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  • Helical Antenna f6evt@f6evt.fr

    Helical Antennas (en mode Axial) Par F6EVT JP Quintin

    PART 1 Un peu dhistoire Lantenne hlice en mode axial ft invente et dveloppe par le Dr John Kraus (1910-2004) W8JK vers 1947. Une description ainsi que les calculs seront publis en 1950 dans la premire dition dun colossal ouvrage Antennas (chez Mc Graw-Hill diteur chapitre 7 page 173.) Il sagit dune antenne simple raliser qui a la particularit dtre en polarisation circulaire.

    Elle est souvent utilise pour la rception des satellites orbites basses et qui ont la fcheuse manie de tourner sur eux-mmes. La NASA utilisa cette antenne, entre autre, pour la rception dApollo 13 lors de son avarie. Cette antenne peut recevoir les transmissions en polarisation linaire (verticale ou horizontale) avec seulement -3dB de perte. Une erreur de polarisation circulaire droite ou gauche entrane une perte de -30dB.

    Photo Nasa

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    W8JK est galement lauteur de lantenne portant son nom et nombre dinventions : dans la dtection de mines sous-marines durant la seconde guerre mondiale ou de la radioastronomie. Il ft le fondateur et le pre du radiotlescope Big ear en 1965.

    John Kraus devant Big ear John Kraus resta, malgr ses activits scientifiques, un homme simple et rpondait volontiers aux SWL layant entendu sur 80 mtres. JK

    QSL W8JK John Kraus 1910-2004 Lantenne Hlice Une Antenne Hlice ou Helical Antenna en anglais peut fonctionner en 3 modes distincts. 1-Le mode normal : la circonfrence de lhlice est trs infrieur la longueur donde. Cest le cas par exemple des antennes des antennes VHF sur les transceiver portables ou des heliwip dcamtriques. Le rayonnement est alors perpendiculaire lhlice.

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    2-Le mode conique : La circonfrence dune hlice est suprieure la longueur donde. 3-Le mode Axial : Cest le mode axial qui nous intresse ici dans cet article ; la circonfrence dune spire est proche de la longueur donde.

    Les 3 modes de rayonnement dune antenne Hlice

    Antenne hlice F6EVT en construction

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    Principes de base de lAntenne Hlice en mode axial Lantenne hlice ressemble une self dont lune des extrmits, au point dalimentation, possde un rflecteur. Les dimensions du rflecteur G sont gnralement comprises entre 0.8 et 1.1 lambda. La bobine doit contenir imprativement au moins 3 spires pour un fonctionnement correcte dans ce mode. Il existe des antennes Hlice un tour mais les caractristiques et les calculs sont diffrents. La circonfrence C dune spire doit tre comprise entre 0.75 et 1.33 Lambda. John Kraus a dfinit le Pitch Angle alpha dune antenne hlice pour une valeur comprise entre 12 et 14. Langle Alpha est calcul pour un gain maximum et va nous servir a dterminer la valeur S c'est--dire la distance entre chaque spire. (Le gain maximum de lantenne Hlice est trouv pour un angle de 12,5)

    Courbe de Gain dune antenne hlice fonction pitch angle et frquence Le gain dune antenne hlice en mode axial est directement fonction de sa longueur et son nombre de spires.

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    Le triangle qui suit illustre la relation quil y a entre la circonfrence C, le diamtre D, le pitch angle Alpha et la longueur de chaque tour L.

    Une antenne Hlice classique sera calcule selon les valeurs suivantes :

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    Depuis 1950 nombre dingnieurs et scientifiques se sont penchs sur les calculs de Kraus. Il savre que le calcul du gain propos par Kraus semble un peu trop optimiste. En effet il y a des pertes qui ont t dmontres par Emerson entre 2 et 7 spires. Un Calculateur est propos sur le site :https://www.rac.ca/tca/2006-01%20Helix%20Design%20Calculator.html VE3KL propose 2 calculs diffrents selon Kraus ou Emerson

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    A quoi sert ce calculateur ? Ce calculateur est utilis pour trouver le gain d'une antenne hlice en mode axial non conique et ses dimensions physiques. Il utilise soit le modle Kraus classique ou le modle Emerson. Le modle peut tre slectionn par l'utilisateur. Les diffrences entre les modles sont les suivants : Dans le modle Kraus une analyse suppose que la distribution du courant soit constante le long de l'hlice. Cela conduit une prdiction de gain fonction la longueur de l'hlice. Le gain de ce modle augmente de 3 dB pour chaque doublement de la longueur pour un angle d'inclinaison fixe. Dans le modle Emerson qui est principalement bas sur la simulation par ordinateur NEC tient compte de la rpartition du courant dans l'hlice. Le courant dcrot le long de l'hlice ce qui se traduit par un aplatissement du gain lorsque la longueur augmente. Notez que le modle Emerson est valable uniquement pour une hlice entre 2 et 7 longueurs d'ondes longues. Les deux modles utilisent un plan de masse carr de dimension de 0,6 longueurs d'onde. Cependant, des valeurs comprises entre 0,6 et 1,2 longueurs d'onde peuvent tre utilises. Le modle Emerson prdit galement un gain beaucoup plus faible que le modle Kraus (4 5 dB). Il en rsulte aussi une plus grande longueur que le modle Kraus. Le calculateur utilise une circonfrence de 1,0 longueurs d'onde et un angle d'inclinaison de 12,5 degrs pour le modle Kraus tel qu'il est utilis dans le modle ARRL exprimentateurs Satellite Handbook. Le modle Emerson utilise un espacement fixe entre les spires de 0,24 longueurs d'onde tandis que le rayon varie en fonction de la longueur totale de l'hlice (nombre de tours). Un autre trs intressant logiciel HelixCalc de Jason Hecker est tlchargeable sur lexcellent site de F1AFZ. http://www.f1afz.fr/montages/calcul_helice/log_calcul.html

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    PROPOS: --------------- HelixCalc est un programme de calcul dantenne hlicodal . Si vous avez un diamtre de tube particulier ainsi que la frquence vous pouvez modifier divers paramtres tels que la longueur afin d'obtenir le gain dsir ou des valeurs rondes. Les formules, la thorie et les contraintes sont calcules partir du ARRL Handbook, chapitre 9, la page 23. Clambda = longueur d'onde de 0,75 1,33 Circonfrence de l'enroulement Clambda = pi * D * longueur d'onde galement circonfrence fois le diamtre PI (D) Slambda = 0,2126 0,2867 Clambda longueur axiale d'un tour G = 0,8 1,1 longueur d'onde Diamtre du plan de masse / rflecteur Gain = 11,8 + 10 * log10 (Clambda * Clambda * n * Slambda) o n est le nombre de spires. 3dB beamwidth = 52 / (Clambda * sqrt (n * Slambda)) la moiti de la puissance est la largeur de faisceau en degrs. Dtails sur l'utilisation de ce programme pour construire une antenne hlice UTILISATION: ------------------- Rglez la frquence centrale en MHz 2,425 GHz est 2425 MHz) et le diamtre extrieur du tube que vous allez utiliser. Actionnez le bouton Units et changer les valeurs de longueur et diamtre entre centimtres et pouces. Ajuster la longueur et le nombre de tours jusqu' ce que vous obteniez un gain Utilisez la virgule et non le point pour les dcimales ! .

    Ralisation dune antenne 435 MHz 12 spires

    Le tableau suivant dcrit une antenne Hlice 435 MHz daprs les calculs effectus grce au logiciel HelixCalc. A noter que pour la construction de cette antenne jai choisi des valeurs mtriques rondes ; cest le grand intrt de ce freeware. Le diamtre du fil utilis pour les spires et selon Antenna Book de lARRL devrait tre compris entre 0.006 et 0.05 Lambda bien que des diamtres infrieurs aient t utiliss en particulier sur des hlices 144 MHz..

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