La verticale pour les nuls

Cette page n'a aucune autre prétention que d'essayer de vous faire comprendre simplement comment fonctionne l'antenne verticale quart d'onde, d'éviter certaines confusions et vous expliquer comment en tirer le maximum.

L'antenne la plus simple de toutes les antennes est l'antenne verticale, aussi appelée antenne Marconi, reliée à la terre à sa partie inférieure et d'une longueur électrique d'un quart d'onde.

Cette antenne vibre avec un noeud d'intensité (minimum) à son sommet, donc un ventre de tension (maximum).

Simple dans son fonctionnement, elle n'est par contre pas la plus simple à comprendre et à appréhender.

Ci contre : L'antenne 1/2 onde et son équivalent 1/4 onde montée au sol. Le 1/4 d'onde manquant peut être considéré comme l'image dans le sol.

 Une antenne verticale 1/4 PARFAITE aurait, à sa fréquence de résonance, les caractéristiques suivantes :

Parfaite signifie sans perte dans la partie rayonnante verticale, sans perte dans le système de terre (appelé aussi contrepoids, par analogie à la mécanique).
Dans ces conditions, avec un coaxial de 50 ohm, il vous faudrait accepter un ROS de 1,4 ou bien réaliser une adaptation d'impédance par une ligne quart d'onde coaxiale ou un circuit LC. Le maximum d'énergie est diffusée à un angle de 0°.

Malheureusement, la perfection n'est pas de ce monde.
Considérons la même antenne installée sur ce qui se fait de mieux comme plan de sol sur notre planète : la mer.... (je sais c'est nul !)

Le diagramme ci-contre montre déjà une différence notable :
- Angle de rayonnement maximum à 10°.
- Perte de gain : 4,45 dBi
- Impédance 36 Ohm.

Cette différence est due à une moins bonne conductivité du sol.

Voyons la même antenne, mais cette fois-ci sur un sol de mauvaise qualité. Ce que je ne souhaite à aucun OM !

Le diagramme ci-contre fait peur !
- Angle de rayonnement maximum 28°.
- Perte importante de gain : -1,01 dBi
- Impédance 36 Ohm.

Nous voyons donc que la nature du sol est très importante dans le fonctionnement d'une antenne verticale.

L'efficacité d'une verticale ne dépend pas uniquement de la nature du sol, mais aussi d'autres facteurs. Du point de vues des pertes, cette efficacité peut être résumée par la formule :

Dans les pertes dans le sol, il faut distinguer DEUX TYPES de pertes :

1) Le sol à proximité immédiate de l'antenne dans lequel le retour de courant va se faire.
La puissance appliquée à l'antenne n'a pas encore été rayonnée et les pertes peuvent être considérées comme étant dissipées dans le sol et diminuent d'autant l'efficacité du rayonnement de l'antenne.

2) Le sol tout autour de l'antenne sur un nombre élevé de longueurs d'onde., typiquement > 2 pour un quart d'onde vertical.
C'est dans cette partie du sol, appelée zone de Fresnel, que la puissance rayonnée par l'antenne va être réfléchie par le sol et contribuer à son efficacité par réflexion.

On voit donc que pour avoir une antenne verticale efficace, on peut jouer sur ces deux facteurs. On comprend qu'il est plutôt difficile, voire impossible de jouer sur le deuxième type de perte. L'idéal étant d'habiter sur une petite île au milieu de l'océan.
Par contre, on peut jouer sur le premier facteur en réduisant au maximum les pertes autour de l'antenne. C'est là qu'interviennent le "plan de sol" et les radians.

Avec un sol de qualité médiocre et pour que le retour de courant se fasse dans de bonnes conditions, il va falloir réduire les pertes au minimum en améliorant le plan de sol en disposant un certain nombre de radians.

Ces radians pourront être :
- posés sur le sol.
- enterrés dans le sol.
- surélevés par rapport au sol.

Les deux premières méthodes sont équivalentes au point de vue rendement, sauf à enterrer les radians trop profondément. Des profondeurs de quelques centimètres à quelques dizaines de centimètres ne présentent pas de différence.
Les études de Brown, Lewis et Epstein en 1937 ont montré que pour obtenir un plan de sol équivalent à un sol parfait, le nombre de radians nécessaire était de 120 !
Avec moins de radians le rendement diminue et avec plus il n'y a aucune amélioration... Un minimum "vital" serait de 16 radians de longueur 1/8 lambda.
Curieusement, le nombre de radians détermine également la longueur de ces radians. Le tableau suivant donne cette relation :

Dans tous les cas où la pose de 120 radians n'est pas possible, il est préférable de disposer de radians surélevés.

Les simulations et mesures montrent que 2 radians d'une longueur de 0,25 lambda disposés en ligne donnent les MEMES RESULTATS que 120 radians de 0,5 lambda enterrés !! Un seul radian est d'ailleurs suffisant pour effectuer un bon retour de courant, mais l'antenne présentera alors une certaine directivité et une composante horizontale.
2 radians éliminent cette composante et provoque un rayonnement omnidirectionnel.
ATTENTION, dans le cas de radians surélevés, l'impédance n'est alors plus de 36 Ohm mais proche de 21 Ohm !!

Les radians devront être accordés de manière à réduire l'impédance de rayonnement. Leur hauteur par rapport au sol devra être au ninimum de 0,03 lambda, mais dépend de la nature du sol. Plus le sol est de mauvaise qualité, plus il faudra élever les radians.
L'idéal est d'élever également la base de la verticale de manière à tendre les radians à 90°. Plus cette antenne sera élevée, par rapport au sol, plus le gain augmentera.

Lorsque cela n'est pas possible, on partira de la base et on tendra les radians à 45° jusqu'à obtenir la hauteur voulue puis on tendra le reste à l'horizontale.
Un dessin vaut plus que toutes les explications. D'autres méthodes sont bien sûr possibles.

Quelques conseils pratiques :
- Pour ma part, j'accorde les radians par deux (opposés en ligne) en les reliant comme un dipôle à un pont de bruit ou un TOS-mètre à la base de l'antenne et en taillant les 2 radians de manière à obtenir un accord sur la fréquence de travail. La valeur du TOS importe peu, seul l'ACCORD compte ! Une fois accordés, on relie ces 2 radians à la masse de la verticale.
- Pensez à bien isoler l'extrémité des radians qui présentent un ventre de tension. (non, une simple boucle de cordelette ne suffit pas). J'ai pour ma part vu des isolateurs de 8 cm prendre feu !!
- Dans le cas d'une utilisation de fils isolés plastique, un facteur de raccourcissement de 4 à 6% supplémentaire est à prendre en compte.
- En cas de manque de place, on peut raccourcir ces radians à l'aide de selfs (attention aux pertes additionnelles !) ou bien en plier les extrémités.
- On peut également mettre tout ce que l'on peut comme radians au sol et accorder l'ensemble à l'aide d'une self (éventuellement à roulette) au point de raccordement à l'antenne.
- Une antenne verticale ne fonctionne bien que sur un terrain plat et dégagé.