Utiliser des filtres réjecteurs pour permettre le fonctionnement multibande des antennes dipôles

Ancrée dans l'histoire, l'antenne dipôle à fil long peut sembler être un anachronisme à l'époque des dispositifs sans fil compacts et hautement mobiles fonctionnant dans le spectre gigahertz, mais ce n'est pas le cas. En raison de ses nombreuses vertus, elle est encore largement utilisée par l'armée, les services d'urgence, les radiodiffuseurs et les radio-amateurs passionnés pour les liaisons point-à-point longue distance dans le monde entier et la radiodiffusion à grande échelle.

Parmi ces vertus figurent la flexibilité, la facilité de configuration, le diagramme de rayonnement ajustable, la faible visibilité pour les autres et la petite taille de conditionnement/transport. Elle est principalement utilisée à des fréquences inférieures à 30 mégahertz (MHz) (longueur d'onde de 10 mètres [m]) dans ce qui était à l'origine désigné comme la bande haute fréquence (HF) s'étendant de 3 à 30 MHz, ainsi qu'à des fréquences plus basses/longueurs d'onde supérieures. Autre avantage, une seule antenne dipôle peut desservir plusieurs bandes simultanément via l'ajout de circuits LC résonants simples appelés « filtres réjecteurs » dans les deux bras du dipôle.

Cet article de blog présente brièvement le principe de l'antenne à fil long (dipôle), souligne certaines considérations théoriques par rapport aux considérations concrètes, et explique comment les filtres réjecteurs peuvent étendre leur utilité pour fonctionner en tant qu'antenne multibande. (Certaines de ces considérations s'appliquent à d'autres configurations d'antennes dipôles, comme le dipôle replié bien connu, mais il existe également des différences majeures.)

Pourquoi utiliser une antenne dipôle à fil long ?

Aujourd'hui, il y a tellement d'antennes courtes (dans la plupart des cas, de l'ordre d'un mètre ou moins) ou presque invisibles, comme le résonateur pavé ou l'antenne planaire en F inversé (PIFA) à l'intérieur d'un smartphone, que le dipôle à fil long peut sembler être une antiquité ou une curiosité. Cependant, les équations de Maxwell et la théorie des ondes montrent qu'une antenne/un récepteur dipôle efficace doit avoir une dimension principale correspondant à la moitié de la longueur d'onde d'intérêt. Cette antenne dipôle classique n'est pas mise à la terre et présente une charge symétrique équilibrée au niveau de l'amplificateur de puissance de l'émetteur et de l'amplificateur d'entrée du récepteur (Figure 1). (L'impédance nominale d'un dipôle idéal est de 73 Ω, mais est souvent citée comme 75 Ω ; la différence est négligeable.) Si l'antenne est connectée à la ligne d'alimentation courante de 50 Ω, une adaptation d'impédance toute simple est nécessaire entre la ligne d'alimentation et l'antenne.

Figure 1 : L'antenne dipôle classique de base possède deux bras d'un quart de longueur d'onde et apparaît comme une charge résistive équilibrée de 73 Ω à sa fréquence de fonctionnement résonante. (Source de l'image : MicrowaveTools)

Si un fil mince est utilisé pour le dipôle, la largeur de bande s'étend généralement à environ 5 % de part et d'autre de la fréquence centrale. Un fil plus épais augmente la largeur de bande jusqu'à 20 %, mais cela affecte d'autres attributs de performances. Si la connexion à l'émetteur ou au récepteur se fait via un circuit mis à la terre et utilise un câble coaxial comme ligne d'alimentation, un transformateur symétriseur peut être nécessaire. Toutefois, un câble coaxial peut également être utilisé directement dans de nombreux cas, tant que les impédances sont convenablement adaptées.

Compte tenu de sa conception simple, il est facile de voir l'attrait de l'antenne dipôle à fil long. Elle nécessite simplement deux longueurs de fil égales et un moyen de les attacher aux arbres, aux bâtiments, aux panneaux de signalisation ou à tout ce qui est pratique. En règle générale, l'antenne n'est pas connectée directement à ces supports. Au lieu de cela, une longueur de fil et des isolants sont généralement utilisés comme « douilles-entretoises » (Figure 2).

Figure 2 : Le dipôle est généralement fixé à ses supports par des isolants (en blanc) et des longueurs de fil qui permettent de maintenir les longueurs de bras du dipôle indépendamment de la distance entre les supports. (Source de l'image : Physics Forums)

En pratique, la longueur réelle de l'antenne pour des performances optimales devra probablement être ajustée pour tenir compte du fait que le fil a une épaisseur finie et présente d'autres écarts par rapport à la théorie, mais cet ajustement est généralement inférieur à 5 %. En règle générale, même sans ajustement, les performances sont assez bonnes et le rapport d'ondes stationnaires en tension (ROS) est inférieur à un ratio de 1,5:1 généralement acceptable.

Dans les cas où il y a une désadaptation ou un décalage d'impédance d'antenne important, le ROS atteint un niveau inacceptable et les performances en souffrent. Dans de tels cas, un syntoniseur d'antenne réglable est utilisé dans la ligne d'alimentation pour compenser et implémenter une transition.

Le gain théorique du dipôle est d'environ 2 dBi (dB par rapport à l'isotrope). Son diagramme de rayonnement est simple et souvent décrit comme un tore ou un donut (Figure 3).

Figure 3 : Le diagramme de rayonnement du dipôle vu du dessus dans le plan vertical (A), et vu du côté dans le plan horizontal, où il ressemble à un tore ou à un donut (B). (Source de l'image : Science Direct)

L'utilisateur peut ajuster l'orientation de l'antenne pour diriger l'énergie de l'émetteur/la sensibilité du récepteur au maximum vers l'émetteur-récepteur radio prévu, souvent situé à des milliers de kilomètres. Il existe de nombreux cas documentés de communication réussie à ces distances à l'aide d'un dipôle à 20 et 40 m avec une puissance d'émission bien inférieure à un watt et dans des conditions de propagation atmosphérique appropriées, car son rendement et son diagramme de rayonnement sont excellents.

Le fonctionnement multibande étend la polyvalence

Dans de nombreuses situations de communications HF réelles, il est nécessaire d'essayer d'établir un contact dans plusieurs bandes en même temps ou de changer de bande à différentes heures, car la connectivité dépend de nombreuses variables, comme les taches solaires, le bruit atmosphérique, le fonctionnement de jour ou de nuit, ainsi que les conditions de propagation qui changent constamment. Par conséquent, une antenne dipôle monobande peut être insuffisante.

La solution évidente consiste à configurer plusieurs antennes dipôles, une pour chaque bande/longueur d'onde d'intérêt. Cependant, cela présente des difficultés pratiques quant à l'installation, à l'enchevêtrement, à la gestion et à la commutation entre plusieurs lignes d'alimentation. Dans certains cas, un répartiteur/combinateur RF peut être utilisé pour permettre à une seule ligne d'alimentation de se connecter à deux antennes, mais cela entraîne des pertes et de nouveaux problèmes en termes d'adaptation d'impédance.

Heureusement, il existe une meilleure solution qui, comme le dipôle, est utilisée depuis le tout début de la technologie sans fil : le filtre réjecteur. (On ne sait pas vraiment quand ce terme a été utilisé pour la première fois ni par qui ; il n'est pas utilisé dans le brevet américain 2,229,865 de 1941 qui présente la technique.) Un filtre réjecteur est une combinaison inductance-condensateur (LC) simple et connectée en parallèle qui est auto-résonante entre deux bandes d'intérêt.

Un filtre réjecteur est inséré dans chaque bras du dipôle afin que l'antenne ait deux longueurs électriques, mais une seule longueur physique. À des fréquences inférieures à la fréquence de résonance, la réactance du filtre réjecteur est inductive. Au-dessus de la fréquence de résonance, elle est capacitive. Les filtres réjecteurs agissent comme un commutateur, en coupant électriquement le reste de l'antenne à la fréquence de conception du filtre et en fonctionnant comme une bobine de charge en dessous de la fréquence de résonance de l'antenne.

Un modèle électrique simplifié du filtre réjecteur montre l'inductance et le condensateur physiques, et une petite résistance parasite (R_P) (Figure 4).

Figure 4 : Le filtre réjecteur est un circuit LC résonant simple avec une certaine résistance indésirable et inévitable, qui peut être monté en série (a) ou en tant que circuit RLC parallèle (b). (Source de l'image : AntenTop)

Les filtres réjecteurs peuvent avoir la réputation d'entraîner des pertes, ce qui serait un souci pour les modes d'émission et de réception. Toutefois, un filtre réjecteur correctement conçu et réglé infligera une perte modeste de l'ordre de 1 dB, ce qui est généralement acceptable compte tenu de son côté pratique.

Sélection des valeurs des composants du filtre réjecteur

Mathématiquement, il existe un nombre infini de combinaisons LC qui donneront une fréquence de résonance souhaitée. Cependant, bon nombre d'entre elles nécessiteraient une inductance extrêmement petite (ou grande) associée à un condensateur extrêmement grand (ou petit), respectivement. Une telle combinaison serait excessivement affectée par les parasites et les problèmes de taille physique, et aurait également un facteur Q (facteur de qualité) trop réduit ou trop vaste pour la bande d'intérêt.

Heureusement, il existe une documentation considérable sur le dimensionnement des filtres réjecteurs reposant sur la théorie, l'implémentation et l'expérience pratique sur le terrain. Par exemple, un filtre réjecteur utilisant une inductance de 5,55 microhenrys (μH) associée à un condensateur de 100 picofarads (pF) est un bon point de départ pour un dipôle de 80/40 m (Figure 5).

Figure 5 : Les valeurs des composants indiquées et les dimensions linéaires du dipôle (en pieds) constituent un bon point de départ pour un dipôle multibande de 80/40 m. (Source de l'image : QSL Net)

La sélection des composants du filtre réjecteur ne se limite pas à déterminer les valeurs L et C appropriées, car il existe des problèmes très pratiques liés à la gestion de la puissance et à la robustesse. Pour les antennes de réception uniquement, presque n'importe quel condensateur ou n'importe quelle inductance peuvent gérer la très petite quantité de puissance reçue, qui est de l'ordre des milliwatts, et souvent moins. Cependant, les émetteurs fournissent souvent des niveaux de puissance de l'ordre de dizaines ou de centaines de watts, voire plus, et les composants du filtre réjecteur doivent donc être adaptés à ces niveaux de puissance.

Les filtres réjecteurs sont également exposés aux conditions météorologiques. Tandis que certaines antennes dipôles sont situées dans des environnements favorables comme un grenier ou une grange, la plupart sont à l'extérieur et doivent donc supporter la pluie, la force du vent, les températures extrêmes, la condensation, etc. Par conséquent, le filtre et son raccordement doivent être complètement étanches, avoir une sorte de système de drainage et de ventilation, ou être construits avec des matériaux résistants aux intempéries. Même si les raccordements restent intacts, toute infiltration d'eau ou corrosion peut affecter les valeurs des composants et ainsi décaler la fréquence de résonance.

La construction d'un filtre réjecteur nécessite généralement l'encapsulation de ses composants en les scellant dans un boîtier en plastique, à l'aide d'un revêtement conforme, ou en utilisant une sorte de construction exposée résistante aux intempéries (Figure 6). Un tuyau en PVC bon marché est souvent utilisé comme noyau d'une inductance enroulée. Dans d'autres cas, un tuyau en PVC avec des bouchons d'extrémité étanches est utilisé comme boîtier avec des orifices d'accès étanches.

Figure 6 : Ce filtre réjecteur fait maison de 80/40 m utilise une inductance enroulée à la main autour d'un tuyau en PVC comme support de base. (Source de l'image : www.vk4adc.com)

Un autre problème pratique est à prendre en compte : régler et couper les composants du filtre. Bien que le calcul des valeurs des composants soit une première étape nécessaire, ces valeurs idéales manquent souvent de précision en raison des parasites, du diamètre du fil et des imperfections de l'enroulement de l'inductance, pour ne citer que quelques facteurs concrets.

Pour cette raison, la plupart des filtres faits maison et de nombreux filtres commerciaux permettent à l'utilisateur de réaliser certains ajustements des valeurs L et C sur le terrain afin d'obtenir les performances souhaitées, ce qui se fait généralement avec un compteur ROS. Ce réglage précis peut être un processus frustrant et itératif, en particulier avec les implémentations DIY. Encore une fois, de nombreux sites Web proposent des suggestions pratiques pour simplifier le processus.

L'utilisation de filtres réjecteurs ne se limite pas à l'utilisation d'un dipôle à fil long sur deux bandes. Il est possible de construire des antennes dipôles à trois et même quatre bandes à l'aide d'une série de filtres. Cependant, cela nécessite des ajustements supplémentaires et certains compromis en termes de performances dans le diagramme de rayonnement de l'antenne, le gain, la largeur de bande et d'autres paramètres.

Au-delà des simples dipôles

Même si les filtres réjecteurs sont généralement associés à des dipôles à fil long de base, ils ne se limitent pas à cette conception d'antenne. Par exemple, une antenne Yagi-Udi multibande, directionnelle et à gain élevé (souvent appelée simplement « Yagi ») est construite à l'aide d'un ensemble d'éléments dipôles actifs et passifs. Cette forme de Yagi utilise des filtres réjecteurs dans ses éléments de direction, de commande active et de réflexion afin de pouvoir fonctionner sur plusieurs bandes (Figure 7).

Figure 7 : Les filtres réjecteurs peuvent être utilisés pour un fonctionnement dans trois bandes sur des dipôles de base, ainsi que sur des antennes multibandes plus complexes, comme cette conception Yagi 20/15/10 m. Les éléments de direction, de commande et de réflexion sont illustrés (de gauche à droite), chacun avec deux filtres sur chaque bras. (Source de l'image : OnAllBands)

Il est possible de construire votre propre dipôle, ce que font de nombreux utilisateurs ponctuels. Mais les dipôles sont également disponibles en tant qu'unités commerciales standard, comme le KGI825 de PulseLarsen Antennas. Ce dipôle quart d'onde de base avec un gain de 2 dB est conçu pour fonctionner de 806 à 896 mégahertz (MHz), avec une fréquence centrale de 851 MHz (Figure 8).

Figure 8 : Le KGI825 est une antenne dipôle quart d'onde avec un gain de 2 dB et une fréquence centrale de 851 MHz. (Source de l'image : PulseLarsen Antennas)

Le KGI825 peut gérer jusqu'à 60 watts de puissance d'émission et offre un montage magnétique pratique dans une fenêtre de 3,5 à 4 millimètres d'épaisseur. Il est fourni avec un câble coaxial RG-58/U de 4,25 m auquel l'utilisateur peut ajouter le connecteur souhaité.

Conclusion

La modeste antenne dipôle à fil long rudimentaire est au service du monde sans fil depuis plus d'un siècle. C'est toujours le cas en raison de sa simplicité, de son adaptabilité, de sa portabilité et de son efficacité. En utilisant des filtres réjecteurs passifs, sa capacité de fonctionnement peut être étendue sur deux bandes, voire plus, dans la partie haute fréquence du spectre électromagnétique.

Contenu connexe

Article sur la compréhension des spécifications et le fonctionnement des antennes (1re partie)

https://www.digikey.fr/fr/articles/understanding-antenna-specifications-and-operation

Article sur la compréhension des spécifications et le fonctionnement des antennes (2e partie) https://www.digikey.fr/fr/articles/understanding-antenna-specifications-and-operation-part-2

Article sur la conception, les applications et les performances des antennes

https://www.digikey.fr/fr/articles/antennas-design-application-and-performance

Article sur l'utilisation des symétriseurs pour les mesures

https://www.digikey.fr/fr/articles/the-use-of-baluns-for-measurements

Article sur le symétriseur RF et sa fonction de transformation

https://www.digikey.fr/fr/articles/understanding-the-rf-balun-and-its-transformative-function

Article sur l'utilisation des antennes PIFA pour résoudre le dilemme des produits compacts avec antenne plus petite

https://www.digikey.fr/fr/blog/use-pifas-to-solve-the-small-product-smaller-antenna-dilemma

Références externes

• H.K. Morgan, U.S. Patent 2,229,865, "Radio Antenna System"
• MicrowaveTools, "Dipole Antenna"
• Science Direct, "Antenna Fundamentals: Radiation Pattern"
• On All Bands, "Antenna Traps—A Way to Cope With Limited Space"
• QSL Net, "Tuned Circuits and Traps"
• AntenTop, "Modeling Trap Antennas"
• AntenTop, "Multirange Trap Antennas"
• VK4ADC's web, "Low Cost Antenna Traps"
• SOTABeams, "Using Antenna Traps"