Cubical Quad 2 éléments 5 bandes

Par F5AD

Pour les cannes, on a le choix: bambou ligaturé pour qu'il résiste un peu plus longtemps, bambou consolidé au tissus fibre de verre avec résine époxy, canne à pêche Décathlon, ou canne en fibre de verre du commerce, tout convient, ce n'est qu'une question de rapport prix sur durée de vie escomptée.

Pour le fil à utiliser, ce sera a priori du cuivre, mono brin ou multi brin, de 2mm de diamètre minimum ce qui est obtenu à partir du fil électricien de 2.5²

La vraie question est, quelles longueurs donner aux cadres pour obtenir un ROS correct, un bon gain, et un bon rapport avant arrière sur toutes les bandes HF du 14 au 28 MHz , et d'ailleurs cela est-il possible vu les influences entre les cadres ?

Dans les essais qui suivent, le fil est en cuivre de 2mm de diamètre, sans isolant; cette précision est importante car l'isolant influe sur la longueur électrique du fil et peut apporter un effet réducteur de l'ordre de 2%; plus une prise au vent supérieure. Inconvénient, qui n'en est pas trop un, il va s'oxyder plus vite.

Le boom sera de 2,5m soit 2,4m entre croisillons, chaque croisillon supportera cinq cadres, ce qui signifie que l'espacement entre cadres ne sera optimum que sur 20m (0,11 à 0,12 lambda), mais ce n'est pas un problème sur les autres bandes car cet espacement optimum est très flou et peut aller jusqu'à 0,25 lambda.

Première réalisation

Pour des monobandes, les différents auteurs proposent autour de 0.255 lambda pour le coté de l'élément rayonnant et autour de 0.261 lambda pour le réflecteur.

Une première réalisation a été faite avec les dimensions conseillées par le fabricant CUBEX, qui ne précise pas pour quelles fréquences elles sont calculées, mais qui semble avoir suivi de très près ces 0,255 et 0,261 lambda.

Cette première construction produit des résonances systématiquement en bas ou en dessous de la bande, et le ROS est assez médiocre sur toutes les bandes.

La simulation avec MMANA confirme ces résonances sur des fréquences trop basses. On y voit aussi que le gain maximum se produit toujours hors bande (en dessous) sauf sur 10m.

Cette solution est donc une erreur, car les valeurs 0.255 et 0.261 correspondent à des monobandes avec booms de 0.11 lambda, ce qui n'est pas le cas ici où le boom est le même sur les cinq bandes et en plus il y a sur chaque bande l'influence des quatre autres cadres.

Réalisation personnelle

Si on cherche à optimiser les performance en gain et en ROS avec MMANA, on trouve plusieurs centimètres de moins sur pratiquement tous les cadres.

Et la simulation montre que le gain peut être amélioré parfois d'un décibel sur certaines bandes, tandis que le ROS en 50 Ohms peut être quasi parfait sur toutes les bandes.

Gain et rapport avant-arrière

Le réglage du réflecteur agit sur le gain et sur le rapport avant-arrière, mais le maximum de gain avant ne correspond pas au meilleur rapport avant-arrière ni au ROS minimum.

Il faut donc accepter des compromis.

La simulation donne le gain maximum lorsque le rapport avant arrière est proche de10 décibels; on peut obtenir des rapports avant-arrière de 17 à 19 dB en acceptant une perte de gain avant de 0,2 dB; un bon compromis se situerait vers une perte de 0,1 dB; à chacun de voir ce qu'il souhaite favoriser, mais de toute façon on est hors de portée des précisions de mesure accessibles avec des moyens amateurs, et 0,1 ou 0,2 dB ne sont pas visibles en trafic décamétrique.

Réalisation du cadre rayonnant

La partie basse du cadre comprend au centre la pièce de fixation du câble coaxial qui mesure 2,8 cm d'axe à axe.

Les fils sont attachés sur les cannes à une distance de l'axe du boom égale au coté du cadre divisé par racine de deux.

La solution de percer les cannes et de passer les fils dans les trous n'est pas retenue car certains utilisateurs signalent que le fil est fragilisé à cet endroit et finit par casser; et de plus cela interdit toute expérimentation.

Les cannes sont quand même percées, mais quelques centimètres plus haut que l'angle du cadre, et des cordelettes nylon fixées au niveau de ces trous viennent tirer sur les angle des cadres. Une fois le réglage trouvé, les angles sont plaqués contre les cannes par quelques tours de cordelette.

Réalisation du cadre réflecteur

Chaque cadre réflecteur est une boucle fermée, il n'y a pas besoin de pièce centrale.

Alimentation des cadres

Pour une multibande, il y a deux possibilités,

• Un seul coaxial alimentant tous les cadres réunis au niveau du cadre 15m
• Un coaxial par bande

La solution du coaxial unique complique la mise au point car un réglage sur une bande modifie le réglage des autres, et certains auteurs signalent que la réjection sur les pointes est détériorée.

Avec un câble par cadre, il y a interréaction aussi, mais beaucoup moins importante, le lobe serait meilleur, mais cela fait beaucoup de câble; c'est cependant la solution retenue.

On peut limiter les longueurs de câbles par l'acquisition ou la réalisation d'une boîte de commutation télécommandée que l'on place au niveau du boom; il y a un seul câble de la station vers la boîte et cinq câbles de la boîte vers les cadres; cette boîte peut être placée sur le boom.

Comme l'espacement entre les cadres est le même sur toutes les bandes, certaines publications disent que l'impédance ramenée sur les cadres n'est pas la même sur toutes les bandes; supposant qu'elle serait proche de 50 Ohms sur 20 17 et 15m certains utilisent des câbles 50 Ohms sur ces bandes; et supposant toujours qu'elle serait proche de 100 Ohms sur 12 et 10m ils utilisent des câbles 75 Ohms taillés en lambda/4 ou en 3 fois lambda/4 sur ces fréquences pour profiter de l'effet adaptateur d'impédance des lambda/4 et ramener les impédances à 50 Ohms. Dans la foulée, les câbles en 50 Ohms sont aussi taillés en lambda/4.

La simulation avec MMANA ne confirme pas ces théories, et permet la solution retenue suivante:

• Un câble coaxial 50 Ohms par bande. Longueur environ 20m.
• Descendant jusqu'au bas du pylône, pas obligatoirement au sol, mais accessible sans escalade.
• Là, une boîte de commutation.
• Et un câble unique faibles pertes vers la station si elle n'est pas au pied du pylône.

L'inconvénient, c'est qu'il y a pas mal de câble coaxial par terre quand l'antenne est en position basse; il vaut mieux qu'il n'y ait pas de lapin sur le terrain.

Pour la mise au point, on est content d'avoir remplacé le treuil par un palan électrique.

Résultats

Premières mesures sur cette antenne:

Les résultats obtenus sont très proches de ce que prévoyait la simulation, autant au point de vue du ROS que des fréquences de résonance.

On peut remarquer que ce sont le 24 et le 28 MHz qui sont le plus fortement décalées par rapport aux fréquences théoriques; sachant que la simulation ne tenait pas compte du pylône dont les dimensions 60x60cm ne sont pas négligeables à ces fréquences, on peut logiquement penser que c'est ce dernier qui perturbe les cadres.

En fait, l'antenne pourrait être utilisée telle quelle, mais comme le système de chariot permet de la monter et de la descendre à loisir; autant fignoler et amener les fréquences de résonance exactement à l'endroit souhaité en modifiant les dimensions des cadres proportionnellement aux longueurs d'onde.

Pour le plaisir, le cadre rayonnant 14 MHz est par principe raccourci de... 1cm, de même que le réflecteur pour obtenir la résonance sur 14.185, il n'est d'ailleurs pas sûr que la longueur du fil ait été mesurée avec une telle précision; en outre avec un coefficient linéaire de dilatation de 16.5 10-6 pour le cuivre, 1 cm correspond à une différence de température de 30°, il faudra donc régler son antenne au printemps et accepter de la voir descendre et monter de quelques kHz en fonction des saisons. Plus grave si le fil s'allonge avec le temps.

Les cadres 18 MHz sont tous deux raccourcis ensuite de 2cm chacun pour arriver sur 18.120.

Le 21 MHz n'est pas retouché.

Les boucles 24 MHz sont raccourcies de 3cm, ce qui amène l'antenne à 24.930 que l'on acceptera.

Enfin Les boucles 28 MHz sont raccourcies de 2,5 cm, ce qui amène l'antenne à 28.450

D'où les cotes finales suivantes.

Résistance au vent

C'est le point faible des cubical quads, en présence de vent, les cannes battent et les fils subissent des coups de fouet ce qui les amène à casser, surtout si on a utilisé du cuivre type électricien.

La solution retenue ici empêche les cannes de bouger dans le vent, le boom est prolongé des deux cotés d'environ deux mètres, et cette prolongation sert à les haubaner.

Ce haubanage doit bien sûr être isolant, de la cordelette en Kevlar de 2mm a été retenue, du nylon est à proscrire, son élasticité rendrait la protection de l'antenne illusoire.

On peut voir sur la photo, le chariot et le rotor vu de dessous, les cinq câbles alimentant les cinq cadres, et ces cinq câbles descendant sur la droite avec le câble du rotor (blanc), la prolongation du boom et le haubanage en Kevlar.

Résultats

Ca marche bien, il n'est pas nécessaire d'utiliser une boîte d'accord, le 20m est cependant fortement sélectif vers le bas de bande et il faut choisir entre bande phonie et bande CW; la directivité est agréable, large vers l'avant, mais très réjectrice sur les cotés et sur l'arrière; les résultats en trafic sont plus que satisfaisants.

La cubical quad est souvent appelée la reine des antennes, il est vrai qu'avec des moyens simples, on obtient facilement une antenne à gain sur les 5 bandes et nécessitant peu d'espace autour d'elle; cela ne serait pas aussi facile avec des Yagi.

Coté gain, elle est meilleure qu'une deux éléments Yagi, comparable à une trois éléments Yagi monobande compacte ou à une Yagi trois éléments à trappes, inférieure à une trois éléments monobande grand espacement mais les dimensions ne sont plus du même ordre.

Voir ici les impressions comparatives avec une TH6 et une 248A

Et pourquoi pas du 50 MHz ?

Le centre de cette antenne est vide, on pourrait y installer une quad quatre éléments 50 MHz moyennant deux petits croisillons supplémentaires, mais il n'est pas facile d'optimiser une quad de plus de deux éléments, et on a souvent de meilleurs résultats avec des Yagi.

Le choix fut donc de fixer au boom de la quad une Yagi cinq éléments Tonna dont les éléments viennent s'insérer de part et d'autre des cadres de la quad, avec cependant un petit inconvénient: le radiateur de la Tonna passe à 10cm des réflecteurs 28 et 24 MHz et les désaccorde légèrement; mais la Tonna ne semble pas gênée et son lobe de rayonnement correspond exactement à ce qui est annoncé sur sa notice, ce qui est bon signe.

Pourtant, les résultats ne sont pas extraordinaires, la Yagi est souvent battue par une GPA ou une Lévy, elle doit quand même être génée; la décision est donc prise de construire une nouvelle Yagi de telle sorte que ses éléments se répartissent régulièrement autour des cadres de la quad, sans trop s'en approcher. Pour cela, on aboutit à quatre éléments Yagi régulièrement espacés de 1,2m; soit un boom de 3,6m.

La nouvelle Yagi est construite à partir de la Tonna en prolongeant simplement son boom de 20 cm coté réflecteur.

Un passage au simulateur montre qu'on obtient le même gain avec 4 éléments "grands espacements" qu'avec la 5 éléments d'origine, et qu'on peut même réutiliser ses éléments:

• Le réflecteur de la Tonna devient le réflecteur de la quatre éléments
• Le rayonnant de la Tonna est raccourci de 17cm et devient le rayonnant de la quatre éléments
• Le premier directeur de la Tonna n'est pas utilisé
• Le second directeur de la Tonna devient le premier directeur de la quatre éléments
• Le troisième directeur de la Tonna devient le second directeur de la quatre éléments

Le stub d'adaptation d'impédance sur le rayonnant de la Tonna n'est pas utilisé, l'élément rayonnant est donc un simple dipôle ; moyennant quoi le ROS est de 1,3. On pourrait raccourcir cet élément et réutiliser le stub pour améliorer encore le ROS; mais avec 1,3 sur toute la bande DX, on peut aussi en rester là, ce qui fut fait.

Un problème cependant, la boîte à relais qui convient parfaitement jusqu'à 28 MHz, introduit du ROS sur 50 MHz et quand elle est utilisée, on n'a plus 1,3 mais 1,8 sur 50 MHz.

Ne me demandez pas pourquoi, mais en mettant un condensateur d'une cinquantaine de picofarads entre âme et gaîne sur la sortie 50 MHz de la boîte, le ROS revient à 1,3. A gauche la photo de ce condensateur en partie ajustable ajouté en sortie de boîte. Sinon on peut utiliser un câble séparé pour le 50 MHz.

Résultats

Ca marche sur toutes les bandes, le 28 et le 24 ne sont pas désaccordés; sur 50 on a un meilleur signal au contrôleur de champ et les comparaisons à d'autres antennes (GPA et Lévy) donnent des résultats rationnels.

Mais attention, ne pas en conclure que la quatre éléments est meilleure que la cinq; la cinq éléments est conçue pour fonctionner en espace libre, et pas au milieu d'une quad déca; et la quatre éléments est optimisée au contraire pour être au centre de cette quad. La simulation de la quatre éléments telle quelle en espace libre montre d'ailleurs qu'elle y perdrait un décibel de gain et que son ROS monterait à 4!

Pour ceux qui hésitent à construire une quad, voici une photo de celle de W0BC sous une tempête de neige...

Mais,

Elle a repris sa forme quand la glace a eu fondu!

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