Antennes filaires alimentées par une extrémité (dites « monopôle »)

Les antennes filaires horizontales ou verticales alimentées par leur extrémité fonctionnent de manière asymétrique par rapport à la terre : elles ont un seul brin rayonnant (en théorie un monopôle) et peuvent être à haute, moyenne ou basse impédance, selon leur longueur et la fréquence utilisée. Elles peuvent donc nécessiter une large plage d’accord.

Sont-elles réellement « monopôle » ?

En pratique, le fonctionnement en monopôle parfait (un brin radian plus un plan de sol non rayonnant) est rarement atteint, car la ligne d’alimentation de l’antenne, ou la ligne de liaison à la terre si sa longueur n’est pas nulle, forment au moins partiellement un deuxième pôle rayonnant.

Même si une antenne dite monopôle ne dispose que d’un seul brin rayonnant parce qu’alimentée par son extrémité, un deuxième pôle, ou référence, est toujours nécessaire pour qu’un courant puisse s’établir et qu’une énergie puisse être rayonnée.

Une alimentation par l’extrémité, particulièrement en basse impédance, nécessite donc toujours une bonne référence : un contrepoids, un plan de sol artificiel, ou une mise à la terre, accordée si besoin.

Rendement de sol

La terre est rarement très satisfaisante en HF, surtout si le câble de terre est long vis-à-vis de la longueur d’onde. Même si l’ajout d’un tuner de terre (aussi appelé terre artificielle), d’un balun ou d’un tuner symétrique peuvent permettre d’améliorer l’impédance de terre en compensant sa composante réactive, le rendement maximum final est toujours déterminé par la résistance de perte dans la terre \(R_g\), qui dissipe de l’énergie sous forme de chaleur.

Formule du rendement de sol d’une antenne filaire alimentée par une extrémité : \(\eta=\frac{R_r}{R_r+R_g}\)

La résistance de rayonnement \(R_r\) d’un brin rayonnant ¼ onde est d’environ 36 ohms.

Le rendement de sol (c’est-à-dire le rendement de l’antenne sans tenir compte des pertes autres que les pertes dans le sol) est donc de 100 % lorsque la résistance de terre est nulle. Etant donné que la résistance de terre \(R_g\) peut varier entre environ 1 ohm (sol argileux humide), et 200 ohms (sol sec, pierre), le rendement peut varier d’environ 97 % à 15 %, parfois beaucoup moins sur des sols en roches dures comme le granit.

Une mauvaise terre ou contrepoids inadapté, surtout avec une antenne basse impédance, empêche l’établissement d’un courant significatif dans le brin rayonnant et donc diminue fortement la puissance rayonnée.

Il existe deux possibilités pour améliorer le rendement d’un monopôle si une terre basse impédance n’est pas disponible :

• Utiliser un plan de sol artificiel ou un contrepoids, réalisé pour obtenir une impédance plus basse que celle de la terre. C’est la solution la plus simple, elle évite un fonctionnement en haute impédance.
• Allonger le brin rayonnant au-delà du ¼ onde pour augmenter sa résistance de rayonnement. Le fonctionnement passe alors en haute impédance avec les inconvénients associés : l’impédance de l’antenne devient plus réactive (inductive jusqu’à ½ onde) rendant l’accord plus difficile et occasionnant des pertes plus importantes, surtout avec un coaxial 50 ohms : une ligne symétrique est alors préférable, ou bien un coaxial suivi d’un accord et d’une symétrisation au pied de l’antenne pour réduire les pertes et éviter une tension élevée sur la masse du coaxial. Le fonctionnement à une longueur supérieure à ¼ onde induit également une modification du diagramme de rayonnement : apparition de lobes secondaires avec des minimas de radiation, et élévation de l’angle de départ (0° pour un plan de sol parfait).

En pratique, il est possible d’augmenter la longueur du brin jusqu’à environ 1/3 de longueur d’onde, pour améliorer le rendement en cas de mauvaise terre sans trop introduire de pertes et de modifications du diagramme de rayonnement.

L’alimentation à haute impédance, dite en tension, permet donc de limiter les pertes dans un sol dont la résistance est élevée. Mais les alimentations à impédance extrêmement élevée (> 1 kΩ) ou faible (< 50 Ω) peuvent toutefois poser des problèmes d’adaptation si elles sont situées en dehors de la plage d’adaptation du tuner, peuvent induire des pertes diélectriques et ohmiques, et poser des problèmes de sécurité électrique voir détériorer des composants HF par surtension ou amorçage.

Un tuner de terre, ou terre artificielle, accessoire souvent méconnu, permet d’annuler la composante réactive de la terre, en complément de l’utilisation d’un tuner asymétrique :