LES ANTENNES ONDE MOYENNE

"Ces pages n'ont pas la prétention d'expliquer dans le détail les techniques et les conceptions des antennes en onde moyenne... !
Un site très simple sur les antennes broadcast onde moyenne, les types utilisés, les accessoires nécessaires à la radiodiffusion"...partageons ensemble quelques connaissances de base. Un grand merci à Jacques Culot, ingénieur H.F et AM d'Equi-radio

l Pour des infos techniques contactez-nous par E-mail : equi-radio@wanadoo.fr




En Europe la Gamme de fréquences réservées à la radiodiffusion OM s'étend de 522 kHz à 1620 kHz.

Les antennes OM sont éloignés de tout obstacle naturel et de préférence sur des sols humides ou argileux qui assurent une meilleure conductivité et donc une plus grande portée des émetteurs.

De jour, les ondes moyennes ont une propagation directe de l'onde en polarisation verticale sur le sol, (onde de sol).
Au coucher du soleil et de nuit, intervient le phénomène de la propagation indirecte, dûe à une réflexion de l'onde aérienne sur les couches basses de l'ionosphère. La portée d'un émetteur ondes moyennes peut alors atteindre de très grandes distances ( onde réfléchie).

Pour l'instant les ondes moyennes n'offrent pas une qualité sonore aussi bonne que la FM mais l'arrivée du numérique pour 2004 (DRM) laisse prévoir un bel avenir au développement de cette bande de fréquence. La qualité du son sera alors comparable à celui des radio FM actuelles avec la possibilité de transmettre des donnés.



è Les antennes de diffusion OM les plus utilisées :
(toutes ces antennes doivent posséder un plan de sol artificiel irréprochable / minimum 120 radians d'une longueur minimale du quart d'onde et très peu enfouis dans le sol / voir plan de sol) :

l Le pylône rayonnant vertical quart d'onde ou demi-onde isolé du sol :
L'accord se fait par une cabine d'adaptation placée de préférence au pied du pylône (pour ne pas véhiculer des taux d'ondes stationnaires trop élevés dans le coaxial allant de la boîte au mât) / Un éclateur laiton est nécessaire pour évacuer les statiques et la foudre. Le pylône est le plus souvent du type haubané.

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Photo Bernard Rouet TDF Muret / Eclateur en laiton 2 boules + isolateur porcelaine / Cabine d'adaptation obligatoire
Impedance : 36 ohms - Coût important de mise en oeuvre - convient aux petites et grosses puissances
Les isolateurs comportent des boules d'éclatements qui laissent passer le courant vers le sol via un arc (créé par la foudre) au pied du pylône. Autre précaution : le chemin de fuite du courant provenant de la foudre doit être le plus droit possible car les coins dans les câbles sont souvent les endroits où la foudre sort du circuit pour trouver un chemin qui lui convient mieux. Prendre la précaution que la terre statique constituée de piquets et de câbles d'interconnexion soit de très faible résistance. Il est important que ces câbles soient de grosses sections à la fois pour laisser passer beaucoup de courant mais aussi pour présenter une self-induction la plus faible (une self ou un condensateur peuvent emmagasiner de l'énergie).


l Le dipôle replié :
Plusieurs câbles verticaux sont tendus le long dun pylône. Le pylône est relié au sol et inférieur au quart d'onde. Les départs de câbles sont isolés du sol, reliés entre eux à la base et au sommet et shuntés sur le haut du pylône. Ils servent à augmenter l'impédance
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"Folded dipole" ou dipole replié / Schéma radio magazine / réglages impédance pointus - boîte d'accord recomandée
Impédance env. 150 ohms - mise en place assez facile des câbles - convient aux petites et grosses puissances

l Le pylone rayonnant vertical quart d'onde relié au sol :
L'accord se fait par un gamma match le long du pylône. Il possède l'avantage d'évacuer directement les statiques + foudre.

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Pylône autoportant avec gamma match / réglages impédance pointus - boîte d'accord recomandée
Impédance : 36 ohms - convient aux petites puissances

Avec un gamma match, on ramène l'impédance qui est au départ de l'ordre de 20 ohms plus une composante capacitive d'environ 200 à 300 ohms à quelque chose proche de la cinquantaine d'ohms non réactifs.
Pour réaliser un gamma match on procède comme suit : on place à la hauteur du court-circuit une barre d'aluminium (horizontale et solide) correctement connectée au pylône (du point de vue HF) et de l'ordre de 1 mètre de longueur hors pylône pour un pylône de 25 cm de côté. On fixe (connexion HF) au bout libre de cette barre, un câble de cuivre (par exemple du 4 mm2 ou plus) qui descend parallèlement au pylône et on fixe (temporairement) l'autre bout du cable de cuivre au bas du pylône à une distance de 1 m au moyen d'un matériaux isolant (par exemple un tube de PVC solide). On installe le condensateur série et on mesure l'impédance d'entrée de l'antenne. En jouant sur la distance du câble de cuivre au pied du pylône on peut en général compenser ce que le condensateur ne peut pas rattraper (parfois le gamma match n'est pas parallèle au pylône). Ensuite, on monte dans le pylône et on place des écarteurs isolants de proche en proche pour garder le câble de cuivre à l'endroit déterminé par la mesure (il suffit de percer l'isolant au bon endroit et de fixer le câble à l'araldite). Ultérieurement on refera le réglage pour être certain que tout est en ordre. On remplacera le condensateur variable nécessaire au réglage par un condensateur tubulaire ajustable identique qui peut résister à la haute tension HF (et qui résiste aux imtempéries). Pour faire les mesures il est utile de disposer d'un pont de mesure d'impédance . Les mesures se font à basse puissance bien entendu. Lorsque l'émetteur comporte des tubes on peut suivre l'accord en examinant le plongeon du courant de plaque. Pour les transistors cela n'est pas possible.


l L'antenne parapluie :
Un pylône rayonnant vertical le plus souvent inférieur au quart d'onde est alimenté par le haut à l'aide de plusieurs câbles tendus verticalement et isolés du sol. A l'extrémité du pylône plusieurs câbles sont connectés directement sur celui-ci, espacés de 120°, ils descendent en oblique vers le sol et sont isolés du sol.

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Antenne parapluie / On distingue les trois câbles verticaux d'alimentation du pylône et les haubans.
La capacité de tête est formée de câbles obliques isolés du sol et connectés au sommet du pylône.
Réglages impédance pointus - Coût important de mise en oeuvre - Boîte d'accord -
Convient aux petites et moyennes puissances

l Les antennes filaires :
Il s'agit de câbles rayonnant verticaux, horizontaux ou obliques accordés par une cabine d'adaptation. Plusieurs solutions existent (type doublet, Levy, Zeppelin, V inversé ...) mais ne représentent pas de solutions performantes pour le broadcast radio. Ces antennes filaires sont plutôt destinées aux radioamateurs.


- Schémas extrait du site de F5ZV
Antenne doublet env. 75 ohms / Antenne Zeppelin env. 300 à 600 ohms / Antenne "V" inversé env. 50 ohms
Antennes filaires plutot destinées aux radioamateurs.





è Partie complémentaire aux antennes OM :


l Capacités de tête :
La plupart des antennes font appel à des capacités de tête pour réduire leur hauteur car certaines fréquences engendrent des hauteurs physiques tres importantes. (Ex : Un quart d'onde sur 522Khz = 140m de hauteur / un quart d'onde sur 1622Khz = 45m).
------------------------------La capacité de tête réduit la hauteur physique mais augmente la hauteur efficace / Isolateurs pour mât haubané
Lorsqu'on raccourcit l'antenne il y a plusieurs conséquences: l'impédance (complexe) d'entrée de l'antenne au lieu d'être purement résistive (36 ohms) devient résistive + capacitive et la partie résistive est inférieure à celle du quart d'onde. On peut compenser en partie l'introduction de la composante capacitive dûe au raccourcissement en plaçant une tête horizontale au sommet du pylône (le plus souvent on place des radiales de quelques mètres) et parfois un bobinage en série avec le haut de l'antenne. Avantage: la compensation extérieure est réduite et les tensions mises en jeu sont plus basses.


l Radians de sol artificiel :
Le plan de sol est déterminant pour le bon fonctionnement de l'antenne OM. Le terrain doit être bon conducteur mais il faut placer des radians en cuivre de 2,5 à 4 mm² répartis dans toutes les directions en partant du point central de l'antenne pour ne pas ajouter une résistance (néfaste) en série avec l'impédance de l'antenne dans laquelle l'émetteur perdrait une partie de sa puissance. La longueur des radians doit-être au minimum du quart de la longueur d'onde et d'un nombre supérieur ou égal à 120. Il faut aussi faire attention au métal utilisé: ne pas créer des jonctions avec des métaux différents, cela provoque de la corrosion. Les radians enterrés seront protéger des rongeurs...

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. Pour les pylônes non-isolés, une connexion de terre profonde sera réalisé au droit du pylône
pour garantir une bonne protection électrostatique.

. Les pylônes isolés bénéficieront d'une protection contre les statiques
grâce à l'éclateur à boules connecté à une terre profonde.
Le gros câble de cuivre reliant la masse du coax d'alimentation au pied de l'antenne doit avoir la plus grande surface extérieure possible. Du 16 mm2 devrait convenir puisqu'il y aura une connexion entre la terre HF (radiales) et la terre de protection (piquets), ce câble servira aussi à mettre le coax à la terre au pied du pylône pour éviter que la foudre ne se propage par la gaine du coax vers l'émetteur.


l Cabine d'adaptation d'antenne :
En général on y trouve plusieurs selfs et plusieurs condensateurs car le calcul démontre que l'adaptation d'impédance se fait ainsi. En outre la boîte fait aussi office de filtre passe-bas et élimine les harmoniques.

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Boîte d'accord d'antenne / Vue intérieure
Les éléments d'une boîte d'accord dépendent non seulement de l'impédance du point d'attaque mais aussi de l'emplacement de la boîte. En effet on peut mettre la boîte près de l'émetteur ou près de l'antenne (ou entre les deux si on veut). La théorie démontre que l'impédance que voit la boîte d'accord en direction de l'antenne varie avec la longueur de la ligne (sauf si l'impédance de l'antenne est exactement égale à l'impédance caractéristique de la ligne, auquel cas rien ne varie). Il n'est donc pas indifférent de placer la boîte d'accord à l'émetteur ou au pied de l'antenne. C'est donc des considérations de facilité, notamment de protection contre les intempéries qui fait qu'on place l'accord le plus souvent à côté de l'émetteur mais pour lui c'est du pareil au même.


l Logiciel de modélisation d'antenne :
Le logiciel permet, après introduction de toutes les données géométriques et électriques du système d'estimer l'impédance et le champ rayonné, y compris les lobes secondaires et les angles de propagation.
On peut faire varier les dimensions de la capacité de tête et voir ce que cela donnera. Pour ce qui est du champ rayonné ce sera exactement la même chose.

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Schémas Equi-radio

Pylone 36 mètres accordé en gamma match
Pour le gamma match, il fonctionne comme ceci : la ligne en parallèle sur un côté du pylône fait avec le pylône lui-même une ligne de transmission parallèle qui est court-circuitée à un bout et qui comporte une capacité série à l'autre bout. Le court-circuit et l'impédance au point d'attaque se reflètent au bas de la ligne de transmission (gamma ) et donnent à cet endroit une impédance dont la partie résistive est proche de 50 ohms et dont la partie réactive est l'opposé du condensateur (un peu comme une self en série). On a donc un impédance conjuguée: R + jx d'un côté et R - jx de l'autre ( calcul de nombres complexes). Si on attaquait le pylône par le bas (avec un isolateur) on aurait 36 ohms pour un quart d'onde et pour une antenne raccourcie quelque chose comme 20 ohms + une capacité équivalente à N ohms. Les ordres de grandeur sont différents parce qu'on attaque en un autre point. On devrait aussi corriger le tir par une impédance conjuguée. Que ce soit un gamma match ou une boîte d'accord, les différents composants sont soumis à des tensions d'alimentation en HF. Ces tensions sont véhiculées et sont transformées en diverses valeurs selon le point de mesure. L'antenne fonctionne en régime d'ondes stationnaires puisque le courant est maximal au pied et minimal au sommet, en contrepartie la tension est minimale au pied et maximale au sommet (parfois plusieurs milliers de volts). On est donc dans les deux cas en présence d'un réseau HF dont on peut calculer la résonance et les différentes tensions. Si on fait varier la capacité de certains condensateurs, le réseau change et la répartition des impédances et des tensions aussi.



l Mesure des antennes :
TOSMETRE : on le place à l'émetteur parce qu'un TOS-mètre ne donne des valeurs correctes que pour une impédance en amont égale à l'impédance caractéristique de la ligne de transmission. En dehors de cette condition, les lectures sont farfelues. En mesurant au pied de l'antenne, cette condition n'est pas respectée. En fait un TOSmètre n'est qu'un voltmètre placé sur un coupleur différentiel séparant les ondes incidentes et réfléchies, et gradué en watts ou en TOS.

Le TOS est moins important qu'on ne veut bien le croire généralement dans le cas où il y a une adaptation d'impédance (gamma ou boîte). Il est cependant des cas où l'adaptation n'est pas réalisée, par exemple dans le cas d'ampli à large bande pour des émetteurs qui doivent varier en fréquence. dans ce cas-là il n'y a pas conjugaison d'impédance et la puissance réfléchie se retrouve à l'ampli final et est dissipée dans la "résistance interne" de la source (tube ou transistor). La source chauffe donc plus fort car elle dissipe cette puissance réfléchie. C'est pour cela que les amplis à transistors mesurent la désadaptation d'impédance et réduisent la puissance émise pour protéger l'ampli final. En général, les limites du TOS sont de 2/1 à 3/1.


Modèle VA 1 d'Autec

Il existe aussi des appareils pour tailler les antennes. Ils sont équipés de microprocesseur, convertisseur A/D, comporte leur propre générateur HF à basse puissance et affichage à 4 chiffres de la fréquence. Certains permettent de mesurer le signe de la partie réactive, ce qui est mieux pour savoir dans quel sens il faut modifier les réglages - cad les longueurs en cause pour un gamma par exemple.
Le modèle VA1 est aussi adapté à 10 valeurs d'impédance caractéristique de la ligne entre 25 et 450 ohms...En branchant cet appareil à la place de l'émetteur (où au pied de l'antenne éventuellement) on peut mesurer instantanément le comportement électrique de l'ensemble et on peut déduire dans quel sens il faut agir pour amener l'antenne à résonner sur la fréquence de travail (ex : réglage du gamma). On peut aussi déduire sur quel paramètre il faut agir pour amener l'impédance à la valeur voulue. L'appareil mesure aussi directement le ROS. Ce n'est donc pas un appareil qu'on laisse branché en permanence durant l'émission normale.








è Le choix des émetteurs broadcast OM ( AM via DRM ) :



Pilote Radica 50w AM

l Tubes ou transistors :

Les tubes permettent des puissances plus grandes que les transistors mais il arrive de trouver des émetteurs transistorisés jusque 50 kW (Omnitronics ou ...tronix).
Cependant les tubes ayant une plus grande inertie thermique, ils ne doivent pas être protégés de manière aussi drastique que les transistors.
Cette protection à effet immédiat pour les émetteurs transistorisés a un prix sans doute non négligeable.
Les émetteurs transistorisés ont quelques avantages intrinsèques: pas de délai de préchauffement (la cathode des tubes exige environ 3 minutes), matériel plus compact, moins de diffusion de chaleur dans l'équipement, modulation AM par impulsions et surtout certains constructeurs (comme Telefunken filiale de AEG) ont déjà des produits numériques DRM dans leurs cartons. Globalement les deux techniques devraient coûter la même chose vu que c'est le marché qui détermine les prix .


Emetteur AM 05Kw / Emetteur AM 01kw l La puissance :

Côté puissance il faut donner quelques explications : la modulation d'amplitude a toujours une porteuse de même que la FM. La porteuse ne véhicule aucune information, seules les bandes latérales contiennent la modulation ... et encore chaque bande latérale contient la même information en miroir par rapport à la fréquence de porteuse.
De nos jours il existe des modulateurs à impulsion qui donnent de meilleurs rendements que les amplis linéaires traditionnels - 75% au lieu de 50% .
Revenons à l'AM : D'abord en AM il y a une porteuse en permanence et il y a un rapport de 1 à 4 entre la puissance de la porteuse non modulée et la puissance de crête en cours de modulation (lorsque la BF passe à son niveau le plus haut).
Les autorisations sont prévues pour des puissances sur porteuse non modulées. Exemple : 01 kw non modulé = 04kw modulé (1000w P.E.P = 40000w modulé).
Pour rappel, 4x plus de puissance signifie 6db de différence à la réception. Un mot encore de la modulation : on a intérêt à pousser la modulation au maximum puisque c'est à ce niveau que la puissance de sortie est maximale.
Cependant il y a une limite: l'amplitude du signal BF dans ses crêtes ne peut pas dépasser la moitié de l'amplitude du signal HF sinon on surmodule c'est à dire que l'on introduit de la distorsion (son absolument affreux) et surtout on crée des splatters (battements sur des fréquences latérales). C'est ce rapport de 2 entre les amplitudes max BF et HF qui explique pourquoi on a 4x la puissance porteuse en crête (W = E carré /R).


Emetteur AM 01KW / Emetteur AM 10Kw / Emetteur AM 05Kw

l La modulation AM :

La modulation AM peut se faire, soit dans l'étage de puissance de l'émetteur (avec un transfo de modulation), soit à un niveau plus bas suivi d'amplis linéaires.

Détails des réalisations
- Un pilote modulé en AM de faible puissance suivi d'un ampli linéaire pour augmenter la puissance HF. Comme cet ampli final doit fonctionner en classe AB ou B pour respecter la modulation, son rendement variera de 40 à 50% max.
- Réaliser la modulation dans l'ampli final en classe C, c'est à dire avec un rendement de 60 à 70%. Substantielle différence !

La première solution est souvent moins onéreuse que la deuxième mais exige un ampli final plus poussé en dissipation interne pour obtenir la même qualité de signal en réception.
Par ailleurs, la première solution convient mieux pour passer en mode digital.

- Un troisième procédé de modulation AM existe : il est du type impulsionnel (très compliqué sur le plan théorique mais intéressant sur le plan de l'énergie à mettre en oeuvre et sur le rendement : 75% au lieu de 50%).


Emetteur Nautel AM 50Kw




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