Patrons de rayonnement d'antennes

[VE2PID Pierre]

... Lors d'un échange entre OMs vendredi dernier à notre Tim favori, nous avons discuté du patron d'antenne d'un V-Inversé monté (apex) à 22 pieds du sol et dont chaque branche mesure 33 pieds. Les bouquins d'antennes ne tiennent pas compte de toutes les situations particulières (sinon il faudrait des centaines de milliers de pages au moins). C'est donc la modélisation qui peut répondre adéquatement à ces questions.

J'affiche en bas de ce message ce que devient le patron de cette antenne selon les fréquences (sol moyen). Sur 40 mètres, il est à peu-près omnidirectionnel. Sur 20 mètres, il est semblable à ce que l'on obtient avec un dipôle normal (lobe principal perpendiculaire au plan de l'antenne). Mais plus haut, on commence à voir apparaitre un lobe significatif dans le plan de l'antenne et qui est bas vers l'horizon, ce qui est surprenant ... l'effet de sol en est la cause. En particulier, sur 10 mètres, on a un excellent lobe (DX parlant) à seulement 15 degrés d'angle de départ.

Pour ces raisons, j'installe mon V-Inversé de sorte que son plan soit dans l'axe de la direction que je privilégie. Par exemple, pour l'Europe. le plan de l'antenne est en direction NE, ce qui donne aussi une bonne couverture SO. Le 20 mètres n'est alors pas optimal, mais ce n'est pas un gros handicap, compte tenu de l'effet positif sur les autres bandes.

(EZNEC+ v 5.0.65)

[VA2SS Jean-François]

Merci Pierre ! C'est très instructif, considérant surtout que nous avons la même antenne en plus.  Je suis très content de pouvoir visualiser ce dont nous avons parlé vendredi dernier, c'est plus simple à comprendre. Merci du complément des discussions.

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[VE2PID Pierre]

J'ajoute en bas une autre vue du patron obtenu pour 28 MHz qui montre le lobe secondaire mais significatif et dont l'angle de départ n'est que de 15°.

[VA2SS Jean-François]

Pierre, pour les 3 graphiques présentés 7, 14 & 21 Mhz, qu'elles sont les angles de départ pour cette antenne avec les caractéristiques d'installation que tu as mentionné ?

Et de passer à des branches de 45 pieds au lieu de 33 pieds, est-ce que ça change de façon significative le lobe secondaire sur 28 Mhz ?

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[VE2PID Pierre]

pour les 3 graphiques présentés 7, 14 & 21 Mhz, qu'elles sont les angles de départ pour cette antenne avec les caractéristiques d'installation que tu as mentionné ?

Pour 7 MHz, le patron est pratiquement sphérique, donc sans lobe.
Pour 14 MHz, renflement à 21° comme angle de départ mais avec très faible  gain.
Pour 21 MHz, renflement  à 19° comme angle de départ.

45 pieds au lieu de 33 pieds, est-ce que ça change de façon significative le lobe secondaire sur 28 Mhz?

Oui. Pour une même hauteur (apex), passer de 33 à 45 pieds par branche change complètement le patron comme on le constate dans le graphique en bas de ce message. On voit apparaitre des lobes obliques à environ 50° du plan de l'antenne. Mais ces lobes secondaires ont des angles de départ de 18°.
Pour avoir de meilleurs angles de départ, il faut jouer sur le paramètre hauteur (apex). En augmentant celle-ci, on peut encore baisser l'angle . . .

[VE2PID Pierre]

... PS ...
Lors d'un souper entre quelques radioamateurs vendredi dernier, on a parlé du patron de rayonnement d'antenne d'une boucle magnétique.
Contrairement à ce que certains ont mentionné, en espace libre, le patron d'une telle boucle est pratiquement circulaire en azimut et en forme de beignet en élévation. On ne peut donc pas parler de directivité... 
Et si on ajoute l'effet de sol pour une boucle 'verticale' dont la partie la plus basse est à 10 cm du sol, on a une très légère élongation du beignet perpendiculairement au plan de la boucle. Cependant, le gain maximal est dans l'ordre du 4,5 dBi à un angle élevé d'attaque (50°).

Mais, ce qui est remarquable est le changement de polarisation qui passe du type "horizontale" perpendiculairement au plan de la boucle ... à  entièrement "verticale" dans le plan de la boucle.
Peut-être que ceux qui l'utilisent comme 'direction finder' travaillent en réalité sur les effets de polarisation, et non sur la directivité.
 


   
 
 

[VA2JOT Jacques]

1) Ca explique peut-être pourquoi Amelia Earhart s'est perdue dans le Pacifique. Elle ne disposait que d'une antenne en loop pour repérer les stations de radio sur les iles de sa destination.

http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/3/36/Earhart-electra_10.jpg

2) Ca doit être à cause du vin que je n'ai pas bu ;-)

3) D'après le fab de loop magnétiques AOR (Authority On Radio [à chercher plus pompeux que ça comme nom d'entreprise on se tappe une dépression]) chapitre 6, DIRECTIVITY, c'est tel que j'ai tenté de t'expliquer. La directivité (max) est dans l'axe de son plan et minimum perpendiculairement à ce plan.

http://www.aorja.com/support/manuals/LA400_manual.pdf

P.S." Tu fréquences de bizares personnages 

[VE2PID Pierre]

... Dans le manuel en question, il est mentionné ceci: A significant advantage of a loop antenna is its directional pattern, a “figure 8” shape with two null points separated by 180 degrees. The null in reception that is located at right angles to the plane of the loop can be used for interference reduction.

En modélisation 'espace libre', j'obtiens le contraire, c'est-à-dire que les 'nuls' sont dans le plan de la boucle..!
Doit-on se fier à des manuels qui ne fournissent pas les patrons numérisés en format ez ? hum.....

Par contre, dans la "réalité" de l'effet de sol, on a bel et bien une directivité perpendiculairement au plan de la boucle . . .
(Dixit EZNEC+ v 5.0.65)

J'ajoute en bas de ce message le cas simple d'une boucle carrée qui montre bien cette directivité perpendiculairement au plan de la boucle.
Et en plus le patron en espace libre qui montre les nuls dans le plan de la boucle.
Si on modélise une boucle circulaire, on obtient des résultats similaires...

 

[VA2JOT Jacques]

J'ai pas de difficulté avec un patron en 8 en autant que les points de sensibilité maximale aux signaux reçus se retrouve dans l'axe du plan de la bouche et non perpendiculairement à ce plan.

C'est le même patron en 8 d'une dipole sauf qu'il est shifté de 90 degrés. Cela m'a semble à première vue "contre nature" lorsque j'ai pour la première fois lu sur le sujet des antennes à boucles magnétiques ce qui explique le pourquoi de mon commentaire de vendredi soir dernier.

Maintenant si tu désires explorer davantage par modélisation, tu pourrais partir avec une dipole repliée "conventionnelle" en tracer la courbe de sensibilité puis graduellement, étier la dite dipole repliée vers le haut, c.a.d. rouvrir le cercle applati et trouver à quel taux d'ouverture son axe de sensibilité passe du parallèle au plan de la boucle à perpendiculaire au plan de la boucle.

Y'a un je ne sais quoi qui me dit que peut-être que cela ne se produira jamais à moins de passer (dans le modèle) au mode de sensibilité aux champs magnétiques plutot qu'électriques.

En modélisation 'espace libre', j'obtiens le contraire, c'est-à-dire que les 'nuls' sont dans le plan de la boucle..!
Reste donc les deux pieds sur terre et comparons les choses dans un contexte réel d'exploitation afin d'éviter d'embrouiller inutilement le contexte de la discussion et risquer d'aboutir "nuls" part.

Doit-on se fier à des manuels qui ne fournissent pas les patrons numérisés en format ez ? hum..... Pour ce qui est des dB vs dBi et du gain total, absolument. Mais de là à émettre le doute qu'un fabricant se trompe de 90 degrés dans l'évaluation du point de sensibilité maximale de son produit? Je mettrais plutot le dubitateur en doute 

[VE2PID Pierre]

...
"Nonobstant" le style parfois ""impérial"" de notre JOT, je crois avoir trouvé la clé de mon interrogation.
En fouillant dans Kraus, j'ai découvert qu'il faut distinguer entre 'loop' et 'small loop'. Les comportements de ces deux variantes côté patron sont à l'opposé.

Pour le comportement du cadre, voir cet article de Wikipedia: Antenne cadre.

Et en particulier ce passage concernant le cadre de petite dimension:

"Le diagramme de rayonnement d'un tel cadre est semblable à celui d'un dipôle infinitésimal avec un nul perpendiculaire au plan du cadre et un maximum de gain dans le plan du cadre. Plus la longueur totale du cadre augmente et sa circonférence se rapproche de la longueur d'onde dans le vide, plus la direction du maximum de gain se déplace du plan du cadre jusqu'à sa perpendiculaire."

Les patrons que j'ai affichés plus haut valaient un cadre (loop carrée) dont la longueur totale était de 10,52 mètres, soit 1 λ à 28,5 MHz. Et ces patrons montrent bien que le maximum de gain se produit perpendiculairement au plan du cadre. Ma modélisation était donc correcte, c'est bien le patron décrit par Kraus & Cie.

Maintenant, si je change la fréquence pour 3 MHz, alors cette antenne devient  un cadre de petite dimension (small loop) et le maximum de gain se déplace de 90° pour se situer dans le plan du cadre. Voilà l'explication que je cherchais.

Le cas de l'Alex loop est celui d'un cadre de petite dimension et le schéma du manuel est par conséquent lui aussi exact. Je reproduis en bas de ce message cette modélisation du petit cadre telle que je l'obtiens ici et qui illustre mes propos.
--
Une petite question complémentaire pour notre Jacques. As-tu déjà fait du 'direction finding' avec une boucle et/ou un cadre? et si oui, quelles étaient les dimensions de celui-ci en termes de λ... et comment déduisais-tu la bonne direction (position du cadre)?

[VA2JOT Jacques]

Une petite question complémentaire pour notre Jacques. As-tu déjà fait du 'direction finding' avec une boucle et/ou un cadre? et si oui, quelles étaient les dimensions de celui-ci en termes de λ... et comment déduisais-tu la bonne direction (position du cadre)?
Chez les cadets de l'air, ca faisait partie de la formation à la navigation. De mémoire le loop faisait entre 18" et 24" et on se pratiquait a prendre un bearing sur la radiobalise de Dorval. La manette était calibrée (0-360). Au repos on mettait la loop à 0 degrés pour qu'elle n'offre qu'un minimum de résistance aérodynamique.

La fréquence se trouvait juste en bas du broadcast en MA. Dans les 500 Khz.

P.S.; Lors de la discussion du soûper de vendredi, j'ai bien mentionné avoir fait un QSO avec une station dont l'antenne était à l'intérieur d'une chambre de Motel. Me semble d'ailleurs que tu avais contacté la dite station par couriel par après pour obtenir une photo de son antenne. Cela aurait du te donner une idée de ses dimensions n'est-ce pas? (reviens sur terre ;-)

[VE2PID Pierre]

on mettait la loop à 0 degrés pour qu'elle n'offre qu'un minimum de résistance aérodynamique.

Mais est-ce que ça signifie que la balise cherchée devait se trouver dans le plan de la boucle? C'est ce que tu sembles indiquer ?

une photo de son antenne. Cela aurait du te donner une idée de ses dimensions n'est-ce pas?

Oui je le savais très bien, photos à l'appui **. Mais ce que je ne savais pas et qui n'est pas évident est la différence de comportement d'une petite boucle et d'une grande boucle... tout comme toi d'ailleurs Jacques et je te cite Cela m'a semble à première vue "contre nature".

Je prends pour un instant ton style impérialiste fendant (  ): Relis toi avant de présumer que tu es le seul à tout connaitre.

La modélisation a 'éclaircie' les choses (pour moi en tk  ) .

** De Ken N5LYJ

[VA2JOT Jacques]

Relis toi avant de présumer que tu es le seul à tout connaitre. Le prof n'est pas du tout content, il s'est fourvoyé!

Malheureusement cette fois ci, j'avais raison. Quand on a vécu l'expérience alors qu'on n'avait que 16 ans, on s'en souvient plus facilement dans ce temps-là que lorsque on n'a que lu sur le sujet dans des livres savants. De là l'absolue certitude. Y'a peu de chances que les lois de la physique aient changées depuis.

Pour ta question concernant la position au repos du loop, sur l'appareil: Cela coïncide aussi avec la direction de vol de l'appareil. En direction de la radiobalise en général bien qu'il y ait des exceptions comme par exemple pour érablir sa position lorsque le ciel ne permetait pas un fix au sextant ( sur des appareils de l'époque de la 2ème guerre)  Chose certaine, ces appareils consomment moins quand elles volent le nez en avant et la queue en arrière sauf en présence de vents latéraux très puissants 

En passant, quand on parle de boucles magnétiques, il s'agit généralement  d'antennes de très petite taille par rapport aux dimensions d'une dipole.

Salut maitre Pierre,

[VE2PID Pierre]

Le prof n'est pas du tout content, il s'est fourvoyé!

Correction: Ben oui Jacques je m'étais fourvoyé sur le comportement de la boucle selon ses dimensions.. mais je suis content d'avoir enfin l'explication.
Au souper l'autre soir, tu ne pouvais pas expliquer la différence et la théorie du contre-nature en question. Tu nous disais simplement l'avoir constatée, sans plus de précision.

Fallait donc passer aux outils sérieux, dont ceux du prof Kraus.

Tout un chapitre d'approfondissement de 23 pages pour cet auteur (Chap 7 The Loop Antenna).
Il y a toute une différence entre constater un phénomène et l'expliquer. Moi j'aime bien aller plus loin que le simple constat....

Citation page 197: It is assumed that the loop dimensions are small compared to the wavelength. It will be shown that the far-field patterns of circular and square loops of the same area are the same when the loops are small but different when they are large in terms of the wavelength. C'est ensuite appuyé par un groupe d'équations et d'intégrales (pour ceux qui veulent en connaitre davantage).
Ce qui valide en passant ma simulation avec un cadre carré pour la 'petite boucle' en question.
 

[VA2JOT Jacques]

OK, asteur....
                    (non impérialement) Peut-on dire que la même chose se produit lorsque la longueur de l'antenne dépasse de façon significative* (*langue de bois ici...) la demie longueur d'onde. La résultante de sa directivité devient prédominante dans l'axe du fil à mesure qu'on l'allonge. Cela devient flagrant dans la région des 3 Lambda de longueur.

Exact?