Oui... Mais un émetteur mobile est... MOBILE, et mettre une yagi sur un rotor et tenter d’asservir l’ensemble est la première idée qui vient à l’esprit. C’est une idée... Mais les coaxiaux souffrent... La rotation est lente... Le système est lourd...
Une autre solution plus séduisante se trouve dans ce que l’on appelle (souvent au travers de ses applications radar) L’ANTENNE ELECTRONIQUE A BALAYAGE (AEB).
1 - L’AEB : un réseau d’antennes
A la base, L’AEB n’est rien d’autre qu’une transposition
un peu plus haut en fréquence des “phased antennas networks” utilisés
en HF. Le principe est assez simple : coupler au travers de déphaseurs
variables des antennes ayant un lobe de rayonnement large. La recombinaison
des ondes reçues ainsi traitées permet d’obtenir une antenne “virtuelle” au
lobe de rayonnement contrôlable. Il nous suffit alors de modifier les
déphasages pour orienter le lobe.
2 - L’art de la “re”-composition
A ce stade, un grand dessin vaut mieux qu’un discours trop court (fig
1):
Ce dessin permet de comprendre intuitivement le fonctionnement d’un réseau
d’antennes sans déphasage.
En partant de deux dipôle ayant un diagramme de rayonnement omnidirectionnel
(fig2), l’on obtient un diagramme comportant 2 lobes symétriques
(zone bleue de fig1 dans laquelle est l’utilisateur 1, ou configuration
A de la fig3).
Pour un réseau de deux dipôles, si l’on fait varier la distance les séparant, ET le déphasage entre les deux, on a (fig3):
3 - La réalisation
Pour nos essais, nous allons réaliser un réseau de 4 dipôles
?/4 en carré sur un plan de masse. Ces dipôles sont individuellement équivalents à un
doublets de Hertz au point de vue électrique (diagramme de la fig 2).
Les côtés du carré mesurent ?/4. La structure physique
est représentée en figure 5.
Il faut noter ici que l’antenne ainsi décrite va avoir deux
modes de fonctionnement. Le premier est pour un lobe principal dont l’axe
est orthogonal aux côtés du carré (0°, 90°,
180°,
et 270°). Ainsi, ce n’est ni plus ni moins que deux fois la configuration
B de la figure 3. Dans ce cas, on obtient le diagramme de rayonnement montré en
figure 4.
L’autre façon de faire fonctionner l’antenne est de rendre
l’axe du lobe principal colinéaire à une diagonale (45°,
135°, 225° et 315°). Dans cette configuration (fig8), on note un
rapport avant arrière bien meilleur (30dB), un gain un peu meilleur
(11dBi), et surtout, un lobe bien plus étroit (95° à -3dB
au lieu de 117°).
3.1 - Synoptique
L’orientation du lobe de rayonnement principal est fonction des déphasages
que l’on va appliquer aux signaux issus de chaque dipôle.
On peut donc déduire un tableau qui nous donne les déphasages à appliquer
selon l’angle que l’on veut obtenir pour l’axe du lobe
principal.
3 valeurs vont nous être suffisantes pour pouvoir réaliser notre
antenne.
3.2 - Déphaseurs
Deux solutions ont été explorées. Nous avons tout d’abord
voulu réaliser un système de déphaseur continu à l’aide
d’un coupleur hybride et de varicaps (voir APN1009 d’Alpha Industries).
Cependant, nous n’avons pas réussi à maîtriser la
réalisation du coupleur de manière satisfaisante, et les pertes
ont été jugées trop importantes.
La solution ayant trouvé notre préférence est la commutation
de lignes à diodes PIN (voir le PIN diode circuit designers’ handbook
de Microsemi).
Comme vous l’avez compris, notre déphaseur comporte 3 lignes.
La première (le 0°) nous donne un déphasage entre son entrée
et sa sortie. La seconde nous donne le déphasage de la première
+ 90° et la troisième +180°. Les longueurs des lignes ont été calculées
avec Appcad (à télécharger sur le site d’Agilent).
Le substrat utilisé est du FR4 standard double face de 0,8.
La figure 7 nous montre le dessin du déphaseur (non non, ce n’est
pas un gag... mais où est la moustache ?).
Les diodes sont polarisées deux par deux, et les premiers essais peuvent être
réalisés avec de simples interrupteurs à la place d’un
système à microcontrôleur.
Un problème connu de ce type de circuit est un phénomène
de résonnance sur les lignes. Les désadaptations que présentent
les diodes provoquent une onde réfléchie se propageant et “rebondissant” de
diode en diode. Toutefois, avec les diodes (BAR63-02W, en provenance directe
de chez Franco Rota) et les longueurs de lignes choisies, nous n’avons
pas rencontré le problème...
3.3 - Le circuit de l’antenne
Des dipôles quart d’onde comme ceux que nous avons utilisés
présentent une impédance de 75Ohm. Nous avons donc décidé d’utiliser
comme support un morceau de CI comme support. D’un coté, les circuits
d’adaptation, et de l’autre, un plan de masse servant aussi bien
aux lignes microstrips qu’aux dipôles eux-mêmes.
L’adaptation entre l’électronique 50Ohm et les dipôles
75Ohm est tout simplement réalisée avec un transformateur quart
d’onde d’impédance caractéristique 61,24Ohm.
Il faut admettre que tailler les dipôles n’est pas facile. Ayant
la chance de disposer d’un analyseur de réseaux vectoriel, j’ai
soudé des brins de cuivre volontairement trop longs. Je les ai ensuite
retaillés à la pince coupante pour obtenir une impédance
la plus proche possible de 50+j0.
3.4 - Mesure de puissance
Pour pouvoir asservir le système sur un mobile, il nous est nécessaire
de mesurer la puissance reçue. Pour cela, nous avons utilisé un
AD8313 d’AnalogDevice monté en “power meter”.
L’avantage le plus important de ce composant est sa dynamique de 70dB à 1,2GHz.
Ceci nous donne donc la possibilité de travailler aussi bien avec des
signaux forts que relativement faibles. Non seulement c’est essentiel
dans une chaîne réception, mais cela ouvre des perspectives sur
l’asservissement en gain d’un éventuel préampli.
Le fait de pouvoir convertir directement la tension mesurée en dBm par
un simple facteur facilite aussi grandement les choses.
4 - Essais et perspectives
A ce jour, nous n'avons pas éffetué de mesure de directivité.
Tout au plus nous avons constaté une variation cohérente su niveau reçu en
fonction des discrets logiques appliqués aux déphaseurs.
Le gain doit être un peu inférieur aux valeurs simulées
avec EZNEC, à cause des pertes dans les déphaseurs et le coupleur
4 vers 1. Cependant, les relations de phase étant bien contrôlées
avec ce type de déphaseurs, les lobes obtenus doivent être assez
fidèles.
Cet article est plus un exposé qualitatif qu’autre chose sur l’utilisation
d’AEB par les amateurs en UHF. En effet, un grand nombre d’améliorations
peuvent être apportées. La première est de réduire
le nombre de petits CI (9 au total: 4 déphaseurs, 1 coupleur, 1 antenne,
1 microcontrôleur, 1 convertisseur analogique numérique, et 1
AD8313). Regrouper l’ensemble paraît essentiel pour limiter les
pertes. D’autre part, les déphaseurs et le coupleur devraient être
réalisés en 75Ohm. On gagne ainsi 3 transformateurs quart d’onde,
car une seule adaptation d’impédance est alors nécessaire
après le coupleur.
Les domaines dans lesquels nous pouvons tirer parti d’un tel système
sont variés. Certes les performances ne sont pas exceptionnelles (pas
plus d’une dizaine de db pour 4 éléments), mais j’avoue
que des essais au niveau d’un relais m’intéresseraient assez.
Une idée me trottant dans la tête depuis pas mal de temps est
un “mini” réseau numérique à débit
adaptatif (pas plus de quelques clients). Ce montage pourrait bien constituer
l’antenne du noeud central de mon réseau.
Tout cela pour dire qu’il y a de tout pour tout le monde, et que seules
les idées manquent ! Alors, créez, proposez, débattez
(de technique), et que vive la radio
!