Antenne Hélicoïdale (2)
D'abord, quelques photos...
Et une remarque très importante: pour tirer la quintessence d'une antenne hélicoïdale, il faut "qu'en face"
il y ait aussi une antenne hélicoïdale, et qui plus est, bobinée dans le même sens (on peut bobiner le fil
en partant sur la gauche, ou sur la droite). C'est une question de polarisation...
Les dimensions? Diamètre du bobinage: 1/3 d'onde (en pratique, ~44mm). Pas du bobinage 1/4 d'onde
(en pratique 31mm). Espace entre début du bobinage et le réflecteur: 1/8 d'onde (en pratique, 16mm).
Ces dimensions sont données par rapport à l'axe du fil.
Diamètre du fil: Longueur d'onde/60 (en pratique, 2.25mm => Fil de cuivre de 4mm2 dont l'isolant est enlevé).
Diamètre du réflecteur: 1 longueur d'onde (123mm).
Comme vous pouvez vous en rendre compte, il s'agit "simplement" d'un fil bobiné avec un diamètre et
un pas correct. Le tout soutenu par une règle en fibre de verre. La rigidité d'un tel fil est tout à
fait satisfaisante sur la longueur que représente un seul tour.
La technique de bobinage utilisée est assez rudimentaire. J'ai bobiné le fil en spires jointives sur un
mandrin de 40mm (tube PVC) et je l'ai ensuite étiré (hors du mandrin). Après étirement plus ou moins
correct, je l'ai repassé autour du mandrin pour en ajuster le pas. Il ne reste plus qu'a "visser" le fil
sur la règle en fibre de verre préalablement percée. Pour ceux à qui la technique fait peur, sachez que
j'ai réalisé une version à 26 tours...
Pour en revenir à la technique de bobinage:
1) Préparation de la règle: Pour du fil de 4mm2 (2,25mm de diamètre), je l'ai percée avec une mèche de
2,5mm en inclinant la foreuse de ~13°. Cela correspond à l'angle de passage du fil de l'hélice et facilite
considérablement le passage du fil. Nombre de trous = nombre de tours d'hélice. J'ai percé le premier trou à
~10mm du bout de la règle.
2) Le mandrin: Il s'agit donc d'un tube PVC de 40mm. Je l'ai recouvert d'une feuille de papier sur laquelle
j'ai tracé "le chemin" que devrait suivre le fil. Pour ce faire, j'ai enroulé la feuille sur le tube,
marqué au crayon sur la feuille le périmètre exact du tube et, après l'avoir enlevé j'ai fait une marque
tous les 31mm (pas de l'hélice) sur les 2 bords. Il ne reste plus qu'à tracer les lignes qui, après
enroulement, vont représenter le passage idéal du fil.
3) Le fil : avant de bobiner le fil, le rendre le plus rectiligne possible. Prendre bien soin d'enlever tout
"les à-coups". NE SUTOUT PAS LE CROQUER!. Ne pas hésiter à gaspiller 50cm.
4) le bobinage: Tout d'abord une remarque importante : les choses inanimées sont hostiles et ne pas vouloir en
tenir compte est de la folie! Ceci pour expliquer que, en bobinant directement le fil au bon pas, vous
obtiendrez un bobinage qui aura très facilement 6 à 7mm de trop et dont le pas sera de toute façon à corriger.
J'ai donc préféré bobiner le fil en spires jointives et serrées. Prendre bien soin de bobiner REGULIEREMENT,
de tel sorte que "l'effet ressort" du fil s'exerce tout aussi régulièrement. Bobinez 10 a 15 % de tours en
trop et en tout cas 3 ou 4 tours au moins, ils viendront à point plus tard. Le fait d'étirer le bobinage hors
du mandrin va en diminuer le diamètre de... à peu près ce que l'on désire. Faites ceci à côté du mandrin pour
avoir une bonne idée de ce à quoi il faut arriver. Faites bien attention à la régularité des spires. Ne vous
inquiétez pas des irrégularités en tout début et fin de bobinages. Si on a mis trop de tours, c'est pour cela
(il suffira de les couper à la fin). L'hostilité des choses est vaincue! pour parfaire l'exactitude de
l'hélice, on peut la remettre sur le mandrin, à ce stade le diamètre ne change presque plus. Ne pas hésiter a
refaire toute l'opération de bobinage jusqu'à l'obtention d'une hélice presque parfaite. Sans cela, vous allez la
détruire en la "vissant" sur la règle. Maintenant, vous pouvez couper la partie irrégulière à un bout (laisser
donc l'autre, pour l'instant, elle ne dérange personne).
5)Pour "visser" l'hélice, profitez donc d'un table comme soutien de cette hélice et, la règle à mi-hauteur et
bien horizontale, appuyez uniformément dessus, sans forcer, elle va "descendre" presque toute seule. Tourner le
tout une petite fraction (~1/8) de tour et répéter l'opération jusqu'au bout... Arrêtez vous 7/8eme de tour
après le dernier trou et quand l'hélice est bien en place, vous pouvez couper le fil 1/8eme de tour avant
le premier trou.
En regardant la spirale par son axe, vous verrez très vite les défauts...Sur ma version à 26 tours, il y en a un
à ~8 tours du début, sur la gauche...
Les problèmes mécaniques étant résolus, on peut passer à la suite...
L'impédance...
Un hélice de ce genre présente une impédance de l'ordre de 150 ohms, quel que soit le nombre de tours. Pour l'utilisation
que j'en fais, elle devrait avoir 50 ohms. Il va donc falloir lui adjoindre un transfo d'impédance. Le grand mot que voilà...
Je vous rassure tout de suite, rien de compliqué à fabriquer, mais d'abord le principe: il s'agit d'utiliser un morceau de
ligne de transmission de longueur et d'impédance correcte entre les 2 impédances à adapter. Pour la longueur, il s'agit
d'un quart de longueur d'onde. Pour l'impédance, il s'agit de la racine carrée du produit des 2 impédances à chaque bout de
cette ligne.
Dans la pratique, j'ai utilisé un bout de coax rigide "fabrication locale". Il est un peu plus court (27mm) que
le vrai quart d'onde (30,6mm) à cause du coefficient de vitesse d'un coax isolé à l'air. Son impédance devrait être de
SQRT(150*50)=86,6 ohms. J'ai utilisé un tube de laiton de 5mm intérieur (6 extérieur) avec un fil émaillé de 1,2mm, ce
qui me donne 85,6 ohms. J'y ai fixé au bout, la fiche SMA de connexion. Pour ce faire, j'ai démonté la fiche (en pressant
sur l'isolant par l'intérieur avec une tige de ~3mm), et j'ai foré le bout (qui sert normalement au sertissage du câble) avec
une mèche de 6mm. J'en ai profité pour "rentrer" la mèche de 2mm à l'intérieur de la fiche, cela permet une meilleure
fixation du tube. Le tube est soudé à la fiche, et de l'autre côté (à 1mm du bout, épaisseur du réflecteur oblige) j'y ai
soudé une rondelle de cuivre tirée d'un bout de tuyau de 22mm (fendu et raplati pour l'occasion). Cette rondelle est fixée au
réflecteur par 2 vis. Toutes les vis utilisées sont des vis M2,5 à tête fraisée pour ne pas dépasser du réflecteur.
Sur la photo, le tube et le fil ne sont pas encore coupés à la bonne longueur.
Parlons un peu des performances.
Pour tester la chose de façon correcte, j'en ai réalisé plusieurs versions : la première de 10 tours de fil émaillé de 1,5mm de
diamètre, la seconde de 15 tours du même fil. Toutes les 2 bobinées sur un mandrin de 38mm (diamètre ~41mm). La 3eme de 13 tours
de fil de cuivre nu de 4mm2 (mandrin de 40mm, la version à 26 tours n' existe que pour valider les principes de fabrication
du bobinage (et l'utilisation d'un cornière de 15X15 pour en augmenter la rigidité). Le gain supplémentaire gagné par
l'augmentation de longueur ne se justifie pas dans mon cas, mais rien ne vous empêche d'essayer (chaque fois que vous
doublez la longueur, le gain n'augmente que de 3dB maximum).
Avec la version 15 tours d'un côté et la version 13 tours de l'autre, j'arrive à un niveau de
25 à 26dB supérieur par rapport à l'utilisation de 2 dipôle sans pigtail. Leurs gains cumulés est donc de ~30dBi plus les pertes
dans les pigtails (que j'estime à 2 fois ~2dB). En remplaçant une des deux par la version 10 tours, je perds 2 à 3 dB. Il semble
donc que les versions 13 et 15 tours aient sensiblement le même gain (la version 13 tours fonctionne "un poil" mieux que la version
15 tours). Cela s'explique par les diamètres de l'antenne et du fil qui sont un peu plus gros pour la version 13 tours ce qui
compense les 2 tours en plus de la version 15 tours. Je dirais donc qu'elles ont ~14,5dBi (version 10 tours),
~16,5dBi(version 15 tours) et ~17dBi (version 13 tours).
Je terminerai avec une dernière remarque : j'ai essayé de bobiner une antenne hélicoïdale sur un tuyau PVC de 40mm,
c'est très simple à faire, mais le résultat est lamentable... Il semble que les pertes dans le PVC en contact direct avec
le fil d'antenne soient d'un niveau intolérable.
Un test de portée...
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