Les antennes verticales courtes (par rapport à la longueur d'onde) ont mauvaise réputation. C'est particulièrement vrai pour la bande 80 mètres. Principalement en raison de leur mauvais rendement dû à une hauteur effective médiocre et à une résistance de rayonnement très basse. De plus leur bande passante est très réduite, imposant un nouveau réglage à chaque changement de fréquence.
Néanmoins, elles peuvent présenter un intérêt en portable lorsqu'il est difficile de tendre un fil ou un doublet. Leur mise au point présente aussi, comme nous allons le voir, un intérêt didactique.
L'antenne décrite se caractérise par un très faible prix de revient et une grande facilité de montage. Elle est étudiée pour constituer le complément idéal du petit émetteur CW 80 mètres décrit par ailleurs.
L'antenne se compose d'une partie verticale en fibre de verre de 6 mètres de haut, d'un support, d'un système de fils formant contrepoids et d'une boîte d'accord permettant le raccordement direct sous une impédance de 50 Ω;
La partie verticale est constituée d'une canne à pêche rétractable de 6 mètres de long en fibre de verre achetée pour environ 20 euros chez Decathlon. Il existe sans doute d'autres marques qui conviennent à cet usage. Un fil souple de 2,5 mm2 courant le long de la partie en fibre de verre, maintenu en place par quelques petits morceaux de ruban adhésif, constitue l'élément rayonnant.
Une boîte de conserve 5/1 est munie en son centre d'un tube PVC "pression" de 50 mm de diamètre et de 500 mm de longueur. La canne à pêche se glissera plus tard dans ce tube qui doit être obturé à sa partie inférieure. Quatre oreilles de 150 mm en acier à béton de 6 mm sont placées à la base pour conférer de la stabilité à l'ensemble. Deux poignées placées en partie supérieure facilitent les manipulations. Enfin des tôles de maintien des connecteurs de liaison aux fils contrepoids et à la boîte d'accord sont ajoutées.
Pour éviter les déplacements après assemblage, il est bon d'immobiliser l'ensemble sur une vieille planche d'aggloméré. La boîte de conserve est alors remplie de béton en prenant bien soin d'éviter les vides. Après séchage du béton on applique trois couches d'une peinture pour sol premier prix.
On fixe ensuite les douilles de 4mm et le boîtier qui abritera le dispositif d'accord.
Le poids total de ce support peu coûteux est d'environ 10 kg, bon compromis entre stabilité de l'ensemble et facilité de manipulation.
Le système contrepoids électrique est constitué de 4 fils souples en cuivre de 2,5 mm2 de section et de 9 mètres de long qui se connectent sur les douilles solidaires de la boîte support. Les fils sont munis à leur extrémité d'une fiche banane de 4 mm.
Pendant le stockage ou le transport chaque fil est enroulé sur un enrouleur réalisé avec du contre-plaqué de 10 mm d'épaisseur découpé à la scie sauteuse.
Un enrouleur
Le connaissance de l'impédance de l'ensemble formé par un brin vertical de 6 mètres de haut et d'un contrepoids composé de 4 fils de 9 mètres de long courant sur un sol moyen est un préalable à la détermination des éléments composant la boîte d'accord.
La mesure n'est pas facile.
En effet, la première idée pour procéder à la mesure de l'impédance est de connecter un mini-VNA directement sur l'antenne. Si les valeurs de la partie réactive sont stables, il n'en est pas de même de la partie réelle résistive: les valeurs affichées sont erratiques, devenant même par instants négatives. Cette incapacité des mini VNA de fournir des mesures correctes dans ces conditions particulières est confirmée en confectionnant un petit dipôle constitué d'une résistance de quelques ohms en série avec un condensateur de 47 pF. La valeur de la résistance série ne peut être mesurée. Peut-être existe-t-il un artifice permettant de réaliser cette mesure ?
Nous dénichons alors sur une étagère un antique pont General Radio GR 1606-A qui a miraculeusement échappé à une mise au rebut.
Le pont General Radio GR-1606-A
L'entrée générateur du pont est connectée sur un petit générateur de fonctions synthétisé fournissant un signal sinusoïdal à 3600 kHz, avec une amplitude réglée à 10 mV efficaces. Le signal en sortie du pont est détecté au moyen d'un transceiver décamétrique Kenwood TS140S placé en mode CW (attention de ne pas passer en émission !). Après équilibrage du pont, on peut effectuer des mesures sur l'antenne avec des zéros profonds et précis.
La mesure de l'impédance de l'antenne verticale avec le pont General Radio 1606-A
Avec un contrepoids formé de 4 fils de 9 mètres de long, l'impédance mesurée est de (15 - j 819) Ω.
Si l'on ajoute 3 fils de contrepoids, soit un total de 7 fils de 9 mètres, l'impédance mesurée passe à (11 - j 805) Ω.
La multiplication du nombre de fils de contrepoids diminue la résistance et augmente donc le rendement, mais n'affecte pratiquement pas la partie réactive.
Pour des raisons de facilité d'installation en portable, nous retiendrons un contrepoids formé de 4 fils et nous calculerons le dispositif d'adaptation dans cette configuration.
Le dispositif d'adaptation de notre antenne à une impédance de 50 ohms sera calculé avec un abaque de Smith. Pour simplifier les calculs, nous utiliserons le logiciel Smith, de Fritz Dellsperger, téléchargeable gratuitement. La fréquence sur laquelle seront faits tous les calculs est de 3600 kHz.
Trois solutions sont successivement explorées. Dans les trois cas il est nécessaire de disposer une inductance série de valeur importante, de l'ordre de 35 µH, conséquence de la réactance très élevée de cette antenne courte (par rapport à la longueur d'onde). La réactance de cette inductance est à 3,6 MHz de l'ordre de 800 Ω. Avec un coefficient de qualité Q de l'ordre de 100, cette inductance présente donc une résistance série de l'ordre de 8 Ω. L'impédance à adapter passe donc de (15 - j 819) Ω à (23 - j 819) Ω.
Les trois solutions calculées grâce à l'abaque de Smith sont les suivantes:
- Une inductance série de 35,1 µH et une inductance parallèle de 2,1 µH:
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- Une inductance série de 37,3 µH et une capacité parallèle de 961 pF:
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- Une simple inductance série de 36,2 µH mise en série avec un câble coaxial d'impédance caractéristique 37,5 Ω, de longueur électrique 20,8m. Un tel câble coaxial peut être confectionné en mettant deux câbles d'impédance caractéristique 75 Ω en parallèle. Pour déterminer la longueur physique du câble, il faut tenir compte du facteur de vélocité. L'adaptation n'est pas parfaite, mais reste à un niveau très acceptable.
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Dans les trois cas, on observe en construisant l'abaque que la valeur de l'inductance série doit être extrêmement précise. Un dispositif d'accord fin sera à prévoir. La bande passante est ici très réduite. On retrouve là une caractéristique générale de toutes les antennes raccourcies.
Réalisation
à suivre .....
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