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Calcul et réalisation d'une antenne Cubical Quad bi-bande (6m-4m) 4 éléments.

 

Préalable :

 

Méthode adoptée : 

1) Déterminer un modèle d'antenne en fonction de critères précis et de ce que je veux en faire.
2) Ce choix fait, effectuer des recherches sur ce qui existe déjà
3) Modéliser les antennes trouvées lors de mes recherches, ensuite les optimaliser. J'utilise à cet effet le logiciel de modélisation; MMANA-GAL (gratuit) (télécharger MMANA-GAL ici). Choisir ensuite le modèle modélisé qui convient le mieux.
4) Construire l'antenne choisie avec soin.
5) Installer cette antenne dans un environnement le plus propice possible afin d'y effectuer les mesures.
5) Effectuer les mesures avec un anlyseur vectoriel correctement calibré  Site officiel NanoVNA (autant que possible effectuer les mesures dans les mêmes conditions que celles paramétrées dans vos calculs de modélisation).
6) Comparer les mesures et les calculs obtenus par modélisation.
7) Si nécéssaire, effectuer les corrections physiques sur l'antenne , re-modéliser, re-mesurer jusqu'à l'obtiention d'un résultat qui vous satisfait.

1ere étape :

Effectuer la modélistation avec MMANA-GAL de divers modèles existants de quads 4 éléments publiés dans les ouvrages de L.B. Cebik (W4RNL), William I.Orr (W6SAI), Carl O. Jelinek N6VNG.
Ces modélisations successives révèlent des caractéristiques relativement semblables. Chaque modélisation fait a l'objet l'objet d'une ou de plusieurs optimalisations.

Les dimensions choisies ci-dessous ne résultent non pas d’une formule « magique » qui marcherait à tous les coups mais elles correspondent à la synthèse des diverses optimisations (gain, F/B/ SWR) effectuées avec MMANA-GAL .

Tableau des périmètres des cadres (en mm)

  REFLECT. RAD. D1 D2
50.2MHz 6288 6128 5740 5753
70.2 MHz 4616 4436 4356 4292

 

 

 
Espacement REFL.-RAD. = 1228 mm
Espacement REFL.-D1. = 1798 mm

Espacement REFL.-D2 = 2752 mm

Télécharger le fichier de modélisation ici (bouton droit souris : enregistrer lien sous)

Utilisateurs MMANA-GAL : 50.2 MHz source w11c  - 70.2 MHz source w17c

Paramétrage Modélisation :
  • Modélisation paramétrée au-dessus d’une terre réelle (non pas en free space); pour les réglages de conductivité du sol, je me suis référé à l’atlas mondial des conductivités des sols (World atlas of ground conductivities (hamwaves.com)), bien que normalement utilisé dans le calcul des antennes VLF et MF. Je paramètre ma modélisation au-dessus d'une terre réelle parce que j'effectue mes mesures au-dessus d'une terre réelle. (Je ne me vois pas monter avec mon antenne dans l'espace pour effectuer mes mesures).
  • En fonction de mon QRA j’ai sélectionné une conductivité de 30 mS/m (par curiosité, j'ai fait des tests de modélisation avec d'autres valeurs conductivités sans noter de grandes différences, excepté avec de l'eau de mer)
  • Hauteur de l’antenne 7 mètres
  • Fil des cadres : fil de clotûre aluminium diamètre 2 mm
  • La modélisation n’inclut pas les masses du boom ni des croisillons qui maintiennent les cannes. Plusieurs simulations ont été effectuées en incluant les masses métalliques de la structure de l’antenne ainsi que du mât, aucune différence notable n’a été relevée, je ne les ai donc pas inclues dans mon modèle.

 

 2ième étape : Construction de l'antenne

Tous les matériaux proviennent d’un magasin de bricolage.
Les croisillons et la structure sont réalisés avec des profils alu (cornières et « U »), les renforts d’équerrage et de maintien de la perpendicularité des bras sont en fer plat d’1 cm qui seront peints /enduits epoxy pour éviter la rouille.
Visserie M5 Inox
Fil alu de clôture diamètre 2 mm

Les cannes sont des baguettes rondes en bois de 12mm du brico, peintes en gris/bleu et ensuite enduites de résine époxy.

cubical qaud on8im 2

cubical qaud on8im 3

cubical qaud on8im 5cubical quad on8im

 

3ième étape : Modélisation MMANA-GAL, mesures NanoVNA & comparaison des résultats

 

Cadres 50.2 MHz


Simulation MMANA-GAL
 
mmanagal50 1
 
mmanagal50 2
 
mmanagal50 3
 
 
Mesures relevées avec NanoVNA en respectant au mieux les conditions telles que celles choisies pour la simulation.

• Hauteur antenne à tester : 7 m
• Masses environnantes à 10m
• Analyseur VNA connecté à la hauteur du cadre de l’antenne et relié au PC via un câble USB 10m
• Logiciel nano-VNA Saver v 0.2.2
• Calibration de l’analyseur :
• STIMULUS START : 49.5 MHz
• STIMULUS STOP :51.0 MHz
• CALIBRATION : RESET – CH0 OPEN – CH0 SHORT – CH0 LOAD – CH0 ISOLN (NO LOAD) + CH1 I(LOAD)
• SAVE 0
• Connecteurs SMA + adaptateur SMA -> N (inclus dans la calibration) 
 
Les mesures sont effectuées asymétriquement (càd en raccordant le coax directement au cadre rayonnant)

 

MESURES @50.2 MHz

• Sweep start : 49.5 MHz
• Sweep stop : 51 MHz
 
nanovna 502MHz
 
 
Comparaison des impédances @50.2 MHz

• MMANAGAL : 50.2-j0.0253 Ω
• Mesure NanoVNA : 50.69+j.0759 Ω
 
Plots MMANA-GAL et calcul des impédances de 49.45MHz à 50.95MHz
 
mmana plots 500
 
 
Comparaison entre valeurs calculées et valeurs mesurées
Freq (MHz) MMANA—GAL NanoVNA
49.95 45.3 - j12.2 Ω 45.57 - j10 Ω
50.075 47.8 - j6 Ω 48.11 - j4.79 Ω
50.2 50.2 - j0.0253 Ω 50.69 + j0.759 Ω
50.325 52.6 + j5.5 Ω 53.41 + j6.41 Ω
50.45 54.9 + j10.9 Ω 56.51 + j12.3 Ω
 
MMANA-GAL : calcul résonance
MMANAreso
 
NanoVNA : mesure de la résonance 
 
 
Capture resonance50RjX
 
 
Marker @ 50.186 MHz

Résonance : comparaison calcul v/s mesure 

MMANA-GAL

F.RES 50.203 MHZ Z = 50.2 - j253 10-4
NANOVNA F.RES 50.186 MHZ Z = 50.41 – j876 10-4
 
Abaque de Smith (j’y ai inclus également les cercles de SWR)
 
Smithchart50MHz
 
 
MMANAGAL : Courbe du SWR 

 

MMANAGAL SWR 50

 

NanoVNA : Relevé courbe du SWR

CaptureSWR50

 

 

MMANAGAL : Courbes Gain avant (DBi) et F/B (dB) 

 

MMANA Gain 50 

Remarque : J'aurais pu obtenir un meilleur rapport avant/arrière à 50 MHz en jouant sur les espacements des différents cadres, mais cela aurait pour conséquence une dégradation des caractéristiques des cadres à 70 MHz. Les rapports AV/AR déterminés pour les 2 bandes résultent d'un compromis afin de fonctionner en mode bi-bande. 

 

Cadres 70.2 MHz 

MMANA-GAL Calcul

mmanagal70 1

mmanagal70 2

mmanagal70 3

 

 

Mesures relevées avec NanoVNA en respectant au mieux les conditions telles que celles choisies pour la simulation.
• Hauteur DUT (antenne): 7 m
• Masses environnantes à 10m
• L' analyseur NanoVNA est connecté à la hauteur du cadre de l’antenne et est relié au PC via un câble USB de 10m
• Logiciel nano-VNA Saver v 0.2.2

 

• Calibration de l’analyseur :
• STIMULUS START : 69.0 MHz
• STIMULUS STOP : 72.0 MHz
• CALIBRATION : RESET – CH0 OPEN – CH0 SHORT – CH0 LOAD – CH0 ISOLN (NO LOAD) + CH1 (LOAD ON)
• SAVE 0
• Connecteurs SMA + adaptateur SMA -> N sont inclus dans la calibration. 

 Les mesures sont effectuées asymétriquement (càd en raccordant le coax directement au cadre rayonnant)

Mesures NanoVNA @70.2 MHz

• Sweep start : 69.0 MHz
• Sweep stop : 72.0 MHz

 

nanovna 702MHz 

 

Comparaison des impédances @70.2 MHz 
·         MMANA-GAL : 50.2-j0.0253 Ω
·         Mesure NanoVNA : 12.57+j.2.84 Ω

 

 MMANA-GAL : plots & impédances de 69 MHZ à 72 MHz

mmana plots 702

 

 Comparaison entre valeurs calculées et mesures
Freq (MHz) MMANAG—GAL
NanoVNA
69.8 63.3 – j13.0 11.48 - j16
70.0 56.8 – j8.5 12.22 – j7.15
70.2 48.7 – j2.2 12.57 + j2.4
70.4 39.6 + j6.8 13.31 + j13.8
70.6 30.6 + j18.6 14.31 + j25.8

 

MMANA-GAL : calcul de la résonance 

MMANAresonance702 

 

NanoVNA : relevé de la résonance

Capture resonance70RjX

 

Marker @70.167 MHz

Résonance : comparaison calcul v/s mesure

 

MMANA-GAL F.RES  70.274 MHZ Z = 45.37 – j0.8206  
NanoVNA F.RES  70.1476 MHZ Z = 12.45 – j34 10-4  

 

 Abaque de Smith :

Smithchart70MHz

 

Marker @70.167 MHz

 

MMANA-GAL : courbe SWR

MMANAGAL SWR 70

 

NanoVNA : relevé courbe SWR

CaptureSWR70

 

MMANA-GAL : Gain avant (DBi) et F/B (dB)

MMANAGAL FB70 

 

 REMARQUES :

 

calcul 1 @70.2 MHz avec cadre 50 MHz ouvert
calcul 2 @70.2 MHz avec cadre 50 MHz fermé
compare cadre ouvert ferme
 

calcul 3 @50.2 MHz avec cadre 70 MHz ouvert
calcul 4 @50.2 MHz avec cadre 70 MHz fermé

compare cadre ouvert ferme50

 

Je n'ai pas encore d'explication satisfaisante pour justifier ces dfférences au niveau du calcul de l'impédance.

Il serait intéressant de remodéliser ce modèle d’antenne avec d’autres logiciels (NEC, 4NEC2) et voir si l’on constate les mêmes écarts de calcul/mesure @70.2 MHz, peut-être cela tient-il au différences des méthodes de modélisation ?

Dans le cas présent, cette antenne est « axée » sur le début de bande des 6m, son utilisation sur la bande des 4m restera toujours un compromis (honorable) en matière de gain et rapport avant/arrière (ceci est valable pour toutes les antennes quad multibande utilisant des cadres communs).

 

 4ième étape : alimentation de l’antenne

 

ALIMENTATION DU CADRE @50.2 MHz

Le SWR mesuré pour la bande des 6m est de 1.021 : 1 à la fréquence désirée : uniquement une symétrisation de l'alimentation est nécéssaire.

Cette symétrisation évitera une distorsion du diagramme de rayonnement causée par l’asymétrie du câble coaxial.

Solution faciles et pas chères :

J'ai opté pour une symétrisation via stubs coaxiaux.

Schéma : (extrait du ARRL Antenna Book)

balun2

Fonctionnement : 

Pour avoir 2 courants de phases opposées pour alimenter symétriquement le cadre, on envoie le courant au travers de 2 lignes coaxiales dont l’une est ½ onde plus longue que l’autre. Le courant dans la section la plus longue aura donc un retard de 1/2λ (180°) par rapport au courant parcourant la section 1/4λ , résultat : à l’arrivée les 2 courants auront une phase opposée. Simple, non ?

Après installation des stub, j'ai ré-effectué mes mesures : ni la fréquence de résonance ni l'impédance de l'antenne ont été modifiées.

 

Une méthode alternative de compensation de la disymétrie causée par une alimentation via coax.

balun

 

ALIMENTATION DU CADRE @70.2

 

L'alimentation via gamma match résout le problème de l'adaptation d'impédance et de symétrisation.

Pour calculer vos gamma match je vous recommande un excellent article téléchargeable dans le lien ci-dessous :

Microsoft Word - N6MWGamma4.doc (nonstopsystems.com)

Schéma et dimensions du gamma match monté sur l'antenne

gamma match

 

Note :

 

Les diamètres des fils utilisés pour le cadre et le gamma match sont identiques (fil clôture alu diamètre 2mm).
Le condensateur variable (après réglage et mesure de sa valeur) pourra être avantageusement remplacé par un bout de câble coaxial ouvert à une extrémité, cela solutionne les problèmes de montage mécanique et d’étanchéité rencontrés avec les condensateurs variables en extérieur.

 capacite

 La valeur de la capacité C (pF/m) est donnée par le fabricant du câble, ou peut être déterminée par mesure à l’aide d’un capacimètre.

 

5ième étape : relevé du diagramme de rayonnement et mesure du gain 

"Le diable n'avait pas encore de terrain, et il y plantait déjà l'arbre"
 
 

Relevé du diagramme de rayonnement

 

Ne possédant ni chambre anéchoïde ni matériel de mesure professionnel, je ne dipose pas des moyens financiers de laisser effectuer ces mesures par une firme spécialisée.

Il est difficile pour un radio-amateur d’effectuer un relevé précis du gain et du diagramme de rayonnement de ses antennes. 

Néanmoins, pour des antennes de taille réduite on peut effectuer des relevés in-situ qui donneront un aperçu suffisamment réaliste, ce qui permettra une comparaison des valeurs obtenues par modélisation ou des valeurs annoncées (souvent de manière optimiste) par les fabriquants d'antennes radio-amateur.
J’utilise un logiciel conçu par G4HFQ appelé Polarplot.V3 téléchargeable sur le lien suivant : G4HFQ Radio Programming Software qui me permet de faire une relevé du diagramme de rayonnement et du gain avec peu de moyens.
Les explications et fonctionnalités du logiciel se trouvent dans le fichier d’aide du programme.

Schéma de travail utilisé avec PolarPlot.

Polarplot

 

 J'ai fixé h = 1λ  et D = 10λ

Ce n'est pas la seule méthode, il en existe de nombreuses autres.

Un exemple parmi d'autres ... 

Relevé du diagramme de rayonnement d'une antenne yagi 144 (pagesperso-orange.fr)

On peut également utiliser un mesureur de champ fabrication maison, qui donnera également un bon appercu.

Les schémas des relevés des diagramme de rayonnement et de mesure du gain suivent ... patience, je termine mon mini RF GEN 6m.

 

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