Réalisation d'une antenne boucle (ou loop) magnétiques du 10m au 40m
Une loop à la loupe...
Ayant décidé de courrir les SOTA (Summits on the Air), je me suis mis en tête de fabriquer une antenne dont on entend beaucoup parler mais que peu d'OMs ont réalisée en définitive : "la loop magnétique" !
Certains expliquent qu'avec un rendement estimé de -20dBd, cette antenne n'a aucun intérêt, alors que d'autres nous en parlent comme d'une antenne miraculeuse ! Dans tous les cas il faut se méfier des comparaisons attives avec un dipôle car, contrairement à une antenne classique dont les ondes émises et reçues son d'origine électromagnétique, notre boucle privilégie la composante magnétique de l'onde émise, la composante électrique du champ se reconstitue à quelques distances de l'antenne., d'où son nom. Il y a donc un fonctionnement propre à ce type d'antenne. C'est l'opposé d'une antenne classique (dipôle,long fil,verticale) qui est en résonance sur la composante électrique uniquement (pour rappel, les parasites sont surtout véhiculés par le champ électrique). Sensible au champ magnétique et non au champ électrique , elle fournit une tension proportionnelle á ce champ. Elle fournit donc une tension proportionnelle á la fréquence, et ce coefficient de surtension étant très élevé, avec de surcroît une résistance de rayonnement très faible, il en ressort des tensions énormes aux bornes du CV de plusieurs milliers de volts. Le rayonnement de la boucle est toujours le même quelque soit la distance par rapport au sol.
Je pense que la meilleur façon de se forger un avis sur cette antenne c'est encore d'en construire une et de la tester. Alors en avant ....
Mon objectif
Mon projet étant d'utiliser cette antenne pour les SOTA je me suis fortement inspiré de l'ALEXLOOP.
Réalisée entièrement en câble coaxial, elle est légère et facile à transporter dans un sac à dos. Comme Alex, j'ai opté pour une boucle de 1m de diamètre (soit 3,14m de périmètre). Il est vrai que l'ALEXLOOP est réputée pour être innéficace sur 40m (avec un rendement de 7,7% sur cette bande, c'est assez normal) mais nous verrons plus bas comment y remédier.
Une antenne atypique
Principe et fonctionnement
Comme toute antenne, nous sommes devant un circuit LC ( self-capacité). Cette Loop est étudiée pour fonctionner sur l'ensemble des bandes comprises entre 40m et 10m. Elle est constituée d'une boucle de couplage (la petit boucle), d'une grande boucle et d'un condensateur variable (à air ou sous vide) pour adapter la capacité de l'aérien en fonction des bandes mises en œuvre. La grande boucle associée au CV de réglage se comporte comme un circuit résonnant auquel est couplé la petite boucle (boucle d'adaptation) reliée au transceiver par un câble coaxial 50 ohms.
Schéma de notre Loop magnétique
Les matériaux le plus souvent utilisés pour la réalisation de Loop magnétiques, sont les tubes de cuivre ou d'aluminium. Plus la section de tube est importante, plus le rendement de l'antenne est bon. Opter pour ces matériaux permettrai certes d'optimiser le rendement de l'antenne mais la rendrai difficilement transportable.
C'est pour cette raison que j'ai choisis de la fabriquer comme Alex, avec du coaxial. Il sera facile d'enrouler les élements et de les placer dans un sac de petite taille. Le poids de l'ensemble restera faible. Le temps de montage/démontage de l'aérien quant à lui sera ultra rapide.
Pour information
Le rayonnement maximal de cette antenne se trouve dans le plan de la grande boucle et non perpendiculaire à la boucle (l'antenne est donc directive et le sera encore un peu plus si nous rajoutons une ou plusieurs boucles). C'est exactement le contraire de ce qui se passe avec une boucle onde entière (type quad ou delta loop). Il est donc préférable de ne pas se positionner à proximité immédiate de cet aérien, à forte puissance. Les Loop magnétiques ont un facteur "Q" élevé et une largeur de bande passante étroite. Les deux sont intimement liés.
Avoir un facteur Q (facteur de qualité) élevé est un point fort mais le fait d'avoir une faible largeur de bande passante est plutôt un point négatif. La présence du CV nous permet de nous affranchir de ce petit désagrément en adaptant au fur et à mesure l'antenne à sa fréquence de travail.
Nous avons besoin d'un condensateur variable à fort isolement
C'est la première difficulté rencontrée pour réaliser cette antenne. Notre condensateur nécessite des valeurs en Picofarads et Kilovolts que l'on rencontre assez rarement. Il est donc un peu compliqué de trouver le condensateur idéal pour réaliser une boucle magnétique.
Le plus simple c'est de commencer à fouiller dans vos tirroirs voir, dans les tirroirs des copains. C'est comme cela que j'ai trouvé mon CV. C'est René (F4EKO) qui m'a trouvé quelques condensateurs dont un a fait l'affaire. l'autre solution est de l'acheter mais ils sont difficiles à trouver quelque soit leur type et ne sont pas donnés (100 euros et plus...). Vous pouvez aussi vous rendre sur les brocantes, il en traine dans les vieux postes radio par exemple. Dans tous les cas, l'achat d'un CV fait vite monter le côut de la réalisation OM !
Comme vous le savez, quand je propose une fabrication de matériel radioamateur, j'essaie toujours de donner des solutions à moindres coûts. Ce ne sera donc pas la solution retenue ici puisque le coût de l'antenne que je vous propose est très exactement de zero Euro (ce n'est que du matériel de récupération). Enfin certains choisissent de fabriquer eux même leur CV à air. Ce n'est pas cher, cependant c'est long et c'est du travail, mais cette réalisation doit être intéressante...
Il existe 2 types de condensateurs variables
- le condensateur variable à air : Le moins cher mais de plus en plus introuvable sur le marché (Le CV à air ne sont pratiquement plus fabriqués cependant, vous pourez en trouver ici). C'est celui que l'on peut essayer de fabriquer soit même. Il est bon d'avoir à l'esprit qu'un espacement de 1mm entre les ailettes correspond à une valeur d'isolement d'environ 1 Kilovolt. Vous aurez 2Kv avec 2mm entre les lames, 5Kv avec 5mm entre les lames, etc... Il faut un CV de 1Kv pour 5W de puissance émise, 2Kv pour 10W de puissance et 5Kv pour 100W.
- le condensateur variable sous vide : si vous avez la chance d'en avoir qui trainent dans vos tirroirs ou d'en trouver un à faible coût sur une brocante, vous êtes un petit veinard. La plupart du temps, il vous faudra l'acheter et il vous en coutera vite autour de 100 euros et plus. Ils permettent plus de souplesse pour les réglages et sont plus facilement trouvables sur le marché que les condensateurs à air. Vous pouvez en trouver sur ebay assez facilement. Ils sont souvent utilisés par les ferus de Loop, généralement sur des loop réalisées en tube de cuivre de bonne section et installées en Fixe.
Les condensateurs variables à air et sous vide
Quelle valeur doit avoir notre condensateur variable ?
- La capacité : Un CV de 5pF à 100pF suffit de 30m à 10m, c'est ce que j'ai trouvé pour réaliser ma Loop. Pour obtenir le 40m, il faudra un CV de 5pF à 250.
- La valeur d'isolement : Pour les puissances QRP, il faudra compter de 1 à 2Kv. Si vous désirez pourvoir trafiquer avec 100W, il faudra une valeur d'isolement de 5Kv.
Après avoir testé plusieurs CV parmis ceux fournis par René, il s'est avéré qu'un seul convenait (mais ne me permettait pas d'aller sur le 40m). Ce fût donc ce CV d'une capacité de 5pF à 100pF environ avec une valeur d'isolement de 2Kv que j'ai choisi. L'idée étant d'utiliser ma loop en portable avec une puissance QRP de 5W, c'est amplement suffisant puisque celui-ci me permet d'utiliser jusqu'à 20W à l'émission. Pour avoir le 40m en plus, j'ai rajouté un second CV variable en parallèle sur le premier. Cela fonctionne mais le rendement est très faible (7,7%).
Je vais donc opter pour doubler la taille de la boucle ce qui me permetra, avec mon CV de base d'accorder le 40m. En effet pour une boucle 2 fois plus longue, il suffira d'à peine plus de 75 pF (comme vous pouvez le constater dans mon tableau de simulation excel en passant le diamètre de la boucle à 2m). Dans la pratique, au lieu d'utiliser un boucle de 2m, je rajouterai une longueur de coaxial identique à la première pour former une seconde boucle d'un mètre et l'affaire sera faite. De plus le rendement sur chaque bandes monte de façon considérable puisque pour le 40m par exemple, on passe de 7,7 à plus de 40% !
Vous pouvez télécharger ma feuille de calcul au format Excel, inspirée de celle de F5RDS pour calculer au plus juste la valeur des éléments de votre loop. Les valeurs qui se trouvent dans ce tableau sont données pour des tubes ou des lames en cuivre ou en aluminium. Je considère que les valeurs données pour un tube de cuivre de 10mm de diamètre correspond à peu de chose prêt à mon coaxial de 10mm de diamètre. Dans la pratique cela fonctionne. Il vous suffit de changer les valeurs qui se trouvent dans les cases sur fond orange pour obtenir les valeurs de la loop que vous désirez construire.
Les rendements attendus de notre loop
Sur 10m : 92% / -0.37 dB
Sur 15m : 80% / -0.98 dB
Sur 20m : 49% / -3.1 dB
Sur 30m : 23% / -6.4 dB
Sur 40m : 7.7% / -11 dB
Comme vous le voyez, sur les bandes basses, le rendement attendu n'est pas fantastique et quand on passe aux essais, cela se confirme. Pour moi ce type de boucle est intéressante entre 10 et 20m ce qui n'est déjà pas si mal. Pour la rendre réellement plus intéressante, il faudra rajouter une seconde boucle de 1m de diamètre et là, nous commencerons à avoir une antenne performente du 10 au 40m toutes bandes confondues sans rien changer à la valeur du CV. Il faudra juste prévoir d'emporter dans son sac une seconde longueur de 3,14m de coaxial avec ses 2 PL + un raccord PL/PL.
La grande boucle ou loop externe est l'élément rayonnant
Tout d'abord je vous invite à choisir un coaxial à âme rigide. Votre boucle ne s'en tiendra que mieux. On trouve en effet sur le net certaines réalisations a base de coaxial avec une âme multibrins du genre RG213. Cela fonctionne mais ces boucles sont toutes déformées. Pour que cela ressemble à quelque chose il vous faudra élaborer un support en croix (voir plus), plus compliqué à réaliser, rendant le montage/démontage de l'antenne plus long, ainsi qu'un encombrement plus important pour le transport.
Pour réaliser la mienne, j'ai utilisé une chute de CNT400. Vous constaterez par vous même sur les photo qu'une simple tige verticale suffit à tenir le tout.
J'ai donc coupé une longueur de 3,14m de CNT400 (diamètre : 10mm) pour réaliser ma boucle de 1m de diamètre. A chaque extrémités, j'ai soudé une PL259. Au milieu de ma boucle (donc à 157 cm), j'ai collé un repère en adhésif jaune pour marquer le milieu. Et c'est tout, notre grande boucle est terminée !
La grande boucle et ses deux PL
La petite boucle ou boucle d'adaptation ou encore de couplage
C'est elle qui permet d'arriver à une impédance carractéristique de 50 Ohms. Le mieux serait de la concevoir ajustable en taille pour l'ajuster sur chaque bande et ainsi arriver à un ROS parfait sur chacune d'entre elles. Ce n'est pas l'option choisie puisque nous réalisons une loop vouée aux expéditions, simple et rapide à monter. Cette technique est plus généralement utilisée pour construire des Loop magnétiques installées en fixe.
Il existe plusieurs façons d'alimenter une boucle magnétique :
- gamma match
- condensateur variable d'accord
- boucle secondaire
- etc...
J'ai opté pour la boucle secondaire aussi appelé "boucle de Faraday". Je l'ai réalisée avec du coxial de type RG58U. Elle sert non seulement à l'adaptation mais c'est aussi par cette boucle que l'antenne va être alimentée. Ci-dessous vous pouvez voir les différentes possibilités qui existent pour réaliser une boucle de Faraday. Elles fonctionnent toutes. J'ai donc opter pour la plus simple à réaliser, la n° 4.
les différents types de boucle de Faraday
Sa longueur est de 62,8cm pour un diamètre de 20cm. En fait cette boucle mesure 1/5ème de la longueur de la grande boucle. Pas de SO239 sur la boucle pour l'alimente. Elle est directement réalisée dans les 62,8 derniers centimètres du câble qui va servir à alimenter la boucle. On referme la boucle en soudant l'âme du bout du câble 62,8 cm plus bas sur la tresse (voir shema de principe et photo). J'ai protégé cette jonction avec de la gaine thermorétractable. Mon câble fait 4m (encore une chute de coaxial qui tranait) et au bout j'ai soudé une PL259 pour brancher l'antenne sur le tranceiver. Notre boucle de couplage est maintenant terminée...
Réalisation de la boucle de couplage
Assemblage du prototype
J'ai choisi 2 plaques de PVC pour réaliser le socle de l'antenne. Elles sont assemblées avec des visses. La plaque du dessous premet d'isoler les pointes et têtes de visses de fixations se trouvant sous la première plaque.
Il faut ensuite réaliser le câblage du CV sur les 2 SO-239 Femelles. J'ai donc fabriqué 2 équerres avec des chutes de tube aluminium rectangulaire. Elles mesurent 1,5cm de large, 4cm de haut avec un repli à la base de 2cm pour la fixer (grâce à 2 visses) sur le socle en PVC. Un petit trou est percé aux sommetx pour fixer les prises SO-239 et 2 trous sont percé sur l'embase pour les fixer sur le socle.
Pour le câblage, j'ai utilisé une chute de câble électrique de 1,5mm. Il en faut deux d'environ 5cm. D'abord les souder sur les point chaud (âme) des 2 SO-239 puis les faire passer par un des 4 troux des socles de fixation des SO-239 et les souder également au niveau de ces trous pour courcicuiter les SO-239 (comme indiqué sur le schéma plus haut). Les parties de fils restantes (environ 3cm) permmettent d'aller jusqu'aux 2 points d'alimentation du CV (le point du rotor et celui du stator). Elles sont alors soudée. Le fait de souder plutôt que d'assembler permet d'optimiser le facteur Q de l'antenne. Et voilà, la base de votre antenne est faite. Il est important de considérer que plus courte est la longueur des fils reliant de CV au SO-239, meilleur sera le factueur "Q". Cette longueur est à moduler en fonction de la physionomie de votre CV.
Réalisation du socle + tige de support
Pour supporter la boucle, une simple tige suffira puisque le coaxial choisi pour réaliser celle-ci est suffisament rigide pour qu'elle se tienne bien. J'ai donc recyclé 2 tiges de 50cm de long et 1,8cm de diamètre de fibre de verre. A l'origine ce sont des arceaux de tente de récupération. Il n'est pas rare que les gens les jettent quand la tente n'est plus en état. Du coup, je les récupères...
Un bout de tige de fibre de 10cm et fixé dans le socle en PVC. Une tige complète est enfiché sur cette chute de 10 cm puis une portion de tige est découpé à la longueur qui convient pour avoir une tige qui assemblée, dépassera du socle en PVC de 1,02m soit environ 98cm au dessus de l'axe des 2 SO-239. Cela permet de concerver 2cm pour fixer au bout des tiges le supports de fixation des câbles qui arrivera plus tard.
Les partie métaliques des tiges on été recouverte de gaine thermorétractables pour les isoler légèrement et les protéger.
Une fois cette colone vertébrale en tiges de fibre de verre assemblée au dessus du socle en PVC, il ne vous reste plus qu'à connecter votre grande boucle sur les SO-239 puis la faire reposer en son centre sur la tige de fibre de verre. Pour la partie prototype, cela restera comme cela.
Assemblage de la grande et de la petite boucle
Amener votre petite boucle de couplage au sommet et au centre du périmètre de la grande boucle la fixer avec 2 petits coliers (des Colson par exemple), un de chaque côté de la tige. Ensuite fixer la base de la boucle sur la tige en fibre de sorte que la boucle en RG58U forme un joli rond. Faire descendre la partie câble d'alimentation de l'antenne, le long de la tige en la fixant elle aussi, avec des coliers en plastic.
Notre prototype est terminé et est maintenant prêt à être testé...
Et maintenant, à vous de jouer...
Prochainement dans cette rubrique :
- Résultats des essais
- Mise en boîte du CV et suppression du socle pour réaliser la version définitive de cette loop
- Réalisation de la seconde boucle pour augmenter le rendement de l'antenne
