It's raining elephants – VA2GKA

Lors de mes petites expérimentations de QRSS, j’ai pu constater des différences de stabilité entre plusieurs types d’oscillateurs. Le QRSS requiert en effet une bonne stabilité de l’oscillateur afin de permettre une réception très sensible. En vulgarisant le principe, on pourrait dire que l’ordinateur amasse des données sur un temps relativement long et la fréquence d’accord ne doit pas changer afin obtenir de bons résultats.

Aussi, quand mon Softrock RX v6.3 affichait une stabilité remarquable, l’oscillateur du transceiver Genesis G3020 se dandinait aléatoirement. Rien de bien méchant car l’excursion en fréquence n’excédait pas +/- 15Hz sur un minute. C’est imperceptible en phonie et anodin pour les modes numériques, mais ce n’est pas acceptable pour du QRSS (les graphiques générés sont déformés). Dans les deux cas, des quartz de qualité similaires étaient utilisés mais la topologie de l’oscillateur différait. Le Softrock utilisait un montage Colpitts et le G3020 un montage Pierce. Le choix des composants et des valeurs à certainement un rôle prépondérant mais je ne saurais identifier la cause exacte de cette instabilité.

Récemment, j’ai entrepris la conception (from scratch) d’un petit oscillateur 10MHz. Le but de cet oscillateur est de fournir une base de temps alternative à mon récepteur 1.3GHz. Le rapport entre ces deux fréquences étant important (130), une grande stabilité en fréquence et en phase est requise car toute imperfection est également multipliée par ce même coefficient. En source primaire d’exploitation, j’ai donc choisi d’utiliser un GPSDO (GPS disciplined oscillator) et j’ajouterais au montage un petit oscillateur qui sera utile pour certains tests sans avoir recourt à tout l’attirail.

Me voila donc lancé dans cet exercice de conception armé de mon bookin “Discrete Oscillator Design: Linear, Nonlinear, Transient, and Noise Domains, by Randall W. Rhea“. Cette lecture m’aura apportée beaucoup en terme de méthodologie. J’ai appliqué les techniques indiquées en terme d’analyse linéaire et l’oscillation à démarrée du 1er coup lorsque j’ai fais ma première analyse non-linéaire. Pour le coup, ça fait plaisir ! Avant ça, j’y allais plutôt par tâtonnement. Alors bien sur, je n’ai rien inventé car en matière d’oscillateurs, toute les différentes architectures ont déjà été cartographiées, mais cette approche de conception from scratch est intéressante.

Au niveau des perf’s théoriques, mon oscillateur devrait sortir un signal à 13 dBm, ce qui est une valeur courante et pratique. Son bruit de phase SSB théorique est de -154 dBm à 100 Hz, 1 kHz et 10 kHz. C’est un peu la limite théorique au niveau de mon quartz et je me doute bien que mon montage réel n’atteindra pas ces valeurs. L’oscillation se lance assez lentement et elle est visible au bout d’1 ms pour un oscillo calibré à 1V/div. C’est le point qui me fait un peu peur. Dans la pratique, démarrera ? démarrera pas ? Je verrais une fois le montage réalisé :)

Voici le schéma et une simulation transitionnelle :

Schéma de mon oscillateur 10 MHz

La phase de démarrage de l’oscillateur

Et la caractérisation de la forme d’onde à la sortie

On retrouve au cœur du montage un transformateur torique, pièce assez rare dans les oscillateurs que j’ai pu voir sur le net. Cette pièce doit être réalisé avec soin et les gens n’aiment en général pas bobiner sur tore. Dans mon montage, il fourni intrinsèquement un filtrage et contribue ainsi à la réjection de la seconde harmonique.

Coté calcul, c’est réglé, reste maintenant à le réaliser et à le tester.

En petit bonus pour terminer, voici un document intéressant sur les quartz, leurs fonctionnent et leurs construction : Quartz crystal – Resonators and oscillators

C’est magnifique Internet, on en apprend tout les jours, sur tout, et aussi sur n’importe quoi… Après la célébrissime antenne magique EH… (antenne qui équivaut à peu près à 10cm de fil dénudé au bout du coax… Documents intéressants ici et ici) j’ai pris connaissance d’un article pour une nouvelle antenne dont son auteur prétend révolutionner le petit monde des antennes avec toute la magnificence de son génie !

Alors bien sûr, ce ton un rien sarcastique n’est pas gratuit. D’ailleurs, avant de parler de cette antenne magique, commençons par écouter ce bon monsieur dont le génie n’a certainement d’égal que son égo. L’un des articles qui m’a fait grincer des dents se nomme “LFA and OWL antennas represent a major advance in the Yagi design art“, rien que cela ! L’auteur et le co-auteur commencent par rappeler que tout les résultats obtenus sont le fruit de milliards de calculs effectués par des processeurs multi-coeurs pendant des jours et des jours… et que les types d’antennes OWL et LFA représentent une avancée majeure dans la conception des antennes Yagi. Pour les modèles LFA (ex. ici), l’auteur, G0KSC, utilise un dipôle replié (trombone) utilisé dans le sens horizontal, et dont les dimensions recouvrent le premier directeur. Cependant, il refuse de parler de dipôle replié, même si la plupart de ses configurations ne recouvrent pas le premier directeurs (exemple ici : 7 éléments 144). D’ailleurs, il est tellement convaincu de sa trouvaille qu’il a même déposé un BREVET ! : “The LFA design has a patent pending and all G0KSC designs are copyright.” (lisible sur son site en haut de page ici). Oui, vous avez bien lu, ce monsieur a eu le culot de déposer un brevet sur le dipôle replié ! Je ne sais pas pour vous, mais moi ça m’en bouche un coin.

Passé ceci, on peut néanmoins se demander si ces antennes et ces dimensionnements ne seraient pas, au final,  excellentes. Et c’est là que le bât blesse, car les calculs sont beaux sur le papier mais peu utiles en réalité. Nul besoin de ressortir tout ce qui a été dit sur le sujet pendant ces 30 dernières années, il suffit de citer les articles de YU1AW, qui à très bien analysé la pertinence de ce type de travail d’optimisation, avec des études sérieuses publiées. Voici quelques références intéressantes à lire :

• Yagi Antenna Design Sensitivity in Practice
• Yagi Antenna Design Sensitivity
• Yagi Antenna Improvement Thirty-Year Old Dead End?
• Performances of Wet Yagi Antennas
• Coaxial Cable Influence on Yagi Antenna Array Noise Temperature
• ( Index )

Sans aborder dans le détail toutes ces publications, je retiendrais dans les grandes lignes qu’essayer d’optimiser une antenne afin d’obtenir une température de bruit très faible (low noise antenna) sur les bandes VHF n’a pas de sens dès lors que l’on prend en compte la température du ciel, qui est généralement très haute pour cette gamme de fréquences. Les calculs réalisés pour les antennes LFA et OWL ne prennent pas en compte cette réalité et font l’impasse en considérant une température du ciel homogène et négligeable. En pratique, les régions du ciel vont de 400 à 6000K pour les bandes VHF. De la même manière, pour des communications VHF terrestres avec des angles de départ faibles sur l’horizon, on ne peux résolument pas parler d’antenne à bas bruit, les résultats des optimisations étant ici encore négligeables devant le bruit/température du sol et du ciel. En fait, ce genre d’optimisation –pourrait– avoir un sens pour des fréquences supérieures à 1 GHz, mais G0KSC n’y met pas les pieds. Au delà du gigahertz, d’autres configurations que les yagi sont plus cependant plus intéressantes.  Quant-à l’EME sur 144, l’utilisation d’antennes dites à bas niveau de bruit dans un environnement rural calme n’apporte pas de grande différence de rapport signal/bruit pour les même raisons. Aussi, YU1AW conclu qu’il n’y a pas a proprement parler d’antenne à bas bruit (Low Noise Antennas) du fait de l’impossibilité d’avoir une réception peu bruyante, ceci à cause de la température importante du sol et du ciel à ces fréquences.

Par ailleurs, certaines configurations théoriques d’antennes très optimisées peuvent se révéler au final moins bonnes car dans des conditions réelles (structure de support, câbles d’alimentations), elles sont plus sensibles à des effets environnementaux. Les masses (métalliques ou non) dans le volume de l’antenne ainsi que les câbles d’alimentations influencent fortement la température du système. De même, la rosée ou la pluie affectent grandement certaines configurations d’antennes. YU1AW à très bien décrit ceci dans son article Yagi Antenna Design Sensitivity. À titre d’exemple, la fréquence de résonance d’une antenne YU7EF peut se déplacer jusqu’à plus d’1 MHz lorsqu’elle est humide et une DK7ZB perd de ses moyens en affichant un ROS supérieur à 2 sur une fréquence de résonance décalée en fréquence. Les optimisations de ces beaux diagrammes de rayonnement faits à coup de calculateurs se font ainsi au détriment de paramètres non pris en compte ou difficilement mesurables.

Un dernier point sur les articles de YU1AW : j’ai particulièrement apprécié la petite phase assassine qui conclut que ces trente dernières années de recherches sur l’optimisation d’antennes Yagi ont été une pure perte de temps (“It is clearly confirmed that improving of Yagi antenna performances is thirty-year old dead end effort!”, source du document ici ou ici). Ceci résume assez bien la situation et remet tout ces calculs théoriques à leur place.

Concernant ses antennes OWL (l’autre coup de baguette magique, réalisé après les LFA), elles n’ont pour moi rien d’exceptionnel. L’auteur ramène l’impédance à la valeur qu’il l’intéresse (12.5 ohms) en jouant sur l’espacement des éléments parasites. A noter que ses antennes on des lobes parasites arrières très faibles. Lors de mes simulations avec ma modélisation à base de logarithmes, j’ai aussi réussi à obtenir ce type de résultats mais je me retrouvais avec des petites protubérances sur le lobe avant, comme on peu le voir sur ses diagrammes… Ohhh, comme c’est bizarre :) Pas de miracles, les phénomènes sont les mêmes. Une bonne chose que je lui reconnais au moins, c’est qu’il aura apprit à se servir de NEC pour optimiser –quelques– paramètres. Ce que je comprends moins en revanche, c’est qu’il a été publié par la revue Dubus, magazine habituellement sérieux, qui pour le coup descend sérieusement dans mon estime.

Mais à travers tout ceci, il y a une chose qui me dérange encore plus. Si ce monsieur était réellement passionné d’antennes, il n’aurait pas pu passer à coté de certaines publications, et ne pourrait ignorer certains points abordés ici, par le néophyte que je suis. Y-aurait-il autre chose ? Mais bien sûr ! Suis-je bête, généralement lorsque l’on dépose un brevet, c’est dans le but de s’en mettre plein les poches. Aussi, si je retourne sur son site, je constate bien sûr qu’il vend toutes ces belles antennes magiques.

Fin mot de l’histoire: pour faire du fric, toutes les conneries sont bonnes à dire !

Note : Je ne doute pas que les possesseurs d’antennes LFA et OWL soient très contents de leurs antennes, tout comme je ne doute pas qu’ils auraient pu être tout aussi satisfaits avec une autre antenne.

En regardant les photos d’antennes Yagi sur le Web, on constate souvent de légères déformations des radiants par rapport à leurs configurations idéales. Aussi, même avec la meilleure volonté et le plus grand soin, les réalisations d’antennes s’écartent de leur modèle théorique. Et si la réalisation est propre, c’est le temps, les conditions météo ou les oiseaux qui se chargerons de changer ceci.

Je me suis demandé quelles étaient les influences de ces déformations de structures sur les performances, et plus particulièrement sur le diagramme de rayonnement et la fréquence d’accord. Mon premier test à été de simuler une torsion du boom (twist), en incrémentant de n degrés à chaque élément. Comme les altérations des performances n’étaient pas flagrantes, j’y suis allé franco : 5 degrés par élément pour arriver au final à 30° sur le dernier élément directeur.

Illustration de la torsion des éléments de l’antenne – Vue perspective et frontale.

Ci-dessous, une représentation 3D du diagramme de rayonnement de l’antenne torturée :

Diagramme de rayonnement 3D – Vue de dessus (Top) et vue arrière (Back)

Malgré la forte déformation de l’antenne (c’est tout de même assez extrême), l’antenne conserve un diagramme de rayonnement correct. Le gain avant n’est pas modifié et les lobes secondaires suivent la déformation, mais pour des seuils très raisonnables. A titre de comparaison, le diagramme de rayonnement de l’antenne de référence est consultable dans ce post : LogYagi : Ma Yagi 144.

Voici un diagramme 2D permettant de mieux apprécier les niveaux des lobes secondaires :

Diagramme de rayonnement de l’antenne torturée

Je suis assez surpris car je m’attendais un résultat catastrophique. Ce diagramme n’est finalement pas si éloigné de celui de l’antenne originale non modifiée. La fréquence de résonance est restée quasi-identique. Si l’on n’est pas maniaque du rapport avant/arrière survitaminé (quette tout aussi ridicule qu’inutile à mon sens), on peut en conclure que ce type de déformation, à une échelle modérée, est sans conséquence sur les performances de l’antenne.

J’ai continué mes tests avec un autre type de déformation, en prenant les cas ou l’on voit de grands boom plier sous leur propre poids (bend). Voici l’illustration de cette déformation :

 Déformation du boom sur le plan vertical

Ici encore j’ai un peu forcé le trait, l’antenne ne faisant que 8 éléments. L’offset de déplacement vertical suit une fonction cubique. Voici les résultats de cette déformation de structure :

Vue latérale et vue arrière

Ici, les déformations du diagramme de rayonnement sont plus marquées. Pour un gain avant de 12 dB, la protubérance au dessus arrive à -2.5 dB (normalisé = -14.5 dB). Certes ce n’est pas catastrophique pour la bande des 2m, mais c’est une dégradation notable tout de même. Dans cette configuration dégradée, le radiateur se trouvant légèrement au dessus des autres éléments, j’aurais pensé avoir une légère modification de l’impédance du système, mais ce n’est pas le cas (le déplacement autour du radiateur est en fait minime). La fréquence de résonance est également inchangée.

En dernier test, j’ai essayé de tourner les radiants sur le plan horizontal. Un petit graphique vaut mieux qu’une longue phrase :

Dernier test avec une rotation des éléments sur le plan horizontal

Pour ce dernier cas, les résultats sont du même type que pour le premier test, c’est à dire minimes. Voici les résultats en images :

Vue perspective, vue au dessus et vue arrière pour le dernier test

Le système d’antenne ne semble pas trop perturbé par ces déformations et l’influence sur les lobes parasites est négligeable. La fréquence de résonance est en revanche légèrement remontée, de 100kHz, ce qui est assez faible en regard des déplacements mis en jeu.

Ces trois essais étaient intéressants, mais ils n’ont pas vraiment de réalité. En fait, il faudrait faire un quatrième test avec une analyse de Monte-Carlo, qui appliquerait plusieurs types de déformation au hasard, et ceci quelques centaines de fois. La superpositions des diagrammes 2D permettrait de se faire une bonne idée de l’influence des déformations que l’on pourrait rencontrer plus concrètement. Je n’ai malheureusement pas cette possibilité via le logiciel que j’utilise, mais c’est une voie à creuser.

Autre remarque importante, tout ces tests ne sont valables que sur un type d’antenne bien précis, ma LogYagi :) En effet, les réponses à ces distordions sont différentes pour chaque modèle d’antenne. Il serait d’ailleurs intéressant d’évaluer les différences de réponses pour un petit lot d’antennes. Par rapport à la littérature et aux études déjà faites, je ne doutes pas que certains modèles donneraient des résultats très prononcés.

Au final, je retiendrais donc :

• de ne pas me tracasser si un radian est légèrement plié (une prise de risque en mois à se balancer en haut d’un pylône)
• de maintenir une structure alignée dans la mesure du possible et du raisonnable
• de bien ajuster la longueur des radiants, car c’est encore ce qui est le plus critique

Dans les prochains travaux de simulation que j’aimerais faire, il y a celui de reprendre l’étude de YU1AW concernant l’influence de l’humidité sur les antennes VHF. Les écarts énormes constatés sur différentes antennes m’ont bluffé et j’essaierais bien quelques simulations sur quelques soit disant nouvelles antennes miracles.