NOTIONS DE BASE: CHAPITRE 1 (suite)


"Si vous demandez à la dinde de faire le menu de Noël,
elle ne va pas être enthousiaste !
Régine



AU SOMMAIRE :
- le gain et le diagramme de rayonnement
- étude de la demi-onde
- influence du sol sur le fonctionnement de l'antenne


Dans cette partie je vous parlerai du diagramme de rayonnement, du gain et nous étudierons en guise d'étalon l'antenne 1/2 onde et l'influence du sol sur son fonctionnement.

Il est indispensable de bien comprendre cette partie car toutes les antennes (verticales ou horizontales) auront le même principe de fonctionnement que la 1/2 onde, et vous en tirerez les enseignements pour améliorer votre installation.


LE GAIN ET LE DIAGRAMME DE RAYONNEMENT


Nous avons vu précédemment que pour assurer le bon fonctionnement de l'aérien, il faut régler sa longueur pour trouver la résonance. On obtient cet accord tous les 1/8 l. Dans la pratique on utilise en général sur 11 mètres des 1/4 l - 1/2 l - 5/8 l - 3/4 l - 7/8 l et plus rarement 1 l. La longueur de l'antenne, ainsi que la distribution des courants (ou des champs, des phases en différents points), interviennent dans la répartition du rayonnement dans l'espace, on la représente par le diagramme de rayonnement.

Voici les antennes verticales les plus courantes avec base au sol:

Les antennes / Vuibert

























Vous avez pu constater que plus une antenne est longue plus elle développe d'énergie, malheureusement pas toujours avec un angle de tir bas sur l'horizon.

La puissance rayonnée dans une direction est fonction de la puissance fournie à l'antenne et du diagramme de rayonnement. Si on connait l'énergie totale rayonnée dans le diagramme on pourra définir le gain de l'aérien dans une direction donnée.

La directivité est la capacité d'une antenne à concentrer l'énergie dans une direction particulière, c'est à dire en émettant ou recevant mieux dans cette direction que dans les autres.
Nous pouvons faire l'analogie avec une ampoule électrique de 100 watts qui pend du plafond : la lumière est diffusée à un niveau égal dans toutes les directions. Si vous mettez maintenant cette ampoule dans un projecteur, se composant d'un réflecteur et d'une lentille directrice, vous concentrerez la lumière dans un unique faiceau qui sera bien plus puissant que ce que pouvait éclairer l'ampoule seule.

http://www.eiaj.ch/v2/support_de_cours/electricite/Cours_GEL/Branches_techniques/Telecom/Antennes.pdf








Le gain absolu d'une antenne est défini par rapport à la source isotropique qui rayonne un champ identique dans toutes les directions et possédant un diagramme de rayonnement sphérique parfait à zéro dbi (comme l'ampoule qui pend du plafont). C'est l'antenne de référence pour les calculs de gain et de directivité, on parle alors de gain en dB iso (dBi): c'est en quelque sorte notre "mètre étalon". Ceux qui disent que les dBi ne servent à rien sont des idiots.

http://www.eiaj.ch/v2/support_de_cours/electricite/Cours_GEL/Branches_techniques/Telecom/Antennes.pdf











Le gain en champ d'une antenne, dans une direction donnée, est comparé en général à celui d'un dipole l/2. On place l'antenne à tester au même endroit et on l'alimente avec la même puissance afin de comparer leur performance (en local ou DX). On parle alors de gain en dB dipole (dBd). C'est cette méthode qu'il faudra toujours privilégier, car on compare en temps réel et dans les mêmes conditions (de situation, de puissance et de propagation) une antenne par rapport à une autre en agissant simplement sur le commutateur.
Pour l'exemple, le seul moyen de vérifier si l'on a amélioré un aérien est de le comparer avec son original, si le simulateur nous donne pour un gain absolu équivalent un abaissement de l'angle de tir de 2° grace à notre bidouille, l'essai comparatif ne donnera pas de résultat significatif en local, mais nous observerons un gain de 1 à 2 points en DX. Nous verrons plus tard que le gain en local et le gain résultant en DX sont souvent "différents".

Le gain en puissance d'une antenne est donné en décibel (1dB = 0,1 Bel). En fait pour faire très simple, il s'agit d'une échelle logarithmique qui sert à mesurer les gains en puissance, en tension... et aussi la pression acoustique notamment pour les enceintes hi-fi.

Voici un tableau qui vous permettra de mieux comprendre :

Multiplicateur
dB
Multiplicateur
dB
1
0
800
29
2
3
1 000
30
4
6
2 000
33
8
9
4 000
36
10
10
8 000
39
20
13
10 000
40
40
16
100 000
50
80
19
1 000 000
60
100
20
10 000 000
70
200
23
100 000 000
80
400
26
1 000 000 000
90


Ce qui nous intéresse ici, c'est que pour gagner un point sur le "S-mètre", il faudra avoir un gain de 6 dB (x4 en puissance), pour gagner 2 points il faudra un gain de 12 dB (x16), pour 3 points 18dB (x64) etc...

Nous allons voir cela dans un exemple concret :

Loana arrive avec une puissance de 50 milliwatts à un signal de 1 sur le S-mètre de son ami Jean-Edouard, quelle puissance lui faudrait-elle pour arriver avec un signal de 9+30db ?

Loana devra multiplier sa puissance par 4 à chaque fois qu'elle voudra gagner 1 point S-mètre :

P (W)
Santiago
dB
0,050
1
-
0,200
2
+ 6
0,800
3
+ 12
3,2
4
+ 18
12,8
5
+ 24
50
6
+ 30
200
7
+ 36
800
8
+ 42
3 200
9
+ 48
32 000
9+10
+ 58
320 000
9+20
+68
3 200 000
9+30
+78


Etonnant, non ?!
Vous voyez que vouloir gagner des points S-mètre avec des Watts coûte vite cher et à partir d'un moment cela s'avère impossible... Et je ne vous parle pas des problèmes de voisinage !
Il n'y a qu'une seule facon d'obtenir du gain aisément :
c'est de bichonner son antenne et son installation.


ETUDE DE L'ANTENNE 1/2 ONDE


On admet que le gain iso d'un dipole 1/2 onde isolé dans l'espace ("free space") est de :

10 log (1+2/p)= 2,15 dBi

Bof !, on s'en fout, on est sur terre, et en ce qui nous concerne plus directement nous allons voir que le gain et le diagramme de rayonnement de cette 1/2 onde varient en fonction de sa hauteur par rapport au sol.
Nous l'étudierons avec attention car toutes les antennes réagissent quasiment de la même manière, et vous verrez que son emplacement en hauteur est primordial.


Amateurs, amateuses, on vous ment, on vous spolie... !!!


Dans les catalogues commerciaux, les constructeurs annoncent sans complexe des gains par exemple de 12,14 dB sans préciser s'il s'agit de dBi ou de dBd. La volonté d'embrouiller l'OM est manifeste, on peut penser que l'aérien fait 10 dB et qu'ils ont ajouté sans le préciser 2,14 dBi (du dipole) pour gonfler le gain en passant sur l'échelle isotropique. Mais même vu sous cet angle, cela n'a rien de satisfaisant, car ça n'a rien à voir avec la réalité : en effet, je le répète, le seul moyen de comparaison reste le gain en champ, soit la comparaison effective sur le terrain de l'aérien par rapport à un dipole 1/2 onde. Mais cette comparaison serait bien trop néfaste au commerce, c'est ce que nous allons voir.



Voici le dipole vertical à différente hauteur au dessus du sol:

Les antennes / Vuibert











Le dipole 1/2 onde vertical est placé au dessus d'un sol parfaitement conducteur pour ces mesures, et bien évidemment alimenté avec une longueur de coaxial ad hoc, protégé du rayonnement par un "choc balun" (nous verrons plus tard de quoi il s'agit).
Il faut noter qu'en dessous de 0,3l la proximité du sol absorbe une partie du rayonnement (phénomènes des courants de Foucault). On remarque que si le diagramme se divise trés vite en montant l'antenne, le gain absolu augmente. Il faudra donc faire un choix pour l'installer :
- en local on travaille en onde de sol, donc en élevant l'aérien la portée s'améliorera, le gain absolu augmentera en même temps que les lobes se diviseront.
- en DX on recherche pour une efficacité maximale à concentrer l'énergie sur l'horizon, donc on la placera entre 0,3 et 0,5 l au dessus du sol.
- en pratique on fait souvent ce qu'on peut, pas ce qu'on veut !...


Gain isotropique du dipole 1/2 onde vertical:
pour h = 0,3 l  : 5 dBi
pour h = 0,5 l  : 7,4 dBi
pour h = 0,75 l : 8 dBi
pour h = 1 l    : 9,9 dBi
On remarquera qu'avec une verticale le lobe le plus bas est celui qui a le plus d'énergie.

Si le sol est mauvais conducteur, le gain chutera d'environ 3 dBi et les lobes monteront de 20° !

Vous verrez tout cela dans le passage consacré au sol conducteur au chapitre "notion 2"


Je vous laisse imaginer l'intérêt commercial des catalogues si les gains annoncés l'étaient en champ (en dBd car comparé sur le terrain) et donc emputés du gain réel de la 1/2 onde...
Je vous rappelle qu'un dipole 1/2 onde est alimenté en son centre, et qu'une verticale 1/2 onde est alimentée à sa base : elles ont donc strictement le même gain et le même diagramme de rayonnement, seule l'impédance diffère du fait de son point d'alimentation : au centre elle est de 73W et elle est de plusieur milliers d'ohms à son extrémité.
Maintenant, lorsque votre commerçant préféré affirmera qu'un dipole 1/2 onde d'un prix abordable n'a pas de gain, et que cette superbe 1/2 onde à la mode (donc à prix prohibitif) grâce à ses radians (qui ne servent à rien si ce n'est qu'à cartonner les télés) à un gain de 9,9 dBi, vous pourrez être sûr qu'il vous prend pour un pigeon, sinon il préciserait que cette antenne sur laquelle il fait une marge confortable a un gain de zéro dBd (évidemment, c'est moins vendeur!)... Mais nous en reparlerons plus tard, dans le chapitre consacré aux antennes verticales.


Vous pouvez grâce aux fichiers du simulateur Mmana, modifier les hauteurs et différents paramètres qui vous donneront une trés bonne idée de ce qui influence le diagramme de rayonnement. Pour plus d'explications, reportez-vous au chapitre consacré à Mmana dans le menu.




Voici le dipole horizontal à différente hauteur au dessus du sol:

Les antennes / Vuibert




























Dans cette illustration, la 1/2 onde horizontale se comporte comme le ferait votre directive: ne l'oubliez jamais !


Pour bien comprendre ce qu'est le diagramme de rayonnement il faut imaginer que les lobes sont commes des rayons lumineux, et que si vous voulez parler avec un OM qui se trouve à des centaines de KM à l'ouest, il faudra diriger le maximum de lumière dans sa direction juste au dessus de l'horizon car tous les faisceaux qui tireront dans les étoiles au dessus de votre antenne le feront en pure perte d'énergie: tout dépendra de la hauteur de l'antenne au dessus du sol.
Vous remarquez dans l'illustration qu'il n'y a que pour h=0,5l et h=1l que vous aurez un diagramme de rayonnement qui vous permettra de concentrer l'énergie vers la direction souhaitée.
Toutes les autres hauteurs provoqueront une baisse très significative de la performance de votre directive à l'émission comme à la réception: il est vraiment idiot de perdre autant d'énergie !.
Si vous n'appliquez pas ce principe vous ne profiterez jamais pleinement du potentiel de votre antenne.
Si vous voulez optimiser au maximum votre station il faudra commencer par mettre votre antenne directive à la bonne hauteur au-dessus d'un sol conducteur, sinon tout le reste ne servira à rien et votre antenne tirera comme une patate !


Le dipole 1/2 onde horizontal est placé au dessus d'un sol parfaitement conducteur pour ces mesures, et bien évidemment alimenté avec une longueur de coaxial ad hoc, protégé du rayonnement par un "choc balun" (nous verrons plus tard de quoi il s'agit).
Il faut noter qu'en dessous de 0,3l (3,3m) la proximité du sol absorbe une grande partie du rayonnement (phénomènes des courants de Foucault).
Donc n'écoutez pas ces idiots qui disent que l'on peut installer sa directive à 2m du sol.
On remarque (voir les fichiers Mmana) que si le diagramme de rayonnement se divise très vite en montant l'antenne, le gain absolu lui n'augmente pas de manière significative, il reste proche de 8 dBi (à partir de h = 0,5 l). Il faudra donc choisir sa hauteur avec précaution pour l'installer, surtout pour le DX, où on recherche à concentrer l'énergie avec un angle de tir le plus bas possible sur l'horizon.
A contrario de la verticale, l'horizontale ne tire pas sur l'horizon: elle développe son lobe avec un angle d'élévation que l'on cherchera à abaisser au maximum. On choisira des hauteurs de 1 ou 2 voir 3 x 1/2 ondes au dessus du sol (5,45m ; 10,90m ; 16,35m): il faut absolument éviter les hauteurs intermédiaires qui développent un lobe à la verticale qui tire dans les étoiles car c'est de l'énergie totalement perdue; et pour les hauteurs supérieures à 16,50 m (au-delà des contraintes mécaniques) on considère qu'à partir d'un angle limite d'environ 45°, les ondes ont peu de chance de rebondir dans les couches ionisées (qui "reflètent" le signal favorisant ainsi les contacts longues distances, nous verrons cela lorsque nous parlerons de la propagation).
Autre chose, extrêmement importante à mes yeux, dans une configuration à deux lobes par exemple (h = 1l), comme vous pouvez le voir sur la figure, il y a un "zéro" d'énergie (trés forte atténuation du signal), c'est à dire quasiment ni émission, ni réception dans cet angle en thèorie...
A méditer.
Avec une horizontale le lobe le plus haut est toujours celui qui a le plus d'énergie.
Par exemple pour le dipole à h = 1l vous pouvez voir sur l'illustration que le lobe du bas tir avec un angle d'élévation à 15° avec 40% du rayonnement et le lobe du haut tir à 50° avec 60% de l'énergie qui sera probablement en partie perdue du fait de l'angle limite... L'ampli de 100 watts qu'a installer l'OM n'en rayonne en fait que 40 dans la bonne direction !

Pour ma part, j'ai toujours installé une antenne (directive) horizontale à une 1/2 onde de hauteur (5,45m au dessus d'un sol conducteur ou d'une terre artificielle), car on a un seul lobe que l'on contrôle facilement et qui diffuse bien l'énergie. Mais je dois reconnaître qu'en plaçant l'antenne à h = 1l (10,90m) cela permet souvent de l'éloigner des murs et autres bâtiments environnants et d'obtenir grâce à cela de très bons résultats.
Je dirai simplement que vous devrez faire un compromis selon vos moyens et votre environnement afin d'obtenir le meilleur résultat possible.
Si le sol est mauvais conducteur, le gain chutera d'environ 3 dBi.




Vous pouvez grâce aux fichiers du simulateur Mmana, modifier les hauteurs et différents paramètres qui vous donneront une trés bonne idée de ce qui influence le diagramme de rayonnement. Pour plus d'explications, reportez-vous au chapitre consacré à Mmana dans le menu.


Maintenant c'est l'heure de la détente, alors on va faire un peu de calcul en s'amusant !


Réponses du Quizz n°1 :

1a - Fréquence du courant EDF : 50 Hz
1b - Sa période : 1/50=0,02= 20 ms

2a - Longueur de la 5/8 : (300/27)x(5/8)x0,95 = 6,597 m
2b - Sa ligne de 180° : 0,66 x(300/27)/2 = 3,666 m

3a - La réactance d'une antenne de 3,5 l est nulle.
3b - Le CB 11 F à une impédance de 52 W et l'antenne 36 W :
le ROS sera 52/36 = 1,44


QUIZZ N°2 :

1a - Quel sera le ROS d'un dipole 1/2 onde horizontal alimenté par du RG8/U ?
1b - Quelle sera sa longueur sur 27,300 MHz ?
1c - Quel est son gain à une hauteur de l/2 au dessus d'un sol mauvais conducteur ?

2a - Loana avec 20 W est reçue par Jean-Edouard avec un signal de 5, quel sera son signal avec un ampli de 100 W ?
2b - Elle décide de réduire sa puissance à 5 W puis à 1 W, quel seront ses reports successifs ?

3a - Mon commerçant préféré m'a vendu une directive qui a un gain en champ de 5 dBd, quels seront son gain isotropique et son coefficient multiplicateur si elle est installée à h = l /2 ?
3b - Tout bien considéré, le sol est mauvais conducteur, quel sera son coefficient multiplicateur ?


Fin de cette deuxième partie. J'espère qu'elle vous aura intéressée.
Vous pouvez poser vos questions sur le Livre d'Or ou sinon peut-être me joindre en fréquence en compagnie de mes copains de la région Lyonnaise sur 27,435 Mhz... (Si vous avez une bonne antenne !!)
Nous verrons prochainement des éléments je pense tout à fait utiles à votre installation radio.
Et d'ici là, bouquinez un peu, surfez, partagez vos réflexions, faites connaître ce site si vous le jugez utile, et... méfiez-vous des bla-blateurs !!

Bons contacts !


14 D9 TC Yves Lyon


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