Antenne Helix

par **Mhz** Mer 11 Sep - 20:53

L'auteur William Blair a déploré dans un numéro de 1958 du magazine Radio & TV News que les antennes hélicoïdales n'avaient pas encore été largement adoptées par les opérateurs radio amateurs malgré les avantages qu'elles peuvent offrir.
Les antennes hélicoïdales sont utilisées pour transmettre et recevoir des ondes électromagnétiques polarisées circulairement .
L'un des avantages de l'utilisation d'une antenne à polarisation circulaire pour la réception est qu'elle est capable d'utiliser les fronts d'onde arrivant à n'importe quel angle de polarisation le long de l'axe de propagation, ce qui permet des transmissions à n'importe quel angle de polarisation.
Théoriquement, une antenne idéale avec une polarisation particulière ne recevrait pas un signal arrivant à un angle perpendiculaire à elle, et la force de tout signal serait proportionnelle au cosinus de l'angle d'impact ; Par exemple, cos 0° = 1, cos 30° = 0,866, cos 45° = 0,707, cos 60° = 0,5, cos 90° = 0. L

Les communications par satellite sont une utilisation courante des antennes hélicoïdales car les signaux radio peuvent subir une quantité imprévisible de rotation lorsqu'ils traversent l'atmosphère. Les communications terrestres longue distance peuvent également bénéficier de la polarisation circulaire puisque les signaux peuvent être efficacement tournés en raison de la réflexion ou même des changements de densité atmosphérique locale.
Par exemple, les signaux réfléchis par l'eau adoptent souvent une polarisation horizontale quelle que soit l'orientation d'origine. Le rayonnement intentionnel dans un mode polarisé circulaire se fait avec une rotation à droite ou à gauche, selon que le radiateur en spirale est enroulé dans le sens des aiguilles d'une montre ou dans le sens inverse.
Les sens opposés des antennes hélicoïdales d'émission et de réception s'excluent mutuellement de la même manière que les antennes d'émission et de réception verticales et horizontales. Si les antennes hélicoïdales sont si géniales, alors pourquoi ne sont-elles pas utilisées plus souvent ? La taille physique requise pour un fonctionnement efficace est grande par rapport aux autres formats d'antenne.
Laboratoires HRB San Diego, Solana Beach, Californie

La simplicité et l'efficacité de cette antenne éprouvée la rendent idéale pour la télévision UHF et les bandes radioamateurs supérieures.

Exemples d'antennes hélicoïdales pour les fréquences micro-ondes.
L'hélice est un type d'antenne qui n'a pas encore rencontré un grand succès auprès des amateurs. En effet, pour les fréquences de 144 mc et moins, ses dimensions deviennent importantes et l'antenne est généralement difficile à manipuler. (Note de l'éditeur : pour plus d'informations sur une hélice de 108 mc, voir l'article « À l'écoute des satellites » à la page 44 de ce numéro.) Cependant, à mesure que de plus en plus d'amateurs explorent les fréquences plus élevées, l'hélice pourrait bien devenir « fiable » dans un laps de temps relativement court.

Lors de la planification d'opérations dans les bandes radioamateurs supérieures, l'enthousiasme monte rapidement lorsqu'on commence à énumérer les avantages de l'antenne hélicoïdale. Par exemple : (1) elle a des caractéristiques presque uniformes sur une large bande (rapport de fréquence maximum/minimum approchant 1,8 à 1) ; (2) des gains de 15 db sur cette bande sont facilement réalisables ; (3) le diagramme de rayonnement est un lobe principal unique avec une largeur de faisceau à mi-puissance typique de 30 degrés ; (4) les dimensions de l'hélice ne sont pas du tout critiques ; (5) elle intercepte aussi bien les ondes polarisées horizontalement que verticalement ; et (6) l'antenne est soutenue par un plan de masse et est idéalement alimentée par un câble coaxial.

Une excellente discussion théorique sur les antennes hélicoïdales est incluse dans le livre « Antennas » de John D. Kraus. Cependant, seules les équations de conception générales sont nécessaires à la construction d'antennes pratiques.

Fig. 1 - (A) Dimensions et diagramme de rayonnement. (B) Angle d'inclinaison. (C) Distribution de charge. Vues latérales et (D) de bout.
La Fig. 1A indique les dimensions importantes d'une hélice et de son plan de masse. D est le diamètre de l'hélice, L la longueur d'un tour, S la distance entre les tours, n le nombre de tours et d le diamètre du plan de masse. Si l'on imagine qu'un tour a été déroulé et posé à plat, on obtient le triangle de la Fig. 1B. L'angle de pas α (alpha) est l'angle dont la tangente est S divisée par la circonférence de l'hélice, πD.

Les figures 1C et 1D montrent respectivement des vues latérales et latérales de l'hélice. Les signes plus et moins indiquent une distribution instantanée de charge pour le mode de fonctionnement axial. Il s'agit du mode le plus couramment utilisé et celui qui produit un diagramme de rayonnement hautement directionnel. Pour que la charge soit ainsi distribuée, la circonférence doit être de l'ordre d'une longueur d'onde à la fréquence de fonctionnement souhaitée. A titre d'exemple de la latitude admissible dans les dimensions, ce mode de fonctionnement axial est facilement obtenu avec des circonférences comprises entre 3/4 et 4/3 d'une longueur d'onde, des angles d'inclinaison de 12 à 15 degrés et un nombre quelconque de tours supérieur à 3.

Fig. 2 - Gain d'antenne et largeur de faisceau représentés en fonction du nombre de tours, pour une hélice ayant une circonférence égale à une longueur d'onde avec un angle d'inclinaison de 12,5 degrés.

La figure 2 montre comment le gain de l'antenne et la largeur du faisceau varient en fonction du nombre de tours de l'hélice. Ces courbes sont calculées pour une hélice idéale dont la circonférence est égale à une longueur d'onde en espace libre et dont l'angle d'inclinaison est égal à 12,5 degrés. À partir de ces deux valeurs, la figure 1B montre que l'espacement entre les tours est égal à 0,22 longueur d'onde en espace libre. Il est intéressant de noter que le fait de doubler le nombre de tours de l'hélice entraîne un gain supérieur de 3 db et une réduction de la largeur du faisceau d'un facteur de 0,707. En général, même pour les antennes à haute fréquence, il n'est pas très pratique de construire des hélices de plus de 15 tours environ, car le gain n'augmente pas très rapidement au-delà de ce nombre et le support de la structure devient plus problématique.

Dans le cas où les dimensions d'une hélice particulière ne sont pas celles utilisées dans le calcul des courbes, les équations approximatives suivantes peuvent être utilisées pour déterminer le gain et la largeur du faisceau :

Dans ces équations, Cλ et Sλ sont respectivement la circonférence et l'espacement des spires en longueurs d'onde. Elles s'appliquent uniquement au mode de fonctionnement axial où Cλ est compris entre 3/4 et 4/3, α est compris entre 12 et 15 degrés et n est supérieur à 3. Le gain en db peut être déterminé en prenant dix fois le logarithme du nombre obtenu à partir de la première équation. Dans cette équation, k : est le facteur d'efficacité de rayonnement. Pour l'antenne idéale sans perte supposée dans les courbes, k = 1, mais lorsque des pertes sont présentes, k est toujours légèrement inférieur à 1. Pour estimer le gain d'une antenne particulière, la valeur obtenue à partir de la courbe doit être réduite de 2 à 3 db afin de tenir compte de ce facteur.

Le tableau 1 donne les dimensions des antennes hélicoïdales adaptées à plusieurs bandes de fréquences amateurs élevées, ainsi qu'à la bande de télévision UHF. En télévision, ce type d'antenne est particulièrement efficace en raison de son gain élevé sur une bande passante aussi large. Certains amateurs ont construit des antennes hélicoïdales pour les bandes de fréquences inférieures, mais la taille des structures devient plus grande à mesure que la fréquence diminue et la rotation devient un problème. Cependant, pour la propagation dans une direction fixe, ce type d'antenne offre de réelles possibilités. Dans ce cas, le plan de masse serait fabriqué avec un grillage à large maille afin de réduire la résistance au vent.

Les trois antennes présentées sur les photographies ont été construites pour fonctionner dans les bandes micro-ondes. De la plus grande à la plus petite, les fréquences centrales sont respectivement de 1250 mc, 3000 mc et 10 000 mc. Les deux plus petites antennes étaient enroulées sur des chevilles en bois tandis que la plus grande avait un tube en carton creux de 3" pour le support de l'hélice. Dans ce dernier cas, des chevilles en bois découpées dans du contreplaqué de 1/2" étaient insérées aux extrémités du tube pour plus de rigidité.

Dans chaque cas, le plan de masse a été réalisé en fixant une feuille d'aluminium sur du contreplaqué de 1/2" avec des vis à bois. Le diamètre du plan de masse n'est pas critique tant qu'il est égal ou supérieur à la moitié de la longueur d'onde à la fréquence de fonctionnement. Un connecteur coaxial de type UG-58/U a été monté derrière le plan de masse au moyen de vis mécaniques qui traversaient le contreplaqué et la feuille d'aluminium. Des rondelles de blocage doivent être utilisées sous les têtes des vis et des écrous afin d'assurer un bon contact électrique entre le blindage coaxial et le plan de masse.

La plus grande hélice a été enroulée avec du fil de cuivre massif n° 14 tandis que le fil de bus n° 16 a été utilisé pour les deux plus petites unités. Un espacement uniforme des spires est facilement obtenu en découpant une bande de carton aussi large que l'espacement souhaité, puis en l'enroulant avec le fil entre les spires. Si la bande de carton n'est pas assez longue pour toute l'hélice, elle peut être avancée au fur et à mesure de l'enroulement.

L'extrémité de l'enroulement est ancrée en place en façonnant un petit coude à l'extrémité du fil et en l'insérant dans un petit trou placé de manière appropriée à l'extrémité du tube ou du goujon. Pour la protection contre les intempéries, plusieurs couches de plastique en spray Krylon et une couche finale de peinture ont été appliquées.

Une équation empirique pour l'impédance de l'antenne, en ohms, est :

R = 140 x circonférence en longueurs d'onde

Pour les exemples précédents d'hélices dont la circonférence est égale à une longueur d'onde, une ligne de transmission coaxiale de 93 ohms pourrait être utilisée pour une bonne correspondance. Cependant, pour les antennes illustrées, une ligne de 75 ohms a été utilisée avec d'excellents résultats.

Tableau 1 - Dimensions des antennes hélicoïdales pour différentes bandes amateurs et de télévision.

Les trois antennes micro-ondes hélicoïdales présentées sur la photo principale sont présentées ici avant d'être montées sur le mât.

En raison de la configuration de l'antenne hélicoïdale, le rayonnement est en général polarisé de manière elliptique ou, pour certaines dimensions, de manière circulaire. Le sens de rotation de la polarisation est soit droitier, soit gaucher, selon le sens d'enroulement de l'hélice. Cette caractéristique est avantageuse lorsque l'hélice est utilisée comme antenne de réception car elle intercepte les signaux polarisés horizontalement ou verticalement.

Pour la communication entre deux emplacements utilisant tous deux des antennes hélicoïdales, il est nécessaire que les deux antennes soient enroulées dans le même sens. Une onde électromagnétique possédant un sens de rotation de polarisation aura une interaction minimale avec une antenne conçue pour le sens de rotation de polarisation opposé. Il est recommandé d'utiliser une convention de sens de droite pour l'uniformité.

En général, on peut dire que l'antenne hélicoïdale est l'une des antennes à faisceau les plus simples et les plus efficaces qu'il soit possible de fabriquer. Alors, quand viendra enfin le jour où vous vous déciderez à allumer ces klystrons qui vous ont été livrés dans votre gros « achat » excédentaire, pensez à la « vieille hélice fiable » et mettez-la au travail !