métallique, la terre, et reliée à une ligne provenant de l’alimentation via son contact central. Le courant va passer par l’ampoule et le plan de masse et la lumière va surgir. Rien d’extraordinaire à ça. Le courant va provoquer un rayonnement d’énergie sous forme de lumière…

Si l’on utilise un signal alternatif, il suivra le même chemin qu’un signal en courant continu. Maintenant, chargeons l’ampoule avec un condensateur, et utilisons un morceau de câble coaxial entre l’alimentation et l’ampoule. Le conducteur central relié à la capa, la tresse vers la masse. Le courant s’écoulera toujours de la même façon. Un champ électrique va parcourir le condensateur. Une des pattes du condensateur étant relié à la masse, on peut dire qu’un champ électrique est établi entre la masse et le conducteur central.

Nous avons une moitié de notre onde radio, le champ électrique. Insérons maintenant une petite bobine entre la capacité et le conducteur central du câble coaxial. Le courant peut s’écouler comme auparavant, mais cette fois, un champ magnétique va s’établir autour de la bobine. C’est l’autre moitié de notre onde radio, le champ magnétique.

Un morceau de fil présente toujours une certaine inductance, mais il faut ajouter que tout conducteur parcouru par un courant génère également un champ magnétique. Si l’on monte ce conducteur à une certaine distance du plan de masse, ce fil présentera une capacitance vis-à-vis de la terre. Si nous connectons le centre du coax sur ce fil tandis que la tresse est reliée à la terre, nous obtenons une antenne. Et cette antenne rayonnera. Mais pour être plus précis, un condensateur et une bobine rayonneront mais l’on pourra difficilement appeler « antenne » cet ensemble qui n’a été utilisé que dans un but de démonstration afin de distinguer les composantes inductives et capacitives.

A ceci vient s’ajouter un problème : l’imperfection du plan de masse. Si nous reprenons l’exemple de notre ampoule, nous pouvons voir que le chemin emprunté par le circuit de « terre » présente une certaine résistance. L’ampoule va briller, mais pas de manière aussi brillante que prévue. De l’énergie a été dissipée dans cette résistance. Dans la « vraie vie » la valeur de cette résistance peut être élevée comparée à la résistance totale de votre système. Passons maintenant au dipôle. Si nous nous référons à notre premier exemple, c’est un peu comme si nous connections l’ampoule en la suspendant loin au-dessus du plan de sol. Nous utilisons 2 fils pour la raccorder. L’ampoule va s’allumer comme auparavant, mais il n’y a pas de « résistance de terre » qui consomme une partie de notre énergie. Maintenant, remplaçons notre ampoule avec un condensateur. Rien ne change, le courant s’écoule toujours. La quantité de courant dans les deux conducteurs est identique et symétrique. Abordons le stade suivant. Ouvrons le condensateur, enlevons le diélectrique. Nous venons de fabriquer un condensateur à air constitué de deux plaques. A l’aide d’une baguette magique, transformons nos deux plaques en deux fils. Nous avons vu qu’un fil était caractérisé par son inductance. Ces deux fils sont situés face à face et présentent donc également une capacité. Maintenant, disposons nos deux fils de part et d’autre de manière à ce qu’ils forment un dipôle. Plus les fils de se dipôle sont écartés, plus la capacitance diminue. Plus les fils de ce dipôle sont rallongés, plus grande seront leur inductance (et plus la capacitance deviendra importante). Mais nous devons faire en sorte que ce dipôle soit le plus éloigné du sol qu’il est possible afin que sa capacitance vis-à-vis de la terre soit la plus faible possible. Da.ns le cas contraire, un courant va s’écouler par ce chemin avec toutes les pertes que cela peut engendrer.

Nous avons donc une antenne. Les multiples versions et formes d’antennes varient en fonction de leur impédance, de leur gain, de leur directivité, de leur polarisation… c’est ce qui fait leur complexité. Mais toutes reposent sur les mêmes principes de base. Regardons du côté de l’émetteur. Il est comparable à une prise secteur qui délivre du courant à un réfrigérateur. Cette prise délivre autant de courant qu’en nécessite l’appareil. C’est exactement la même chose avec un émetteur associé à une antenne. L’émetteur fournit autant de puissance que ce que demande l’antenne. Cette demande peut d’ailleurs être plus forte que ce qu’il peut être capable de fournir. C’est pourquoi les émetteurs sont généralement conçus pour sortir sur une charge faisant 50 Ohm. Mais nous avons vu précédemment qu’un transfert maximum d’énergie n’était possible que si la résistance et de la source et de la charge étaient identiques. Ce qui implique que l’impédance de sortie de l’émetteur doit elle aussi être de 50 Ohms ? Pas exactement, et c’est là une erreur d’interprétation commise par beaucoup. En fait, le transfert maximum possible signerait l’arrêt de mort de votre émetteur, qui grillerait s’il n’intégrait pas quelques dispositifs de protection. Lorsque le manuel technique d’un appareil précise « 100 W dans 50 Ohm », cela veut dire qu’il ne permettra pas de délivrer plus de puissance dans une charge 50 Ohm. Sans protection aucune, il en serait bien capable mais, en conséquence de quoi, en résulterait une augmentation tant en courant qu’en tension du signal de sortie, augmentation que ne pourraient pas supporter les composants de l’étage final. 50 Ohm, c’est également l’impédance caractéristique du câble coaxial que l’on utilise généralement. Et ce n’est pas parceque l’émetteur aime “voir” 50 Ohm ou que l’antenne est en résonance à 50 Ohm. On peut très bien utiliser un feeder 400 Ohm, une antenne attaquée à haute impédance, et faire en sorte que l’émetteur s’en trouve fort bien. Mais revenons à nos principes de base. Une antenne est un objet se comportant un peu comme un assemblage de condensateurs, d’inductances et de résistances. Et c’est tout cela qui fait qu’une antenne présente une certaine impédance à certaines fréquences. Cette impédance est la somme de toutes les réactances de toutes les parties. Si cette somme est de 50 Ohm, le transmetteur s’en trouve fort aise… son opérateur également. Si l’antenne est installée de telle sorte que les pertes résistives sont les plus faibles possibles, les ondes radio sont libre de se propager dans la bonne direction et l’antenne peut être considérée comme de qualité. Son rayonnement sera maximum. Une antenne non rayonnante est la chose la plus difficile à fabriquer. Il reste cependant un léger problème. Nous faisons notre possible pour que l’antenne fasse 50 Ohm pour que cela convienne à notre émetteur. Mais une multitude de facteurs souvent inconnus et difficiles à mesurer peuvent fortement influencer cette antenne. C’est la raison pour laquelle il est vain de vouloir copier une antenne dans ses moindres détails. En général, cela se solde par de grandes déceptions. Et ce n’est pas le design ou la conception qui sont à mettre en cause, mais le contexte, certains éléments que l’on ne maitrise pas et que l’on ne peut modifier, et qui vont nous obliger d’adapter l’antenne. Ajoutons que cette résonnance signifie que la réactance inductive est égale à la réactance capacitive. Or cet équilibre ne signifie pas systématiquent « 50 Ohm ». Ce peut être n’importe quoi d’autre. On peut approcher cette impédance en employant des matériaux de dimensions précises, en jouant sur la hauteur par rapport au sol, en prenant en compte l’influence de l’environnement. Mais résonnance n’es pas synonyme d’antenne de qualité. Une bonne antenne n’est pas obligatoirement résonnante, tant que l’ensemble du système de transmission est résonnant et parce que notre émetteur apprécie cette situation. Reste que l’on est tout de même lié à cette nécessité qu’ont les émetteurs à transistors de sortit sur 50 Ohm, ce qui risque parfois d’être assez compliqué, soit parce que l’on souhaite utiliser une antenne multibandes ou que les facteurs de perturbation déjà mentionnés sont un peu trop présents. Il faut donc faire en sorte pour que l’ensemble du réseau résonne à 50 Ohm. On commence par la ligne située entre l’antenne et l’émetteur. Ce peut être une ligne symétrique, un câble coaxial ou un feeder unique. La ligne symétrique (twin lead) est symétrique. Si l’antenne l’est aussi, c’est parfait. L’ensemble est pratiquement dépourvu de la moindre perte. Comme l’émetteur est généralement équipé d’une sortie asymétrique, une prise coaxiale, il faut intercaler un adaptateur. C’est le rôle du Balun. C’est là que l’on se heurte au problème le plus important. Nous avons deux options : Adapter l’antenne à l’émetteur ou l’inverse. On opte généralement pour la première solution, la seconde étant bien plus complexe à mettre en œuvre. Pour ce faire, on peut tenter d’ajouter un système d’adaptation d’impédance entre l’antenne et l’émetteur. C’est le rôle du tuner, ou boîte d’accord. Elle peut être fixe, et ne fonctionner que pour une unique fréquence, ou être variable. La partie variable peut être une inductance ou un condensateur ou toute autre forme de système d’accord (stubs, transfos HF par exemple). Est-ce une solution miracle ? pas vraiment. Un tuner est fait pour adapter une vaste plage d’impédances possibles. Il est donc capable de « faire voir » dans de bonnes conditions une très mauvaise antenne. Cela ne fera pas en sorte que cette antenne rayonnera mieux. Le tuner fera son possible, ses condensateurs vont arquer, ses self chauffer… mais ce n’est cependant pas lui le coupable. C’est l’antenne, le tuner n’y est pour rien. Son rôle se limite à adapter, à transformer une impédance, pas à changer une « fictive » en une véritable antenne. Il existe aussi bien des tuners symétrique que des tuners asymétriques. Si vous comptez utiliser un dipôle, alimentez le avec une ligne symétrique terminée par un tuner à sortie symétrique, puis un balun entre le tuner et l’émetteur, balun qui sera caractérisé par une réactance d’environ 4 fois la plus haute impédance de la charge… ou ce qui s’en approche. Il vous faudra choisir entre une situation idéale et ce qu’il est possible de faire concrètement. Si l’on souhaite utiliser du câble coaxial, il faut une antenne asymétrique. Le coaxial est un câble presque idéal. Il ne rayonne pas (toujours en théorie), son impédance caractéristique est de 50 Ohm, il est facile à acheminer de l’extérieur vers le shack, bref, il est pratique. Le problème c’est qu’il peut devenir sacrément rayonnant si quoi que ce soit déséquilibre son régime de fonctionnement. Il faut juguler ce rayonnement par des chokes ou un balun. L’autre inconvénient, c’est qu’il est affecté par des pertes parfois importantes. Si notre antenne n’a pas une impédance d’exactement 50 Ohm, il va se créer, dans ce câble, un certain pourcentage de réflexion en direction de l’émetteur. Supposons que l’on transmette 100 W en direction de l’antenne et que nous perdions 10 W sur ce trajet. Le SWR va se dégrader, et 9 W sur les 90 W rayonnés vont être renvoyés en direction du tuner. Lequel tuner « encaisse » environt 8 W sur les 9 au total, et les renvoie vers l’antenne… ce qui aura pour conséquence de générer un signal réfléchi d’environ un demi Watt et ainsi de suite. Cela ne constitue pas franchement un problème pour notre signal radio, les conséquences ne peuvent se discerner à l’oreille. Il n’en va pas de même en TVA analogique avec d’étranges résultats sur l’image transmise. Ces pertes propres au câble dépendent de sa qualité. Elles sont relativement faibles sur un Aircom+, et considérablement plus importantes sur une longueur dee RG58. On peut même considérer que 100 mètres de RG58 sur 70 cm donne un SWR parfait… même sans la moindre antenne à l’autre extrémité. Voilà ce que l’on peut dire de manière très résumée à propos des antennes, sans avoir à se noyer dans les arcanes mathématiques des calculs de champ électromagnétiques, des facteurs de vélocité, des diagrammes de rayonnement, des considérations sur le gain etc. Ajoutons, en guise de conclusion que l’antenne compacte, multibande et à grand gain n’existe pas. Tout est affaire de compromis et de points de vue. Une antenne conçue par une personne ayant de très fortes contraintes de place pourra être considérée comme extraordinaire par son auteur… compte tenu du contexte d’utilisation. Cette antenne ne tiendra pas la comparaison avec une véritable antenne HF de grandes dimensions. Grandes dans le genre entre « énorme » et « franchement gigantesque ». Lorsque l’on a la chance de pouvoir utiliser de tels aériens, on ne pense pas à fabriquer des « antennes miracles raccourcies ». Reste que sans ces « antennes magiques », certains radioamateurs ne seraient pas du tout QRV. Fred, PA4TIM L’original de ce texte est disponible à l’adresse http://www.pa4tim.nl/wp-content/uploads/2010/11/antennebasics.pdf L’intégralité du didacticiel est accessible à l’adresse http://www.pa4tim.nl/?p=1594 Le contenu de ce texte ne peut être modifié sans l’autorisation de son auteur. Traduction f6itu sous Creative Commons