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L’antenne Windom : d’hier à aujourd’hui

(partie 1)

Ma recherche sur Internet m’a emmené vers des sites du domaine public, dont les adresses apparaissent à la fin du présent document. Les détenteurs de ces sites, que je remercie, peuvent être assurés que le résultat de la présente recherche, réalisée pour le bénéfice des radioamateurs, ne sera en aucun temps et de quelque manière que ce soit utilisé à des fins commerciales.

Son histoire

L’antenne Windom a 75 ans de vie pratique cette année !

L’antenne Windom (Windom Antenna) fut décrite par Loren G. Windom dans la revue QST en septembre 1929. L’antenne a reçu le nom de son concepteur (voir photo ci-dessous).

Loren "Windy" Windom, W8GZ (1905 – 1988)

Loren Windom n’a pas réussi véritablement à convaincre les professionnels des qualités de l’antenne qui porte son nom. Et il poursuivit sa carrière comme avocat dans l’Ohio. Il a servi à titre de commandant (Major général) de 1940 à 1945 dans la 145ème troupe d’infanterie. Plus tard il fut nommé 37ème Adjudant général de la Garde national de l’Ohio en 1959, Il demeura actif comme amateur jusqu’à la fin de sa vie.  

Loren Windom, W8GZ, fut le premier à proposer l’antenne à la communauté radioamateure en la présentant dans le numéro de septembre 1929 du magazine QST. Quoique qu’elle fut construite et testée par William Everitt, qui en confirma la bonne performance, c’est le nom Windom qui resta collé à la nouvelle antenne. Wimdom l’avait imaginée dès 1937 comme un compromis valable pour une antenne multi bande.

L’antenne Windom est un dipôle décentré muni d’une ligne coaxiale non balancée.  L’antenne peut être utilisée sur la plupart des bandes entre 80 et 10 mètres.  Elle devint très populaire sitôt construite et testée par l’ingénieur William Everitt.

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William Everitt (1900 – 1986)

Le rôle de Loren G. Windom, ex- W8GZ, fut néanmoins central dans le développement de l’antenne. Il a vécu à Reynoldsburg, Ohio et, à partir de 1922, il était identifié chez les radioamateurs sous l’appellation 8ZO dans la région de Columbus (Ohio). Son indicatif d’appel est maintenant réutilisé.

L’antenne original de 1930 était du type Zepp et, décentrée de 14 %, était alimentée par un seul fil. Ce fil unique d’alimentation émettait de la radio fréquence (RF) sur toute sa longueur, un effet non désiré.

La version "Carolina" (voir plus loin dans le texte) allait, en plus d’éliminer ce problème, bloquer le RF présent dans le fil coaxial avant même qu’il revienne au shack. Ce qui eut pour effet d’augmenter l’efficacité de l’antenne.

Une antenne « décentrée » !

L’antenne originale de Loren Windom fut conçue comme une antenne horizontale alimentée de façon décentrée à 14 % convenant à une impédance de 600 ohms. À première vue, on peut imaginer une forme d’antenne à long fil avec un point d’alimentation à un endroit non central sur le fil. Le coût d’une telle antenne ne pouvait qu’être minime.

En théorie, avec un bon choix de point d’alimentation et la longueur appropriée de l’antenne, le tout agencé proprement, il devait résulter la production d’une gamme d’harmoniques couvrant l’ensemble de bandes.

Mais il y avait un point faible dans cet ensemble à alimentation unifilaire : l’absence d’un conducteur de retour ou de gaine (shield) donnait lieu aux inconvénients suivants :

  • interférence dans tout l’environnement, notamment dans les radios et téléviseurs sous forme de bruits, barres, sifflements, ronronnement RF ;
  • production d’un courant considérable le long de la ligne d’alimentation et dans les interfaces du système. Les effets magnétiques non voulus de ce courant se faisaient sentir à une bonne distance de la ligne d’alimentation (voir RF grounding problems ) et jusque dans le filage et les équipements du shack.

Les versions suivantes de l’antenne ont pris en compte ces facteurs négatifs et les ont corrigés.

La théorie derrière la « Windom »

Toute antenne ouverte produit des ondes stationnaires. Un tel contexte évoque la présence de voltages et courants distribués le long de l’antenne.

Si nous représentons le niveau du courant par une ligne, la distribution demi onde d’un courant à 3.5 MHz dans un dipôle ressemblera à ceci :

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À noter qu’il n’y a pas de déformation dans la distribution du courant le long du fil. Le courant est maximum au centre et minimum au deux bouts. Ceci indique que l’impédance est au plus bas au centre et s’accroît vers les bouts. Si nous alimentons l’antenne avec un conducteur double, l’impédance sera entre 50-70 ohms au centre et très élevée aux deux bouts. En déplaçant le point d’alimentation à partir du centre nous pouvons donc augmenter l’impédance du point d’alimentation sans nuire à la distribution du courant.

Le même dipôle à 14 MHz (4e harmonique) laisse voir quatre pointes de courant, ou de basse impédance le long de l’antenne.

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Quand il y a plusieurs pointes de courant, elles sont chacune moins intense. Cela signifie que le courant à chaque pointe est moindre que celui présent dans une demie onde. Il faut donc déduire que l’Impédance, à chaque pointe de basse impédance où il y a le maximum de courant, est plus élevée que dans le cas de la demie onde. À noter qu’ici, le point d’alimentation a été déplacé près du maximum d’une pointe de courant.

Finalement à 28MHz nous avons ceci:

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Notons encore ici que le point d’alimentation si situe près d’une pointe maximum de courant. Nous avons maintenant 8 pointes de courant maximum pour une antenne de 41.8 mètres (137 p.). C’est donc une pointe maximum à tous les 5.18 mètres (17 p.). Une variation de 2.5 mètres (8.5 pi.) de la longueur de l’antenne fait en sorte que le point d’alimentation passe du maximum au minimum en terme d’impédance. En conséquence nous devons être attentifs aux dimensions de l’antenne, donc au point d’alimentation. Autrement on pourrait rater la performance maximum !

La Windom doit être ajusté avec soin. Nous devons placer le point d’alimentation et choisir la longueur de l’antenne en fonction de la position à donner au point d’alimentation ; il sera le plus près possible d’une pointe de courant maximum et tiendra compte des fréquences d’opération. Plus la fréquence est haute plus le point d’alimentation devra être près du centre d’un point de courant maximum. Et plus c’est critique ! Une erreur même grossière peut être tolérée sur les bandes les plus basses, mais pas sur les plus hautes. Ceci en raison des variations rapides des pointes de courant des hautes bandes et du courant plus faible qui s’y trouve. De simples petits ajustements sur les bandes les plus hautes affectent grandement le comportement de l’antenne.

L’évolution de l’antenne Windom

L’antenne Windom moderne s’éloigne du model original unifilaire et devient un dipôle décentré avec deux fils d’alimentation. L’antenne régulière ou normal peut être décrite comme ayant un bras à 1/3 de la longueur totale laissant le 2/3 à l’autre. En d’autres mots, une antenne pour le 80 mètres mesurera 41.8 mètres (137 pi.) de long et aura deux bras de respectivement 13.922 mètres (45.67 pi.) et 27.845 mètres (91.33 pi.) de long.

La mise en forme de cette antenne OCF (Off Center Fed), en vue d’en faire un dipôle multibande avec un ROS acceptable sur la plupart des bandes nous amène à la construction d’une antenne avec de deux bras filaires de 80% et 20% de la longueur totale, dont l’impédance du point d’alimentation sera 200 ohms. On aura donc 33.41 mètres (109.6 pi.) et 8.35 mètres (27.4 pi.) pour chacun des bras. L’antenne peut aussi très bien s’adapter à une bande en particulier.

Mais il y a une précaution à prendre. Le transformateur BALUN convenant à ce type d’antenne doit pouvoir supporter un bon courant particulièrement sur les bandes les plus basses, et les terminaux soutenir un haut voltage dans la partie courte de l’antenne donc aux hautes fréquences.

Le problème avec ce type de multibande OFC est de trouver le point (sweet spot) offrant une impédance raisonnable sur toutes les bandes amateures. Au fur et à mesure que la fréquence augmente la longueur de l’antenne et le point d’alimentation deviennent critiques, et pour le rendement, et pour l’environnement !

De l’alimentation « échelle » à l’alimentation « coaxiale »

 La Windom est probablement l’antenne filaire la plus populaire en HF actuellement.  Au début, elle était alimentée au moyen d’un fil unique connecté à 14 % du point central de l’antenne.

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Windom est une antenne décentrée multibande. L’ancienne version était alimentée par un seul fil connecté au 1/3 de la longueur totale de l’antenne et plus tard, avec un conducteur double en échelle, puis finalement un coaxial.

Plusieurs années plus tard, et après l’apparition du transformateur BALUN, l’antenne fut modifiée pour répondre aux exigences d’un coaxial.  En utilisant un analyseur d’antenne, il fut possible de déterminer le point idéal d’alimentation.  Combiné à un « pont Boonton », il fut possible à l’analyseur de fixer ce point d’alimentation quelque part entre 200 et 250 ohms d’impédance (Z).  Avec l’arrivée du BALUN au point d’alimentation et l’usage d’un câble coaxial comme ligne d’alimentation, le fonctionnement de la Windon s’est grandement simplifié et amélioré.

Une vieille théorie, un nouveau design…

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Voici un model d’antenne alimentée avec un coaxial et compatible aux transcepteurs à transistors dont la sortie est de 50 ohms

L’antenne Windom est du type omni directionnelle et décentrée (off-center-fed, OCF), qui, lorsque installée entre 10.7 mètres (35 pi.) et 19.8 mètres (65 pi.) du sol, donne une impédance d’un peu plus de 200 ohms au point d’alimentation.

Données pour une antenne Windom multibande

Longueur totale

Bras long

Bras court

Hauteur

41.76 m.

33.41 m

8.35 m.

Env. 13.7 m.

100 %

80 %

20 %

Données pour une antenne Windom 80 mètres

Longueur totale

Bras long

Bras court

Hauteur

41.76 m.

27.845 m.

13.922 m.

Env.13.7 m.

100 %

66.7 %

33.3 %

 L’antenne est légèrement directionnelle dans le sens du bras filaire le plus long.  Dans les faits la Windom est plus efficace lorsque    construite pour une seule bande.   Cependant il ne faut pas oublier que cette antenne est conçue pour être une multibande dont la caractéristique recherchée est à la fois le gain et la largeur de bande sur le plus de fréquences HF possible.

  Selon le lieu d’installation, la Windom peut faire montre d’une adaptabilité étonnante. Ainsi, on ne peut se fier aveuglement à la description du “handbook” sans égard à la géographie pour prévoir le résultat.  Le sol peut être différent d’un endroit à l’autre, Dans tous les cas, sol plus ou moins humide et hauteur de l’installation, l’impédance du point d’alimentation se doit de demeurer sensiblement la même.

  L’impédance normale du point d’alimentation d’une antenne Windom, pour qu’il y ait bonne résonance doit se situer entre 200 et 250 ohms. Cette impédance est d’environ 50 ohms avec la présence d’un BALUN 4 :1.  L’adaptabilité au câble coaxial de 50 ohms lié au transcepteur est ainsi assurée.

L’antenne Windom (ou la dipôle décentrée) a approximativement la même impédance d’entrée sur toutes les fréquences HF et le 6 mètres.  L’impédance sur le 2 mètres est plus basse, mais rien de suffisant pour entraver valablement et désagréablement sa performance sur le 146 MHz.  Même réduite en longueur, mais installée proprement et bien syntonisée, l’accès à une dizaine de bandes HF et VHF est réalisable sans tuner d’antenne.

ROS

1.7

1.2

1.7

2.6

1.3

1.8

1.1

1.1

1.6

Mètres

6

10

12

15

17

20

30

40

80

MHz

54

28

24

21

18

14

10

7.0

3.5

Les ROS (ratio d’ondes stationnaires) sont approximativement ceux d’une antenne installée à 40 pieds du sol dans des conditions normales, à une fréquence située au milieu de la bande et sans syntonisateur d’antenne.

La version “Carolina”

L’antenne Windom, version "Carolina", se voit comme une antenne verticale renversée et suspendue à partir d’une structure horizontale à 10 mètres ou plus du sol !

En d’autre mots, la composante verticale de 6.7 mètres (22 pi.) installée entre le BALUN 4:1 et l’autre de 1:1, n’est rien d’autre qu’une antenne verticale alimentée par le sommet, pour laquelle cependant une mise à la masse (ground) ou un plan de sol n’est pas requis !

 

Une antenne verticale renversée !

La gaine (shield) du coaxial (RG8X) de 6.7 mètres (22 pi), agissant comme un radiateur vertical, assure l’adaptabilité du signal venant de la structure supérieure.

La "Carolina" windom devient, dans ces conditions, une antenne quasi omni directionnelle. C’est là une caractéristique des plus enviables pour les bandes 40, 80 et 160 mètres.

Cette caractéristique omni directionnelle serait plus évidente en milieu salin, près de la mer.

En résumé, la « Carolina » est très efficace parce qu’elle oblitère la perte d’énergie RF qu’occasionnerait une mise à la masse (ground) douteuse. Et autre point intéressant, le rayonnement de l’antenne est bas et omnidirectionnel.

Ces caractéristiques font de la « Carolina » une antenne réceptrice de premier plan.

Installation

Puisque le gain entre les versions « échelle » et « coaxiale » ne laisse voir que peu de différence en terme de gain, il n’y a pas d’objection à prioriser l’antenne avec câble coaxial de 52 ohms.  C’est sans variation notable que plusieurs tests ont été faits sur les bandes de 6 mètres jusqu’au 80 mètres avec différents analyseurs d’impédance dans des conditions normales - à environ 40 pieds du sol et avec une impédance d’alimentation variant autour de 233 ohms. La hauteur serait le facteur le plus critique.

Avec la Windom installée à 12.2 mètres (40 pi.) du sol, le BALUN 4:1 est recommandé (200 à 50 ohms). La Windom est une antenne demie longueur d’onde, facilement adaptable aux bandes plus basses.  Pour obtenir la meilleure impédance, le point d’alimentation se situera à environ 14 % du centre de l’antenne. Si l’espace terrain le permet, l’antenne aura idéalement 40.8 mètres (133.7 pi.) de long pour répondre aux exigences des bandes de 80 à 10 mètres. 

Considérant un “laissez tombé” à 60 degrés aux deux bouts du mât horizontal, la distance entre les deux extrémités de l’antenne sera approximativement 35.1 mètres (115 pi.)  Assurez-vous que les deux extrémités ne descendent plus bas que 8 pieds du sol; question de sécurité !  En gardant les bouts plus hauts, vous vous assurez qu’un maximum de RF émane du plan horizontal de l’antenne et accroisse le rayonnement. Quand le choix se présente et que la situation ne commande pas le contraire, toujours s’assurer que le bras filaire le plus long soit le plus élevé. Raison : stabilité accrue de Z. Un « laissez tombé » à 90 degrés est permis lorsque le terrain ne permet pas plus, mais la longueur ne doit pas excéder 2,5 mètres (8 pieds).

Le “V” inversé

La Windom s’accommode très bien d’une installation en V inversé.

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L’antenne peut très bien être installée avec des extrémités tombantes ou en glissade, mais en aucun cas l’angle entre les bras filaires d’une installation en V inversé ne devra être moins que 90 degrés. Ou sinon, l’impédance du point d’alimentation et les caractéristiques multibandes seront modifiées, et encore plus sérieux, le pattern du rayonnant de l’antenne, chambardé.

La hauteur idéale sera entre 10.7 mètres (35 pi.) et 13.7 mètres (45 pi.)  Cela permettra à l’antenne de rayonner à bas angle pour un maximum de couverture.  L’angle entre les bras filaires sera idéalement de 110 à 120 degrés au point d’alimentation. Les extrémités n’iront pas plus bas que 2.4 à 3 mètres (8 à 10 pi.) du sol pour plus de sécurité.

Les bras filaires peuvent être isolés. Mais en aucun cas ils ne devront parvenir à moins de 1.2 mètres (4 pi.) d’une pièce de métal ou de la végétation.  L’isolation en PVC n’atténue pas, ou si peu, le rayonnement du signal RF.


Conclusion : points à retenir

  1. L’antenne Windom est parmi les antennes filaires les plus populaires en HF en ce moment.
  2. Les conditions du sol (humidité, agrégat, etc…) influencent l’impédance au point d’alimentation. Idem pour la hauteur de l’installation.
  3. L’impédance (Z) au point d’alimentation est au mieux entre 200 et 250 ohms.
  4. La hauteur de l’installation est idéalement entre 12.2 et 15.2 mètres (40 et 50 pi.) du sol.
  5. Un transformateur BALUN 4:1 convient le mieux avec l’usage d’un coaxial à 50 ohms.
  6. Le point d’alimentation est environ à 14 % de la longueur de l’antenne.
  7. La longueur des bras filaires et l’impédance d’entrée sont particulièrement critique pour les plus hautes bandes.
  8. La version «Carolina» de l’antenne Windom est comparativement la plus avantageuse.

Merci d’avoir pris le temps de mieux connaître l’antenne Windom. Il y a encore beaucoup à dire à son propos. Dans un prochain texte je m’attarderai davantage sur le transformateur BALUN - un peu particulier - à utiliser avec la Windom. Et je vous présenterai une version un peu spéciale de l’antenne avec ses quatre (4) bras filaires…

À la prochaine

Claude VE2LCF

Sites consultés :

http://www.zcr.jp/~tada/JA7KPI/windom.html

http://www.packetradio.com/windom.htm

http://www.w8ji.com/windom_off_center_fed.htm

http://www.google.ca/search?q=windom+antenne&hl=fr&tbo=u&qscrl=1&rlz=1T4GGLL_frCA362CA362&site=webhp&tbm=isch&source=univ&sa=X&ei=3bHUUPDnBqjp0QGZ6ICwCQ&sqi=2&ved=0CDAQsAQ&biw=1040&bih=718