Efficacité doublet replié vs simple doublet

[VE2PID Pierre]

Bonjour,

Lors d'une réunion récente du club local, quelqu'un a mentionné que l'efficacité d'un doublet replié (folded dipole) était considérablement plus grande que celle d'un dipôle normal, et que c'était même la meilleure antenne simple possible.

C'est une idée erronnée et un autre mythe circulant dans la communauté radioamateur. L'efficacité des deux concepts (replié ou non) est pratiquement la même.

L'explication technique est la suivante. L'efficacité d'une antenne a toujours été définie comme le rapport Rrad/(Rrad+Rohmique) dans lequel Rrad est la resistance de radiation au point d'alimentation et Rohmique est perte ohmique pure.

La résistance de radiation du doublet replié est environ 4 fois celle du doublet standard de même que la résistance ohmique (périmètre plus gand). Par simple math, l'efficacité du doublet replié est 4Rrad(4Rrad+4Rohmique) =  Rrad/(Rrad+Rohmique) soit strictement la même...

Ceci se vérifie d'ailleurs avec une toute autre approche, soit celle du champs EM généré par les deux concepts. Pas de différence significative entre les deux montages.

Pour ceux que ça intéresse (s'il en reste hi)... LB Cebik (W4RNL SK) a fait une analyse détaillée du dipole replié. Sa conclusion*: Pas d'avantage à utiliser versus le dipôle standard, sauf pour des problèmes particuliers d'accord ligne-antenne (ce qui ne change en rien l'efficacité) ou pour éliminer les charges statiques. Et même cette élimination peut se faire par des moyens plus faciles, par ex avec un balun courant 1:1. Je me suis souvent demandé pourquoi les OM utilisaient un FD comme pilote dans les Yagis-Uda plutôt qu'un doublet simple avec balun courant... et je me le demande toujours...

*A folded dipole offers no advantage over a single-wire doublet of the same approximate length. Indeed, in the final analysis, perhaps the only reason for using a folded dipole is where the impedance transformation is of special interest, that is, where it may resolve an antenna design challenge. A secondary use would be to offer a path to discharge static charge build-up and thus to reduce one (of the many) noise sources. However, there are other means to this same goal. (Cebik)

[VE2AMT Alex]

Par simple math, l'efficacité du doublet replié est 4Rrad(4Rrad+4Rohmique) =  Rrad/(Rrad+Rohmique) soit strictement la même...

Pas tout-à-fait Pierre. La longueur de fil utilisé pour la FD simple est seulement le double de celle du doublet, non 4 fois.

Donc  l'efficacité du doublet replié est 4Rrad/(4Rrad+2Rohmique) ce qui le rend légèrement supérieur au doublet.

L'efficacité d'une FD à trois branches sera encore supérieure pour la même raison plus le fait que les pertes sont proportionnelles au carré du courant qui sera distribué (donc réduit) sur les branches additionnelles.

73, Alex

[VE2PID Pierre]

... à mon tour de corriger Alex. Losque l'on parle de la résistance ohmique dans la définition de l'efficacité, elle doit inclure aussi les pertes via le sol (ground loss). La somme de la perte ohmique en résistance pure et de la perte au sol est ce qui est appelé 'perte ohmique' dans l'équation et elle vaut au total 4 fois celle du doublet standard.

D'ailleurs, voici ce qu'en dit 'maître' Lewallen, un des auteurs du Antenna Book et de EZNEC (sri abt english):

...the erroneous conclusion that a folded monopole will have higher efficiency than an unfolded one. The problem lies in the definition of radiation resistance coupled with the common equation for efficiency, that is, efficiency = Rrad / (Rrad + Rloss). In his explanation, an OM uses the feedpoint resistance as Rrad. This is basically the radiation resistance of a simple dipole multiplied by four by the folding process.What you have to do is to refer both Rrad and Rloss to the same point. That is, both the ground resistance and the basic dipole resistance are multiplied by four when viewed from the feedpoint. So Rloss in the above equation has to be four times the ground resistance. Alternatively, the ground system resistance can be used for Rloss but then the radiation resistance of an unfolded dipole has to be used for Rrad in order to correctly calculate the efficiency. (In the grounded monopole, the ground system loss is usually much greater than the wire loss, so the latter is frequently neglected.)

[VA2JOT Jacques]

Une folded dipole (surtout en V et en U) est censée être plus broadband. C'est une des raiosn que es commerciaux préfèrent la folded dipole. Cela n'a rien a faire avec le gain, bien au contraire........

Y'a rien comme portection anti-foudre comme avoir l'élément "groundé" au mât. D'autant plus qu'ils ajoutent d'autres parafoudres "en-ligne" au bulkhead (coupe-feu?).

Un balun est un item dont le conteneur et les connecteurs se dégradent avec le temps. Cela affecte à la baisse le MTBF (temps moyen entre les pannes) d'un produit.

Pour les antenne commerciales, ces trois facteurs sont la raison qui expliquent le pourquoi de cette approche. N'oubliez pas que les connexions sont faites à l'intérieur de ou des éléments et/ou du mât ce qui les protège(nt) des intempéries.

Les antennes commerciales sont concues pour couvrir le plus large possible en spectre afin de réduire le nombre de modèles à tenir en inventaire. Leur gain est inférieur aux antennes radioamateur pour un même nombre d'éléments. C'est le prix a payer pour être plus broadband. S'il veulent plus de gain, ils ajoutent des éléments, c'est tout.

Deus univers très différents,

[VE2AMT Alex]

Si on veux tenir compte des pertes dans le sol il faut le spécifier à priori, d'autant plus qu'il y a des plans de terre dont la perte est presque nulle.

Somme toute, je dirais qu'un doublet replié peut avoir un rendement inférieur au doublet simple si on tient compte des pertes du système d'accord.

73, Alex

[VE2PID Pierre]

Bonjour messieurs

Petite précision en référence à une question reçue ce matin en courriel: Il n'y a pas de différence significative en dBi entre le dipôle simple et le replié.. 2,10 à 2,13 dBi espace libre dans les deux cas.

Le terme efficacité auquel je faisais allusion réfère plutôt au pourcentage de la puissance injectée dans le système ligne-antenne qui est transformée en énergie EM utile. C'est la définition qui a toujours été utilisée dans la littérature concernant les antennes.

La notion de gain ne le donne pas nécessairement, car il réfère principalement à la symétrie (ou non) du patron. Autrement dit, une antenne peut être très 'efficace'  même si elle n'a que peu de gain.

Selon Lewallen: The efficiency (AKA Average gain) is the total power in the far field (determined by integrating the far field in all directions) divided by the power delivered to the antenna by the sources.

[VA2JOT Jacques]

Je cherche une réponse simple:
1) En V/U, y aura-t-il une différence notable entre le patron et le gain d'une yagi avec pilote simple vs pilote replieé?

2) En HF, quel est l'impact sur le patron en NVIS et en saut (skip)?

Je considère que c'est important de le mentionner si ce n'est que pour éviter de créer le doute dans l'esprit des néophytes comme moi 

[VE2PID Pierre]

Je cherche une réponse simple:...1) En V/U..différence notable entre le patron et le gain d'une yagi avec pilote simple vs pilote replieé?HF, quel est l'impact sur le patron en NVIS et en saut (skip)?:

Salut Jacques... malheureusement, tes questions sont un peu trop générales.

Sans avoir lancé les calculs, je soupçonne que les réponses vont dépendre de la fréquence, du nombre d'éléments en Yagi V/U et de la hauteur électrique du montage. En HF, il faudrait mentionner la hauteur électrique et la fréquence. Et même la nature du sol sous l'antenne va faire varier la réponse. Les généralisations de Kraus, Cebik et Lewallen sont toujours données en environnement 'espace libre' (pour standardiser les calculs) et le lecteur n'a qu'à ajouter les paramètres de son environnement particulier pour avoir l'heure juste.

Les analyses de Cebik montrent qu'en espace libre, il n'y a pas d'avantage particulier à utiliser un dipôle replié versus le simple dipôle (en antenne simple ou en Yagi), et je présume qu'il en sera de même en tenant compte de l'effet de sol. Mais ce n'est qu'une présomption... à vérifier avec les algorithmes NEC.

Alors, avec ces précisions supplémentaires, il me sera possible de donner les "réponses simples" ;-) ??

P.S.: Il y a une prémisse dans toute la littérature d'antenne: Les considérations et études théoriques ne doivent se faire qu'en environnement 'espace libre'.. sinon on n'en sortirait jamais car il faudrait considérer les milliards de cas possibles et créer des tonnes de documents, ce qui est absurde. Ensuite, il reste simplement à compléter et à adapter les conclusions générales aux cas particuliers.

[VA2JOT Jacques]

Bon,
      Donc, pour les nouveaux venus, y'a pas de différence notable alors cassez vous pas le cailloux à chosir entre un dipole simple et une dipole repliée. Prenez ce qui passe

[VE2PID Pierre]

considérant que l'impédance de l'air ambient moyen est de 377 ohms ( cette valeur se trouve facilement dans n'importe quel manuel d'ingénieur RF ),

Salut Martin,

Le 377Ω est l'impédance caractéristique de l'espace en général et non celle de l'air en particulier

Encore la ici, je ne suis pas sure que le terme "efficacité" est le meilleur pour ma théorie!

Pour bien s'entendre, il faut revenir à la définition classique de l'efficacité d'une antenne, celle qui sort en 'output' dans les tables créées par NEC: C'est le pourcentage de l'énergie fournie à la source qui est transformée en énergie RF irradiée. Une antenne qui transforme toute l'énergie de la source en chaleur a une efficacité de 0% alors que celle qui pourrait convertir toute l'énergie de la source en RF aurait une efficacité de 100%. Ceci n'a pas de lien avec l'mpédance caractéristique de l'espace.

Selon cette définition: Un dipôle replié contient plus de métal que sa contrepartie simple, comme le mentionnait Lewallen (voir plus haut), la résistance ohmique est donc multipliée de même que les pertes au sol both the ground resistance and the basic dipole resistance are multiplied by four when viewed from the feedpoint.

Ce qui fait que dans l'équation efficiency = Rrad / (Rrad + Rloss). donnant l'efficacité, on multiplie le numérateur et le dénominateur par 4, ce qui par conséquent ne change rien.

Je pense que le seul avantage du doublet replié (à deux branches) est qu'il a une impédance proche du cable 300 Ω TV classique ce qui permet de l'utiliser sans transformation aucune avec ce câble.

[VA2JOT Jacques]

Je pense que le seul avantage du doublet replié (à deux branches) est qu'il a une impédance proche du cable 300 Ω TV classique ce qui permet de l'utiliser sans transformation aucune avec ce câble
Si on remonte à la nuit des temps, aux débuts du déploiment de la TV, je crois qu'on peut rajouter comme raisons additionnelles, la simplification de l'assemblage des éléments pilotés qui pouvaient être mécaniquement fixées à la flèche par le centre de la dipole repliée ce qui donnait l'avantage additionnel d'avoir tous les éléments de l'antenne connectées à la masse.

Parfois les intérêts pécuniers ont raison des plus grandes théories scientifiques alors imaginez quand le compromis d'efficacité dipole simple vs repliée est si minime qu'il s'avère un défi pour en mesurer la différence. 

Dans le commercial, ca règle le problème de drainage des charges statiques ainsi que d'offrir à la foudre, une voie à très très basse résistance via la flèche et le mât qui sont de taille très "sérieurse".

[VE2PID Pierre]

Compléments d'information concernant l'impédance caractéristique de l'espace: Il ne faut pas la confondre avec l'impédance mesurée aux bornes d'une antenne.

Tout dipôle simple, résonnant ou pas et à n'importe fréquence produit toujours 2 champs: Le champ électrique E et le champ magnétique H. En faisant la division E/H, on obtient toujours comme valeur 376,7 Ω, et je le répète, quelle que soit l'antenne.. doublet replié ou pas. Le doublet replié présente donc la même 'interface' avec l'espace que le doublet simple. De là l'origine de cette notion d'impédance de l'espace.

Le fait que l'impédance d'un doublet replié à branches symétriques a une impédance voisine de 300 Ω et que celle de l'espace soit de 376,7 Ω conduit facilement à interpréter que nous sommes en présence de phénomènes reliés, alors que ce n'est pas le cas.

L'impédance aux bornes de l'antenne est le quotient tension/courant E/I et selon la loi d'Ohms, le résultat sera en Ohms.

Dans le cas de l'impédance de l'espace, E ayant comme unités des volts/mètre et H des Ampères/mètre, le quotient aura comme unités des volts/ampère c'est-à-dire encore des Ohms. Deux chemins totalement étrangers qui n'ont en commun que les unités de mesure. Quel piège...
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Autre détail: tout doublet résonne à une infinité de fréquences (en fait à tous les multiples de demi-λ). À mesure que la fréquence augmente, l'impédance oscille autour d'une valeur-limite et pour une fréquence infinie, elle sera de 376,7 Ω soit l'impédance caractéristique de l'espace.

En passant, l'impédance d'un doublet replié peut être différente de 300Ω. En général, elle est de R=(1+(log (2s/d1)/log(2s/d2)))² où s est la distance entre les deux branches et d1 d2 sont les diamètres des deux conducteurs.

Ainsi, un espacement de 3 pouces et des diamètres de 0,0808 pouces et de 0,5 pouce va donner un doublet replié dont l'impédance sera de 530 Ω environ.

[VE2AMT Alex]

Belle explication qui mérite d'être archivée.

73, Alex