Couplage des antennes VHF/UHF

par **Mhz** Mer 26 Jan - 20:47

Pour obtenir plus de gain de ou des antennes, la réponse apportée par la technique se décline en deux points : 1) Augmenter la dimension de l'antenne 2) Coupler plusieurs antennes identiques. Chacun choisi la solution qui lui convient, sachant quand même que l'augmentation des dimensions d'antennes a une limite et que le voisinage perçoit un groupement comme moins encombrant qu'une antenne qui s'est allongée.

Le couplage :
Nous ne nous intéresserons qu'à cette dernière solution, on aurait tout aussi bien pu choisir d'installer une antenne beaucoup plus grande (on trouve maintenant des montres de 10m de boom sur 144 MHz), cette option présente toutefois en termes de voisinage et de mécanique quelques inconvénients. Que peut-on en attendre ? La théorie indique qu'en couplant deux antennes identiques, le gain maximum apporté vaut 3 dB (6 dB pour 4 etc.) Il s'agit bien là d'un gain purement théorique car il y aura inéluctablement des pertes liées au couplage. On pourra citer les pertes dans le coupleur, les connecteurs additionnels, les coaxiaux, le couplage imparfait des champs, les interactions avec les structures porteuses. Dans la pratique les auteurs sérieux indiquent une fourchette comprise entre 2,5 dB et 2,8 dB ce qui n'est déjà pas si mal. Mais le gain n'est pas tout dans la vie du radioamateur car ce fameux gain n'apparaît jamais par miracle, coupler des antennes va naturellement agir sur les lobes de rayonnement en les réduisant dans le plan du couplage et c'est ici qu'il faut réfléchir à ce que l'on veut faire...

par **Mhz** Mer 26 Jan - 20:50

Quel couplage choisir ?

En fait le choix est quand même limité (pour deux antennes au moins), soit le couplage vertical, soit le couplage horizontal. Avec 4 antennes on pourra (on devra souvent) opter pour la solution mixte.
Pour les gros groupements comme en EME, ce sont les contraintes mécaniques qui imposeront les choix. Dans le cas de groupement de 4 antennes, on voit deux dispositions possibles :
a) en H
b) en losange (ou diamant).
Bien mais cela ne répond pas à la question, quel couplage choisir ?
Coupler dans le plan vertical va réduire le lobe vertical donc vous n'observerez pas d'augmentation de directivité, il va aussi créer des lobes secondaires dans le plan vertical.
En revanche avec le couplage horizontal, le lobe principal sera réduit ce qui est nettement perceptible en trafic.
Si vous êtes dans une zone à forte densité de stations, cela peut être un avantage indéniable qui va se transformer en inconvénient si vous êtes un acharné de contest.
Toutes choses égales par ailleurs, chaque solution est à appliquer en fonction de vos critères et de votre trafic.
Votre couplage ne sera jamais universel, il favorisera plutôt tel type de trafic que tel autre, à vous de voir.
Le couplage dans le plan vertical offre l'avantage d'être un peu plus compact. (c'est lié aux angles d'ouverture, nous verrons cela plus loin).

par **Mhz** Mer 26 Jan - 20:52

La surface de capture :
C'est une notion importante pour le couplage des antennes.
Schématiquement, on peut représenter cela comme à gauche en imaginant qu'une antenne "capture" une certaine quantité d'énergie dans une surface donnée.
Cette surface est dépendante de la longueur d'onde du signal et du gain de l'antenne.

En termes mathématiques :
Avec Ae en m2 , l en m et G le gain exprimé en ratio par rapport à l'isotrope.
Représentez-vous cela comme une ellipse.
Plus la surface de capture est importante, plus le gain est grand. La surface de capture (et donc le gain) est proportionnelle à la longueur du boom.

par **Mhz** Mer 26 Jan - 21:01

Quelle distance de couplage ?

A l'époque empirique quand les ordinateurs n'étaient pas encore entrés dans toutes les stations, la distance de couplage dans le monde amateur était déterminée par un ou deux sorciers qui posaient un dogme du genre : distance de couplage = 1/2 longueur de boom de l'antenne.
Fort heureusement pour la communauté DL6WU a apporté une approche plus rationnelle et posé une équation simple développée à partir des angles d'ouverture et qui fournit le meilleur compromis entre gain et lobes secondaires pour les antennes longues (>1,8l)

l = longueur d'onde en mètres, Dopt = distance de couplage optimale en m, f = ouverture en ° dans le plan considéré. Selon DL6WU Gunter Hoch, le couplage le plus efficace est atteint quand les surfaces de capture se rejoignent comme illustré sur les images ci-dessous.

Une antenne

Couplage horizontal

Couplage vertical

Voyons à partir de quelques simulations l'influence de la distance de couplage sur le gain et les lobes de rayonnement.

Prenons le cas d'une antenne très utilisée en UHF, la Tonna 21 éléments, 6,7 l, ayant les ouvertures suivantes :
1) Plan H :25° à -3dB
2) Plan E :24° à - 3dB

D'après la formule de DL6WU nous devrions obtenir une distance de couplage dans le plan vertical de 1,60m et 1,66m dans le plan horizontal ce qui correspond respectivement à 2.31 et 2,40 l. Voyons avec une simulation ce qui se produit si nous couplons en-deça et au-delà de la distance optimum.

Plan E
La courbe bleue représente le diagramme de rayonnement des deux antennes 21 éléments couplées dans le plan vertical à une distance optimale de 2,31 l. La courbe orange représente la réponse des deux 21 éléments couplées à une distance de 1,8 l. On constate que l'on n'a pas atteint le gain optimum et surtout que le 1er lobe secondaire est très important par rapport au couplage optimal. Cette solution est à rejeter.

Plan H
Cette distance de couplage présente un bon compromis pour les lobes latéraux qui sont effectivement inférieurs à ceux présentés par le couplage optimal, toutefois nous n'avons pas atteint le gain optimal. Le couplage optimal n'est qu'un compromis entre gain et lobes.

La courbe bleue représente toujours le groupement à 2,3 l tandis que la courbe orange représente ici un couplage à 2,5 l, donc au delà de la distance optimum de couplage. Le gain est très légèrement supérieur (0,2 dB d'après la simulation) mais on constate aussi la nette croissance des lobes latéraux. Il est plus que souhaitable de concentrer le maximum d'énergie dans le lobe principal.

La situation s'est considérablement détériorée sur les lobes secondaires dans le plan vertical. Il est préférable de sacrifier quelques dixièmes de dB de gain pour obtenir un diagramme de rayonnement plus propre.

par **Mhz** Mer 26 Jan - 21:05

Les coupleurs :

On ne peut pas se contenter de mettre les antennes en parallèle dans le cas d'un couplage de deux antennes 50 W car nous nous retrouverions au point de jonction avec une impédance de 25 W.
Il convient donc de passer par un système d'adaptation d'impédance appelé coupleur qui n'est ni plus ni moins qu'un tronçon de ligne 1/4 d'onde.
L'impédance de cette ligne est déterminée par la célèbre formule :

avec Z0 l'impédance de la ligne
Z1 : l'impédance à une extrémité à raccorder (les antennes)
Z2 : l'impédance à l'autre extrémité à raccorder (le câble)

Dans le cas classique de 2 antennes 50 W à coupler, nous retrouvons un câble 50 W d'un côté et une impédance représentant les deux antennes en parallèle de 25 W.
La ligne quart d'onde devra avoir une impédance caractéristique de : Racine (50x25) = 35 W.
Deux cas possibles: - acheter chez Tonna un coupleur de bonne qualité (ou ailleurs)
- construire le sien.

Les deux solutions se valent, tout dépend de votre habilité à la réalisation mécanique.

Voici comment est réalisé le coupleur. Comme le diélectrique est l'air, on prendra 1 comme valeur de coefficient de vélocité. Les dimensions mécaniques importantes sont le diamètre intérieur du grand tube (ou carré), le diamètre extérieur du petit tube (ou carré) et la longueur de la ligne 1/4 d'onde.
Ces dimensions sont déterminées par la formule :

Il existe d'autres types de coupleur basés sur le même principe comme le coupleur demi-onde 4 voies (l/4 + l/4), reportez-vous à la littérature existante pour des exemples de réalisation.

Il est impossible de passer en revue toutes les configurations possibles, 2 antennes, 4 antennes, "n" antennes, impédance de 50 ou 200(dipôle BV) ou "x" W. De même pour les coupleurs, on peut réaliser le couplage de "n" manières différentes, manières qui seront sensiblement égales en termes de performances.(coupleur rigide ou câble, voir à ce sujet la description d'un coupleur câble qui suit)

par **Mhz** Mer 26 Jan - 21:09

Un coupleur souple : (paragraphe repris du chapitre précédent)

Si c'est possible ! Sans acrobatie, sans coupleur avec seulement un T coaxial et du câble, c'est économique. Voilà le principe :

Nous partons du principe suivant :
Nos deux antennes à coupler sont des antennes 50 W
Le transceiver possède une impédance de sortie de 50 W
Le câble de descente est un câble 50 W

Voici le schéma de câblage. Le seul petit problème, c'est que nous allons relier en parallèle deux antennes de 50W ce qui nous donnera une impédance équivalente de 25W, ce qui ne va pas du tout.
Jusque là, le raisonnement est correct. Mais nous sommes des petits malins et nous allons exploiter les propriétés de 1/4 d'onde qui comme nous le savons maintenant se comporte quand sa longueur électrique vaut 1/4 d'onde comme un transformateur d'impédance.

Reprenons notre raisonnement :

Au T de connexion, nous voulons obtenir 50W , et à cet endroit nous connectons deux charges en //. Si ces deux charges en // doivent faire 50W , il faut que chacune d'elle fasse 100 W (100//100 = 50). Donc au point de raccordement du T, nous devons voir 100 W.
A l'autre extrémité, coté antenne, nous avons 50 W.
Il faut donc que notre ligne 1/4 d'onde (ou ses multiples impairs) transforme cette impédance. Nous savons que l'impédance caractéristique du 1/4 d'onde doit être égale à :

Zo = impédance caractéristique du 1/4 d'onde
Z1 = impédance de l'antenne
Z2 = impédance au point de raccordement
Calculons :
Il vient Zo = racine (50x100) = 70,7 W.
On considérera que du câble 75W conviendra parfaitement.

Quelle longueur pour nos bretelles de couplage ?
Nous venons de le voir, les bretelles doivent constituer des 1/4 d'onde à la fréquence considérée ou des multiples impairs de 1/4 d'onde (un multiple pair est une 1/2 onde et ne se comporte pas en transformateur et reporte à la sortie l'impédance présente à l'entrée). Si nous désirons coupler deux antennes pour une gamme de fréquence comme le 144 MHz, nous calculerons comme suit :

1) - Détermination de la longueur d'onde à 144,300 MHz l = 300/f l = 300/144.3 = 2,080m
2) - Détermination du 1/4 d'onde 1/4 d'onde = l / 4 2,080 : 4 = 0,52m
3) - Prise en compte du coefficient de vélocité du câble (nous prendrons 0,66 pour cet exemple) Lphysique = l / 4 x 0,66
Lphysique = 0,52 x 0,66 = 0,343 m
Il ne nous restera plus qu'à calculer (ou à déterminer expérimentalement) la longueur nécessaire au couplage en veillant à utiliser un nombre impair de 1/4 d'onde.
Nous aurons ainsi réalisé l'adaptation de notre transceiver à nos antennes à moindre frais et avec des performances très satisfaisantes.

Les longueurs se comptent en incluant la dimension des fiches
Utilisez pour le couplage du câble 75 W de bonne qualité (voire très bonne) car tout câble à des pertes, autant ne pas perdre le gain du couplage dans les lignes.

par **Mhz** Mer 26 Jan - 21:11

Bretelles et mise en phase :

Après cet intermède avec le coupleur souple, revenons aux choses plus classiques. Maintenant que nous avons les antennes et le coupleur, il faut penser à réunir l'ensemble. Les antennes seront reliées au coupleur par des câbles de longueur rigoureusement identiques (plus la fréquence croît, plus les dimensions sont critiques) sous peine de créer des différences de phases ce qui est très préjudiciable vous vous en doutez. De même il importe de mettre en phase les antennes. Si vous êtes observateur, vous constaterez que Tonna positionne sur ses dipôles une petite excroissance qui permet de repérer le côté où se connecte l'âme du coaxial. Voici en trois schémas les bonnes et mauvaises pratiques.

1) connexions sont correctes mais les dipôles mal positionnées.
2) connexions correctes mais bretelles de longueurs inégales
3) bon câblage
Longueur des bretelles :

Vaste sujet. Si l'adaptation d'impédance est réalisée par un coupleur, la longueur des bretelles raccordant les antennes au coupleur n'a aucune importance, la seule chose qui importe est que les bretelles soient de dimensions égales.
On part du principe que le matériel est adapté, le câble est de même impédance que les antennes et le coupleur offre la bonne impédance caractéristique, cela va sans dire.
Donc dans la cas d'un couplage classique avec du matériel commercial de chez Tonna par exemple, en utilisant des antennes 50 W , du câble 50 W et un coupleur idoine, la seule contrainte liée à la longueur est dictée par la géométrie de montage.

Ne faites pas confusion avec le coupleur en câble dans lequel la longueur des bretelles est importante puisque ce sont les bretelles qui effectuent, par un nombre impair de quarts d'onde, la transformation d'impédance.

par **Mhz** Mer 26 Jan - 21:13

Positionnement des antennes dans le cas d'antennes de bandes différentes :

Tous les amoureux des V/UHF se retrouvent à un moment à l'autre avec beaucoup d'aluminium sur le pylône et surtout avec des antennes fonctionnant sur des bandes de fréquences différentes. On peut avoir à titre d'exemple, une beam décamétrique au ras du palier surmontée d'une antenne 144 MHz, elle même surmontée d'une 432 MHz. Tout est imaginable. Ces antennes ont naturellement des surfaces de captures différentes, les antennes de fréquence inférieures ayant les surfaces de capture les plus importantes. (le terme l2 au numérateur étant très pénalisant hi!).

G3SEK préconise, dans l'absolu, de faire en sorte que les surfaces de captures n'interfèrent pas comme indiqué sur le schéma ci-contre. C'est un montage idyllique et surtout mécaniquement irréalisable car trop fragile, tout le monde en convient. Tout étant affaire de compromis dans la vie, il va falloir trouver autre chose qui ne sacrifie pas trop aux performances tout en assurant une certaine sérénité à l'heureux propriétaire.

Voilà l'idée, la surface de capture de l'antenne VHF sera incluse dans la surface de capture de l'antenne HF.
Vue de l'antenne supérieure, l'antenne HF est une grosse surface c'est pourquoi il est recommandé de laisser l'antenne de fréquence inférieure en dehors de la surface de capture de l'antenne de fréquence supérieure.

Bien évidement la situation se complique quand nous avons des couplages d'antennes 432 MHz inclus dans des couplages 144 MHz par exemple.
Comme dit plus haut, tout est affaire de compromis entre les performances électriques et la tenue mécanique de l'ensemble.

Une curiosité, le couplage Stagger :

Voici une méthode de couplage qui a pour objet, outre d'amener du gain, de renforcer l'atténuation arrière. Le principe :
Les antennes sont décalées l'une par rapport à l'autre de l/4.
La ligne de couplage de l'antenne supérieure est supérieure à celle de l'antenne inférieure de l/4.
Pour un signal avant, les signaux des deux antennes arrivent en phase au coupleur puisque le signal de l'antenne supérieure est retardé de l/4.
Pour un signal arrière, le signal sur l'antenne supérieure est en retard de l/4 auquel s'ajoute un retard supplémentaire de l/4 dû à la ligne plus longue.
Les signaux entre les deux antennes sont donc déphasés de 180°, donc en opposition.
Idéalement les signaux devraient s'annuler, dans la pratique 30 à 40 dB sont obtenus.

Vous savez tout... faites solide, les groupements d'antennes sollicitent fortement les structures et veillez à étancher les prises coaxiales. Partant de là, vous allez être émerveillé par le résultat.

par **Mhz** Jeu 27 Jan - 8:13

Couplage en H de 4 antennes :

Démarrage d'un projet de couplage d'antenne Yagi avec Jean-Yves F4EHM pour la partie VHF et moi pour la partie UHF, le but étant bien sur d'avoir du gain pour les contests en portable et pourquoi pas s'essayer à l'EME.

En VHF, 4 Yagi DK7ZB (28 Ohms, boom 3,30m, 7 él., 11,14dBd), fabrication F8ATS et coupleur rigide EPS Antenna. Le gain final devrait avoisiner les 16 dBd en retirant les pertes dans la ligne de transmission.

En UHF, 4 Yagi DK7ZB (trombone, boom de 3,1m, 18 él., 14 dBd), fabrication Wimo et coupleur rigide origine inconnue.
Le gain final devrait avoisiner les 19 dBd en retirant les pertes dans la ligne de transmission.

Beau travail de Jean-Yves au niveau du mat (6m) et de la cage à rotor qui viendrons supporter le couplage.

Mesures des 4 DK7ZB 7el bande 2m, ROS de 1.1 à 1.3 entre 144 et 146MHz, impeccable. Par contre le ROS du couplage n'est pas très bon, 1.6 à 1.8 entre 144 et 146 MHz (voir la courbe de ROS).

A propos du couplage, les antennes sont positionnées de la façon suivante :

Plus d'infos à propos de la position des antennes et des dipoles sur le site de Hartmut, DG7YBN :
http://dg7ybn.de/Phasing/Phasing.htm#Phasing_4_Straight_Dipoles

par **Mhz** Jeu 27 Jan - 8:16

Le premier montage du mat avec les 4 antennes sous la forme d'un H s'est fait sans trop de soucis chez Jean-Yves F4EHM avec Gwena F4FHZ, Mickael F4FHZ et moi même. Nous avons notés qu'il y aura quelques modifications à apporter pour faciliter le montage sur le terrain.
Dans tout les cas il faut être 4 voir 5 pour tout monter, du fait du poids important de l'ensemble.

Les premiers essais sur l'air avec l'aide de George F1BHD et Jacky F6DFI sont positifs dans tout les cas les signaux sont plus forts par rapport à une seule antenne 7el. Même si le groupement est imposant il n'apporte 'que' 6dBd de plus en terme de gain soit 1 point de s-mètre. Avantage et inconvénient à la fois, avec ce type de groupement l'ouverture sur le plan horizontale est moins importante, il faudra jouer du rotor.
A la suite de ce test, le coupleur rigide 4 voies a été vérifié à l'analyseur MFJ269, le ROS va de 1.1 à 1.2 sur l'ensemble de la bande et même plus. Reste les bretelles à vérifier, celle ci sont d'une longueur quelconque, peut être faudra t'il les retailler.

2ème montage à blanc avec la configuration complète, 4 x 7el VHF et 4 x 18el UHF en suivant les cotes de la documentation de Wimo à propos des DK7ZB.

Avant de monter l'ensemble nouvelle mesure de ROS. Soucis sur la partie VHF, 2 antennes ont un ROS entre 4 et 5 en vérifiant les dipoles un est coupé et l'autre est mal en point, mauvaise nouvelle. Une tentative de ressoudage sera faite mais l'affaire n'est pas simple.

Coté UHF pas de soucis, le ROS des antennes couplées / montées est au maximum de 1,3 autours de 432 MHz.