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Antenne verticale HF : contexte et modélisation

Article 1 sur 3 du dossier Antenne verticale HF multibandes

Le contexte
J’avais envie d’installer une antenne verticale HF dans le jardin du QRA, avec un minimum d’emprise au sol, et des performances acceptables. Le toit du qra n’est pas très grand, et des aériens pour la VHF et l’UHF y campent déjà, ainsi qu’une filaire un peu « baroque ». La station est située dans un vallon, avec une élévation atteignant parfois les 12°, mais plus généralement situé aux alentours de 6°.
Au sol, difficile pour moi de « tirer » des radians de 5m en plein milieu du terrain, les enfants devant pouvoir évoluer sans risque, pour eux comme pour les aériens. Même si des arbres sont présents sur le terrain, difficile de tirer d’autres antennes filaires sans dangereusement s’approcher de lignes d’alimentation électrique ou de lignes téléphoniques. Bref, mon choix s’orientait vers une antenne verticale HF multibandes. Avec ou sans balun à la base, peu importe, je possédais déjà tores, fil de cuivre, tube de téflon, etc.
Je suis tombé par hasard sur la page de Carol, KP4MD, qui avait modélisé sous 4NEC2 3 antennes HF du commerce, afin d’en simuler le comportement et de confronter leurs performances avec leurs modèles NEC respectifs. M’est alors venue l’idée de faire de même : modéliser un clone de l’antenne verticale HF 5 bandes R5 de Cushcraft © (du 10m au 40m) et tenter de le fabriquer.

Modélisation d’une antenne verticale HF multibandes avec 4NEC2
Ayant déjà utilisé deux logiciels de modélisation, NEC4WIN95 et 4NEC2, mon choix s’est porté sur le deuxième, qui offre bien plus de possibilités. Ma dernière modélisation était une filaire Conrad-Windom et cela avait été assez simple.
Pour cette verticale, comme KP4MD, j’ai utilisé de l’aluminium, et  une impédance caractéristique de 200 ohms pour la ligne de transmission, un balun de rapport 4:1 venant s’intercaler entre celle-ci et l’antenne. L’antenne est modélisée à 3 m de hauteur du sol, qui est un ancien potager. Par contre, l’environnement immédiat est de type « semi-urbain », plutôt pavillonnaire. Dans 4NEC2, le sol a été défini comme « moyen ». La modélisation ne pose pas particulièrement de difficulté, le principe des antennes verticales multibandes à trappes étant simple (la construction et la mise au point, nettement moins…). On modélise une verticale sur la bande la plus haute en fréquence, puis on empile les tronçons « trappe+brin rayonnant » additionnels des bandes sur lesquelles on veut trafiquer, de la plus haute en fréquence à la plus basse en fréquence. Il est parfois nécessaire de retoucher légèrement les dimensions à chaque ajout ou presque.

Ci-dessus, l’antenne modélisée en 3D. Le fichier NEC correspondant est téléchargeable au bas de cette page.

Résultats de la simulation
Pour les besoins de la simulation, l’antenne est installée à 3m du sol, telle qu’elle le serait dans la réalité.

SWR (Impédance de référence = 200 ohms)

 

Diagramme de rayonnement vertical (F=14.2 MHz)
Diagramme de rayonnement vertical (F=18.1 MHz)

 

Diagramme de rayonnement vertical (F=21.2 MHz)
Diagramme de rayonnement vertical (F=24.95 MHz)

 

Diagramme de rayonnement vertical (F=28.5 MHz)

 

Prochaines étapes…
Il suffit maintenant de réunir les matériaux nécessaires pour réaliser l’antenne, la réalisation des trappes étant le point délicat. La réalisation de la boîte d’accord (en fait un « choke balun » et un balun en courant de rapport4:1) ne devrait quant à elle pas poser de souci.

Téléchargements :
Le fichier NEC de modélisation de l’antenne seul pour le premier, avec les graphiques ci-dessus inclus pour le deuxième. Ces fichiers ont été générés avec le logiciel 4NEC2.


 Références et liens :
– L’article « Modeling Commercial Amateur Radio Antennas » : http://www.qsl.net/kp4md/modeling.htm par KP4MD ;
– Le logiciel gratuit de modélisation d’antennes 4NEC2 : http://home.ict.nl/~arivoors par Arie Voors ;
– Le manuel de montage de l’antenne verticale HF multibandes R5 de Cushcraft : http://www.cushcraftamateur.com/pdffiles/r5.pdf ;

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