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Boucle magnétique

 

Introduction

Boucle magnétique CIRO Baby

La boucle magnétique, ainsi nommée par l'emploi de la composante magnétique du champ électromagnétique, est un circuit LC parallèle. La forme circulaire est souvent rencontrée sur les modèles du commerce mais cette antenne peut être hexagonale, octogonale ou carrée. La boucle a une circonférence de 1/10ème de lambda, en général. Elle se ferme sur un condensateur variable à fort isolement qui doit pouvoir supporter plusieurs kv en raison d'un facteur Q élevé et d'une très faible résistance de rayonnement de l'antenne. La bande passante est donc très étroite.

L'antenne est alimentée via une petite boucle de couplage ou un gamma, situé à l'opposé du condensateur.

La difficulté est sans aucun doute de concevoir ou de se procurer le condensateur variable. Ce dernier peut être motorisé et ainsi commandé depuis la station. Il faut alors une démultiplication très précise car si le CV permet de couvrir plusieurs bandes, la plage de réglage sur chacune d'elles est alors très réduite.

Exemple de réalisation

Boucle magnétique

Voici une réalisation inspirée d'un article de F2HN paru dans Radio-Ref de 10/1988 (une antenne cadre d'1m de coté munie d'un CV et alimentée via un gamma).

Ayant un condensateur variable d'une dixaine de pF seulement, j'ai opté pour un jeu de condensateurs fixes amovibles et réalisés en coaxial. Comme chaque changement de bande voire de fréquence nécessite une intervention sur l'antenne, des condensateurs interchangeables montés sur fiches bananes ne compliquent pas vraiment l'opération, ils la simplifient même : Pour la bande 40m, le petit CV permet juste de balayer les 100kHz de la bande et ainsi d'en choisir facilement une portion (bande passante à ROS=2.0 sur 7MHz : 25kHz). Pour la bande 30m, le CV permet de couvrir une largeur de bande de 300kHz environ donc les 100kHz (10.100 à 10.150) sans que le réglage ne soit trop étroit. Sur 20m, le CV permet de couvrir 850 kHz. La bande (14 à 14.350) se situe alors sur une petite portion de la course du CV, rendant le réglage plus difficile.

L'antenne est prévue pour être utilisée sur les bandes 40 et 30m (pour la bande 80m, il est préférable de doubler la circonférence de la boucle. Pour les bandes 20m et moins, la boucle de 4m est un peu grande).

Fournitures

  • 4 portions d'1 mètre de tubes de cuivre (diamètre 14mm)
  • 4 coudes de raccordement
  • 1 petit coupe-tube (bien plus pratique que la scie à métaux)
  • Moyen utilisé pour les soudures (à l'etaing - soudure utilisée en electronique par exemple) : cartouche gaz CV360 et embout chalumeau adaptable. (ou fer à gaz performant)
  • Du fil de cuivre rigide 2.5 voire 4mm2 pour la réalisation du gamma.
  • Un domino pouvant coulisser sur le gamma (pour le réglage du ROS - il sera débarrassé de sa coque plastique)
  • Un collier sur lequel la tresse de masse du coaxial sera soudée. Il sera fixé sur le cadre en regard du point d'alimentation du gamma et coulissera en même temps que lui pour le réglage du ROS.
  • 1 fiche antenne femelle (SO239 ou BNC), inutile si vous soudez directement le coaxial venant de la station.

Support (CV et embase pour les condensateurs amovibles) :

  • Une plaque de plexi (10cm x 17cm, selon dimensions du CV utilisé)
  • 2 fiches bananes chassis, femelles.
  • Un peu de fil souple, 2.5mm2 (liaison fiche banane chassis - extrémité tube)
  • 4 vis à tôles (fixation du plexi sur les tubes)
  • 1 condensateur variable d'une dixaine de pF, au moins 3mm inter-lames.
  • Un bouton pour commander le CV (en matière isolante. Il ne faut en aucun cas être en contact direct avec l'axe du CV pendant l'émission).

Condensateur "coaxial" (amovible) :

  • Tube pvc diamètre 100mm (une portion de 5 à 7cm par condensateur)
  • 2 fiches bananes mâles par condensateur
  • Quelques mètres de coaxial (Cela dépendra du modèle utilisé. Par exemple, pour le condensateur 40m, j'ai utilisé du coaxial tv avec environ 54pF/m = environ 2m50. (du RG213 est préférable , 100pF/m et plus forte tension d'isolement).
  • des petits colliers plastique (fixation des fiches bananes sur le pvc)
  • des colliers plastique d'une quinzaine de cm (fixation du coaxial sur le pvc)

L'antenne pourra être suspendue verticalement.

Réalisation

Boucle magnétique
Boucle magnétique
Le cadre

Egaliser la longueur des tubes de cuivre. Oter les étiquettes de référence et nettoyer, dégraisser soigneusement les tubes.
L'idéal est de pouvoir former le cadre sur un support plan et stable, une grande table par exemple et maintenir l'ensemble en vérifiant que les deux diagonales du cadre soient égales. Les coudes sont soudés (il faut très peu de soudure, lorsque le cuivre est à température suffisante, la soudure pénètre par capillarité dans la jonction tube/coude).


Le cadre étant terminé, un coté va être dédié à la partie haute de l'antenne. En son centre, marquer un espace de 4cm qui sera ôté plus tard.


Boucle magnétique
Boucle magnétique

Préparer le rectangle de plexi. (Le tracer en suivant l'exemple ci-contre, percer les passages de vis).
Fixer les deux fiches bananes chassis.
Fixer le CV en orientant ces contacts à souder vers les tubes.

Note importante : L'antenne réalisée ici est réglée sans émettre. Si vous projetez d'effectuer les réglages en émission (cas de l'emploi d'un ROS-mètre; A la puissance la plus faible possible et de toute façon inférieure à 10w), prévoyez une isolation sérieuse de l'axe du CV. Prolongez l'axe du CV avec un embout isolant qui supportera le bouton de commande lui-même en matière isolante. Il peut être alors plus interessant de fixer le CV de telle sorte que l'axe se trouve vertical.

Positionner le plexi sur le cadre en s'aidant de l'espace marqué précédemment et marquer les trous sur le cuivre. Donner un coup de poinçon sur ces marques et y percer les avant-trous qui recevront les vis à tôle.



Boucle magnétique
Boucle magnétique

Découper et ôter la partie de 4cm centrale. Le haut du cadre est à présent en deux parties. Souder aux extrémités de chacun de ces tubes, quelques centimètres de fil souple 2.5mm2 (en dehors de la zone qui sera en contact avec le plexi, la soudure formerait alors une sur-épaisseur gênante).


Fixer la plaque en plexi, souder l'extrémité de chacun des fils sur les fiches bananes chassis. Relier celles-ci également aux contacts du CV.


Boucle magnétique
Boucle magnétique

Boucle magnétique
Le gamma

Former le gamma, souder son extrémité au centre d'un des cotés du cadre.

Raccord du coaxial de liaison à l'émetteur (ou l'extrémité du raccord comportant la so239):
L'âme est soudée sur un domino préalablement séparé de son enrobage en plastique. La tresse et le collier qui coulissera le long du tube sont reliés par une petite portion de fil rigide soudé.


Boucle magnétique

Ce dispositif permet de déplacer très facilement le point d'alimentation de l'antenne le long du gamma, sans opérations répétées de soudage. Une fois le point d'accord trouvé, les deux vis du domino et le serrage du collier suffisent à assurer un excellent contact électrique entre la ligne et le gamma.

Il n'est pas nécessaire de prévoir un support isolant intermédiaire pour maintenir le gamma. Surtout s'il a été prévu en 4mm2, sa rigidité et la présence du coaxial à son extrémité suffisent à le maintenir en place.

 


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Les condensateurs amovibles

Pour chaque bande, du câble coaxial est bobiné sur un support en pvc et utilisé tel un condensateur fixe mis en parallèle sur le condensateur variable de l'antenne.

La longueur de câble à utiliser dépend des caractéristiques du coaxial. Voici un tableau où figure deux types de câble : Du coaxial TV très courant et du RG213 souvent présent dans nos stations. Les paramètres à prendre en compte sont la valeur en pf/m et la qualité du dielectrique conférant une bonne isolation aux haut voltages.

 

Bande pF Coaxial Longueur (cm)
7 114 TV (53 pF/m) 215
RG213 (97pF/m) 118
10 48 TV (53 pF/m) 91
RG213 (97pF/m) 50
14 15 TV (53 pF/m) 29
RG213 (97pF/m) 16

 

(Ne pas hésiter à utiliser une plus grande longueur que prévue. Le coaxial sera raccourci progressivement pour le réglage, il vaut mieux qu'il soit trop long que pas assez.)


Boucle magnétique
Boucle magnétique

Couper une portion de 7cm (pour le 40m) ou 5cm (pour le 30 ou le 20m) de tube pvc 100mm. Oter la partie externe plastique de deux fiches bananes mâles et y souder une extrémité du câble coaxial qui servira de condensateur, de telle sorte que les fiches soient espacées de 4cm. Fixer les deux fiches sur le rebord du pvc (la partie à enficher dépasse du pvc) de manière à conserver 4cm entre elles. Elles peuvent être maintenues chacune par un collier plastique passé au travers du pvc (deux petits trous à percer sur le pvc pour cela, de part et d'autre de chaque fiche).

Bobiner le coaxial (les spires peuvent être désordonnées) en le maintenant par du ruban adhésif qui sera remplacé par des colliers plastique une fois l'accord terminé.

Réglages

Boucle magnétique

Pour cela, un ROS-mètre (utiliser la puissance la plus basse possible) ou mieux, un pont de bruit ou un analyseur (MFJ259 par exemple), doit être inséré au plus près de l'antenne.
Mettre en place le condensateur pour le 7MHz et mettre le CV en position médiane. Chercher le ROS le plus bas en déplaçant progressivement le point d'alimentation sur le gamma (faire coulisser conjointement le domino sur le gamma et le collier sur le cadre). Un ROS de 1.0 peut très facilement être obtenu.

Puis raccourcir progressivement la longueur du coaxial formant le condensateur jusqu'à obtenir une fo de 7050 kHz. Le CV devrait alors permettre de couvrir toute la bande.
Une fois ce réglage effectué, ôter l'enveloppe extérieure et la tresse de masse à l'extrémité du câble, sur 1 cm. Serrer les colliers plastique pour maintenir solidement le coaxial sur le pvc.

L'opération peut être renouvelée avec les condensateur 30m et 20m. Selon la bande, la longueur de gamma utilisé peut être différente. (par exemple 28cm pour le 30m et 35cm pour le 40m). Dans ce cas, un compromis peut être trouvé autour de 31cm permettant un ROS de 1.2 sur les deux bandes.

Les mesures

Boucle magnétique

La bande passante à -3dB a été mesurée par la méthode décrite dans la doc du MFJ66 (extension dip-mètre du MFJ259B). N'importe quel dip-mètre pouvant être utilisé, voici un extrait traduit du mode d'emploi original :

Pour mesurer le Q d'un circuit, vous devez ajouter un circuit détecteur (figure ci-contre) et coupler l'analyseur au circuit mesuré (ceci peut légèrement changer le Q du circuit.) on peut observer le Q relatif en notant la profondeur du dip au passage sur la fréquence de résonnance. Un dip très marqué à la résonance est une indication de Q. élevé. Un dip peu profond et large à la résonance représente un faible facteur Q.

 

  1. Relier un voltmètre numérique à haute impédance à la sortie du circuit décrit figure ci-dessus. Employer la plus basse gamme du voltmètre.
  2. Coupler l'analyseur de ROS au circuit à mesurer. Ajuster la fréquence de l'analyseur pour une lecture maximum de tension sur le voltmètre. Ne pas modifier le couplage pendant le reste de l'essai. Noter cette fréquence comme F0.
  3. Trouver un point au-dessus et au-dessous de F0 tel que la tension mesurée soit à 70% du maximum précédemment mesuré. Noter ces fréquences comme F1 et F2.
  4. Diviser la différence positive entre F1 et F2 par F0 pour obtenir le Q.
Boucle magnétique
Bande (MHz) BP -3dB (kHz) Q
7 33 242
10 46 214
14 107 141
Boucle magnétique

L'indication verticale graduée en mv correspond à la tension mesurée. Le dispositif de mesure est resté en place durant les mesures sur les trois bandes.

Récapitulatif gamma/cv/condo pour les trois bandes

Bande (MHz)Gamma (cm)ROSFmin Fmed Fmax du CV (kHz)Cond. amovible (pF)
7 35 1.1 7002 7045 7097 114
10 28 1.1 10014 10155 10310 48
14 37 1.1 13930 14325 14770 15

 

Conclusion

Boucle magnétique

L'antenne supporte 100w à condition d'utiliser un condensateur variable correctement isolé (espace inter-lames d'au moins 3mm) et un câble coaxial de bon diamètre (11mm) pour la réalisation des condensateurs amovibles.

Comme toutes ces antennes de petite taille par rapport à la longueur d'onde utilisée, la boucle magnétique est évidemment moins performante qu'un dipole.

Dans le contexte particulier d'une utilisation en milieu urbain, à l'intérieur ou à proximité d'obstacles empêchant cette fois le fonctionnement d'un dipole, cette antenne est surprenante. Peu sensible aux qrm, le rapport signal/bruit est très interessant. Ce type d'antenne peut être aussi une excellente base à la construction d'une antenne active, pour un écouteur.

 

 

description théorique
L'antenne boucle magnétique par F6CRP
(Cherchez la ligne "antenne boucle magnétique" dans la liste à droite)

Exemples de réalisations
F6EHP. Une boucle de 2.20m de coté, à voir.
PY1AHD Alex. Plusieurs modèles très interessants dont une boucle à commande hydraulique ;o)
AA5TB. Théorie, pratique, équations. Quelques réalisations pour le 70cm.

Exemples du commerce
Ciro Mazzoni Radiocomunanzione Verona, Italy
MFJ. La boucle MFJ-1786
INAC. La boucle AH-521

 

Glossaire

Facteur Q

Le facteur Q exprime la qualité d'un circuit RLC et est défini à sa résonnance.

Plus ce facteur sera élevé, moins le circuit sera amorti mais plus petite sera sa bande passante.

On le nomme aussi coefficient de surtension, exprimant le rapport entre les tensions mesurées sur le circuit à la résonnance et celle de la source.

Lambda

En physique, on note souvent la longueur d'onde par la lettre grecque λ (lambda).

Définition de la longueur d'onde sur Wikipedia.

R.O.S. Rapport d'Ondes Stationnaires

Quand un émetteur est relié à une antenne, on espère que tout le signal rf sera rayonné par celle-ci. Dans la pratique, une partie de l'énergie rf est réfléchie vers l'émetteur, on parle alors d'ondes stationnaires. L'énergie réfléchie peut endommager l'étage final de l'émetteur. Le rapport entre la puissance directe et la puissance refléchie est la valeur du R.O.S.
 

Ros-mètre

Ros-mètre

Quelques outils

Pour la mise au point de ces antennes, l'idéal est d'utiliser un analyseur d'antenne ou un pont de bruit. Voici quelques liens utiles :

Ponts de bruit
Le MFJ202B de MFJ
RX100 de Palomar (plus fabriqué)

Analyseurs d'antenne
du commerce:
Le VA1RX de Autek (plus fabriqué)
Le MFJ259 de MFJ ou MFJ-223, MFJ-225
Le miniVNA HF/VHF (sur PC).

En kit:
Le Tenna dipper (ici en français)
le AA 908 de l'american qrp club

Réalisation:
Projet réalisé par VK5JST

Q-mètre
Une description de VK5BR

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