Faut-il un balun sur une verticale
Par F5AD
En général, la réponse à cette question est:
"Comme l'antenne est asymétrique, on peut l'attaquer avec une ligne asymétrique, donc avec un simple câble coaxial, sans balun".
Mais est-ce bien sûr ?
Comme son nom le laisse deviner, un balun sert à équilibrer les courants dans les deux bras d'une antenne, ce qui est bien en soi; mais le véritable intérêt se trouve dans la conséquence, à savoir qu'une partie de ces courants ne part pas sur la gaine du câble coaxial.
Et c'est valable aussi sur les verticales, par exemple sur une Ground Plane, si on envoie un courant i dans le fouet vertical, il faut que parte aussi un courant i dans le plan de sol, et plus précisément i/4 dans chaque radian s'il y en a quatre.
Or avec une GPA, il n'y a pas quatre radian, mais cinq ! Le cinquième c'est la gaine du câble coaxial. Il faut éliminer ce cinquième radian; et il faut faire attention qu'il n'y en ait pas un sixième avec le mât ou le pylône supportant la verticale.
Donc, pour avoir une vraie verticale, une GPA par exemple, il faut a priori:
Et cela peut ne pas suffire, car le mât vertical même non réuni aux radians, peut très bien résonner sur la fréquence de travail et se retrouver parcouru par des courants importants, pareil pour les haubans.
En outre, ce n'est pas un balun
qui empêchera un câble coaxial de re-rayonner, et il pourra
même l'aider dans certains cas.
Alors, comment faire pour avoir une vraie ground plane, avec du
courant dans le brin vertical, dans les
radians, et nulle part ailleurs, ou presque.
Longueur de gaine = lambda:
On va prendre le cas d'une antenne
placée à une longueur d'onde au-dessus d'un sol médiocre, avec
la station au pied du mât, bien réunie à la terre du point de
vue HF
Sans choke balun, on peut voir les courants sur la figure de droite, et les lobes de rayonnement sur la figure de gauche.
La gaine rayonne plus que l'antenne elle même, et tire les lobes de rayonnement vers le ciel; on est loin de la renommée selon laquelle les verticales favorisent les angles bas sur l'horizon et le DX.
Dans les mêmes condition, même hauteur, même sol, un doublet demi-onde apporterait plus de 7 dB de gain sur cette GPA pour des angles de départ de l'ordre de 15°
Avec le choke balun, on peut voir sur la figure de droite que le courant de gaine a été quasiment annulé, et que le lobe de rayonnement produit ses maximums dans des directions plus favorables au DX; sur mauvais sol, le doublet demi onde reste cependant supérieur de 3,7 dB pour un angle de départ de 10°
Longueur de gaine = 3 x lambda/4:
Avec l'antenne placée à 3 x lambda/4 et sans choke balun, on ne trouve pas de courant de gaine (figure de droite), il en résulte un diagramme de rayonnement correct sur la figure de gauche.
Cela s'explique (heureusement), car avec une longueur de 3 x lambda/4 et un ventre de courant à la base, il faut un ventre de tension en haut, et la faible impédance imposée en ce point par les radians l'interdit, la gaine ne peut établir son régime d'ondes stationnaires
.
Mais il n'en est plus de même si
on met un choke balun en haut, le haut du câble se retrouve à
haute impédance, 
un ventre de tension peut s'y produire, et
il ne s'en prive pas.
Le résultat sur le lobe de rayonnement est désastreux, tout au moins pour le DX.
On voit déjà que selon la hauteur de la ligne, un balun peut être néfaste, et qu'il va falloir en mettre un dans certains cas et pas dans d'autres; ça risque de ne pas être simple.
Longueur de gaine = lambda/2:
Avec l'antenne placée à lambda/2
et sans choke balun, on retrouve de forts courants de gaine;
c'est normal, on a une demi onde avec un ventre de courant en bas
et une faible impédance en haut, cela ne demande qu'à
résonner.
Le lobe est détérioré en conséquence pour le DX.
En toute logique, l'insertion du
choke balun va interdire le ventre de tension en haut et casser
la résonance.
Ce que nous confirme l'image de droite pour les courants, et celle de gauche pour les lobes de rayonnement.
Sur mauvais sol, le doublet demi-onde placé à la même hauteur bat cette GPA de 4 dB à un angle de départ de 14°.
Longueur de gaine = lambda/4:
A une hauteur de lambda/4, le bas du câble étant à basse impédance, il lui faut une haute impédance en haut pour que puisse s'établir une onde stationnaire; sans choke balun ce n'est pas le cas, et le lobe de rayonnement est normal.
Et bien sûr l'arrivée du choke balun détruit tout en permettant au ventre de tension de s'établir en haut de la gaine.
Longueur de gaine = lambda/8:
Avec une hauteur de lambda/8 aucune résonance ne peut s'installer, que le sommet soit à haute ou basse impédance, cela ne veut pas dire qu'il n'y aura pas de courant sur la gaine, mais simplement qu'il sera plus faible
Le voici sans choke balun, le
courant est faible et quasiment constant sur la gaine.
Avec le choke balun le courant
devient négligeable
A cette hauteur, et sur ce sol, le gain de la GPA et du doublet demi-onde sont identiques pour l'angle de départ de 20°; par contre le doublet devient moins performant-en dessous et plus performant au-dessus de 20°.
Ceci explique l'intérêt des verticales au sol, ou quasi au sol avec plan de radians surélevés sur les bandes basses.
Sur les bandes hautes, il faut être prudent, sous peine de déception sur mauvais sol.
Alors, balun ou pas balun ?
Vu les masses environnantes, il est difficile de savoir comment se comporte la gaine du câble coaxial, et pourtant la présence ou non du balun peut détruire les performances de l'antenne.
Si l'on veut "casser" toute résonance sur la gaine, l'astuce est de mettre un choke balun en haut pour qu'il ne puisse y avoir qu'un ventre de tension à cet endroit, puis d'interdire un ventre de courant un quart de longueur d'onde plus bas en y insérant un second choke balun; on pourrait penser qu'il faudrait continuer comme ça tous les lambda/4 mais ça risque d'être un peu consommateur en câble coaxial; et en fait, l'éloignement faisant, deux choke baluns suffisent.
Ici à gauche l'antenne avec une ligne 3 x lambda/4 et un choke balun en haut; et à droite la même avec un second choke balun placé lambda/4 plus bas.
Résonance du mât support:
Tout ceci est bien dans la mesure où le mât support est isolant. S'il est métallique, c'est lui qui va être l'objet de courants induits; et tout ce qui a été dit sur la gaine peut être répété pour le mât, sauf qu'il sera dur de le bobiner pour en faire un choke balun.
En évitant de le réunir électriquement aux radians, tout se passe comme s'il y avait un choke balun parfait en haut; il reste alors deux possibilités défavorables : Un mât qui voudrait résonner soit en lambda/4 soit en 3 x lambda/4; ce qui peut se produire si on n'a pas de chance.
Si l'on pense être proche de ces
valeurs non fréquentables, on peut adopter la méthode G6XN,
connu pour son antenne "Moxon" et reprise par ON4UN
dans son livre "Low band DXing", mais que je n'ai pas
encore expérimentée:
Cela consiste à transformer tout ou partie du mât vertical en circuit accordé sur la fréquence d'émission: Un bras de déport conducteur de 50 cm supporte un fil vertical comme sur le dessin, qui vient se refermer sur la base du pylône à travers un condensateur variable; on obtient un circuit accordé que l'on règle sur la fréquence avec le condensateur variable au maximum de courant détecté à travers le tore.
Le sommet de ce circuit accordé crée une haute impédance sur la fréquence de travail; on choisit la hauteur de ce point pour que la partie supérieure du pylône mesure entre zéro et lambda/4 afin qu'elle ne puisse pas résonner.
L'antenne et les radians placés au sommet ne sont pas réunis électriquement au pylône, sauf éventuellement par une self de choc type R100 ou autre pour écouler les charges statiques; une résistance convient aussi; on prend 100k 2W par exemple.
La valeur du condensateur est à trouver expérimentalement.
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