Le choix d'une antenne fait intervenir différents facteurs. Les plus importants au niveau amateur étant liés aux contraintes d'environnement.
Sur le plan technique, sont à prendre en compte séparément:
1- L'élément rayonnant
2- La ligne de transmission
3- L'adaptation de l'antenne à la ligne
4- L'adaptation de la ligne à l'appareil (Rx ou TRx)
Le choix de l'antenne se fera en fonction des compromis acceptables. Il n'y a pas d'antenne universelle mais plutôt une solution pour chaque situation. C'est la raison pour laquelle cette introduction se présente comme un liste des questions qu'il faut se poser avant d'entreprendre la construction ou l'achat d'une antenne.
1- L'élément rayonnant
a) Définir le besoin:
Pour quelle(s) bande(s) doit être choisie l'antenne? Quelle est
la distance des contacts envisagés?
Un réglage est-il admis au changement de bande? La polarisation
du rayonnement est-elle un critère à retenir?
Le lobe de rayonnement est il critique? (Gain maximal, élimination
de signal dans certaines directions). L'antenne devra-t-elle
être orientée en fonction de l'objectif? en combien de temps?
b) Définir les contraintes:
- d'environnement :
Les antennes sont-elles admises? Quelle est la qualité
du sol (de la prise de terre)?
- de construction :
Y a t-il des possibilité d'encrage, d'accrochage
Quel coût est acceptable? Y a t-il de la place
disponible? Quelle sont les critères de résistance
aux intempéries (vent, glace...) Quelles sont les possibilité
pour le passage de câbles? Quelle est la distance entre
l'antenne et la station?
2- La ligne de transmission
a) Définir le besoin:
Quelles sont les pertes admises pour la bande la plus élevée
en fréquence? L'impédance caractéristique de
la ligne est-elle imposée?
b) Définir les contraintes:
Coût de la ligne. Longueur de parcours imposée. Impédance
imposée...Symétrie à conserver jusqu'à la station...
Blindage imposé sur le trajet de la descente... Résistance
aux intempéries
La ligne de transmission sera de type coaxial (de loin le plus fréquent), ou à fil parallèles, ou même ne sera pas; dans le cas où l'antenne aboutit directement à la station.
3- L'adaptation de l'antenne à la ligne
L'adaptation de l'antenne à la ligne a pour objectif de transférer
un maximum d'énergie de l'antenne à la ligne et vice versa.
En général l'adaptation à ce niveau est simplifiée
car l'élément d'adaptation doit être dehors, suspendu...
Il est possible dans certains cas d'ignorer complètement l'adaptation
des impédances entre antenne et ligne. Par contre la ligne de descente
doit être à très faibles pertes si le ROS est élevé
et on retient dans ce cas une ligne symétrique à fils parallèle
connue sous le nom d'échelle à grenouille.
Un symétriseur (Balun) peut être nécessaire dans
certains cas, pour ramener le lobe de rayonnement de l'antenne à
une forme proche de celle théorique.
Nota : l'utilisation systématique d'un symétriseur n'est
pas recommandée: le symétriseur peut amener une distorsion
par saturation s'il est mal dimensionné et il introduit toujours
une petite perte de puissance.
4- L'adaptation de la ligne à l'appareil
Cette adaptation a pour objectif non seulement de permettre le transfert
d'un maximum d'énergie mais aussi de faire fonctionner l'appareil
dans les conditions pour lesquelles il a été conçu.
Les circuits électroniques de sortie de l'émetteur (ou
d'entrée, pour le récepteur) sont calculés pour une
certaine valeur de résistance (50 ohms en général)
que la ligne doit présenter à la prise antenne de l'appareil.
Un écart est toléré mais il doit être limité.
Une adaptation de l'impédance de l'antenne à celle de
l'émetteur sera nécessaire si cette condition n'est pas remplie.
En général les émetteurs modernes acceptent de
fonctionner jusqu'à un ROS de 2 et réduisent automatiquement
la puissance au delà, de façon à protéger l'amplificateur
final. Ceci correspond à une valeur de résistance présentée
à l'émetteur pouvant varier de 25 à 100 ohms environ,
purement résistive.
Une adaptation devient nécessaire pour ROS >2. Les boites d'accord
automatiques dont certains émetteurs sont dotés corrigent
jusqu'à 3. Ceci correspond à une valeur de résistance
présentée à l'émetteur pouvant varier de 16
à 150 ohms environ, purement résistive.
Au delà il faut avoir recours à une boite d'accord séparée.
Il est alors possible d'accorder pratiquement n'importe quoi avec une boite
d'accord conçue pour l'application.
Illustration par un cas simple pouvant se dispenser d'adaptation
Un dipôle accordé présente naturellement une impédance
au centre de 73 ohms, pratiquement résistive. L'adaptation entre
antenne et ligne sera faite de façon très correcte par du
câble coaxial d'impédance caractéristique 75 Ohms.
Du coté émetteur, si on relie ce câble directement,
l'appareil (que l'on suppose conçu pour fonctionner sur une charge
de 50 Ohms), se voit raccordé sur ce qui est l'équivalent
d'une résistance de 75 Ohms. Le ROS est alors de 75 / 50, soit 1.5;
tout à fait acceptable.
Il est à noter que si un câble d'impédance caractéristique
50 Ohms est choisi, au lieu du câble 75 Ohms, le résultat
est identique. L'adaptation est parfaite entre émetteur et ligne
mais le ROS est porté à 1,5 par la désadaptation entre
ligne et antenne.
Nota : la réduction du ROS en dessous de 1.5 est un exercice
académique. Dans la plupart des cas la perte de puissance est négligeable
et de toutes façons la mesure de ROS avec des moyens amateur est
peu précise.
Exemples de démarches dans le choix des antennes
Antennes de la station F6BPS
a) VHF. Seule la bande 144 MHz est à couvrir. Le trafic est
local, tout azimut . Il s'agit de trafic en FM simplex ou par les relais
qui peuvent être atteints. Une polarisation verticale a donc été
choisie. L'antenne doit être simple pour une construction OM. Le
choix portait donc à un quart d'onde ou une demi onde. C'est cette
dernière qui a été réalisée parce que
l'OM n'en avait encore jamais construit et que cette mise au point promettait
d'être intéressante.
La ligne doit être facile à passer sous les tuiles mais
la distance entre antenne et la station est importante: les pertes calculées
de la ligne de transmission sont trop importantes avec un petit coaxial
classique. La ligne est donc constituée d'un tronçon de deux
mètres en coaxial 50 Ohms de petit diamètre, raccordée
sous le toit à une ligne 50 Ohms de plus gros diamètre.
b) Décamétrique. Le besoin porte sur la couverture de
3,5 à 29 MHz. La bande 1,8 MHz n'est pas envisagée car le
manque de place est évident. Distance visée : 1500 à
3000 km. La nécessité de refaire l'accord à chaque
changement de bande est un inconvénient accepté. La station
est en sous sol mais ne dispose pas d'une bonne prise de terre radio. Un
seul arbre est assez haut pour prétendre devenir un support de fil.
Le trafic est sans prétention et l'utilisation de la télégraphie
permet d'utiliser une antenne modeste. L'antenne montée est donc
un fil assez long (20 m) . La longueur a été choisie pour
être compatible avec la position de l'arbre et pour donner une demi
onde sur la bande des 40 m. En fonctionnement demi onde la terre n'est
pas critique. L'impédance de l'antenne au point d'attaque est élevé
et sera très variable en fonction de la bande. Le fil passe à
travers la fenêtre du sous sol et entre directement sur la boite
d'accord qui est de fabrication maison. Il n'y a pas de ligne de transmission
entre antenne et boite. La sortie de la boite d'accord est reliée
à l'émetteur par un petit coaxial 50 Ohms.
Antennes de la station F6FQX
a) VHF. Seule la bande 144 MHz est à couvrir. Le trafic est
local, tout azimut . Il s'agit de trafic en FM simplex. Une polarisation
verticale a été choisie. L'antenne doit être simple
pour une construction OM et ne pas être visible des voisins. Elle
ne doit pas être trop étroite en bande passante, ce qui implique
un diamètre plutôt important pour le conducteur. Une antenne
demi-onde a été réalisée en utilisant les chutes
de cuivre de l'installation de chauffage. L'antenne est logée dans
le grenier.
b) Décamétrique. Pour un trafic plutôt européen,
l'antenne doit être discrète. C'est un fil de 30 m , montant
sur 8 m le long de la maison (le maximum possible compte tenu du bâtiment)
puis redescendant sur l'extrémité du jardin, à 3m
du sol. L'antenne arrive directement sur une boite d'accord. La longueur
a été optimisée pour que le fil ne soit résonnant
sur aucune bande, de façon à ce que l'impédance ne
varie pas trop d'une bande à l'autre. Un prise de terre de bonne
qualité existe dans la station.
c) Décamétrique. Un support pour antenne verticale a
été installé dans le jardin : une verticale par bande
a été taillée dans du tube d'aluminium. La bonne antenne
est mise en place pour la bande désirée puis retirée
à la fin de la session.
Antenne résonnante ou non résonnante?
L'antenne rayonne de l'énergie mais elle n'a aucun besoin d'être
à la résonance pour cela.
Pour faire un parallèle avec l'acoustique: une corde vibrante
de violon est à la résonance, un haut parleur ne l'est pas
mais tous les deux émettent un son.
Exemples d'antennes non résonnantes : Discone, Rhombique, Beverage...
Exemples d'antennes résonnantes : Demi-onde, quart d'onde....
Un dipôle peut être utilisé à la résonance
ou non.
Le diagramme de rayonnement, l'impédance au point d'alimentation
varient en fonction de la fréquence par rapport aux dimensions de
l'antenne et prennent des valeurs caractéristiques à la résonance.
Ce qui fait que l'on choisi souvent la résonance pour bénéficier
de ces propriétés.
GLOSSAIRE RELATIF AUX ANTENNES
- adaptation : une antenne est dite " adaptée " à
la ligne de transmission à laquelle elle est reliée quand
l'impédance de l'antenne est égale à celle de la ligne
; dans ce cas, l'efficacité est maximale (analogie : un tuyau d'arrosage
est adapté à un robinet lorsque les diamètres correspondent).
- azimut : dans le cas d'une antenne directive, la direction
du plan horizontal vers laquelle on la dirige correspond à son "
azimut ".
- boîte d'accord : il s'agit d'un appareil qu'on intercale
entre un émetteur et une antenne quand l'impédance de sortie
de l'émetteur ne correspond pas à l'impédance d'entrée
de l'antenne ; c'est l'équivalent d'un transformateur permettant
de brancher un appareil 110 Volts sur le secteur 220 Volts ; c'est aussi
l'équivalent d'un adaptateur permettant de raccorder un tuyau d'arrosage
avec embout 15x21mm sur un robinet 12x17mm.
- champ électromagnétique : un champ électromagnétique
est une région de l'espace dans laquelle on trouve de l'électromagnétisme
(analogie : un champ de pommes de terre est une région de l'espace
dans laquelle on trouve des pommes de terre) ; " on trouve de l'électromagnétisme
" veut dire par exemple qu'un fil placé dans cette région
est parcouru par un courant induit ou qu'une aiguille aimantée y
subit des forces ; nous baignons en permanence, et depuis la nuit des temps,
dans des champs électromagnétiques de toute sorte (champ
magnétique terrestre qui oriente les boussoles, champ électromagnétique
des rayonnements cosmiques ou de la lumière du soleil, champ électromagnétique
dû aux influx nerveux à l'intérieur de notre système
nerveux. Les champs électromagnétiques ont la propriété
de se propager sous forme d'ondes du même nom à très
grande distance (par exemple, le rayonnement de certaines étoiles
nous envoie des signaux émis il y a des milliards d'années,
nous renseignant sur ce qu'était l'univers à cette époque
très ancienne) ; les radioamateurs s'intéressent à
un champ électromagnétique particulier : celui que créent
ou auquel sont sensibles leurs antennes.
- diagramme de rayonnement d'une antenne : une antenne d'émission
a pour fonction d'envoyer de l'énergie au loin ; son diagramme de
rayonnement est la figure qui indique, pour chaque direction, la quantité
d'énergie rayonnée ; si l'antenne a pour objet de rayonner
dans toutes les directions (exemple : l'antenne de France-Inter sur la
tour Eiffel), on dira que son diagramme est isotrope ; si l'antenne a pour
objet de rayonner préférentiellement dans certaines directions
(exemple : l'antenne d'un satellite en direction de la terre), on dira
que son diagramme est directif. Lorsqu'un diagramme a la forme de pétales
de fleurs, chaque pétale est un " lobe de rayonnement ".
- impédance d'une antenne : si on mesure la tension U
et l'intensité I à l'endroit où une antenne d'émission
est reliée à la ligne de transmission qui lui apporte l'énergie
venant de l'émetteur; le rapport U/I est appelé impédance
de l'antenne.
- ligne de transmission : on désigne ainsi la liaison
entre un émetteur et une antenne ; cette liaison a pour objet de
transporter l'énergie de l'émetteur vers l'antenne ; elle
est l'équivalent du tuyau reliant un robinet à un dispositif
d'arrosage ; elle est le plus souvent constituée soit d'un cable
coaxial (l'énergie circule alors dans l'espace entre âme et
gaine), soit d'une ligne à fils parallèles (l'énergie
circule alors entre dans l'espace compris entre les fils), soit d'un guide
d'onde (l'énergie circule alors à l'intérieur du guide)
; une ligne est caractérisée par le débit d'énergie
qu'elle peut transporter (un gros tuyau d'arrosage peut transporter plus
qu'un petit tuyau), par ses pertes (un tuyau lisse transporte mieux qu'un
tuyau rugueux), par son impédance caractéristique (indicateur
caractérisant les conditions de raccordement dans lesquelles la
ligne est la plus efficace : un coaxial d'impédance caractéristique
50 Ohms fonctionnera le mieux s'il relie un émetteur d'impédance
de sortie 50 Ohms à une antenne d'impédance d'entrée
50 Ohms).
- monobande : se dit d'une antenne conçue pour une seule
bande de fréquences
- multibande : se dit d'une antenne fonctionnant sur plusieurs bandes
de fréquences.
- ondes progressives : dans une ligne de transmission reliant un émetteur
à une antenne, l'énergie est portée par des ondes
; ces ondes sont dites progressives lorsqu'elles " progressent ", c'est-à-dire
lorsqu'elles transportent l'énergie de l'émetteur vers l'antenne
(analogie : des voitures sur une route ; si elles roulent, elles transportent
de l'énergie, elles progressent et sont donc " progressives ").
- ondes stationnaires : dans une ligne de transmission reliant
un émetteur à une antenne, l'énergie est portée
par des ondes ; ces ondes sont dites stationnaires lorsqu'elles " stationnent
", c'est-à-dire lorsqu'elles laissent l'énergie immobile
le long de la ligne sans la transporter (analogie : des voitures sur une
route ; si elles stationnent, elles ne transportent aucune énergie
et sont donc " stationnaires ").
- polarisation d'une antenne : une antenne est une structure
qui rayonne de l'énergie ; cette énergie se propage dans
l'espace sous forme d'ondes ; la " carte d'identité " de ces ondes
indique plusieurs caractéristiques (fréquence, direction,
amplitude, polarisation) ; la polarisation traduit la " disposition géométrique
" la meilleure que doit avoir une antenne de réception pour bien
les capter : si la polarisation est verticale, une antenne verticale les
capte mieux ; si elle est horizontale, une antenne horizontale les capte
mieux ; etc.
- rapport d'ondes stationnaires : en abrégé R.O.S.
; dans une ligne de transmission reliant un émetteur à une
antenne, l'énergie se trouve sous forme d'ondes dont certaines sont
progressives, d'autres stationnaires (analogie : sur une route, des voitures
en mouvement et d'autres à l'arrêt) ; le rapport d'ondes stationnaires
est un indicateur de la relation entre la quantité d'ondes stationnaires
et la quantité d'ondes progressives ; il varie de 1 à l'infini
; la valeur 1 correspond à 100% d'ondes progressives et 0% d'ondes
stationnaires (cas idéal) ; plus ce rapport est grand, plus il indique
que l 'énergie progresse mal le long de la ligne.
- résonance : une antenne d'émission est dite
" à la résonance " lorsque, vue de la ligne de transmission
qui la relie à l'émetteur, elle est équivalente à
une résistance pure. Il n'est pas nécessaire qu'une antenne
soit à la résonance pour qu'elle rayonne bien.
- site : dans le cas d'une antenne directive, la direction du
plan vertical vers laquelle on la dirige correspond à son " site
".
- sol : sauf pour les antennes très éloignées
de la terre (par exemple, les antennes des satellites), le sol joue un
rôle important dans le diagramme de rayonnement d'une antenne ; le
sol agit à la fois comme miroir (les ondes rebondissent sur sa surface)
et comme absorbeur (une partie de l'énergie de l'onde disparaît
dans le sol) ; c'est non seulement le sol au voisinage de l'antenne, mais
aussi le sol à plusieurs kilomètres de l'antenne qui joue
un rôle. Plus le sol est conducteur (eau de mer par exemple), plus
il " réfléchit bien " et " absorbe moins ". Moins le sol
est conducteur (désert ou glace par exemple), moins il réfléchit
et plus il absorbe.
- taux d'ondes stationnaires : en abrégé TOS ;
dans une ligne de transmission reliant un émetteur à une
antenne, l'énergie se trouve sous forme d'ondes dont certaines sont
progressives, d'autres stationnaires (analogie : sur une route, des voitures
en mouvement et d'autres à l'arrêt) ; le taux d'ondes stationnaires
est un indicateur de la relation entre la quantité d'ondes stationnaires
et celle d'ondes progressives ; il varie de 0% à 100% ; la valeur
0% correspond à 0% d'ondes stationnaires et 100% d'ondes progressives
(cas idéal) ; plus ce taux est supérieur à 0%, plus
il indique que l 'énergie progresse mal le long de la ligne.
Références pour approfondir les sujet:
Antenna Book, édité par l'ARRL. Il faut lire l'anglais mais l'ouvrage est trés complet.
Voir aussi les articles parus dans le REF. Entre autres:
REF juillet 89 : Propagation: comment agit le couple antenne - sol.
(F6FQX)
REF fevrier 90 : Ondes guidées et transfert d'énergie
par coaxial. (F6FQX)
REF novembre 89 : Marie, Chang et les photons (atténuations
sur un trajet donné, par F6FQX)