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Antenne verticale colinéaire 1090 MHz (Mode-S/ADS-B)

antenne_1090_installeeLes antennes d’origine livrées avec les dongles USB – TV/DAB/FM ne conviennent pas pour une réception efficace sur 1090 MHz. Elles sont prévues pour être utilisées avec des signaux forts dans la zone de couverture d’un émetteur « broadcast » (l’unité de puissance en diffusion commerciale est le kW…).

En radio, les performances d’une station d’émission/réception – ou même seulement de réception – sont en grande partie déterminées par l’antenne utilisée. Il fallait donc remplacer l’antenne d’origine du dongle par une antenne adaptée à la fréquence unique de 1090 MHz.
Pour compenser la sensibilité assez moyenne de ces dongles, l’ajout d’un préamplificateur d’antenne peut être un vrai « plus ».

Plusieurs réalisations d’antennes dédiées à cette bande de fréquences sont disponibles sur internet :

C’est cette dernière version que j’ai choisi de réaliser, en l’adaptant pour obtenir une meilleure solidité mécanique et une meilleure résistance aux conditions climatiques. Je me suis efforcé d’utiliser des matériaux courants et disponibles en grande surface spécialisée, mais ça n’a pas toujours été possible.

Réflexions et matériaux

Une antenne verticale (d’un point de vue mécanique) est globalement constituée d’un fouet, d’une embase, et d’un connecteur, afin de pouvoir y raccorder un câble coaxial (qui va la relier au dongle USB, dans notre cas).

Le fouet, réalisé en fil électrique de section 2,5 mm², est assez fragile. Une bonne bourrasque de vent pourrait le plier, et là, adieu à la réception. Le protéger par un tube rigide présente l’avantage de la préserver de ce genre de déconvenues, mais également de la mettre à l’abri de l’humidité.
Dans un premier temps, j’ai utilisé du tube IRL de couleur blanche (comme sur les photos de cet article). J’ai mesuré l’antenne au miniVNA, et là, je me suis rendu compte que l’insertion du tube IRL abaissait la fréquence de résonance de l’antenne d’environ 25 MHz. Mauvaise pioche donc… Je vais donc le remplacer par un tube de fibre de verre, qui sera peint en blanc.

L’embase est également une partie importante de l’antenne, car elle va supporter plusieurs éléments importants de l’antenne : les radians constituant le plan de sol artificiel de l’antenne (elle en fait même partie), le tube de protection du fouet, et enfin le raccord N femelle/femelle.
Je n’avais pas en tête de solution évidente, alors je suis allé dans une grande surface spécialisée en bricolage, et j’ai cherché, cherché, le raccord N en main… Et au rayon plomberie, j’ai fini par trouver. Les pas de vis étant normalisés, le raccord se visse parfaitement dans un manchon en laiton 15×21/20×27 réduit côté 15×21. En y ajoutant un manchon « fer/cuivre » avec filetage 20×27 mâle d’un côté, et de diamètre extérieur 25mm de l’autre côté (diamètre intérieur 22mm), et en les vissant l’un dans l’autre, on a une base de départ intéressante. Il sera ainsi possible d’utiliser la partie « lisse » du deuxième manchon pour l’enficher dans un tube que l’on pourra fixer à un mât.
Les radians seront constitués de tige d’acier de 4 mm de diamètre.

Matériaux nécessaires

  • Un raccord N F/F ;
  • Un manchon « réduit » F/F 15×21/20×27 en laiton ;
  • Un manchon « fer/cuivre » Mâle 20×27 en laiton ;
  • Du fil électrique rigide de section 2,5 mm² ;
  • 4 longueurs de 210 mm de tige d’acier de 4 mm de diamètre (inoxydable, si possible) ;
  • 4 écrous M4 inoxydables ;
  • 1 tube métallique de diamètre intérieur de 25 à 26 mm ;
  • 1 vis courte M4 (récupérée dans un jeu de vis pour informatique) ;
  • Un tube de fibre de verre de diamètre intérieur de 20 mm (le diamètre extérieur est d’environ 23 mm) ;

antenne_1090_elements

Outillage nécessaire

  • Une perceuse sur colonne pourvue d’un étau ;
  • Un foret de 3 mm ;
  • Une lime à métal (moyenne) ;
  • Un jeu de filière et de taraud (M4x0,7) + un tourne à gauche ;
  • De l’huile de coupe ;
  • Un fer à souder + étain pour électronique ;
  • De la colle « époxy » ;

La construction
Pas de difficulté particulière, si ce n’est qu’un minimum d’outillage est nécessaire. Il va falloir percer et tarauder les raccords de plomberie, et fileter de la tige d’acier de 4 mm de diamètre. Un étau et une perceuse sur colonne sont indispensables pour faire un travail correct. Les perçages doivent être effectués verticalement et à 90° par rapport aux méplats du manchon 15×21/20×27. Sinon, l’ensemble des 4 radians ne sera pas plan.
Il faut également disposer d’un jeu de tarauds et de filières M4x0.7, toujours pour les radians.

Préparation et perçage des manchons

antenne_1090_manchonsDans un premier temps, il faut limer deux sommets opposés de la partie hexagonale du manchon 15×21/20×27 afin de disposer de 4 surfaces planes à 90° l’une de l’autre, comme indiqué sur le schéma ci-contre. Vu de dessus, on obtient alors un polygone irrégulier à 8 côtés, dont 2 opposés nettement plus petits que les 6 autres.
Puis, assemblez les 2 manchons, en les vissant l’un dans l’autre, à fond.
Sur 4 des côtés du manchon 15×21/20×27, dont sur les 2 nouvellement créés, percez en leurs centres un trou de 3 mm de diamètre, bien perpendiculairement à la surface du côté. Une perceuse à colonne avec étau est indispensable pour bien réaliser cette phase.

Taraudage des manchons

antenne_1090_embase_1Une fois les manchons percés de 4 trous à 90° les uns des autres, il va falloir tarauder les trous réalisés, avec un taraud M4x0.7. Ces trous pourvus d’un pas de vis recevront les radians. Les manchons solidement maintenus dans un étau, l’utilisation du « tourne à gauche » est relativement facile, les trous étant de faible diamètre. On obtient alors le résultat de la photo ci-contre. Le trou situé en bas du manchon 20×27/lisse sera réalisé plus tard.

Vissage du raccord N et du fouet

antenne_1090_embase_2Vérifiez que vous pouvez visser le raccord N dans la partie 15×21 du manchon supérieur, comme sur cette photo. Ici, la partie basse du fouet a déjà été soudée sur la partie centrale du raccord, mais cela peut être fait à tout moment.

Filetage des radians

antenne_1090_embase_3Ensuite, il faut fileter les tiges d’acier de 210 mm qui serviront de plan de sol artificiel (les radians). Les tiges doivent être solidement maintenues verticalement dans un étau, sous peine de rater le filetage. Un chanfrein peut être fait (à la lime) à l’extrémité qui va être filetée afin de faciliter l’accrochage de la filière au démarrage. Une goutte ou deux d’huile de coupe doivent être appliquées sur le filet au début et pendant l’opération. Le filetage doit être fait sur 10 mm.

Une fois cette phase terminée, vous devriez être capable de visser les radians dans les trous des manchons, en maintenant l’ensemble avec les contre-écrous M4, comme sur la photo ci-contre.

 

Réalisation du fouet

antenne_1090_fouetJe ne vais pas détailler cette partie. Je me suis contenté de modifier légèrement les dimensions initiales de G7RQG, afin de trouver une impédance proche de 50 ohms au point d’alimentation du fouet et la résonance de l’antenne « nue » (i.e. sans tube de protection) à 1090 MHz précisément. Je n’ai cependant pas réussi à « trouver » les 52 ohms, mais seulement 46 ohms. Néanmoins, les résultats ont été au rendez-vous (il s’agit uniquement de réception), comme indiqué plus bas dans cet article.
Du fil électrique dénudé de section 2,5 mm² a été utilisé. Les 2 bobines et les 3 segments de l’antenne ont été réalisés indépendamment les uns des autres, et le tout finalement soudé. Les bobines sont faites de 1,5 tours du même fil sur un diamètre de 10 mm. Elles ont chacune une hauteur de 10 mm. La longueur de fil employée est équivalente à 1/4 d’onde à 1090 MHz, soit environ 66 mm.
Le segment du bas doit être taillé un peu plus long que 141mm, car la partie centrale du connecteur N sur laquelle il doit être soudé n’affleure pas l’extrémité haute du connecteur. J’ai rajouté 20 mm, puis j’ai ajusté en recoupant. Cette partie mérite d’être approfondie, car je pense que les dimensions de l’antenne ainsi réalisée ne sont pas optimales

Vérification de l’antenne au miniVNA

Antenne colinéaire 1090 MHz mesure miniVNA Pro ExtenderL’antenne nue mesurée au miniVNA résonne bien là où elle est censée le faire avec une impédance proche des 50 ohms (46 ohms). Une légère modification de la longueur des radians devrait pouvoir résoudre ce petit écart d’impédance. Mais il s’agit uniquement de réception, alors ne soyons pas trop exigeants, le « mieux » étant parfois l’ennemi du « bien »…

Le tube de protection

antenne_1090_sans_protectionVoici une photo de l’antenne « nue ». Il est évident que sans protection, sa durée de vie au sommet d’un mât ne pourrait être que courte, le fil de cuivre étant très malléable. Ceci est d’autant plus vrai si vous habitez dans une région où les rafales de vent peuvent atteindre 100 km/h, ce qui est parfois le cas ici…

antenne_1090_embase_4Pour protéger l’antenne de l’oxydation, et surtout, afin de la renforcer au niveau mécanique, j’ai envisagé de la protéger avec du tube IRL d’électricité blanc, en partant du principe qu’il serait « électriquement » neutre. Ce fut une erreur, car ce n’est pas le cas. L’antenne « nue » résonne bien sur 1090 MHz, mais une fois le tube en place, la résonance s’effectue sur 1065 MHz. Il va donc falloir que j’emploie de la fibre de verre, qui ne viendra pas perturber le fonctionnement de l’antenne.
Je vous décris néanmoins la préparation et la mise en place du tube de protection, car l’opération aurait été la même avec un tube de fibre de verre. J’ai choisi du tube évasé à l’une de ses extrémités, pour permettre l’emmanchement. C’est cette partie qui sera collée « côté embase » (à la colle époxy). La longueur totale du tube est de 600 mm.

antenne_1090_protectionL’autre extrémité a été obstruée avec de la colle époxy (retenue à l’extrémité du tube par un petit morceau de mousse rentré en force à l’intérieur d’environ 5 mm par rapport au bout du tube). Ça étanchéifie le haut de l’antenne.

Fixation de l’antenne à un mât

L’antenne est presque terminée. Il reste à y fixer le tube métallique de 25 mm de diamètre intérieur pour pouvoir la fixer sur un mat. Il suffit d’enfoncer le tube en question au dessus du manchon 20×27/lisse, puis en les maintenant fermement assemblés, de percer un trou de 3 mm à 5 mm du bord du manchon, comme sur la photo du paragraphe « Taraudage des manchons ». Ce trou sera taraudé en M4x0.7, et servira à fixer le manchon au tube. Le tube sera quant à lui fixé à un mât. Pour les essais, j’ai simplement employé des colliers « serflex ».

Essais et conclusion

antenne_1090_installeeL’antenne se trouve sur cette photo à 3,50 m au-dessus du toit du qra, fixée à un mât emboitable (en fait une canne à pêche en carbone). Les essais ont été réalisés avec la chaine de réception suivante : Dongle TV E4000/RTL2832 + gnuradio + gr-air-modes (sous Ubuntu 12.04 LTS dans virtualBox) + planeplotter sous Windows 7 x64.

L’avion reçu le plus lointain était à 165 NM, avec un maximum de 155 trames/s, avec un dongle E4000/RTL2832.
La station de réception est dans une vallée, ce qui complique sensiblement les choses à 1090 MHz.
Depuis, avec un dongle à base de R820T, je reçois en permanence des avions se trouvant en Belgique, soit à plus de 200 km, avec l’antenne posée sur le toit du qra, et vraiment peu dégagée. (avec adsb#, le maximum est désormais à 350 trames/s). Il faudrait que je fasse des tests sur un plateau, dégagé à 360°, pour pouvoir juger des performances réelles de l’antenne, mais elles semblent déjà très correctes.

Sur cette capture d’écran, la zone de couverture donnée par SBSPlotter donne une idée de l’orientation de la vallée, avec une réception impossible vers l’ouest et le nord-ouest.

Reception_adsb_04.11.2012

 

La solidité mécanique est au rendez-vous. C’est un bon point. Seul le tube de protection doit être changé par de la fibre de verre. Je teste actuellement rtl_adsb sur un Raspberry Pi, et c’est encourageant, même si le RPi semble un peu léger au niveau puissance.

 

Bonne construction !

2 réponses à "Antenne verticale colinéaire 1090 MHz (Mode-S/ADS-B)"

  1. Abe Brice dit :

    salut l’ami j’ai lu avec beaucoup d’intérêt votre article et vraiment ça me fascine surtout que je bosse actuellement sur un projet dont la réussite est basée sur cette antenne.
    en faite tout est bien explicite a part quelque zone d’ombre qui me laisse encore perplexe, s’il vous plait puis-je savoir quelle est la portée de ce type d’antenne et avoir bien sur avec votre permission certains petits détails de la fabrication, des détails que vous n’avez mentionnez ici.
    merci d’avance pour votre compréhension , je vous attends impatiemment tout en vous transmettant l’expression de ma plus profonde gratitude.

    • f4cwh dit :

      Bonjour,
      je vous en prie, posez vos questions dans les commentaires, j’y répondrai avec plaisir.
      Au niveau de la portée, c’est très dépendant de votre situation géographique, à savoir dégagée ou pas. Niveau couverture, il doit être possible d’envisager au moins 200 MN, voire plus.
      Carl

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