Système de 4 antennes verticales en phase

Voici la description sommaire d'un système d'alimentation et de commutation permettant de mettre en phase quatre antennes verticales 40m, 80m ou 160m. Les principes décrits ici sont bien sûr applicables à toutes les autres bandes, mais l'intérêt est alors moins évident, une antenne directive donnera des meilleurs résultats pour un investissement identique.

Le système de déphasage est articulé autour d'un déphaseur hybride COLLINS. Ce système de mise en phase est loin d'être le meilleur, mais il a le mérite d'être de construction et une mise en œuvre faciles, notamment pour les contests, les field-days et les expéditions.

De nombreuses stations utilisent ce système avec succès qui a fait ses preuves.

 Photo d'un système de 4 antennes pour la bande des 80m. (Cliquez sur l'image pour agrandir)

SCHEMA DU SYSTEME DE DEPHASAGE et de la BOITE DE COMMANDE

(*) est la position par défaut sans aucune alimentation. Devrait être votre direction privilégiée.

Diagramme de rayonnement en azimut et position des antennes, système en position NW.

Diagramme de rayonnement en élévation.

Un coupleur hybride, s'il est bien réalisé, génère 2 tensions égales et déphasées de 90° entre elles sur ces deux sorties, mais uniquement lorsque les impédances de charge sont égales à l'impédance pour laquelle il a été calculé et si ces impédances sont constantes ! Ces conditions sont rarement respectées, et il s'agit donc d'un compromis. Le déphasage reste cependant relativement constant, alors que les tensions varient en fonction de la fréquence et de la variation des impédances de charge.

Pour tenter de garder l'impédance de charge constante, il est fait appel à une propriété du quart d'onde qui permet de garantir une valeur constante du courant à l'extrémité du quart d'onde et ce, indépendamment de l'impédance de l'antenne qui varie du fait du couplage mutuel des antennes entre elles.

Les coaxiaux alimentant les antennes à partir du déphaseur sont réalisées en câble coaxial de 75 Ohms d'une longueur électrique égale au quart d'onde. Il faut utiliser du câble semi-aéré ayant un coefficient de vélocité d'au moins 0,76, le câble de distribution TV à isolant mousse est parfait pour cet usage. Les câbles ayant un coefficient de 0,66 seraient trop courts pour relier la boîte de commutation qui se situe au centre du carré et devraient alors être coupés en multiples impairs d'un 1/4 d'onde.

Le respect de cette longueur de quart d'onde des lignes de phase est indispensable au bon fonctionnement du système.

Le système de déphasage décrit permet d'utiliser 4 ou 2 antennes.
Avec 4 antennes, celles-ci doivent être montées en carré ayant un quart d'onde de côté. La direction du rayonnement se fait le long des diagonales, 4 directions sont alors possibles.

Avec 2 antennes, il faut utiliser les sorties antennes 1 et 4 du déphaseur. Les directions correspondantes sur le boîtier de contrôle sont alors NE et SE.

Les lignes d'alimentation des antennes sont alors en 50 Ohms et d'une longueur électrique d'un quart d'onde. Utilisez comme ci-dessus du câble ayant un coefficient de vélocité de 0,76 au moins pour des raisons identiques.

La direction du rayonnement se fait dans l'alignement des antennes, seules 2 directions sont possibles.

La longueur du câble alimentant l'ensemble du système depuis la station est d'une impédance de 50 Ohms et d'une longueur quelconque.

Calcul des valeurs du coupleur hybride.

Le transformateur T1 est le "cœur" du système. Il s'agit d'un coupleur hybride du type Collins construit autour d'un tore de ferrite.

Le type de tore à utiliser dépend surtout de la puissance utilisée. La couleur doit être rouge, celle-ci détermine en effet la perméabilité et la bande de fréquence de fonctionnement optimum.

Les valeurs du coupleur hybride sont :

Où Xc = 100 ohm, XL = 50 ohm , L en µH, C en pF, F en MHz, C1=C2 et L1=L2

A partir de ces données et pour les fréquences de fonctionnement suivantes nous obtenons :

Maintenant nous pouvons construire notre transformateur T1.

Le nombre de spires de la self est calculé à l'aide de la formule : Ainsi, pour les valeurs précédemment calculées de 1.13 µH et un tore T225-2 qui a une valeur AL de 12 nH/spire, nous obtenons 9.7 spires. (soit 10 spires) Pour un tore de ferrite T225-2B avec un AL de 21,5nH = 7.25 spires (soit 7 spires) Une spire est réalisée à chaque fois que le fil passe eu centre du tore.
ATTENTION certains constructeurs donnent la valeur AL en uH/100 spires ! Dans ce cas, il faut utiliser la formule et les unités suivantes :

DL5SWB a écrit un programme qui permet de calculer le nombre de spires pour réaliser un tore ainsi que la longueur de fil nécessaire. L'auteur étant décédé, son site a disparu mais vous trouverez son petit logiciel sur mon site.

La première étape consiste à réaliser la self en bobinant 2 fils fortement couplées. Soudez entre elles une extrémité des 2 fils (pour faciliter le bobinage), puis bobinez d'abord une spire avec un des fils, bobinez ensuite le second fil à côté du premier fil. Continuez avec la deuxième spire, et ainsi de suite.

Mesurer ensuite la valeur des selfs et ajuster en étirant ou comprimant les selfs jusqu'à obtenir la bonne valeur.

Une fois la bonne valeur des selfs atteinte, immobilisez les avec du vernis, un pistolet à colle. Il vous faudra maintenant mesurer la capacité induite entre les deux fils. Cette valeur de capacité devra être déduite par moitié des valeurs de C1 et C2 calculées plus haut.

Soudez ensuite les 2 capacités ainsi calculées. J'ai réalisé un groupement de deux ou trois condensateurs, ce qui permet en utilisant les tolérances, d'obtenir la bonne valeur exacte telle que calculée.

Pour finir, en utilisant un oscilloscope double trace et un wattmètre, vous pouvez vérifier si le déphasage de 90° est correct sur les 2 sorties et que les puissances y sont identiques, c'est à dire la moitié de celle d'entrée. Si vous avez accès à d'autres moyens de mesures, n'hésitez pas !!

Pour ces mesures n'oubliez pas de charger les sorties antenne avec des charges fictives de 50 ohms VIA les lignes de 75 Ohms ! L'impédance vue côté coupleur doit effectivement être de 100 Ohms !

Dans la pratique, le déphasage de 90Ý reste valable sur une largeur de bande très importante alors que l'égalité de la répartition de puissance à -3dB sur les 2 ports de sortie n'est respectée que sur une bande étroite de quelques % de la fréquence de calcul.

Le transformateur T2 est un déphaseur de 180°.

T2 sera construit de manière identique à T1. L'extrémité d'un des fils ainsi que celle opposée du fil adjacent seront mises à la masse. Vous avez ainsi réalisé un déphaseur de 180°. Ce transfo n'appelle pas de commentaire particulier. Vérifiez tout de même avec l'oscilloscope que le déphasage est bien de 180°.

Ce déphaseur de 180° peut aussi être réalisé avec un câble coaxial d'une longueur d'une demi-onde. N'oubliez pas de faire intervenir le facteur de vélocité lors de la coupe du câble, ce qui le rendra plus court. Vous trouverez plus de détails dans le chapitre dédié aux câbles coaxiaux.

Pour ma part, j'ai utilisé des capacités céramique disque d'une tension d'isolement de 1kV et du fil isolé Teflon pour une utilisation à 1,5 kW.

CARACTERISTIQUES des tores de FERRITE utilisables dans le système de déphasage pour des puissances importantes. Rien n'empêche d'utiliser des tores plus petits pour des puissances plus faibles !

DIMENSIONS
MICROMETALS Part No.		AL nH/N²	OD mm	ID mm	Ht mm	cm	A cm2	V cm3
T225-2		12.0	57.2	35.7	14	14.6	1.42	20.7
T225-2B		21.5	57.2	35.7	25.4	14.6	2.59	37.8

Données récupérées sur le site de Micrometals.

RECOMMANDATIONS
- Réalisez vos antennes avec soin et de la manière la plus similaire possible. Utilisez les mêmes diamètres de tube, même nombre de radians etc...
- Taillez vos lignes d'alimentation en 75 Ohms le plus exactement possible. Pour ma part, j'utilise une méthode "de riche" avec un analyseur de spectre et générateur de poursuite. Méfiez vous des longueurs théoriques, j'ai noté des différences SIGNIFICATIVES entre des câbles de même référence mais d'origines différentes.
- Assurez vous de monter les antennes dans un carré parfait et orienté dans la bonne direction, n'oubliez pas que l'antenne "tire" dans les diagonales. Si les directions données ne vous conviennent pas, vous pouvez bien sûr orienter le carré de manière à favoriser 4 autres directions.

RESULTATS
Si vous prenez soin de respecter les recommandations ci-dessus, vous obtiendrez, comme nous, d'excellents résultats avec cette antenne.
Le rapport A/R, dépendant de l'angle d'arrivée des signaux, dépasse souvent 25-30dB. Le bruit de fond est nettement inférieur à une seule antenne et la réception bien plus calme. Le changement de direction est instantané !
Pour obtenir des résultats comparables avec une antenne directive, il faudrait une beam 2 éléments à 25m du sol. Comparez les coûts et la facilité de mise en œuvre !
A la résonance, la puissance dissipée dans la charge fictive n'est que de quelques pourcents de la puissance d'entrée. Nous obtenons 15W pour 1,5 KW !

Les diagrammes de rayonnement ont été obtenus avec le logiciel de simulation MMANA de JE3HHT qui peut être trouvé ici. Il y a aussi 4NEC2 qui a ma préférence.