Verticale au sol , Influence des radians

La verticale au sol
En général c'est un fouet vertical long de lambda sur quatre, mais souvent plus court sur les bandes basses; il est alimenté à sa base, et la gaine du câble coaxial d'alimentation est réunie à ce que l'on appelle un plan de sol constitué de radians disposés en étoile. La longueur de ces radians est souvent prise égale à un quart d'onde.
Les radians sont posés au sol, ou légèrement enterrés.
Dans les descriptions, on voit souvent le plan de sol réduit à un piquet planté en terre, ou à un radian posé sur du gazon; à l'autre extrême, on voit aussi des réalisations avec jusqu'à 128 radians.
Où est le juste milieu ?
La théorie
La théorie dit que le rendement de ce type d'antenne dépend énormément de la qualité du plan de sol; qu'avec un simple piquet ou un unique radian le rendement ne va pas dépasser les quelques pourcents, et que si on veut vraiment ne plus chauffer le sol sous l'antenne, il faut aller jusqu'à 128 radians.
La résistance d'une verticale lambda sur quatre sur un sol parfait serait de 36 Ohms.
L'antenne d'essai
Le mieux, pour se faire une idée, est de monter une telle antenne et de mesurer l'impédance à sa base en fonction du nombre de radians.
La bande choisie est le 14 MHz, pour ne pas avoir des longueurs de fil exagérées et pour avoir des correspondants lors des mesures.
La partie verticale est constituée d'une canne à pêche haubanée par trois cordelette nylon, et sur laquelle est fixé le brin rayonnant en fil de cuivre 2,5² long de 5,02 m pour un fonctionnement vers les 14,150 MHz.
Un piquet de terre est enfoncé au maximum dans le sol, c'est à dire pas très profond dans un sol caillouteux et sec avec très peu de terre végétale sous une pinède; bref un mauvais sol au point de vue radioélectrique.
Les radians, longs aussi de 5,02 m seront posés au sol au fur et à mesure des essais.
La mesure de l'impédance de l'antenne et du ROS qu'elle ramènerait sur 50 Ohms est directement mesuré à sa base avec un MFJ-245-B.
Sans radian
Sans radian, juste avec la prise de terre, il n'y a pas de résonance marquée, on trouve un minimum de ROS vers 17,5 MHz; et sur 14 MHz, le ROS est de 11

Si on utilise l'antenne telle quelle sur 14 MHz, une boîte d'accord à la base sera nécessaire pour compenser la forte réactance X; mais le rendement sera mauvais, en effet, comme l'antenne elle même possède une résistance de rayonnement de 36 Ohms, si on en mesure 82 c'est qu'il y a 46 Ohms dus à la terre qui viennent s'y mettre en série, donc la puissance de l'émetteur partira pour partie dans la résistance de rayonnement donc vers les correspondants, mais pour autre partie dans la résistance de terre et là elle se transformera en chaleur ce qui n'est pas le but recherché.
Le rendement sera de 36/82 soit 44%
Pour 100W fournis, 66 pour chauffer le sol...
Et encore on a un fouet quart d'onde; avec un fouet plus court, la résistance de rayonnement diminue rapidement; en gros, si la longueur de l'antenne est divisée par deux, sa résistance de rayonnement est divisée par quatre; comme la résistance de la terre ne change pas, le rendement s'écroule.
Les chiffres du tableau ne changent pas si l'on arrose la prise de terre, sauf la fréquence du minimum de ROS qui passe à 16,3 MHz.
Avec un radian
Avec un radian, on n'a pas une verticale au sol, on a une sorte de doublet en V à 90° avec un élément au sol, on ne sait pas trop comment ça marche, et de toute façon ça ne rayonne pas en omnidirectionnel.
Ici, il faut aussi une boîte d'accord au pied de l'antenne, et bizarrement l'influence de la terre est plus importante: 212 Ohms, le rendement serait abominable: 15% !
Avec deux radians
Avec deux radians, on retrouve la symétrie du plan de sol et on a de nouveau affaire à une véritable verticale au sol
Une boîte d'accord au pied de l'antenne est toujours souhaitable, mais l'effet plan de sol commence à se faire sentir, la résistance induite par la terre est tombée à 49 Ohms, soit un rendement de 73% ce qui n'est quand même pas très satisfaisant.
Avec quatre radians
Avec quatre radians on commence à se retrouver avec quelque chose qu ressemble à une verticale au sol
En outre l'antenne peut être attaquée directement par le câble coaxial et le rendement passe à 88%
Avec huit radians
Avec huit radians, le minimum de ROS se produit quasiment sur la fréquence pour laquelle est taillée l'antenne
elle peut être alimentée directement par le câble coaxial et le rendement passe à 100%
Remarques
Il ne faut pas trop croire ce chiffre de 100% car on se demanderait alors pourquoi les sites professionnels installent 128 radians, il doit être dû à l'imprécision de nos moyens de mesure amateurs, et pour une installation définitive, je mettrais par précaution quand même 16 radians, ou plus si je peux.
Ces mesures ont été faites sur une bande donnée, sur un site donné, il est difficile d'extrapoler sur d'autres fréquences ou sites.
Performances
La méthode ci-dessus permet d'estimer le rendement de l'antenne, c'est à dire sur 100 Watts fournis, combien partent vers les correspondants, et combien servent à chauffer le sol.
Comme on le voit, la verticale au sol est très sensible à ce type de pertes, ce qui est rarement le cas pour les antennes filaires non raccourcies; il s'ensuit que ses performances globales dépendent directement du plan de sol, puis d'elle même: son principe, sa polarisation, son omnidirectivité son angle de départ, qui ne dépendent pas eux du plan de sol et sont moins maitrisables par l'amateur.
L'antenne avec ses huit radians a été comparée à un doublet demi onde placé à 10-12 m; la question rendement ne se pose pas, avec huit radians il est assez bon pour ne pas dégrader ses performances intrinsèques.
Mauvaise nouvelle, la verticale est quasiment toujours battue par le doublet de quelques dB à parfois 10 dB.
Les rares fois où elle l'emporte correspondent à des stations sur les pointes du doublet.
Si on simule sur ordinateur, on peut obtenir le tableau comparatif ci-dessous qui confirme les mesures.


Si on peut mettre un doublet à une demi longueur d'onde de haut, ou plus haut encore, la verticale au sol est enfoncée, comme on peut le voir, elle ne prend le dessus en grand DX que si le doublet ne peut être installé qu'à moins de 0,3 lambda, et encore en rase campagne, car en milieu habité ces antennes au sol "tirent" dans les clôtures, dans les murs et dans les habitations, ce qui n'arrange pas leurs performances aux faibles angles de départ.

source : http://f5ad.free.fr/ANT-QSP_F5AD_Verticale_et_plan_de_sol.htm


la page d'accueil : http://f5ad.free.fr/ANT-QSP_Menu.htm , une mine d'info