Banniere Antenne dipole

Comprendre, calculer, construire et régler l’antenne la plus classique

Le dipôle demi-onde est probablement l’une des antennes les plus connues dans le monde radioamateur. Deux morceaux de fil, un câble coaxial raccordé au centre et, en apparence, rien de plus simple.

Pourtant, derrière cette simplicité se cachent de nombreuses notions fondamentales : longueur d’onde, impédance, résonance, distribution du courant et de la tension, diagramme de rayonnement, hauteur au-dessus du sol, adaptation, balun, courants de gaine ou encore influence de l’environnement.

Comprendre le dipôle, c’est finalement comprendre une bonne partie du fonctionnement des antennes.

Dans cet article, nous allons donc partir de zéro pour construire un dipôle demi-onde, calculer ses dimensions, comprendre comment il rayonne, l’installer correctement et enfin le régler à l’aide d’un analyseur d’antenne ou d’un NanoVNA.

1. Qu’est-ce qu’un dipôle demi-onde ?

Un dipôle est constitué de deux conducteurs placés dans le prolongement l’un de l’autre et alimentés en leur centre.

Dans sa version la plus classique, sa longueur électrique totale est voisine d’une demi-longueur d’onde :

$L \approx \frac{\lambda}{2}$

Chaque bras mesure donc approximativement :

$L_{bras} \approx \frac{\lambda}{4}$

Schématiquement :

Antenne dipole

À 14 MHz, par exemple, la longueur d’onde dans le vide est d’environ 21,4 mètres. Un dipôle théorique en espace libre aurait donc une longueur voisine de 10,7 mètres.

Mais nous verrons qu’en pratique il sera généralement un peu plus court.

2. Longueur d’onde et fréquence

La longueur d’onde λ correspond à la distance parcourue par une onde électromagnétique pendant une période.

Elle dépend directement de la fréquence.

Dans le vide, la vitesse de propagation est proche de :

$c = 299,792,458\ m/s$

Pour les calculs radioamateurs, nous arrondissons généralement à 300 millions de mètres par seconde.

Ainsi, avec la fréquence exprimée en MHz :

$\lambda(m) \approx \frac{300}{f(MHz)}$

À 14,2 MHz :

$\lambda = \frac{300}{14,2} \approx 21,13\ m$

Une demi-onde théorique mesurerait donc :

$\frac{21,13}{2}=10,56\ m$

Soit environ 5,28 m par bras.

Ce calcul constitue toutefois seulement notre point de départ.

3. Pourquoi le dipôle réel est-il plus court que λ/2 ?

Si nous fabriquons systématiquement nos dipôles avec exactement 150/f mètres, nous constatons généralement que leur fréquence de résonance n’est pas exactement celle prévue.

Pourquoi ?

Parce qu’un dipôle réel n’est pas un conducteur infiniment fin placé dans le vide.

Son comportement est influencé notamment par :

le diamètre du conducteur ;
son isolation éventuelle ;
les isolateurs placés aux extrémités ;
sa proximité avec le sol ;
les bâtiments ;
les arbres ;
les éléments métalliques environnants ;
la manière dont les extrémités sont fixées.

On utilise donc fréquemment une formule empirique plus proche de la réalité :

$L_{total}(m) \approx \frac{143}{f(MHz)}$

ou, selon les conditions de construction :

$L_{total}(m) \approx \frac{142,5}{f(MHz)}$

À 14,2 MHz :

$L \approx \frac{143}{14,2}=10,07\ m$

Chaque bras mesurera donc approximativement :

$5,03\ m$

Il faut cependant considérer cette valeur comme une longueur de départ, et non comme une dimension absolue.

La règle du constructeur d’antenne reste donc :

toujours commencer légèrement trop long et raccourcir progressivement.

Il est beaucoup plus facile de couper quelques centimètres que d’en rajouter !

4. Que se passe-t-il électriquement dans le dipôle ?

C’est ici que le dipôle devient particulièrement intéressant.

Le courant RF n’est pas identique sur toute sa longueur.

Pour un dipôle demi-onde correctement résonnant, le courant est approximativement maximal au centre et diminue progressivement en allant vers les extrémités.

Aux extrémités :

$I \approx 0$

La tension suit approximativement le comportement inverse.

Elle est relativement faible au centre et devient maximale aux extrémités.

On peut donc retenir :

Dipole : tension courant Cette distribution explique plusieurs propriétés du dipôle.

Le centre, où le courant est important, constitue un emplacement particulièrement intéressant pour l’alimentation.

Les extrémités, en revanche, peuvent présenter des tensions RF importantes.

C’est une raison supplémentaire pour ne pas considérer les extrémités d’un dipôle comme des endroits électriquement anodins.

5. Pourquoi le dipôle rayonne-t-il ?

Un courant alternatif haute fréquence circule dans les conducteurs du dipôle.

Ce courant produit des champs électrique et magnétique variables. Ces champs se propagent dans l’espace sous forme d’onde électromagnétique.

Le rayonnement n’est cependant pas uniforme autour de l’antenne.

Pour un dipôle horizontal placé en espace libre, le rayonnement est maximal perpendiculairement au conducteur et minimal dans l’axe du dipôle.

Vu de dessus, on représente souvent son diagramme sous la forme d’un « 8 ».

Dipole rayonnement

Le dipôle possède donc une certaine directivité.

Pour favoriser une direction donnée, il faut garder en tête que le fil doit approximativement être orienté perpendiculairement à cette direction.

En pratique, le sol et l’environnement vont fortement modifier ce diagramme idéal.

6. Quel est le gain d’un dipôle ?

Le dipôle demi-onde sert fréquemment de référence pour exprimer le gain des antennes.

Dans l’espace libre, son gain maximal est d’environ :

$2,15\ dBi$

Le « i » signifie que la référence est une antenne isotrope théorique rayonnant uniformément dans toutes les directions.

Lorsqu’on utilise le dipôle lui-même comme référence, on parle de dBd.

Par définition :

$0\ dBd \approx 2,15\ dBi$

Une antenne annoncée à 5 dBd possède donc approximativement :

$5 + 2,15 = 7,15\ dBi$

Il est donc indispensable de vérifier si le fabricant exprime son gain en dBi ou en dBd avant de comparer deux antennes.

7. Quelle est l’impédance d’un dipôle ?

Dans des conditions idéales, un dipôle demi-onde fin placé en espace libre présente au centre une résistance de rayonnement voisine de :

$73\ \Omega$

On rencontre souvent la valeur de 72 ou 73 Ω dans la littérature.

Cela pourrait laisser penser qu’un câble coaxial 50 Ω est mal adapté.

En réalité, une installation radioamateur n’est jamais en espace libre.

La hauteur au-dessus du sol, la nature de celui-ci, le diamètre du conducteur et l’environnement modifient l’impédance.

Il est donc courant qu’un dipôle installé à une hauteur réaliste présente une impédance plus proche de 50 à 70 Ω.

Avec une charge purement résistive de 73 Ω raccordée à une ligne 50 Ω, le ROS serait :

$ROS = \frac{73}{50} \approx 1,46$

Ce qui est parfaitement acceptable.

Il ne faut donc surtout pas chercher obsessionnellement un ROS de 1:1.

Un dipôle présentant 1,3:1 ou 1,5:1 peut parfaitement fonctionner.

8. Résonance et ROS : deux notions à ne pas confondre

Une antenne est résonante lorsque sa composante réactive est nulle ou très proche de zéro.

Son impédance peut s’écrire :

$Z = R+jX$

où :

R représente la partie résistive ;
X représente la réactance.

À la résonance :

$X \approx 0$

et donc :

$Z \approx R$

Mais cela ne signifie pas obligatoirement :

$Z=50\ \Omega$

Une antenne peut parfaitement être résonnante à 65 Ω.

Inversement, un système d’adaptation peut présenter 50 Ω à l’émetteur alors que l’antenne elle-même n’est pas naturellement résonnante.

C’est pourquoi, avec un NanoVNA, il est intéressant d’observer simultanément :

le ROS ;
R ;
X ;
et éventuellement l’abaque de Smith.

9. Faut-il utiliser un balun ?

Voilà une question importante.

Un dipôle est une antenne symétrique, alors que le câble coaxial est une ligne asymétrique.

En raccordant directement les deux, une partie du courant RF peut circuler sur la surface extérieure de la tresse du coaxial.

On parle alors de courants de mode commun ou, plus simplement, de courants de gaine.

Le câble coaxial peut alors participer au rayonnement.

Cela peut provoquer :

une déformation du diagramme de rayonnement ;
une modification de l’impédance ;
du rayonnement RF dans le shack ;
des perturbations sur les équipements électroniques ;
un ROS variant lorsqu’on touche ou déplace le coaxial.

La solution habituelle consiste à installer au point d’alimentation un balun de courant 1:1, souvent réalisé sous forme de choke RF.

Le rapport 1:1 indique ici qu’on ne cherche pas à transformer l’impédance.

On cherche principalement à empêcher le courant de mode commun de revenir par l’extérieur du coaxial.

10. Comment construire un dipôle ?

La construction peut rester extrêmement simple.

Il faut essentiellement :

du fil électrique ;
un isolateur central ;
deux isolateurs d’extrémité ;
du câble coaxial 50 Ω ;
un balun/choke 1:1 ;
de la corde résistante aux UV ;
quelques éléments de fixation.

Prenons un dipôle destiné à 14,2 MHz.

Notre longueur de départ calculée précédemment était d’environ :

$10,07\ m$

Plutôt que couper exactement cette longueur, nous pouvons volontairement prévoir par exemple :

$10,20\ à\ 10,30\ m$

soit environ 5,10 à 5,15 m par côté.

Cette marge permettra le réglage.

Les extrémités peuvent également être repliées sur elles-mêmes lors des premiers essais plutôt que coupées immédiatement.

11. À quelle hauteur installer le dipôle ?

La hauteur influence énormément le comportement du dipôle.

Il faut raisonner non seulement en mètres, mais également en longueurs d’onde.

Pour un dipôle 20 mètres :

5 m correspondent à environ λ/4 ;
10 m correspondent à environ λ/2 ;
20 m correspondent approximativement à λ.

Un dipôle relativement bas produit généralement davantage de rayonnement vers les angles élevés.

Cela peut être intéressant pour des communications régionales HF, notamment en configuration NVIS sur les bandes adaptées.

En augmentant sa hauteur, le diagramme évolue et davantage d’énergie peut être dirigée vers des angles plus faibles, généralement plus intéressants pour le DX.

Il n’existe donc pas une « hauteur parfaite » universelle.

Elle dépend de la bande utilisée et du type de trafic recherché.

12. Dipôle horizontal, V inversé ou dipôle incliné ?

Le dipôle n’est pas obligatoirement parfaitement horizontal.

Dipôle horizontal

C’est la configuration classique.

Elle nécessite deux points de fixation relativement hauts.

V inversé

Le centre est placé en hauteur et les deux extrémités descendent vers le sol.

V inverse

Cette configuration est particulièrement pratique lorsqu’on ne dispose que d’un seul mât.

L’impédance peut également diminuer lorsque l’angle entre les deux bras se referme, ce qui peut parfois rapprocher naturellement l’antenne des 50 Ω.

Il faut toutefois éviter de trop refermer le V.

Dipôle incliné

Une extrémité est plus haute que l’autre.

Cette configuration est parfois appelée sloper.

Elle peut être utile lorsque les possibilités de fixation sont limitées.

13. Comment régler le dipôle avec un NanoVNA ?

Une fois l’antenne installée dans sa configuration définitive, nous pouvons la mesurer.

Cette précision est importante : ne réglez pas définitivement un dipôle posé à 1,5 m du sol s’il doit finalement être installé à 10 m.

Son environnement modifiera sa fréquence de résonance.

Avec le NanoVNA, balayez une plage suffisamment large autour de la fréquence recherchée.

Supposons que nous souhaitions centrer notre dipôle à :

$14,200\ MHz$

Résonance trop basse

Si le minimum de ROS apparaît à :

$13,850\ MHz$

le dipôle est trop long.

Il faut donc le raccourcir.

Résonance trop haute

Si le minimum apparaît à :

$14,550\ MHz$

le dipôle est trop court.

Il faut donc l’allonger.

C’est pourquoi nous avions conseillé de commencer avec une antenne volontairement légèrement trop longue.

14. De combien faut-il raccourcir le dipôle ?

On peut procéder empiriquement par petites étapes, ce qui reste la méthode la plus sûre.

Mais on peut également estimer la correction.

Supposons :

longueur actuelle : 10,20 m ;
résonance mesurée : 13,90 MHz ;
fréquence souhaitée : 14,20 MHz.

Puisque la longueur est approximativement inversement proportionnelle à la fréquence :

$L_{nouvelle}=L_{ancienne}\times\frac{f_{ancienne}}{f_{nouvelle}}$

Donc :

$L_{nouvelle}=10,20\times\frac{13,90}{14,20}$

soit environ :

$L_{nouvelle}\approx9,98\ m$

La correction théorique serait donc d’environ :

$10,20-9,98=0,22\ m$

soit environ 22 cm sur l’ensemble du dipôle, donc approximativement 11 cm par bras.

Mais il reste prudent de ne pas couper immédiatement les 11 cm.

On pourra commencer par replier ou retirer 5 à 7 cm de chaque côté, remesurer, puis affiner.

15. Pourquoi faut-il raccourcir les deux côtés ?

Un dipôle est normalement symétrique.

Si l’on doit enlever 20 cm à sa longueur totale, on retirera donc :

$10\ cm$

sur chaque bras.

Cela permet de conserver :

la symétrie mécanique ;
la symétrie électrique ;
le point d’alimentation au centre.

Il serait maladroit de régler systématiquement l’antenne en raccourcissant un seul côté.

16. Attention à l’environnement

Une antenne ne fonctionne jamais seule.

Un dipôle peut être influencé par :

une gouttière ;
une toiture métallique ;
un pylône ;
une rambarde ;
des câbles électriques ;
une autre antenne ;
un grillage ;
des panneaux photovoltaïques ;
la végétation ;
le sol.

Deux dipôles rigoureusement identiques peuvent donc nécessiter des réglages différents.

C’est également pour cette raison qu’une dimension trouvée sur Internet doit être considérée comme une valeur de départ.

La mesure finale doit toujours être effectuée sur l’installation réelle.

17. Quelle puissance le dipôle peut-il supporter ?

Le fil lui-même peut généralement supporter des puissances radioamateurs importantes s’il possède une section raisonnable.

Les points critiques sont plutôt :

le balun ;
les connexions ;
le câble coaxial ;
les isolateurs ;
les tensions RF aux extrémités.

À forte puissance, les extrémités du dipôle peuvent présenter des tensions élevées.

Il faut donc utiliser des isolateurs adaptés et éviter de placer les extrémités à proximité immédiate d’éléments conducteurs.

18. Peut-on fabriquer un dipôle multibande ?

Un simple dipôle demi-onde est essentiellement une antenne monobande, même si certaines de ses résonances harmoniques peuvent parfois être exploitées.

Mais le principe peut être décliné de nombreuses façons.

On rencontre notamment :

le fan dipôle, avec plusieurs dipôles alimentés au même point ;
le dipôle à trappes ;
le dipôle raccourci par bobines ;
le doublet alimenté par ligne parallèle ;
l’Off-Center-Fed Dipole (OCFD) ;
certaines variantes multibandes alimentées hors centre.

Chacune de ces solutions mériterait d’ailleurs un article spécifique.

19. Les erreurs classiques

Le dipôle est simple, mais quelques erreurs reviennent fréquemment.

Couper directement à la longueur calculée.
Mieux vaut prévoir une marge pour le réglage.

Régler l’antenne trop près du sol.
Sa fréquence de résonance changera lorsqu’elle sera remontée.

Chercher absolument un ROS de 1:1.
Un ROS de 1,3 ou 1,5 n’est absolument pas préoccupant.

Oublier les courants de gaine.
Un choke 1:1 correctement réalisé permet généralement de mieux maîtriser le comportement de l’installation.

Faire descendre le coaxial le long d’un bras.
Dans la mesure du possible, le coaxial doit quitter le point d’alimentation approximativement perpendiculairement au dipôle sur une certaine distance.

Couper trop rapidement.
Le célèbre principe « j’en coupe encore un peu » a transformé plus d’un dipôle 20 mètres en excellente antenne pour le 17 mètres !

20. Exemple complet : construisons un dipôle pour le 20 mètres

Nous voulons utiliser principalement la partie SSB de la bande 20 mètres et choisissons :

$f=14,200\ MHz$

Longueur théorique dans le vide :

$L=\frac{150}{14,2}=10,56\ m$

Longueur pratique de départ avec la formule empirique :

$L=\frac{143}{14,2}\approx10,07\ m$

Nous décidons volontairement de fabriquer deux bras de :

$5,10\ m$

soit :

$L=10,20\ m$

Nous installons :

les deux bras ;
un choke ou balun de courant 1:1 au centre ;
le coaxial 50 Ω ;
les isolateurs d’extrémité.

L’antenne est ensuite montée à sa hauteur normale.

Nous effectuons un balayage au NanoVNA, par exemple entre 13,5 et 14,5 MHz.

Si la résonance est trop basse, nous raccourcissons symétriquement les deux bras.

Après chaque modification :

mesure → correction → remontage → nouvelle mesure.

Lorsque la résonance se trouve dans la partie de bande souhaitée et que l’impédance est raisonnable, le réglage est terminé.

Inutile de poursuivre pendant une heure pour passer d’un ROS de 1,2:1 à 1,05:1.

21. Ce qu’il faut retenir

Le dipôle demi-onde est certainement l’une des meilleures antennes pour apprendre réellement comment fonctionne une antenne.

Sa construction est extrêmement simple : deux conducteurs d’environ λ/4 alimentés au centre.

Mais cette simplicité permet d’observer presque toutes les notions essentielles de la radio :

longueur d’onde → résonance → impédance → courant et tension → adaptation → rayonnement → directivité → influence du sol → courants de mode commun.

Pour une fréquence donnée, on peut retenir comme première approximation pratique :

$L_{total}(m)\approx\frac{143}{f(MHz)}$

puis diviser cette longueur en deux bras identiques.

Mais cette formule ne donne jamais autre chose qu’un point de départ.

La véritable longueur sera déterminée par l’installation réelle.

Le diamètre et le type de fil, sa hauteur, son isolation et surtout son environnement influencent son comportement.

Il faut donc construire légèrement trop long, installer le dipôle dans une configuration aussi proche que possible de sa position définitive, mesurer sa résonance puis raccourcir progressivement et symétriquement ses deux bras.

Retenons également quelques valeurs :

longueur totale : environ λ/2 ;
chaque bras : environ λ/4 ;
courant maximal : au centre ;
tension maximale : aux extrémités ;
impédance théorique en espace libre : environ 73 Ω ;
gain : environ 2,15 dBi ;
rayonnement maximal : perpendiculairement au fil ;
rayonnement minimal : dans l’axe du dipôle.

Enfin, un dipôle n’a absolument pas besoin d’afficher 1:1 de ROS pour être une bonne antenne.

Un dipôle correctement installé, alimenté par un coaxial convenable et présentant un ROS de 1,3:1 ou 1,5:1 peut constituer une excellente antenne.

C’est même probablement l’une des antennes présentant le meilleur rapport entre simplicité, coût, efficacité et valeur pédagogique.

Deux morceaux de fil, quelques isolateurs et un peu de coaxial suffisent finalement à construire une antenne capable de réaliser des contacts à plusieurs milliers de kilomètres.

Et surtout, une fois que l’on a réellement compris le dipôle demi-onde, beaucoup d’antennes qui paraissaient compliquées deviennent soudain beaucoup plus faciles à comprendre.