Pour mes activités SOTA, j'ai récemment acquis un transceiver QRP SW-3B, qui comme son nom l'indique permet de trafiquer sur 3 bandes : 40/30/20 m.
Il me fallait donc une antenne qui permette d'utiliser ces 3 bandes en trafic portable SOTA.
Ayant déjà une bonne expérience avec les antennes demie-onde, j'ai décidé d'en réaliser une version pour les 3 bandes 40/30/20m.
Les avantages de la demie-onde alimentée à son extrémité (EFHW en anglais) sont :
- construction simple
- multibandes
- nécessite un seul support, peut être installée en ligne, V inversé, zig-zag.
- alimentation à son extrémité, peut être raccordée à la station SANS coaxial.
- la partie la plus rayonnante se trouve au centre de l'antenne.
Tous ces avantages ne sont pas négligeables en portable et en font donc une antenne idéale pour le SOTA par exemple.
Le brin rayonnant
Une antenne demie-onde présente toujours les mêmes caractéristiques (angle de rayonnement, gain) quel que soit l'endroit où elle est alimentée, seule l'IMPEDANCE varie en fonction du point d'alimentation.
Taillée sur la bande fondamentale, donc la plus basse, soit 40m, elle est utilisable sur toutes les bandes en multiple de demie-onde, à savoir : 40/20/10 m. Le gain augmente et un lobe de rayonnement est rajouté à chaque harmonique.
A noter que l'accord ne sera probablement pas toujours à la fréquence souhaitée sur les harmoniques. 7,050 MHz donnera 14,100 et 28,200 MHz si on ne tient pas compte de l'influence des éléments environnants.
Pour rendre l'antenne utilisable sur d'autres bandes que celles des harmoniques (et ses multiples), il faudra réaliser un système qui modifie la longueur du brin rayonnant à la bande choisie
Cela peut se faire en ouvrant ou fermant des cavaliers (ponts) ou à l'aide de circuits bouchons (trappes).
La méthode la plus simple est celle des cavaliers, mais elle nécessite d'avoir accès à ces cavaliers et donc de devoir amener l'antenne au sol à chaque changement de bande.
Les longueurs théoriques du brin rayonnant pour une demie-onde sont issues de mon Calculateur d'harmoniques..
14.050 MHz = 10,14 m
10,120 MHz = 14,07 m
7.050 MHz = 20,20 m
La première section qui sera donc alimentée à son extrémité rayonnera sur la bande la plus haute en fréquence, donc la longueur d'onde la plus courte : le 20 m. Ensuite, on trouvera le complément pour arriver à la longueur pour le 30 m, soit 14,07 m - 10,14 m = 3,93 m et enfin la longueur restante pour rayonner sur le 40m, soit 20,20 m - 14,07 m = 6,13 m.
Ces longueurs sont purement théoriques et devront être raccourcies en fonction de l'influence des cavaliers ou des trappes, ces dernières ayant un effet non négligeable.
J'ai obtenu avec du fil fin de 0,6 mm et mesuré au bout des cavaliers, les longueurs de 9,83 m, 13,68 m et 19,85 m.
Commutation par cavaliers
Tout moyen mécanique pour arriver à cette solution est envisageable. Pour ma part, j'ai utilisé des petits bouts d’Époxy et des cosses Faston.
On peut alors réaliser une antenne avec autant de bandes que l'on veut ! Je me suis limité à 3 bandes, celles de mon transceiver...
Le fil d'antenne est enroulé sur un dévidoir réalisé en carton. Il est enroulé de zigzag, ce qui évite tout nœud, notamment lors du montage et déroulement du fil.
Le tout pèse 120 g, mais on doit pouvoir faire un peu mieux en coupant les parties inutiles du carton.
Commutation par trappes
Il faut réaliser une trappe par bande, ce qui peut rapidement devenir un casse-tête et il vaut mieux se limiter à 2 trappes, soit 3 bandes.
N'importe quel couple inductance/capacité permet d'obtenir une résonance à une fréquence voulue, mais pour qu'une trappe fonctionne correctement, il faut qu'elle présente une impédance la plus élevée possible à la fréquence de résonance et cette condition est réalisée lorsque l'inductance est élevée.
La fréquence de résonance de la trappe doit être légèrement inférieure à la fréquence d'utilisation la plus basse.
Les selfs sont donc réalisées avec des petits tores de ferrite qui permettent d'obtenir des valeurs d'inductance élevées avec un petit encombrement.
Le site toroids.info permet de calculer toutes les valeurs électriques et mécaniques en fonction des tores utilisés, bien pratique !
Je possédais dans mes fonds de tiroirs quelques tores T50-2 et un seul T50-6, ce dernier étant plus adapté aux fréquences hautes. J'ai donc utilisé un T50-2 pour le 30m et un T50-6 pour le 20m.
J'ai calculé les valeurs des inductances en fonction des seuls condensateurs Mica que j'avais en ma possession, 33 pF pour le 30m et 22 pF pour le 20m.
Exemple de calcul pour le 30m, soit 10,0 MHz
| Pour le montage mécanique, j'ai utilisé des petits bouts de circuits imprimés dont j'ai enlevé le cuivre par grattage en ne laissant que 2 bandes permettant la soudure des composants et fils. Deux petits trous aux extrémités permettent de bloquer le fil d'antenne. |
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Les réglages ont été effectués à l'aide d'un NanoVNA et du montage ci-dessous. J'ai utilisé les mesures S21 LogMag et S21 group delay. Voici ce qu'on obtient.
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L'adaptation d'impédance
Une demie-onde alimentée à son extrémité présente donc à cet endroit un ventre de tension (tension max) et un nœud de courant (courant minimum).
L'impédance à l'extrémité est donc élevée et varie de 2000 à 4000 Ohms en fonction de différents facteurs (hauteur, forme, etc...)
Il est donc nécessaire d'adapter cette impédance afin qu'elle soit compatible avec les 50 Ohm de nos transceivers.
Il existe principalement 2 méthodes pour y arriver, le transformateur ou le coupleur variable, chacune a ses avantages et inconvénients.
Le transformateur doit avoir un rapport de transformation adapté à l'impédance de l'antenne. Je suis parti sur une impédance théorique de 2500 Ohm, valeur communément admise.
Le rapport de transformation devra donc être de 2500/50 = 50. Dans un transformateur, le rapport de transformation est le carré du rapport entre le nombre de spires du secondaire et du primaire.
Dans notre cas donc racine carré de 50 = 7,07. Cette valeur n'étant pas réalisable, on choisit donc 7, soit un rapport de transformation de 49 dans notre cas pratique ce qui est parfaitement adapté.
Pour la réalisation de ce transformateur, on utilisera un tore de ferrite avec une perméabilité et une taille permettant un fonctionnement sur la bande de fréquence et la puissance d'émission prévues.
Dans mon cas 10 W max. et de 7 à 30 MHz. Un tore de ferrite référence 140 et matériau 43 convient parfaitement, donc un tore FT140-43.
Il suffit donc de bobiner un transformateur avec 3 spires au primaire et (3x7) 21 spires au secondaire. Afin de diminuer l'inductance de fuite, on torsadera les spires du primaire. Pour améliorer le fonctionnement sur les bandes hautes, un condensateur de 100 à 150 pF sera branché en parallèle sur le primaire.
Le secondaire sera bobiné de la manière visible sur la photo afin d'obtenir la sortie antenne à l'opposé de l'entrée, ce qui facilite la construction mécanique.
On obtient alors un transformateur large bande utilisable avec un ROS correct sur les bandes voulues.
Ci-dessous la photo du transformateur avec 2 résistances en série sur la sortie lors de la phase de contrôle avec le VNA.
Les détails de la construction et le schéma sont disponibles sur le site de PA3HHO [4] et le groupe Facebook [3]
Le coupleur est réalisé de manière à permettre un accord sur les bandes choisies et une adaptation plus "fine" de l'antenne.
Il faut que ce coupleur ait un rapport de transformation correct, soit 49 dans notre cas.
Le circuit accordé au secondaire doit couvrir les bandes choisies.
Le principe du coupleur...
Le choix des composants est donc PRIMORDIAL !
Dans mon cas, je possédais un condensateur variable miniature de 11 pF à 153 pF. Ce condensateur doit donc être associé à une self dont il faut calculer la valeur afin qu'elle puisse permettre un accord sur la fréquence la plus élevée avec le minimum de capacité et sur la fréquence la plus basse avec le maximum de capacité disponibles.
Ici aussi, le site toroids.info sera d'une grande utilité pour calculer toutes les informations nécessaires. En choisissant un tore T50-2 qui permet une utilisation de 7 à 14 MHz sans problème, on calcule les valeurs idéales de l'inductance L.
Par exemple, considérant une plage de variation de 11 à 153 pF, on choisit (arbitrairement) la valeur de 140 pF (afin de ne pas avoir un accord en butée) pour un accord sur 7 MHz, ce qui nous donne une inductance de 3,69 uH.
Voyons quelle valeur doit avoir C avec cette inductance de 3,69 uH pour un accord à 14 MHz, le calculateur nous donne 35 pF, ce qui est dans la gamme couverte par le CV sans toutefois être en butée... Parfait !
Le calculateur nous donne également le nombre de spires et la longueur du fil nécessaire. Le nombre de spires calculé de 27,4 n'est pas réalisable (chaque fois que le fil passe dans le tore compte pour une spire) et il faut donc choisir entre 27 ou 28 spires.
Si le rapport de transformation du coupleur doit avoir le même rapport de transformation que celui calculé précédemment, soit 49. Il faut que le rapport du nombre de spires entre secondaire et primaire soit de 7. On choisira donc 28 spires au secondaire afin d'avoir 28/7= 4 spires au primaire.
Un nouveau contrôle avec le calculateur permet de vérifier si 28 spires permettent encore des accords comme souhaités, ce qui est le cas.
Notre coupleur comportera donc 4 spires au primaire et 28 au secondaire et un CV de 11 à 153 pF pour couvrir les bandes de 40 à 20 m.
Si on souhaite couvrir plus de bandes, il faudra augmenter ou diminuer le nombre de spires et ajouter une (ou plusieurs) capacité(s) par commutations.
On veillera aussi à conserver un rapport de transformation correct en faisant de même sur le primaire. En rendant les 2 variables, on peut obtenir un accord et une adaptation parfaite sur toutes les bandes.
La réalisation ci-dessous intègre une indication du ROS via une LED. L'idée est de N7VE et est très utile pour trouver l'accord parfait !
D'abord sceptique, je suis maintenant adepte ... Il faut basculer l'interrupteur en position de mesure, régler le CV pour l'extinction totale de la LED et revenir en position trafic.
Mais un accord presque parfait peut déjà être trouvé en cherchant le maximum de signal en réception. On est alors déjà souvent parfaitement accordé.
Le coupleur a donc un rôle de filtre et permet de rejeter les fréquences indésirables, ce qui peut éviter une saturation d'un récepteur sensible à ce problème.
Remarques
Cette antenne permet également un fonctionnement sur la bande des 10m. Le transformateur large bande permet cette utilisation, le coupleur devra être dimensionné pour cela.
Une antenne demie-onde doit pouvoir "écouler" une partie du courant à son extrémité. Cela peut se faire en mettant le coupleur ou le transformateur à la terre ou en ajoutant un "contre-poids" du côté de l'alimentation sous peine d'avoir un important courant de gaine qui circulera vers la station le long du câble coaxial, ce qui engendrera des effets indésirables (QRM, picotements au micro, TVI, bruit à la réception, etc...)
Comme j'utilise cette antenne en portable et directement connectée à l'émetteur QRP, je n'ai pas eu à traiter ce problème, mais il faudra le faire dés qu'on utilisera une puissance plus importante et un câble coaxial. Ce point ne sera pas traité ici, il existe d'excellents articles qui expliquent ce problème et donnent des solutions (voir en annexe les liens).
Il faut soit mettre à la terre, rajouter un "radian" de longueur 0.05 longueur d 'onde, insérer un suppresseur de courant de gaîne, etc...
Annexes
[1] Multiband End fad half wave" introduction and theory. N4SPP
[2] The endfed half wave antenna... why is it the most popular portable antenna ?
[3] Groupe Facebook End Fed Half Wave Antenna
[4] Multiband HWEF by PA3HHO