Antenne G5RV

La G5RV : analyse d’une antenne simple aux possibilités étonnantes

…un document instructif et pédagogique !


1 –
Mise en situation

Le 28 juin 2000, à 89 ans, Louis Varney, G5RV, rejoignait la grande famille de nos clés silencieuses.  Dans le but principal de rendre hommage à ce grand radioamateur, dont la disparition est passée presque inaperçue selon plusieurs personnes, et suite à mes lectures sur la G5RV, je me permets de vous présenter ce que d’aucun décrive comme la plus belle réalisation de ce maître du radioamateurisme : l’antenne dipôle G5RV. Elle porte aujourd’hui son nom et fut mise au point en 1946.

Peu d’antennes polarisent l’opinion des radioamateurs autant que la G5RV. On l’aime, ou on ne l’aime pas ! Le présent article vise à faire le point sur les attributs et caractéristiques techniques de l’antenne. Au lecteur de décider du « où » et du « quand » de son utilisation.

L’antenne G5RV est d’une simplicité presque déconcertante. Pour cette raison, elle devient un modèle d’analyse de base, facile à comprendre pour l’antenniste. Construite pour être à peu près à l’aise sur les fréquences de 3.5 à 14 MHz, l’antenne peut donner un rendement plus qu’acceptable jusqu’à 28 MHz dans la mesure où l’ajustement de l’impédance et de la charge est confié à un syntonisateur d’antenne ou l’équivalent. Je suis en mesure d’affirmer une telle chose puisque, équipé d’une G5RV et d’un syntonisateur d’antenne de bonne qualité, j’ai pu entendre clairement les signaux émis par les balises de la  NCDXF-UIRA venant de Californie, Hawaï, Nouvelle-Zélande, Madère, Russie et Nunavut à des fréquences variant de 14.1 à 28.2 MHz, et faire un agréable DX.

2 – Description et principe

Au cours des cinquante dernières années, l’antenne G5RV est devenue une des plus populaires et des plus souvent utilisés parmi les antennes multibandes dans le monde. Bien qu’il s’agisse d’une antenne de compromis, elle offre une performance enviable sur la plupart des bandes HF, dès lors qu’on l’utilise avec un bon syntonisateur d’antenne et, concernant le côté pratique, que nous utilisons un câble coaxial intégré à la ligne d’alimentation, éliminant ainsi les inconvénients d’une ligne en échelle ou bifilaire.

L’antenne G5RV mesure seulement 102 pieds (31 mètres) et répond correctement, sous certaines conditions, à des signaux de 80 à 10 mètres. Elle est alimentée en son centre par une section interface à fils ouverts de 34 pieds (10.4 mètres – voir illustration 2 ci-dessous). L’interaction entre la section radiante et la section interface d’alimentation fait de la G5RV une antenne facile à syntoniser sur toutes les bandes de 80 à 10 mètres, mais en la présence d’un bon tuner d’antenne. La bande 20 mètres, pour laquelle l’antenne a été conçue, répond le mieux.

En dépit de sa grandeur réduite, l’antenne répond aux 40 et 80 mètres de manière presque équivalente.  Sur le 20 mètres, sa configuration (la plus propice au DX avec quatre ou six lobes allant dans toutes les directions) en fait une antenne très populaire. Surtout que sur les bandes à plus hautes fréquences elle offre une bonne performance. La G5RV, avec son alimentation centrale via une ligne en échelle sur toute sa longueur, est une multibande capable de beaucoup d’efficacité sur toute les bandes, particulièrement si les dimensions sont bien respectées et qu’elle est installée dans un espace suffisant.

Le couplage à l’émetteur s’effectue à l’aide d’une boîte d’accord ou tuner d’antenne qui permet une utilisation toutes bandes sans risque pour l’émetteur.

L’inventeur de la G5RV, Louis Varney, décrivait l’antenne selon des critères peu précis : une section interface (matching section) à fils ouverts, en échelle ou à fil plat de 300 ohms; une ligne d’alimentation coaxiale de 50 ohms, 80 ohms, 75 ohms torsadée; avec ou sans la présence  d’un transformateur « balun » ou d’une bobine HF.

 

3 – Analyse

Pour les fins de notre analyse nous prendrons pour acquis que l’antenne (voir illustration1) comprend :

  • Un dipôle alimenté au centre par un signal de trois demies longueurs d’onde (3/2 lambda) conçu pour le 20 mètres (en rouge (A) sur la représentation)
  • Une section interface (matching section) de 300 ohms à fils plats (en bleu (B) sur la représentation)
  • Une ligne coaxiale de 50 ohms dont la longueur peut être variable (en vert (C) sur la représentation).
  • L’utilisation ou non d’un transformateur “balun” (X) fait l’objet d’une courte analyse à la fin de l’article

 

Illustration 1

 

Résumons : la G5RV doit son nom à son concepteur, Louis Varney G5RV. C’est une antenne de type dipôle. Elle a été construite pour résonner aisément sur la bande de 20 mètres. Ses éléments filaires répondent aux exigences lambda 3/2. Ce qui assure un gain supérieur, somme toute modeste, par rapport à un dipôle lambda/2.

La G5RV utilise un système d’alimentation dont une des principales composantes est une ligne d’interface d’alimentation, située entre l’antenne et le coaxial qui, lui, se rend jusqu’au bloc émetteur. La ligne d’alimentation d’interface assure un ROS faible sur la bande de 20 mètres et faible et modéré sur les autres bandes en autant que le système soit muni d’un syntonisateur d’antenne performant.

Comme tout doublet, la G5RV offre des réponses azimutales différentes à chacune des bandes. Par exemple, le diagramme laisse voir la réponse sur le 80 m. (en bleu), le 20 m. (en rouge) et le 15 m. (en vert).


Graphique 1

Aux fréquences les plus basses, (80 et 40 mètres) pour des longueurs lambda et lambda/2, la réponse azimutale est la plus large mais sur seulement deux lobes (en bleu), situés à 90 degrés par rapport au champ électrique des deux branches de l’antenne.  Sur la bande de 20 mètres, la plus efficace, la réponse est à 4 lobes disposés à 45 degrés de l’axe du champ électrique – en rouge – pour la longueur lambda 3/2. À mesure que la fréquence augmente, la réponse se complexifie laissant voir plusieurs lobes et aires de propagation en vert, évalués en dB.  Ces caractéristiques sont moins prononcées quand l’antenne fonctionne en terrain normal, mais néanmoins des aires (nulls) jusqu’à 20 dB sont possibles. Il vaut donc la peine d’en tenir compte dans l’orientation de l’antenne

Un balun est-il nécessaire ? Le terme balun vient de l’association de deux mots anglais « balanced » et « unbalanced » dont les premières syllabes BAL et UN ont été associées pour désigner un circuit réalisant l’adaptation entre deux lignes : l’une symétrique ou équilibrée (balanced) et l’autre asymétrique (unbalanced). Le balun est un dispositif qui permet de relier un circuit symétrique à un circuit asymétrique. Pour les radioamateurs, la fonction première d’un balun est de symétriser un câble coaxial pour permettre son branchement sur une antenne symétrique (dipôle…). A cette occasion, il bloque aussi les courants de surface. S’il y a un rapport de transformation de 4:1 le balun permettra aussi une adaptation d’impédance de 200 à 50 ohms ou de 300 à 75 ohms… Le rapport 1:1 du balun indique qu’il n’y a pas d’adaptation d’impédance, le travail étant accompli en quelque sorte par la section interface (d’où le terme explicite de « matching section» en anglais). C’est le ratio 1:1  qu’utilise notre modèle de G5RV..

Ici, l’impédance de la section interface est de 450 ohms ; elle pourrait être aussi de 300 ohms.

Il est de bonne pratique d’utiliser un « balun » 1:1 au point de transition d’une ligne coaxiale non balancée vers un système d’antenne balancé. Le comportement de ce type de transformateur (balun) aide à prévenir le courant  que l’on rencontre habituellement à la surface extérieure de la gaine du coaxial. On sait qu’il peut causer des problèmes de retour de RF à la station durant l’émission et des bruits locaux à la réception. Varney défendait la présence d’un « balun » dans sa première version, mais en 1984, dans un article de Radio Communication, il annonce qu’il change d’idée en raison de la possibilité du développement de « pulsions réactives » résultant d’une surchauffe de l’enroulement et de la saturation du noyau du « balun ». Il se prononce alors en faveur d’une bobine HF, toujours pour éliminer le courant de surface.
Mais avec la modernisation des ferrites et une meilleure compréhension des caractéristiques d’un balun comparé à ce qu’on en savait au temps de Varney, il n’y a plus de raison d’écarter l’utilisation d’un balun 1:1 à noyau de ferrite à la jonction de la section interface (matching section) et du câble coaxial (voir illustration 2).

L’illustration ci-dessous laisse voir ce qui se produit si on n’inclut pas de « balun ».
1 et 2 représentent les fils de l’antenne, 3 et 4, la section interface et 6 le cable coaxial pendant que 5 indique une connection directe sans dispositif d’adaptation d’impédance ou d’élimination des courants de surface HF non voulus. Les lignes en mauve illustrent la distribution du courant.

 

Illustration 3 (sans balun)

Il faut alors noter, comme le démontre l’illustration 3,  que :

  • le courant dans les deux branches du dipôle est inégal. Ce déséquilibre aura pour effet de fausser  le pattern azimutal;
  • le courant dans les deux fils de la section interface est inégal. Cela causera de la radiation dans la section verticale des conducteurs en mode émission;
  • Il y a un courant considérable circulant à la surface du fil coaxial qui se termine au radio et autre équipement de transmission.  En mode transmission, des problèmes RF peuvent survenir, et à la réception, des bruits venant de l’équipement transmetteur peuvent être injecté à partir de la jonction interface (matching section).

À l’illustration 4, on peut voir l’amélioration qu’apporte la présence d’un balun 1:1 au point 5. Les courants dans les deux branches du dipôle et des deux fils de la section interface sont bien balancés et le courant non voulu à la surface du coaxial devient négligeable.

Illustration 4 (avec balun)

4 – Réalisation et installation

La longueur physique du fil de rayonnant d’une G5RV est de 31 m ou 102 pieds avec une ligne de transition de longueur 10,3 m ou 34 pieds, ou de 28 pieds (8.5 m.) si un fil d’antenne de 300 ohms est utilisé.

Ce qui pose le principal problème pour la mise en place de l’antenne est souvent le manque d’espace, particulièrement en milieu urbain. Considérant que le gros de la radiation d’une antenne horizontale ou en V inversé se retrouve au centre et jusqu’aux deux tiers de la longueur totale, le dernier tiers peut être disposé verticalement ou autrement de manière à s’adapter aux exigences du terrain. La perte en ces conditions est négligeable.

Il est donc possible d’arriver à une installation efficace même en ne respectant pas tout à fait l’agencement de l’illustration 1, où les fils sont tendus tout à l’horizontal et sans entraves. Une installation en milieu restreint, s’accommode de dimensions réduites de moitié, tant pour l’antenne que pour la section interface (matching section). L’antenne demeure encore efficace de 40 à 10 mètres.

Les réglages, selon la fréquence utilisée, s’effectuent idéalement au moyen d’un syntonisateur ou tuner d’antenne. Une légère imprécision dans la longueur des éléments filaires ne sera donc pas catastrophique, quoiqu’il faille être le plus précis possible. Il va de soit !

Quelques mots sur ma propre installation. Je vis en milieu urbain et ma propre antenne G5RV, quoique rigoureuse quand aux dimensions, s’éloigne considérablement de l’installation idéale. Par exemple, les deux branches filaires sont à 100 degrés l’une par rapport à l’autre au lieu d’être sur une seule ligne, donc à 180 degrés, et plusieurs obstacles à la propagation  du signal aux extrémités filaires nuisent inévitablement à la propagation des ondes émises. Cependant, à la jonction, au point d’alimentation, là où le courant est le plus intense, donc d’où origine l’essentiel du signal électromagnétique,  l’espace est généreusement ouvert et dégagé. Le pinacle de l’antenne est à 15 mètres (45 pieds). Ma ligne d’interface (matching section) de 28 pieds (8.53 mètres) alimentant l’antenne est faite d’un fil d’antenne de TV de 300 ohms. Je n’utilise pas de bobine HF (ou de balun) à la jonction des deux lignes comme il est recommandé en présence d’un ROS élevé. Ce n’est pas mon cas. Une telle bobine HF s’improvise assez facilement en pratiquant un enroulant de 8 à 10 tours du coaxial, juste après la jonction, sur un support de matériau non conducteur de 6 pouces. Une configuration à essayer !

Bobine HF (HF choke)

5- Ratio d’ondes stationnaires (ROS) selon les bandes et la fréquence centrale de la bande, avec et sans tuner d’antenne (TA).

Le tableau 1 ci-dessous, dont les données sont tirées de tests que j’ai effectués sur mon propre transcepteur, un Yaesu model FT-757 GX de 100 watts, assisté d’un tuner d’antenne FC 757AT relié à une antenne G5RV via un câble coaxial de 50 ohms et une ligne d’alimentation (28 pieds) fait de fil de télévision de 300 ohms. Les tests ont été effectués plusieurs fois sous des conditions atmosphériques différentes d’été et d’hiver : neige, pluie, soleil, temps gris et humide…

Je n’ai pas la prétention d’affirmer que les résultats ci-dessous sont probants de ceux que d’autres experts auraient établis sous des conditions idéales, sachant que mon installation dévie passablement de celle recommandée par les antennistes qualifiés. Comme je le signalais plus tôt, les deux bras filaires de mon antenne au lieu de former une ligne droite de 31 mètres (102 pieds), se situent à 100 degrés l’un par rapport à l’autre. Presque à angle droit. Les lobes de propagation sont sûrement déformés allant probablement jusqu’à changer l’impédance de l’antenne dans son ensemble.

Mon but n’est pas d’enrichir les archives radioamateures de nouvelles données obtenues dans des conditions particulières. Non. J’ai voulu simplement faire la démonstration que l’antenne G5RV est bien construite pour répondre d’abord aux exigences de la bande de 20 mètres et, qu’au moyen d’un tuner d’antenne (TA) performant, on peut arriver à faire de la G5RV une antenne multibande.  La conclusion écrite par un expert du monde radioamateur, que vous lirez en conclusion à la fin de cet article, corrobore pleinement les résultats de mes tests.

Tableau 1

6 – Conclusion

La conclusion en ce qui a trait au comportement de l’antenne sur chacune des bandes aux fins d’obtenir une résonance minimalement uniforme sur toutes les bandes est loin de faire de la G5RV, laissée à elle-même, une antenne multibande. Avec peu de perte dans la section coaxiale, l’antenne ne  peut être utilisée efficacement sans la présence d’un tuner d’antenne ou autre dispositif de syntonisation. Citons en substance quelques experts dont Varney : « L’utilisation d’un dispositif de type « balun » est souvent très utile pour relier la ligne d’interface (matching section – voir illustration 2) au coaxial en raison des conditions réactives existantes à l’extrémité « station » du câble coaxial. Ceci est vrai pour toutes les bandes lesquelles affichent un ROS élevé, sauf la bande de 20 mètres.  Avec un tuner intégré à l’émetteur, il est possible de permettre à l’antenne de bien travaillée sur trois (3) bandes : 80m, 20m et 12m. Avec un bon tuner d’antenne séparé de l’émetteur, la possibilité s’élargit à 5 ou 6 bandes : 80m, 40m, 20m, 15m, 12m et même 10m comme le démontre le tableau 1. Les autres bandes peuvent être amenées à une interface (matching) acceptable mais au prix d’une perte importante dans le coaxial.

Bien sûr, en utilisant un bon tuner extérieur et en évitant l’utilisation des sections coaxiale et d’interface qui seront remplacée par une ligne en échelle pour se rendre directement au transcepteur, la perte sera acceptable sur toutes les bandes de 80m à 10m… mais est-ce que l’antenne possède encore les véritables caractéristiques d’une G5RV, ou est-elle devenue un simple dipôle de 102 pieds (31mètres) ? On peut répondre oui à cette question puisque, déjà en 1958, Varney trouvait les caractéristiques que nous venons de décrire, compatibles à la G5RV !

Claude Lalande VE2LCF

Sites internet visités :

http://f5zv.pagesperso-orange.fr/RADIO/RM/RM08/RM08G08.html

http://astrosurf.com/luxorion/qsl-g5rv.htm

http://www.hamuniverse.com/g5rv.html

http://www.qsl.net/aa3px/g5rv.htm

http://www.karinya.net/g3txq/g5rv/

http://sites.google.com/site/f5kin632/antennehf%22g5rv%22