Voici la réalisation d'une antenne Wifi (2,4 Ghz) extra-plate de 10 dBi environ de gain théorique, basée sur un design d'antenne coplanaire multipatch. Elle est constituée d'un morceau de PCB mono-couche epoxy de 1,7 mm d'épaisseur et d'un réflecteur (substrat) en aluminium. Il est néanmoins possible d'utiliser du PCB double face. L'attaque se fait par une BNC (ou autre) et l'impédance est de 50 ohms (adaptation par un stripline 1/4 d'onde). Les premiers essais effectués avec un système de vidéo surveillance HF (2,4 ghz) sont concluants.

Construction: Le PCB utilisé est un double face cuivre avec isolant epoxy (constante diélectrique retenue : 5) d'épaisseur h=1,6 mm. La plaque mesure 93,6x136 mm au minimum (dimensions minimales du réflecteur plan). Sur une face est imprimée la partie rayonnante (patch + feedline), l'autre face sert de réflecteur (groundplane). La connexion se fait par l'intermédiaire d'une fiche coaxiale SMA, N ou BNC. L'impédance est calculée pour 50 ohms. Toutefois, un petit condensateur ajustable de 5/25 pF peut être placé (voir schéma) pour éliminer un éventuel effet inductif. Les dimensions des patchs ont été calculés pour une fréquence centrale de 2,4224 Ghz, ce qui correspond au milieu de bande allouée à la WIFI. Le feedline d'alimentation est un ruban microstrip de 50 ohms (longueur préconisée 16,4 mm). L'antenne est constituée de 4 patchs de dimensions : L=28,9 mm et W=35,8 mm. Ils sont décalés de 1/10 W soit : 3,58 mm pour la mise en phase (1 patch actif + 3 patchs parasites). On peut très bien imaginer d'augmenter le nombre de patchs parasites sans modifier de façon importante l'impédance de l'antenne. Les essais: Une caméra HF 2,4 ghz (10 mW) est placée à 50 m à l'extérieur (champ +/- libre) avec une charge fictive de 50 ohms à la sortie antenne. L'antenne multipatch est connectée au récepteur TV 2,4 Ghz qui sert d'indicateur de champ en fonction de la netteté de l'image. Ce principe de mesure, simpliste, donne toutefois une bonne idée des qualités de l'antenne en essai en la comparant avec d'autres types d'antennes ou un simple dipôle (gain, ouverture et polarisation du lobe, impédance). La mesure du ROS est souhaitable.

 

Une autre antenne : Celle-ci est très facile à réaliser et fonctionne superbement. Comme elle n'a pas de gain, un réseau de 21 éléments parasites a été placés devant (Yagi) et cela change tout.

Des ensembles de vidéo-surveillance 2,4 Ghz (FM) à bas prix sont disponibles dans la plupart des grandes surfaces ou magasins spécialisés. Il est possible de contourner l'utilisation initiale de ces appareils pour mettre au point des antennes WIFI de construction personnelle. Cette méthode est pour le moins empirique mais permet à l'amateur de dégrossir une antenne quand il ne dispose pas de moyens de mesures sophistiqués. Ces appareils sont dotés à l'origine d'antennes imprimées intégrées (généralement de type PIFA) et la première chose à faire est de les supprimer afin de les remplacer par une connexion coaxiale extérieure de type N, SMA ou BNC (recommandé). Ils fonctionnent le plus souvent à l'aide de piles (9 à 12 V) ou d'alimentation secteur. Vous obtenez alors un superbe générateur 2,4 Ghz (de 10 à 50 mW en général) qui émet en continu (la vidéo est en FM) ainsi qu'un indicateur de champs par le biais du récepteur vidéo permettant l'analyse visuelle de la qualité de l'image reçue. Le mode opératoire est le suivant: . Installer la caméra vidéo HF sur un support (+/-2m du sol) en terrain libre, bien dégagé, afin d'éviter le plus possible les réflexions liées aux murs d'habitation, aux arbres, etc... . Pour l'antenne, mettre une charge fictive de 50 ohms. . Pour le récepteur vidéo, connecter une antenne de type mono-pôle directement à l'entrée antenne. Régler les deux ensembles (émetteur et récepteur) sur le même canal (généralement au nombre de 4), puis éloigner la caméra du récepteur vidéo (distance D) jusqu'à obtenir une image très dégradée et un souffle maximum. Il suffit, ensuite de remplacer le mono-pôle par l'antenne en test et de vérifier si il y a amélioration de l'image. Cela donne ainsi une bonne idée du gain, de la directivité, de la polarisation, de l'adaptation, etc... Pour avoir une petite idée du canal vidéo à adopter, voici un tableau des fréquences utilisées pour la WIFI et les systèmes de vidéo-surveillance. Canaux Wifi Transmetteur Vidéo HF Canal 1 : 2,412 Ghz 2,434 Ghz Canal 2 : 2,417 Ghz 2,452 Ghz Canal 3 : 2,422 Ghz 2,473 Ghz Canal 4 : 2,427 Ghz 2,410 Ghz Canal 5 : 2,432 Ghz Canal 6 : 2,437 Ghz Canal 7 : 2,442 Ghz Canal 8 : 2,447 Ghz Canal 9 : 2,452 Ghz Canal 10 : 2,457 Ghz Canal 11 : 2,462 Ghz Canal 12 : 2,467 Ghz Canal 13 : 2,472 Ghz Canal 14 : 2,477 Ghz Les canaux 1 à 4 WIFI sont très proches des canaux vidéos normalisés. Ainsi, si vous désirez optimiser une antenne WIFI sur le canal 1 (2,412 Ghz) il faudra utiliser le canal 4 vidéo qui a la fréquence la plus proche (2,410 Ghz). Bien évidemment, cette méthode est bien loin d'être une vraie mesure mais en l'absence de chambre anécoïde et d'un analyseur de réseaux hors de prix c'est un moyen de dégrossir une antenne qui au final ne fonctionne pas trop mal.

La mise au point de l'antenne Yagi à élément actif PIFA est maintenant terminée. Elle fonctionne à merveille avec un angle d'ouverture d'environ 20° dans les deux axes. Le gain est sûrement très bon car il a fallu placer la caméra vidéo (sur charge fictive) à 50 mètres pour perdre complètement le signal. Un atténuateur SHF à décades (de 10 en 10 dB) a permis de déterminer un gain de l'ordre de 10/20 dB par rapport au dipôle. Probablement entre 15 et 20 dB selon la théorie. Les éléments directeurs Yagi ont été récupérés sur un projet de Yagi classique qui n'a jamais bien fonctionné. Je vais prochainement essayer de modéliser cette antenne avec un soft pour vérifier la taille et l'écartement des directeurs. Toutefois, tel quel, j'ai approché le premier directeur (et donc tout le réseau de directeurs) de l'élément actif (PIFA) afin d'obtenir un maximum de signal et cela semble très bien fonctionner ainsi. Un condensateur de réglage en bout de ligne de l'élément actif est prévu afin d'optimiser le T.O.S si besoin est.

Une autre antenne en construction : Un cornet guide d'ondes pour la WIFI. Ce type d'antenne pour la Wifi est constituée d'un bout de guide d'ondes rectangulaire alimenté par un mono-pôle, ouvert par un cornet. Le guide d'ondes mesure 45x90x95 mm et le mono-pôle est placé à 22,5 mm du fond de cavité. La longueur du cornet proprement dite mesure 50 cm de long et la surface d'ouverture, 34x24 cm. Il fonctionne très bien et possède un gain intéressant ainsi qu'un angle de rayonnement réduit. Toutefois ses dimensions sont imposantes et sa prise au vent à l'extérieur n'est pas négligeable. Ainsi les calculs ont été repris pour réaliser un cornet plus modeste mais qui toutefois apporte un gain certain. Le cornet est réalisé en tôle d'aluminium (ou autre). Les trapèzes constituant le cornet (au nombre de 4) ont les dimensions suivantes : . 2 trapèzes de petite base 4,5 cm, grande base 9 cm, hauteur 20 cm ; . 2 trapèzes de petite base 9 cm, grande base 18 cm, hauteur 21,5 cm. Ils sont pourvus d'une languette de 1 cm de large pour l'assemblage à l'aide de rivets. Le fond du cornet, supportant l'élément rayonnant (antenne "F" inversée : PIFA) est constitué par une plaque d'aluminium épaisse dont les dimensions sont 4,5x9 cm, toutefois une bordure de 1 cm de large est prévue pour l'assemblage au cornet. Le cornet a été calculé à l'aide de la feuille de calcul EXEL ci-jointe. Le gain annoncé est de 18,1 dBi pour 2,45 Ghz. L'ouverture du lobe à 3 dB est de 27,3 dans le plan "e" et 18,7 dans le plan "h". L'antenne est actuellement en construction et vous aurez prochainement les résultats des premiers essais. Le diagramme de rayonnement est donné à titre indicatif (calcul théorique). J'estime le gain de mon antenne prototype à une quinzaine de dBi (valeur pessimiste) et le lobe semble correspondre au diagramme de la photo.

L'antenne ci-dessus de type cornet rectangulaire fonctionne très bien avec un probe de type PIFA. Toutefois ce cornet peut très bien être placé devant un guide d'ondes rectangulaire avec comme probe un simple mono-pôle. J'ai donc réalisé une étude (voir image ci-contre), d'après une documentation originale de W1GHZ et reprise par F1CHF. Les calculs ont été effectués pour une fréquence centrale de 2,442 Ghz. Les résultats sont les suivants: Pour un guide rectangulaire de dimensions intérieures : 90x45 mm (avec collerettes de fixation pour le cornet) en cuivre, laiton ou aluminium, d'épaisseur suffisante pour une bonne tenue mécanique. La longueur du guide est indifférente mais la distance ouverture/2eme vis de réglage ne doit pas être inférieure à 61,4 mm. Longueur d'onde en espace libre (Lo) : 122,8 mm ; Cutoff bas : 180,0 mm - 2,000 Ghz ; Longueur d'onde dans le guide (Lg) : 168,1 mm ; Fréquence de coupure : 1,500 Ghz ; Fréquence maximum : 3,000 Ghz ; Fréquence à - 50 dB : 1,000 Ghz ; Diamètre du probe (0,027 Lo) : 3,3 mm ; Longueur du probe (Lo/4 x 0,85) : 26,1 mm ( peut être confectionné en forme de petit cône inversé ); Distance probe/fond de guide : 30,7 mm environ ( peut être ajustée en confectionnant un fond coulissant); Espacement vis de réglages (Lo/8) : 15,4 mm (vis cuivre ou laiton pouvant pénétrer de 30 mm dans le guide); Distance probe/1ere vis (Lo/2) : 61,4 mm. La prise coaxiale est de type "N" ou "SMA" 50 ohms. Ce système est le principe de transition le plus souvent préconisé et fonctionne avec des mises au point minimales. Toutefois, on peut prévoir un fond mobile afin de régler la distance probe/fond pour obtenir une adaptation parfaite. A cette fréquence, la qualité de l'ensemble est tout à fait acceptable si on se conforme à une qualité de construction respectant les dimensions au millimètre près. La surface intérieure du guide doit être la plus plane possible et exempte de rugosités trop importantes (de la tôle argentée serait un plus, idem pour le probe en fil de cuivre argentée) mais on ne chasse pas le 1/4 de dB ! Enfin, pour la petite histoire c'est ce genre de guide qui est monté sur l'antenne yagi 2,3 ghz de chez Tonna (une référence, non..?).

Voici comment je procède pour les mesures sur 2.4 GHz : Pour la mesure (sommaire) des antennes en construction, j'utilise deux coupleurs directifs (2/6 Ghz) dotés d'une sortie à -30 dB. Ils sont reliés de façon inverse de manière à pouvoir mesurer la puissance directe sur l'un et la puissance réfléchie sur l'autre. Un commutateur manuel coaxial permet de passer rapidement d'une mesure à l'autre. Une caméra HF 2,4 Ghz (4 fréquences possibles) sert de générateur. A l'autre bout une charge fictive 50 ohms pour l'étalonnage puis l'antenne à tester. Cela ne vaut pas un analyseur de réseaux, certes... Site sur appareils de mesures : cliquer ici. Calculateur en ligne de guide d'ondes rectangulaire et plus encore : cliquer ici . Calculateur pour Transition COAXIAL/Guide d'ondes :cliquer ici.

Voici un petit mesureur de champs simple et peu onéreux. qui pourra servir également comme instrument de mesures derrière une sonde quelconque : coupleur directif, ondemètre, ROS-mètre, etc... La plage de fréquence utilisable est fonction de la nature des diodes utilisées, ici 1N23 pour les SHF. Attention : Les diodes ne supportent pas les signaux trop élevés. Le datasheet constructeur donne une puissance normale d'utilisation sous 50 Ohms de 1mW, soit une tension de 0,223607 volts. Il est donc prudent de mettre en série entre la sonde ou l'antenne et l'instrument, un atténuateur adapté à la fréquence et au courant à mesurer). Le groupement "diodes, capa d'intégration" doit être monté dans un espace blindé afin d'éviter des rayonnements parasites autres que la fréquence à étudier. De même, ce montage étant complètement apériodique, la bande passante de fréquence s'étend de quelques kilohertz à plusieurs gigahertz. Si vous désirer vous affranchir des rayonnements ambiants parasites pouvant fausser votre mesure, il vous faudra insérer un filtre car l'appareil est très sensible. Le schéma présenté ci-dessous n'appelle pas de précisions particulières. L'ampli de courant est basé sur l'utilisation d'un amplificateur opérationnel de type 741 très courant (tout autre équivalent peu faire l'affaire). Le galvanomètre a une déviation totale de 50 à 200 µA. L'alimentation est constituée par deux petites piles de 9V (alimentation symétrique). A noter que les diodes 1N23 sont obsolètes mais relativement facile à trouver dans les surplus :

C'est fini pour le moment, si vous désirez avoir des compléments d'informations, vous pouvez contacter F6DTL à l'email suivante :