It's raining elephants – VA2GKA

Je me suis déjà amusé à concevoir quelques antennes Wifi et quelques antennes cadre pour le décamétrique. C’est je trouve une activité assez amusante et les outils de simulation (ex : 4Nec2) et de visualisation des phénomènes facilitent grandement la tache  et la compréhension des phénomènes.

Le dernier exercice dans lequel je me suis lancé à été d’évaluer la faisabilité d’une antenne décamétrique petite puissance (QRP).  Je manque cruellement de place pour déployer ce type d’aérien, aussi je n’envisage que des sorties en plein air pour tester mes constructions.

!!! ATTENTION !!! –> Avant de passer pour un bouffon, je tiens à préciser que je ne fais ici que jouer à concevoir une antenne –inabituelle–.

Je n’ai lu que peu de livres sur les antennes, mais je retiens entres autres du livre de A. Ducros (F5AD) et du livre de R. Brault et R. Piat (F3XY SK)  que l’on peut négliger l’effet du sol ou d’une masse à partir de 5 fois la longueur d’onde de résonance de l’antenne. Pour mes antennes Wifi, c’était hyper fastoche. Avec 2.4 GHz et une longueur d’onde d’un peu plus de 12 cm, le fait de la mettre au bout d’un tube PVC fixé sur un pied d’appareil photo résolvait le problème.

Si maintenant je veux concevoir une antenne ajustée à 14 MHz, soit la bande des 20 mètres, les choses se compliquent notablement au niveau de l’infrastructure. La taille de l’élément rayonnant est en elle même imposante, la distance à laquelle il faudrait mettre cette antenne du sol l’est encore plus…

Par ailleurs, pour la conception de mon antenne, je vise des angles de départ bas sur l’horizon afin de favoriser les liaisons longues distances (DX). [ ah, toujours aller le plus loin possible... A noter qu'en Wifi, ce n'est pas le cas, le but étant juste d'arriver au hotspot le plus proche :) ] Par rapport à ceci, le sol déforme le diagramme de rayonnement de l’antenne et si je la place trop près du sol, j’aurai tendance à taper la lune plutôt que l’horizon (sans parler des problèmes de pertes dus à l’absorption). Le EME, c’est pour un autre chapitre :)

Toujours dans ces mêmes bouquins et de mémoire, le fait de mettre une antenne à 3 longueur d’ondes du sol serait acceptable par rapport au but recherché.

Je seul –truc– qui me soit venu à l’esprit pour la fabrication de cette antenne à été le ballon gonflé à l’hélium, qui tracterait un fil relativement fin (QRP) et son feeder. Un rapide calcul nous amène à 3 x 20 mètres pour le feeder et 10 mètres pour l’élément rayonnant. Oui, 70 mètres de haut pour un antenne avec un gros joli ballon accroché au bout :)

Bon admettons… Voyons la crédibilité de la réalisation et ensuite les questions légales.

Avant toute chose, commencer par tailler correctement l’antenne. Pour ceci, j’ai commencé à faire des calculs un peu plus précis avec une longueur d’onde de 14,05 MHz et je suis passé à l’affinage avec un logiciel de simulation. Place aux illustrations qui remplaceront beaucoup de blabla.

Vue 3D de l’antenne et son feeder

Sur cette capture d’écran, on peut voir l’antenne en 3D avec les courants circulant dans les fils. Du bas jusqu’au 6/7 de l’antenne se trouve le feeder, composé de deux fils parallèles. Cette partie ne rayonne pas et l’on peut le constater à la vue des courants en opposition de phase. Tout en haut se trouve l’élément rayonnant d’une demi longueur d’onde. A noter que j’alimente l’antenne en intensité à la base, en basse impédance. Aussi, j’ajoute un quart de longueur d’onde à mon feeder afin d’alimenter mon antenne demi-onde par une extrémité, c’est à dire en tension, en haute impédance.

Bref, très simple. Des chiffres maintenant :

• longueur du feeder : 69.5 m
• longueur de l’élément rayonnant : 9.40 m

Si je veux tracter tout ceci en hauteur, la question est déjà de connaître le poids de l’installation. Admettons que je prenne un câble qui ait ces propriétés :

• Matière : Cuivre
• Section : 0.2mm²
• Résistance : 0.09048 ohms/m
• Masse : 1.59 g/m

La longueur totale de câble utile est : (2 . 69.5 ) + 9.40 = 148.4, disons 150 mètres. Ce qui nous donne une masse de 238.5g. (en négligeant pour le moment le système de maintien et d’écartement des conducteurs du feeder)

Apparemment pas très lourd, voyons quelle quantité d’hélium il nous faut pour lever tout ceci. Mon ami Wiki me renseigne quant-aux masses volumique d’air et d’hélium :

• He : 0,178 kg/m3
• Air : 1,204 kg/m3 (à 20 °C)

Comme je ne veux pas que sustenter mon antenne et que je veux aussi un effort de traction vertical, je vais à la louche appliquer un ratio de 2/3. Je ne suis pas expert en ballons et il y a certainement moyen d’optimiser en trouvant des infos sur des sites Web concernant la météorologie ou dans des radio-clubs qui font des lâchés de ballons météo.

Je peux donc lever 0.8g par litre d’hélium, à ce compte, il me faudra 298 litres de ce fameux gaz. Au final, je devrais utiliser un ballon d’une circonférence de 83 cm.

Ce –petit– ballon commence à se rapprocher des ballons utilisés en météo :) [Un petit article Wiki sur les ballons sonde ici] Une masse supplémentaire est à ajouter pour le nylon de symétrie et le système d’écartement du feeder (certainement du scotch fin), mais je pense que c’est réalisable.

Si la fabrication de ce type d’aérien est très peu onéreuse, en revanche, chaque déploiement peut vite coûter très cher. Le prix de l’hélium au litre n’est pas donné… Aussi, on peut le remplacer par du dihydrogène moins cher et facile à produire par hydrolyse. Le dihydrogène est encore plus léger mais il est inflammable, ce qui nécessite des précautions de sécurité. En même temps, je ne suis pas non plus entrain de concevoir un Zeppelin !

Voyons un peu les principales caractéristiques de l’antenne en se basant sur la simulation.

Diagramme de rayonnement de l’antenne

Diagramme de rayonnement, vue en 3D

Courbe du ROS de l’antenne pour le début de la bande des 20m

Le gain monte jusqu’à 7 pour un sol médiocre avec un angle de départ de 86° (donc très proche de l’horizontale) en gardant un ROS tout à fait acceptable. C’est donc pas mal pour du DX. Cependant, en sacrifiant quelques dB, je pense que l’on doit pouvoir trouver dans la littérature des antennes beaucoup plus faciles à réaliser et à installer. Mais bon, c’est ma petite étude et je poursuis dans cette voie.

L’optimisation de l’antenne est un travail intéressant, mais pas aussi facile que je le pensais à la base. Rajouter quelques longueurs à l’élément rayonnant ferait effectivement augmenter le gain, mais pas nécessairement dans la direction qui m’intéresse, à savoir l’horizontale. Côté technique passionnant avec encore pas mal de chose à creuser…

Bon, il reste encore une question importante : celle de la légalité. Peut-on monter une antenne provisoire de 80 mètres de haut sans se faire arrêter par la gendarmerie ? :) J’ai bien trouvé des articles sur la réglementation pour des installations d’amateur fixe, mais concernant les installations temporaires, pas grand chose. Certains radio-amateurs utilisent des cerf-volants à plus de 150 mètres de haut. J’ai également trouvé des liens pour ce type d’antennes sur la page de F5AD. Je vais encore gratter un peu, mais si je ne trouve pas, j’irai certainement contacter l’ANFR (Agence nationale des fréquences).

80 mètres, ça peut paraître haut, mais c’est une rigolade face aux antennes professionnelles utilisées pour la radio-diffusion. Pour s’en convaincre, il suffit de consulter quelques articles sur le Wiki (ici, ici et ici)

Un dernier petit lien pour finir, concernant les chasseurs de ballons athmosphériques, une activité qui a l’air fort intéressante et amusante :)