It's raining elephants – VA2GKA

Dernièrement, j’ai passé un peu de temps sur les problématiques d’optimisation de groupements d’antennes et mon petit cerveau à fini par comprendre quelques trucs. Le but de mes optimisations étaient d’obtenir un diagramme de rayonnement propre avec des lobes parasites les plus faibles possible (dans la limite du raisonnable) afin d’obtenir une antenne moins bruyante.

Dans mes précédents essais, j’avais joué sur la répartition de la puissance entre les antennes en m’inspirant des récents exposés de F6EVT et F6TEM sur l’utilisation de la distribution binomiale. Les résultats sont assez intéressants mais amènent en contrepartie un travail délicat de réalisation du coupleur pour des groupements ayant un nombre conséquent d’antennes. En fait, les problèmes de réalisation apparaissent réellement lorsque l’on veut mettre un peu de puissance, car la solution CI marche bien pour des petites puissances ou du RX.

Exemple de diagramme de rayonnement pour un groupement compact sur 144 avec pondération des puissances et mise en phase

Comme alternative, la suite logique était de travailler sur une répartition non homogène des phases entre les antennes du groupement. Cela simplifie alors la réalisation du coupleur et l’on peut aisément jouer sur la longueur des câbles de coax.

Le principe consistant à ajuster les phases pour modifier le diagramme de rayonnement n’est pas nouveau (de 1946 pour être exact) et il est utilisé dans les antennes réseau à commande de phase. Certains satellites comme les sondes spatiales utilisent ce type d’antenne car elles permettent d’ajuster la direction de rayonnent sans système mécanique d’orientation. Pour plus de détail, la page du wiki est disponible ici.

Du coup, on comprend également qu’une mise en phase approximative d’un réseau d’antennes peut amener à des résultats dégradés (voir précédent post : Erreur de phase sur groupement 144). Lorsque j’ai commencé mes essais, j’ai commis une erreur coûteuse en temps. Je suis parti d’un groupement fonctionnel et optimisé et j’ai essayé de l’améliorer en introduisant des déphasages. Or le groupement d’antenne était dès le départ dans une disposition spatiale favorable et ou l’introduction d’un déphasage n’apporte rien (dit autrement, il était déjà optimisé pour une arrivée en phase).

Ce problème d’optimisation du groupement d’antenne peut-être vu comme un problème d’interférométrie. En banalisant et donnant une représentation imagée, sur un groupement de 3 antennes, on peut voir les antennes externes comme des aimants répulsifs canalisant les ondes de l’élément central. Par rapport aux longueurs d’ondes mises en jeu, on imagine facilement qu’il y ait une distance optimum entre les antennes du groupement. Aussi, si l’on utilise une distance non optimum, on peut penser compenser par l’introduction d’une différence d’amplitude ou de phase (Ex: création de stack plus compacts).

Ainsi, si je résume, je peux agir sur :

• l’amplitude entre les éléments
• le déphasage entre les éléments
• la position spatiale entre les éléments

Lorsque l’on parle de position spatiale entre les éléments d’un groupement d’antennes Yagi-Uda, on pense généralement à l’écartement entre ces éléments (axe Z). Or d’autres configurations pourraient être envisagées, comme déplacer certains éléments vers l’avant ou vers l’arrière (axe Y), ce qui intuitivement pourrait avoir des répercussions semblables à l’introduction d’un déphasage. De même, le déplacement latéral (axe X) devrait être étudié. Ces types de montages sont plus rares à trouver dans la littérature mais ils ne sont pas à exclure. Tout de suite, cela fait nettement plus de possibilités à essayer et autant d’alternatives possibles par rapport à de complexes coupleurs.

En poussant le trip encore un peu plus loin, on pourrait penser à introduire une inclinaison sur certains éléments (plan phi) et imaginer que les éléments externes pointent légèrement vers le centre. Je n’ai pas encore testé ces configurations mais ces possibilités me paraissent intéressantes. En restant dans les configurations inhabituelles, on peut aussi penser à utiliser des espacements non linéaires/homogènes entre les éléments du groupement. Et hop, une inconnue en plus :)

La question que l’on peut se poser naturellement est : quelle est la meilleur méthode à adopter et sur quels paramètres agir préférentiellement. Je n’ai pas de réponse et je n’ai pas la prétention d’en apporter, mais je note qu’une pondération des puissances est certainement préférable à un déphasage inter-éléments. En effet, avec une répartition binomiale (ou gaussienne), les éléments en périphérie vont agir sur les éléments centraux mais ils rayonnerons une moins grande puissance. Ce n’est pas le cas avec une variation de phase et il est plus difficile d’obtenir un diagramme de rayonnement correct. Les meilleurs résultats seront certainement obtenus avec la combinaison des 3 paramètres : puissance, phase et positionnement spatial, mais l’élaboration n’en est que plus complexe, pour un gain final pas tellement supérieur à des configurations plus simples.

Le sujet est complexe et il y aurait de quoi écrire un bookin. Et bien justement, j’ai été faire un petit tour du coté de la littérature et on trouve un grand nombre de livres sur le sujet, et en particulier sur les antennes à réseau de phase. Utilisez les mots clés “antenna phase array” sur Google eBook pour une petite liste. Ahhh, je vais devoir m’en croquer quelques-uns :)

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This entry was posted on Sunday, August 21st, 2011 at 16:42 and is filed under Radio & Wifi. You can follow any responses to this entry through the RSS 2.0 feed. You can leave a response, or trackback from your own site.