Jean-François FOURCADIER
F4DAY

Montpellier  (France)

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Construction d'une antenne omnidirectionnelle à fentes pour la bande 23 cm

 

Généralités

Pour équiper notre relais de télévision amateur en construction, nous avons besoin, compte tenu de la localisation du site d'émission possible et de la zone à couvrir, d'une antenne possédant les caractéristiques suivantes:

- fonctionnement dans la bande 1240 - 1270 MHz
- polarisation horizontale
- diagramme de rayonnement omnidirectionnel
- gain le plus élevé possible.....
- réalisation possible avec des moyens amateurs

Notre première démarche fut d'examiner ce qui se faisait dans le domaine professionnel de la télédiffusion où les problèmes à résoudre sont similaires (la facilité de construction se pose en termes différents). En télédiffusion, on utilise beaucoup les antennes à quatre panneaux couplés et, dans les grandes stations, des antennes à fentes dites "superturnstile" ou "batwing". Une visite sur le site de Kathrein nous apprend que ces dernières, pour la bande 470-862 MHz, peuvent donner jusqu'à 16 dB de gain - très intéressant - mais mesurer pour ces assemblages à 16 étages ou "bays" 18 m de haut et présenter une masse de quelques 3600 kg !
La page catalogue UHF de Kathrein: www.kathrein.de/de/bca/produkte/download/as_band45.pdf ( 88 ko).
Leur conception où tout est à la masse leur confère une résistance exceptionnelle aux décharges atmosphériques; la tenue au vent est excellente. Malheureusement leurs systèmes d'alimentation, tant pour les panneaux couplés que pour les "superturnstile", reposent sur de nombreuses lignes aux longueurs définies pour obtenir des déphasages précis. Le travail de mise au point n'est pas négligeable et la construction plutôt complexe avec des moyens amateurs.

Notre choix:

Une recherche sur l'Internet (merci à Alain, F1JFP pour sa recherche documentaire) nous apprend que deux amateurs allemands DK 3 BA et DG 8 SG ont construit en 1991 une antenne aux caractéristiques souhaitées et qu'une description en a été donnée cette année là dans UKW Berichte / VHF Communications. Par bonheur, le texte de l'article est téléchargeable et un petit logiciel est fourni pour adapter les dimensions de l'antenne en fonction de besoins précis.
Le site OM allemand où l'on peut télécharger la description originale et le logiciel de calcul est le suivant: http://www.uni-duisburg.de/FB9/HFT/homepage/amateurfunk/amateurfunk.html

Nous opterons pour une antenne à 8 paires de fentes, avec dans notre cas précis une fréquence centrale d'utilisation de 1255 MHz. La partie inférieure du guide, proche du connecteur d'alimentation, est réduite par rapport au modèle original pour limiter la longueur hors-tout de l'antenne. On trouveras ci-dessous un croquis côté de la réalisation:

 

V_plan.jpg (861 octets)

Le fait d'augmenter le nombre de paires de fentes rayonnantes augmente le gain, mais diminue la bande passante. L'ensemble constitue en fait un interféromètre au comportement dispersif: un changement de fréquence, par exemple par une modulation à grande excursion, produit un dépointage de l'antenne au rythme de la modulation et donc une modulation d'amplitude parasite à la réception. Ce phénomène est bien décrit dans le papier de lecture facile présenté à un symposium de l'IEEE en 1998 par Shively Labs: 
http://www.shively.com/tb-uhf_antenna_choices.pdf

Huit paires de fentes paraissent réaliser un compromis convenable entre le gain prévu de 8,4 dBd, la bande passante de 78 MHz pour un ROS < 2 et la hauteur de l'antenne de 1,82 m. Avec 8 paires de fentes, le phénomène décrit plus haut est négligeable.

 

Une astuce de construction:
L'énergie radiofréquence est en fait transmise dans un guide d'onde de section rectangulaire disposant de fentes rayonnantes. Le problème mécanique à résoudre est donc de construire un tel guide. La solution employée par DK 3 BA et DG 8 SG consiste à utiliser un profilé normalisé de dimensions les plus proches possibles des dimensions optimales. Outre qu'il ne s'agit que d'une approximation pouvant nuire à l'omnidirectionnalité, quelques recherches ont rapidement montré que l'achat d'un tel profilé n'était pas chose simple.

L'ouvrage "Microwave Transmission Design Data" de Theodore Moreno (Dover Publications Inc, NY, 1948) nous fournit une piste intéressante en nous présentant une cartographie des lignes de courant dans (sur) les parois d'un guide exploité dans le mode TE10 (c'est notre cas):

courant.JPG (15391 octets)

La partie supérieure du diagramme représente le côté large du guide, la partie inférieure, sa hauteur. Pour une bonne propagation de l'onde guidée, il est essentiel de ne pas couper de ligne de courant. On en déduit qu'une coupure pratiquée sur toute la longueur, au milieu exact de la face large, n'introduit aucun désordre. Les choses se passent sans doute beaucoup plus mal si l'on pratique des coupures longitudinales dans la hauteur ou dans les angles..... L'ouverture de fentes vient certainement troubler un peu la distribution des courants, mais l'expérience montre que l'effet en est négligeable.

Dès lors, les problèmes de construction sont considérablement simplifiés. Il suffit de plier en U deux tôles et, après réalisation des fentes, de les assembler pour former le guide, sans grandes précautions car le courant est nul à la jonction entre les deux U.

Quelques photographies valent mieux qu'un long discours:

La réalisation:

réalisation Gérard F9YA, avec l'aide de Christian F4CJM pour les pliages:

 

V_etabli.jpg (2031 octets)       V_fente.jpg (1739 octets)     

(cliquer pour agrandir)

 V_colle.jpg (1458 octets)

De l'aluminium adhésif, du type de celui utilisé par les spécialistes en climatisation et conditionnement d'air, assure l'assemblage des deux "U". Il est disponible en rouleaux dans de nombreux magasins de bricolage et possède vraisemblablement une excellente tenue dans le temps.

Le dispositif d'illumination du guide est réalisé en laiton, puis argenté:

v_illum.jpg (1307 octets)

La protection finale contre les intempéries peut être assurée de diverses manières:
- introduction du guide dans un tube PVC de diamètre 200 mm, mais il faut bien vérifier la transparence du PVC par un test au four micro-ondes
- obturation des fentes par un matériau fin, transparent à la RF et non hydrophile
- introduction de l'antenne dans un sac polyéthylène résistant aux UV (sac poubelle spécial gravats)

 

Caractérisation:

Pour la mesure du ROS, un coupleur directif est disposé dans le câble de liaison, puis l'antenne est wobulée avec une fréquence centrale de 1260 MHz. Le ROS est < 1,2 entre 1230 MHz et 1278 MHz (return losses > 20dB):

V_ROS1.jpg (1141 octets)

 

Pour la mesure du diagramme de rayonnement dans le plan horizontal on disposera l'antenne loin de tout obstacle. On connectera un générateur RF réglé sur 1255 MHz avec une puissance d'environ 1 mW au connecteur N de l'antenne. La réception se fera à une vingtaine de mètres au moyen d'une petite antenne "express-pizza" et d'un analyseur de spectre réglé pour une sensibilité de 2dB/division.

 

V_ant_mes.jpg (2068 octets)           V_gerard.jpg (2157 octets)    V_a_spectre.jpg (1969 octets)

 

On fera alors tourner l'antenne à caractériser sur son support en notant les variations de niveaux en fonction des angles de rotation. Le résultat est excellent: le niveau reçu ne varie pas plus de +/- 1 dB par rapport au niveau moyen et est donc en tous points conforme aux attentes.

V_diag.jpg (1305 octets)

Attention: Pour les mesures, et plus tard lors de la mise en exploitation, il est indispensable de disposer l'antenne parfaitement verticale et de contrôler sa verticalité au moyen d'un fil à plomb. En effet, l'antenne produit un pinceau très fin visant l'horizon. Si l'antenne n'est pas parfaitement verticale les mesures de diagramme de rayonnement seront perturbées et on risquera plus tard de ne pas être reçu par ses correspondants.

La mesure du gain relatif par rapport au dipôle n'a pu être réalisée avec la même rigueur, par manque de qualité du dipôle de référence utilisé. Néanmoins le gain relatif a pu être évalué entre 7 et 9 dBd, c'est à dire conforme aux attentes. La mesure du diagramme de rayonnement dans le plan vertical est plus complexe et n'a pas été réalisée.

Conclusion:

Une excellente antenne omnidirectionnelle à gain, pas très compliquée à réaliser, et qui ne devrait pas décevoir les amateurs les plus exigeants.

 

 

73 de Jean-François FOURCADIER, F4DAY

 

 

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