Paramètres et comportement d'une antenne.

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1 Paramètres et comportement d'une antenne. (ON5HQ) Lorsque sont donné les diagrammes de rayonnement d'une antenne, c'est en général en espace libre, c'est à dire pour l'antenne se trouvant à plusieurs longueurs d'ondes de tout obstacle, et cela vaut également pour son impédance. Mais dans la pratique, il y a un obstacle impossible à éliminer (en décamétrique toutefois), et qui influence le comportement de notre antenne, c'est le sol. Les deux paramètres les plus importants sont le diagramme de rayonnement dans le dans plan vertical et sa résistance de rayonnement. La résistance de rayonnement. A la résonance, une antenne doublet présente une résistance de rayonnement de 73Ω au centre et en espace libre. Il ne s'agit bien sur pas d'une résistance physique, mesurable à l'ohmmètre, mais de la résistance Rr qui, substituée à l'antenne, transformerait en chaleur une même quantité d'énergie que celle rayonnée pas l'antenne; c'est la résistance de rayonnement qui dépend de l'intensité du courant au point ou elle est mesurée. Si nous considérons un conducteur demis onde, (fig 1) coupé en son milieu M et alimentée en ce point en HF. Malgré sa forme rectiligne, le fil AB présente une certaine inductance et une certaine capacité de sorte qu'apparaissent, à la Fig. 1 fois, une réactance inductive et une réactance capacitive, ce qui laisse entrevoir l'idée d'une impédance. Cela est vrais pour toutes les fréquences qui ne sont pas celle de la résonance, mais dans ce cas, les deux réactances deviennent égales et comme elles sont de signent contraire, elles s'annulent comme dans un circuit accordé. Donc, à la fréquence de résonance, seule subsiste une impédance résistive, c'est la résistance de rayonnement. Par exemple, si à la résonance, un ampèremètre mesure un courant HF de 0,7 A pour une puissance de 36 W appliquée à l'antenne, cette puissance se trouve "dissipée" en rayonnement électromagnétique par l'antenne, et en utilisant la formule W = R I 2, on constate que tout se passe comme si cette puissance était dissipée en chaleur dans une résistance de 73 Ω. C'est la résistance de rayonnement, autrement dit, un terme fictif qui définit en quelques sorte, le "couplage" entre l'antenne et le milieux de transmission des ondes électromagnétique, et peut être défini comme la résistance qui dissiperais une énergie égale à l'énergie rayonnée, ou bien comme le rapport : puissane émise par l'antenne Rr = (courant efficace au point d'alimentation) 2 Cette "résistance de rayonnement" de 73 Ω est celle d'une antenne faite d'un fil infiniment fin. Elle diminue avec l'augmentation du diamètre "d" du conducteur. La variation de la résistance de rayonnement est fonction du rapport λ/2d comme indiqué dans le tableau ci-dessous. Résistance de rayonnement d'une demi onde en Ω λ/2d , influence du sol sur la résistance de rayonnement. Il faut considérer comme sol, le sol électrique, c'est à dire le sol conducteur qui peut être (et est souvent) plus bas que le sol réel. Cette "résistance de rayonnement" n'est valable que pour l'antenne en espace libre et dans le cas d'antennes proches du sol, pour certaines hauteur au dessus du sol.

2 La résistance de rayonnement d'un doublet varie de façon différente en fonction de la polarisation horizontale ou verticale (fig 2) On constate que les 73 Ω pour un doublet sont atteint pour des hauteurs sensiblement égales à un multiple de λ/4. De toute façon, il est peu probable que votre antenne présente une impédance égale à celle de la ligne d'alimentation et la présence de ROS, pratiquement inévitable, n'est pas gênante s'il ne dépasse pas la valeur 2. Au delà, le circuit de protection du PA interviendra pour réduire la puissance de sortie du TX et assurer sa protection. Fig 2 Influence du sol sur le diagramme de rayonnement. Le diagramme de rayonnement d'une antenne est fortement modifié par rapport à celui qu'elle à en espace libre (isolée dans l'espace). Mis à part les antennes THF, les antennes sont souvent à proximité de masses plus ou moins importantes susceptibles de modifier leur comportement, et une masse importante et inévitable est la terre. fig 3 Si on considère le sol se comportant comme un conducteur parfait (sol parfait), il agit vis à vis des ondes électromagnétiques comme un véritable miroir; et les ondes qui le frappent sont réfléchies en respectant les lois de l'optique géométrique. Une onde directe quittant une antenne émettrice suivant un angle vertical, se trouve accompagnée sous ce même angle, par une onde réfléchie (fig 3). Tout se passe pour l'onde réfléchie comme si elle provenait d'une antenne fictive appelée "image"; alimentée par la même puissance que l'antenne réelle, et symétriquement de celle ci par rapport à la surface du sol.

3 Fig 4 En polarisation horizontale, l'antenne et son image rayonnent en opposition de phase, en polarisation verticale, l'antenne et son image rayonnent en phase (fig 4). On comprend facilement que la présence de cette image, et donc de l'onde réfléchie, modifie profondément les lobes de rayonnement par rapport à ceux en espace libre. Ondes directes de réfléchies vont interférer et créer des maximums là ou elles s'ajoutent et des minimums ou nuls là ou elle se retranchent. Les antennes directives sont également influencées par le sol et possèdent une hauteur favorable à un bon rayonnement. La présence d'un sol parfait double le gain de l'antenne dans les directions favorisées (+3dB). Pour les faibles hauteurs d'antenne, de l'ordre de 0,25 λ et en dessous (c'est généralement le cas en 80 et 40 m), le diagramme de rayonnement dans le plan vertical, modifié par le sol, est semblable à celui représenté sur la fig 5. fig 5 On constate qu'une grosse partie du rayonnement est surtout envoyer vers le ciel, c'est le fonctionnement en mode NVIS,(Near Vertical Incidence Skywave) un mode qui consiste à rayonner l'énergie ayant une fréquence inférieure à la fréquence critique, proche de la verticale (entre 75 et 85 ) (fig 6). Ce mode permettrait de couvrir la zone de skip, c'est à dire la zone dite "de silence" qui ne reçoit ni l'onde de sol, ni l'onde de ciel (réflexions, avec des angles de tir faibles, sur les couches ionosphériques, et donc, favorables pour le DX) (fig 7). Fig 6 fig 7

4 La fig.8 ci dessous montre le diagramme de rayonnement, dans le plan vertical et pour différentes hauteurs au dessus du sol, avec pour un sol parfait (condition rarement atteinte), d'une antenne en polarisation horizontale. fig 8

5 La fig 9 donne les mêmes indications pour une antenne demi onde (doublet) verticale. fig 9 On constate que la hauteur d'une antenne influence fortement sur le diagramme de rayonnement, et qu'elle est très importante en fonction du but à atteindre. Il existe des hauteurs qui sont favorables au DX, et différentes pour une antenne verticale ou horizontale. Dans la pratique, le sol n'étant pas parfais, puisqu'il présente une conductivité (inverse de la résistivité) plus ou moins grande, une partie plus ou moins importante de l'onde rayonnée est perdue en chaleur dans le sol. Il peut arriver que sur un mauvais sol, la perte de puissance puisse atteindre 40 % (voir plus) de la puissance émise. La mer et les plans d'eau en général constituent un excellent sol et les diagrammes de rayonnement se rapprochent fort de ceux obtenus pour un sol parfais. Dans les autres cas, on constate que les creux sont moins prononcés et les gains ne sont pas aussi importants. Coefficient d'efficacité ou Rendement d'une antenne. Par coefficient d'efficacité ou rendement, il ne faut pas confondre avec son efficacité tout cour, qui peut être défini comme étant la façon dont rayonne l'antenne et donc liée à son diagramme de rayonnement, et la confusion est fréquente. Le rendement d'un dispositif (moteur, transformateur, antenne,.) est le quotient de la puissance fournie au dispositif par la puissance qu'il restitue. La différence entre les deux puissances sont bien sur les pertes.

6 Elles peuvent se classer en quatre catégories : 1 les pertes ohmiques par dissipation de chaleur dans les conducteurs; 2 les pertes par défaut d'isolement; 3 les pertes par rayonnement indésirables; 4 les pertes par la présence d'ondes stationnaires dans les feeders; 5 les pertes dans les obstacles environnants. Il est impossible, dans cet article, d'examiner en détail toutes ces pertes, mais la puissance rayonnée est donc la différence entre la puissance de sortie de l'émetteur et les pertes. Notons que dans un sol mauvais conducteur, une part très importante de la puissance peut être y dissipée en chaleur (jusque 40 % pour les mauvais sols) Le rendement η est égal à : η = puissance effectivement rayonnée puissance fournie par l'émeteur ou: η = puissance effectivement rayonnée puissance effectivement rayonnée + somme des pertes Si on rassemble les pertes sous une résistance fictive r, et que l'on désigne R la résistance de rayonnement, le rendement peut s'écrire : η = R R + r Bien d'autres paramètres restent encore à définir, tel que : - Bande passante d'une antenne - Hauteur effective d'une antenne - Gain de directivité d'une antenne Tout cela pourra faire l'objet d'une suite à cet article.