Antenne Helix


Introduction

Les antennes helix ou hélicoïdales peuvent être utilisées en réception du signal vidéo en FPV. On trouve différents modèles sur le marché, marques 'La fabrique circulaire', ORT, ...

L'antenne Helix est principalement caractérisée par son nombre de spires qui va définir son gain et sa directivité.

De façon approximative :
(pour environ 13° de pas)

Gain
3 tours = 7 db
4 tours = 8.2 db
5 tours = 9.2 db
6 tours = 10.0 db
12 tours = 13 db

Angle (à -3db)
3 tours - 63°
4 tours - 54°
5 tours - 48°
6 tours - 44°
12 tours - 31°

Le gain et la directivité augmentent avec le nombre de spires.
La polarisation circulaire droite (RHCP) ou gauche (LHCP) est donnée par le sens d'enroulement des spires.
Il faut au moins 3 spires pour obtenir une polarisation circulaire correcte sur ce type d'antenne (4, c'est mieux).

Sources et documents de références

Toutes les informations qui suivent sont issues de la compilation et synthèse de différentes sources

Documents :
Helical Antennas / Prof. Girish Kumar
Helical Feed Antennas / Paul Wade
Why does reflector enhance the gain of helical antennas ? / A.R. Djordjevic, M.M. Ilic, A.G. Zajic, D.I. Olcan, and M.M. Nikolic
Optimization of Helical Antennas / Antonije R. Djordjevic, Alenka G. Zajic, Milan M. Ilic, and Gordon L. Stüber

Web
RCGroup Circularly Polarized Helical antenna

Calcul en ligne
J Coppens : Helix Antenna

Conception d'une antenne Helix

La fréquence

5.8GHz pour notre application retour vidéo FPV
La longueur d'onde correspondante : λ = 51.69mm (λ = Vitesse de la lumière (299792458 m/s) / Fréquence)

Diamètre de l'enroulement des spires

Pour que l'antenne fonctionne en mode axial, il faut que la circonférenre C soit proche de la longueur d'onde λ. (C = de 0.8 à 1.1 λ)

Pour C = λ
Diamètre : D = lambda / Pi (3.14) = 51.69 /3.14 = 16.5mm (5.8 GHz)

Choix de C

Longueur de l'antenne : L
Pour une antenne 'courte' : L/C entre 0.7 et 1 : C = 1.0 x λ. à 1.05 λ.
Pour une antenne 'longue' : L/C > 1 : C = 0.8 x λ. à 1.0 λ.
Plus l'antenne est longue, plus la circonférence peut être faible.(Donc le diamètre ...)

Pas de l'enroulement

Le pas d'enroulement doit être compris entre 3° et 16°. Dans certaines sources, on trouve plutôt 12° à 14°, ce qui correspond à des antennes large bande.
Plus l'angle de pas est petit, plus l'antenne sera bande étroite, et inversement avec un angle de pas important, on obtiendra une antenne large bande.
Pour le même nombre de spires, une antenne bande étroite aura plus de gain q'une antenne large bande.
L'angle peut être donné de façon relative à la longueur d'onde λ. Par exemple : Un angle de 13° = 0.23 x λ, soit 0.23 x 51.69mm = 11.9mm de pas.

Diamètre du conducteur (fil)

Il est intéressant d'utiliser un fil de gros diamètre pour obtenir plus de rigidité et donc une antenne moins fragile.
Le diamètre du conducteur affecte les performances de l'antenne.
Il est préférable de rester dans une fourchette : 0,0025 < diamètre fil/λ < 0,025 (0,0015 < diamètre fil/λ < 0,015, selon autre source)
Soit un diamètre de fil maxi de 1.29mm (AWG 16)

Impédance caractéristique de l'antenne

L'impédance caractéristique de l'antenne varie principalement en fonction du diamètre du fil et de l'angle de pas d'enroulement.
Ordre de grandeur : 90Ω pour un 'gros fil' et un faible pas à 260Ω pour un fil fin et un fort pas.
Le diamètre du fil étant le paramètre prépondérant.

On verra plus loin que cette impédance pose un problème pour la connexion en 50 ohms au récepteur vidéo ...

Plan de masse ou réflecteur

Dand l'idéal, ce plan de masse est de taille infinie, mais comme l'infini est trop grand, on considère que la taille minimale est proche de la longueur d'onde. Soit un diamètre de 51.7mm pour le 5.8GHz. On trouve sur d'autres sources, une taille mini 'carrée de 1.5 λ de coté'

Angle 'du faisceau' à 'demi puissance'

La directivité de l'antenne et donc l'angle du faisceau sont liés aux nombre de spires, au pas de l'enroulement et à la circonférence.

Bande passante

La bande passante de l'antenne est liée au pas d'enroulement et de façon moindre à la longueur de l'antenne. Petit pas : bande étroite
Grand pas : large bande

Adaptation d'impédance

L'antenne va être connectée à un câble coaxial d'impédance caractéristique 50 ohms (standard).
On a vu précédemment que l'impédance carctéristique de l'antenne est de compris entre 90Ω et 260Ω.
Le fait que les 2 impédances (câble / antenne) ne soit pas adaptées (égales ou proche) va produire de réflexion du signal (dans le câble ou l'antenne). Ce phénomène va dégrader les performances de l'antenne.

Pour obtenir une antenne efficace, il faut donc réaliser une adaptation d'impédance.

L'impédance nécessaire à l'adaptation entre une impédance Z1 et une impédance Z2 est : Za = Racine carrée de (Z1 x Z2).
Cette adaptation doit être réalisée sur le premier quart de tour de spire connectée à l'âme du câble coaxial.
Cette partie est la plus difficile à réaliser.

Il existe de nombreuses méthodes. On ne retiendra ici que les plus simples :

A) Avec le fil de la première spire
Un quart de la première spire est positionnée parallèlement au plan de masse à une distance précise afin de réaliser une 'microtrip' d'impédance Za.
Avec la calculatrice : MicroStrip calculator
Constante de l'air : 1.006
Diamètre du fil : 1.02
Exemple : Pour adapter 140Ω vers 50Ω, soit 83Ω

microstrip

Distance entre le fil et le surface du plan de masse = 0.45mm sur une longueur de 1/4 de λ (12.9mm) à partir de l'âme du câble coaxial.

B) IBCrazy's Wavetrap (RCgroup)
Cette solution consiste à venir braser sur le premier quart de la première spire un petit rectangle métallique.
Dimensions : 1/8 λ x 1/16 λ = 6.5 x 3.2 mm
Epaisseur : environ 0.5mm
Le centre de ce petit rectangle doit coincider avec le centre du premier quart de spire.
Il est préférable de positionner cette plaque au dessus du fil (vers l'avant)

Alex Greve alias IBCrazy, fabrique et vend des antennes sur le site Video Aerial Systems.

Réalisations

Antenne Helix Farvew 3 tours

Le modèle est open source et décliné en différentes version : Farvew
Les fichiers STL, pour l'impression 3D sont disponibles en téléchargement.

Cette antenne est assez classique, avec un angle de pas de l'ordre de 12° (large bande) et 3 tours.

Préparation du coaxial RG402 et connecteur SMA.

RG402 RG402 SMA

Pièces en PLA réalisées à partir de STL Farvew.

Farvew

Asssemblage du support et mise en place de l'enroulement du fil de cuivre (1.02mm)

Spires

Antenne complète. Le plan de masse est réalisée dans une chute de plaque de circuit imprimé.

Farvew

Antenne Helix 5 tours

J'ai conçu cette antenne avec des paramètres différents afin d'essayer d'optimiser les performances. (Réduction de la bande passante pour améliorer le gain.)
- 5 tours
- Angle de pas 8.5° (Bande passante plus étroite que la Farvew)
- Diamètre 17mm (Cλ=1.03)
- Gain : environ 10 dBi (peut-être)
- Angle : environ 60°
- Plan de masse = environ 1 λ

Eléments en PLA.

Helix5

Enroulements du fils de cuivre sur un support

Spires

Assemblage

Support

Complète. Avec la petite plaque d'adaptation d'impédance.

Helix 5

La paire

Helix

Comparatif en statique

N'ayant pas les outils de mesures nécessaires à la caractérisation d'antenne, le comparatif qui suit a pour objectif de donner des tendances, les valeurs en elles mêmes ne sont précises et sont seulement comparables entre elles.

Le matériel :

Antennes

Les antennes (dans l'ordre de la photo)
- Helix Farvew 3 tours
- Helix 5 tours 'design perso'
- Patch 'StingPad' Eachine (Masque EV800D)
- Omni Eachine (Masque EV800D)
- ImmersionRC Spironet Omni (Cloverleaf)
- ImmersionRC Spironet Patch

True D

Récepteur (VRX) Furious FPV True D V3.8

Emission : VTX AKK FX2 + Foxeer Lolilop 3

Configuration d'essai : VTX en 25mW, en intérieur (40°C à l'extérieur) avec mur en divers obstacles pour atténuer le signal RF.

Résultats

Les tests ont été réalisés en essayant de trouver le niveau le plus élevé possible pour chaque antenne sur différentes fréquences (par pointage de l'antenne). La mesure (en %) est relevée sur l'écran du VRX True D.

Il est à noter que sur les fréquences extrèmes E4 (5645MHz) et E8 (5945MHz), il a été impossible d'obtenir un quelconque signal, quelque soit l'antenne ...

Tableau

Mesures

Courbes

Courbes

Remarque : à 100%, le signal est en relatif, probablement plus 'fort'.

Les tendances

- Les 2 antennes Helix ont les gains les plus fort, même par rapport aux 2 patchs. (L'ImmersionRC est donné pour 8dBi)
- L'Helix 5T 'perso' à plus de gain que l'Helix Farvew 3T (comme prévu)
- Mais l'Helix 5T 'perso' à moins de bande passante ... (comme prévu)
- Le patch Immersion RC offre une bonne performance sur une large bande de fréquence.
- Les antennes Eachine fournies avec le masques EV800D sont relativement bande étroite.
- Dans presque tous les cas, les performances s'écroulent en bout de bande (F<5730MHz et F>5850MHz). Sauf Helix 3T.
- Quelques tests complémentaires en durcissant les conditions ont permis de vérifier que l'Helix 5T avait un peu plus de gain que la 3T (Normal ...)

Depuis juin 2005