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Traduction de l'article de Pieter-Tjerk de Boer, PA3FWM This email address is being protected from spambots. You need JavaScript enabled to view it.

L'antenne LF,MF et HF MiniWhip conçue par PA0RDT est bien connue. De nombreux idées et malentendus ont été formulés sur le fonctionnement de cette antenne. J'espère apporter un peu de lumière dans cet article en utilisant un peu de théorie élémentaire.

La MiniWhip

miniwhip 01La figure ci-contre montre le shéma d'une configuration typique d'une MiniWhip. Elle se compose d'un mât de quelques mètres de haut, placé idéalement dans un endroit dégagé au-dessu duquel se trouve une petite plaque de métal et un amplificateur, le tout placé dans un tube PVC. Un câble coaxial descend de la MiniWhip le long du mât vers le récepteur. Pour l'instant supposons que le mât est métalique et raccordé à la terre, nous verrons par la suite ce qui se passe lorsque ce n'est pas le cas. L'amplificateur est un voltage follower avec un impédance d'entrée très élevée afin de ne pas charger la plaque métallique, l'impédance de sortie de cet ampli est très faible afin d'être en mesure de fournir un puissance suffisante au câble 50 Ohms. L'idée est que la plaque métallique mesure le champ électrique à son emplacement et envoie le résultat via le câble coaxial au récepteur.

Principe et champ électrique

Partons de l'hypothèse suivante : la hauteur du mêt est faible par rapport à la longeur d'onde, et le signal est polarisé verticalement. Ce sont des hypothèses raisonnables : la MiniWhip est souvent présentée comme une antenne LF et MF (donc avec des longueur d'onde de plusieurs centaines de mètres), et que ces signaux sont principalement polarisés verticalement (en raison de l'influence du voisinage relative proche de la terre conductrice). A des fréquences HF plus élevées, ces hypothèses deviennent moins réalistes, elles dépendent de la hauteur du mât.

Un tel signal radio polarisé verticalement produit des lignes de champ verticales dans la zône autour de l'antenne et a comme conséquence ce qu'on appelle des surfaces équipotentielles (des surfaces sur lesquelles le potentiel de la tension par rapport à la terre est le même partout).La plaque métallique de la MiniWhip sera au même potentiel que la surface équipotentielle qui la traverse.

Toutefois, l'aplificateur de la MiniWhip est non seulement relié à la plaque métallique mais également au mât relié à la terre. Pour être plus précis, l'amplificateur mesure la différence de potentiel entre la plaque et le mât, fait office de tampon et applique cette même différence de potentiel entre la tresse et l'âme du coaxial. Ceci est crucial : le signal qui termine dans le récepteur et la différence de potentiel entre la plaque et la mât.

Quelle est cette différence de potentiel ? Le raisonnement simple dit que la plaque a le même potentiel que le champ à quelques  mètres au-dessus du sol (la hauteur du mât), et la mât lui-même est au potentiel de la terre (parce que son extémité inférieure est mise à la terre). Ceci est cependant une simplification. Si l'ensemble du mât est au potetiel de la masse, les surfaces équipotentielles plus élevées ne peuvent pas le traverser et sont donc déformées.

miniwhip 02La figure ci-contre montre ce à quoi peuvent ressembler  la déformation des  surface (calculées à partir de la résolution de l'équation de Maxwell sur mon PC). La ligne noire du bas réprésente la terre. Sur cette dernière représentés en noir, pose le mât (cylindre épais) et un bloc de métal qui flotte au-dessus. Le bloc métallique représente la plaque métallique de la MiniWhip. Le lignes rouges sont les surface équipotentielles  ou plutôt leur coupe transversale. Chacune de ces lignes correspond à un potentiel exprimé en Volts : la tenssion de cette surface équipotentielle par rapport au sol. La terre et le mât lui-même sont au potentiel de la masse , disons 0 Volt. La plus basse des lignes rouges pourrait être par exemple 1µV, la suivante 2µV, et ainsi de suite.

Loin du mât, le s lignes/surfaces équipotentielles sont presqu'à l'horizontale comme on pouvait s'y attendre pour un champ électrique polarisé verticalement. Autout du mât il a déformation  parce que tout le mâtr est au potentiel de la masse. Autour du bloc et le dessus du mât il a également déformation parce que le potentiel d'un conducteur est le même partout. Mais en réalité la distortion n'est pas trop mauvaise : au niveau du bloc métallique, le potentiel est à pein différent de celui éloigné du mât à la même hauteur. D'autres calculs montrent que la déformation diminue au fur et à mesure que la mât devient plus mince.

Mât isolé 

Que se passe-t-il si le mât est non-doncteur ? L'amplificateur pourra toujour mesurer la différence de potentiel entre la plaque et la "masse" du circuit amplificateur. Si la mât n'est pas condcteur, la seule chose reliée à la masse du circuit est la tresse du câble coaxial. Dans ce cas, la différence de potentiel est mesurée entre la plaque et à tout où va la tresse du câble coaxial. Si le blindage du câble est solidement relié à la terre quelque part plus loin, il fonctionnera tout aussi bien qu'un mât relié à la terre. Mais si la tresse n'est pas mise à la terre et rentre dans le shack et se connecte là  à une terre impropre (la terre de l'installation), alors tout le bruit de cette terre impropre contribuera à la différence de potentiel à l'entrée de l'amplificateur et se retrouvera à l'entrée du récepteur. D'où l'importance d'une bonne mise à la terre.

Une idée serait de remplacer le câble coaxial par une fibre optique. Ceci éliminerait le bruit du câble coaxial dans l'amplificateur. Mais sans aucune liason conductrice vers  l'expérieur, l'ensemble du circuit serait au même potentiel de sorte que le signal reçu ne provoquerait pas une différence de potentiel pouvant être transmise au récepteur. En conséquence rien ne sera reçu. PA0RDT à récemment expérimenté ceci en pratique et à rapporté ses résultats sur le RSGB-LF mailing list : en effet il n'a rien reçu.

Polarisation

Une autre expérience intéressance effectuée par PA0RDT était de ne pas  mettre l'antenne au sommet d'une perche verticale dans le jardin mais sur une perche horizontale à une fenêtre avec le câble coaxial également attaché à ce poteau horizontal. Il a fait cela de manière telle que la plaque métallique finisse au même endroit et a remarqué que la réception d'un signal MF polarisé verticalement était tout aussi forte. A première vue cela suggère que l'antenne n'est pas plarisée : la réception est la même mais si l'ensemble de l'installation est pivoté verticalement ou horizontalement.

Toutefois cette conclusion est erronée. L'amplificateur mesure la différence de potentiel entre la plaque et la mât (s'il est mis à la terre) ou la tresse du coaxial (mise quelque part à la terre). Ainsi la différence de potentiel reste toujour mesurée entre la plaque (qui se trouve à nouveau au même endroit) et le sol (qui n'a également pas changé); il est à révoir que le signal résultant est le même. Que la connexion de terre descende verticalement ou fasse un détour partiellement horizontal n'a pas d'importance aussi longtemps que le détour est court par rapport à la longuer d'onde.

 

Plaque ou fouet

 La plupart des antenne actives à champ électrique n'utililsent pas une plaque métallique comme la MiniWhip mais utilisent un fouet d'environ un mètre de long. Ceci n'apporte aucun différence opérationnelle. Cette différence de hauteur n'affectera guerre la différence de potentiel par rapport à la terre.

Cependant, il a une autre différence importante, à savoir la capacité de la plaque ou du fouet. Un fouet possède un capacité de 10pF par mètre courant, dépendant légèrement de son épaisseur. Une plque métallique circulaire possède une capacité de 0.35pF par cm de diamètre (proportionnellement au diamètre et non de la zône come on pourrait s'y attendre) Je n'ai pas trouvé de formule pour une plaque rectangulaire, la forme n'étant pas critique, la capacité de la plaque d'une Miniwhip est de 2pF. Cette capacité est importante car en même temps que la capacité d'entrée de l'amplificateur elle forme un pont diviseur de tension capacitif. Si la capacité de la plque ou le fouet est plus petit, il rester moins de tension losque l'amplificateur est connecté.

Directivité

miniwhip 03Avant de pouvoir dire quoi que ce soit au sujet de la directivité d'une antenne, il est bon de voir d''un peu plus près ce qui en est ou ce détermine la "direction" d'un signal radio. La figure montre une antenne d'émission polarisée verticalement, et les lignes de champs électriques et magnétiques produits à une distance importante par cette antenne (le champ dit distant). Nous voyons que les lignes de champ électriques sont verticales, ce n'est pas surprenant puisque le champ électrique est causé par exemple par la moitié supérieure du dipôle chargée positivement et la moitié inférieure chargée négatibvbement ( ou l'inverse une demi-période plus tard). On voit aussi que les lignes de champ magnétique sont horizontales, formant un grand cercle autour de l'antenne; ceciest également prévisible puisque nous savons que les lignes de champ magnétique forment des cercles autour d'un fil transportant un courant.

La figure montre également le vecteur de Poynting. Il tient ce nom du physicien anglais J.H. Pynting et pointe dans la direction dans laquelle l'onde se propage. Mathématiquement ilt est donné par le soi-disant produit extérieur des vecteurs de champ électrique et magnétique. Sa direction peut être déterminé en placant la main gauche de sorte à attraper les lignes de champ dans la paume, les doigts de la main étant alignés avec les lignes de champ électriques : le pouce indique la direction du vecteur de Poynting.

Comment une antenne peut-elle être plus sensible à des signaux provenant d'une direction que dans une autre? Si l'antenne pouvait directement détecter le vecteur de Poynting, ce serait facile, puisque ce vecteur indique directement la direction de propagation. Malheureusement,  les antennes ne répondent pas au vecteur de Poynting, mais seulement au champ électrique et / ou magnétique.

La première manière par laquelle une antenne peut avoir une sensibilité directionnelle, consiste à mesurer le champ électrique ou magnétique à plusieurs endroits et en "comparant" la phase du signal à ces endroits. Dans ce cas, prenon l'exemple dans une antenne Yagi : un signal qui arrive tout droit, atteint le premier directeur plus tôt que le dipôle. Cependant, pour les petites antennes ce principe ne fonctionne pas : si l'antenne est faible par rapport à la longueur d'onde, le signal arrive presque simultanément partout dans l'antenne, et  ne donne donc pas une différence de phase significative.

Directivité des petites antennes

Pour qu'une petite antenne soit sensible directionnellement, la seule la seule possibilité est d'utiliser la direction des lignes de champs électriques et magnétiques elles-mêmes. Malheureusement, ils ne révèlent pas toujours la direction à partir de laquelle le signal provient.

Considérons le champ à polarisation verticale dans la figure précédente. Les lignes de champ électrique où se trouve le récepteur sont verticales, indépendamment du fait que l'émetteur est à gauche ou à droite, devant ou derrière. Nous ne pouvons donc pas conclure à partir du champ électrique de quelle direction le signal provient. (Et bien, nous pouvons conclure que le signal provient horizontalement plutôt que haut dans le ciel. Mais généralement, ce n'est pas si intéressant.)

En revanche, les lignes de champ magnétique disent quelque chose au sujet de la direction. Si par exemple l'émetteur est à l'ouest de notre position, alors les lignes de champ magnétique sont dans une direction nord-sud. Si l'émetteur est au nord de notre positioin, les lignes de champ magnétique vont à l'est / ouest. Mais ce n'est pas sans ambiguïté : si l'émetteur était au sud de notre position, les lignes de champ magnétique seraient également à l'est / ouest. En d'autres termes : dans le cas d'un signal à polarisation verticale, les lignes de champ magnétique nous disent de quelle direction le signal vient, mais avec une incertitude de 180 degrés. Ceci est bien sûr bien connu avec les radios portatives MW avec une antenne ferrite intégrée : une telle antenne est directionnellement sensible, mais si on la fait pivoter de 180 degrés, la réception ne change pas.

Les pratiquants de la chasse au renard ARDF sur 80 mètres utilisent également des antennes en ferrite qui répondent à la direction des lignes de champ magnétique. Pour résoudre l'ambiguïté de 180 degrés, ces récepteurs ont souvent une "antenne sensisitive" supplémentaire : un fouet qui répond au champ électrique. Comme indiqué précédemment, ce champ ne dit rien au sujet de la direction du signal, mais il peut résoudre l'ambiguïté de 180 degrés des lignes de champ magnétiques : en fonction de la direction, le signal électrique est en phase ou 180 degrés hors de phase avec le signal magnétique.

Une belle application de ces principes est récepteur longwave directionnel DF6NM. Il utilise deux antennes magnétiques à 90 degrés l'une de l'autre pour déterminer la direction du signal, et une antenne électrique pour résoudre l'ambiguïté de 180 degrés. Il utilise ces données pour produire un diagramme en cascade dans lequel la couleur indique la direction.

Toutes les considérations étaient jusqu'à présent à propos de signaux de polarisation verticale. Pour les signaux polarisés horizontalement la situation est inversée: les lignes de champ électrique sont dirigées horizontalement et révélent la direction, tandis que le champ magnétique est vertical et ne dit rien sur la direction.

Directivité de la MiniWhip

Qu'en est-il pour la MiniWhip? On a déjà vu qu'elle répond à la composante électrique d'un signal polarisé verticalement, et qu'elle est faible par rapport à la longueur d'onde. Ensuite, une seule conclusion est possible: elle n'est pas sensible directionnellement. 

Cependant la MiniWhip possède un dip par le haut, elle ne repond pas aux signaux provenant directement verticalement d'en haut. Ces signaux ont chacun leurs lignes de champ électriques et magnétiques horizontales et il n'y a rien pour que cette antenne puisse y répondre. Ceci est notable avec le WebSdr de l'Université de Twente; de temps en temps des utilisateurs néerlandais se plaingent que l'antenne est mauvaise car il ne peuvent pas très entendre les stations neerlandaises sur 80m : parceque ces signaux rebonsissent sur l'ionosphère presque à la verticale.

Conclusion

Que pouvons-nous conclure de toute cette théorie ?