Quelle antenne pour la coupe du REF

Quelle antenne pour la coupe du REF ?

Patrick Destrem – F6IRF

4ème partie: Des antennes de réception

Introduction

Ce chapitre traitera plus particulièrement du 80m, en effet si il est sur 40m, relativement aisé de réaliser une beam-filaire ayant de bonnes performances (voir chapitre 3) tant à l émission qu’à la réception, la tâche devient titanesque sur 80m, si l’on considère les hauteurs (grosso-modo 20m) et la surface de terrain requise. Pour le 80m, la meilleure stratégie consiste donc, à mon humble avis, à utiliser une antenne relativement omnidirectionnelle à l’émission (voir chapitre 2) et une antenne plus directive à la réception.

Pour des liaisons comprises entres 0 et 1000 kms, il y a grosso modo, 2 moyens d’augmenter le rapport signal sur bruit d’une station écoutée, soit en « triant » par direction (la méthode classique), soit en « triant » par angle vertical (en fonction de la distance).

C’est ce que nous allons voir dans ce chapitre.

Juste un dernier mot avant de passer aux choses intéressantes: Il peut sembler curieux qu’on se préoccupe de rapport d’ondes stationnaires (noté SWR dans le texte – désolé !) quand on parle d’antennes de réception. C’est pourtant une nécessité si l’on veut obtenir les diagrammes escomptés. Vous êtes vous jamais demandé pourquoi votre beam 20m était aussi omnidirectionnelle si vous écoutez le 80 avec, alors qu’un dipôle même très petit au regard de la longueur d’onde, devrait avoir un diagramme bidirectionnel… (Je vous laisse trouver la réponse).

Attention : l’utilisation d’une antenne de réception quelle qu’elle soit, peut nécessiter la mise en place d’un dispositif de protection de l’entrée du récepteur, à fortiori si elle est proche de l’antenne d’émission (un relais court-circuitant l’entrée du récepteur dès qu’on passe en émission est une précaution de base, à moins que votre récepteur ne soit muni d’un tel dispositif. Mais attention, ce n’est que pas toujours le cas, même si il s’agit de l’entrée « RX-antenna » de votre transceiver).

La « beverage »

Comment ne pas commencer par celle-ci ! C’est assurément l’antenne de réception la plus populaire pour les concours internationaux. Elle n’est pas très compliquée, ni très chère à réaliser à réaliser (un fil de clôture électrique, courrant sur des piquets d’un mètre destinés au même usage, fait une excellente Beverage). Outre la place requise (la taille minimum en utilisation DX est généralement d’au moins 2 longueurs d’ondes) elle a cependant 2 inconvénients majeurs pour ce qui nous intéresse :

a) elle est très directive

b) elle tire très bas.

En fait, pour les angles verticaux élevés qui nous intéressent pour les QSO’s Franco-Français, seuls les lobes secondaires sont vraiment utiles (plus elle est longue plus elle en a).

Figure 1 diagramme de rayonnement typique d'une beverage de 2 longueurs d'onde. Le lobe principal est centré à 27 degrés d’élévation où il fait 60 degrés d'ouverture horizontale. Le premier lobe secondaire est à 75 degrés, mais est très pincé et est à -10dB sous le lobe principal. Le creux entre lobe principal et premier lobe secondaire est centré à 63 degrés et le dip est de l’ordre de -30dB sous le lobe principal.

On sait que plus une beverage est longue, plus elle est pointue, la première idée qui vient consiste donc à la réduire de moitié.

Figure 2 Une beverage de 1 longueur d'onde: Déjà beaucoup plus intéressant pour ce qui nous intéresse... On voit que l’angle d’ouverture à -3dB est de l’ordre de 80 degrés centré à 35 degrés d’élévation. A noter qu’elle est aussi utilisable sur 40m mais avec un diagramme proche de celui de la figure 1.

On voit que le gain est négatif, (c’est le cas de la majorité des antennes dédiées à la réception) mais ce n’est pas un gros problème, dans la mesure où ce qui importe surtout, en particulier sur les bandes basses où les niveaux de bruit sont importants, c’est le rapport signal sur bruit. Pour une antenne de réception, il faut toutefois veiller à ce que le gain ne soit pas trop négatif, surtout si le coax est très long entre l’antenne et la station, au risque de détériorer la réjection aux angles indésirables. Il faudra, pour les mêmes raisons, également veiller à ce que le SWR reste dans des limites raisonnables. Pour les détails de construction et les précautions d’usage, je vous renvoie à la bible que constitue l’ouvrage « low-band DX’ing » de ON4UN, ou aux nombreux articles qu’on peut trouver en ligne à propos de cette antenne.

On peut se poser la question, et si on la fait encore plus courte ? Je me la suis posée !

Figure 3 Une "bève de comptoir" (1/2 longueur d'onde). On voit que l'angle d'ouverture horizontal est de l’ordre de 120 degrés, et que l’antenne couvre pratiquement tous les angles verticaux qui nous intéressent (jusqu’à 80 degrés d’élévation à -3dB). Avec 3 de ces antennes disposées à 120 degrés on peut couvrir les 360 degrés ce qui en fait une antenne de réception très polyvalente.

Figure 4 Diagrammes superposés de 3 beverages demi-onde, disposées à 120 degrés. Sur 80m il faut quand même pas mal de terrain.

En fait, ce qui intéressant dans la beverage, c’est qu’il est possible d’ajuster la longueur pour faire exactement ce qui nous intéresse. Le seul reproche qu’on peut lui faire, dans le cadre de cet article, est sa bonne réponse aux signaux arrivant bas sur l’horizon (-2dB à 20degrés même pour notre « bève de comptoir »).

La « K9AY »

Voici une autre antenne de réception très populaire. Comparée à la beverage, elle a l’avantage d’occuper très peu de place, d’être réversible en direction (par inversion de l’attaque et de la charge) et d’être utilisable sur plusieurs bandes (typiquement 40, 80 et 160) avec le même diagramme de rayonnement. Pour une utilisation 40/80 on peut même envisager de la réduire de moitié, mais il sera alors conseillé de la munir d’un préamplificateur, situé au plus près de l’antenne). Je vous renvoie pour les détails à l’article original de Gary Breed, K9AY disponible en ligne à

http://www.hard-core-dx.com/nordicdx/antenna/loop/k9ay/k9ay_orig.pdf

Figure 5 La K9AY-loop. Le modèle MMANA a été réalisé d'après les indications de l'auteur.

Figure 6 : Diagramme 80m de la K9AY. On voit que l'antenne est très large, tant dans le plan horizontal que vertical. Le diagramme est très proche de ce qu’on peut esperer obtenir avec notre « bève de comptoir » l’avantage est qu’il est a peu près le même sur 40 et 80. Evidemment en DX, le niveau de performance n’est pas le même que celui d’une longue beverage.

Pour une utilisation en coupe du REF, une seule direction peut suffire ce qui dispense du système de commutation (pour peu qu’on soit un peu excentré). Son principal intérêt outre sa simplicité et sa compacité, est sa bonne immunité aux angles arrières compris entre 40 et 80 degrés. Les opérateurs de F6KAR, m’ont confirmé qu’en coupe du REF, ils ont apprécié pouvoir disposer de cette antenne, moins bruyante que l’antenne d’émission. Comme pour la beverage, son inconvénient demeure à mes yeux, sa sensibilité aux signaux arrivant bas sur l’horizon (en particulier pour ceux qui sont en milieu bruyant). Ce n’est d’ailleurs pas toujours un inconvénient majeur si on considère qu’il ne faut pas oublier les stations étrangères…

A noter que cette antenne fait partie d’une famille, dans laquelle on peut compter en vrac les EWE, Pennant, et Flag. Ces antennes étant également fort bien documentées sur le web.

Comme le suggère l’auteur Gary Breed, on peut si on le souhaite « phaser » plusieurs de ces antennes, voire de les disposer en « 4-square » afin d’obtenir quelque chose de beaucoup plus directif. L’inconvénient dans ce cas est que l’antenne n’est plus vraiment multibande, la distance de « stacking » étant relativement critique.

Figure 7 : 2 x phased K9AY". Les 2 antennes sont montées côte à côte avec 30m de séparation horizontale dans le plan Y (le plan perpendiculaire à la direction recherchée). En augmentant la distance, on peut encore réduire l’angle horizontal, le maximum étant environ 0.6 longueurs d’onde, distance à partir de laquelle les lobes secondaires deviennent prépondérants.

Figure 8: Pour le « fun », 2x phased K9AY cette fois séparées de 60m. Une alternative à la beverage pour un ARRL-DX si l’on n’a pas 160m de terrain en direction des USA (En réduisant un peu l’espacement on élargit un peu le lobe principal, mais on élimine les lobes latéraux) . Avec cet « array », on peut également envisager de faire du « azimut-steering » en faisant varier la phase entre les 2 antennes, soit en introduisant des longueurs de câble dans l’une des antennes (voir http://f6irf.blogspot.com/2006_12_01_archive.html ), ou plus pratique en utilisant une boite de type MFJ-1026.

Une antenne de réception NVIS

On a vu avec la beverage et la K9AY des antennes permettant de favoriser une direction plutôt qu’une autre. Voici maintenant une antenne permettant de favoriser les stations arrivant aux angles les plus élevés au détriment des stations arrivant aux angles les plus bas (une anti-verticale en quelque sorte).

On peut dans de nombreux cas et surtout en période de faible activité solaire, être extrêmement gêné par les signaux en provenance d’autres pays Européens situés à des distances comprises entre 800 et 2500kms, ces stations pouvant arriver bien plus fort que les stations Françaises situées à courte distance. Ce genre d’antenne devrait également satisfaire, ceux dont le souci majeur est l élimination d’une source de bruit locale, type enseigne lumineuse, transformateur ou ligne électrique distante, pour lesquelles des antennes ayant une bonne réponse aux angles les plus bas ne constituent pas une réponse satisfaisante.

Comme on l’a vu pour la K9AY, une antenne de réception n’a pas besoin d’un rendement colossal, un gain allant jusqu’ à -20dBi étant parfaitement acceptable pour la plupart des récepteurs modernes (qui n’a jamais poussé le bouton 20dB d’atténuation de son récepteur dans une coupe du REF et eu l’impression que c’était tout de suite plus agréable…).

Voici une antenne NVIS qui utilise le principe, poussé à l’extrême, des antennes large bande de type « terminated folded dipole » ou autres coupleurs « miracles » type Maxx-com(*) ou Icom MN100 (d’ailleurs si vous en avez dans un tiroir c’est le moment de ressortir ces « machins »). C’est en gros une charge rayonnante…

Comme on se moque du rendement, des pertes dans le sol et tout ce qui pose tant de problèmes à l'émission, l’antenne peut très bien être montée à 2 ou 3m du sol dans une configuration à peu près quelconque (V-inversé ou extrémités repliées à 90 degrés). Quelque soit la configuration, le SWR ne devrait guère dépasser 1.5. La seule contrainte pour une utilisation 80/40 est de disposer d’au moins 2 fois 15m de fil (peu critique), afin de disposer d’un niveau de signal suffisant, en particulier sur 80m.

Réalisation: L’antenne, composée de 2 x15m de fil (même très fin), est court-circuitée au centre par une résistance de 270 ohms non inductive, et attaquée par l’intermédiaire d’un balun 1/4 qui peut être réalisé sur un petit tore ou une ferrite binoculaire du même type de celles qu’on utilise pour les beverages ou les K9AY, la réalisation étant moins critique que pour ces derniers types d’antennes.

(*) Si vous voulez passer un bon moment, tapez « maxx-com » dans un moteur de recherche !

Figure 9 Une antenne "broadband" de type « charge rayonnante » placée à 3m du sol, fait une antenne de réception NVIS décente. La longueur de fil est d’environ 2x15m afin d’assurer un gain supérieur à -20dBi. Le gain sur 80 est d’environ -18dB suivant les angles. Il est d’environ -10dB sur 40m. Notez le SWR 1.5 !

Comme on l’a vu dans la 3^ème partie, si on veut encore améliorer l’immunité aux signaux arrivant bas sur l’horizon l’idéal est d’en monter 2 en phase. Si l’on veut que l’antenne reste utilisable sur 40 et 80 il est souhaitable de ne pas dépasser 25m d’espacement entre les 2 dipôles.

Attention au sens de connexion du balun, il doit être identique sur les 2 antennes sinon on obtiendra l’effet inverse de celui recherché (pareil que pour le stacking d’antennes VHF !). Il va sans dire (mais des fois ça va mieux en le disant !) que les longueurs de câble doivent être identiques jusqu’au point de jonction des câbles coaxiaux venant des 2 antennes, et qu’à ce point on prévoira un dispositif d’adaptation 25/50 de type UNUN (qu’on peut également réaliser sur un petit tore, si l’on n’a pas ça dans les tiroirs). (voir http://www.k0bg.com/unun.html ou se procurer le livre de W2FMI « transmission line transformers »).

Figure 10 Sur 40m, les 2 broadband dipoles à 3m, au dessus du sol, espacés de 25m et en phase... Notez le SWR : 1.5. Un « killer » de stations lointaines (mieux que -20dB pour tous les angles inférieurs à 40 degrés).

Figure 11: les 2 mêmes sur 80m. Notez le SWR 1.5 ! (on a gagné que 3dB de rejection des signaux à 30degrés parce que les dipoles ne sont pas assez espacés – c’est le prix du compromis 40/80). Dans l ídéal il faudrait passer à une cinquantaine de mètres d’espacement pour avoir le même diagramme que sur 40.

On peut aussi s’amuser à les mettre en opposition de phase, histoire d’éliminer les interférences d’une station gênante arrivant très haut sur l’horizon, ou sur les pointes des dipôles. Ceci dit pour que le système soit vraiment efficace, il faudrait avoir 2 paires de dipôles montés à 90 degrés (dans le plan perpendiculaire aux dipôles les 10dB de réjection n’étant atteints que pour des angles arrivant du zénith à plus ou moins 10 degrés)

Figure 12 Sur 40m Les 2 mêmes en opposition de phase (il suffit de tourner l’alimentation d’un des baluns) . Notez le SWR 1.5 ! Le diagramme est sensiblement le même sur 80, de même que le SWR 1.5

Mais sur ce principe on peut faire encore plus fort !

La « Cizirf-spéciale »

Voila une antenne de réception que j’ai imaginée et qui en gros reprends le principe des ZL-spéciale, HB9CV et autres W8JK. Comme l’antenne précédente elle utilise deux « charges rayonnantes » c’est à dire 2 dipôles de15m très amortis placés à faible hauteur au dessus du sol. L’espacement entre dipôles est peu critique, mais si on veut pouvoir l’utiliser sur 80m, il ne faudra pas descendre au dessous de 1/8 de longueur d’onde (le gain devenant alors trop négatif). Les modèles ci-dessous ont été générés avec 2 dipôles amortis de 2x15m, espacés de 10m, à une hauteur de 3m et avec une différence de phase de 130 degrés.

Figure 13 Pour faire joli dans la page !

Figure 14 Moins joli mais plus informatif...

Figure 15 La même chose dans le plan horizontal

Par rapport aux Beverages et à la K9AY, on voit que le diagramme vertical est plus adapté aux signaux arrivant haut sur l’horizon (ce n’est pas une antenne DX !). Comme la K9AY, elle offre une bonne atténuation des signaux venant haut par l’arrière, mais la directivité me semble quand même plus intéressante avec presque 9dB de rapport latéral.

Figure 16 on voit que même avec 10m d'espacement l'antenne est encore utilisable sur 80. Notez le SWR 1.5 ! On voit que l’atténuation des siganux arrivant à moins de 50 degrés d’élévation par l’arrière est supérieure à 10dB et qu’elle est de l’ordre de 20dB en dessous de 30 degrés. Evidemment si on veut sur 80 quelquechose qui ressemble au diagramme « en couleur » il faudra passer à un espacement de l’ordre de 20m.

On peut, pour changer la direction privilégiée, imaginer un système de commutation, mais le fin du fin serait d’utiliser une boite permettant de faire varier la phase entre les 2 antennes « en continu » (genre MFJ-1025 ou 1026) (*). On pourra alors passer d’une antenne NVIS omni (dipôles en phase – fig.10/11 ) à une antenne bidirectionnelle (dipôles en opposition de phase – fig.12) en passant par une antenne directionnelle (dipôles plus ou moins en quadrature dans un sens ou dans l’autre –fig13 et suivantes), le tout sans un relais (il suffira de router les coaxiaux venant de chaque dipôle jusqu'à la boite – sans même se préoccuper de leur longueur, puis qu’on pourra ajuster la phase «à l’oreille » depuis la station). Avec ce genre de boite, il doit également être possible d’utiliser deux petits dipôles actifs (préamplifiés) en lieu et place de nos dipôles amortis (il faudra cependant songer à protéger les antennes actives des champs importants présents au voisinage des antennes d’émission !)

(*)Voir à ce propos http://www.w8ji.com/mfj-1025_1026.htm La boite MFJ-1026 coûte moins de 200$ aux Etats-Unis! On lira également avec intérêt http://w8ji.com/small_vertical_arrays.htm

Conclusion

Voilà qui termine cette série d’articles. J’aurais pu envisager des antennes plus sophistiquées, mais j’ai voulu me cantonner à des antennes relativement « vite faites » et qui ne devraient pas poser trop de problèmes de mise au point. Concernant les antennes de réception, j’aurais également pu mentionner les antennes actives, les loop-magnétiques et les cadres qui permettent d’atténuer notablement une direction particulière, mais le sujet est déjà très bien documenté (*).

Toujours concernant cette dernière partie, Il faut mettre en garde les opérateurs qui n’ont pas l’habitude d’utiliser une antenne différente à l émission et à la réception. A fortiori si l’on dispose d’un peu de puissance (dans les limites légales, bien sûr !), le risque est d’être entendu « tous azimuts et toutes distances » et de passer pour un « Alligator » parce qu’on en écoute qu’un secteur particulier. Si l’on n’a pas une main en permanence sur le commutateur d’antennes de réception, les stations qui vous appellent en vain risquent de se lasser et vous aurez peut être perdu un multiplicateur. L’autre facteur, est la perte de temps qu’occasionne le passage d’une antenne à l’autre si on en a de trop nombreuses (ce que j’appelle le syndrome CN2R !), même si en CDR ce dernier point ne devrait pas être un gros soucis tant le trafic s’écoule relativement lentement (en comparaison avec les concours internationaux). Bref, comme dans beaucoup d’autres domaines: à utiliser avec modération et parcimonie ! (**)

Si dans cette série d’articles, je me suis focalisé sur des antennes à vocation « courte distance » c’est parce qu’il ma semblé que littérature était plutôt pauvre en la matière. Il ne faudrait cependant pas oublier que la coupe du REF n’est pas qu’un concours domestique, mais que c’est aussi un concours à vocation internationale. Il sera donc souhaitable d’avoir, pour les bandes 40 et 80m, au moins une antenne plus adaptée au trafic moyenne et longue distance, mais c’est déjà le cas d’une majorité de stations, n’est-ce pas ?

Certaines des idées développées demandent à être vérifiées en pratique. Malgré la fiabilité des simulations, il est fort possible qu’un effet espéré ne s’avère pas aussi spectaculaire que ce que à quoi on s’attendait (une erreur de paramétrage du soft est également du domaine du possible). Ceci dit, la plupart des antennes apparues ces dernières années et qui ont fait leurs preuves (K9AY, EWE, etc...) ont été développées en utilisant les mêmes outils (MININEC, NEC2), et le concept s’est avéré fonctionnel. Le fait que les simulations d’antennes « testées et approuvées » (comme la beverage) donnent des résultats correspondant aux observations des utilisateurs me donnent également confiance quant à la fiabilité des simulations. D’autre part, à la différence des « théorires » entourant celui des antennes EH ou des « tuner Maxx-com » les antennes développées ici n’impliquent aucune remise en cause des théories de l’électromagnétisme !

J’espère aussi avoir été suffisamment clair dans le propos et les descriptions ! Si tel n’était pas le cas, je me tiens à votre disposition pour clarifier certains points obscurs.

En retour, si vous envisagez de tester un des concepts originaux décrits dans ces pages, je vous serais reconnaissant de bien vouloir me tenir au courant des résultats obtenus.

En attendant, merci de vos encouragements et à bientôt sur l’air.

Patrick

(*) Les pages de W8JI http://w8ji.com/ sont une mine d’informations. En ce qui concerne les antennes de réception, le point d’entrée se trouve ici http://w8ji.com/receiving.htm

(**) Pour palier ces problèmes, on trouvera sur mon blog le système de « diversity receive », utilisant une boite SO2R et 2 récepteurs, que j’ai utilisé lors du dernier CQWW-CW sur 80m depuis chez Joseph F6CTT. La configuration la plus utile consistait à écouter l’antenne d’émission dans une oreille et les « bèves » dans l’autre et de ne pas passer sur la meilleure antenne dans les 2 oreilles, que lorsque le signal le nécessitait. (Les antennes étant équilibrées en niveau par des « step-attenuators »).

http://f6irf.blogspot.com/2007/11/tm6a-f6ctt-cqww-cw-2007.html

http://f6irf.blogspot.com/2007/11/cqww-cw-contest-tm6a-audio-clips.html

http://f6irf.blogspot.com/2007/12/tm6a-cqww-cw-2007-few-more-audio-clips.html