Antenne de Hertz ou 5-1 de F4DUI avril 2020
L’histoire de la première antenne par le physicien allemand Heinrich Rudolf Hertz (1857-1894).
L'émetteur est un circuit LC oscillant au-delà de la limite de claquage qui produit une série d'arcs électriques.
L'oscillateur comprend deux sphères de cuivre, d'environ 30 cm de diamètre, reliées par un conducteur rectiligne d'environ 3 m , coupé en son milieu par un éclateur constitué de deux petites sphères dont la distance peut être
réglée.
Les sphères sont reliées à une bobine de Ruhmkorff (Heinrich Daniel Ruhmkorff, 1803-1877 ) de forte puissance et l'ensemble est isolé de la terre.
Les charges s'accumulent dans les grandes sphères jusqu'au moment ou l'étincelle éclate entre les petites sphères de l'éclateur. La fréquence était déjà de 70 Mhz mais en salves pulsées et Hertz le savait.
Il mettait le courant au milieu des barres et récupérait la tension sur les boules (1/4 d’onde Zi nulle et courant donne Zo infinie comme la tension donc cela rayonne).
Antenne modernisée 5-1 ou de Hertz par F4DUI. Je voulais me faire une antenne HF pour le 80m. J'ai voulu réaliser une antenne du genre de celle de Hertz avec une inductance au centre et 2 capacités aux deux bouts. Cela évite un plan de masse.
Les axes de la bobine et de la capacité sont perpendiculaires. J'ai remplacé les boules de l’oscillateur d’origine, trop difficiles à faire par des boites de conserve format 5-1 (153 x 240 mm et de 4250 ml) d'ou son nom .
J'ai fait avec du matériel de récupération, les boites 5-1 viennent de la cantine municipale.
L'antenne est rotative en son centre, photo N° 2 en position verticale.
La bobine est un bidon plastique, lui aussi de récupération, de 40 cm de diamètre coupé à 15 cm de hauteur ( récupération aussi ).
La partie cylindrique du bidon et entourée de fil de cuivre de1,5 mm² de section, rigide et isolé J’ai fait avec les moyens du bord mais je pense qu’il est préférable d’utiliser du fil souple.
Le tube blanc est en PVC d’un diamètre de 80mm et mesure 24 cm de long. La distance est de 25 cm entre les boites.
On pourrait ajuster la fréquence de résonance en réglant la distance entre les boites mais après quelques essais je trouve ça très peu pratique.
Dans ce tube j'ai mis une demi boite de conserve d’un diamètre de 80mm que j'ai soudé à l'étain aux centres des boites 5-1.
L'ajustage de la fréquence a été fait en jouant sur le nombre de spire de la bobine ( bidon plastique de 40mm ). 13 spires me paraient être la bonne quantité.
L'ajustage de l'impédance à 50 Ohm a été fait en jouant sur les spires du tore noir à 3680 kHz. Le tore est au milieu de la bobine jaune. Voir photo N° 1. ( 13 spires ).
Avec deux boites j'avais une capacité de 25pF. Pour mesurer la capacité je me suis mis à la résonance et j’ai mesuré f1, j'ai ensuite mis un condensateur d’une valeur de 100pF entre les 2 groupes de boites de conserve 5-1, j'ai mesuré de nouveau la résonance à f2 et f2
J'ai augmenté la capacité en ajoutant 2 boites de conserve 5-1 en haut et en bas. Je suis passé à 36 pF. Il à fallu redimensionner la bobine à 11 spires au lieu de 13 spires.
Le tore est toujours au milieu du bobinage. Une bonne antenne doit avoir son impédance Z à 377 Ohm comme le vide, je pense. J'en ai profité pour mettre une sortie twin lead 450 Ohm car le cable coaxial ne passait pas sous la porte du balcon. N°3
Pour régler les impédances je me mets à la résonance, je règle le générateur HF 50 Ohm à 1 V à vide, U0 puis je charge avec le tore sur l'antenne, si la tension chute Uc de moitié je suis à 50 Ohm sinon je joue avec le nombre de spire (sur la bobine 1 spire pour avoir un courant maxi) Z = 50*Uc/(U0-Uc) en Ohm et U en V.
Le réglage se fait à une spire près mais on peut régler à 1/2 spire près en empilant 2 tores identiques et en passant la 1/2 spire que dans un seul tore.
Si la tension chute de 10% je suis à 450 Ohm toujours à la résonnance car il ne reste que la partie résistive.
Pour tester les tores je fais un transfo 1/1 chargé par 50 Ohm et je mesure sur la charge si il y a trop de perte je passe de 1 spire par enroulement à 2 puis 3. Mais si il y a trop de spire la capacité parasite augmente. (plus il y a de spire plus l'induction B diminue).
J'ai mesuré à l'oscilloscope PeakTech 1190 100MHz qui donne fréquence et tension efficace et un générateur HP 3312A 13MHz et 1W maxi sur 50 Ohm.
Pour passer de 450 à 50 Ohm j’utilise un transformateur. m = 1/3 ( 2 sp et 6 sp ) voir photo N°3.
Mesurer c'est savoir à condition de savoir ce que l'on mesure et comment l’on mesure. Vérifier avec des repères connus (TOS de 2 avec 25 ou 100 Ohm en 50 Ohm) Vérifier les appareils de mesure avec des étalons précis (R à 0,1 ou 1%) !!! Plus précis est la mesure de fréquence, le moins L ou C, tension et puissance 5 à 10%. Il est possible aujourd’hui de trouver chez nos voisins asiatiques des analyseurs de spectre à 50€ environ (en 2020, non testé).
Version N° 2. La sortie et de 50 Ohm, j'ai rebouché les 2 boites du bas verticales avec leur couvercle. Cette antenne serat dehors sur le balcon Est
Version 2. La sortie est de 450 Ohm avec un transformateur de 1/6, donc la résistance de l’antenne est de 450/ 6² = 12,5 Ohm rayonnants.
Version N° 2. Le transformateur, 1/3 sortie 50 Ohm.
Version N° 3 (En cours d'assemblage. ( L’ensemble sera suspendu verticalement à l’extérieur sur le balcon Ouest ).
J'habite en ville dans un immeuble à Montauban dans le département du Tarn et Garonne (82). Mes essais radios se font sur mon balcon Est mes correspondants de côté Est passent bien mais en revanche je reçois très mal, voire pas du tout du côté Ouest avec mon récepteur YEASU FT817 et ses 5W en émission).
Je suis situé au bout du bâtiment du côté Sud et je n’ayant pas d’accès au côté Nord j’ai décidé alors de faire une seconde antenne pour la positionner sur mon balcon côté Ouest.
Le Problème que je rencontre c’est de coupler ces 2 antennes en émission et réception.
J'ai fait un coupleur avec un tore à 3 enroulements avec un primaire 50 Ohm et 7 spires, et 2 secondaires 5 spires (m = 0,707 ) toujours avec 50 Ohm. En émission cela devrait marcher mais en réception mes 2 antennes se mettent en conflit. Il me faudrait donc construire un coupleur de Wilkinson mais alors on perd 3dB en émission. J'ai simulé avec le logiciel gratuit QUCS et au tableur pour l'aide aux calculs.
Version 3
Problème à cause du confinement covid-19 (22 avril 2020) ma source de boites de conserve 5-1 n'est pas accessible. J'ai du grillage à lapin en mailles carrées de 13 mm, et d’une largeur de 50 cm galvanisé.
Je me suis fait 2 cages cylindriques de 50 cm de haut et d’un diamètre 50 cm que j'ai monté à l'intérieur d'une barre de bois de 140 cm de long en 58*58 mm de cotés. (Moins de prise au vent et plus discret). L’Assemblage se fait par soudure à l'étain.
J'ai isolé les cages du bois par du plexiglas de 3 mm d'épaisseur collé sur le bois à la colle néoprène au cas ou le bois serait humide.
La vis de fixation de la cage en plexiglas doit être isolée de la cage centrée sur un carreau (cale en époxy sous tête).
J'ai fait la bobine avec le reste du bidon, la partie haute comme cela j'ai une poignée de transport, j'ai ôté l'autre pour faire la poignée supérieure de suspension. Comme la partie haute est légèrement conique cela pose un problème résolu par la fixation des spires à la colle chaude.
L'antenne sera suspendue verticalement par le bout de bois sur un crochet on pourra la mettre à l'horizontale par l'autre poignée.
Les premières mesures pour 13 spires de diamètre de fil de 1,5 mm² de cuivre isolé, d’un diamètre de 38cm et d’une longueur de 13 cm donnent, f = 11 Mhz à la résonance et C = 2,5 pF que je trouve faible.
Après plusieurs essais avec 6 spires on a 455 Ohm d'impédance ce qui est bon pour attaquer un twin lead. A l'autre bout du twin lead 450 Ohm, le transformateur de 1/3 ( 2-6 spires ) pour câble de 50 Ohm .
Apparemment la capacité des 2 cages est bien plus faible que les boites 5-1 bien que plus volumineuses et plus écartées. Les boites sont en tôle pleine et les cages en grillage à lapins.
Après réflexion j'ai essayé de couvrir de papier d'aluminium de 32 cm de large les cages sur la partie cylindrique pour essayer d'augmenter la capacité pour baisser la fréquence.
La fréquence n'a pas bougé (-10 kHz sur 11MHz la fréquence a baissé un peu).
J'ai mesuré à l'oscilloscope PeakTech 1190 qui donne fréquence et tension efficace et un générateur Rohde&S SMS 0,1-1040, 1V maxi et analyseur de spectre HAMEG HM5005.
Sur les bons conseils de mon ami F1AQS Gérard, j'ai réglé mon antenne au TOS-mètre au minimum de réflexion. Le premier TOS-mètre FS-5S que j'ai utilisé était en panne (ligne coupée). Après dépannage je n’avais toujours aucune mesure. D’'après la notice qu'il a fallu retrouver, il me fallait 7 W mini et j'en avait 1 W seulement sur le HP 3312A et 1 V maxi sur le Rohde&S SMS 0,1-1040.
J'ai trouvé une tête de TOS-mètre WF-2 qui donne 3 tensions DC (direct, inverse et puissance). Après des mesures à 10 Mhz et 1 V 50 Ohm sur une charge non rayonnante de 50 Ohm, j'ai mesuré: Vp = 8mV, Vd = 18 mV et Vi = 0,1 mV. C'est difficilement exploitable car les diodes de détection ont un seuil de 0,17 V. Sur les bons conseils de mon ami F1AQS Gérard (
https://pratique-rfcircuits.monsite-orange.fr/), j'ai modifié le WF-2.
Il m'a dit de modifier le circuit de mesure de P réfléchi (coté antenne), d'ôter la diode et de brancher à la place un câble coaxial qui irait jusqu’à l'analyseur de spectre. (1,5m long, d’un diamètre 2mm et de 50 Ohm) ou l’oscilloscope.
Les mesures de TOS se feront à l'analyseur de spectre et à la résonance sur un minimum de puissance réfléchie (ligne de bruit en bas de l'écran).
On note la hauteur de raie Pc puis on débranche l'antenne, on renote la hauteur de raie P0 > Pc , puis on court circuite la sortie antenne avec un bouchon CC, on renote Pcc > Pc ,la puissance réfléchie est: Pc-(P0+Pcc)/2 < 0 en dB. -10 dB donne 10% de réfléchi et -13dB 5% en puissance.
A l'analyseur de spectre 10 dBm = 1 carreau, 0 dBm = 1mW dans 50 Ohm et 224 mV. On peut faire à l'oscilloscope avec des mesures en tension en branchant la sortie réfléchie du TOSmètre, et mesurer les 3 tensions Vc,V0, et Vcc puis convertir les tensions en dBm et calculer comme avec l'analyseur de spectre.
En faisant varier la fréquence on peut facilement trouver la bande passante en résonance parallèle de l'antenne à l'oscilloscope. Si la tension du générateur chute de 30% on trouve la bande passante à -3 dBm (on règle à 10 au maxi la tension à la résonance et on joue sur f pour baisser la tension à 7,07). -3 dBm en tension donne demi puissance pour la mesure de bande passante.
On peut calculer Q le coefficient de surtension b = f * 2* pi / Q.
60 dBm = 1kW dans 50 Ohm et 224 V, 4,47 A.
50 dBm = 100W dans 50 Ohm et 70,7 V, 1,41 A.
40 dBm = 10W dans 50 Ohm et 22,4 V, 0,44 A.
30 dBm = 1W dans 50 Ohm et 7,07 V, 141mA.
20 dBm = 100mW dans 50 Ohm et 2,24 V.
10 dBm = 10mW dans 50 Ohm et 707 mV.
6 dBm = 4mW dans 50 Ohm et 447 mV.
3 dBm = 2mW dans 50 Ohm et 316 mV.
0 dBm = 1mW dans 50 Ohm et 224 mV.
-3 dBm = 0,5mW dans 50 Ohm et 158 mV.
-6 dBm = 0,25mW dans 50 Ohm et 112 mV.
-10 dBm = 0,1mW dans 50 Ohm et 71 mV.
-20 dBm = 10µW dans 50 Ohm et 22,4 mV.
-30 dBm = 1µW dans 50 Ohm et 7,07 mV.
-40 dBm = 0,1µW dans 50 Ohm et 2,24 mV.
-60 dBm = 10nW dans 50 Ohm et 224 µV.
-80 dBm = 0,1nW dans 50 Ohm et 22,4µV.
-100 dBm = 1pW dans 50 Ohm et 2,24µV.
( Pour calculer la sensibilité des récepteurs) En tension X dBm = 20 * log(V/0,224 ) V en Volt sur 50 Ohm Sur 450 Ohm refaire les calculs au tableur.
En puissance 10 dBm c'est 10 fois plus de puissance et -10 dBm c'est 10 fois moins.
En tension 20 dBm c'est 10 fois plus de tension et -20 dBm c'est 10 fois moins.
Pour calculer la tension d’alimentation DC et le courant des amplificateurs de puissance et leur transformateur de sortie :
m = U2/U1 = n2/n1 = I1/I2 , 1 primaire. m² = Z2/Z1
n spires , Z impédance, I courant, U tension ( Volt efficace si Volt crête Ucr = U *1,4142 en sinusoïdal, Ucr² = P * R / 2 . Il est facile à U > 2V de mesurer la tension crête avec une diode Schottky ou germanium et une capacité de filtrage ).
U² = P * R , U en Volt, P en Watt et R, Z en Ohm.
I² = P / R , I en Ampère.
Construire une échelle logarithmique décimale.
Sur du papier quadrillé tracer une ligne horizontale. Au centre repérer l'origine du repère le 1. A 10 carreaux vers la droite repérer le 10, à 10 carreaux vers la gauche repérer le 0,1 et ainsi de suite à gauche ou à droite. Il n'y a pas de zéro, si à moins l'infini.
Pour les nombres négatifs c'est repéré par la phase de 180° ou Pi.
Comme log 2= 0,30103 à 3 carreaux à droite du 1 on place le point 2 et à gauche 0,5.
A 6 carreaux à droite du 1 on place le point 4 et à gauche 0,25 (l'inverse).
A 9 carreaux à droite du 1 on place le point 8 et à gauche 0,125.
+3 carreaux on double vers la droite et vers la gauche moitié.
A 5 carreaux au centre 3,162 arrondi à 3,2, 3 carreaux à droite du 5 le point 6,4 et à gauche 1,6
l'axe est gradué pour les 10 carreaux ou une décade, les autres décades c'est pareil.
C'est la série Renard R10 qui sert aussi pour les valeurs des calibres des fusibles et section des fils électriques, la raison de la série R10 est 10^0,1 = 1,2589 arrondi à 1,25. On a 10 valeurs par décade en R10. La série R20 existe sa raison est 10^(1/20) = 1,122, la série R5 existe aussi.
C’est une progression géométrique, le rang suivant est multiplié par la raison.
Sur le même principe on a les séries E3, E6, E12, E24... pour les valeurs des composants électroniques la raison de la série E6 est 10^(1/6) = 1,468 arrondi à 1,5 et 6 valeurs par décade.
La décade est un rapport de 10 et l'octave un rapport de 2.
Rappels:10^3 = 1000 et 2^10 = 1024 l'erreur est faible, 10 octaves = 3 décades .
C'est pratique pour tracer des échelles log-log type diagramme de Bode en x l'échelle log de la fréquence et en y la puissance en dBm (0 dBm = 1mW = 224mV dans 50 Ohm).
Pour un 1er ordre (circuit RC, RL) on trouve des pentes de 20 dB par décade ou 6 dB par octave. Pour un 2ème (circuit RLC) ordre on trouve des pentes de 40 dB par décade ou 12 dB par octave. Pour un ordre 0 (circuit R) pas pente. Pour un ordre 1/2 la pente est 10dB/décade ou 3 dB/octave (cascade de circuits RC passe haut et bas, bien ajustés, pente moyenne).
Pour un filtre idéal l’ordre est infini et calé sur les polynômes de Newton dont les coefficients sont donnés par le triangle de Pascal, l’infini étant un peu grand on prend l’ordre 10 environ. Pour un filtre 2ème ordre sélectif à résonance parallèle f pointue la bande passante est b = 2 * pi * f / Q Avec Q le coefficient de surtension (b en Hertz).
Version N° 3 dehors sur balcon côté Ouest.
Version N° 4 dehors sur balcon côté Ouest.
Version 4 J'ai refait la bobine avec plus de spire pour baisser la fréquence de résonance. Comme la partie haute est légèrement conique cela pose un problème résolu autrement que par la fixation des spires à la colle chaude.
J'ai utilisé la technique « fond de panier » qui tient bien les spires si le nombre d'encoche est impair. L’autre avantage du fond de panier, est une plus petite capacité parasite entre spires.
J'ai taillé à la cisaille 7 encoches de 11 mm de large pour bien passer de dessus à dessous .
Gérard, F4DUI.
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