Une antenne réflectrice d’angle classique à 90° est revisitée pour la fréquence de 435 MHz en inclinant simplement le dipôle pour obtenir une polarisation circulaire à faible rapport axial, avec une commutation RHCP/LHCP aisée grâce à une rotation mécanique à alimentation unique et une structure compacte et facile à construire.
Principes de base
L’antenne réflectrice d’angle est bien connue et largement utilisée depuis son invention en 1939 [1]. Ses multiples applications se limitent exclusivement à la polarisation linéaire horizontale ou verticale.
La théorie n’est valable que pour les réflecteurs de dimensions infinies. Selon l’auteur, il est impossible d’obtenir une polarisation circulaire avec un angle de réflecteur d’angle de 60°.
Malgré mes recherches, je n’ai trouvé aucune antenne commerciale ni aucune référence dans la littérature radioamateur concernant ce modèle. C’est pourquoi j’ai décidé de modéliser, concevoir, construire, mesurer et expérimenter cette antenne novatrice.
Polarisation circulaire – (Figure 1)
Différentes méthodes permettent d’obtenir une polarisation circulaire, telles qu’un câble à déphasage de 90 degrés (ligne à retard), un déphasage mécanique, l’inclinaison des éléments rayonnants, l’utilisation d’un coupleur hybride à 90 degrés, des circuits de mise en phase LC, etc.
Le changement du sens de rotation de la polarisation (RHCP/LHCP) s’effectue généralement à l’aide de commutateurs coaxiaux avec lignes à retard.
Les antennes, comme les antennes hélicoïdales, ont un sens de rotation défini par leur conception et il n’est pas possible de modifier le sens de rotation de la polarisation.
Mon antenne possède la propriété suivante : incliner uniquement le dipôle dans la direction opposée (avec le même angle) permet de changer la polarisation de RHCP à LHCP, par un simple mouvement de rotation (Figure 3B) avec un seul fil d’alimentation. C’est la propriété remarquable de cette antenne.
Rapport axial (Figure 2)
Le rapport axial (RA) est le rapport des composantes H et V orthogonales d’un champ électrique. Un champ à polarisation circulaire est composé de deux composantes H et V orthogonales d’amplitude égale (et déphasées de 90 degrés). Comme les composantes sont de même magnitude, le rapport axial est de 1 (ou 0 dB).
Le rapport axial d’une ellipse est supérieur à 1 (> 0 dB). Le rapport axial d’une polarisation linéaire pure est infini car les composantes orthogonales du champ sont nulles.
Les rapports axiaux sont souvent indiqués pour les antennes dont la polarisation souhaitée est circulaire. La valeur idéale du rapport axial pour les champs à polarisation circulaire est de 0 dB. De plus, le rapport axial tend à se dégrader loin du faisceau principal d’une antenne. Par conséquent, le rapport axial peut être indiqué dans une fiche technique d’une antenne comme suit : « Rapport axial : < 3 dB pour +/- 30 degrés par rapport au faisceau principal ». Ceci indique que l’écart par rapport à la polarisation circulaire est inférieur à 3 dB sur la plage angulaire spécifiée.
Malheureusement, la plupart des antennes « à polarisation circulaire » sont en réalité à polarisation elliptique. Le rapport axial indique à quel point votre antenne est proche de la situation idéale (AR = 1), soit 0 dB. Le rapport axial est un paramètre déterminant qui définit le facteur de mérite de toute antenne à polarisation circulaire.
Conception
J’ai utilisé le logiciel 4nec2 [3] pour la conception et la simulation (figures 3A-B). La conception a été vérifiée à l’aide du logiciel MATLAB [4] (figures 4A-B). J’ai commencé par les dimensions du réflecteur données par l’ARRL Antenna Handbook (21e édition). Comme pour la plupart des antennes réflectrices, plus le réflecteur est grand, meilleures sont les caractéristiques telles que le rapport axial, la polarisation croisée, le gain, le rapport avant/arrière et le rapport avant/arrière.
Ici, la situation est encore plus déterminante. La simulation informatique montre clairement que le rapport axial du coin à 90 degrés.
3 conditions de base pour obtenir une polarisation circulaire
- Les polarisations horizontale (H) et verticale (V) doivent être présentes.
- Les polarisations H et V doivent avoir la même amplitude.
- Un déphasage de 90 degrés doit exister entre les polarisations H et V.
Une antenne réflectrice est plus performante lorsque le réflecteur est plus grand que les dimensions classiques utilisées dans la littérature radioamateur.
L’exposition au vent limite considérablement l’utilisation des antennes à réflecteur d’angle.
Lors de la conception, j’ai recherché le meilleur compromis entre compacité et excellente polarisation circulaire (AR < 1,3 dB valeur théorique).
J’ai utilisé une dimension de 52 cm x 52 cm (0,7λ × 0,7 λ) pour chaque réflecteur (Figure 5), mais on peut atteindre un rapport axial exceptionnellement faible avec une dimension de réflecteur de 1 λ× 1 λ, particulièrement utile si vous prévoyez de travailler à des fréquences plus élevées.
Mon objectif principal était de concevoir cette antenne simple, économique et facile à construire, avec les meilleures spécifications possibles.
L’angle d’inclinaison du dipôle (θ) utilisé pour obtenir une polarisation circulaire n’est valable que pour une dimension de réflecteur et une distance dipôle-sommet spécifiques.
Il existe de multiples possibilités avec une grande variation d’impédance d’antenne. La règle est simple : plus la distance dipôle-sommet est grande, plus l’angle d’inclinaison (θ) est grand. La variation est quasi linéaire.
Dans ma conception, j’ai obtenu les meilleurs résultats mesurés avec s = 19,5 cm et © = 28 degrés, ce qui donne un AR < 1,83 dB à 435 MHz, proche de la simulation MATLAB (Figure 6).
Construction
Tous les matériaux sont facilement disponibles dans les quincailleries. La structure du cadre de l’antenne est réalisée avec des tubes en PVC de 25 mm (1 pouce) assemblés avec des raccords internes en PVC de 19 mm (3/4 pouce) fabriqués maison, collée et fixée avec des vis autotaraudeuses (Figure 7A). Pour le réflecteur, j’ai utilisé une tôle d’acier galvanisé de calibre 26 (Figure 7C) afin d’obtenir une surface plus proche de la surface plane idéale.
Collée et fixée sur un support en plastique ondulé (Figure 7B). Les irrégularités de planéité mesurées sont inférieures à 3 mm.
Ce réflecteur convient jusqu’à plusieurs GHz. Une galvanisation à froid (zinc > 95 %) a été appliquée comme couche protectrice finale (Figure 7D).
Le dipôle à bande étroite est constitué d’une tige filetée de 6,35 mm (1/4 pouce) fixée sur la flèche par un accouplement hexagonal. La rotation de chaque bras du dipôle permet un réglage aisé de l’antenne (Figure 8).
Le rapport du grand axe au petit axe est appelé rapport axial (RA).
L’ellipse est inclinée lorsque le déphasage entre H et V n’est pas de 90 degrés.
Figure 2 — Formule pour déterminer le rapport axial.
Les polarisations circulaire et linéaire sont des cas extrêmes de polarisation elliptique
J’ai expressément choisi l’acier galvanisé en raison de mon expérience professionnelle avec les antennes de radiodiffusion VHF-UHF. Ce choix s’explique en partie par son prix abordable, mais aussi par sa bonne conductivité électrique et son excellente résistance aux intempéries.
Le cuivre et l’aluminium sont d’excellents conducteurs, contrairement à l’oxyde de cuivre. L’aluminium nécessite un traitement chimique (Alodine ou SureTec 650, par exemple) pour éviter la corrosion.
Le câble d’alimentation est un simple câble coaxial RG8X.
L’adaptation d’impédance a été réalisée en ajustant la longueur du dipôle, en modifiant la distance au sommet et l’inclinaison du dipôle, sans dégrader le rapport axial.
Je n’ai pas utilisé de balun UHF car les mesures du diagramme de rayonnement ont montré l’absence de distorsions notables. Cependant, afin d’éviter que le rayonnement de courant en mode commun
ne perturbe l’équilibre entre les polarisations H et V, j’ai installé une self de choc RF bobinée à l’air, constituée de 1,9 spires de câble coaxial (Figure 9).
Le résultat a donné un CMRR mesuré de -26,8 dB à 435 MHz, une impédance équivalente à 2 087 Ω, comme le montrent les calculs ci-dessus.
Contrôle de polarisation par servocommande
Pour tirer le meilleur parti de l’antenne, j’ai installé un système de rotation mécanique à distance pour le dipôle composé d’un servomoteur radiocommandé utilisé comme actionneur avec un contrôleur. Il s’agit d’une commande de polarisation d’antenne par modulation de largeur d’impulsion (MLI).
La largeur d’impulsion modifie l’angle de rotation et contrôle la linéarité du rapport axial de mon antenne (Figures 10A-D).
On peut passer facilement d’une polarisation circulaire droite (RHCP) à une polarisation circulaire gauche (LHCP) sans aucune perte, et sans limitation de puissance. Le temps de commutation est d’environ 0,3 seconde.
Incliner le dipôle dans n’importe quelle position permet d’atteindre tous les types de polarisation (linéaire, elliptique, circulaire) dans le sens de rotation gauche ou droit.
L’inclinaison du dipôle permet de modifier la linéarité du rapport axial de l’antenne, de l’infini à une valeur proche de 1,8 dB. C’est un bon résultat compte tenu de la simplicité du système utilisé. Le servomoteur RC avec sa commande manuelle coûte moins de $20 (environ 17€).
Mesures
Les principaux paramètres de l’antenne en champ lointain ont été mesurés (Tableau 1) dans une zone désertique plate et dégagée, devant mon domicile. Les réflexions parasites, notamment celles du sol, ont été éliminées grâce à l’application de techniques avancées d’analyseur de réseau vectoriel (VNA).
La mesure des caractéristiques de polarisation circulaire complète est un peu plus complexe [5] et chronophage en raison de la nécessité de répéter chaque mesure en polarisation verticale et horizontale avec un dipôle calibré pour les mesures d’amplitude et de phase.
Aujourd’hui, des VNA exceptionnellement performants et économiques disponibles sur le marché peuvent facilement réaliser cette tâche. Le rapport axial, le sens de rotation, l’inclinaison de l’ellipse, le gain et la polarisation croisée. Les dimensions ont été calculées à l’aide d’un tableur maison à partir des données mesurées collectées. Les résultats du post-traitement sont proches des valeurs attendues (Figure 11).
Meilleurs résultats avec un petit réflecteur
Sur l’Air
J’ai pu facilement recevoir des signaux de satellites LEO sur un récepteur SDRplay sans LNA.
L’inclinaison du dipôle offre un avantage considérable en gain de signal dB par rapport aux antennes radioamateurs classiques satellites.
Cette antenne démontre clairement qu’il est souvent préférable d’utiliser une antenne à faible gain avec un contrôle précis de la polarisation plutôt qu’une antenne à gain élevé sans contrôle précis de la polarisation. Elle ouvre la voie à un futur contrôle azimut-élévation-polarisation pour une communication optimisée.
Filtre de polarisation
Après avoir mesuré et évalué l’antenne, j’ai pu redécouvrir une propriété remarquable. L’inclinaison du dipôle agit comme un filtre de polarisation à variation continue, ce qui signifie que l’antenne est plus sensible à certaines polarisations qu’à d’autres. En faisant pivoter le dipôle de quelques degrés, on commence à entendre clairement des signaux très faibles, sans déplacer le réflecteur d’angle.
Rénovation d’une ancienne antenne à réflecteur d’angle
Il est possible de la moderniser en recouvrant l’antenne d’un matériau conducteur plat ou d’une grille métallique carrée au-dessus de la structure du réflecteur et en créant un système de rotation du dipôle. L’inclinaison du dipôle modifie l’impédance de l’antenne.
Conclusions
Cette antenne à réflecteur d’angle à 90 degrés peut produire n’importe quel type de polarisation en inclinant le dipôle pour obtenir n’importe quelle valeur de rapport axial. Un système innovant de contrôle de polarisation asservi est également présenté.
Ce système est sans perte et utilise un seul alimentateur. Le rapport axial mesuré est de 1,83 dB dans la direction du faisceau et inférieur à -3 dB dans la largeur de faisceau à mi-puissance (HPBW) du faisceau principal.
Le gain RHCP/LHCP garanti atteint 8,3 dBic et le poids total de l’antenne est d’environ 5 kg.
Le ROS de l’antenne est de 1,07:1 à 435 MHz en polarisation RHCP et/ou LHCP. Cette antenne peut être utilisée à n’importe quelle fréquence de 400 MHz à plusieurs GHz.
J’espère que cette antenne originale trouvera sa place dans la vaste collection d’antennes radioamateurs.
Je ne saurais conclure cet article sans rendre hommage au Dr John Kraus, W8JK (SK), inventeur de l’antenne à réflecteur d’angle. Son ouvrage, Antennas, m’a fidèlement accompagné tout au long de ma vie et m’a permis de découvrir et d’apprécier les antennes.
Il suffit de couper les bras du dipôle en tige filetée de 6,35 mm (1/4 pouce), de réduire la distance dipôle-sommet et d’incliner à nouveau le dipôle. Le réglage fin se fait en tournant chaque bras du dipôle pour obtenir le meilleur rapport axial.
Le coût final estimé est de 130 $ (environ 112 €) et le temps d’assemblage m’a pris environ 9 heures avec des outils de base.
Cette antenne directionnelle à gain modéré offre de nombreuses possibilités.
C’est un excellent outil pour tout radioamateur UHF, mais aussi pour les expérimentateurs d’antennes à la recherche de performances accrues.
Notes
[1] J. D. Kraus, W8JK-SK, « The Square-Corner Reflector Beam Antenna for Ultra-High Frequencies« , QST, novembre 1940, p. 18-23
[2] Kai Fong Lee, « Principles of Antenna Theory« . John Wiley & Sons, New York, 1984
[3] « 4nec2 software« — Arie Voors
[4] « MATLAB R2019b » – www.mathworks.com
[5] « IEEE Standard test Procedures for Antennas« , Std 149-1979
Article original :
Avec l’aimable authorisation, les photos et shémas de Carlo Francescangeli KJ4EGU©
Carlo, ingénieur en radiodiffusion RF, est un expert reconnu dans son domaine. Né à Liège, en Belgique, il obtient son diplôme d’ingénieur en électricité en 1981. Sa carrière l’amène à parcourir plus de 120 pays pour l’installation d’émetteurs de très haute puissance, d’antennes, de lignes TX et de combinateurs passifs. De 1996 à 2015, il occupe également le poste de consultant senior RF auprès de Radio France Internationale.
Passionné par les communications, il obtient sa première licence radioamateur en Amérique du Sud en 1982, et porte depuis 2008 l’indicatif KJ4EGU. Aujourd’hui, il partage son temps entre la Californie du Sud et la Basse-Californie (Mexique), tout en poursuivant son activité de consultant RF dans l’industrie de la diffusion TV et radio.
En dehors de sa carrière, Carlo se passionne pour la RTTY, les antennes, la voile et les activités humanitaires. Il attache aussi une grande importance à l’amitié et à la vie de famille.
