Groupement d'antennes Yagi pour VHF et UHF

Cet article s'adresse en premier lieu aux amateurs VHF qui ont besoin d'un groupement d'antennes plus grand et plus puissant pour les opérations DX terrestres et les opérations spéciales comme l'EME et le MS. Si vous êtes un nouveau venu et que vous avez déjà acquis de l'expérience en VHF, vous pouvez obtenir de bons résultats avec seulement deux yagis à 7 éléments et un groupement vertical.

Quel est l'intérêt de grouper les antennes VHF verticalement ou horizontalement, ou verticalement et horizontalement dans un groupe ? Le groupement est utilisé comme méthode pour obtenir un meilleur gain d'antenne dans une direction privilégiée. Laissons Martin Steyer, DK7ZB, s'exprimer sur cette question. Il a déjà publié à la fin des années 90 un article très clair sur ce sujet [1]. Lisez la version remaniée pour savoir quelles sont les possibilités d'augmenter le gain d'une installation d'antennes en les groupant et quel effort est nécessaire pour y parvenir.

Vous trouverez ici l'article de Martin Steyer, DK7ZB, qui a été mis à notre disposition avec l'aimable soutien de la revue spécialisée "Funkamateur" :

Référence de la source :

[1] Steyer, M., DK7ZB: Sticking of VHF Yagi antennas, FUNKAMATEUR 46 (1997), H. 5, pp. 602-605

De la norme aux défis

Parmi les radioamateurs, l'antenne réseau à 16 éléments est devenue un standard. C'est l'antenne directionnelle la plus souvent construite et utilisée dans la bande des 2 mètres. Les antennes à 12, 24, 32 ou même 48 éléments ne sont que rarement utilisées. Avec l'augmentation du nombre d'éléments, le rapport entre l'investissement matériel et le gain devient de moins en moins favorable et les problèmes mécaniques augmentent également. Les grands réseaux d'antennes ont une charge de vent élevée et posent des exigences élevées à la capacité de charge du mât d'antenne, du tube vertical, de la structure porteuse et du rotor. Lors de la mise en œuvre pratique, les questions suivantes se posent : Quelle est la distance optimale de couplage et comment s'effectue l'interconnexion correcte des différentes antennes ?

Le dilemme des distances de couplage

Il n'est pas facile de répondre à la question de la bonne distance de couplage. La bonne distance de couplage ne peut être déterminée qu'au cas par cas et pour des applications définies. En principe, deux cas limites différents se présentent, que ce soit pour deux antennes ou un grand réseau d'antennes. Pour un gain maximal possible d'environ 3 dB, la distance nécessaire est relativement grande. De plus, par rapport à une seule antenne Yagi, il se forme de plus en plus de lobes secondaires et de points zéro dans le diagramme directionnel vertical. En outre, une grande distance de couplage complique également la réalisation mécanique. Une distance nettement plus petite permet certes de supprimer de manière optimale les lobes secondaires, mais le gain maximal atteignable est alors réduit à 1,5 à 1,8 dB. L'exemple de deux yagis verticales à 7 éléments pour la bande 2 m illustre le dilemme posé par les différentes distances de couplage dans trois études de cas. Les yagis ont chacune une longueur de boom de 3,0 m et un gain de 10,5 dBd.

Cas 1 :

• Distance de couplage : 3,12 m
• Gain de couplage : 13,9 dBd
• lobes secondaires : +/- 30 degrés autour de la direction principale de rayonnement
• lobes secondaires supprimés : -8 dB

Cas 2 :

• Distance de couplage : 2,46 m
• Gain de couplage : 13,5 dBd
• Atténuation des lobes secondaires >12,5 dB

Cas 3 :

• Distance de couplage 1,14 m
• Gain de couplage : 12,0 dBd
• Atténuation des lobes secondaires : -40 dB

Si l'on compare ces trois cas de figure, on peut se demander si tous ces efforts valent la peine pour cette différence marginale de gain.

Mécanique et physique dans la construction d'antennes

Rien que pour des raisons mécaniques, on est enclin à donner la préférence à l'interconnexion verticale. Par exemple, quatre antennes superposées sont en pratique bien meilleures que quatre antennes dans une croix en H, dont les problèmes mécaniques peuvent rapidement devenir si importants qu'on ne peut déjà plus réaliser cette forme de construction avec des antennes de 1,5 ʎ de long. A la construction compliquée de la croix en H peut s'ajouter le moment d'inertie élevé de la surface. Voici une brève incursion dans la physique : pendant le mouvement de rotation, le moment d'inertie de surface se rapporte au couple comme la masse à la force du mouvement de rotation linéaire. Le moment d'inertie de surface augmente avec la distance entre la masse à mettre en mouvement de rotation et le centre de rotation ou l'axe de rotation. Ainsi, les antennes excentrées (même symétriques) ont un moment d'inertie de surface beaucoup plus important que les antennes verticales dont le centre de gravité coïncide avec le centre de rotation. Cela semble compliqué au premier abord, un exemple concret tiré de la pratique le rendra plus clair :

Avez-vous déjà essayé de tourner à la main un grand groupe de yagis en configuration H pendant un Fieldday ? Vous saurez alors que, contrairement à un groupe d'antennes empilées, c'est un travail qui demande beaucoup d'énergie. Avec la construction en porte-à-faux d'un groupe en H, il faut beaucoup plus de temps pour mettre la masse en mouvement et réagir rapidement aux changements d'orientation de l'antenne. Le rotor est soumis à des forces de torsion (torsion longitudinale) beaucoup plus importantes lors de l'accélération et du freinage. Par conséquent, le rotor doit également être conçu "une taille au-dessus". Ce sont autant de raisons qui plaident en faveur d'un montage exclusivement vertical.

Pourquoi le couplage vertical est le meilleur choix

• Le couplage vertical donne un lobe de direction horizontal plus large et un diagramme vertical plus étroit.
• Le couplage horizontal donne un lobe de direction vertical plus large et un diagramme horizontal plus étroit.

Câble coaxial vs. ligne bifilaire

Dans la plupart des cas, en VHF, l'adaptation se fait à l'aide d'éléments de transformation quart d'onde. Nous ne parlerons ici que de la technique coaxiale, bien qu'il ne soit pas forcément conseillé d'utiliser des câbles coaxiaux comme lignes de connexion lors de l'interconnexion de très grands groupes avec de longues antennes. Dans leur ensemble, ils peuvent rapidement atteindre une longueur de plusieurs mètres avec l'atténuation supplémentaire correspondante. De plus, les câbles à faible atténuation sont lourds et entraînent une augmentation non négligeable de la masse. Pour ces raisons, les spécialistes utilisent dans les grandes installations EME des câbles bifilaires qu'ils ont eux-mêmes construits et qui sont beaucoup plus légers et présentent moins d'affaiblissement. Il faut toutefois s'attendre à une augmentation du ROS en cas d'humidité et à ce que rien n'aille plus en cas de givre ou de gel.

La technologie de la répartition efficace de la puissance

Les têtes d'adaptation coaxiales, également appelées coupleurs 3 dB ou répartiteurs -3 dB, répartissent la puissance fournie sur deux antennes à raison de la moitié (50%) chacune, tout en conservant l'impédance. Ils utilisent le fait que l'impédance caractéristique des lignes coaxiales dépend du rapport entre le diamètre du conducteur intérieur et celui du conducteur extérieur. Les propriétés du diélectrique, ici l'air, jouent également un rôle. En principe, la forme de la section des conducteurs est indifférente, c'est pourquoi la section du conducteur extérieur peut être carrée même si le conducteur intérieur est rond. L'avantage est que l'on peut ainsi visser facilement des embases coaxiales, ce qui n'est pas possible facilement avec des conducteurs ronds. Le rapport D/d, diamètre extérieur (D) sur diamètre intérieur (d), détermine l'impédance caractéristique Z du montage.

Des répartiteurs quadruples industriels aux solutions coaxiales de bricolage

Les répartiteurs quadruples industriels, dimensionnés pour la bande 70 cm ou 23 cm, présentent des dimensions assez pratiques. Mais en règle générale, on devrait plutôt utiliser des câbles coaxiaux pour les groupes de deux ou quatre dans les bandes de 2 m et 70 cm, ce qui conduit à une mécanique assez simple. Même DK7ZB préfère, du moins pour 144 MHz, l'adaptation des câbles en raison de la longueur peu pratique des constructions tubulaires. Un peu de mathématiques et des normes de câble usuelles permettent de réaliser soi-même des solutions extrêmement avantageuses.

Couplage vertical de deux antennes

Au point de jonction, il doit y avoir une impédance de 100 Ω sur chacun des deux câbles amenés par les antennes, afin d'obtenir, en cas de montage en parallèle, l'impédance de 50 Ω nécessaire pour le câble coaxial de dérivation. Pour cela, l'impédance caractéristique du câble de transformation se calcule selon la relation $Z=\sqrt{Za*Ze}$ à 70,7 Ω.

Une impédance caractéristique de 70 Ω donne donc une adaptation parfaite. Il est toutefois désormais difficile de se procurer de tels câbles coaxiaux, qui ne sont plus fabriqués actuellement. Si l'on accepte un ROS légèrement plus élevé de 1,13, il est tout à fait possible d'utiliser des câbles de 75 Ω. La longueur doit être un multiple impair de ʎ/4 pour que la condition de transformation soit remplie. Il faut en outre tenir compte du facteur de raccourcissement, qui varie en fonction du diélectrique. Pour les câbles entièrement en polyéthylène, V = 0,667, pour les câbles à forte teneur en air (H500, H100, Aircom et autres), il est plus élevé, généralement entre 0,78 et 0,85. Il faut donc tenir compte des indications du fabricant. Pour ces raisons, on utilisera dans la pratique des longueurs de câble de 5 ʎ/4, 7 ʎ/4 ou 9 ʎ/4 en fonction de la distance de couplage.

Pour le câblage, il est important de garder les câbles de raccordement aussi courts que possible et de tenir compte du blindage (avec la longueur de blindage des connecteurs éventuellement utilisés) lors du calcul de la longueur. La largeur de bande utilisable dépasse en tout cas les limites de la bande de 2 m ou 70 cm, de sorte qu'un dimensionnement pour le milieu de la bande est tout à fait suffisant.

Câblage précis et mécanique soignée

Un autre point important mérite encore d'être pris en considération : la disposition des antennes doit être telle que tous les éléments rayonnants soient excités en phase. Cela signifie que les lignes gamma-match, les conducteurs internes des câbles balun demi-onde et les câbles coaxiaux pour l'alimentation DK7ZB doivent être placés du même côté (et respectivement en bas) pour toutes les antennes. Pour la bande 2 m, il n'est pas nécessaire d'utiliser des coupleurs mécaniques si l'on parvient à réaliser des soudures propres sur les câbles d'adaptation. Pour le 70 cm, les transformateurs de câble devraient présenter des pertes supplémentaires légèrement plus élevées, mais encore supportables. Pour le 23 cm, seuls les coupleurs coaxiaux sont recommandées.

En principe, les valeurs théoriques du gain sont toujours plus élevées que celles que l'on obtient réellement, car les câbles, les connecteurs et les lignes de connexion avec soudures entraînent toujours des pertes inévitables. Il convient donc d'y prêter une attention particulière. En ce qui concerne la mécanique des points de jonction sur les tubes d'une croix en H, la construction maison permet d'éviter des dépenses importantes. Après le montage final, une protection supplémentaire contre la corrosion devrait être assurée par plusieurs pulvérisations de spray plastique.

Exemple extrême : antenne EME chez DL7APV

Antenne réseau de 128 yagis à 11 éléments pour 432 MHz. Angle d'ouverture horizontal 1,8°, vertical 3,8°, gain 33,6 dBd.

www.dl7apv.de

Photo: Bernd Wilde, DL7APV (†)

Des yagis pour les plus hautes exigences

Tout d'abord, vous devez réfléchir à partir de quelles antennes Yagi vous voulez construire votre réseau d'antennes. Les yagis WiMo selon DK7ZB sont basées sur une technique électrique et mécanique sans compromis et proviennent de notre propre fabrication "Made in Germany". Les principes de conception de ces yagis sont un gain maximal avec une bande passante élevée et une bonne atténuation des lobes secondaires et arrière. Les yagis sont conçues pour un profil de courant optimal. Il en résulte un nombre minimal d'éléments nécessaires, car le gain de l'antenne dépend d'abord de la longueur de l'antenne et non du nombre d'éléments !

Pour éviter les pertes par effet de peau, seuls des éléments de 8 mm de diamètre en alliage d'aluminium hautement conducteur sont utilisés. C'est un bon compromis entre des pertes électriques minimales et la charge de vent possible. Avec des éléments en acier, on perdrait plus de 0,5 dB de gain en raison d'une moins bonne conductivité. La fixation des éléments se fait de manière stable à long terme avec des supports d'éléments en polyamide résistants aux UV, qui ne montrent aucune modification des données électriques, même après des années. Le montage direct sur le tube de boom avec des pinces de maintien métalliques s'accompagne d'une oxydation aux points de contact et entraîne une modification insidieuse des données de l'antenne. L'élément rayonnant d'une telle yagi est toujours un dipôle replié avec un balun en téflon, dans un boîtier dipôle résistant aux intempéries, soudé à froid et en plus recouvert de mousse. Le raccordement se fait par des prises N.

La construction légère rencontre la haute performance

Les yagis Flexa sont développées et fabriquées depuis plus de 30 ans par le bureau d'ingénieurs RS en Allemagne. Pour la conception du produit de ces antennes yagi, on suit une voie un peu différente. Le principe d'optimisation selon DL6WU permet d'obtenir d'excellentes données pour le gain, le diagramme, l'adaptation, la bande passante et les faibles pertes en évitant les courants d'éléments extrêmement élevés. Grâce à l'utilisation d'éléments minces en acier inoxydable, les yagis Flexa se distinguent par un poids particulièrement faible. Cela plaiderait à son tour pour une utilisation dans des antennes collectives. Le balun est monté à l'extérieur à l'aide d'un câble coaxial demie-onde en Teflon.

Bien entendu, la diversité des produits sur le marché est en conséquence et d'autres antennes Yagi sont proposées sous les marques EAntenna, InnovAntennas, YU1CF Yagis et I0JXX Yagis.

Adaptation d'impédance quasiment sans pertes

Un coupleur coaxial, ou encore un répartiteur de puissance (-3dB-Splitter), permet de relier deux ou quatre antennes identiques. Le coupleur se charge de la transformation presque sans perte de l'impédance caractéristique des 12,5 Ω ou 25 Ω des antennes connectées en parallèle aux 50 Ω nécessaires. Au-dessus de 70 cm, il faut dans tous les cas utiliser des coupleurs mécaniques tubulaires pour cette tâche. Dans les bandes 2 m et 70 cm, on peut également travailler avec des lignes de phase. Vous pouvez choisir parmi une vaste gamme de têtes d'adaptation et de lignes de phase prêtes à l'emploi pour toutes les bandes radioamateur (VHF, UHF, SHF) et une puissance d'émission maximale de 2000 W.

Commande d'antenne pour grands réseaux d'antennes

Pour le radioamateurisme terrestre traditionnel, vous avez besoin d'un rotor azimutal qui permet de couvrir 360° à l'horizontale. Pour des modes d'exploitation particuliers tels que EME, MS et Aurora, un rotor d'élévation supplémentaire est nécessaire pour pouvoir orienter l'antenne également à la verticale jusqu'à 90°. En particulier si l'on souhaite déplacer un grand réseau d'antennes, la capacité de charge, le couple de rotation et le moment de flexion d'un rotor d'antenne sont des critères importants. Non seulement le rotor lui-même doit être d'un "plus grand calibre", mais il ne peut guère fonctionner sans un palier supérieur. Seul un palier supérieur supplémentaire permet d'absorber les forces latérales. La charge mécanique augmente donc et des éléments supplémentaires sont nécessaires pour le palier supérieur : un tube de support ou déjà un mât en treillis plus petit, ainsi qu'une plate-forme pour le palier supérieur. Vous trouverez de plus amples informations sur ces aspects dans notre "Guide des rotors d'antennes".

Matériel de montage essentiel pour groupement d'antennes

L'énumération de l'assortiment de matériel de montage n'est pas exhaustive. Voici le "petit matériel" le plus important, qui est probablement nécessaire pour chaque construction d'une antenne collective :

Colliers de serrage en croix et plaques en croix, supports de fixation, étriers en U, colliers de serrage doubles, colliers de serrage pour tubes, contre-colliers de serrage, colliers de serrage pour haubans, tubes en aluminium, tubes en acier, tubes en plastique renforcé de fibres de verre, capuchons de mât, supports de mât, pieds de mât et colliers de pied de mât, demi-coques et douilles de serrage pour tubes en plastique renforcé de fibres de verre, ainsi que supports d'éléments en plastique pour tubes ronds de boom ou profilés rectangulaires. Parmi les articles en métal, beaucoup sont disponibles en version "galvanisée" ou "acier inoxydable".

Maintenant, planifier et réaliser

Si vos plans pour la construction d'un réseau d'antennes sont mûrs et que vous avez pris la décision de réaliser ce vaste projet de construction d'antennes - alors laissez-vous conseiller ! L'équipe WiMo est à l'écoute de vos souhaits et de vos idées. Nous vous souhaitons beaucoup de succès dans la construction d'antennes !

Juillet 2024, Alfred Klüß, DF2BC