Une antenne active LF-HF-VHF. alimentée par batterie rechargeable et cellules solaires

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1 Une antenne active LF-HF-VHF alimentée par batterie rechargeable et cellules solaires Copyright by R. Flabat, ON4LCQ Page 1 de 10

2 1 Introduction Au départ, je souhaitais disposer d une antenne LF-HF à connecter à l entrée d un BCL «World Receiver» Sangean ATS-505. En plus, la largeur de bande du système antenne/ampli devait si possible atteindre les VHF (aux alentours de 150 MHz) dans le but de la connecter à l entrée d un stick SDR RTL2832U. J ai donc entrepris de développer un circuit basé sur l antenne active «miniwhip» développée par PA0RDT. Ce design est très attractif mais la simulation du montage avec LTSpice IV 1 de Linear Technology a montré que les performances devaient être améliorées. En particulier, le facteur de bruit et la résistance à l IMD (IP3) laissaient à désirer. Pour les bandes HF basses, un faible bruit n est pas nécessaire car le bruit de bande est très élevé. Mais sa largeur de bande devant être fortement élargie, un facteur de bruit le plus bas possible devenait indispensable. Quant à l IP3 annoncé, il plafonnait à ~+30 dbm), un chiffre correct mais pas exceptionnel, les meilleures antennes du genre dépassant les 40 dbm. Pour pouvoir me passer d une alimentation via le câble coaxial, j ai décidé de doter le montage d une alimentation par cellules solaires et batterie rechargeable en tampon. Le circuit du buffer est cependant séparé de l alimentation, la modularité est ainsi maximale. L antenne peut aussi être alimentée via un câble séparé. Ce document décrit la première partie de ce projet, l antenne et son buffer. Une seconde partie décrira l alimentation solaire, celle qui justifie le qualificatif «Solar» accolé à «Whipper». 2 L antenne Solar Whipper On s'imagine volontiers qu'une antenne pour les bandes LF et HF doit être de grandes dimensions pour recevoir efficacement le monde entier. Rien n'est moins vrai, même un clou recevrait des signaux, quoique la force des signaux reçus augmente avec les dimensions. Bien sûr, nous parlons ici uniquement de réception, pas question d'émission. Tout ce qui est nécessaire, c est une petite pièce métallique pouvant faire office d antenne. Par «petite», il faut comprendre «de dimensions très inférieures à la moitié de la longueur d onde la plus courte» à recevoir. Les longueurs d ondes concernées se situant entre 3000 m (100 khz) 2 et 10 m (30 MHz), une antenne de quelques cm de long sera forcément «très petite». Sa forme n est pas critique, un morceau de PCB (copper clad) est parfait. Une telle antenne présente une impédance très élevée et essentiellement capacitive. C est la raison pour laquelle l antenne doit être suivie d un amplificateur spécial capable d abaisser l impédance à 50 ou 75 ohms, valeur usuelle des entrées de récepteurs et aussi des câbles de liaison. Ce buffer doit aussi être capable d encaisser de forts signaux sans dégradation de sa linéarité. Le schéma mis au point présente une gamme dynamique s étendant de 0.4 µv à 0.65V à l entrée antenne sans distortion. 1 On peut télécharger cet excellent outil gratuit ici : 2 L équation bien connue de la longueur d onde est λ = 300/F, avec λ en m et F en MHz Copyright by R. Flabat, ON4LCQ Page 2 de 10

3 3 Le schéma-bloc La figure 1 ci-après montre le schéma-bloc de l ensemble. Charger Buck-Boost 4.8V Batt. +12V +12V Solar Cell Zin G 1 Zo Solar PSU Whip Buffer Figure 1: schéma-bloc du Solar Whipper 4 Le schéma du buffer Le schéma pdf au format A4 est disponible à la rubrique Téléchargements, sur le site web : Figure 2: schéma du buffer MultiJFET Copyright by R. Flabat, ON4LCQ Page 3 de 10

4 Comme on le voit, le schéma est simple et n appelle que peu de commentaires : un JFET en source follower comme étage d entrée couplé par capacité à un NPN de sortie en émetteur follower. Le résultat : une impédance d entrée très élevée et une impédance de sortie basse, adaptée à un câble coaxial de 50 voire 75 ohms. Les deux diodes D1 et D2 sur la connexion d antenne servent à protéger le JFET contre les décharges ESD (Electro Static Discharge, soit Décharge électrostatique) éventuellement amenées par la main lors de manipulations et dont la tension peut être très élevée : 15, voire 30 kv. Elles peuvent endommager les transistors ou réduire leurs performances. En réalité, l étage d entrée comprend 4 JFET en parallèle. De même, le second étage est équipé de 4 NPN en parallèle, tous en boîtier TO-92 et très bon marché. Pourquoi 4 transistors en parallèle? Le but est de diminuer le bruit. Pour rester simple, on peut écrire que le bruit sera réduit proportionnellement à la racine carrée du rapport du nombre de transistors. En clair : avec 1 transistor, le bruit vaut ε n. Avec 4 transistors, il vaut ε n / 4 soit ε n /2 donc 3 db plus bas. Il est vrai que jusque des fréquences de 5 10 MHz, un facteur de bruit très bas n est pas nécessaire, le bruit intrinsèque de la bande étant fort élevé. Mais le Solar Whipper a vu sa largeur de bande étendue à plus de 50 MHz (pour un gain variant de +- 1dB). Or, plus la fréquence s élève, plus le bruit de bande s abaisse et un facteur de bruit faible devient une absolue nécessité. Les courbes de la page suivante montrent la largeur de bande et le bruit du préampli. La révision D0 de l ampli a permis d améliorer notablement ces deux courbes. Figure 3: largeur de bande du Solar Whipper (simulation) Copyright by R. Flabat, ON4LCQ Page 4 de 10

5 Figure 4: Courbe de bruit de la Solar Whipper (simulation) 5 Le PCB modulaire Disons d emblée qu un PCB 3 n est pas indispensable. On peut parfaitement réaliser le buffer sur un PCB non gravé entaillé à la mini-meuleuse. Mais ce style de réalisation n est pas très soigné et surtout pas très reproductible. Personnellement et quoique que je reconnaisse qu il fonctionne, je n aime pas ce style de réalisation. J ai donc étudié un layout de qualité "pro", facile à câbler et réalisable en deux versions : 1. avec zone de copper-clad servant d antenne intégrée 2. sans cette zone pour connexion d une antenne séparée, un trou est prévu pour le fil La Fig. 4 en page suivante montre le PCB avec son antenne intégrée, réalisé sur de l époxy simple face de 1.6 mm d épaisseur avec cuivre de 35 µm. Avec l antenne intégrée, les dimensions sont de 169 x 35,15 mm. Cette dernière dimension peut surprendre mais elle a été choisie pour que le PCB puisse rentrer exactement dans un tube PVC en plastic gris de Dia. ext. 40 mm. Le circuit du buffer seul mesure 70,7 mm de long et par conséquent la partie «Antenne» a une longueur de 78,3 mm 3 Les fichiers de fabrication du PCB sont inclus dans l archive «AME01_01_D2_ProdFiles_00.zip» disponible sur le site à la rubrique «Téléchargements» : Copyright by R. Flabat, ON4LCQ Page 5 de 10

6 Figure 4: Face «Top» du PCB Solar Whipper avec antenne intégrée Figure 4: Face Bottom du PCB Solar Whipper avec antenne intégrée Le montage n est pas difficile grâce aux composants «Through Hole 4» classiques. Seul un composants SMD côté cuivre peut poser un léger problème : C2. Cependant, avec un peu de soin, une bonne loupe et un fer à souder à la panne convenable, son montage est loin d être une difficulté insurmontable. Et puis, pour ceux qui ne l ont jamais fait, n est-ce pas l occasion de progresser? On trouve sur Youtube de nombreuses vidéos montrant comment s y prendre pour souder des composants SMD. Le régulateur de tension U1 exigeant une capacité de sortie à l «ESR 5» bien définie, il ne faut en aucun cas remplacer le type prévu pour C2 par un type différent. 6 Câblage et mesures J1 (BNC) ne gêne pas l insertion dans le tube servant de boîtier. La HF sortira donc par un coaxial muni d un BNC et entrant dans le tube PVC via un presse-étoupe. Remarque. : est-il besoin de préciser que le coaxial doit d abord être passé dans le presse-étoupe avant de le munir d un BNC? Le PCB permet le montage de deux types différents de BNC : un «Low Profile» fabriqué par TYCO ou un Right Angle» de chez Hüber+Sühner., P/N 85_BNC /133_NE, N de commande Ce dernier modèle ne rentrera pas dans le tube plastic étanche et sera réservé aux montages placés à l intérieur (p.ex. grenier) dans des boîtiers non hermétiques de profondeur supérieure. Une autre option est de prévoir un tube plastic étanche de plus gros diamètre. 4 çàd à insérer 5 ESR : Equivalent Serial Resistance, soit «Résistance Série Equivalente» Copyright by R. Flabat, ON4LCQ Page 6 de 10

7 Le connecteur d alimentation J2 des versions antérieures était trop gros et par conséquent posait un problème d insertion de l ensemble dans le tube plastic. Pour la version D0, j ai prévu un pinheader à 3 broches au pas de 2,54 mm monté à angle droit sur le bord du PCB. En coupant sa pin N 3 et en obturant la pin 3 du connecteur femelle amenant la tension, on réalise une «polarization key», une clé de détrompage bien pratique. Certes, U1 est protégé contre les inversions de polarité mais rien n est plus agaçant que de se rendre compte d une erreur donc d une panne- alors qu on vient de réinstaller l antenne le long du mur! Pour placer et souder les composants, on prendra les précautions habituelles contre les décharges ESD : tapis antistatique sur la table du labo, fer à souder à basse tension raccordé à la terre, bracelet spécial ESD enroulé autour du poignet et raccordé lui aussi à la terre. On câblera avant tout D1 et D2, ces diodes serviront de protection ESD pour les autres composants. Ensuite, on placera les composants passifs (R, C, connecteurs) puis on montera le régulateur de tension U1. Une fois celui-ci soudé, on connecte à J2 une source de tension réglée sur 13 V dc min. (max. 15 V dc ), en respectant la polarité. Toutefois, en cas d inversion, pas de panique, U1 est protégé contre ce type de surcharge : aucune tension ne sera présente à sa sortie et il ne sera pas détruit. La tension à la broche 3 doit être de 12 V dc (comprise entre 11,52 et 12,48 V). Dès qu on est certain de la valeur de tension fournie par le régulateur, on peut câbler les JFET et les NPN. Les tensions suivantes prévues par simulation- seront mesurées : env. 6,7 V dc aux bornes de R6 et env. 5,7 V dc aux bornes de R7. Quant au courant total, il sera de l ordre de 43 ma (à 20 C). Les mesures sur le premier prototype ont donné 6,40 V dc aux bornes de R6 et 5,80 V dc aux bornes de R7. Quant au courant total mesuré, il s élevait à 44,37 ma avec 14,20 V dc d alimentation. Les valeurs mesurées confirment donc les valeurs simulées. 7 Assemblage L antenne étant destinée à une installation à l extérieur, il est nécessaire de rendre le tout étanche. Les supermarchés voués au bricolage vendent des tubes PVC dans de nombreux diamètres et toutes sortes d accessoires : coudes, manchons, etc. Le PCB a été conçu pour un tube de diamètre extérieur de 40 mm. La photo en page suivante est plus explicite qu un long discours. Avec ce type de construction, il suffit de dévisser l une ou l autre extrémité pour accéder au matériel à l intérieur. Surtout, les éléments étant collés et grâce à un joint à chaque extrémité, l ensemble est parfaitement étanche. On voit sur la photo deux câbles passant par le presse-étoupe. Il s agit bien sûr d une part du coaxial RG-58 pour la HF et d autre part d un câble Ethernet pour l alimentation. Comme j ai déjà expliqué, je n ai pas voulu téléalimenter le montage par le coaxial. Une seconde partie de ce projet décrira l alimentation solaire mais pour l instant, je l alimente via un câble Ethernet Cat5 séparé dont je possédais une assez grande longueur. Une paire est connectée au +14 V dc, une seconde paire à la masse (le 14 V dc ). Vu la faible intensité de courant d alimentation (~ ma), même 25m de câble ne provoquent pas une forte chute de tension. J ai mesuré 13,687 V au connecteur J2 sur le PCB avec 13,865 V à l entrée du câble, soit une chute de 0,178 V. Les 3 e et 4 e paires sont connectées à la tresse du coaxial à la station, le tout étant raccordé à la terre près du récepteur. Copyright by R. Flabat, ON4LCQ Page 7 de 10

8 Figure 5: l'antenne terminée dans son «boîtier» étanche Copyright by R. Flabat, ON4LCQ Page 8 de 10

9 Figure 6: l'antenne placée sur la façade arrière du QRA Figure 7: gros plan sur la fixation à montage-démontage rapide J ai installé l antenne à environ 4 m de haut, inutile de chercher à obtenir beaucoup de signal, il y en aura de toutes façons trop surtout dans les bandes basses. Ainsi placée près d une fenêtre au 1 er étage, je peux facilement la détacher de son support (un collier standard en PVC pour tuyauteries) et la passer par la fenêtre le temps de démonter son PCB avant travaux au labo. Pas besoin d échelle et ce montage est très discret. Copyright by R. Flabat, ON4LCQ Page 9 de 10

10 Annexes 1 Crédits La moindre des corrections est de rendre à chacun ce qui lui revient: David (F4EPU) a attiré mon attention sur la miniwhip de Roelof Bakker (PA0RDT) que j ai simulée. J ai ensuite tenté de l améliorer et l antenne Solar Whipper est née Claude (F4GPC) a pour sa part réalisé les PCB prototypes de la version B1 2 Historique des révisions du document Date Version Description de la version 04/05/14 V Minor text corrections 16/04/14 V Révision du document pour refléter le design en Rev. D2 14/02/14 V Révision du document pour refléter le design en Rev. D0 15/10/12 V Edition originale Copyright by R. Flabat, ON4LCQ Page 10 de 10