HB9CV 145MHz

Réalisation d'une antenne HB9CV accordée sur 145MHz

L'antenne HB9CV un grand classic...
Commencant à avoir quelques défaillances sur mon antenne colinéaire, je me suis dit qu'il fallait prendre les devants, histoire de pouvoir continuer d'émettre sur 2mètres le jour ou celle-ci m'abandonnerai complètement. Pour le moment, sur 2 mètres, j'utilise une bibande colinéaire pour les relais en le local en FM et un groupement de "2 X 13B2" pour le DX en SSB. Je manque d'une solution intermédiaire qui me permettrait d'ouvrir les relais un peu plus éloignés ou de faire des QSOs laocaux avec des distances un peu plus importantes que ce que me permet ma colinéaire. Mettre en route mon groupement de "2 X 13B2" pour faire des QSOs un peu plus lointains en FM, même si cela donne de très bons résultats, c'est un peu sortir la grosse artillerie pour pas grand chose. Il me faut donc une antenne légèrement directive en polarisation verticale (polarisation la plus usitée pour les QSOs locaux sur 2 mètres) avec quand même un peu de gain. L'antenne mise au point par HB9CV me parrait être une bonne solution. Simple à construire, peu encombrante, directive mais pas trop avec un gain relativement élevé pour une antenne de seulement 2 éléments. Reste à savoir si je me suis fait des idées ou si cette antenne correspond bien à ce que j'attends ?

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

Je cherche à construire une antenne légère, peu encombrante que je pourrai utiliser en polarisation verticale comme en polarisation horizontale sur mon QTH ou éventuellement en SOTA.
L'idée est que la réalisation de cette antenne ne me coûte rien ou en tout cas le minimum. Il va donc falloire faire un peu de récupéation de matériaux... En fouillants au travers de mes chute d'aluminium et de cuivre, ainsi qu'en récupérant certaines parties de vielles antennes TV, voici ce que j'ai pu réunir.

Tout ce qu'il faut pour construire une HB9CV

J'ai trouvé deux tailles de tubes aluminium pouvant coulisser les un dans les autres. Le top pour ajuster la taille des éléments quand sera venu le moment d'accorder l'antenne. Le boom sera découpé dans un profilé aluminium rectangulaire qui à l'origine, était le boom d'une antenne TV.

Principe et fonctionnement

Cette antenne, très simple à réaliser mais néanmoins à fort gain, a été inventée par Rudolf Baumgartner, un radio-amateur Suisse dont l’indicatif était, je vous le donne en mille : "HB9CV".
Son système de double alimentation lui confère des performances proches de celles d’une Yagi 3 éléments avec un encombrement plus réduit (sont boom est 2 fois plus court que celui d'une Yagi 3 éléments). Le fait que les deux éléments soient alimentés en inversion de phase et donc actifs, lui permet d'offrir un gain par rapport à un simple dipôle ½ onde de l’ordre de 4 à 4,5 dB soit environ 6,5 dBi. Le rapport avant/arrière quant à lui est d'un peu plus de 15 dB.

L'élément appelé directeur est le plus court des deux et par conséquent, le plus long est l'élement réflecteur. Cette antenne confère une bonne largeur de bande (environ 2MHz) sans voir la valeur du SWR s'envoler.

Le modèle original de l'antenne HB9CV était alimenté avec un système dit en "T" via une ligne symétrique de type "échelle à grenouille" d'impédances carractéristique de 150, 240 ou 300 ohms. En ce qui me concerne, elle sera alimentée par une ligne asymétrique (coaxial de 50 ohms), pour cette raison j'ai choisi le système d'alimentation en Gamma. L'expérimentation montre que ce système fonctionne aussi bien qu'un système d'alimentation en "T" sans compter qu'il est plutôt plus simple à réaliser.

C'est assez compliqué de trouver des renseignements sur le fonctionnement de deux dipôles de longueur inégale, distants de lambda/8, tous les deux alimentés et couplés par rayonnement mutuel. Difficile également de traiter ce problème mathématiquement. Pour en arriver à bout il est plus simple de passer des considérations logiques et par des essais pratiques. Cependant, Il est envisageable de préciser le fonctionnement de cette antenne de manière à obtenir une compréhension globale.

L'écartement des deux dipôles a été établi à 1/8 de la longueur d'onde, parce que c'était avantageux du point de vue électrique et mécanique. Avec cet écartement, la meilleure directivité est obtenue lquand l'élément placé à l'arrière (le réflecteur), a sur celui de devant un retard de phase de 225° (180° + 45°). Afin de mettre en service deux dipôles avec cet écart de phase, nous devons respecter 3 conditions :

- Le système d'alimentation (dans notre cas, l'alimentation par Gamma) doit être dimensionné de manière à ce que les deux dipôles soient excités avec le déphasage nécessaire. En tournant le câble d'alimentation entre les 2 dipôles de 180°, il se produit un déphasage électrique de 180° par ligne déphaseuse. Le temps de propagation depuis le point d'alimentation sur la ligne déphaseuse jusqu'à l'élément situé derrière produit une rotation de phase supplémentaire de 45°.

- Le couplage par rayonnement mutuel doit aussi produire la même différence de phase de 225°, sinon il s'oppose l'alimentation directe.

- Pour que cette antenne travaille avec un rendement optimum et soit alimentée sans réflexions, elle doit être équivalente à une résistance ohmique (dans notre cas : 50 ohms), ramenée au point d'alimentation. Les longueurs des éléments constituant l'aérien peuvent être choisies de façon à compenser totalement la composante inductive réactive du réflecteur et capacitive du directeur.

Schéma de notre HB9CV (145MHz)

Passons à la construction
Comme je l'ai expliqué au bébut de cet article, j'ai récupéré des morceaux d'antenne TV pour réaliser mon HB9CV. Je les ai coupés aux valeurs indiquées sur le shéma ci-dessus. Elles sont connues comme étant des valeurs proches de la réalité. Bref en partant avec ces cotes, il y aura normalement peu d'ajustements à réaliser pour que l'antenne soit parfaitement accordée. Je rappelle que la fréquence d'accord centrale que j'ai retenue est 145MHz. Si vous voulez fabriquer une antenne qui résonne sur une fréquence différente, il vous faudra revoir les calculs ou utiliser le calculateur que vous trouverez sur cette page web.

Une fois le boom (tube aluminium de section rectengulaire de 18mm/12mm) et les tubes découpés comme indiqué ci-avant, j'effectue les premiers perçages afin de pouvoir réaliser un premier assemblage. Le fait d'avoir conservé les papillons de serrage de mon antenne TV me facilite grandement la tâche. Il a suffit de découper le boom à 29 cm, d'y percer 2 trous espacés de 25,9 cm et le tour était joué. Comme pour réaliser la partie centrale des dipôles, j'ai conserve les élément constituant de l'antenne TV d'origine, il étaient déjà percés de 3 trous en leur centre de manière à pouvoir recevoir le système de sérrage par papillons. Il m'a suffit de le couper à la bonne longueur, et j'ai pu réaliser un premier assemblage. Notez que j'ai choisi de réaliser mes dipôles avec une partie centrale fixe (tube aluminium de 10mm de diamètre 65 cm de long) dans laquelle vont pouvoir coulisser les 2 extrémités du dipôle (tube aluminium de 8mm de diamètre) pour pouvoir affiner au mieux les réglage de l'antenne. Il vous est tout à fait possible de réaliser ces dipôles avec un seul et unique tube coupé à la bonne taille. A vous de voir en fonction de ce que vous avez sous la main.

Après le découpe le pré-assemblage

Cette antenne est considérée en résonance, lorsque les longueurs des deux éléments sont égales à 0,96 λ/2 . La fréquence de résonance reste inchangée, si l'un des éléments est d'autant allongé, que l'autre est raccourci.

Même quand les deux éléments sont de même longueur, l'antenne présente une caractéristique de directivité, mais qui est cependant mauvaise, car la phase de l'alimentation ne coïncide pas avec celle du couplage mutuel. De nombreux essais ont établi avec quelle différence de longueur des éléments l'antenne présente ses meilleures propriétés.

Finalement, on obtient le gain le plus élevé avec une longueur de réflecteur égale à 0,98 X (λ/2) et 0,94 X (λ/2) pour le directeur, c'est-à-dire pour une différence de longueur des éléments entre eux d'environ 4%, alors que le meilleur rapport avant-arrière se produit pour une différence d'environ 11%. Nous considérons donc la valeur moyenne de 8%, afin d'obtenir à la fois l'optimum de gain et de rapport avant-arrière.

Pour arriver aux bonne cotes, je réalise un premier serrage des tubes les plus gros sur les tubes à plus faible diamètre avec des "Colsons" (ces tube aluminium de faibles diamètres sont fendus sur toute leur longueur). Une fois les éléments correctements maintenus en place, je les perce puis, avec de la visserie en laiton de récupération, je réalise le serrage finale. Le boom dont le profil est rectengulaire, est percé de part en part sur son grand côté comme sur son petit côté. On obtient ainsi la possibilité de mettre le colier de fixation de l'antenne sur le grand ou le petit côté et donc d'installer l'antenne en polarisation verticale ou en polarisation horizontale.

L'antenne est assemblée

Le système de double alimentation par Gamma...

La ligne de déphasage par Gamma doit rester isolée, de façon a ce que le conducteur ne puissent pas entrer en contact avec d'autres parties métalliques de l'antenne. Le fait que la ligne déphaseuse isolée repose sur le montant transversal ou qu'elle soit montée à une bonne distance ne semble jouer aucun rôle du point de vue électrique.

Pour réaliser ce Gamma, il suffit de reprendre les cotes qui se trouve sur le shema en début d'article. J'ai utilisé du fil de cuivre gainé plastic d'électricien de 2,5mm². Ce un reste du stock de fil qui m'a servis à faire l'installation électrique de la maison. Il est fixé sur en ses deux extrémités grace à 2 cosses vissées directement sur les dipôles (là encore, voir shéma).

Je ne met pas encore en place le condensateur variable. Je préfère alimenter directement mon antenne pour ajuster au mieux la taille des 2 dipôles. Pour réaliser la connectique de l'antenne, n'ayant pas sous la mains de fiche type chassis SO239 à fixer directement sur le boom, je récupère un morceau de RG 58 au bout duquelle est soudée un PL 259. Au niveau du boom, là où le Gamma subit son premier virage à 90°, côté élément émetteur, je dénude le câble, 1 cm avant et 1 cm après ce premier virage et j'y soude l'âme de mon coaxial. La tresse quant à elle, est fixée sur le boom avec une cosse et une visse, juste en dessous.

Je réalise les première mesure avec mon NanoVNA. Je constate que je ne suis pas très loin de la vérité. Le meileur SWR est de 3 et est ontenu sur la fréquence 144,200MHz. L'antenne est donc un peu longue. Je racourci légèrement l'élément directeur a ses deux extrémité puis réalise à nouveau mes mesures. Le meilleur SWR est maintenant obtenu sur 145MHz (ça tombe bien) et est de 2,5. La taille finale de l'élément directeur sera finalement de 95cm et celle de l'élément réflecteur de 102cm. Nous ne sommes pas très loin des valeurs théoriques calculées, mais dans la pratique, au final, il aura fallu rallonger légèrement l'élement directeur et raccourcir un peu le réflecteur. Pour ce qui est de l'alimentation par gamma, les cotes sont restées celles d'origines, je n'y ai pas touché. Je n'ai pas touché non plus à l'entraxe entre les 2 éléments que j'avais arrondi dès le départ à 26cm (le boom lui 28cm d'un bout à l'autre). Maintenant que mon SWR est au plus bas, je vais pouvoir passer à l'étape suivante.

Construction du Gamma alimenté directement...

Maintenant que la taille des éléments est optimisée, je met en place mon condensateur variable. Il s'agit d'un petit CV à air récupéré dans un vieux poste radio à transistors. Il fera parfaitement l'affaire. Il vous faudra trouver un condensateur variable à air allant de 0 à 30 pF environ. Si vous ne trouvez pas vous pourrez le remplacer par un condensateur fixe d'environ 15pF, la valeur d'accord de cette antenne se situant aux alentours de 12pF. Il est clair qu'avec un condensateur fixe, vous ne pourrez pas affiner votre réglage aussi précisément qu'avec un condensateur variable.

Ce condensateur sera soudé d'un côté sur l'âme du coaxial et de l'autre sur le Gamma ou était soudé l'âme du coaxial pour les réglages de la phase précedente. Vous pouvez également fixer une SO239 directement sur le boom si vous en avez une sous la main, ce qui n'était pas mon cas au moment de construire cette antenne.

Nous pouvons passer à la phase finale de réglage. Il suffit maintenant de faire tourner votre CV dans un sens ou dans l'autre pour voir votre courbe se modifier sur votre appareil de mesure (pour moi, le NanoVNA). AU final j'arrive à un SWR de 1,13 sur 145MHz. Le SWR passe au maximum à 1,35 aux deux extremités de la bande (144MHz et 146MHz). Ce réglage me convient parfaitement et je décide de finaliser mon antenne.

Phase de réglage quoi de mieux qu'un balai ?

Pour finir, je colle mon Gamma sur les chapeaux de fixation en plastic noir de mes éléments afin qu'il ne bouge pas. Je recouvre de colle toutes les parties de câbles dénudées ainsi que les cosses afin de limiter au maximum l'oxidation causée par le temps. Je rajoute un cabochon en plastic d'un bleu qui est du meilleur effet sur le condensateur afin de le protéger lui aussi des dommages causés par le temps. Je fais un petit trous à la base pour évacuer les eaux de condensation qui pourraient s'y former et le tour est jouer. Recouvrir de colle le petit condensateur variable ne serait pas une bonne idée car cela empècherai tous réglages à l'avenir sans parler du fait que cela modifierai la valeur capacitive du composant et du coup mon réglage ne serait plus bon. Mon antenne est terminée !!!

Protections contre les intempéries

Les premiers essais sont réalisés avec l'antenne à 4m du sol. Elle sera montée plus haut bientôt. Je suis en train de lui préparer une petite place. Pour l'heure, les résultats sont déjà fort satisfaisants. Ils sont bien supérieurs à ce que je réalise avec ma colinéaire et proche de ce que j'obtenais avec mon groupement de 2x13B2 qui certes compte 26 éléments mais perd d'entrée 20 dB puisque installé en polarisation horizontale pour le DX.

Les résultats attendus sont donc au rendez-vous. Les signaux sont forts en émission comme en réception, cette petite HB9CV va maintenant pouvoir jouer son rôle comme je l'envisageais. Le coup de fabrication de cette antenne en ce qui me concerne, aura été d'exactement 0€ puisque je n'ai utilisé que des matériaux et des composants de récupération. Il semble donc que sur cette réalisation, je sois arriver à un rapport qualité prix imbattable ! lol.

C'est parti pour les premiers QSOs ...