L'antenne doublet demi-onde

Je vous ferai grief du grand cours théorique avec l'intégralité des calculs savants par lesquels nous pourrions passer pour expliquer le fonctionnement du dipôle. Je me contenterai d'aborder cette antenne sous un aspect pratique.
Les dipôles filaires par exemple, qui quand on a peu de place ou pas de pylône pour y installer des antennes, sont bien pratiques et peu onéreux à réaliser. Cette antenne est très souvent utilisée sur les bandes basses qui nécessitent des aériens assez encombrants. Il faut également savoir qu'a l'instar de beaucoup d'autres types d'aériens, les dipôles "Full size" génèrent peu de bruit. Le dipôle en tant qu'élément "radiateur", est à la base de toutes les antennes de type Yagi. Si il est installé parallèlement au sol, il est en polarisation horizontale et bidirectionnel. Si il est disposé perpendiculairement au sol, ce même dipôle sera alors en polarisation verticale et omnidirectionnel.

Dipôle horizontal, en V inversé ou Vertical

Contrairement à l'antenne isotrope, qui est en fait un modèle théorique servant de référence pour les calculs d'antennes, et qui donc n'existe pas, le dipôle est une antenne réelle qui sert également de référence pour évaluer le gain des autres antennes.

Il en résulte deux valeurs qu'il ne faut pas confondre :
- le rendement en dB par rapport à l'antenne Isotrope en dBi. Cette antenne virtuelle vaut 0dB
- le rendement en dB par rapport au dipôle demi-onde en dBd. Le gain du dipôle est de 2,15 dBi ou 0dBd.
- Il existe également une 3ème valeur dont je ne parlerai pas ici car pratiquement jamais utilisée. 

Il faut faire attention quand vous choisissez une antenne. Regardez bien si son gain est exprimé en dBd ou en dBi. Si vous voulez connaître en dBi, le gain donné en dBd d'une antenne, il vous suffit de rajouter 2,15 à la valeur annoncée. A l'inverse, il vous suffit de retirer 2,15 à une valeur donnée en dBi pour obtenir le gain en dBd. Sachez également que ce gain, si il est exprimé en dB est fait pour vous induire en erreur. Cette valeur "commerciale" n'existe pas. Dans ce cas précis, elle correspond à la valeur en dBi. Le vendeurs préfèrent enlever le "i" pour "noyer le poisson". Ne vous y laissez pas prendre. Le gain d'une antenne doit être exprimé par rapport à l'antenne isotrope ou par rapport au dipôle ! Pour finir, il faut comprendre que toute antenne ayant un gain inférieur à 2,15 dBi, aura un gain inférieur à celui d'un doublet demi-onde.

Le gain doit être indiqué  en dBi ou en dBd

Alors un dipôle, ça fonctionne comment ?

Le dipôle demi-onde, souvent appelé "doublet", est une sorte de doublet de Hertz (dipôle de très petite taille par rapport à la longueur d'onde) dont la longueur est théoriquement égale à la moitié de la longueur d'onde de la fréquence pour laquelle on désire le tailler. Dans la pratique, pour tenir compte de l'effet d'extrémité, on adopte une longueur physique de quelques pour-cents inférieure à la longueur d'onde théorique.

Au point d'alimentation, son impédance est de 73 ohms. L'antenne est alimentée en son centre soit par une ligne symétrique, soit par un câble coaxial. Dans le cas de l'utilisation d'un câble coaxial, donc une ligne asymétrique, il est connseillé de placer un balun 1/1 au point d'alimentation du dipôle ou de réaliser un schock balun. Cependant si nous décidons d'installer notre doublet non plus à l'horizontale mais en "V" inversé, avec un angle de 120 degré, l'impédance ne sera plus que de 50 ohms. La polarisation ne sera plus considérée comme horizontale mais comme verticale ou presque mais plus besoin de balun pour adapter l'impédance. Si vous mettez réellement votre doublet en position verticale (perpendiculaire au sol) et que son point bas est proche du sol, il ne sera plus symétrique, il faudra donc l'alimenter en assymétrique avec un câble coaxial. Si le brin du bas est presque en contact avec le sol, son impédence au point d'alimentation sera de 100 ohms. Il faudra réaliser l'adaptation d'impédance. Le doublet vertical est une excellente antenne, sous-estimée pouvant donner des résultats surpenant en DX. Je vous conseille de faire des tests sur la bande des 10m ou les bandes adjacentes par exemple...

Attention, les valeurs d'impédances au point d'alimentation, données ci-dessus sont des valeurs théoriques ! Ce sont donc les valeurs vers lesquelles nous allons essayer de tendre quand nous réaliserons nos aériens. Vous verrez que ces valeurs fluctuent de manière significative en fonction entre autre, de la hauteur à laquelle sera installée votre antenne, ainsi que des autres paramètres influençant le dipôle dont il est question sur cette page. Vous pouvez voir sur le graphique nommé "impédance du dipôle", sur la droite de la page, comment évolue dans la pratique cette valeur en fonction de la hauteur de l'antenne par rapport au sol (graphique donné pour un dipôle en polarisation horizontale). Il faut savoir qu'en polarisation horizontale, l'image du dipôle dans le sol est en opposition de phase, ce qui signifie qu'elle va s'opposer à l'onde initiale qui est dans l'antenne, d'ou cet effet de "court-circuit" qui abaisse sérieusement l'impédance quand le doublet est trop bas.
Mais si l'on place cette antenne doublet un peu au dessus de Lambda/2 c'est l'inverse qui se produit. Un autre déphasage se produit et l'image renvoyée par le sol se retrouve en phase avec le champ crée par l'antenne. Dans ce cas, l'effet de sol augmente l'impédance de l'antenne, ce qui permet d'obtenir une impédance au point d'alimentation de 100 Ohms. 

Remarque : Avec une antenne Ground Plane, le sol ne gène pas, au contraire il aide, car en polarisation verticale l'image dans le sol est parfaitement en phase avec ce que rayonne l'antenne.

Si l'on installe le doublet à l'horizontale, son diagramme de rayonnement dépendra fortement de sa hauteur par rapport au sol. Le fonctionnement de l'antenne dépend étroitement de son dégagement et de la conductibilité du sol. Sur les bandes décamétriques le doublet est une bonne antenne monobande bidirectionnelle favorable au trafic à moyenne distance mais pouvant être utilisée pour le DX si sa hauteur dépasse 0,75 lambda. Sur les bandes basses (160 et 80m), la bande de fréquence où le ROS est minimum, est relativement étroite, ce qui ne sera limitant que sur la bande 80m (3,5 à 3,8 MHz). Donc sur 80m, même avec un doublet bien accordé, il faudra prévoir une boîte d'accord pour pouvoir trafiquer sur l'intgralité du segment de bande.

Pour information, un dipôle demi-onde peut être utilisé sur la bande de fréquence triple de celle pour laquelle il a été calculé mais son impédance au point d'alimentation est alors d'une centaine d'ohms (au lieu de 73 ohms). Là encore il faudra se munir d'une boîte d'accord mais ça fonctionne.

Une antenne est considérée comme équivalent à un circuit oscillant comprenant un élément selfique, un élément capacitif et un élément résistif. L'antenne est dite accordée si ce circuit résonnant est en résonance. L'antenne se comporte alors comme une résistance pure. Toute la puissance fournie à l'antenne sera alors dissipée par cette résistance. C'est ce que l'on appelle la résistance de rayonnement.
L'antenne sera adaptée si son impédance à la fréquence d'utilisation prise au point d'alimentation, est égale à l'impédance caractéristique de sa ligne d'alimentation, la plupart du temps, 50 Ohms. Cette adaptation permet le transfert maximum de puissance entre émetteur et antenne.

Pour appréhender, sans rentrer dans le détail, la notion de champ électromagnétique, il est admissible de dire que dans une antenne :

- La partie selfique produit un champ magnétique lié au courant circulant dans le ou les brins rayonnants

- la partie capacitive produit un champ électrique lié à la tension distribuée le long du ou des brins rayonnants. 

Les deux champs électriques et magnétiques sont absolument indissociables. La polarisation de l'onde est la direction de son champ électrique.

champ électrique et  champ magnétique

Quelques mots sur le rayonnement du dipôle

- En polarisation horizontale, le dipôle est dit bidirectionnel. Si nous regardons le doublet par dessus, cela fait comme deux "grosses patates" qui partent de chaque côté du dipôle. Si le doublet est orienté nord/sud, c'est à l'Est (90°) et à l'Ouest (270°) qu'il sera le moins efficace.

- En polarisation verticale, le dipôle est omnidirectionnel.  Pour bien comprendre comment il rayonne, il faut observer son diagramme en 3 dimenssions. Il a l'aspect d'un "Donnuts". On voit bien comment l'énergie est dissipée autour de l'axe créé par notre doublet demi-onde.

Diagramme de rayonnement  du dipôle

Construisons notre premier doublet demi-onde

Avant tout vous devez savoir calculer Lambda ou si vous préférez, la longueur d'onde théorique en mètre pour la fréquence mise en jeu.

Lambda s'écrit : λ
L'onde radio émise, dans le vide se propage à la vitesse de la lumière (300 000km/s).

λ = la vitesse de la lumière (en Km par seconde) / la fréquence en Hz) soit 300 000 / f en Hz.

La longueur d'onde physique pour la fréquence 14,230 MHz est 300 000 / 14230 = 21,08m
Il est possible de simplifier : 300/f en MHz
soit λ = 300/14,230 = 21,08m

N'oubliez pas que la longueur physique du conducteur (fil ou tube) est plus courte que la demi-longueur d'onde théorique. je ne rentrerai pas dans le détail des calcul et me contenterai de vous donner les formules simplifiées.

Pour une antenne filaire décamétrique réalisée avec du fil de cuivre de 2,5mm2, on pourra la calculer en mètres à l'aide de la formule simplifiée qui suit :

Nous avons Lp = Longueur d'onde physique en mètre et f = fréquence en MHz.

Lp = 145/f

Pour un dipole que l'on veut accorder sur 14,230 MHz, nous aurons 145/14,230 = 10,19m au lieu de (300/14,230)/2 = 10,54m pour la longueur théorique.
Attention, ce calcul permet d'obtenir la longueur totale du dipole. Pour arriver à la longueur de chacun des deux brins rayonnants, il faudra encore la diviser par deux.

Soit 10,19 / 2 = 5,095m pour chaque brin.

Si le rapport n = lambda (en MHz)/diamètre du conducteur (en m) est inférieur à 10000 nous utiliserons les formules suivantes :

- n = 30 à 50 Lp = 141/f
- n = 50 à 100 Lp = 142/f
- n = 100 à 250 Lp = 143/f
- n = 250 à 10000 Lp = 144/f

Pour un tube aluminium de 4 cm de diamètre par exemple, on aura, 21,08m/0,04m = 527 Lp. Il faudra donc calculer la longueur de votre dipole avec le rapport 144/f.

Dipôle demi-onde  angle à 180°, 120° et 90°

Comment régler notre doublet ?

En émission, mesurez le Rapport d'Ondes Stationnaires (ROS) en différents points de votre segment de bande. Le ROS minimum (proche de 1) indique la fréquence de résonance de l'antenne.  Cette fréquence de résonance peut facilement être ajustée en raccourcissant ou rallongeant de la même manière chacun des deux brins rayonnants.
Bref, vous avez compris, coupez toujours un peu plus long que ce que vous donne le calcul sur le papier. De même, après accord parfait, garder toujours un peu de réserve de fils sur les extrémités pour le cas où il faudrait ajuster la fréquence de résonance suite à un changement de hauteur de l'antenne.
En effet selon la hauteur à laquelle vous aller instaler votre antenne, la longueur physique de celle-ci, pour résonner toujours sur la même fréquence, va varrier. Il faut donc ajuster la longueur de votre dipôle quand il est à sa place définitive. Il vous suffira de replier sur lui même le fil aux extremités du dipole pour ajuster la longueur. Les longueurs physiques des brins rayonnants sont celles qui vont du point d'alimentation au replis à l'extremité des brins. Le surplus de fil ne compte pas si il a été replié.

Comment alimenter cette antenne ?

Comme nous l'avons vu plus haut, quand il est installé en "V" inversé, le dipôle présente à son point d'alimentation une impédansce de 50 ohms. Pout l'alimenter, rien de plus simple. Il suffit de relier l'âme du coxial à un brin et sa tresse à l'autre brin. La photo ci-dessous vous montre comment réaliser la pièce maîtresse de votre doublet de la manièrre la plus simple.

- Dans un premier temps, découpez une plaquette en PVC de 5cm par 10 cm.
- Percez un trou au centre pour pouvoir y passer l'arrière d'une prise SO-239.
- Juste au dessus, percez un autre trou un peu plus petit pour mettre en place un maillon rapide. Il servira à accrocher votre antenne sur le mât central.
- De chaque côté de la prise SO-239, percez 2 trous afin de mettre en place 2 visses avec leurs rondelles.
- A l'arrière de la plaquette, soudez un bout de 4cm de fil de cuivre (du même diamètre que celui des brins qui constituent l'antenne) sur le point chaud de votre SO-239 et  à l'extrémité de ce bout de fil électrique, installez une cosse à sertir. Ensuite serrez la cosse avec un des brins du dipôle entre deux rondelles sur une des 2 visses qui se trouvent sur les côtés.
- A l'avant de la plaquette, découpez un autre bout de 4 cm de fil électrique, installez une cosse au bout. Fixez-là sur la prise SO-239 avec une des 4 visses qui sert à maintenir le chassis sur la plaquette. L'autre extrémité est serrez entre deux rondelles sur la visse qui se trouve à côté. A l'arrière de la plaquette, sur cette même visse, vous serrerez également entre deux rondelles le second brin de votre antenne.
- Il ne vous restera plus qu'à accrocher votre antenne avec le maillon rapide, fixer les deux extrémitées de votre dipôle pour former votre "V" inversé avec un angle sommital de 120°, et enfin connecter votre câble coaxial...

système d'alimentation  du doublet en "V" inversé

Voilà vous venez de réaliser l'alimentation de votre doublet demi-onde. Beaucoup vous diront qu'il est préférable de souder plutôt que d'utiliser des cosses et des rondelles pour réaliser la jonction de vos brins avec votre SO-239 et ils ont raison. Pour que cette partie de l'antenne résiste au temps et aux intempéries, il est aussi conseillé de l'installer dans un boitier étanche. Il s'agissait juste de vous montrer comment réaliser le plus simplement possible, un système d'alimentation qui fonctionne. Ensuite libre à vous d'améliorer ce système à votre convenance.

Si vous voulez installer votre dipôle à l'horizontale (angle de 180°), l'impédance d'environ 75 ohms nécesitera d'ajouter au système d'alimentation que vous venez de voir, un balun ou encore un shock balun.

Vous avez maintenant toutes les informations utiles pour réaliser et personnaliser le dipôle de vos rêves. Bonne ralisation...