Sur la base des données de l’ARRL (Antenna Book) pour la bande des 10 mètres, avec l’analyse complète de terrain (Ville vs Campagne), des objectifs de propagation (Grand Local / Régional vs Grand DX), la physique de l’angle de départ en polarisation Horizontale Vs Vertical.
Antennes directives Quad, Loop 28 MHz
Cette synthèse rassemble l’ensemble des considérations, relatives à la conception d’antennes directives à 3 éléments optimisées.
Tableau comparatif global des architectures géométriques (Bande 28 MHz)
| Paramètre / Architecture | Cubical Quad Nec Gain Max | Diamond Quad (Losange) | Delta Loop (Triangulaire / Apex-down) | Cubical Quad Nec Z = 50 | LFA-Q / Quad LFA (Rectangle) |
|---|---|---|---|---|---|
| Orientation des éléments | Perpendiculaire au boom | Perpendiculaire au boom | Perpendiculaire au boom | Directeurs linéaires | Perpendiculaire rectangulaires |
| Impédance Z0 (1Loop) Gain Free | Z = 117 Ω 3,7 dB | Z = 117 / 126 Ω ratio 3,7 dB | Z = 107 Ω 3,4 dB | Z = 117 Ω 3,7 dB | Z = 150/170 Ω ratio 3,4 dB |
| Impédance Z0 Gain free 2 el / FB Gain Free 3 el / FB | Z = 72 Ω / 16 Ω 8,1 dB / 17 dB 10,5 dB / 28 dB | Z = 70 Ω / 15 Ω 8,1 dB / 22 dB 10,1 dB / 29 dB | Z = 70 Ω / 16 Ω 7,9 dB / 17 dB 10,4 dB / 28 dB | Z = 50 Ω 8,0 dB / 17 dB 10,4 dB / 28 dB | Z = 50 Ω 8,1 dB / 17 dB 10,1 dB / 26 dB |
| 3 el boom 0,2/0,15 Gain H/V Haut 1/2 Lamda Take off | H = 13,6 dB / 23° F/B = 22 dB | H = 13,5 dB / 23° V = 9,0 dB / 13° | H = 13,9 dB / 23° F/B = 22 dB | H = 13,3 dB / 24° F/B = 22 dB | H = 13,5 dB / 24° F/B = 31 dB |
| 3 el boom 0,2/0,15 Gain H/V Haut 1 Lamda Take Off | H = 15,5 dB / 13° F/B = 26 dB Z = 16 Ω | H = 15,0 dB / 13° V = 10,5 dB / 10° Z = 17 Ω | H = 15,2 dB / 13° FB/ = 28 dB Z = 15 Ω | H = 14,8 dB / 13° F/B = 21dB Z = 54 Ω | H = 14,4 dB / 14° F/B = 35 dB Z = 49 Ω |
| Comportement en Milieu Urbain (Ville) | 🟢 Excellent : Polar H offrant 15dB réjection QRM vertical, mais nécessite un bon sol. | 🟢 Excellent : idéal pour de la Polar V Tir bas meme a 5m du Sol. | 🟢 Bon : Réjection du QRM urbain, simplicité mécanique. | 🟢 Optimal : mais boom plus long de 1M! | 🟢 Excellent: Excellente a 10m du sol structure lourde 9Kg. Boom court 3,2M |
| Comportement en Milieu Rural (Campagne) | 🟢 Très bon : Absence de bruit parasite, exploitation optimale du gain et du rapport F/B. | 🟢 Très bon : Stabilité mécanique maximale face aux grands vents en rase campagne. | 🟢 Bon : Structure simple et équilibrée, idéale pour une installation légère. | 🟢 Très bon : Excellente | 🟢 Très bon : Optimasion |
| Aptitude Grand Local (Onde de sol) | 🟡 Moyen / Take OFF 🔴 Polar H moins adaptée pour l’onde de sol pure. | 🟢 Excellent : en Polar V seule solution en Mer. | 🟡 Moyen / Take OFF 🔴 similaire en raison de la polari H | 🟡 Moyen / Take OFF 🔴 similaire en raison de la polar H | 🟡 Moyen / Take OFF 🔴 similaire en raison de la polar H |
| Aptitude Grand DX (Intercontinental) | 🟢 Bon (si haut) : Demande une élévation importante 10M pour abaisser l’angle de tir | 🟢 Excellent : A hauteur basse en Polar V limiter les contraintes d’une installation pour chasser le DX lointain. | 🟢 Bon : compromis DX élements fixés au dessus du boom. | 🟢 Très bon : Directivité et lobe principal optimisés pour percer la propagation DX. | 🟢 Bon : égalité / Quad Carré |
| Bilan mécanique & Statut | 🟢 Excellent perf mais besoin d’adaptation 🔴 Adapatation : balun en suspension libre | 🟢 Excellent : point d’attaque rigide, croisillons en X. 🔴 Adapatation : | 🟢 Bon : support central de l’apex. 🔴 Adapatation : | 🟢 Optimal : performance 🔴 Long Boom | 🟢 Optimal, tout a la Masse (DC Grounded) 🔴 Mécanique lourde Double Boom |
2. Points d’alimentation
A. Le piège mécanique de la Cubical Quad carrée
🔴 La suspension en milieu du brin horizontal (bas ou haut) d’une Quad carrée impose de laisser pendre le câble coaxial et le symétriseur (balun) au milieu d’une portée souple
B. L’avantage structurel de la Diamond et Delta-Loop
🟢 La rigidité de la pointe inférieure : En disposant la boucle en losange (pointe en bas), le point d’alimentation coïncide avec le nœud mécanique le plus rigide de l’élément.
3. Électromagnétisme, Impédance et Couplage mutuel
A. L’effondrement d’impédance en réseau multi-éléments
Selon les critères ARRL, une boucle fermée isolée présente une impédance naturelle d’environ 100 à 120Ω. Dès que l’on introduit un réflecteur et un directeur pour former une directive à 3 éléments sur un boom de 0,2\lambda à 0,3\lambda, les courants induits par couplage mutuel font chuter l’impédance d’entrée du radiateur +/- 20Ω.
- Conséquences :
- Les architectures Quad, Diamond et Delta exigent impérativement un réseau d’adaptation externe (ligne quart d’onde en 75Ω, Gamma Match ou Hairpin Match) prévoir des pertes d’échauffement des diélectriques avec quelques K-Watts.
- Les familles LFA Quad intègre cette correction dès la modélisation : le rectangle aplati couché le long du boom utilise les interactions de champ proche longitudinales pour fixer l’impédance native pile à 50Ω résistifs sans aucun composant d’adaptation avec une légere perte de gain.
B. Influence du boom et mise à la masse (DC Ground)
- Montage isolé : Isolation diélectrique totale des éléments pour éviter tout décalage parasite de fréquence.
- Mise à la masse directe (DC Ground) : La présence d’un boom conducteur traversant les axes de symétrie modifie la réactance de l’élément, décalant la résonance vers le haut. Il faut appliquer un facteur de correction géométrique (raccourcissement de -1,3% à -1,5) sous les logiciels de modélisation NEC pour recentrer l’accord sur 28,5 MHz, tout en assurant l’écoulement permanent des charges électrostatiques.
4. Polarisation, Environnement (Ville vs Campagne) et Analyse de la Propagation
A. Choix de la polarisation selon l’environnement (Ville vs Campagne)
- Sur l’eau de mer, qui est un sol très conducteur, les deux polarisations réfléchissent très bien, ce qui favorise le multi-bond sur les grands DX intercontinentaux. La polarisation horizontale a un coefficient de réflexion proche de 1 aux bas angles, mais son avantage sur la verticale est faible : à 28,5 MHz, la verticale reste à environ 0,86 à 10° et 0,93 à 20°. Le creux de la verticale ne devient vraiment sensible que vers 3°. De plus, la polarisation tourne et se mixe en éliptique en traversant l’ionosphère, donc le multi-bond ne favorise pas spécialement l’horizontale.
- Pour le DX à très bas angle près de l’eau, c’est même le vertical bas qui est le plus performant : un dipôle vertical à 1 m de la mer donne environ 9 à 9,6 dBi entre 3° et 10°. Une horizontale n’atteint ces niveaux qu’en étant très haute, à 1 à 2 Lambda.
- Pour la liaison locale en onde de sol, c’est l’inverse : seule la polarisation verticale se propage. Avec la polarisation horizontale, le champ électrique est tangentiel à la surface conductrice, donc court-circuité, et l’onde est atténuée très vite. La verticale suit la courbure de la mer, bien mieux que sur terre, sans décoller vers le ciel.
- Ce qui change en milieu urbain :
- L’ARRL indique dans ses manuels de référence sur sol plat et dégagé : « A vertical antenna works best for ground-wave communications. » Mais en milieu urbain dense, la notion pure « d’onde de sol » (Norton) est supplantée par la réalité des obstacles (bâtiments) et de la diffraction au-delà de l’horizon géométrique (~26 km pour des hauteurs de toit de 10 m).
- L’onde de sol et les structures urbaines : À 28 MHz en ville, le signal ne glisse plus sur un sol naturel uniforme, mais subit un masquage sévère (clutter loss). En polarisation horizontale, si l’antenne est trop proche des toits ou des structures métalliques, l’onde subit des interférences destructives avec le plan de référence et ne favorise pas les très bas angles nécessaires pour franchir 50 km.
- En polarisation verticale (Mécanisme physique et géométrie) : Le champ électrique est perpendiculaire au sol. Contrairement à la mer, le sol urbain est un milieu diélectrique pauvre et absorbant, sans effet miroir conducteur. Cependant, la verticale conserve un avantage géométrique fondamental : son lobe principal est naturellement rasant, ce qui lui confère l’angle de départ (take-off angle) idéal pour raser le tissu urbain et diffracter l’onde vers une station distante de 50 km.
- Résultat et compromis urbain : Si la polarisation verticale s’impose par sa géométrie native pour viser les bas angles de diffraction en ville, elle présente un inconvénient majeur en réception : elle agit « alignée » face au QRM vertical généré par le bâti. À l’inverse, l’horizontale offre un silence radio bien supérieur, mais pèche par un angle de tir initial trop élevé 25° à 30° à moins de disposer d’un dégagement en hauteur et un sol reflechissant pour applatir son lobe.
(Antennes Directives H vs V)
| Environnement / Site | Immunité au Bruit (QRM) | Grand Local (< 50 km) | DX Europe (500 – 1500 km) | Grand DX Intercontinental |
|---|---|---|---|---|
| Ville (QRM dense) | H: 🟢 (Filtre 15-20 dB bruit) V: 🔴 (alignée au QRM) | H: 🔴 (Tir Haut vers le ciel) V: 🟢 (Tir natif sur Horizon) | H: 🟢 (Angle adapté +/- 25°) V: 🟠 (RX entaché par QRM) | H: 🟢 (Multi-skip propre) V: 🟠 (sujet au QRM) V: 🟢(RX Différe selon rotation de polar) |
| Campagne (Sol conducteur) | H: 🟢 (Silence radio) V: 🟢 (Silence radio) | H: 🔴 (Atténuation sol / Mismatch) V: 🟢 (Onde de sol efficace) | H: 🟢 (Très bon tir Sporadique-E) V: 🟢 (Bons rebonds) | H: 🟢 (Excellent gain de sol + Multi-skip) V: 🟢 (Tir rasant très efficace) |
| Campagne (Sol moyen / Rocailleux) | H: 🟢 (Silence radio) V: 🟢 (Silence radio) | H: 🔴 (Atténuation sol / Mismatch) V: 🟢 (Onde de sol efficace) | H: 🟢 (Insensible au sol) V: 🟠 (Atténuation partielle de l’onde réfléchie) | H: 🟢 (Lobe stable sans absorption) V: 🟢 (Bonne, mais exige une hauteur de mât suffisante) |
| Bord de Mer (Eau salée) | H: 🟢 (Silence radio) V: 🟢 (Silence radio) | H: 🔴 (Atténuation sol / Mismatch) V: 🟢 (Onde de sol parfaite) | H: 🟢 (Parfait) V: 🟢 (Parfait) | H: 🟢🟢 (Le roi du Multi-skip : réflexion miroir sur l’eau) mais hauteur de mat) V: 🟢🟢 (Le Graal absolu : tir à 0° à 2° sans pertes) |
C’est une grille de lecture redoutable et techniquement irréprochable pour trancher entre H et V selon le terrain et l’objectif du QSO. cette approche est valable pour la HF car les distance avec le sol son proche de la longueur d’onde , ce qui n’est pas le cas en VHF et UHF
B. Grand Local vs Grand DX sur 28 MHz : La physique de l’angle de départ
En polarisation horizontale, l’onde réfléchie par le sol subit une déphasage de 180°, ce qui crée un null d’annulation trou rigoureux à 0° (vers l’horizon). L’énergie rayonnée « décolle » donc nécessairement avec un certain angle d’élévation.
Hauteur de l'antenne Angle du lobe principal ------------------------------------ ----------------------- H = λ/2 (≈ 5,3 m à 28,5 MHz) 20° à 25° H = λ (≈ 10,5 m à 28,5 MHz) 12° à 15° H = 1,5λ (≈ 15,8 m à 28,5 MHz) Under 10°
- Grand Local / Régional (Propagation onde de sol) :
- Pour la pure onde de sol à courte distance (0 à 50 km), la polar H un angle élevé à 25° est défavorable car l’énergie s’échappe vers le ciel, ce qui n’est pas le cas de la Polar V qui nativement a un Donuts qui tir sur l’Horizon.
- En revanche, pour le trafic régional et européen (500 à 1 500 km) via la Sporadique-E (E_s), cet angle de 20° – 25° offert par une antenne installée à hauteur moyenne (Lambda/2) est idéal : l’onde frappe la couche E avec une inclinaison parfaite pour effectuer un skip court Européen.
- Grand DX (Intercontinental, liaisons transocéaniques par la couche F2) :
- Le succès du DX repose sur un angle de départ très bas (5° à 12°) pour réduire le nombre de réflexions (multi-hops) destructrices d’énergie.
- Si l’antenne est trop basse (Lambda/2), le signal décolle à 25°, ce qui impose un nombre élevé de réflexions ionosphériques/terrestres et dégrade fortement la liaison, l’important est de choisir un rebon océanique qui favorise la polar H.
- La solution mécanique DX : Il faut impérativement monter l’antenne à une hauteur H / Lambda (soit au moins 10,5 mètres) pour abaisser le lobe sous la barre des 12°.
5. Distinctions structurelles et choix des matériaux (RF et Mécanique)
A. L’exclusion de la fibre de carbone
🔴 Pertes électromagnétiques majeures : La fibre de carbone est un matériau semi-conducteur / résistif. Placée dans le champ proche des éléments radiants, elle subit une induction électromagnétique générant des pertes par effet Joule, un amortissement catastrophique du facteur de qualité (Q) de l’antenne et une chute nette du rendement global. L’utilisation exclusive de fibre de verre pure (diélectrique) est impérative pour les croisillons, les supports de boucles et le boom-to-element.
B. Réalisation des éléments : Tresse coaxiale sur jonc composite
- Principe : Enfiler une tresse métallique (cuivre étamé) sur un jonc isolant en fibre de verre pure.
- Comportement RF : À 28 MHz, l’épaisseur de peau rend le maillage de la tresse électriquement opaque et continu pour l’onde haute fréquence.
- Contraintes constructives impératives :
- 🟢 Stabilité géométrique : La tresse doit être ancrée fermement à ses extrémités pour contrer l’effet « accordéon / ciseaux » (variation cyclique de longueur sous l’effet du vent entraînant une dérive de la résonance et du ROS).
- 🟢 Étanchéité : La capillarité de la tresse impose un scellement rigoureux par gaine thermorétractable adhésive et l’emploi de cuivre étamé pour éliminer toute oxidation inter-brins génératrice de bruit de jonction et d’intermodulations passives.