L'aide à la décision : tuners d'antenne - le choix facile
La question de savoir si j'ai besoin ou non d'un tuner/coupleur d'antenne dépend essentiellement de l'antenne choisie et du type d'alimentation, ainsi que des conditions environnementales sur place.
Un coup d'œil dans la jungle des antennes :
les différentes configurations
Les antennes filaires horizontales ou verticales alimentées en extrémté fonctionnent de manière asymétrique par rapport à la terre et peuvent être à haute, moyenne ou basse impédance, selon leur longueur et leur fréquence. La plupart du temps, elles se présentent sous la forme d'une antenne en L. L'alimentation à basse impédance nécessite toujours une bonne mise à la terre haute fréquence par un contrepoids.
Terre ou contrepoids
L'alimentation à haute impédance, dite en tension, fonctionne en revanche largement indépendamment de la terre. Les points d'alimentation à impédance extrêmement élevée (> 1 kΩ) ou faible (< 50 Ω) peuvent toutefois poser des problèmes d'adaptation s'ils sont situés en dehors de la plage d'adaptation d'un coupleur. Les antennes filaires de moyenne impédance au point d'alimentation s'adaptent toujours sans problème.
Terre ou contrepoids
Terre ou contrepoids
Les antennes verticales classiques fonctionnent en résonance lambda/4 et sont conçues pour être alimentées par un câble coaxial. Dans ce cas, il ne s'agit en fait que de réduire le rapport d'ondes stationnaires aux extrémités de la bande de S = 3,0 ou 2,0 pour la sortie de l'émetteur à s = 1,5 ou moins.
Il en va de même pour toutes les autres antennes filaires résonnantes alimentées par câble coaxial, comme les dipôles mono ou multibandes, les antennes Windom ou à boucle et les antennes delta loop. Pour cela, un simple tuner d'antenne asymétrique avec sortie de câble coaxial convient, la plage d'adaptation d'impédance n'a pas à être soumise à de trop grandes exigences. L'important ici est que le coupleur puisse également traiter des impédances inférieures à 50 Ω.
L'antenne dite Levy ou double Zepp ne fonctionne qu'avec une ligne bifilaire accordée, mais les antennes à boucle et les antennes Windom, ainsi que l'antenne Zeppelin classique "à une jambe" sont également alimentées par une ligne bifilaire. Associées à un tuner d'antenne symétrique avec une large plage d'adaptation, ces antennes permettent un véritable fonctionnement multibandes. Un autre avantage de l'alimentation symétrique est la grande indépendance de l'antenne par rapport à la terre.
Quel est le circuit qui vous convient le mieux ? Aperçu des concepts de circuits
Le circuit en L simple, dans ses quatre possibilités de câblage différentes comme passe-bas ou passe-haut en transformation ascendante ou descendante, n'a qu'une plage d'adaptation limitée avec les valeurs d'inductance et de capacité habituelles. Pour une large plage d'adaptation, des valeurs maximales élevées d'inductance et de capacité sont nécessaires, de sorte que les valeurs et les composants deviennent rapidement encombrants.
TX, Ant
TX, Ant
TX, Ant
TX, Ant
C'est pourquoi ce circuit n'est utilisé que dans les tuners d'antenne asymétriques simples pour les antennes alimentées par câble coaxial, où il s'agit uniquement d'amener le VOS aux extrémités de la bande à une valeur compatible avec le transceiver. Le circuit en L présente toutefois un grand avantage : avec ses deux composants et son dimensionnement optimal, le circuit en L est le circuit d'adaptation à plus faibles pertes. Il est donc souvent utilisé pour adapter les antennes à une fréquence fixe.
Le filtre Pi classique est une évolution du circuit en L et consiste en la combinaison d'un filtre passe-bas descendant et d'un filtre passe-bas ascendant, réunissant ces deux caractéristiques en un seul circuit. En tant que filtre passe-bas, il offre une bonne suppression des harmoniques, mais nécessite des composants avec des valeurs d'inductance et de capacité plus élevées pour une large plage d'adaptation et en particulier pour les bandes d'ondes courtes basses. Le filtre Pi ne peut pas se contenter des condensateurs rotatifs de 220 à 330 pF utilisés dans d'autres circuits de couplage. Par conséquent, le filtre Pi, par ailleurs très polyvalent, n'est que rarement utilisé dans les tuners d'antenne actuels.
Les circuits passe-haut en T et leurs formes modifiées sont capables de traiter des impédances extrêmement différentes sur une gamme de fréquences continue de 1,5 à 30 MHz. Avec ses valeurs de capacité relativement basses et communes de 220 à 330 pF maximum pour les deux condensateurs rotatifs et une inductance maximale de 25 à 30 µH, le filtre passe-haut en T s'est imposé dans la plupart des tuners d'antenne asymétriques disponibles sur le marché.
Sur la base les circuits de base, d'autres concepts de circuits plus élaborés de tuners d'antenne actuels suivent. Avec l'utilisation d'un condensateur rotatif différentiel, le filtre passe-haut en T possède deux éléments de commande, à savoir une self à roulette ou à commutation et un bouton rotatif, ce qui rend l'utilisation de ce circuit particulièrement confortable et simple. Un axe permet d'augmenter simultanément une capacité partielle et de diminuer l'autre de la même quantité ou inversement.
Si l'on remplace, dans le circuit passe-haut en T traditionnel, le condensateur rotatif côté émetteur par un condensateur rotatif différentiel parallèle à la bobine, celui-ci forme un diviseur de tension capacitif côté entrée, dont la capacité totale fonctionne également, avec la bobine comme un circuit LC résonant. Ce circuit est connu sous le nom de Transmatch et offre, en plus d'une gamme d'accord étendue, une présélection supplémentaire du côté de la réception.
Pour les tuners d'antenne entièrement symétriques de haute qualité, le double circuit L symétrique est le nec plus ultra. Pour une transformation vers le bas ou vers le haut, on peut installer un condensateur rotatif de chaque côté et placer celui qui n'est pas utilisé à sa capacité minimale (capacité initiale). Sur les bandes supérieures, la capacité résiduelle est toutefois gênante, c'est pourquoi, dans la pratique, un condensateur rotatif est généralement commuté entre les deux côtés par des relais compatibles HF. Les propriétés de symétrie déjà excellentes peuvent être encore améliorées au prix d'un investissement considérable en composants et en mécanique.
Self à roulette ou self commutable ? Les bobines et leurs avantages et inconvénients
La bobine est le composant d'un tuner d'antenne qui entraîne toujours la plus grande part de pertes ! Pour faire varier l'inductance dans de larges limites, il existe au moins trois possibilités : La solution la plus simple et la plus économique est ce que l'on appelle une bobine à air ou une bobine toroïdale avec des prises commutables. Pour que la plage de fréquences et d'adaptation ne présente pas de trous, il faut disposer d'un maximum de prises. Les appareils avec une seule prise par bande n'offrent qu'une plage de travail limitée.
L'avantage de la self à roulette est que son inductance est réglable en continu, ce qui garantit une plage d'accord continue du tuner d'antenne. Mais les selfs à roulette ont aussi des inconvénients ! Le contact du galet mobile - peut, selon la qualité de la réalisation mécanique, introduire dans le circuit des pertes dues à une résistance de contact trop importante en cas de mauvais contact. Dans les cas extrêmes, la résistance de contact change continuellement lorsque la bobine tourne, de sorte que l'affichage du ROS change souvent brusquement lors du réglage. On ne peut que mettre en garde contre de tels spécimens ! Les bobines de haute qualité sont malheureusement des composants coûteux.
Les selfs à roulettes et les bobines à air ou toroïdales ont un inconvénient commun : les sections de bobine non utilisées doivent être soit court-circuitées, soit déconnectées. C'est presque exclusivement la première méthode qui est utilisée : la pratique courante consiste à court-circuiter la section de bobine non utilisée. Les spires court-circuitées forment cependant, avec les spires de la partie "active" de la bobine, un autotransformateur dont la partie de la bobine non utilisée est court-circuitée. Une part non négligeable de la puissance peut être perdue dans la section court-circuitée. Si l'on laisse les spires non utilisées ouvertes et "électriquement suspendues dans l'air", des résonances indésirables peuvent se former en combinaison avec les capacités de commutation.
Champ de fuite et pertes dans les tuners d'antenne :
les avantages des bobines toroïdales
Un autre problème provient du champ de fuite de toute bobine cylindrique ou enroulée. Les boîtiers trop petits en tôle d'acier, en particulier, provoquent des pertes par courants de Foucault. Dans l'offre de tuners d'antennes de fabrication commerciale, on trouve malheureusement quelques exemplaires dans lesquels une bobine cylindrique ou une bobine mobile a été coincée entre les deux coques de boîtier en tôle d'acier avec un écart de 1 à 2 cm seulement. Quelques minutes d'émission continue avec une puissance d'émission de 100 W, et on peut sentir un point chaud sur le couvercle du boîtier à l'endroit où la bobine est montée dans l'appareil. Une construction aussi compacte que possible et, d'autre part de faibles pertes sont donc deux exigences qui s'excluent mutuellement.
En ce qui concerne cette problématique, les bobines toroïdales sont clairement avantagées, car elles ne provoquent pratiquement pas de champ de fuite. C'est pourquoi elles sont principalement utilisées dans les appareils compacts destinés à une utilisation portable. Toutefois, d'autres critères doivent être pris en compte lors de l'utilisation de bobines toroïdales. Le matériau du noyau toroïdal doit être adapté à la gamme de fréquences et la taille du noyau toroïdal doit être dimensionnée pour la puissance maximale, afin que le noyau toroïdal n'atteigne pas la saturation. C'est pourquoi seuls les grands noyaux toroïdaux en poudre de fer sont adaptés.
Condensateurs rotatifs et interrupteurs -
à quoi faut-il faire attention ?
En outre, il faut faire attention à la conception mécanique et à la qualité des condensateurs rotatifs. Dans les tuners d'antenne simples et bon marché, on ne trouve souvent que des condensateurs rotatifs montés d'un seul côté, qui méritent plutôt le nom de condensateurs ajustables. Dans ces cas, le contact avec le rotor n'est généralement que primitif. Les meilleures versions de véritables condensateurs rotatifs sont dotées d'un axe de rotor à deux paliers avec des roulements à billes et un corps en céramique. Comme nous l'avons déjà mentionné, le contact au niveau du rotor est toujours un point critique. Ici, le matériau, la pression et la taille de la surface de contact sont déterminants. La distance entre les plaques détermine la tension d'isolement et donc la puissance maximale que le tuner peut supporter.
Un condensateur rotatif à stator divisé permet d'éviter complètement le contact avec le rotor. Si ce condensateur rotatif est monté de manière isolée sur le châssis de l'appareil, le rotor forme avec les deux paquets de stators séparés un circuit série variable, ce qui double l'isolation du diélectrique, mais la capacité totale résultante est malheureusement divisée par deux. Pour une utilisation dans la gamme des ondes courtes inférieures, en particulier à 160 m, il peut être difficile de disposer d'une capacité suffisante, car il n'existe guère de condensateurs rotatifs de ce type avec des valeurs de capacité correspondantes. Même avec un exemplaire de 2 × 500 pF, il ne reste que 250 pF de capacité totale.
Pour les commutateurs de sélection de bande pour les prises de bobine et autres fonctions de commutation dans la plage de puissance HF, les modèles en céramique sont toujours le premier choix. La commutation en charge doit être évitée, car même le meilleur des commutateurs a toujours un impact sur les contacts, jusqu'à la défaillance complète.
Les sorties d'antennes symétriques
et leurs défis dans
les tuners d'antennes
Un sujet délicat est la symétrisation ultérieure à la sortie côté antenne avec un balun 1:4 ou un "transmetteur de balun 1:1 pour résonances indéterminées". Cette méthode est utilisée dans de nombreux tuners d'antennes asymétriques afin de fournir, en plus et avec un minimum d'effort, la caractéristique d'une "sortie symétrique" pour le fonctionnement d'antennes alimentées par une ligne bifilaire. Une autre option, encore moins avantageuse, consiste à utiliser un câble coaxial de grande longueur comme symétriseur à l'extérieur de la station. Si, par hasard, la ligne bifilaire est en grande partie de faible ou moyenne impédance à sa base et qu'elle ne comporte que peu ou pas de parties réactives, cela peut fonctionner de manière assez fiable. Mais cela ne permet pas de gérer une alimentation en tension et des composantes réactives élevées. Et le fait que des composantes réactives élevées apparaissent au niveau du transformateur devrait être le cas le plus fréquent. Or, un transformateur balun n'est pas du tout conçu pour ce type de fonctionnement.
D'ailleurs, on a finalement recours à un rapport de transmission de 1:4 pour des raisons de coûts, car la fabrication est alors possible avec un simple bobinage bifilaire. Un rapport de transmission de 1:1 remplirait le même objectif, puisqu'il s'agit uniquement de la symétrisation. Le rapport de transformation est en fait secondaire, car les impédances varient de toute façon continuellement sur toute la gamme de fréquences en question, sur différentes antennes et longueurs de lignes bifilaires. Il est donc plus judicieux de faire passer le tout avec ce que l'on appelle un "balun pour impédances indéterminées" 1:1.
Les défis de la symétrisation forcée avec blocage des ondes de gaine dans les tuners d'antenne
La symétrisation forcée d'un tuner asymétrique par un filtre de gaine inséré à l'entrée côté émetteur doit également être considérée de manière critique. Cette mesure conduit certes à une alimentation symétrique de la ligne d'alimentation et de l'antenne, mais le bilan de puissance est au mieux décevant avec les dipôles raccourcis.
Coupleur d'antenne asymétrique surélevé avec filtre de gaine (choke) à l'entrée côté émetteur,
TX, CMC, AK, Ant
Coupleur d'antenne asymétrique avec filtre de gaine (chocke) à l'entrée côté émetteur et balun 1:4 à la sortie côté antenne.,
TX, CMC, AK, Ant
Symétrisation à l'entrée côté émetteur d'un coupleur d'antenne à structure symétrique.,
TX, CMC, AK, Ant
Le blocage des ondes de gaine permet certes d'éliminer le symptôme "ondes de gaine", dans la mesure où le blocage transforme sensiblement en chaleur l'énergie mal dirigée dans le matériau de ferrite. Cette part de puissance n'est donc toujours pas disponible pour un rayonnement. Seules les conséquences gênantes telles que la "masse chaude", les rayonnements et les perturbations sur son matériel électronique, etc. peuvent être facilement éliminées. De plus, dans le cas d'un tuner d'antenne à commande manuelle, le HF "chaude" provoque des effets de main gênants lors des réglages. En fait, ce procédé n'entre en ligne de compte que pour les tuners d'antennes automatiques isolés. Il faut toutefois noter que les lignes d'alimentation et de commande doivent également être incluses dans le blocage des ondes de gaine.
Le nec plus ultra pour les antennes alimentées symétriquement est toujours un vrai tuner d'antenne symétrique, dans lequel la symétrisation à l'entrée du tuner côté émetteur est réalisée par un vrai transmetteur balun ou un filtre de gaine Ainsi, les rapports sont en tout cas clairs. En particulier avec des antennes raccourcies et sur les bandes basses 80 m et 160 m, ce barrage d'ondes de gaine doit posséder une atténuation de blocage aussi élevée que possible !
Utilisation optimale : conseils pour le bon réglage de votre tuner d'antenne
Pour terminer, quelques considérations sur l'utilisation manuelle et le réglage corrects des tuners d'antenne. On observe souvent que les éléments de commande d'un tuner d'antenne sont tournés à l'aveuglette et de manière désordonnée et qu'après de longues tentatives de réglage, le résultat est "impossible". Il n'est absolument pas judicieux de tourner les éléments de commande de la self à roulette et des condensateurs rotatifs à la hâte et de manière non systématique. Trouver le bon réglage d'un tuner d'antenne ne devrait pas être laissé au hasard. Idéalement, il faudrait comprendre ce qui se passe dans l'appareil et quelles sont les conséquences d'une augmentation ou d'une diminution des valeurs des capacités et des inductances.
Un préréglage approximatif est déjà possible en réception, en réglant les deux condensateurs rotatifs sur une valeur moyenne et en les réglant avec la self à roulette ou à commutation sur un signal de réception maximal, ou plus précisément sur un bruit de fond maximum du récepteur. Ce réglage de base offre une bonne base de départ pour se rapprocher du réglage optimal en observant la tendance du ROS.
Si nous avons par exemple augmenté la capacité du condensateur rotatif du côté de l'émetteur, la capacité du condensateur rotatif du côté de l'antenne doit être réduite de la même quantité, ou le contraire. Autrement dit et plus simplement : si nous tournons un bouton rotatif vers la gauche, nous devons tourner l'autre vers la droite. La manipulation des deux condensateurs rotatifs se fait donc toujours alternativement dans le sens opposé. Si l'un des boutons est tourné vers la gauche, l'autre doit être tourné vers la droite et inversement.
Il en va de même pour l'inductance. Si nous augmentons l'inductance, les capacités des condensateurs rotatifs doivent être réduites - ou inversement.
On constate rapidement qu'il est possible d'obtenir un bon ROS avec des réglages très différents. Le réglage optimal avec le moins de pertes dans le coupleur est toujours celui avec la plus petite inductance nécessaire - donc celui avec le moins de spires de bobine possible.
Conseil : lors du processus de réglage, toujours commencer par la plus faible inductance et augmenter graduellement. Le premier réglage qui permet d'atteindre un ROS de 1,0 est toujours celui qui a la plus petite valeur d'inductance nécessaire et donc le moins de pertes - donc le réglage optimal.
Accordeurs automatiques d'antennes :
l'avenir de l'accord
Les coupleurs automatiques utilisent principalement des filtres Pi asymétriques, ou plus précisément des filtres Pi symétriques en configuration passe-bas. Dans ce cas, les bobines et les condensateurs sont répartis en plusieurs valeurs individuelles fixes, échelonnées de manière binaire et montées en série ou en parallèle. Pour cela, toutes les bobines individuelles sont montées en série et les condensateurs en parallèle. Un contact de relais est placé en parallèle avec chaque bobine et un contact de relais est placé en série avec chaque condensateur. L'ouverture et la fermeture des contacts de relais permettent d'ajouter ou de supprimer chaque valeur individuelle. Il est ainsi possible de représenter n'importe quelle valeur entre l'inductance et la capacité minimales et maximales dans le cadre des valeurs échelonnées binaires par petits paliers. La commande des relais est assurée par un microcontrôleur qui évalue le ROS d'entrée.
Les tuners d'antenne automatiques sont appréciés et très répandus, car le processus d'accord se déroule automatiquement en très peu de temps, et les valeurs d'accord une fois trouvées sont enregistrées et peuvent être reproduites à tout moment à partir de la mémoire. En tant que "coupleurs coaxiaux" asymétriques, ils sont utilisés à l'extrémité de la station et, comme les tuners automatiques directement intégrés dans les émetteurs-récepteurs, ils sont conçus pour étendre la plage de fonctionnement d'une antenne résonnante alimentée par câble coaxial jusqu'à un ROS d'environ s = 3,0.
Les tuners automatiques d'antennes dans des boîtiers résistants aux intempéries avec connexion asymétrique sont conçus pour des antennes filaires ou verticales alimentées en bout de ligne de presque n'importe quelle longueur. Ces tuners automatiques doivent être placés à l'extérieur de la station, directement au point d'alimentation des antennes. Cela permet de résoudre bien des problèmes électriques et dimentionnels liés aux antennes.
La HF arrive sans rayonnement au point d'alimentation de l'antenne grâce au câble coaxial. Une seule chose peut poser problème ici aussi : Sans une bonne mise à la terre HF, même un coupleur automatique ne peut faire son "travail" que plus ou moins bien, voire pas du tout. Une bonne mise à la terre HF n'est malheureusement pas toujours présente là où le coupleur trouve sa place. La mise à la terre proprement dite ne commence qu'à la surface du sol et chaque fil de connexion du coupleur jusqu'à ce point agit lui-même comme une partie de l'antenne. Il rayonne et entraîne des pertes.
En outre, lors de l'utilisation de tuners d'antenne automatiques, il convient de garder à l'esprit les points suivants : Ce qui se passe réellement au point d'alimentation reste souvent caché. Si aucun affichage sur un écran ne renseigne sur les valeurs de réglage, une modification du point d'alimentation passe inaperçue, par exemple si la résistance de contact au niveau du raccordement a augmenté en raison de la corrosion ou si de l'eau a pénétré dans le balun ou le câble coaxial. Le coupleur s'adapte aux conditions modifiées et s'ajuste à nouveau avec des valeurs de réglage modifiées et, dans le pire des cas, ne se met en grève que lorsque l'antenne est tombée.
Les tuners automatiques asymétriques dans les variantes pour les antennes alimentées par coaxial et les antennes filaires alimentées en bout de ligne sont maintenant disponibles "comme des grains de sable" chez de nombreux fabricants. Parmi les quelques coupleurs automatiques entièrement symétriques pour le raccordement de lignes bifilaires, le choix n'est pas aussi vaste. Ces coupleurs sont tous, sans exception, logés dans des boîtiers protégés contre les intempéries et conçus pour un montage extérieur. Il existe des coupleurs entièrement automatiques qui démarrent et exécutent automatiquement le processus d'accord - et d'autres avec un appareil de commande externe sur lequel les valeurs de réglage peuvent être sélectionnées manuellement et sauvegardées une fois le réglage optimal atteint. Les radioamateurs ont également développé des tuners d'antennes symétriques télécommandés, proposés sous forme de kits de cartes électroniques.
L'utilisation d'éléments d'accord motorisés, c'est-à-dire de bobines mobiles et de condensateurs rotatifs, est plus complexe d'un point de vue mécanique et financier. Cette méthode est utilisée dans quelques appareils haut de gamme.
Présélection supplémentaire et suppression des harmoniques
Pour terminer, il ne faut pas oublier de mentionner deux autres aspects positifs d'un tuner d'antenne. Un filtre Pi et un circuit LC passe-bas offrent une suppression supplémentaire des harmoniques. Mais cela ne joue plus un grand rôle pour les émetteurs-récepteurs radioamateurs actuels fabriqués dans le commerce, car les valeurs de suppression des harmoniques requises sont déjà dépassées par les appareils. La suppression supplémentaire des harmoniques ne devrait être utile que pour les appareils à construire soi-même.
Côté réception, un tuner d'antenne assure une présélection supplémentaire en atténuant, selon le type de circuit, les fréquences supérieures ou inférieures à la fréquence de réception.
En fait, on ne devrait pas accorder autant d'attention au rapport d'ondes stationnaires (ROS) : même avec un ROS de s = 3,0, on ne perd que 1,25 dB de puissance, et avec S = 2,0, on ne perd que 0,5 dB. Personne n'entend ces différences à l'autre bout de la chaîne de transmission ! Toutefois, la plupart des émetteurs-récepteurs modernes commencent à réduire leur puissance à partir de s = 1,5, et au plus tard à s = 2,0. Si, par exemple, on n'émet plus qu'avec 20 W au lieu de 100 W, cela se remarque très bien avec une diminution d'un bon point S. C'est pourquoi on vise un ROS perfectionniste de s ≤ 1,5 et moins.
Pourquoi un ROS de 1,5 ou mieux ?
L'embarras du choix :
les tuners d'antenne des meilleurs fabricants
La catégorie des tuners d'antenne offre un choix abondant. Parmi les fabricants Acom ; Ameritron ; CG Antenna ; Flexradio ; Icom ; LDG ; mAT ; MFJ ; Palstar ; SGC et Yaesu, vous trouverez principalement des tuners d'antenne utilisables librement, mais aussi des tuners d'antenne dédiés à des types d'émetteurs-récepteurs. En commençant par le simple tuner d'antenne asymétrique à commande manuelle, en passant par une multitude de coupleurs automatiques asymétriques jusqu'aux appareils de pointe entièrement symétriques en automatique ou à commande manuelle. Les classes de puissance vont du petit tuner d'antenne QRP léger à la classe des kilowatts, aussi bien en version de table qu'en version télécommandable pour le montage en extérieur.