LPDA 30 - 40 / AO-Journal p64

4 el 30-40 LPDA
#1 Duobander
#2 Maquette éch 1/4
#3 Monobandes éch 1
#4 Simu Matching
#5 Simu High F/B

Chris Trask, N7ZWY

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last Update 22/05/2009

Cette solution #3 à la propriété de minimalisé la longueur de la ligne à la
longueur du boom physique.
Cependant le balun étant connecté entre les extrémités il n'est pas réaliste de
faire passer la ligne à l'interieur du boom.

Les 3 solutions mettent en oeuvre des des lignes à ondes progressives
en effet lorsque les 2 paires de couples D1 B1 et  D2 B2  ( liées entre elles par
le couplage mutuel ) presentent une impédance de 100 ohm il n'a pas de SWR
sur les lignes du sytème de couplage.

Satisfait de la solution trouvée et des essais à l'échelle  1/4
il ne restait plusqu'a passer à l'échelle 1

Maquette #1

La solution la plus simple respectant le modèle théorique
et utilisant une ligne à coefficient de vélocité <1
consiste à ajouter 1 longueur d'onde électrique entre le dipôle et l'extrémité de la ligne .

Plus économique et moins encombrant, décroiser la ligne
et ajouter 1/2 longueur d'onde électrique entre le dipôle et l'extrémité de la ligne.

Avec cette méthode que j'ai réalisé une maquette à l'échelle 1/4 ( donc sur 10m )
beaucoup plus facile à manipuler rapidement et fonctionnant pour respecter le facteur d'échelle
au 1/4 de la hauteur soit 5m.

Chapitre 3

Solutions existantes

A ma connaissance le seul moyen d'obtenir des performances élevées
avec 2 éléments est de coupler électriquement les éléments.

La légendaire configuration HB9CV est la base de tout les développements dans ce but.
Ses points forts sont :
- une bande passante  très large
- un rapport avant arrière remarquable.

Il faut rappeler que la HB9CV est de la famille des LPDA ( Log Periodic Dipole Array )
( en Francais : Réseau de Dipoles espacés selon une Périodicité Logarithmique )
dans une version minimaliste ne comportant que 2 éléments.

Pour beaucoup, mais pas pour moi,
un autre avantage de la HB9CV est d'être une antenne toute à la masse.
Si mécaniquement cela simplifie les choses, électriquement c'est une catastrophe
car à part faire une mesure de SWR globale sur l'antenne on ne peut rien mesurer.
Le seul réglage possible à part la longueur des éléments est le condensateur variable
magique terminant parfois la ligne de couplage.
Ligne de couplage dont l'impédance vue sa structure est aléatoire,
tant qu'a la position des prises sur les éléments elles sont bien difficiles à justifier ,
même avec un modéliseur, les constantes réparties n'étant pas le fort de la plus part de ces
logiciels.
exemple 50MHz-HB9CV par DK7ZV

D'autres versions font apparaître de la ligne bifilaire dont le coefficient de vélocité n'est pas 1
comme l'air mais obligatoirement entre 0.8 et 0.66 sans que le design ne le prenne en compte
ou même que le sujet soit abordé par les rédacteurs des articles. sic !
Faire des mesures sur des lignes d'impédance autre que  50 ou 75 ohm est possible mais bien
difficile à mettre en oeuvre.

La seule approche permettant de contourner ces difficultés était mise en oeuvre par N7CL via
la Sté CAL-AV Labs inc  distribué avec beaucoup de produits haut de gamme par W0XB de Array
Solutions. Ces produits n'apparaissent plus  aujourd'hui sur ces sites et peu de pages les web
les ont mentionnés ou les mentionnent encore.

Si le produit n'a pas eu de succès c'est que les performances annoncées étaient faibles au
regard des possibilités du concept et le prix élevé face à la concurrence. Dommage car l'idée
de base tenait la route.

Elle consistait à :
- utiliser une ligne de couplage symétrique 100 ohm composée de  2 coax. 50 ohm
- supprimer l'alimentation en shunt feed pour la remplacer par une alimentation au centre
  ce qui entraîne la nécessité d'isoler les éléments du boom et de les couper au centre.
- ajuster la répartition de courant à 50% entre les éléments en plaçant des "Hairpins" ou " Beta
match" en parallèle sur chaque dipôle , c'est à dire remonter l'impédance des dipôles à 100 ohm
par une self en parallèle.
- le problème du coefficient de vélocité est laissé dans l'ombre.

L'avantage fondamentale de cette structure est qu'elle permet la mesure des courants dans les
lignes 50 ohm avec des outils conventionnels et donc de mettre au point le système de phasing
en toute connaissance des paramètres.

Problème du coefficient de vélocité :
Il fait que la ligne est plus longue qu'elle devrai.
Il est masqué en modifiant la longueur des éléments.
Seul la modélisation permet de le démontrer.
La doc. de montage donnant toutes les cotes il était possible de le vérifier.
La contre partie de cette pirouette, qui ne marche qu'avec un boom trés court 0.11 wl,
est qu'elle se paye par une dégradation des caractéristiques.

Parmis les causes il y a aussi l'utilisation de beta-matchs qui réduisent la bande passante a à
peine plus que sur une yagi classique.

La raison de ces choix est probablement la simplicité de fabrication.

Cette  solution permet aussi de protéger et de cacher la ligne en la faisant passer à l'intérieur
du boom . Les lignes de couplage sur les antennes à éléments étant généralement
antipathiques aux amateurs.

Pour aboutir sans perdre en spécification il faut donc revoir le système de couplage
et surtout ne pas compenser quoi que ce soit via la longueur des éléments.

Chapitre 2

Choix Stratégiques

La première partie des choix a cadré le projet en

- 2 antennes de 2 éléments
- raccourcis par des "Hairpins", ( méthode KLM éprouvée et pièces disponibles )
- entrelacées sur un même boom

- rotor au raz de la nappe de haubans supérieure
  en "side mont" type anneau pour une rotation sur 360°

- 2 baluns et 2 câbles d'alimentation
l'alimentation se fera :
- par du câble coaxial 50 ohm
- en onde progressive
pas de SWR sur la descente et surtout pas de coupleur dont la mise en oeuvre dégrade le
temps de réponse à toute sollicitation imprévue. ( dxer never sleep )

- un commutateur coaxial télécommandé au pied du pylône
- Longueur electrique de boom 1/ 8 onde,
  soit 1/8wl 40m + 1/16wl 30m = 8.50m de longueur physique pour l'ensemble,
  donc seulement 63% de la longueur d'origine.

cette solution est handicapante car :
- Génère un boom plus long ( + 1/2 Boom 30m )
- Rend l'antenne asymétrique, le centre de gravité n'est plus au milieu du boom.
- Place un élément prés du centre de gravité et pose problème pour le rotor
  en configuration "side mont"
- limite la hauteur au sol de l'antenne en la plaçant 5m sous celle des bandes hautes
  ( mais à 20 m quand même ).

Mais cette solution :
- Élimine le risque de voir la flèche de tête plier,   ( comme cela est aussi déjà arrivé ici  )
- Permet d'envisager une antenne bande haute largement dimensionnée
  lors de la réouverture des bandes les plus hautes.
- Réduit le couplage entre les éléments en les éloignant
  et donc :
   - facilite la mise au point,
   - limite la dégradation de la forme des lobes de rayonnement,
- les 2 lignes d'alimentation simplifient aussi la mise au point ,
- et éliminent le couplage des antennes par la source,
- réduit la charge  au vent présentée pas les 2 éléments 30m étant plus courts,
- enfin, bien entendu, l'antenne rayonne sur 2 bandes au lieu d'une.

Chapitre 1

Historique et Perspectives

Cette antenne à été construite pour que ne puisse plus se reproduire ceci .

La KLM 4el 40m dont sont issues les pièces était une très bonne antenne,
( bien meilleur que la  3el KLM qui l'avait précédée ), mais électriquement seulement.

Mécaniquement les éléments sont très résistant au vent et à la glace,
mais le boom de 3"et de 42' ( 13.50 m ) de longueur est beaucoup trop "light".

Le remplacer par du tube plus épais est une solution,
c'était d'ailleurs une option au catalogue KLM,
tube de 1/2"d'épaisseur ! et manchons de la même épaisseur !!!
Cette "solution" amène à disposer d'un rotor à la même échelle
seul le catalogue Emoto contient des produits compatibles.
Il faut également que le pylône puisse assurer la charge verticale qui s'impose,
et que son coupe anti-vrille soit à la hauteur.

Cette voie n'est qu'une suite d'escalades qui font sortir du cadre amateur.
Si les contesteurs peuvent justifier du besoin de cette fonctionnalité,
ils doivent se résoudre à admettre que c'est un "consumable product".

Si l'on est DXer le besoin est différent. Il y a 9 voir 10 bandes à assumer
et donc en restant dans un cadre amateur, il m' a semblé préférable
de répartir les 4 éléments sur les bandes 30 et 40m.
le choix d'un boom court s'est implicitement imposé.

Pour obtenir des caractéristiques d'antenne élevées sur un boom court,
il faut utiliser  une méthode plus sophistiquée que la yagi standard.

La portion de bande allouée aux amateurs sur 30m étant de 50 Khz
il n'y a aucune difficulté à couvrir toute la bande avec un SWR faible.
Largeur / F centrale = 50 / 10125 *100 = 0,49%

Sur 40 m il en va différemment les 100 KHZ allant devenir pour tous 150KHz.
et le besoin d'écouter jusqu'à 7200 en mode Split voir 7300 pousse à
choisir une solution naturellement large bande.
Largeur / F centrale = 150 / 7075 *100 = 2.1%
Largeur / F centrale = 200 / 7100 *100 = 2.8%
Largeur / F centrale = 300 / 7150 *100 = 4.2%

Les solutions utilisant des trappes  ont été éliminées pour 4 raisons
- incompatible avec le stock de pièce KLM disponible.
- compliqué à mettre au point.
- bande passante  faible ( même si ici c'est le 30m qui aurait été le plus concerné )
- tenue à la puissance risquée comparativement à une solution à éléments monobande.

Une solution mécaniquement fiable est au centre de la recherche du compromis incluant:
- la disponibilité permanente de l'antenne
- le raz le bol de la maintenance
- l'age avançant de l'opérateur / dépanneur

LPDA
Duo-Bander
4 el 30 - 40 m

-- Matching --
-
when is a Quarter Wave? Not a Quarter Wave?
the 12 ways L.B. Cebik W4RNL
-
SMC Series Matching Calculator - W8WWV
YL2DX Series-Section Transformer Calculator
-
Chebyshev Multisection Matching tansformer
Amanogawa.com
-

Duobander

-- Links --
-
F6AOJ - LPDA maquettes ech 1/4 - Photos
F6AOJ - LPDA 30 & 40 m - Photos
F6AOJ - Guanella Balun
F6AOJ - Ring Rotor
F6AOJ - Ant crash dec 99 - Photos
-
HB9CV
EZNEC- W7EL
CAL-AV Lab's Inc - N7CL
L 'antenne LOG-périodique
LPDA ( Log Periodic Dipole Array )
-
Hybrid LPDAs NOTES - L.B. Cebick W4RNL
Design HF LPDAs L.B. Cebik W4RNL
4-30 MHz LPDA Design Concepts L.B. Cebik W4RNL
HB9CV Phased Array and Gain Comparisons W4RNL
Some Further 2-Element Possibilities - W4RNL
-
Antennex.com - W4RNL column
-

--- Balun ---
-
Guanella balun's
Balun story
Choc balun - K0TO
1/2 wave 4/1 balun calculator
Current Balun / Current Choke / Choke Balun HB9ABX
Transmission Line Transformers - N7ZWY
Broadband Line Tansformer - J. Sevick
Transformateur à lignes de transmission
A Single-Core 4:1 Current Balun - N7ZWY
-

Maquette #2 & #3

Autre solution simple respectant le modèle théorique
et utilisant une ligne à coefficient de vélocité <1
consiste à ajouter 1/2 onde électrique entre les dipôles et l'extrémité de la ligne qui l'alimente.

Avec cette méthode que j'ai réalisé une maquette #2 & #3
L'inconvénient majeur de cette solution est que la ligne d'alimentation compte 4 cables
et que le balun n'est plus sur le boom mais au bout des 4 câbles dans le pylône
car il n' est pas recommandé d'enrouler les câbles.

Essais à l'échelle 1

La campagne de essais a été pénible et décevante pendant longtemps.

Un break de 2 semaines passées dans un pénitencier breton
du nom d' Alcatraz ( 29700 Pont-aven ) m'a donné 15 heures par jour pour investiguer :
- les méandres de la HB9CV ou plutot des LPDA sous diverses variantes,
( en utilisant EZNEC-M v3.0.  ) d'une part,
- et les ressources du net concernant le matchage d'autre part.

EZNEC-M v3.0
Ce logiciel dans cette version n'est pas capable de modéliser les contantes réparties
comme les "Hairpins". Cette possibilié n'existant que sur la version 4 du moteur NEC,
et n'ayant trouver personne en disposant,
il à fallu faire des approximations longues et fastidieuses pour partiellement contourner le
problème.

C'est pendant cette période que j'ai découvert les paramètres fondamentaux
des log bâties sur concept de N7CL, les contraintes et les limites qui en découlent.
Faire une adaptation de ce concept sans possibilité de modéliser intégralement,
implique donc la lourdeur d'une mise au point par approximations successives.
Les betamatchs n'étant raisonnablement accessible qu'au sol,
la longueur des elements variant en fonction de la valeur de la self que constitue le betamatch,
et la bande passante médiocre pouvant au mieux en découler,
j'ai abandonné cette méthode de matchage trop contraignante et finalement pas compatible avec
mon l'objectif de mon projet,
et je suis parti
à la recherche d'une autre solution

Matchage, les ressources du net
Nombre de trouvailles sont listées dans le menu au bas de cette page.

La solution la plus adaptée pour resoudre le problème, résumé dans le schéma ci-desous,
est décrite par W4RNL dans  " When is a Quarter Wave, Not a Quarter Wave? "
avec :    z1 < z3 < 100 Ohm     ou        z1 > z3 > 100 Ohm
     et  :    z2 < z4 < 100 Ohm     ou        z2 > z4 > 100 Ohm


Cas particulier Z3 = Z4 = 100 ohm.
Si il existe une solution avec ces valeurs, la mise en oeuvre sera beaucoup plus simple.
une simulation s'impose donc pour le verifier.

une autre simulation est necessaire pour rechercher un meilleur rapport avant arrière.