L'antenne 1/2 onde - Traité d'électricité et d'électronique pour le radioamateur

L'antenne 1/2 onde

Nous voici parvenu à l'élément clef de la station : L'antenne. C'est d'elle dont vont dépendre les performances de la station, ne vous y trompez pas.

Définition :
La bonne question à se poser est effectivement de savoir ce qu'est une antenne. D'une manière générale, une antenne est une structure conductrice qui véhicule un courant électrique haute fréquence variable. Ce faisant, cette structure rayonne une onde électromagnétique. Quand on parle de rayonnement, il s'agit d'établir dans l'espace un champ magnétique et un champ électrique.

Quelle image pourrions nous donner de l'antenne ?
	Au risque d'être réducteur, nous pourrions dire qu'une antenne est comparable à une ampoule électrique. L'antenne comme l'ampoule est chargée de convertir un courant et une tension HF en rayonnement électromagnétique. Pour l'ampoule ce rayonnement sera dans le visible ce qui n'est pas le cas de l'antenne HF. Il n' y a qu'une différence de fréquence. Une ampoule possède un piètre rendement, nous demanderons plus à notre antenne.

Les paramètres principaux d'une antenne :
Ses caractéristiques mécaniques (longueur, diamètre des matériaux, hauteur/sol etc.) Son impédance à une fréquence considérée Son diagramme de rayonnement (omnidirectionnelle ou pas) Son gain (unitaire ou +) en dBd ou dBi Sa bande passante exprimée à -3dB Ses pertes Sa polarisation (horizontale , verticale, circulaire)
	Voici un exemple à gauche. Ces antennes sont de type Yagi (du nom de l'inventeur japonais). Il en existe naturellement de toutes dimensions et de toutes formes. Celles que vous voyez sont mes antennes VHF/UHF. Il s'agit pour le 144 MHz de 2x11 éléments qui mesurent 4 m de long et qui sont couplées entre elles. Entre ce couplage prend place un autre couplage de 2x21 432 MHz. La distance qui sépare l'antenne la plus basse de l'antenne la plus haute est d'environ 3,30 m.



Le dipôle demi-onde ou doublet :
C'est un conducteur électrique de longueur l/2. Il est coupé au centre, chacune des branches est alimentée par d'un côté l'âme du coaxial, de l'autre la tresse.
	Voici le dipôle. Les deux brins sont rigoureusement symétriques, le point d'alimentation en énergie se trouve au centre de l'antenne. Celle-ci peut être réalisée en fil ou en tube. Augmenter le diamètre du ou des conducteurs conduit sur une antenne à augmenter sa bande passante.
Le dipôle demi-onde a une propriété extrêmement utile : Taillé mécaniquement en demi-onde pour une fréquence donnée (à la bande passante près), son impédance est de 73W et cette impédance est purement résistive ce qui permet son alimentation par un câble coaxial 75 W sans autre forme de procès. Magique non ? On appelle ceci un dipôle résonnant car à la "résonance" tout se passe comme si nous avions affaire à un circuit résonant série. Il est fort probable que vous ne puissiez que très rarement atteindre les résultats édictés par la théorie car une antenne n'est jamais totalement isolée de son milieu et une multitude de couplages parasites apparaissent. Citons le fait le plus classique : la hauteur par rapport au sol. Celui-ci a un influence déterminante sur pratiquement toutes les caractéristiques de l'antenne. Pour s'approcher le plus possible de ce que dit la théorie, le dipôle devra être placé une hauteur bien précise au dessus du sol et naturellement être éloigné de tout ce qui peut interférer avec lui (maisons, arbres, poteaux ou structures métalliques etc.)

On trouve une kyrielle de formules permettant de calculer la longueur effective d'un doublet. Ne vous encombrez pas inutilement l'esprit et retenez : Avec L en mètres (longueur totale du dipôle) F en MHz	150 L = _____ F



Influence de la longueur du brin rayonnant sur l'impédance :
Nous voici au grand moment ! Les radioamateurs, grands bricoleurs et exigeants expérimentateurs souhaitent en général posséder une antenne oecuménique capable de fonctionner correctement sur toutes les bandes décamétriques, susceptible d'avoir du gain, une adaptation parfaite sur tout le spectre, pas chère, pas haute, si possible invisible.	Naturellement aucune de toutes ces conditions n'est réunie simultanément, car il faut vivre de compromis et les antennes ne dérogent pas à la règle. Beaucoup d'inventeurs géniaux n'ont oeuvré dans ce domaine que par artefact. Mais ceci est une autre histoire.

Si nous utilisons un dipôle qui est "résonant" pour une fréquence (ou bande de fréquences) et une seule, sur une fréquence pour laquelle il n'est pas taillé, son impédance ne se présentera plus sous la forme d'une résistance pure mais sous la forme d'une impédance série.	Cette impédance série sera composée d'une résistance et d'une réactance qui sera tantôt capacitive tantôt selfique. Il s'agit en tout point du comportement des circuits résonants série et // que nous avons étudié en électricité.

Le ROS n'est pas représentatif du bon ou mauvais fonctionnement d'une antenne


Mémorisez bien ce que vous voyez ci-dessus car c'est la clef de voûte de tout système d'antenne. Ce graphique laisse apparaître deux axes : - L'axe horizontal représente la partie résistive de l'impédance de l'antenne. - L'axe verticale représente la partie réactive de l'impédance de l'antenne. Sur l'escargot qui trace l'impédance complexe (Z= R+/- jX) sont portées les différentes longueurs d'onde.

Explications pas à pas :
Prenons une antenne très courte de 0,2 l et relevons les valeurs de R et X. Approximativement il vient : R = 30 W et X = 220 W capacitif. Si nous connectons directement un câble coaxial à cette antenne le ROS sera important, et bien que n'étant pas obsédé par l'indication de l'aiguille du "ROS-mètre", nous souhaitons réaliser quand même une meilleure adaptation. Poursuivons, augmentons la taille de notre aérien jusqu'à une demi-onde. Nous lisons sur notre diagramme R= 73W et X =0. Bingo, nous pouvons alimenter comme cela. Nous sommes en verve et décidons d'allonger l'antenne à 0,9 l pour voir. Dans ce cas de figure nous relevons : R= 320 W et X = 320 W . Dans ce cas aussi nous sommes loin des 73 W résistifs. Nous constatons que maintenant que notre antenne est trop longue (>0,5 l ), sa réactance est fortement selfique. Continuons pour arriver à 1l. Point remarquable, l'antenne redevient résistive mais pour une valeur très élevée, supérieure à 750 W. On ne s'en lasse pas, nous allongeons de nouveau. Cette fois le comportement de l'antenne s'apparente à ce que nous avons vu quand l'antenne ne mesurait que 0,2 l.
Bon inutile d'aller plus loin, nous avons fait un tour complet, les mêmes phénomènes vont se reproduire périodiquement. Nous allons en tirer les conclusions suivantes : En fonction de sa longueur, une antenne va se comporter tantôt comme un circuit série, tantôt comme un circuit parallèle. On trouvera pour chaque circuit un point de résonance auquel la réactance s'annulera tous les 0,5 l.
Circuit série	Circuit parallèle

jusqu'à 0,5 l	0,5 l à 1 l
1 l à 1,5 l	1,5 l à 2 l
2 l à 2,5 l	2,5 l à 3 l



Remarque importante :
Nous venons de voir quels étaient les variations de l'impédance de l'antenne en fonction de sa longueur pour une fréquence considérée et seulement cela. Ceci ne préfigure en rien de ce que sera son efficacité. Une antenne présentant de telles impédances affichera dans certains des cas que nous avons étudié des ROS hallucinant.	Si l'on devait juger de l'efficacité d'une antenne à son ROS, la charge fictive serait alors la meilleure des antennes (j'en ai une qui à un ROS de 1 à 1,3 de rien ou presque jusqu'à 1,5 GHz, manque de chance elle ne rayonne absolument rien). Le ROS traduit l'adaptation, rien de plus. A méditer...



Pourquoi une antenne rayonne t'elle ?
La réponse à cette question est vraiment difficile et je pense sincèrement que rares sont les radioamateurs qui comprennent (moi inclus) le phénomène.

Brièvement et très schématiquement: Vous connaissez le principe d'émission d'un photon lumineux . Il suffit de donner de l'énergie à un électron qui va changer d'orbite et s'éloigner du noyau. Quand l'apport d'énergie cesse. celui-ci revient à sa position initiale en émettant un photon de lumière. C'est le principe par exemple des diodes LED. Il en va de même avec les antennes.	Nous produisons dans notre émetteur un champ électrique qui fait se mouvoir des électrons (le courant) à une fréquence f. Les électrons libres du matériau constitutif de l'antenne oscillent à cette fréquence et subissent des accélérations - ralentissements. Tout changement d'état énergétique provoque l'émission de photons.

Les champs dans la proximité très proche de l'antenne sont extrêmement complexes à analyser. Les physiciens ont définis plusieurs zones autour de l'antenne pour prendre cela en compte. A droite vous pouvez observer les lignes de champs produites par une antenne demi-onde

Quand on alimente l'antenne en énergie haute fréquence, l'antenne consomme de la puissance comme si elle se présentait comme une résistance. On appelle cette résistance : résistance de rayonnement. Ce rayonnement est constitué par le champ électromagnétique qui se propage dans l'espace par le biais de l'inductance et de la capacité de l'espace libre. En supposant l'émission ponctuelle et l'antenne totalement omnidirectionnelle, on peut supposer que le rayonnement se propage de manière identique dans toutes les directions. Pour donner une image cela ressemble à un ballon que l'on gonfle et qui voit son diamètre augmenter. Comme la puissance émise est constante, que la surface occupée par le rayonnement ne fait que croître, la densité de puissance diminue au fur et à mesure que l'on s'éloigne de la source d'émision. C'est ce que l'on appelle l'atténuation en espace libre.



Répartition tension courant dans une antenne demi-onde :
	L'antenne étant alimentée par un émetteur fournissant de la puissance, il y courant et tension dans une antenne. ce courant et cette tension se répartissent comme le montre le schéma ci-contre. C'est facile à retenir : L'antenne est alimentée au centre, si elle est résonante, l'impédance et purement résistive.
Quand nous approchons des extrémités, nous sommes en présence d'un circuit ouvert, si le circuit est ouvert, aucun courant ne peut plus circuler ce qui signifie que l'impédance est très élevée. Réciproquement pour la tension, au centre, là ou l'impédance est basse la tension est minimum puis au fur et à mesure que l'on s'approche des extrémités elle remonte jusqu'au moment ou elle est si élevée que tout se passe comme si le circuit était ouvert. A cet endroit la tension est donc maximum.



Influence de la longueur sur le diagramme de rayonnement.
Nous avons examiné en détail ce qui se passait au niveau de l'impédance de l'antenne quand sa longueur physique évoluait.	Nous allons nous intéresser maintenant aux effets de la longueur sur le diagramme de rayonnement de l'antenne.

	Voici le diagramme de rayonnement d'une antenne demi-onde. Le trait bleu représente l'orientation du dipôle en l'occurrence Nord-Sud. On voit clairement que l'énergie est rayonnée préférentiellement en direction de l'ouest et de l'est et que les direction Nord et Sud sont extrêmement défavorisées. Ceci est la particularité de tout dipôle. Une antenne isotopique càd rayonnant également dans toutes les directions est considérée comme ayant un gain unitaire soit 0 dBi. Le dipôle demi-onde a par rapport à cette antenne virtuelle un gain de 2,15 dBi. En pratique on préfère utiliser les dBd (dB par rapport au dipôle) qui sont plus proches de la réalité physique.

	Le même dipôle dont la dimension précédente était de 0,5 l est que nous avons augmenté est maintenant de 10 l. Vous remarquerez l'apparition d'une multitude de lobes secondaires ainsi que de "creux" très prononcés. Ceci est dû au fait que la répartition du courant sur un dipôle aussi long n'est bien sur plus la même que sur le dipôle l/2, on pourra loger plusieurs cycles. Donc faire croître exagérément la dimension d'une antenne modifie considérablement son diagramme de rayonnement. De plus ces figures ne nous permettent pas d'appréhender la dimension verticale du rayonnement qui est au moins aussi importante.



Polarisation :
Un critère important est la polarisation de l'onde électromagnétique. Il est souhaitable que les antennes des deux correspondants soient polarisées ou du moins polarisent les champs électrique et magnétique de même manière.	On définira au moins trois polarisations : 1 - polarisation horizontale, 2 - polarisation verticale 3 - polarisation circulaire.

Quand on parle de polarisation, on parle de l'orientation du champ électrique de l'onde électromagnétique. Les deux vecteurs représentatifs des champs sont orthogonaux (perpendiculaires entre eux). Le sens du déplacement est donné par la flèche rouge. L'onde électromagnétique se déplace à la vitesse de la lumière.



Réversibilité ou réciprocité des caractéristiques de l'antenne :
Tout au long de ce chapitre, nous avons considéré l'antenne comme étant "active" c'est à dire alimentée par un courant haute fréquence et nous en avons déduit certaines caractéristiques. L'antenne réciproquement fournit une tension HF quand elle baigne dans un champ électromagnétique. Cette propriété est extrêmement importante puisque c'est grâce à elle que nous pouvons utiliser une antenne unique et commune à l'émission et à la réception.

Fini pour le dipôle, l'antenne essentielle. Nous reviendrons sur la notion de gain dans le chapitre consacré aux antennes en possédant, justement.

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