Réalisation d’une antenne J-POLE

pour la bande UHF 70cm

par Yves, F4IMG

C’est une réalisation durant la période de confinement.

Il fallait que le matériel nécessaire soit disponible dans mes réserves.

Il se trouve que je disposais de tubes d’aluminium depuis une activité antérieure, en particulier de tubes de diamètre extérieur 6, 8 ou 10 millimètres.

C’est l’antenne J-Pole que j’ai préférée pour deux raisons : premièrement, parce que j’avais le matériel nécessaire disponible, et deuxièmement, parce que son encombrement latéral est très faible, et disposée au bout d’une perche, il est facile de la planter dans un coin de jardin, ou de la faire passer par une ouverture d’un grenier (à condition qu’il fasse beau HI!) .

Les informations contenues sur divers sites Internet sont nombreuses et sensiblement différentes d’un site à l’autre. D’ailleurs il apparaît qu’il y diverses manières d’optimiser ce type d’antenne.

Il apparaît assez souvent une affirmation disant que la distance entre axes des 2 brins verticaux peut être fixée à une valeur préalablement établie et la minimisation du ROS obtenue préférentiellement par l’ajustage de la hauteur des connexions du câble coaxial d’alimentation. La longueur des brins verticaux ajuste préférentiellement la fréquence d’optimisation de l’antenne.

Après un essai de réalisation d’un antenne J-Pole sur la bande VHF (2 mètres ) qui ne m’a pas complètement satisfait, ( le ROS minimum obtenu était de 1.7), j’ai décidé de refaire une antenne en commençant par une antenne UHF, bande des 70 cm, parce que plus petite et donc plus facile à manipuler.

Critère de réalisation :

J’ai décidé aussi de rendre l’écartement entre brins ajustables en plus de la hauteur de la connexion de l’alimentation sur les brins verticaux, et de la longueur de ces brins.

Puisque la description de l’antenne J-Pole consiste en un brin de longueur voisine du quart d’onde et d’un second 3 fois plus long, on peut imaginer que le brin quart d’onde en regard du brin plus long forme une ligne quart d’onde fermée par un court-circuit dans sa partie basse et chargée à son extrémité haute par le reste du brin plus long .Il se représente comme un élément demi-onde alimenté à son extrémité.

Pour obtenir un ROS idéal, égal à 1, il faut que le câble coaxial soit connecté à un niveau où il voit une impédance dont le terme résistif est égal à son impédance caractéristique, et le terme réactif de valeur nulle. A ceci s’ajoute la longueur des brins qui déterminent la fréquence d’utilisation, le plus grand ayant une longueur 3 fois plus grande que le plus petit.

D’après cette description 3 conditions sont imposées, il faut alors au minimum 3 variables d’ajustement pour obtenir une solution.

Ces 3 variables d’ajustement peuvent être l’écartement des brins qui font varier l’impédance caractéristique de la ligne quart d’onde, la hauteur de la connexion du câble coaxial qui voit une impédance d’autant plus faible qu’elle est proche de la partie basse en court-circuit, et la longueur totale des brins de l’antenne, principalement déterminante pour sa fréquence de résonance.

La seule condition retenue pour optimiser l’antenne est d’avoir le minimum d’onde stationnaire, ce qui traduit l’absence de surtension sur le câble et au niveau du PA de l’émetteur, et le meilleur transfert de puissance vers l’antenne.

L’antenne J-Pole rayonne dans le plan horizontal avec une directivité peu marquée, aucun critère n’a été retenu pour une légère optimisation éventuelle de la directivité.

Informations utilisées :

Les sites qui m’ont servis de base de réflexion :

http://www.radioamateurs.news.sciencesfrance.fr/?p=82460 qui propose les indications suivantes

et https://www.changpuak.ch/electronics/J-Pole_Antenna-Designer.php dont les indications sont :

Ces indications sont assez voisines mais pas identiques.

On remarque que le calculateur du second site ne permet que d’entrer un paramètre (c’est la fréquence) et impose alors un diamètre des brins d’antenne égal 6.7 mm. Valeur peu pratique mais pas si éloignée des tubes de 6mm qui peuvent être utilisés. Le premier site propose d’utiliser des tubes de 8 à 10 mm de diamètre, mais je préfère ceux de 6 mm pour réaliser une antenne plus légère.

En examinant l’écartement entre brins le calculateur du second site propose une distance intérieure entre brin de 16,7 mm soit une distance d’axe en axe de 23.4 mm. Le rapport de la valeur d’axe en axe sur le diamètre est : 3.49, rapport déterminant pour l’impédance caractéristique.

Le premier site propose une dimension latérale « hors-tout » de 40 mm soit une distance d’axe en axe de 30 mm pour un tube de 10 mm, et le rapport d’axe en axe sur le diamètre est : 3 .

Si le diamètre du tube est de 8mm, la distance d’axe en axe devient 32 mm et le rapport d’axe en axe sur le diamètre est : 4.

Choix des mesures d’antennes pour une simulation avec MMANA-Gal :

Compte tenu des diamètres des tubes d’aluminium disponibles le diamètre extérieur choisi est celui de 6 mm. Le diamètre intérieur est voisin de 4 mm.

J’ai agrandi le diamètre intérieur des tubes à leurs extrémités à 4.5 mm à la perceuse puis taraudé à M5. Ainsi les brins de l’antenne sont fixés à la cornière aluminium à la base par des vis de 5 mm, facilement disponibles dans le commerce. Le taraudage de l’extrémité haute permet aussi d’utiliser un peu de tige filetée de 5 mm qui, en la vissant plus ou moins, fait l’ajustage final des longueurs de brins. (Voir les photographies après le texte).

Donc, dans la simulation MMANA-Gal, le rayon des brins de l’antenne est de 3 mm.

La cornière de base est remplacée dans la simulation par un tube de rayon 6 mm, pour simplifier.

L’écartement entre tube, d’axe en axe, est un compromis des valeurs précédentes : 3.5 x diamètre = 21 mm.

La hauteur de la connexion d’alimentation par rapport à l’axe de base est différente suivant les sites, de l’ordre de 25 mm dans le premier cité, de l’ordre de 14 mm dans le second. Cette dernière est retenue pour débuter la simulation car le diamètre des tubes utilisés est proche de celui préconisé par le second site.

La hauteur des brins pour débuter la simulation est de 166 mm pour le petit et 500 mm pour le grand.

La fréquence de travail choisie est 432 MHz, voisine de la fréquence d’entrée du relais UHF du Calvados.

Le premier résultat est encourageant : SWR 1.89, on cherche à l’améliorer.

Au lieu d’utiliser l’outil d’optimisation de MMANA-Gal, j’ai préféré utiliser une méthode utilisable sur l’antenne matérielle et qui s’est avérée convergente vers un bon résultat.

Voici la méthode :

1) Faire varier uniquement l’écartement des brins jusqu’à trouver un minimum de SWR, à la fréquence désirée.

2) Ensuite faire varier uniquement la hauteur de la connexion d’alimentation pour trouver un nouveau minimum de SWR à la fréquence désirée.

3) Faire varier uniquement la longueur des 2 brins, en respectant le rapport de 1 à 3, pour trouver un nouveau minimum de SWR à la fréquence désirée.

4) Si la valeur du dernier minimum de SWR n’est pas satisfaisant, on recommence le cycle depuis la ligne 1) jusqu’à 3) jusqu’à satisfaction.

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Un truc intéressant dans MMANA-Gal:

Dans l’onglet « Geometry », utiliser le raccourci Ctrl+R, il apparaît un fenêtre de recherche et de remplacement. Si on entre dans le cadre de recherche une valeur d’abscisse d’un brin de l’antenne, et dans le cadre de remplacement une nouvelle abscisse, et qu’on sélectionne « only X, on modifie d’un seul coup l’abscisse des brins concernés, donc l’écartement entre brins, en étant sûr de ne rompre aucune connexion.

La même opération peut s’utiliser pour modifier la hauteur de la connexion d’alimentation en sélectionnant cette fois « only Z ».

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Après quelques cycles le SWR est arrivé à 1.17 et l’impédance proche de 50 ohms, impédance caractéristique du câble coaxial. La description de l’antenne n’étant pas parfaite, il n’a pas été jugé utile de poursuivre la simulation, mais de passer à l’ajustage de l’antenne matérielle.

Les valeurs trouvées sont :

- Ecartement d’axe en axe : 20 mm

- Hauteur de la connexion d’alimentation  au-dessus de l’axe de base : 19 mm

- Hauteur du petit brin : 169 mm, du grand brin : 507 mm.

En partant des cotes proposées par la simulation MMANA-Gal, on pratique la même démarche que la simulation : ajustage de l’écartement, puis ajustage de la hauteur de la connexion, et ajustage de la hauteur des brins de l’antenne.

L’outil de contrôle est un NanoVNA pour mesurer S11 et le SWR au connecteur de l’antenne.

Un seul cycle de réglage a suffit pour obtenir un SWR inférieur à 1.06 à 432 MHz, valeur qui a été jugée satisfaisante.

Fichier VNA (format .maa) ICI

En mesurant le dimensions on obtient :

- Ecartement d’axe en axe : 22 mm

- Hauteur de la connexion d’alimentation  au-dessus de l’axe de base : 23 mm

- Hauteur du petit brin : 168 mm, du grand brin : 505 mm.

Grandeurs plutôt proches des mesures initiales, si ce n’est la hauteur de connexion qui, du point du vue pratique, est mesurée par rapport au plat de la cornière de base en aluminium.

Et maintenant la description de l’antenne, de l’aspect mécanique des possibilités de réglages, et les résultats en images :

Merci aux OM de l’ARAC 14 qui m’ont prodigué leurs conseils sur l’air au cours des QSO du confinement, et spécialement Patrick F8DYD pour le partage de documents, et Philippe F6FZU pour ses articles sur le site de F6KCZ et les indications pour consulter d’autres sites.

73 - Yves F4IMG.