Voile et Electronique : Christian Couderc

Introduction
Principe du dipôle
Réalisation
Variantes
Tester l’antenne VHF
Liens

Maj : 15/08/05

Abstract :
A homemade very cheap part of security for a sailing boat. Build a VHF emergency antenna with a piece of coaxial, locate it in the distress signal kit to be ready to use if mast is broken, replacing whip antenna. A perfect tool for a better contact than the handheld unit. Installation is made with a boathook, pole or rod.
Testing VHF antenna.

Résumé :
Un élément de sécurité de construction maison très économique pour un voilier. Construisez une antenne VHF de secours avec un bout de coaxial, placez-là dans la valise des fusées de détresse pour être prêt si le mât se casse à remplacer l'antenne fouet. Un outil parfait pour une meilleure liaison qu'avec le VHF portable. L'installation se fait avec une gaffe, canne ou tube.
Test de l'antenne VHF.

L'objet de cette petite page est d'inciter les plaisanciers allergiques à l'électronique, à faire une petite réalisation simple et utile. Ce n'est rien de très original, des équivalents commerciaux se vendent pour une poignée de dizaines d'Euros, mais quel plaisir que de se pavaner sur la panne, tendant son chef oeuvre à bout de bras en hurlant "C'est moi que je l'ai fait ! " devant les copains stupéfaits et rongés par une admiration jalouse.
Ce moment de gloire immense passé, rangez le avec soin dans la valise des fusées en espérant n'en avoir jamais besoin.
Souvenez-vous quand vous étiez à la maternelle de vos si jolis colliers de nouilles qui ont tant fait plaisir à maman... Avez-vous bricolé depuis ?

Il s'agit de réaliser une antenne de secours, avec une simple chute de coaxial qui pourra être mise en service en cas de rupture du mât, avec un quelconque bout d'espar. Elle fonctionnera d'autant mieux que vous parviendrez à l'installer en hauteur. La réalisation consiste simplement à sortir l'âme d'un coaxial sur une cinquantaine de centimètres, protéger un peu et souder une prise.

L'antenne la plus simple possible est le dipôle demi-onde (constitué par deux brins quart d'onde) alimenté au centre par un coaxial. C'est tout.
Pour fixer les idées nous accorderons notre antenne sur le canal 16 soit 156.800 MHz (voir le tableau des fréquences marines)
La longueur d'onde équivalente est

Avec L en mètres, c, célérité de la lumière 3*10⁸ m/s et F la fréquence en Hertz
L = 300 000 000 / 156 800 000 = 1.91 m
Pour des raisons d'optimisation, entre autres car la vitesse de propagation électrique est un peu inférieure que celle de la lumière, il faut apporter une petite correction entre 0.95 et 0.98.
Le quart d'onde mesurera donc : 1.91 * 0.95 / 4 soit 0.46 m environ.

Quart d'onde sur canal 16 marine = 46 cm

Se procurer une chute de câble coaxial de 6 mm, impédance classique de 50 Ohms (la télévision utilise du 75 Ohms), de longueur de 6 à 10 m suivant le bateau. Le fil et la prise avec son réducteur de diamètre, se trouvent facilement dans les boutiques de bricolage électrique.

Souder une prise PL259, le montage est vraiment élémentaire, il suffit de vérifier qu'aucun brin de la tresse ne vient faire un court-circuit avec l'âme, mais il faudrait le faire exprès !
Un seul point de soudure est fait sur l'embout central dans lequel passe l'âme dénudée sur quelques millimètres.

C'est presque fini. Lisser soigneusement la tresse en l'étirant, en enfilant à l'intérieur une garcette qui assurera la tenue mécanique. Un fil de retenue de flèche de fusil convient très bien. Le fil est amarré au bout de l'âme avant de la faire coulisser dans le fourreau.
Maintenant mesurer exactement les 46 cm en tension depuis la séparation et couper la tresse et l'âme. Coté tresse, faire un noeud prenant tresse et nylon et couper le surplus de tresse au-dessus du noeud.

Coté âme centrale, laissez du mou sur le nylon et faites un noeud pour bloquer l'extrémité en protégeant par du caoutchouc auto vulcanisant. En tendant le nylon, le dipôle doit être bien vertical et à la bonne mesure.

Il est souhaitable de fixer le fil nylon le long du brin rayonnant, avec de l'adhésif ou de surliures et de laisser dépasser un mètre de nylon de part et d'autre, cela permettra d'improviser une fixation de fortune des deux extrémités. Le fil nylon supportera la charge mécanique et évitera la rupture à la séparation. Il faut impérativement que le brin rayonnant soit installé en partie haute pour assurer le meilleur rendement.

Les puristes vont objecter qu'un dipôle présente en son centre une impédance de 73 Ohms au point d'attaque et qu'il y a donc désadaptation d'impédance. C'est encore pire dans la réalité car cela ne s'applique qu'à la propagation libre, le dipôle dans l'espace étant éloigné de tout conducteur. Cela est loin d'être le cas dans notre montage d'urgence, trop bas et trop près des conducteurs métalliques, créant des couplages parasites avec le reste du gréement, les filières et balcons…
J'ai évoqué le Taux d'ondes stationnaires ou TOS, dans cette petite note sur la mesure

Le ROS (rapport d'onde stationnaire) est simplement le rapport entre l'impédance de l'antenne sur celle de l'émetteur, ou l'inverse, car par définition cette valeur est toujours supérieure ou égale à la valeur idéale de 1.
Pour notre dipôle, nous aurons donc 72/50, soit 1.44 au mieux.
Cette valeur de ROS n'est malheureusement en rien significative du rendement de l'antenne, car elle ne considère que le coté résistif, alors que le comportement est toujours selfique ou capacitif. Il est simple de comprendre que si l'antenne se comportait comme une résistance pure, par exemple une charge fictive, le ROS serait parfait mais l'antenne ne rayonnerait rien.
Il faudra des moyens plus élaborés, comme l'analyseur de réseau afin de tracer un abaque de Smith qui est la seule indication valable de l'adaptation de l'antenne sur une bande de fréquence.
Un autre paramètre majeur concerne le lobe de rayonnement qu'aucune mesure simple ne peut indiquer. Suivant la géométrie des antennes la répartition de la puissance sera très différente dans l'espace, un peu comme un phare qui est capable de concentrer un maximum d'énergie dans un plan donné.

Il faut aussi tenir compte de la polarisation, que le milieu va modifier pour caractériser l'efficacité de la communication entre deux antennes.

En résumé, les antennes et la propagation sont des éléments extrêmement complexes et les plus difficiles à mesurer dans une chaîne d'émission réception. Cela demande beaucoup d'expérience pour maîtriser cette partie, c'est pour cela qu'elle est toujours trop négligée.

Les appareils de mesure nous donneront un Taux d'Ondes Stationnaires qui est défini simplement par le rapport :
TOS = (ROS -1) / (ROS+ 1)

Dans notre cas nous lirons donc environ, et au mieux : (1.44 + 1) / (1.44 - 1) = 2.44 /0.44 = 5.5

En réalité, la mesure effectuée concerne seulement la puissance directe et la puissance réfléchie. La valeur indiquée est le SWR, qui est la meilleure représentation simple possible. Le résultat n'est pas identique car la relation entre TOS et SWR n'est pas simple, les impédances n'étant pas résistives. Cette mesure n'est pas vraiment représentative, mais elle permet surtout de repérer une anomalie dans l'installation, comme un court-circuit dans une prise, un coaxial cassé ou oxydé. Il faut considérer le "SWRmeter " comme la clef anglaise du plombier…

La valeur obtenue sera évidemment médiocre, il ne faudra pas espérer un aussi bon rendement que le bon fouet monté au gros coaxial faibles pertes bien installé en tête de mât, mais la liaison sera meilleure qu'avec le talky VHF à l'antenne scoubidou raccourcie.

Par brin mort, il faut entendre le quart d'onde en gaine, qui est le contrepoids du dipôle et participe tout autant au rayonnement que le brin actif. En réfléchissant, vous remarquerez un mode d'installation particulier. Le point supérieur du brin rayonnant est toujours fixé le plus haut possible, le coaxial est tiré verticalement vers le bas et le brin en tresse ramené le long du coaxial.
Dans ce cas nous pouvons simplifier et retourner simplement la gaine en doigt de gant sur le coaxial de descente. Cela fonctionne aussi, mais moins bien qu'avec le coaxial d'arrivée perpendiculaire au dipôle, la désadaptation est un peu plus grande, il y a plus de courant de gaine, mais dans notre application d'urgence cela a peu d'importance est reste acceptable.
L'avantage est de n'avoir plus qu'un seul point de fixation haut pour le nylon, la tenue verticale étant assurée en tendant le coaxial par un sandow en bas.

En allant encore plus loin quand vous protégerez la tresse par une gaine thermo rétractable pour éviter la corrosion (bien que ce soit du matériel a usage unique), vous remarquerez que le morceau fait un peu double emploi avec la gaine du coaxial d'arrivée. L'idée est donc de simplifier à l'extrême et de supprimer ce brin en tresse et de couper à ras du quart d'onde actif.
Nous avons encore dégradé le dipôle, mais la construction, le rangement et l'utilisation sont alors simplifiés aux limites du possible. C'est une disposition adaptée par les matériels commerciaux.
Nous avons un peu plus de réfléchi, un peu moins de sensibilité en réception qu'avec un vrai dipôle dont le coaxial arrive perpendiculairement à l'axe actif, mais nous pouvons encore accepter ces performances, de toutes manières, avec un mât cassé et en situation critique, nous ne sommes plus sensibles à ces détails.

Autre variante, remplacer la grosse PL259 qui se connecte sur la sortie du poste VHF par une petite BNC (petite prise quart de tour) qui pourra se brancher sur le talky VHF. Il suffit d'associer un adaptateur qui sera attaché au câble pour permettre la double utilisation.

L'antenne terminée sera testée (chapitre suivant), installée au bout d'une gaffe (non aluminium !) amarrée au balcon, puis roulée et rangée dans un sac plastique dans la valise des fusées. Il est souhaitable de rajouter un rouleau d'adhésif électrique plastique dans le sac, car le jour où vous en aurez besoin, après la rupture du mât, ce sera la panique à bord et il vaudra mieux ne pas avoir à chercher pour improviser une solution de fortune.

Pourquoi ne pas mettre un câble 75 Ohms pour faire disparaître le problème de l'adaptation d'impédance ? Ce serait vrai coté dipôle, s'il était isolé dans l'espace, il présenterait bien une impédance résistive proche, mais pour l'installation réelle, l'impédance peut être très différente à composante selfique ou capacitive, cela n'arrangerait rien.
Le pire serait de ramener une impédance inadaptée à la sortie du poste qui alors soit la puissance d'émission replierait, pour les bons matériels, soit l'étage de puissance grillerait pour les bas de gamme.
La bonne solution serait bien d'utiliser un 75 Ohms, mais en adaptant l'impédance au départ, ce qui compliquerait trop ce projet se voulant élémentaire. Quitte à avoir une désadaptation d'impédance, rançon de la simplicité, autant la déplacer coté antenne, les pertes du coaxial minimisant l'effet sur l'étage d'émission.
Vous trouverez dans les liens comment faire mieux (mais moins simple) si vous voulez utiliser l'antenne pour d'autres usages.

Il existe évidemment de très nombreuses réalisations d'antennes plus performances, des selfs, plans de masse et baluns permettent d'adapter les impédances, mais en compliquant la réalisation. Ce dipôle élémentaire n'a que l'avantage d'une simplicité extrême et convient parfaitement pour une situation d'urgence.
Un balun est un dispositif destiné à symétriser le montage, car le coaxial n'est pas symétrique, mais le dipôle l'est. Il évite le fâcheux courant de gaine et permet d'adapter l'impédance en se comportant comme un transformateur. Il est réalisé par des ferrites ou des couplages particuliers de lignes particuliers accordées.

Nous avons vu que le dipôle est un circuit ouvert.
Si nous testons avec un ohmmètre depuis la prise tous trouverons donc une résistance infinie. Sur l’antenne fouet du bord nous trouverons un court circuit, c’est normal car un fouet est une antenne fermée.
L’ohmmètre ne sera donc pas très utile pour tester son antenne, il peut signaler simplement un fil coupé.

Ceux qui ne connaissent rien aux bases de l’électronique et qui ont lu sur la notice de l’antenne « impédance 50 Ohms », pensent pouvoir mesurer cette valeur avec un ohmmètre.
Cella n'a évidement pas de sens, l’impédance correspond à la fréquence de travail, en continu, ce peut être zéro ou infini.

Il faut impérativement disposer d’un TOSmètre (ou SWRmètre) adapté à la bande, celui décrit au dessus convient très bien, un modèle pour le CB, pas du tout.
Brancher le Tosmètre en série dans l’antenne avec une rallonge coaxiale derrière le poste.

Si vous n’en avez pas, demandez à un copain radioamateur (pas à un cibiste… !), il se ferra un plaisir de vous aider pour les tests.
Sinon, quand vous doutez de l’installation ou du poste, il ne restera que la solution d'allez brancher le poste sur le bateau d'un copain (dépannage par dichotomie).

Si la VHF a des problèmes d'émission et de réception, avant de l'ouvrir, suspectez l'installation !
Regardez si la tension ne s'écroule pas en émission (l'éclairage cadran baisse).
Vérifiez plus finement en ouvrant le boîtier et en mesurant sur les bornes internes d’arrivée de la tension que la chute est faible (0.1 V est normal) en émission pleine puissance.

Pour le dipôle de secours, le premier test de qualification du produit fini consiste à mettre l'antenne en situation, dégagée au mieux, évidement verticale et brin actif vers le haut (les stations sont en polarisation verticale), et la tester en émission. Pour ne pas gêner le trafic sur le canal de sécurité, l'émission ne se fera pas sur le canal 16, mais sur un adjacent 15 ou 17, soit 156.750 ou 156.850 MHz. La bande passante est large, cela n'a aucune importance, les résultats changent peu quel que soit le canal.
Il ne faut pas s’attendre dans le cas du dipôle mal adapté d’avoir un TOS correct comme pour l’installation fixe bien adaptée.

Pour une efficacité maximale,
il faut respecter la verticalité du brin actif
et l'éloigner des conducteurs (dégagement du gréement)

Pour l'antenne fixe du bord, passer brièvement en émission sur diverses fréquences, extrémités et milieu de bande, en puissance maximale. La courbe de TOS n’est pas plate sur la bande et de plus pour une fréquence donnée, une coupure ou court circuit (écrasement) pourrait tomber sur un multiple demi onde de la longueur du câble abîmé, (la longueur d’onde est de l’ordre de 2 mètres) et masquer totalement l’anomalie.
En décalant la fréquence, le problème apparaîtra.

Dans tous les cas : Lire la puissance directe et la réfléchie, donc le TOS.
Si le réfléchi est faible (quelques % du direct), le TOS est inférieur à 1.3, cela semble bon.
Dans le cas contraire, il faut dépanner, voir les prises, le câble blessé (passage de pont en particulier)…
Si le TOS est bon, cela ne présume pas que l’antenne rayonne, elle peut se comporter comme une charge fictive, avoir un TOS parfait de 1 et ne rien émettre ni recevoir…

Puissance émission directe " Forward ", Pd = 30 watts
Puissance réfléchie (perdue) " Reflected ", Pr = 7.5 watts
SWR lu = 3, ce qui correspond bien à la définition : SWR = (8.21 + 2.74) / (8.21 - 2.74) = 3

C’est un résultat inacceptable pour une installation fixe, il faut dépanner pour revenir en dessous de 1.3 ( 30 W directs, 1 W réfléchi ).
Le problème le plus courant vient de l'antenne cassée ou oxydée, du câble usé et attaqué par la corrosion, par frottement avec les drisses et arraché ou écrasé en pied de mât.

Une fois que cette mesure montre un résultat acceptable, il faut maintenant tester en comparant avec une bonne antenne de référence sur une station assez lointaine. Il est délicat de quantifier ce paramètre, l'antenne de secours est plus basse donc la portée optique sera évidemment moins bonne, indépendamment du fait que ce dipôle aura un rendement inférieur à la colinéaire 5/8 en tête de mât.
Il n'est donc pas possible de comparer les deux en indiquant un écart en déciBels, et la réponse du CROSS " La station qui appelle le CROSS, je vous reçoit fort et clair " ne vous sera pas du moindre secours.
Essayez simplement de prendre une météo d'une station lointaine reçue avec un peu de souffle (l'émission est longue et à niveau constant), squelch à zéro, et branchez alors l'antenne de secours. Si vous entendez encore, malgré la forte remontée de souffle, considérez que votre antenne est parfaite et rangez-la l'esprit rassuré.

Avec un vieux réveil et la poupée qui dit " maman " de la petite, je fais un GPS avec traceur. Commencez à rassembler les pièces, ce premier bricolage vous ayant donné le goût de continuer, la suite sera très simple.

Il existe de très nombreuses antennes plus ou moins compliquées, évidement une antenne 5/8 est bien plus performante qu'un simple dipôle, mais n'est pas réalisable pour cette application en secours : licencera.free.fr/encyclo/antennes_verticales/liste

Balun = Contraction de balanced (équilibré) et unbalanced (déséquilibré). Prononcer « bal 1 » et non pas « balounn » !
Dispositif pour alimenter une ligne symétrique avec une ligne asymétrique ou vice versa, souvent utilisé aussi comme transformateur d'impédance d'une antenne
Précisions sur les baluns : www.qsl.net/iz7ath
Balun pour décamètrique : njqrp.org/balun
w1.859.telia.com/.../balun0.htm
Dipôle symétrisé 14 MHz : licencera.free.fr/encyclo/antennes_filaires/dipole_symetrise

Pour approfondir la connaissance des antennes, l'indispensable abaque de Smith : www.sss-mag.com/smith

Merci aux journalistes qui pillent sans vergogne mon site,
d’avoir au moins la courtoisie de citer leurs sources…

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Dernière retouche le 25 Octobre 2005 à 11 h

Mesurer 60 cm depuis l'extrémité, repérer par un tour d'adhésif. Entailler très doucement la protection plastique au cutter, en faisant très attention de ne pas endommager la tresse cuivre pour enlever la gaine, elle ne peut pas se récupérer car elle est moulée sur la tresse, il faut arracher.
Maintenant un peu de matelotage ! Faites glisser la tresse vers la jonction pour la décoller de l'âme gainée de plastique blanc, et avec une pointe douce, écartez doucement la tresse à la base pour ressortir l'âme par le trou en faisant une boucle.