Pour obtenir plus de gain
de ou des antennes, la réponse apportée par la technique se décline en
deux points :
1) Augmenter
la dimension de l'antenne
2) Coupler
plusieurs antennes identiques.
Chacun choisi la solution qui lui convient, sachant quand même que
l'augmentation des dimensions d'antennes a une limite et que le voisinage
perçoit un groupement comme moins encombrant qu'une antenne qui s'est
allongée.
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Le couplage :
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Nous ne nous intéresserons qu'à cette
dernière solution, on aurait tout aussi bien pu choisir d'installer une
antenne beaucoup plus grande (on trouve maintenant des montres de 10m de
boom sur 144 MHz), cette option présente toutefois en termes de
voisinage et de mécanique quelques inconvénients.
Que peut-on en attendre ?
La théorie indique qu'en couplant deux antennes identiques, le gain maximum
apporté vaut 3 dB (6 dB pour 4 etc.) Il s'agit bien là d'un gain purement
théorique car il y aura inéluctablement des pertes liées au couplage. On
pourra citer les pertes dans le coupleur, les connecteurs additionnels, les
coaxiaux, le couplage imparfait des champs, les interactions avec les
structures porteuses. Dans la pratique les auteurs sérieux indiquent une
fourchette comprise entre 2,5 dB et 2,8 dB ce qui n'est déjà pas si mal.
Mais le gain n'est pas tout dans la vie du radioamateur car ce fameux gain
n'apparaît jamais par miracle, coupler des antennes va naturellement agir
sur les lobes de rayonnement en les réduisant dans le plan du couplage et c'est ici
qu'il faut réfléchir à ce que l'on veut faire...
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Quel couplage choisir ?
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En
fait le choix est quand même limité (pour deux antennes au moins), soit le
couplage vertical, soit le couplage horizontal. Avec 4 antennes on pourra
(on devra souvent) opter pour la solution mixte. Pour les gros groupements
comme en EME, ce sont les contraintes mécaniques qui imposeront les
choix. Dans le cas de groupement de 4 antennes, on voit deux
dispositions possibles :
a) en H
b) en losange (ou diamant).
Bien mais cela ne répond pas à la question, quel couplage choisir ?
Coupler dans le plan vertical va réduire le lobe vertical donc vous
n'observerez pas d'augmentation de directivité, il va aussi créer des
lobes secondaires dans le plan vertical. En revanche avec le couplage
horizontal, le lobe principal sera réduit ce qui est nettement perceptible
en trafic. Si vous êtes dans une zone à forte densité de stations, cela
peut être un avantage indéniable qui va se transformer en inconvénient si
vous êtes un acharné de contest. Toutes choses égales par ailleurs,
chaque solution est à appliquer en fonction de vos critères et de votre
trafic. Votre couplage ne sera jamais universel, il favorisera plutôt tel
type de trafic que tel autre, à vous de voir. Le
couplage dans le plan vertical offre l'avantage d'être un peu plus compact.
(c'est lié aux angles d'ouverture, nous verrons cela plus loin).
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La surface de capture :
C'est
une notion importante pour le couplage des antennes. Schématiquement, on
peut représenter cela comme à gauche en imaginant qu'une antenne
"capture" une certaine quantité d'énergie dans une surface
donnée. Cette surface est dépendante de la longueur d'onde du signal et du
gain de l'antenne.
En termes mathématiques :
Avec Ae en m2 , l
en m et G le gain exprimé en ratio par rapport à l'isotrope.
Représentez-vous cela comme une ellipse. Plus la surface de capture
est importante, plus le gain est grand. La surface de capture (et donc le
gain) est proportionnelle à la longueur du boom.
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Quelle distance de
couplage ?
A
l'époque empirique quand les ordinateurs n'étaient pas encore entrés dans
toutes les stations, la distance de couplage dans le monde amateur était déterminée par un ou
deux sorciers qui posaient un dogme du genre : distance de couplage = 1/2
longueur de boom de l'antenne. Fort heureusement pour la communauté DL6WU a
apporté une approche plus rationnelle et posé une équation simple développée à partir des angles d'ouverture et
qui fournit le meilleur compromis entre gain et lobes secondaires pour les
antennes longues (>1,8l).
l =
longueur d'onde en mètres, Dopt = distance de couplage optimale en m, f
= ouverture en ° dans le plan considéré.
Selon DL6WU Gunter Hoch, le couplage le plus efficace est atteint quand les
surfaces de capture se rejoignent comme illustré sur les images ci-dessous.
Voyons à partir de quelques simulations l'influence de la distance de
couplage sur le gain et les lobes de rayonnement.
Prenons le cas d'une antenne très utilisée en UHF, la Tonna 21 éléments,
6,7 l,
ayant les ouvertures suivantes :
1) Plan H :25° à -3dB
2) Plan E :24° à - 3dB
D'après la formule de DL6WU nous
devrions obtenir une distance de couplage dans le plan vertical de 1,60m et
1,66m dans le plan horizontal ce qui correspond respectivement à 2.31 et
2,40 l. Voyons
avec une simulation ce qui se produit si nous couplons en-deça et au-delà
de la distance optimum.
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Plan E
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Plan H
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La courbe bleue représente le diagramme de rayonnement des deux antennes 21
éléments couplées dans le plan vertical à une distance optimale de 2,31
l. La courbe orange représente la réponse des deux 21
éléments couplées
à une distance de 1,8
l. On constate
que l'on n'a pas atteint le gain optimum et surtout que le 1er lobe
secondaire est très important par rapport au couplage optimal. Cette
solution est à rejeter.
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Cette distance de couplage présente un bon compromis pour les lobes
latéraux qui sont effectivement inférieurs à ceux présentés par le
couplage optimal, toutefois nous n'avons pas atteint le gain optimal. Le
couplage optimal n'est qu'un compromis entre gain et lobes.
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La
courbe bleue représente toujours le groupement à 2,3 l
tandis que la
courbe orange représente ici un couplage à 2,5
l, donc au delà de la
distance optimum de couplage. Le gain est très légèrement supérieur (0,2
dB d'après la simulation) mais on constate aussi la nette croissance des lobes
latéraux. Il est plus que souhaitable de concentrer le maximum d'énergie
dans le lobe principal.
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La situation s'est considérablement
détériorée sur les lobes secondaires dans le plan vertical. Il est préférable de
sacrifier quelques dixièmes de dB de gain pour obtenir un diagramme de
rayonnement plus propre.
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Simulations
réalisées avec MMNA de JE3HHT
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Les coupleurs :
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On ne peut pas se contenter
de mettre les antennes en parallèle dans le cas d'un couplage de deux
antennes 50 W
car nous nous retrouverions au point de jonction avec une impédance
de 25
W.
Il convient donc de passer par un système d'adaptation d'impédance appelé
coupleur qui n'est ni plus ni moins qu'un tronçon de ligne 1/4 d'onde.
L'impédance de cette ligne est déterminée par la célèbre formule :
avec Z0 l'impédance de la ligne
Z1 : l'impédance à une extrémité à raccorder (les antennes)
Z2 : l'impédance à l'autre extrémité à raccorder (le câble)
Dans
le cas classique de 2 antennes 50 W
à coupler, nous retrouvons un câble 50 W
d'un côté et une impédance représentant les deux antennes en parallèle
de 25 W.
La ligne quart d'onde devra avoir une impédance caractéristique de :
Racine (50x25) = 35 W.
Deux cas possibles: - acheter chez Tonna un coupleur de bonne qualité (ou
ailleurs)
- construire le sien.
Les deux solutions se valent, tout dépend de votre habilité à la
réalisation mécanique.
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Voici
comment est réalisé le coupleur. Comme le diélectrique est l'air, on
prendra 1 comme valeur de coefficient de vélocité. Les dimensions
mécaniques importantes sont le diamètre intérieur du grand tube (ou
carré), le diamètre extérieur du petit tube (ou carré) et la longueur de
la ligne 1/4 d'onde. Ces dimensions sont déterminées par la formule :
Il existe d'autres types de coupleur basés sur le même principe comme le
coupleur demi-onde 4 voies (l/4
+ l/4), reportez-vous à la littérature existante pour
des exemples de réalisation. Il est impossible de passer en revue toutes
les configurations possibles, 2 antennes, 4 antennes, "n"
antennes, impédance de 50 ou 200(dipôle BV) ou "x" W.
De même pour les coupleurs, on peut réaliser le couplage de "n"
manières différentes, manières qui seront sensiblement égales en termes
de performances.(coupleur rigide ou câble, voir à ce sujet la description
d'un coupleur câble qui suit)
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Un coupleur souple : (paragraphe repris du chapitre
précédent)
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Si
c'est possible !
Sans acrobatie, sans coupleur avec seulement un T coaxial et du câble,
c'est économique. Voilà le principe :
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Nous
partons du principe suivant : |
- Nos deux antennes à coupler sont des
antennes 50 W
- Le transceiver possède une impédance
de sortie de 50 W
- Le câble de descente est un câble 50
W
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Voici le schéma
de câblage. Le seul petit problème, c'est que nous allons relier en
parallèle deux antennes de 50W
ce qui nous donnera une impédance équivalente de 25W,
ce qui ne va pas du tout. Jusque là, le raisonnement est correct. Mais
nous sommes des petits malins et nous allons exploiter les propriétés de
1/4 d'onde qui comme nous le savons maintenant se comporte quand sa
longueur électrique vaut 1/4 d'onde comme un transformateur d'impédance.
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Reprenons
notre raisonnement :
Au T de connexion, nous voulons obtenir 50W
, et à cet endroit nous connectons deux charges en //. Si ces deux
charges en // doivent faire 50W
, il faut que chacune d'elle fasse 100 W
(100//100 = 50). Donc au point de raccordement du T, nous devons voir 100 W.
A l'autre extrémité, coté antenne, nous avons 50 W.
Il faut donc que notre ligne 1/4 d'onde (ou ses multiples impairs) transforme
cette impédance. Nous savons que l'impédance caractéristique du 1/4 d'onde doit être égale à :
Zo = impédance caractéristique du 1/4 d'onde
Z1 = impédance de l'antenne
Z2 = impédance au point de raccordement
Calculons :
Il vient Zo = racine (50x100) = 70,7 W.
On considérera que du câble 75W
conviendra parfaitement.
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Quelle
longueur pour nos bretelles de couplage ?
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Nous
venons de le voir, les bretelles doivent constituer des 1/4 d'onde à la
fréquence considérée ou des multiples impairs de 1/4 d'onde (un
multiple pair est une 1/2 onde et ne se comporte pas en transformateur et
reporte à la sortie l'impédance présente à l'entrée).
Si nous désirons coupler deux antennes pour une gamme de fréquence comme
le 144 MHz, nous calculerons comme suit :
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1)
- Détermination de la longueur d'onde à 144,300 MHz |
l
= 300/f l
= 300/144.3 = 2,080m |
2) -
Détermination du 1/4 d'onde |
1/4 d'onde = l
/ 4 2,080 : 4 = 0,52m |
3)
- Prise en compte du coefficient de vélocité du câble (nous prendrons
0,66 pour cet exemple) |
Lphysique
= l
/ 4 x 0,66
Lphysique = 0,52 x 0,66 = 0,343 m |
Il ne
nous restera plus qu'à calculer (ou à déterminer expérimentalement) la
longueur nécessaire au couplage en veillant à utiliser un nombre impair
de 1/4 d'onde.
Nous aurons ainsi réalisé l'adaptation de notre transceiver à nos
antennes à moindre frais et avec des performances très satisfaisantes.
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- Les longueurs se comptent en incluant
la dimension des fiches
- Utilisez pour le couplage du câble 75
W
de bonne qualité (voire très bonne) car tout câble à des pertes,
autant ne pas perdre le gain du couplage dans les lignes.
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Bretelles et mise en phase :
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Après cet intermède avec
le coupleur souple, revenons aux choses plus classiques. Maintenant que nous avons
les antennes et le coupleur, il faut penser à réunir l'ensemble. Les
antennes seront reliées au coupleur par des câbles de longueur
rigoureusement identiques (plus la fréquence croît, plus les dimensions
sont critiques) sous peine de
créer des différences de phases ce qui est très préjudiciable vous vous
en doutez. De même il importe de mettre en phase les antennes. Si vous
êtes observateur, vous constaterez que Tonna positionne sur ses dipôles
une petite excroissance qui permet de repérer le côté où se connecte
l'âme du coaxial. Voici en trois schémas les bonnes et mauvaises
pratiques.
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- 1) connexions sont correctes mais les
dipôles mal positionnées.
- 2) connexions correctes mais bretelles
de longueurs inégales
- 3) bon câblage
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Longueur des bretelles :
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Vaste
sujet. Si l'adaptation d'impédance est réalisée par un coupleur, la
longueur des bretelles raccordant les antennes au coupleur n'a aucune
importance, la seule chose qui importe est que les bretelles soient de
dimensions égales. On part du principe que le matériel est adapté, le
câble est de même impédance que les antennes et le coupleur offre la
bonne impédance caractéristique, cela va sans dire. Donc dans la cas d'un
couplage classique avec du matériel commercial de chez Tonna par exemple,
en utilisant des antennes 50 W
, du câble 50
W
et un coupleur idoine, la seule contrainte liée à la longueur est dictée
par la géométrie de montage.
Ne faites pas confusion avec le coupleur en câble
dans lequel la longueur des bretelles est importante puisque ce sont les
bretelles qui effectuent, par un nombre impair de quarts d'onde, la
transformation d'impédance.
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Positionnement des antennes dans le cas
d'antennes de bandes différentes :
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Tous les amoureux des V/UHF
se retrouvent à un moment à l'autre avec beaucoup d'aluminium sur le
pylône et surtout avec des antennes fonctionnant sur des bandes de
fréquences différentes. On peut avoir à titre d'exemple, une beam
décamétrique au ras du palier surmontée d'une antenne 144 MHz, elle même
surmontée d'une 432 MHz. Tout est imaginable. Ces antennes ont
naturellement des surfaces de captures différentes, les antennes de
fréquence inférieures ayant les surfaces de capture les plus importantes.
(le terme l2
au numérateur étant très pénalisant hi!).
G3SEK
préconise, dans l'absolu, de faire en sorte que les surfaces de captures
n'interfèrent pas comme indiqué sur le schéma ci-contre. C'est un montage
idyllique et surtout mécaniquement irréalisable car trop fragile, tout le
monde en convient. Tout étant affaire de compromis dans la vie, il va
falloir trouver autre chose qui ne sacrifie pas trop aux performances tout
en assurant une certaine sérénité à l'heureux propriétaire.
Voilà
l'idée, la surface de capture de l'antenne VHF sera incluse dans la surface
de capture de l'antenne HF. Vue de l'antenne supérieure, l'antenne HF est
une grosse surface c'est pourquoi il est recommandé de laisser l'antenne de
fréquence inférieure en dehors de la surface de capture de l'antenne de
fréquence supérieure.
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Bien évidement la
situation se complique quand nous avons des couplages d'antennes 432 MHz
inclus dans des couplages 144 MHz par exemple. Comme dit plus haut, tout est
affaire de compromis entre les performances électriques et la tenue
mécanique de l'ensemble.
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Une curiosité, le couplage Stagger :
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Voici
une méthode de couplage qui a pour objet,
outre d'amener du gain, de renforcer l'atténuation arrière. Le principe :
Les antennes sont décalées l'une par rapport à l'autre de l/4.
La ligne de couplage de l'antenne supérieure est supérieure à celle de
l'antenne inférieure de l/4.
Pour un signal avant, les signaux des deux antennes arrivent en phase au
coupleur puisque le signal de l'antenne supérieure est retardé de l/4.
Pour un signal arrière, le signal sur l'antenne supérieure est en retard
de l/4
auquel s'ajoute un retard supplémentaire de l/4
dû à la ligne plus longue. Les signaux entre les deux antennes sont donc
déphasés de 180°, donc en opposition. Idéalement les signaux devraient
s'annuler, dans la pratique 30 à 40 dB sont obtenus.
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Vous
savez tout... faites solide, les groupements d'antennes sollicitent
fortement les structures et veillez à étancher les prises coaxiales.
Partant de là, vous allez être émerveillé par le résultat. |