Antennes coaxiales

par **Mhz** Ven 23 Aoû - 16:17

Antennes coaxiales

De temps en temps, je vois des suggestions selon lesquelles les antennes filaires peuvent être construites en utilisant un câble coaxial pour leurs éléments afin de réduire leur taille en exploitant le facteur de vélocité du câble. À première vue, c'est une option attrayante : en utilisant un câble coaxial classique de 50 ohms, il est possible de réduire la taille d'une antenne à 66 % de sa valeur réelle. Mais je me suis souvent demandé pourquoi, si elle est si simple et efficace, cette technique n'est pas plus largement utilisée. J'ai décidé de mener quelques expériences, appuyées par une modélisation informatique, pour explorer cette technique plus en détail.

A. L’utilisation d’éléments coaxiaux réduit-elle la taille de l’antenne ?

J'ai construit un dipôle horizontal simple dont chaque moitié est constituée d'un câble coaxial RG58 d'environ 900 mm de long. J'ai mesuré son ROS le plus bas et la fréquence à laquelle le ROS minimum se produisait, pour 5 manières différentes de connecter l'intérieur et la tresse du câble coaxial au point d'alimentation. Les 5 configurations étaient les suivantes :
[list="color: rgb(51, 51, 51); font-family: \"Times New Roman", Times, serif; font-size: 16px; background-color: rgb(255, 255, 255);"][*]Intérieurs déconnectés - alimentés entre les tresses

[*]Intérieurs joints les uns aux autres - alimentés entre les tresses

[*]Tresses déconnectées - alimentées entre les tresses intérieures

[*]Tresses jointes les unes aux autres - alimentées entre les intérieurs

[*]Les intérieurs sont connectés à leurs tresses correspondantes - alimentés entre les tresses

[/list]
Pour chacune de ces 5 configurations, j'ai effectué des mesures avec les pointes des éléments d'abord en court-circuit, puis en circuit ouvert - soit 10 combinaisons au total.
La configuration 4 n'a pas produit de baisse de résonance notable du ROS, avec ou sans court-circuit des pointes. Sur les 8 combinaisons restantes, toutes sauf une ont résonné dans la plage de 72 à 76 MHz, ce qui est typique pour un dipôle « conventionnel » de cette taille.
Au passage, notez que ces résultats confirment que le remplacement de l'élément réflecteur d'un faisceau de fils parasites par un seul morceau de câble coaxial dont le conducteur intérieur et la tresse sont court-circuités aux extrémités ne peut présenter aucun effet de raccourcissement du facteur de vitesse, même si j'ai vu cela préconisé dans certaines conceptions publiées sur le Web.
Antennes coaxiales Dwg1

Une seule combinaison a montré une résonance significativement plus faible - à 47,5 MHz. Il s'agissait de la configuration 3 avec les pointes court-circuitées, et elle est illustrée dans le diagramme de droite. Non seulement la fréquence de résonance était plus basse, mais elle présentait une correspondance étonnamment bonne à 50 ohms (VSWR = 1,1:1).
La chute de la fréquence de résonance de 75,8 MHz à 47,5 MHz (63 %) semble indiquer que le facteur de vitesse du câble coaxial raccourcit effectivement le dipôle d'un facteur équivalent.

B. Quelle est la cause de la réduction de taille ?

Il est trop simpliste de supposer que l'utilisation d'un câble coaxial à la place d'un élément monofilaire normal doit entraîner une réduction de la longueur de résonance en raison de son facteur de vitesse plus faible. Il se passe ici plus de choses qu'il n'y paraît à première vue !
Il est important de comprendre que le facteur de vélocité d'un câble coaxial est une mesure de la vitesse à laquelle l'énergie RF se déplace le long de la ligne de transmission ; et cela dépend à son tour de l'énergie RF stockée dans le matériau diélectrique qui isole la tresse du conducteur central. Pour que l'énergie soit stockée dans ce diélectrique, il doit y avoir une différence de tension à travers celui-ci, ce qui signifie à son tour qu'il doit y avoir des courants opposés circulant dans la tresse et le conducteur central. Si nous examinons les 10 combinaisons utilisées dans mon expérience, nous verrons que seule la configuration illustrée ci-dessus dispose d'un mécanisme permettant de produire ces courants opposés ; il n'est donc pas surprenant que ce soit la seule configuration qui produise un effet de raccourcissement significatif.
Antennes coaxiales Dwg2

Le schéma de droite illustre, pour une moitié du dipôle, les différents chemins de courant impliqués. La flèche rouge montre le courant qui circule dans le conducteur central du câble coaxial à partir du point d'alimentation. Il y a un courant égal et opposé représenté par la flèche verte qui est contraint à la surface intérieure de la tresse. Enfin, représenté par la flèche bleue, il y a un courant qui circule sur la surface extérieure de la tresse. Si vous doutez de la capacité de la tresse à transporter des courants séparés sur ses surfaces intérieure et extérieure, pensez un instant à la façon dont une ligne d'alimentation coaxiale transporte souvent les courants en mode différentiel qui alimentent une antenne tout en transportant en même temps des courants en mode commun (souvent gênants) sur sa surface extérieure.
Antennes coaxiales Dwg3

L'étape suivante de notre compréhension consiste à réaliser que seul le courant bleu peut contribuer au rayonnement de l'antenne ; les courants rouge et vert sont en opposition et ne peuvent pas contribuer car leurs champs s'annulent. Il est donc légitime de considérer chaque moitié du dipôle comme un élément rayonnant transportant le courant bleu et un élément de ligne de transmission coaxiale distinct transportant les courants rouge et vert ; de plus, comme l'élément de ligne de transmission ne rayonne pas, nous pouvons le dessiner comme une entité distincte dans n'importe quelle orientation que nous souhaitons, comme indiqué à droite. En fait, c'est la méthode recommandée pour modéliser les éléments rayonnants coaxiaux. Pour citer la documentation d'aide de la modélisation informatique EZNEC :
« Un câble coaxial rayonnant peut être modélisé assez bien avec une combinaison de modèle de ligne de transmission et d'un fil. Le modèle de ligne de transmission représente l'intérieur du câble coaxial et le fil représente l'extérieur du blindage. Le fil a le diamètre du blindage et est connecté à l'endroit où se trouve le blindage du câble réel. »
Décomposé en ses éléments constitutifs, ce dipôle est désormais beaucoup plus facile à comprendre. L'élément rayonnant forme un conducteur classique de grand diamètre, tandis que l'élément coaxial forme un tronçon de court-circuit en série avec le point d'alimentation.
Considérons maintenant le comportement de l'antenne à une fréquence où la longueur du câble coaxial est juste en dessous d'un quart de longueur d'onde électrique . Comme l'élément rayonnant n'est soumis à aucun effet de facteur de vélocité, il est bien en dessous d'un quart de longueur d'onde et donc son impédance complexe au point d'alimentation présentera une réactance capacitive importante. Le tronçon coaxial en court-circuit, étant proche d'un quart de longueur d'onde électrique, représentera une réactance inductive importante en série avec le point d'alimentation ; cela annulera la réactance capacitive de l'élément rayonnant et amènera le système à la résonance. En fait, le tronçon doit être juste en dessous d'un quart de longueur d'onde électrique ; s'il était exactement d'un quart de longueur d'onde, il représenterait théoriquement une réactance infinie.
Nous pouvons donc voir que l'effet de raccourcissement n'est pas causé par un élément rayonnant dont la taille est en quelque sorte réduite par le facteur de vélocité. Il s'agit plutôt d'un élément rayonnant électriquement court qui est amené à la résonance par la charge inductive produite par un tronçon coaxial en court-circuit. La particularité de cette technique est que le tronçon de charge inductive est commodément intégré à un élément d'antenne « existant ».
Pour confirmer cette explication, j'ai pris les deux branches du dipôle et mesuré leurs impédances à 47,5 MHz en fonctionnement comme stubs de court-circuit ; elles étaient respectivement de 16+j216 et 16+j215. J'ai ensuite essayé de mesurer l'impédance du point d'alimentation de l'antenne à 47,5 MHz sans les stubs en circuit. Cela s'est avéré très difficile - la réactance capacitive élevée de l'antenne a créé de graves problèmes de mode commun que j'ai réduits, mais jamais complètement résolus. La prédiction EZNEC pour l'impédance du point d'alimentation est de 22-j426, alors que la valeur la plus proche que j'ai mesurée était de 23-j361.

En combinant les impédances de tronçon mesurées avec la prédiction EZNEC pour l'impédance du point d'alimentation dipôle, nous nous attendrions à ce que l'impédance résultante de l'antenne coaxiale à 45 MHz soit :

Code:: [16+j216] + [16+j215] + [22-426] = 54+j5

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en d'autres termes, proche de la résonance avec un ROS de 1,1, exactement comme nous l'avons mesuré à l'origine ![/size]

C. Quel est le piège ?

i) Pertes

Les deux stubs de court-circuit, qui fournissent la charge inductive pour amener cette antenne électriquement courte à la résonance, avaient des impédances de 16+j216 et 16+j215 ; celles-ci représentent des « Q » d'environ 13,5 par rapport aux « Q » de plusieurs centaines que l'on pourrait attendre pour des bobines de charge conventionnelles bien construites. Elles introduisent une résistance supplémentaire de 32 ohms en série avec le point d'alimentation. Le résultat est que les stubs absorbent environ 59 % de la puissance appliquée au dipôle, et le signal rayonné est réduit de près de 4 dB. Nous aurions mieux fait de remplacer les stubs par des inductances localisées de 0,72 uH - avec un Q d'inductance d'environ 200, la perte serait réduite à moins de 0,4 dB.
D'ailleurs, si les stubs avaient été beaucoup moins perdants, la résistance du point d'alimentation aurait chuté et le ROS aurait augmenté - démontrant une fois de plus qu'un faible ROS n'est pas une indication de l'efficacité de l'antenne !
Si notre dipôle avait une résistance au rayonnement significativement inférieure à 22 Ohms, l'effet serait encore plus marqué. Par exemple, j'ai modélisé un haut-parleur Hexbeam raccourci de 9 MHz construit à partir de RG58 ; il avait une impédance de point d'alimentation « non chargée » de 5-j560 Ohms. Les stubs de chargement présentaient chacun une impédance de 45+j280 Ohms (Q=6,7), ce qui donnait une résistance globale du point d'alimentation de 95 Ohms, dont seulement 5 Ohms contribuent au rayonnement ; le résultat est une réduction massive de 13 dB du signal transmis.

ii) Bande passante

J'ai mesuré une bande passante VSWR 2:1 de 7 % lorsque l'antenne fonctionnait comme un dipôle « conventionnel » et de seulement 2 % lorsqu'elle fonctionnait comme un « dipôle coaxial ». L'explication est que la réactance inductive d'un tronçon quart d'onde varie assez rapidement avec de petits changements de fréquence ; pire encore, sa réactance change dans une direction qui aggrave la situation : lorsque la fréquence baisse, la réactance capacitive du dipôle augmente, tandis que la réactance inductive du tronçon diminue. Le résultat est qu'il n'y a qu'une bande étroite de fréquences sur laquelle le tronçon peut annuler la réactance capacitive des éléments rayonnants.
Là encore, une charge d'inductance concentrée aurait été une meilleure option. La réactance d'une inductance ne change pas aussi brusquement avec les changements de fréquence et cette option offre une bande passante SWR de 2,6 % sans les pertes punitives du stub ; elle offre également la flexibilité de placer la charge ailleurs qu'au centre du dipôle avec des améliorations supplémentaires de la bande passante.

iii) Réduction de la taille de l’antenne

Bien que l'utilisation d'éléments coaxiaux puisse réduire la taille de certaines dimensions d'antenne, d'autres dimensions peuvent rester inchangées. Par exemple, dans une antenne Yagi à 2 éléments, l'espacement entre le conducteur et le réflecteur resterait sensiblement le même même si les éléments pouvaient être raccourcis. Il est naïf de s'attendre à ce que l'antenne « rétrécisse » uniformément dans toutes les dimensions. LB Cebik a modélisé une version du réseau à 2 éléments VK2ABQ construite avec un câble RG58 et a constaté que le périmètre de l'antenne n'était réduit qu'à 80 % de la version pleine taille - et non aux 67 % auxquels on aurait pu s'attendre - simplement parce que l'espacement des extrémités devait être augmenté afin de préserver les performances de l'antenne.
Si cela n'est pas apprécié, les performances risquent d'être très décevantes. À titre d'exemple, j'ai pris les dimensions d'un Hexbeam de 20 m et j'ai simplement remplacé les éléments de fil par du coaxial RG58. Il est encourageant de constater que la fréquence de résonance est tombée à moins de 9 MHz, mais il y a eu des pertes massives de 15 dB et le rapport F/B n'a jamais dépassé 3 dB. L'impédance du point d'alimentation était supérieure à 100 ohms - ce qui devrait vraiment faire sonner l'alarme sur une petite antenne.

D. Conclusions

Nous concluons que l'utilisation d'un câble coaxial peut réduire la longueur d'un élément d'un facteur de vitesse proche de celui du câble. Cependant, les inconvénients sont des pertes de puissance importantes et une bande passante de performance considérablement réduite. Enfin, dans tout autre cas qu'un simple dipôle, la réduction de taille est susceptible d'être considérablement inférieure à celle prédite par une simple mise à l'échelle basée sur le facteur de vitesse.