Les antennes turnstiles

L’antenne Turnstile, également connue sous le nom d’antenne « Tourniquet », est une configuration d’antenne radio unique composée de deux dipôles perpendiculaires, offrant des caractéristiques de rayonnement polyvalentes pour diverses applications, notamment la réception de satellites météorologiques et les communications spatiales.

Caractéristiques des antennes Turnstile

Les antennes Turnstile présentent des caractéristiques uniques qui les rendent particulièrement adaptées à certaines applications spécifiques. Leur structure, composée de deux dipôles croisés à 90°, leur confère une polyvalence remarquable en termes de polarisation et de diagramme de rayonnement.L’une des principales caractéristiques des antennes Turnstile est leur capacité à produire une polarisation circulaire, ce qui les rend idéales pour la réception de signaux satellitaires.

Cette propriété est particulièrement utile pour la réception des satellites météorologiques NOAA, qui émettent en polarisation circulaire droite. La polarisation circulaire permet de minimiser les effets de rotation de Faraday dans l’ionosphère, assurant ainsi une réception plus stable des signaux satellitaires. En termes de bande passante, les antennes Turnstile offrent généralement de bonnes performances sur une plage de fréquences relativement large. Par exemple, une antenne Turnstile conçue pour la bande VHF peut couvrir efficacement la plage de 137 à 152 MHz, ce qui la rend adaptée à diverses applications satellitaires et de radiocommunication. Le gain d’une antenne Turnstile est généralement modéré, de l’ordre de 2 à 3 dBi. Bien que ce gain soit inférieur à celui d’une antenne Yagi directionnelle, il est compensé par la couverture omnidirectionnelle ou hémisphérique de l’antenne, selon le mode de fonctionnement choisi. Une autre caractéristique importante est la faible sensibilité aux interférences multichemins.

Grâce à sa polarisation circulaire, l’antenne Turnstile peut rejeter efficacement les signaux réfléchis qui changent de sens de polarisation, améliorant ainsi la qualité de réception dans des environnements complexes. La construction d’une antenne Turnstile nécessite une attention particulière à la symétrie et à l’équilibre des dipôles. L’utilisation de matériaux conducteurs de qualité, comme l’aluminium, est recommandée pour optimiser les performances.

De plus, le système d’alimentation doit être soigneusement conçu pour maintenir le déphasage de 90° entre les dipôles, essentiel à la génération de la polarisation circulaire. En résumé, les caractéristiques clés des antennes Turnstile – polarisation circulaire, couverture omnidirectionnelle ou hémisphérique, bonne bande passante et résistance aux interférences multichemins – en font des choix privilégiés pour les applications satellitaires et de radiocommunication nécessitant une réception fiable sur une large zone de couverture.

Modes et applications des Turnstile

Les antennes Turnstile se distinguent par leur polyvalence, offrant deux modes de fonctionnement principaux qui élargissent leur champ d’applications.Le mode normal, ou mode omnidirectionnel, est obtenu lorsque les dipôles sont alimentés en phase quadrature et orientés horizontalement. Ce mode produit un diagramme de rayonnement quasi omnidirectionnel dans le plan horizontal, avec une légère directivité vers le zénith. Cette configuration est particulièrement adaptée à la réception des satellites météorologiques défilants comme les NOAA, qui émettent en polarisation circulaire droite autour de 137 MHz. L’omnidirectionnalité permet de suivre le satellite tout au long de son passage sans nécessiter de système de pointage mécanique. Le mode axial est obtenu en orientant l’antenne verticalement, avec l’axe de croisement des dipôles pointant vers le ciel. Ce mode génère un faisceau de rayonnement hémisphérique avec une polarisation circulaire, idéal pour la réception de satellites en orbite basse ou géostationnaire. Ce mode est également utilisé pour la réception des sondes météorologiques, qui émettent généralement autour de 403 MHz.Les applications des antennes Turnstile sont variées :

Réception de satellites météorologiques : C’est l’application la plus répandue, notamment pour les satellites NOAA et Meteor. La polarisation circulaire et la couverture hémisphérique permettent une réception optimale des images météorologiques.
Radioamateur : En VHF, notamment sur 145 MHz, les Turnstile sont utilisées pour les communications par satellite et la réception de balises spatiales.
Radio-orientation : Des versions adaptées de l’antenne Turnstile sont employées pour la radio-orientation sur 144 MHz, offrant un bon compromis entre directivité et facilité d’utilisation.
Stations de base : Dans certaines configurations, les Turnstile peuvent servir d’antennes omnidirectionnelles pour des stations de base en VHF et UHF.
Applications aérospatiales : Grâce à leur diagramme de rayonnement hémisphérique en mode axial, ces antennes sont utilisées dans des applications aérospatiales pour maintenir des communications fiables avec les véhicules en mouvement.

La flexibilité des antennes Turnstile permet leur adaptation à diverses fréquences, de la bande VHF (137-152 MHz) à la bande UHF (400-470 MHz), élargissant ainsi leur spectre d’utilisation. Leur relative simplicité de construction et leur robustesse en font également des choix populaires pour les projets amateurs et éducatifs liés à la réception satellitaire et à la radiocommunication.

Comparaison Turnstile vs Yagi

Les antennes Turnstile et Yagi sont deux types d’antennes couramment utilisés dans le domaine des radiocommunications, chacune ayant ses propres avantages et inconvénients selon les applications visées.L’antenne Yagi, également connue sous le nom de Yagi-Uda, est une antenne directionnelle à gain élevé.

Elle se compose généralement d’un élément alimenté (dipôle), d’un réflecteur et de plusieurs directeurs. Cette configuration lui confère un gain important, typiquement entre 10 et 20 dBi, ce qui est nettement supérieur au gain d’une antenne Turnstile qui se situe autour de 2 à 3 dBi.La directivité est une différence majeure entre ces deux types d’antennes.

L’antenne Yagi a un faisceau étroit et directionnel, ce qui la rend idéale pour cibler des signaux provenant d’une direction spécifique. En revanche, l’antenne Turnstile offre une couverture omnidirectionnelle ou hémisphérique selon son mode de fonctionnement, ce qui est avantageux pour la réception de satellites défilants ou pour des applications nécessitant une couverture large.

En termes de polarisation, l’antenne Turnstile excelle dans la production d’une polarisation circulaire, particulièrement utile pour la réception de satellites météorologiques comme les NOAA. Les antennes Yagi, quant à elles, sont généralement conçues pour une polarisation linéaire, bien qu’il existe des versions à polarisation croisée pour obtenir une polarisation circulaire.

La bande passante est un autre point de comparaison. Les antennes Turnstile offrent généralement une bonne bande passante, couvrant efficacement une plage de fréquences relativement large, par exemple de 137 à 152 MHz pour les modèles VHF. Les antennes Yagi ont tendance à avoir une bande passante plus étroite, mais cela peut varier selon leur conception spécifique.Pour les applications satellitaires, le choix entre Turnstile et Yagi dépend souvent du type de satellite visé. Les Turnstile sont préférées pour les satellites défilants en raison de leur couverture omnidirectionnelle, tandis que les Yagi sont plus adaptées aux satellites géostationnaires ou pour maximiser le gain dans une direction précise.

En termes de complexité et de facilité d’utilisation, l’antenne Turnstile a l’avantage d’être fixe et de ne pas nécessiter de système de pointage, contrairement aux Yagi qui requièrent souvent un rotor pour suivre les satellites. Cependant, la construction d’une Turnstile peut être plus délicate en raison de la nécessité de maintenir un déphasage précis entre les dipôles.

En conclusion, le choix entre une antenne Turnstile et une antenne Yagi dépend largement de l’application spécifique. La Turnstile est préférée pour sa couverture large et sa polarisation circulaire, idéale pour la réception de satellites défilants, tandis que la Yagi est privilégiée pour sa directivité et son gain élevé, parfaits pour cibler des signaux distants ou spécifiques.

Phase quadrature et rayonnement

La phase quadrature est un élément crucial dans le fonctionnement des antennes Turnstile, jouant un rôle déterminant dans leurs caractéristiques de rayonnement uniques. Cette technique d’alimentation consiste à exciter les deux dipôles croisés avec des signaux déphasés de 90°, ce qui confère à l’antenne ses propriétés de polarisation circulaire et son diagramme de rayonnement spécifique

Dans une antenne Turnstile, les deux dipôles identiques sont montés perpendiculairement l’un à l’autre. L’alimentation en quadrature de phase est réalisée en injectant dans l’un des dipôles un signal déphasé de 90° par rapport à l’autre. Cette configuration génère un champ électromagnétique tournant, résultant en une polarisation circulaire.Le diagramme de rayonnement d’une antenne Turnstile dépend de son orientation et du mode d’utilisation :

Mode normal (omnidirectionnel) : Lorsque les dipôles sont orientés horizontalement, l’antenne produit un rayonnement quasi omnidirectionnel dans le plan horizontal. Ce mode est particulièrement utile pour la réception des satellites défilants, car il permet de suivre le satellite sans nécessiter de rotation mécanique de l’antenne.
Mode axial : En orientant l’antenne verticalement, avec l’axe de croisement des dipôles pointant vers le ciel, on obtient un diagramme de rayonnement hémisphérique. Ce mode est idéal pour la réception de satellites en orbite basse ou géostationnaire.

La phase quadrature joue également un rôle crucial dans la réjection des signaux parasites. En effet, les signaux réfléchis qui changent de sens de polarisation sont efficacement atténués, ce qui améliore la qualité de réception dans des environnements complexes

Pour maintenir la phase quadrature, une attention particulière doit être portée au système d’alimentation. Des techniques comme l’utilisation de lignes de transmission de longueurs différentes ou l’emploi de coupleurs hybrides sont couramment utilisées pour obtenir le déphasage de 90° requis.Il est important de noter que la précision du déphasage affecte directement les performances de l’antenne. Un déphasage imprécis peut dégrader la qualité de la polarisation circulaire et altérer le diagramme de rayonnement. C’est pourquoi la construction d’une antenne Turnstile nécessite un soin particulier dans la réalisation du système d’alimentation.En résumé, la phase quadrature est le principe fondamental qui permet aux antennes Turnstile de générer une polarisation circulaire et un diagramme de rayonnement adapté à la réception de signaux satellitaires. Cette technique d’alimentation, combinée à la géométrie spécifique de l’antenne, offre une solution efficace pour les applications nécessitant une couverture large et une bonne rejection des interférences.

Optimisation des Performances des Antennes Turnstile

L’optimisation des performances des antennes Turnstile est essentielle pour garantir une réception optimale des signaux satellitaires et améliorer leur efficacité globale. Plusieurs aspects peuvent être considérés pour améliorer les performances de ces antennes.L’un des éléments clés de l’optimisation est l’adaptation d’impédance. L’utilisation d’une couronne bobinée autour de l’antenne peut optimiser l’adaptation d’impédance et le gain aux basses fréquences

Cette technique permet d’améliorer l’efficacité de l’antenne sur une plus large bande de fréquences, ce qui est particulièrement utile pour les applications satellitaires nécessitant une réception sur différentes bandes.La qualité des matériaux utilisés joue également un rôle crucial dans les performances de l’antenne. L’utilisation de tiges de soudure à braser pour les éléments d’antenne, sur lesquelles des fiches bananes mâles sont soudées, peut améliorer la conductivité et la robustesse de la structure. Cette attention portée aux détails de construction peut significativement améliorer l’efficacité de rayonnement de l’antenne.Pour les antennes Turnstile destinées à la réception de satellites météorologiques, l’optimisation de la fréquence de résonance est primordiale.

Par exemple, une antenne double Turnstile conçue pour 137 MHz avec un connecteur SO239 peut offrir des performances optimales pour la réception des satellites NOAA. La précision de la fréquence de résonance assure une meilleure sensibilité et un meilleur rapport signal/bruit.L’amélioration du diagramme de rayonnement peut être obtenue en utilisant des configurations plus avancées. Les antennes Turnstile empilées offrent une amélioration significative des performances par rapport aux configurations simples. Cette technique permet d’augmenter le gain tout en maintenant les caractéristiques de polarisation circulaire essentielles pour la réception satellitaire.Dans le contexte des applications IoT, où les antennes Turnstile peuvent être utilisées dans des appareils compacts, le contrôle du plan de masse est crucial. Une attention particulière doit être portée à cet élément pour optimiser les performances de l’antenne dans des espaces restreints.

Cela peut impliquer des ajustements dans la conception du circuit imprimé ou l’utilisation de techniques de miniaturisation.Pour les applications en UHF, comme la réception de satellites amateurs sur 435 MHz, des antennes Turnstile spécifiquement optimisées peuvent offrir une réception satellite optimale. Ces antennes sont conçues pour maximiser le gain et la sensibilité dans cette bande de fréquences particulière.Enfin, l’optimisation peut également passer par des variations innovantes de la conception de base. Des approches comme l’antenne « Big-Wheel », qui est une évolution de l’antenne Turnstile, peuvent offrir des performances améliorées pour certaines applications spécifiques.

Ces variations permettent d’adapter l’antenne à des besoins particuliers tout en conservant les avantages fondamentaux de la configuration Turnstile.En conclusion, l’optimisation des performances des antennes Turnstile implique une attention minutieuse à divers aspects, allant de l’adaptation d’impédance à la qualité des matériaux, en passant par des configurations avancées et des variations de conception. Ces optimisations permettent d’améliorer significativement l’efficacité et la polyvalence de ces antennes pour diverses applications, notamment dans le domaine de la réception satellitaire et des communications radio.