Cubical quad

5 bands cubical quad antenna

J’ai eu la chance de récupérer une partie des différents éléments mécaniques d’une antenne 2 éléments quad fabriquée dans les années 90 par un constructeur allemand Von der Ley (VDL).  L’ensemble des éléments cannes et boom sont en fibre de verre.  A l’origine l’antenne est conçue classiquement sur 3 bandes (14-21-28) avec une longueur de boom de 3m. L’idée était donc de reconstruire cette antenne sur 5 bandes.

Design : Après avoir relus la littérature sur les antennes quad et différents articles sur internet j’ai entrepris de simuler l’antenne avec 4nec2. Ces différentes simulations m’ont conduits à la construction d’une antenne dont chaque cadre est alimenté directement par un quart d’onde 50 ohms et dont la longueur de boom est ramené à environs 2,40. Un commutateur coaxial installé sur le boom permet de choisir la bande. La réduction de la longueur du boom amène inévitablement une petite perte en termes de gain mais permet des accords plus simples à trouver sur l’ensemble des bandes couvertes et une largeur de bande légèrement améliorée. Le gain de l’antenne se situe entre 7,8 et 8,5 dBi selon les bandes. Le rapport A/R se situe entre 10 et 16 dB. La largeur du lobe avant à -3dB est de ~ 80°. diagrammes de rayonnement cubical quad antenne Re-construction  Cubical quad antenna 5 bandsLa pièce d’attache sur le boom est en fonte d’aluminium. Les cannes sont renforcées à leurs extrémités par un manchon en acier et fixées par deux vis en inox de 8 mm.   .   cubical quad antenna 5 bandsLe boom de 50 mm de diamètre et d’épaisseur 5 mm est portée par une pièce en T également en fonte d’aluminium. L’ensemble des cannes et le boom ont été recouverts d’un nouveau vernis à base d’Epoxy.   cubical quad antenna 5 bands

 

 

 

Les cadres sont constitués par du fil d’aluminium de diamètre 2mm utilisé pour les clôtures électriques. Ce type de fil est plus léger que le cuivre et la différence de résistance électrique reste négligeable pour cette application compte tenu des longueurs utilisées. De plus, c’est très économique, le prix est d’environs environs 35 € les 400 m.

Cubical quad antenna 5 bandesLe fil est maintenu sur les cannes par un simple collier de serrage type Serflex en inox. Une gaine en plastique supporte le fil. Le fil n’est donc pas isolé du collier mais je n’ai pas trouvé d’influence négative à cela. En ce qui concerne la durée de vie, je n’en sais rien encore ;-) Cubical quad antenna 5 bandes

La connexion du cadre est réalisée avec une plaque en téflon ou plexi sur laquelle est installée une socle N ou un socle SO-239 en fonction de ce qui me restait sous la main. Deux vis inox de 5 mm avec rondelles et écrous permettent de bloquer les extrémités du cadre.

Cubical quad antenna 5 bands

Il n’est sans doute pas nécessaire d’utiliser des prises pour les connexions, mais j’ai trouvé ce système pratique lors des essais.

Les cadres réflecteurs sont fermés par une vis unique de 5 mm écrous et rondelles.

Premier montage et essais :
Je ne possède pas de chariot sur mon pylône. Aussi l’antenne a été assemblée sur un support provisoire.
5 bands Cubical quad antennaLes mesures de ros ont été réalisées à la sortie du commutateur coaxial avec un mini-vna et quelques mètres de RG-213. Les premiers essais effectués très près du sol donnent des courbes assez proches de celles qui avait été simulées mais plus basses en fréquence.
En revanche, la présence ou non des câbles coaxiaux alimentant chaque bande a son importance. En effet le fait de brancher ou non l’alimentation du cadre adjacent à la bande mesurée change la fréquence de résonnance du cadre actif.
Le commutateur choisi laisse les ports non alimentés ouverts. Un cadre non alimenté est donc allongé artificiellement par le coax qui y est connecté. On peut le voir aussi comme une capacité (le coax) au point d’alimentation du cadre. Une fois que l’on a compris et mesuré ce phénomène ce n’est plus un soucis…

L’accord se fait simplement en raccourcissant (dans mon cas) les cadres. Inutile de tendre trop fortement les fils des cadres. On pourra si nécessaire déplacer légèrement les colliers de serrage sur les cannes du bas, celles qui sont à portée de main, s’il n’est plus possible de réduire la longueur du cadre.
La petite dissymétrie apportée par rapport aux colliers les plus hauts restés fixes n’a pas d’importance.
Ci-après les courbes relevées lors des premiers essais sans réglages. Le cadre 20 m se situait à un peu plus de 1 m du sol. On comparera ces courbes après le montage sur le pylône.

5 bands cubical quad antenna

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Comme on peut le voir, l’antenne est accordée plutôt sur le bas des bandes CW, voir même en dessous de la bande comme pour le 18 MHz . Cependant, le résultat n’est pas délirant et l’antenne pourrait être utilisée telle quelle. 1.6 ou un peu plus de ROS n’ont jamais fait peur à une bonne vieille triode… ;-)
D’autre part, une fois installée sur le pylône situé à côté de la maison, les points d’alimentation sont accessibles depuis le toit. C’est donc une fois en place que j’effectuerai les derniers réglages.

Montage
5 bands cubical quad antennaGrâce à l’aide des copains Pascal F5PTM, Alain F3CW et Alex F5MBM l’antenne a été montée en une heure à peine un dimanche matin de septembre 2012 bien trop pluvieux… Tant pis.
Le boom a été monté en premier et laissé libre dans la pièce centrale. Le boom a été repoussé à l’une de ses extrémité pour installer le réflecteur. Puis repoussé dans l’autre sens pour installer le directeur. Enfin, l’ensemble a été recentré pour être mis en place définitivement.

Premiers essais
La forme des courbes sur toutes les bandes sont identiques à celles relevées proche du sol. La fréquence d’accord n’a pratiquement pas été modifiée. Cependant, le ROS est meilleur.
Ci-dessous le relevé des diagrammes de l’antenne à 13 m du sol.

5 bands cubical quad antenna5 bands cubical quad antenna5 bands cubical quad antenna5 bands cubical quad antenna5 bands cubical quad antenna

Le rapport A/R est bien de l’ordre de 10 dB sur les bandes les plus basses et d’environs 15 dB à partir du 15m.
La dissymétrie observée sur le lobe arrière est sans doute due à la présence d’une antenne verticale 5 bandes à quelques mètres. De nouvelles mesures seront faites une fois la verticale déposée.
Merci à Michel F6AFC pour les essais depuis son qra situé à quelques kilomètres.

Et est-ce que cela fonctionne dans le trafic ?
Les premiers résultats sont très satisfaisants. Le seul point de comparaison que je possède actuellement est une antenne verticale 5 bandes installée sur le toit de la maison. Evidement il n’y a pas photo. En moyenne, j’estime la différence entre 4-5 points S. La différence peut être encore plus marquée encore en début ou fin de propagation.

Finalement les dimensions
Les dimensions indiquées dans le tableau ci-dessous sont simplement les distances entre le centre du boom et les points d’attache sur une canne. La longueur totale du fil est donnée à titre indicatif.

Point d’attache sur la canne

Longueur du fil*

Réflecteur Radiateur Réflecteur Radiateur

10 m

196 cm

189 cm

11,09 m 10.69 m

12 m

220 cm

213 cm

12.45 m 12.05 m

15 m

260 cm

251 cm

14.71 m 14.20 m

17 m

302 cm

295 cm

17.08 m 16.69 m

20 m

390 cm

378 cm

22.06 m 21.38 m

* Contrairement aux cotes données pour les points d’attache sur les cannes qui sont des longueurs réelles, ces longueurs sont des dimensions minimales théoriques utilisées dans le modèle 4NEC2. Je n’ai pas mesuré la longueur réellement coupée de la bobine pour chaque cadre.
Autrement dit, j’ai mesuré et fixé les points d’attaches sur les cannes et utilisé la longueur de fil nécessaire pour fermer le cadre.

Quelques liens :
• Sur l’antenne elle-même, mais il y en a bien d’autres

http://tamiamiarc.org/technical/94-a-3-band-homebrew-quad

http://f5ad.free.fr/ANT-QSP_F5AD_Cubical_Quad_5_bandes.htm

http://ireland.iol.ie/~bravo/Cubical%20Quad.htm


• http://www.g4hfq.co.uk/ pour le logiciel PolarPlot permettant de relever très simplement le diagramme de l’antenne avec une simple carte son et un copain pas loin pour faire les essais.

Modèle numérique 4NEC2

CM Quad 5 bandes HF F5LEN
CE
SY h=12 'hauteur antenne
SY rad_20=21.38 'Longueur radiateur 20m
SY rad_17=16.69 ' Longueur radiateur 17m 
SY rad_15=14.20 ' Longueur radiateur 15m
SY rad_12=12.05 ' Longueur radiateur 12m 
SY rad_10=10.69 ' Longueur radiateur 10m
SY ref_20=22.06 'Longueur reflecteur 20m
SY ref_17=17.08 'Longueur reflecteur 17m
SY ref_15=14.71 'Longueur reflecteur 15m
SY ref_12=12.45 'Longueur reflecteur 12m
SY ref_10=11.09 'Longueur reflecteur 10m
SY boom=-2.40
GW 1 15 0 -rad_20/8 h-rad_20/8 0 -rad_20/8 h+rad_20/8 0.001
GW 2 15 0 -rad_20/8 h+rad_20/8 0 rad_20/8 h+rad_20/8 0.001
GW 3 15 0 rad_20/8 h+rad_20/8 0 rad_20/8 h-rad_20/8 0.001
GW 4 15 0 rad_20/8 h-rad_20/8 0 -rad_20/8 h-rad_20/8 0.001
GW 5 13 0 -rad_17/8 h-rad_17/8 0 -rad_17/8 h+rad_17/8 0.001
GW 6 13 0 -rad_17/8 h+rad_17/8 0 rad_17/8 h+rad_17/8 0.001
GW 7 13 0 rad_17/8 h+rad_17/8 0 rad_17/8 h-rad_17/8 0.001
GW 8 13 0 rad_17/8 h-rad_17/8 0 -rad_17/8 h-rad_17/8 0.001
GW 9 11 0 -rad_15/8 h-rad_15/8 0 -rad_15/8 h+rad_15/8 0.001
GW 10 11 0 -rad_15/8 h+rad_15/8 0 rad_15/8 h+rad_15/8 0.001
GW 11 11 0 rad_15/8 h+rad_15/8 0 rad_15/8 h-rad_15/8 0.001
GW 12 11 0 rad_15/8 h-rad_15/8 0 -rad_15/8 h-rad_15/8 0.001
GW 13 9 0 -rad_12/8 h-rad_12/8 0 -rad_12/8 h+rad_12/8 0.001
GW 14 9 0 -rad_12/8 h+rad_12/8 0 rad_12/8 h+rad_12/8 0.001
GW 15 9 0 rad_12/8 h+rad_12/8 0 rad_12/8 h-rad_12/8 0.001
GW 16 9 0 rad_12/8 h-rad_12/8 0 -rad_12/8 h-rad_12/8 0.001
GW 17 7 0 -rad_10/8 h-rad_10/8 0 -rad_10/8 h+rad_10/8 0.001
GW 18 7 0 -rad_10/8 h+rad_10/8 0 rad_10/8 h+rad_10/8 0.001
GW 19 7 0 rad_10/8 h+rad_10/8 0 rad_10/8 h-rad_10/8 0.001
GW 20 7 0 rad_10/8 h-rad_10/8 0 -rad_10/8 h-rad_10/8 0.001
GW 21 15 boom -ref_20/8 h-ref_20/8 boom -ref_20/8 h+ref_20/8 0.001
GW 22 15 boom -ref_20/8 h+ref_20/8 boom ref_20/8 h+ref_20/8 0.001
GW 23 15 boom ref_20/8 h+ref_20/8 boom ref_20/8 h-ref_20/8 0.001
GW 24 15 boom ref_20/8 h-ref_20/8 boom -ref_20/8 h-ref_20/8 0.001
GW 25 13 boom -ref_17/8 h-ref_17/8 boom -ref_17/8 h+ref_17/8 0.001
GW 26 13 boom -ref_17/8 h+ref_17/8 boom ref_17/8 h+ref_17/8 0.001
GW 27 13 boom ref_17/8 h+ref_17/8 boom ref_17/8 h-ref_17/8 0.001
GW 28 13 boom ref_17/8 h-ref_17/8 boom -ref_17/8 h-ref_17/8 0.001
GW 29 11 boom -ref_15/8 h-ref_15/8 boom -ref_15/8 h+ref_15/8 0.001
GW 30 11 boom -ref_15/8 h+ref_15/8 boom ref_15/8 h+ref_15/8 0.001
GW 31 11 boom ref_15/8 h+ref_15/8 boom ref_15/8 h-ref_15/8 0.001
GW 32 11 boom ref_15/8 h-ref_15/8 boom -ref_15/8 h-ref_15/8 0.001
GW 33 9 boom -ref_12/8 h-ref_12/8 boom -ref_12/8 h+ref_12/8 0.001
GW 34 9 boom -ref_12/8 h+ref_12/8 boom ref_12/8 h+ref_12/8 0.001
GW 35 9 boom ref_12/8 h+ref_12/8 boom ref_12/8 h-ref_12/8 0.001
GW 36 9 boom ref_12/8 h-ref_12/8 boom -ref_12/8 h-ref_12/8 0.001
GW 37 7 boom -ref_10/8 h-ref_10/8 boom -ref_10/8 h+ref_10/8 0.001
GW 38 7 boom -ref_10/8 h+ref_10/8 boom ref_10/8 h+ref_10/8 0.001
GW 39 7 boom ref_10/8 h+ref_10/8 boom ref_10/8 h-ref_10/8 0.001
GW 40 7 boom ref_10/8 h-ref_10/8 boom -ref_10/8 h-ref_10/8 0.001
GE 0
GN -1
EK
EX 0 4 8 0 1 0 0 'Voltage source 1+j0 volts on wire 2
FR 0 0 0 0 14.01 0
EN

Juste parce que je trouve ça joli, diagramme 3D @14 MHz espace libre.

5 bands cubical quad antenna

5 band cubical quad for 20m 17m 15m 12m and 10m.