Les fondamentaux de l'antenne

Les techniques de conception et de construction des avions de petite taille ont connu un changement remarquable au cours des 10 dernières années. De même, de nouveaux équipements avioniques améliorés sont sur le marché, couvrant des services nouveaux et améliorés pour l’aviation. La miniaturisation des équipements électroniques permet l’installation d’unités plus complexes dans les avions légers, ou une variété d’antennes est nécessaire en raison des différentes fréquences radio utilisées.

La fréquence est inversement proportionnelle à la longueur d’onde de l’onde radio. Plus la fréquence est élevée, plus la longueur d’onde est courte. Un conducteur métallique dont la longueur est égale au quart de la longueur d’onde concernée est l’élément de base utilisé dans les antennes. Le tableau 1 montre la relation entre les paramètres des services aéronautiques. L’équation longueur (pouces) = 2952/fréquence (MHz) définit la relation du quart de longueur d’onde.

En raison de la réciprocité, une antenne fonctionne de la même façon en émission ou en réception. Le diagramme, l’impédance et le rendement sont les mêmes. Les ondes radio sont polarisées selon la structure qui rayonne l’énergie. Une antenne verticale transmet une onde polarisée verticalement, et une antenne verticale est utilisée pour recevoir l’onde radioélectrique. Les mots clés sont ouverture et polarisation. Puisque l’espace est une limitation dans les petits avions, des antennes d’un quart de longueur d’onde ou plus courtes sont utilisées lorsque cela s’applique.

Le conducteur d’un quart de longueur d’onde est généralement monté perpendiculairement sur un plan de masse, au moyen d’un isolant à une extrémité. Un câble coaxial sert à établir une connexion électrique avec l’antenne. Le blindage extérieur est connecté au plan de masse et le conducteur central est connecté à l’extrémité de l’antenne au niveau de l’isolant. Cela est appelé une alimentation asymétrique. Notez dans le tableau 1 qu’il n’est pas pratique d’utiliser un élément vertical d’un quart de longueur d’onde pour les fréquences Loran C ou LF/ADF. Nous y reviendrons plus tard.

RÉCEPTION DES ONDES POLARISÉES

Pour la réception des ondes polarisées horizontalement, comme celles du VOR, des balises marker et du glide slope, des antennes dipôles sont utilisées. Une antenne dipôle est un conducteur d’une demi-longueur d’onde, coupé en son milieu, avec la connexion électrique faite au centre. Cette antenne est une antenne équilibrée et ne peut pas être connectée directement à un câble coaxial à conducteur unique. Un transformateur d’adaptation ou un balun est utilisé. Deux conceptions pratiques de balun pour câble coaxial à conducteur unique seront abordées plus tard.

Le diagramme de rayonnement d’une antenne verticale d’un quart de longueur d’onde est différent du diagramme obtenu avec une antenne dipôle horizontale. Puisque nous nous intéressons aux antennes montées sur un avion, une distinction doit être faite. Nous souhaitons recevoir les communications et les signaux de navigation en provenance de toutes les directions. Cela s’appelle un diagramme omnidirectionnel. Dans le cas du guidage vers un point, comme avec le glide slope, nous nous intéressons à la directivité vers l’avant.

Les antennes verticales sont par nature omnidirectionnelles. La figure 1a montre la nature circulaire du diagramme de rayonnement d’une antenne verticale d’un quart de longueur d’onde, fonctionnant au-dessus d’un plan de masse, vue de dessus. La figure 1b montre une vue de côté de la configuration. Notez que si le plan de masse est infini, la courbe extérieure s’applique. L’énergie maximale est presque maximale dans une direction horizontale. À mesure que nous réduisons le diamètre du plan de masse, le diagramme est modifié comme le montre la courbe intérieure.

La directivité est alors davantage orientée vers le haut. Pour cette raison, une antenne verticale montée sur la moitié inférieure de l’avion serait un emplacement plus efficace pour les communications avec une station au sol. Remarquez à quel point l’antenne est inefficace dans la direction verticale. Puisque nous essayons de capter l’énergie au moyen de l’ouverture du conducteur, il semble logique qu’une antenne verticale pointée vers la source soit une méthode de réception très inefficace.

Certaines antennes verticales sont inclinées vers l’arrière pour leur profilage aérodynamique et leur apparence. Cela modifie la partie avant du diagramme vers un angle de rayonnement plus élevé. Cependant, cette petite perte est acceptable. Toute obstruction, comme le train d’atterrissage, d’autres antennes, les dérives et les hélices métalliques, déforme le diagramme. Il est recommandé de maintenir les antennes à une distance d’au moins un quart de longueur d’onde des conducteurs métalliques. Cela inclut également les câbles de commande, le câblage électrique, les haubans de traînée et anti-traînée et les haubans profilés. La forme de l’avion modifie fortement le diagramme de rayonnement d’une antenne.

Le diagramme de rayonnement d’une antenne dipôle horizontale est montré à la figure 2. La directivité maximale vers un signal reçu se trouve perpendiculairement à l’antenne. Le diagramme a la forme d’un tore ou d’un beignet et a donc un bon diagramme dirigé vers le bas. Comme précédemment, on s’attend à recevoir très peu de signal aux extrémités de l’antenne. En utilisant ce type d’antenne pour la réception VOR, on doit s’attendre à une bonne réception vers l’avant et vers l’arrière, et à une réception marginale sur les côtés. Ce type d’antenne est excellent pour la réception du glide slope, car l’interférence des lobes latéraux est réduite au minimum tandis que la directivité vers l’avant est maximale.

Ce type d’antenne est également utilisé pour la réception des balises marker, où le gain vers le bas est important. Le signal de la balise marker est transmis vers le haut et n’est pas destiné à servir de signal de guidage vers un point. Le signal est suffisamment fort pour que l’effet de l’extrémité nulle de l’antenne de réception ne soit pas aussi apparent. Aujourd’hui, la plupart des antennes de réception des balises marker sont miniaturisées et ne sont pas du type dipôle d’une demi-longueur d’onde.

Les antennes VOR ont généralement une forme en V, c’est-à-dire deux éléments d’un quart de longueur d’onde séparés d’environ 90 degrés, comme le montre la figure 3. Le gain n’est pas aussi élevé en raison de la réduction de l’ouverture, mais le diagramme est presque omnidirectionnel. La force relative du signal varie au maximum de 85 % entre le minimum et le maximum. Là encore, l’avion modifie le diagramme de rayonnement. Comme précédemment, il est important de tenir les conducteurs à l’écart des éléments. C’est la raison principale pour laquelle les antennes VOR sont montées haut sur la dérive verticale d’un avion métallique, le V orienté vers l’avant.

La réduction de la formation de glace et la diminution des décharges électrostatiques depuis les extrémités des éléments sont des avantages de ce montage. Ce type d’antenne ne doit pas être monté près du fuselage ou de l’aile d’un avion métallique, car la surface conductrice de l’avion modifie le gain et le diagramme de l’antenne. Les antennes commerciales en V ont généralement un mât de fixation intégré et leur conception a été optimisée. Une conception en U ou en cornes de bélier est également utilisée ; elle reproduit approximativement le diagramme de la conception en V.

Les antennes de transpondeur et de DME fonctionnent toutes deux autour de 1 000 MHz, comme le montre le tableau 1. Le transpondeur fonctionne à 1 030 et 1 090 MHz, tandis que le DME fonctionne sur une bande de fréquences. Leurs dimensions physiques sont essentiellement les mêmes, mais les formes des éléments sont très différentes.

Les longueurs pratiques d’un quart d’onde des antennes de transpondeur et de DME sont généralement de 2,25" au-dessus de l’isolant en téflon. L’antenne de transpondeur est un petit conducteur de 1/8" de diamètre, avec une petite boule à l’extrémité pour minimiser les décharges électrostatiques. En revanche, les antennes de DME ont généralement un diamètre de 1/2" et pas de boule au sommet. Le diamètre plus grand est un moyen d’augmenter la largeur de bande d’une antenne, au prix d’une petite perte de gain.

L’antenne de transpondeur aurait une résonance plus précise à un quart d’onde et serait un peu mieux adaptée à l’émetteur du transpondeur. Des antennes en lame sont utilisées pour les deux services afin de réduire la traînée aérodynamique.

Les antennes de transpondeur sont montées vers l’avant, sous le fuselage métallique, avec une ligne de visée dégagée. Il est recommandé d’avoir un plan de masse d’au moins 4 longueurs d’onde de diamètre. Ce n’est pas si mauvais, puisque nous parlons seulement d’un diamètre de 36". Une autre remarque importante : gardez l’isolant propre. À la fréquence de 1 000 MHz, la contamination affectera considérablement la force du signal. Une antenne de transpondeur montée sur le dessus n’est pas un bon choix, car le diagramme de rayonnement est orienté vers le haut et, plus vous vous rapprochez d’une ARSA ou d’une TCA, plus l’avion masquera le fonctionnement de l’antenne.

Les antennes Loran C et LF/ADF entrent dans une catégorie similaire. Les ondes radio des deux systèmes sont longues, les quarts de longueur d’onde mesurant des centaines de pieds, et la réception ne dépend pas de la ligne de visée, contrairement aux fréquences radio VHF et supérieures. Les deux services sont polarisés verticalement, mais, en raison de la conduction au sol et de la modification par les ondes du ciel, principalement due à l’ionosphère, presque n’importe quel conducteur fonctionnera pour la réception. Plus l’antenne est longue, mieux c’est, telle est la règle. Plus facile à dire qu’à faire sur les avions.

Les antennes à fil traînant ont depuis longtemps passé de mode en raison de la conception moderne des circuits électroniques. Puisque le Loran C fonctionne sur une seule fréquence de 100 kHz, des préamplificateurs à gain élevé peuvent être utilisés au niveau de l’antenne. La plupart des systèmes Loran C sont de ce type. Des coupleurs sont utilisés, qui font appel aux antennes VHF verticales pour recevoir le signal Loran C, tout en bloquant efficacement l’énergie VHF transmise lorsque l’équipement est utilisé en communication. Cela réduit le nombre d’antennes nécessaires.

Les antennes des systèmes LF/ADF sont de conception à boucle autonome adaptée au récepteur. Un long fil sur l’avion peut être nécessaire pour le signal de référence, selon le fabricant.

Les avions construits avec des matériaux composites, tels que la mousse plastique, la fibre de verre époxy, la fibre de carbone et le bois, doivent utiliser des techniques de montage spéciales pour les antennes.

Dans le cas des antennes d’un quart d’onde et de leurs plans de masse associés, le plan de masse doit être intégré à la structure. Le plan de masse devrait avoir un diamètre minimum de 40" pour les fréquences VHF. Deux bandes de feuille de cuivre, de 1/2" à 1" de large, croisées à 90 degrés en forme de X et collées à la gaine du câble coaxial au centre, constitueraient un remplacement pratique. Deux fils de cuivre de 1/16" de diamètre (calibre 16), disposés selon un motif similaire, pourraient être utilisés. Il peut ne pas être pratique d’installer les conducteurs dans un plan plat, mais c’est l’idéal.

Pour une antenne de transpondeur, un disque plein est préférable. Un disque d’aluminium de 10" de diamètre et de 0,025" d’épaisseur serait le minimum à utiliser. L’élément de l’antenne de transpondeur doit pointer vers le bas.

En pratique, le câble radiofréquence utilisé pour transporter les signaux vers et depuis les antennes est déterminé par les connecteurs de l’équipement et le cheminement du câble. Un câble coaxial d’impédance de 50 ohms est utilisé. Deux versions courantes de ce câble sont le RG8/U et le RG58/AU. Une impédance de 50 ohms est un terme électrique qui met en relation la taille du fil intérieur central avec le diamètre intérieur du conducteur extérieur, et qui est basée sur le milieu diélectrique séparant les conducteurs intérieur et extérieur.

Le RG8/U a environ 0,4" de diamètre extérieur, et le RG58/AU a environ 0,2" de diamètre extérieur. Le RG8/U est beaucoup plus rigide et ne se plie pas facilement. Le RG58/AU est assez flexible, mais il présente davantage de pertes. La longueur de câble du côté communication de l’émetteur-récepteur est généralement courte, donc, électriquement, cela ne pose pas de problème. Ces câbles ont un conducteur central toronné, ce qui est préférable. N’utilisez pas de RG58/U, remarquez que le « A » est absent, car il a un conducteur central plein et est difficile à utiliser. Il faut veiller avec le plus grand soin à ne pas rayer ni entailler le conducteur central lors du montage des connecteurs.

Le fil, même avec la plus petite rayure, finira par se rompre sous les vibrations et provoquera une connexion intermittente. Ces ruptures sont difficiles à trouver, alors ne pensez pas à intégrer ce problème inhérent. Les RG58/AU et RG58/CU ont tous deux des conducteurs centraux toronnés et sont acceptables. La différence entre l’AU et le CU tient à la gaine du câble.

Le CU n’est pas contaminant et est légèrement plus cher. Une version du RG58/AU encore plus préférable est le RG58/AU Foam. Il est nettement préférable pour l’installation vers l’antenne du transpondeur. Alors qu’à 100 MHz, le RG58/AU standard et le RG58/AU Foam ont à peu près les mêmes pertes, 4,9 dB contre 4,5 dB/100', à 1 000 MHz, les pertes sont de 21,5 contre 14,5 dB/100'. En se rappelant que 3 dB correspondent à la moitié de la puissance, cette différence est importante. Le RG58/AU Foam est le numéro de pièce Belden 8219.

De nombreux types de connecteurs sont utilisés avec les câbles coaxiaux. Deux des plus courants sont ceux de la série UHF83 et le type BNC. Les connecteurs UHF sont un peu plus grands et plus faciles à installer sur le câble coaxial. Généralement, le type UHF est utilisé avec le RG8/U et le BNC avec le RG58/AU. La référence Amphenol 83-1SP est utilisée avec le RG8/U. Un adaptateur 83-185 peut être utilisé avec ce connecteur lorsque l’on souhaite utiliser du RG58/AU.

La référence Amphenol 31-301 est un connecteur de type BNC utilisé avec le RG58/AU. Ce connecteur est d’un type amélioré à contact captif et est nettement préférable au modèle 31-002. Généralement, l’un de ces deux connecteurs est utilisé du côté communication de l’émetteur-récepteur. Sur certains équipements, le récepteur Nav a une prise pour un connecteur coaxial Motorola 13B. C’est le type courant utilisé dans les systèmes d’antennes automobiles. Avec ce type, les connexions d’antenne ne sont pas interchangeables sur les récepteurs des équipements Nav/Com qui nécessitent des antennes distinctes. Ce connecteur n’est plus beaucoup utilisé.

L’antenne VOR est composée de deux tiges d’un quart de longueur d’onde, isolées séparément et montées horizontalement en configuration en V. L’angle entre les tiges est de 90 degrés pour obtenir un diagramme omnidirectionnel. La longueur des tiges pour 113 MHz est de 26". Cette antenne est considérée comme une conception équilibrée, puisque les deux éléments sont isolés de la masse.

Afin de connecter une antenne dipôle équilibrée à une ligne coaxiale asymétrique, un balun est généralement utilisé. Le balun constitué d’un câble coaxial d’une demi-longueur d’onde entre les deux éléments de la figure 4a a une longueur égale à 5904/MHz multiplié par la vitesse de propagation de l’onde électrique dans le câble coaxial. Une valeur de 65 % pour la vitesse de propagation est utilisée pour le RG58/AU. Par conséquent, pour une fréquence de milieu de gamme de 113 MHz, la longueur serait de 34". Le raccordement est montré à la figure 4a.

Un balun à stub d’adaptation d’un quart d’onde est montré à la figure 4b. La longueur de la courte section est de 18". Laissez environ 1/4 à 1/2" d’isolant central en polyéthylène, avec le conducteur central à l’intérieur, dépasser de la zone soudée afin d’assurer l’absence de court-circuit. On peut aussi utiliser un morceau séparé de gaine thermorétractable ou de ruban isolant.

Il faut faire attention en soudant l’extrémité inférieure au câble coaxial afin de ne pas endommager l’isolant intérieur du câble coaxial. Ne connectez pas les blindages supérieurs entre eux. Aucune connexion n’est faite au conducteur intérieur du stub de court-circuit en bas. Cette seconde méthode n’est pas aussi efficace au-dessus de 50 MHz, mais elle est parfois préférée en raison de la facilité de construction, de la durabilité et de l’amélioration qu’elle apporte à la réduction du bruit dû aux décharges électrostatiques, puisque les deux éléments sont effectivement au potentiel de la masse.

La tendance actuelle dans les avions en matériaux composites semble être de dissimuler les antennes partout où cela est possible. Les antennes Nav pour la réception des ondes horizontales peuvent être placées dans les ailes. Pour une réception omnidirectionnelle, le modèle en V devrait être utilisé. Un montage à l’extérieur dans l’aile écarte le moteur du diagramme avant et arrière le long de l’axe central. Il faut veiller à ne pas placer de conducteur en travers de l’extrémité ouverte du V. Le V peut pointer vers l’avant ou vers l’arrière, selon la conception et la construction de l’aile.

L’antenne VHF et son plan de masse associé posent un défi de dissimulation. La hauteur de l’élément vertical peut être accommodée en le pliant après les premiers 6 à 8". Un emplacement logique se trouve à l’arrière du compartiment à bagages. L’élément vertical peut être situé dans la dérive verticale, les éléments du plan de masse étant intégrés aux stabilisateurs.

Un choix difficile de conception et de construction. Il semble qu’un élément vertical ou incliné vers l’arrière sur la face inférieure de l’avion, même s’il n’est pas dissimulé, soit le meilleur choix du point de vue de la construction et des performances. Le plan de masse pourrait alors facilement se trouver dans l’aile ou dans la zone d’emplanture de l’aile. L’antenne n’a pas besoin d’être sur l’axe central.

Une considération qui semble avoir été ignorée est que, lorsque des éléments en feuille ou incorporés sont utilisés dans des structures en époxy-verre ou en mousse, la longueur des éléments doit être modifiée. La longueur de l’élément d’un quart d’onde est déterminée dans l’espace libre en fonction de la vitesse de la lumière. Les ondes électromagnétiques se déplacent plus lentement dans les diélectriques. Notez l’effet du facteur de vitesse de propagation dans le câble coaxial.

Pour le polyéthylène cellulaire, la vitesse de propagation est de 78 %, c’est-à-dire que les éléments d’une antenne enfermée dans ce milieu de mousse seraient raccourcis de 78 %. On peut s’attendre à ce qu’une considération similaire soit prise en compte pour les mousses utilisées dans les structures composites. Le même raisonnement s’applique à la fixation de feuilles directement sur des surfaces en époxy-verre. Aucun chiffre direct n’est disponible, mais c’est un facteur.

L’emplacement des antennes dans les petits avions constitue un véritable défi pour le concepteur. Les diagrammes de performances sont fortement modifiés par l’avion lui-même. Ce qui fonctionne pour un avion peut ne pas s’appliquer directement à une conception similaire. Cet article devrait servir de guide pour les considérations relatives aux applications d’antennes dans les petits avions.