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Technique - Couplage et Symétriseur
Couplage et symétriseur


Le symétriseur :

Les coupleurs :

Le couplage des antennes :

Le couplage des antennes V/UHF sans coupleur 

Dans ce dernier chapitre consacré aux lignes de transmission et antennes nous allons passer en revue le fonctionnement des symétriseurs, le couplage de l'émetteur à l'antenne et le couplage des antennes.
 
On en entend souvent parler en décamétrique sous l'appellation exotique de "balloune". Avoir un balloune semble être une impérieuse nécessité. Un balloon en anglais est un ballon ce qui est assez éloigné d'un BALUN , acronyme de BAlanced-UNbalanced ce qui traduit de ce côté ci de l'atlantique signifie "Symétrique-asymétrique".
Pourquoi cette frénésie ? Tout d'abord un phénomène de mode ou de vieux canard se propageant par la tradition orale. Le câble coaxial de nature asymétrique n'est apparu qu'après la seconde guerre mondiale, avant on alimentait son antenne par une ligne bifilaire de nature, elle, totalement symétrique. Le problème qui ne se posait pas avant l'introduction massive de ce type de ligne de transmission est apparu avec la modernité ! Une autre confusion consiste à mélanger transformateur d'impédance et adaptateur symétrique.
Donc nos amis radioamateurs ont découvert qu'alimenter une antenne symétrique comme le dipôle par une ligne asymétrique occasionnait ce que l'on appelle des courants de gaine. Ces courants peuvent déformer le lobe de rayonnement principal de l'antenne mais guère plus, quand à l'argument qui consiste à dire que le câble rayonne, et génère du QRM TV, pensez à sa valeur comparée à celle du rayonnement propre de l'antenne... La sortie antenne de votre émetteur ou transceiver est totalement asymétrique, puisque d'un côté vous êtes relié à la masse de votre châssis et parfois à la terre et que de l'autre vous avez les tensions HF qui se manifestent. On conçoit facilement qu'il faudra passer par un système spécifique pour passer d'asymétrique à symétrique, en essayant au passage, de ne pas y perdre de puissance.
Analogie avec le courant continu :

Sur le schéma ci-dessous, nous trouvons une classique batterie de 12 V chargée par une résistance R dont la valeur n'a aucune importance. Nous voyons que le potentiel de masse est clairement référencé et qu'une branche de la résistance R est à ce potentiel Nous avons effectué une légère modification, à savoir que nous utilisons maintenant 2 batteries de 6V mises en série. Le point commun est relié à la masse. La ddp aux bornes de R est toujours de 12 V mais aucune de ses extrémités n'est réunie à la masse, le montage est symétrique



Nous allons essayer de réaliser la même chose en alternatif de manière à ne plus fixer un potentiel de masse sur une des extrémités de la charge. Ceci sera réalisé par un transformateur de rapport 1/1.

Le principe :

Observez la figure ci-contre, la partie asymétrique charge sur 4 spires, et la partie symétrique par rapport à la masse comporte également 4 spires. Ce Balun est de rapport 1/1.
Pour réaliser ce prodige, nous allons utiliser un auto-transformateur. Il est composé d'un seul enroulement sur lequel on pratique des prises judicieusement disposées.

Cette vue fait apparaître un noyau de matériau magnétique dont le seul but est d'augmenter l'inductance de l'enroulement. Si nous avions disposé les prises de manières différentes, nous aurions aussi, outre la symétrisation, pu obtenir une transformation d'impédance.

Le balun de tension et le balun de courant :

Tout pourrait être pour le mieux dans le meilleur des mondes si cette nuance n'avait pas été introduite. Sans entrer dans de trop vastes explications, voici pourquoi.

Si l'antenne dans laquelle nous comptons insérer notre symétriseur est elle même parfaitement symétrique (c'est rarement le cas), l'utilisation d'un symétriseur en tension comme celui ci-contre sera parfaitement adaptée puisque les courants circulant dans les deux branches de l'antenne seront parfaitement symétriques et nous pourrons nous estimer satisfaits. Les courants seront identiques car le symétriseur fournira deux tensions égales et opposées aux brins de l'antenne.

En revanche si comme c'est probable, notre antenne présente quelques dissymétries, les courants ne seront pas totalement égaux et nous nous retrouverons ramenés au problème précédent comme disent les polytechniciens. La solution consiste à adopter le symétriseur en courant qui forcent les courants à être quasi similaires même en présence de dissymétrie d'antenne. Les points verts indiquent le début de chaque enroulement

Le symétriseur adaptateur d'impédance :

Les radioamateurs sont des gens imaginatifs et ils se sont vite dit qu'il serait agréable, une fois la symétrisation réalisée, de pouvoir aussi effectuer des transformations d'impédance. C'est là qu'intervient notre "balloune" de rapport 1/quelque chose...

Vous aviez noté dans le premier exemple que nous avions des deux cotés (symétrique-asymétrique) le même nombre de spires (4 en l'occurrence) ce qui permettait d'obtenir un rapport de 1 sur 1. Si nous modifions ce rapport, nous obtiendrons un transformateur d'impédance qui réagira comme le carré du rapport de nombre de spires. Lumineux ! Et c'est ainsi que le Balun s'est retrouvé partout y compris là ou il n'est pas nécessaire...
Dans cet exemple la partie symétrique comporte 2 spires et la partie asymétrique 4. Le rapport est de 2 qui une fois élevé au carré nous donne 4. Il s'agit donc d'un symétriseur adaptateur de rapport 1/4. (attention le dessin n'est pas "à l'échelle")

 
Encore un sujet qui déchaîne les passions. Il y a les partisans farouches et les opposants irréductibles. Pourtant les choses ne sont pas si compliquées que cela et un poil de jugeotte et deux doigts de bon sens suffisent pour déterminer si son utilisation et justifiée ou pas.
Le coupleur réalise deux fonctions essentielles :
Pour les autres moins fortunés mais aussi plus orientés vers la technique, il reste la solution de la construction d'un coupleur de bonne qualité qui n'aura pas de perte et permettra l'adaptation et la transformation d'impédance sur une vaste plage. La construction est simple, ne requiert pas de qualité particulière, seulement du fil, des CV et un peu de soin.
Quand utiliser une boîte de couplage ?
Dès le moment où vous jugez que le ROS est trop élevé. 
La boîte de couplage va vous permettre de faire fonctionner votre émetteur à pleine puissance en lui permettant de voir une impédance de 50 ohms. Attention, il va voir une impédance de 50 ohms, ce n'est pas pour autant que l'impédance de l'antenne sera de 50 ohms, nuance! Si le ROS est élevé, il y a fort à parier que le système automatique de réduction de puissance de votre dernier jouet va réduire celle-ci dans de fortes proportions, grâce au coupleur, vous éliminez cet automatisme.
  • L'annulation des réactances
  • La transformation d'impédance
et tout cela tout en un, dans une seule boîte avec 3 boutons. Pour les riches, au propre comme au figuré, qui peuvent se permettre de perdre 10% de la puissance de leur émetteur, les constructeurs proposent des boîtes de couplage incorporées au transceiver. L'appui sur une touche réalise au bout d'un temps "t" une adaptation dans une plage limitée de réactances.

Un exemple pratique :

Le très classique coupleur en configuration en p de type filtre passe-bas. Tous les éléments constitutifs sont réglables et cet engin est capable d'annuler la réactance présentée par l'antenne et d'opérer une transformation d'impédance. Tel qu'il est montré sur ce dessin, ce coupleur est incapable d'alimenter une ligne symétrique.
Comme vous pouvez le constater, c'est quand même peu de chose. A partir du moment où vous insérer quelque chose entre l'émetteur et la ligne ou l'antenne, il y a des pertes et un coupleur n'y échappe pas, toutefois celles-ci ne sont pas rédhibitoires et de toute manière largement inférieures à celles d'un coupleur intégré.
On trouve dans la littérature amateur des tonnes de schémas, en cas de besoin n'hésitez pas à vous y reporter. Il existe pour les coupleurs une multitude de configurations, la meilleure des solutions consiste, comme toujours, à essayer...
Si vous comptez alimenter une Lévy et la faire fonctionner en multibande (ce pourquoi, initialement, elle n'a pas été prévue!), choisissez un coupleur avec sortie symétrique. Evitez les coupleurs qui réalisent cela avec un transfo torique qui va se saturer à votre insu (de votre plein gré comme on dit aux guignols). Il existe de bons montages qui réalisent cela sans cet artifice. Si vous ne trouvez pas de self à roulette, faites des prises commutées et soyez attentif à l'isolement des CV, de très hautes tensions HF se développent dans un coupleur, si vous entendez des bruits suspects, il s'agit d'amorçages, redimensionnez !
Testé pour vous : Dans ma jeunesse, étant un tantinet fébrile sur le DX, j'utilisais un coupleur à selfs interchangeables type F3LG que mon père F6BAH avait construit. Un beau jour, voulant effectuer un changement de bande et les réglages associés ultra-rapides, j'ai, par inadvertance, laissé une main sur la self et l'autre sur le manipulateur... Je m'en souviens encore ! Soyez prudent, un coupleur doit, par sécurité, être fermé.

 
La problématique :

Tous les radioamateurs dès lors qu'ils cherchent à faire du DX essayent d'optimiser le système d'antenne en prenant en compte les critères de transmission de l'énergie, les lobes de rayonnements, l'encombrement, la masse tournante etc.  Par ailleurs nous savons que le gain des antennes est proportionnel à leur longueur. Tout ceci à une limite et les lois de la mécanique nous contraignent rapidement au réalisme car on ne peut augmenter la taille des antennes indéfiniment.
La solution consiste à coupler les antennes.
Théoriquement quand on utilise deux antennes en lieu et place d'une seule le gain est de 3dB. Ceci est éminemment théorique puisque dans la pratique cette valeur n'est jamais atteinte. Le couplage des champs n'est jamais parfait, il faut introduire un coupleur et du câble ou des lignes, tout ceci induit des pertes et une valeur réaliste de 2,5 dB au mieux est fréquemment retenue. On peut penser que mettre en l'air un tel dispositif pour gagner 2,5 dB représente beaucoup d'efforts pour un résultat somme toute mineur.
Les critères de couplage :

  • Couplage dans le plan vertical:
    Ce couplage va réduire le lobe de rayonnement dans le plan vertical et laisser sa largeur intacte au plan horizontal. Mécaniquement c'est plus simple à réaliser.
  • Couplage dans le plan horizontal
    Ce type de couplage va réduire le lobe de rayonnement horizontal, provoquant une directivité accrue du système d'antenne. Le lobe vertical conserve les caractéristiques d'une antenne.
Distance optimum de couplage :

Un radioamateur allemand, DL6WU, qui laissera certainement son nom à notre histoire collective a déterminé la distance optimum de couplage à partir des ouvertures dans les plans horizontal et vertical d'une antenne donnée.

            l
Dopt =     ____________
                   2 sin (
F/2)

l  =  longueur d'onde
F = Ouverture à -3dB dans le plan considéré 
Adaptation de l'impédance :

Si nous couplons des antennes, l'impédance globale du système va être modifiée et nous ne retrouverons plus nos fatidiques 50 W. Il faut donc trouver un dispositif qui permettra de mettre les antennes en parallèle tout en ayant une impédance vue par le câble de 50W. Ce dispositif, vous le connaissez puisque nous allons faire appel au transformateur 1/4 d'onde.

Sa longueur représentera toujours 1/4 d'onde et ses dimensions mécaniques dicteront son impédance propre qui sera la racine de z1xz2 si nous couplons deux antennes. A gauche, très schématiquement, le schéma d'un tel coupleur.
On en trouve de tout fait en V/UHF chez des constructeurs réputés mais c'est également un élément que l'on peut réaliser soi-même facilement. Chacun est juge. Vu les dimensions en décamétrique, ceux-ci seront réalisés avec un autre matériau.

Si c'est possible !
Sans acrobatie, sans coupleur avec seulement un T coaxial et du câble, c'est économique. Voilà le principe :
Nous partons du principe suivant :
  • Nos deux antennes à coupler sont des antennes 50 W
  • Le transceiver possède une impédance de sortie de 50 W
  • Le câble de descente est un câble 50 W
Voici le schéma de câblage. Le seul petit problème, c'est que nous allons relier en parallèle deux antennes de 50W ce qui nous donnera une impédance équivalente de 25W, ce qui ne va pas du tout. Jusque là, le raisonnement est correct. Mais nous sommes des petits malins et nous allons exploiter les propriétés de 1/4 d'onde qui comme nous le savons maintenant se comporte quand sa longueur électrique vaut 1/4 d'onde comme un transformateur d'impédance.
Reprenons notre raisonnement :

Au T de connexion, nous voulons obtenir 50
W , et à cet endroit nous connectons deux charges en //. Si ces deux charges en // doivent faire 50W , il faut que chacune d'elle fasse 100 W (100//100 = 50). Donc au point de raccordement du T, nous devons voir 100 W
A l'autre extrémité, coté antenne, nous avons 50
W.
Il faut donc que notre ligne 1/4 d'onde (ou ses multiples impairs) tranforme cette impédance. Nous savons depuis longtemps que l'impédance caratéristique du 1/4 d'onde doit être égale à :

Zo = impédance caratéristique du 1/4 d'onde
Z1 = impédance de l'antenne
Z2 = impédance au point de raccordement
Calculons :
Il vient Zo = racine (50x100) = 70,7
W.
On considérera que du câble 75W  conviendra parfaitement.
Quelle longueur pour nos bretelles de couplage ?
Nous venons de le voir, les bretelles doivent constituer des 1/4 d'onde à la fréquence considérée ou des multiples impairs de 1/4 d'onde (un multiple pair est une 1/2 onde et ne se comporte pas en transformateur et reporte à la sortie l'impédance présente à l'entrée).
Si nous désirons coupler deux antennes pour une gamme de fréquence comme le 144 MHZ, nous calculerons comme suit :
1 - Détermination de la longueur d'onde à 144,300 MHz l = 300/f     l = 300/144.3 = 2,080m
2 - Détermination du 1/4 d'onde  1/4 d'onde = l / 4     2,080 : 4 = 0,52m
3 - Prise en compte du coefficient de vélocité du câble (nous prendrons 0,66 pour cet exemple) Lphysique = l / 4 x 0,66
Lphysique = 0,52 x 0,66  = 0,343 m
Il ne nous restera plus qu'à calculer (ou à déterminer expérimentalement) la longueur nécessaire au couplage en veillant à utiliser un nombre impair de 1/4 d'onde.
Nous aurons ainsi réalisé l'adaptation de notre transceiver à nos antennes à moindre frais et avec des performances très satisfaisantes.
  • Les longueurs se comptent en incluant la dimension des fiches
  • Utilisez pour le couplage du câble 75 W de bonne qualité (voire très bonne) car tout câble à des pertes, autant ne pas perdre le gain du couplage dans les lignes.

Nous en avons terminé avec ce rapide survol des coupleurs, symétriseurs et couplage d'antennes. Il ne nous reste plus qu'à étudier la propagation des ondes pour être opérationnels.