Préparation au certificat d'opérateur du service amateur/Antennes

Préparation au certificat d'opérateur du service amateur

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• Arrêté du 21 septembre 2000

Savoirs fondamentaux du chapitre (Arrêté du 21 septembre 2000)

Propagation : Couches ionosphériques Fréquence critique Fréquence maximale utilisable Influence du soleil sur l'ionosphère Onde de sol, onde d'espace, angle de rayonnement et bond Évanouissements Troposphère Influence de la hauteur des antennes sur la distance qui peut être couverte Inversion de température Réflexion sporadique sur la couche E Réflexion aurorale. Caractéristiques des antennes : Distribution du courant et de la tension le long de l'antenne Impédance capacitive ou inductive d'une antenne non accordée.

Définition et propriétés

L'antenne est une interface entre le milieu de propagation et la ligne de transmission.

Une antenne est un dispositif assurant l'interface entre la ligne de transmission et le milieu de environnant de propagation (l'air, dans lequel les ondes circulent sous forme de champs électromagnétiques). L'antenne est capable d'assurer cette fonction dans un sens comme dans l'autre, c'est-à-dire aussi bien en réception (milieu de propagation → ligne de transmission) qu'en émission (ligne de transmission → milieu de propagation). C'est grâce à l'antenne que nous pouvons pratiquer notre activité de radioamateur : sans elle, les ondes radio ne pourraient être émis et ne pourraient être reçus ! Chaque antenne peut être caractérisée par un gain, une directivité et une impédance propres ; ces paramètres sont les mêmes en réception et en émission.

Les ondes

Le signal, qu'il soit sous forme électrique dans les câbles ou sous forme électromagnétique dans les airs, n'est jamais qu'une onde. On appelle onde la propagation d'une perturbation dans un milieu, sans transport de matière, avec transport d'énergie. Un exemple classique est celui du caillou qu'on laisse tomber dans une flaque d'eau : à la surface apparaissent des vaguelettes qui se propagent. Il s'agit bel et bien d'une onde.

$f={\frac {1}{T}}$ $\lambda =v\cdot T$

Propagation des ondes électromagnétiques

Dans quelque temps, quand vous aurez décroché votre certificat de radioamateur, qu'il sera fièrement encadré au-dessus de votre propre shack, un de vos objectifs sera d'entrer en contact avec des radioamateurs du monde entier et d'établir des contacts distants. Pour cela, il est nécessaire que vos signaux portent le plus loin possible. Comment ceux-ci se propagent-ils ?

En premier lieu, il faut savoir que les ondes vont en s'atténuant (sauf dans le vide absolu). En effet, elles circulent dans des milieux composés de molécules. Lorsque la perturbation les met en mouvement, elles ne communiquent pas 100 % de l'énergie qui leur a été donnée à leurs voisines. Sur la mer, l'atténuation est faible, de l'ordre de 0,3 dB ; elle est plus forte dans les champs (7 dB) et encore plus dans les villes (10 dB).

Les ondes électromagnétiques se propagent autour de votre antenne exactement comme les vaguelettes dont nous avions parlé précédemment, en ronds concentriques progressant vers l'extérieur. Si elles rencontrent un changement de milieu, elles se réfléchissent avec un angle dépendant de l'angle d'incidence. De ce fait, trois grands types de déplacements sont à retenir :

• les ondes de sol, suivant le relief ;
• les ondes directes, reliant en ligne droite deux stations en vue ;
• les ondes réfléchies, rebondissant sur la frontière atmosphère/ionosphère.

Il existe d'autre modes, bien moins employés par les radioamateurs car moins fiables ou plus gourmands en puissances, comme les diffusions troposphériques, les propagations guidées, les réflexions sur les aurores boréales ou les traînées de météorites, etc. On appelle circuit le trajet de l'onde entre deux points, par exemple entre le lieu d'émission et celui de réception.

Propagation des ondes électromagnétiques.

Cas des ondes de sol

Circuit des ondes de sol.

Cas des ondes réfléchies

Circuit des ondes réfléchies sur l'ionosphère.

La ionosphère est une des couches extérieures de l'atmosphère de la Terre, s'étalant entre 50 et 1 000 km d'altitude. Elle est composée d'électrons libres et d'ions influant sur la propagation des ondes. Elle est généralement découpée en plusieurs couches :

• la couche D : de 50 km à 90 km, pression 2 Pa, température -76°C. Absorbante pour les ondes de fréquence inférieure à quelques MHz, elle apparaît avec le lever du Soleil et disparaît immédiatement après le coucher de celui-ci ;
• la couche E, ou couche de Kennely-Heaviside : de 90 km à 120 km, pression 0,01 Pa, température -50°C. Elle réfléchit les ondes de quelques MHz jusqu'à une fréquence limite qui dépend de l'angle d'incidence de l'onde sur la couche et de la densité de celle-ci ;
• la couche F : de 120 km à 800 km, pression 10^-4 Pa, température 1 000 °C.

Employer la couche E pour faire porter ses signaux à longue portée est appelé propagation sporadique E.

Antenne doublet (ou dipôle)

Dimensions d'un doublet demi-onde en fonction de la longueur d'onde.

Répartition de la tension et de l'intensité le long d'une antenne demi-onde.

L'antenne doublet (ou dipôle) est composée de deux éléments (ou brins) ; elle est conçue pour une fréquence particulière et a une longueur totale d'une demi-longueur d'onde. Elle est alimentée en son centre, où son impédance varie selon l'angle que forment les deux brins. La longueur de l'antenne étant ${\frac {\lambda }{2}}$, et chaque brin ayant une longueur égale à la moitié de la longueur de l'antenne, on en déduit que la longueur de chaque brin est ${\frac {\frac {\lambda }{2}}{2}}={\frac {\lambda }{4}}$.

Les bonnes astuces...

Aidez-vous d'un schéma !

Exemple : Quelques calculs sur le doublet...

Un doublet taillé sur une longueur d'onde de 14 mètres a une longueur de ${\frac {\lambda }{2}}={\frac {14}{2}}=7$ mètres, et est composé de deux brins de ${\frac {7}{2}}=3,5$ mètres.  Un doublet de 1 mètre a aussi une dimension de ${\frac {\lambda }{2}}$, donc ${\frac {\lambda }{2}}=1$ d'où $\lambda =2$ mètres.

Sur une antenne doublet, l'intensité est maximale au centre et minimale aux extrémités. À l'inverse, la tension est maximale aux extrémités et minimale au centre.

Les bonnes astuces...

Pour s'en souvenir, dessinez un doublet, puis tracez la courbe de l'intensité qui fait presque un I. Retenez ensuite que la tension est répartie de façon opposée à l'intensité.

Antenne quart d'onde

Dimensions d'un doublet quart d'onde en fonction de la longueur d'onde.

De la même façon que le doublet demi-onde est taillé sur une demi-longueur d'onde, l'antenne quart d'onde mesure un quart de la longueur d'onde pour laquelle elle est conçue. Elle est donc composée d'un seul brin ; le second est reconstitué par un plan de sol (terre, carrosserie). L'impédance au point d'alimentation est égal à la moitié de l'impédance de l'antenne demi-onde soit 36 Ω.

Cette antenne est également nommée antenne plan de sol ou antenne « ground plane », abrévié GP. Elle possède les caractéristiques suivantes :

1. la polarisation est verticale ;
2. elle n'a pas de gain ;
3. elle est omnidirectionnelle et donc non directive.

Antenne demi-onde repliée

Dans cette configuration, on rajoute un lien entre les deux extrémités de l'antenne demi-onde. Les dimensions ne varient pas, seule l'impédance au point d'alimentation augmente et passe à 300 Ω.

Antenne Yagi

Schéma d'une antenne Yagi.

L'antenne Yagi (ou Beam) est plus complexe que les deux précédentes. Elle est composée au minimum de 3 éléments, fixés sur un mât commun :

1. à l'arrière, un réflecteur, le plus grand des éléments ;
2. à l'avant, un directeur, le plus court des éléments ;
3. entre les deux, un élément rayonnant (ou dipôle : il s'agit du lieu d'alimentation), de dimensions comprises entre celle du réflecteur et celle du directeur.

Lorsqu'on augmente le nombre d'éléments, son gain augmente et son impédance diminue.