Dipôle 20 m – Approche théorique & réalisation pratique

Cet aérien, qui n’a rien d’original dans son principe, est néanmoins très intéressant à construire, pratique à utiliser, et possède un rendement correct. Cette antenne est destinée pour une utilisation en station fixe. Mais rien ne vous interdit de la réaliser pour vos sorties en portable. Simple et facile à mettre en œuvre, car conçu avec des morceaux de fils électriques de récupération. Elle est prévue pour fonctionner sur la bande amateur des 20 mètres.

Schéma de principe :

Taillée en demi-onde, cette antenne peut-être suspendu à son centre à un point ± haut : cime d’un arbre, d’un pignon ou faîte d’un mât dont les extrémités sont ramenées vers le sol : dans le cas d’une configuration en V inversée.

La distance entre les deux attaches centrales est à déterminer de manière à ce que l’angle sommital – partie formée par la jonction des deux fils l/4 sur l’isolateur central - correspond approximativement à un angle droit [90°], sans toutefois dépasser les 120 ° : voir le schéma de la figure 1. Cependant, cette demi-onde n’est pas une antenne particulière en soi, mais possède plutôt une apparence originale : que peut prendre toutes antennes filaires classiques. L’intérêt de ce genre d’antenne réside dans son érection, car il ne suffit que d’un seul mât support pour l’installer.

L’antenne, qui est décrite ici, est structurée en mono-bande sur 14 MHz [14 à 14,350 MHz], et son élément rayonnant est optimisé pour progresser en demi-onde. Cet accord s’effectue sur 14,175 MHz, fréquence dite de résonnance. Sur le schéma de principe, visible en figure 1, les deux brins établissent l’élément principal, et participent activement dans le rayonnement de cette antenne. La connexion de l’émetteur-récepteur s’effectue par l’intermédiaire d’une liaison coaxiale d’impédance adaptée de votre choix. 

 Diagramme de rayonnement :

La simulation, effectuée sur le logiciel MMANA, met en évidence les exigences de fonctionnements (Figure 2). Le diagramme de rayonnement théorique fournit un rendu satisfaisant. Il montre un lobe de rayonnement toroïdal, d’allure classique pour un dipôle, même si la répartition énergétique ne sera pas diffusée de la même manière dans toutes les directions. La propagation de la puissance rayonnée privilégie, en fonction de la polarisation, deux destinations dans le plan vertical ou horizontal, pour lesquelles l’application est le plus intense. La directivité de l’antenne précise, suivant les cas, les circonstances de projection.

La représentation graphique définit une impédance "ZcΩ" complexe égale à 52.438+j8.669 Ω. Cet énoncé déterminera l’accord fréquentiel. Le relevé indique également un ROS de 1,2 [@50 Ω] sur 14,175 MHz [Fc], pour une élévation de 51° : ce qui permettra de passer au-dessus des obstacles environnants[1], pour favoriser les liaisons plus ou moins éloignés [DX]. Le réglage final confirmera ou non le résultat de cette analyse conceptuelle.

La proposition numérique admet, comme autres éléments de réponse, la courbe du R.O.S de l’antenne ½ onde [@14 MHz]. Elle révèle aussi les possibilités d’adaptation ou d’inadaptation en impédance : tout en précisant les différentes valeurs de la bande passante en fonction du R.O.S (figure 3). Le tracé affiche en moyenne un R.O.S. de ± 1,27, avec un positionnement central autour de 1.0 : alors qu’il annonce ± 1,38 en bout de bande. Parmi les autres données informatiques figurent les variations d’impédances, dont la norme se situe autour de ± 52,5 Ω, tandis que celle des gains fluctues autours de ± 5,8 dBi [≈ 3.63 dBd], pour une atténuation [du rapport F/B] négative de ± -2,6 dB sur toute la bande des 20 m : cette réaction est normale, car il n’y a pas de rapport avant-arrière pour ce profil filaire.

Résultat:

Établie suivant les calculs préliminaires du cahier des charges, les premiers éléments de réponse, distribuaient par le logiciel, enveloppe la physionomie générale de cette antenne. Voyons maintenant ce que nous dit la mise en œuvre pratique

Réalisation :

Lorsque l’on désire fabriquer une antenne, il est nécessaire d’effectuer un calcul précisant les côtes à définir. Cependant, et pour faciliter l’exécution, je vous livre les dimensions relatives de mon dipôle : prévoir, au moment de la taille, quelques centimètres supplémentaires. Mais vous pouvez toujours refaire les calculs en fonction de vos besoins personnels. Ce dimensionnement est spécifié pour agir sur une seule bande ; afin d’obtenir le maximum de rendement en DX !

Ainsi, pour opérer sur la bande des 20 m (14 à 14,350 MHz – Fc = 14,175 MHz), il vous faudra prendre une longueur de 10,052 m. Il est bon de mentionner que la longueur, ainsi calculée, n’est pas une coupe critique : du moins pas dans le spectre des ondes courtes. Là où les centimètres, etc. ont une réelle importance, c’est dans le domaine des THF. Dans notre démarche, si la longueur réelle de notre antenne était de 10,50 m, elle fonctionnerait tout aussi bien ! Car il suffit de se rapprocher – lors de l’ajustement final - des évaluations estimées par le calcul, pour pouvoir établir l’accord. Tout en tenant compte de notre environnement.

Pour ma part, et compte tenu de ce que j’avais en stock, j’ai élaboré ce dipôle à partir d’une longueur de 10,60m de fil d’électricien souple [Ø ± 1.5 mm²] que je n’ai pas retaillé. Générant deux tronçons de 5,30 m, permettant de réaliser les deux quarts d’ondes symétriques.

Mise en œuvre :

Préparer le tracer des contours de l’isolateur central, dans la matière isolante de votre choix, selon le schéma de la figure 4 (ou choisir une version commerciale).

Découper selon le traçage et, en finition, ébavurer la pièce en prenant soin de casser les angles, avant d’accomplir le montage. Positionner le connecteur SO-239 en position central. Ajuster la disposition de la PL chassie suivant l’isolateur. Pour ce qui me concerne, l’isolateur à une conception de : 160 x 60 x 3 mm.

Après avoir déterminé la bonne longueur du fil électrique [Ø ± 1,5 à ± 2,5 mm² "voir plus"], scinder-le en deux parts égales. Vous obtiendrez ainsi deux fragments semblables d’¼ d’onde sur 14 MHz.

Ancrer le montage des conducteurs, en vous inspirants de la figure 5, et de celle de la figure 6. Souder les deux tronçons ¼ d’onde de la manière suivante : un sur l’âme central et le second, à l’aide d’une cosse à souder, sur la masse, afin de concevoir l’ébauche de notre dipôle. Cette ossature centrale vous permettra de soutenir, et de connecter, le câble coaxial 52 Ω. Vous pouvez aussi utiliser une boite de dérivation, un domino et fixer la PL chassie sur une des sorties de la boite. Ou bricoler une chute de tube PVC… Mais une continuité par soudure à l’étain offre un meilleur rendement.

Préparer les deux isolateurs terminaux en tube IRO [IRL] d’une longueur de ± 100 mm, comme indiqué sur la figure 7. Ensuite, délimiter les positions des trous de centrage, des deux ¼ d’onde, et percer suivant le diamètre du fil employé, afin d’échafauder les emplacements terminaux : permettant de maintenir, une fois réglé, la stabilité du dipôle.

Dans mon explication, je fais abstraction du mât central de fixation. En supposant que celui-ci soit installé, loger ensuite l’encrage centrale sur une drisse, puis élever le dipôle par l’intermédiaire d’une poulie, ou de tout autre moyen, afin de suspendre l’antenne. Agencer ensuite les écartements des sections rayonnantes, afin de la dresser, pour procéder aux accords d’usages.

Réglage & Mesure :

Terminer celui-ci en agissant sur la longueur physique des deux ¼ d’onde : soit en coupant cm par cm "ou mm par mm" ! [Très risqué]. Ou, plus judicieux, en repliant sur lui-même les deux segments symétriques. Tout aussi fastidieux à régler, mais plus logique, dans le sens que si vous souhaitez déplacer votre dipôle, vous garderez toujours une longueur suffisante pour pouvoir retoucher "éventuellement" les accords sur votre nouvel emplacement "sans la refaire complétement ou de la rallonger". Sachant que les réactions d’une antenne peuvent être différentes d’un emplacement à un autre ! (figure 8). Tout en prenant soin d’immobiliser la fraction repliée sur le brin actif. Ceci éliminera l’effet capacitif et améliorera son accord. Pratiquer de cette manière jusqu’à ce que le ROS-mètre, ou l’analyseur d’antenne, annonce un rapport d’onde stationnaire satisfaisant. Pour ma part, ce repli est égal à 2 x ≈ 53 cm. Cette ossature à délimitée une longueur des quart-d’ondes de 2 x 4,78 m [soit une longueur totale de 9,56 m au lieu des 10,60 m], pour un rapport d’onde stationnaire compris entre 1,3 < 1/1 <1,3.

Pour parfaire le réglage, vous pouvez raccorder un balun 1/1. Cependant, une simple self de choc "choke balun", réalisée par un enroulement de 10 tours en RG-213 (pour ce qui me concerne), ou autres, mais similaire à celui de votre ligne coaxiale, sur un mandrin PVC de 4 cm de diamètres, donne entière satisfaction. Tout en éliminant les rayonnements parasites sur la ligne (retour HF).

L’arrangement définitif, adopté avec le sommet de l’antenne placé à ≈ 5 mètres du sol, pour ± 90°d’angle, et clôturé par deux piquets de ± 1,50 m, a établi les informations suivantes.

R.O.S. et Impédances en fonction de la fréquence (MFJ 259)

Ces mesures ont été dégrossies à l’aide d’un analyseur d’antenne MFJ-259. Mais il est possible d’accorder cette antenne à partir d’un simple ROS-mètre HF… La théorie est une chose, mais que nous indiques la pratique ! Le tableau de ci-dessous, montre les variations du rapport d’onde stationnaire [R.O.S.] de l’antenne, lors d’une utilisation effectuée avec mon émetteur-récepteur "[TRx] Kenwood TS-450 Sat" avec une puissance HF de sortie de 100 watts.

 Valeurs du R.O.S. (TRx)

Les mesures corroborent avec celles effectuées par le MFJ-259. Permettant de confirmer, par la même occasion, les propos mesurés par le logiciel "MMANA". Une fois le réglage terminé, et après avoir pris soin de tester l’antenne, il est fortement conseillé de rajouter un isolant "de types silicones ou autres" afin d’imperméabiliser les parties susceptibles de recevoir de l’humidité "isolateur central": cela évitera d’avoir des variations du R.O.S. lors des points de rosée matinaux ou de fortes pluies.

Conclusion :

Au vu de cette analyse théorique, l’antenne dipôle dispose d’un rendement honorable. Sa confection, ainsi que son usage, semble s’orienter également dans ce sens. Le prototype "bien que n’ayant rien inventé", et les essais réalisés, montre l’adéquation avec les résultats simulés. L’impédance caractéristique tourne en moyenne autour de 46 Ω, pour un R.O.S. moyen de ± 1,2 : ce qui est plus que correcte. De conception simple, cette antenne permet d’être actif rapidement sur les fréquences de notre choix. Et ouvre la porte pour une réalisation plus étoffée : cas du dipôle multibandes !

[1] Ou de participer au QSO dit de l’apéro (51°) ! Un peu d’humour ne fait de mal à personne.