Module d’alimentation pour antenne active

Dear English-speaking readers. All the explanations are writen in French, but I try to keep schematics  in English. If there is something you do not understand in this project, ask your question in English in the comments, I will answer you in English.

Abstract : This project describes an active antenna power module. It is compatible with the PA0RDT mini-whip. The enhancement concern a better rejection of power supply EMI. 

Ce module d’alimentation est destiné à ceux qui utilisent une antenne active alimentée directement par le câble. Il offre une amélioration sensible par rapports aux autres montages documentés et solutions commercialisées. Il permet à la fois un très bon filtrage des parasites en mode commun issus du  Rx, mais aussi un filtrage des résidus d’ondulation de l’alimentation utilisée.

Solutions existantes

Initial PA0RDT Mini-Whip(c) power feed

C’est le module de base utilisé dans la MiniWhip. Cela fonctionne très bien tant que des parasites en  mode commun ne remontent pas vers l’antenne, ou qu’ils remontent mais que l’on peux planter une bonne prise de terre, et donc les évacuer. C’était ce qu’avais fait PA0RDT dans son installation.

La notice de la Mini-Whip a été mise à jour avec ce module:

enhanced PA0RDT Mini-Whip(c) power feed

Cette évolution améliore la réjection des parasites de mode commun par le rajout d’un transformateur d’isolation, une prise de terre n’est plus indispensable. Cependant les parasites générés par l’alimentation externe remontent toujours assez facilement jusqu’à l’antenne.
A noter que l’ajout du transformateur d’isolation diminue la sensibilité de l’antenne aux fréquence les plus basses. l’inductance des enroulements étant  de l’ordre de 150uH, le signal transmit est atténué en dessous de 150kHz. Ceux qui utilisent leur antenne capacitive pour les VLF ont tout intérêt à reste sur le schéma initial .

Evolution proposée

F4HTQ low EMI power feed

L’astuce consiste à déplacer certains composants. Dans cette version la réjection des parasites en mode commun est identique à celle des solutions pré-existantes, mais le filtrage des parasites issus de l’alimentation est bien plus performant. Si on regarde bien, les parasites vont être filtrée par un passe bas composé d’une self de 470uH et d’une capacité de 4.8uF, ce qui amène une fréquence de coupure un peu en dessous de 4Khz.

Ainsi C1 et C2 servent à la fois à découpler mais aussi à filtrer ce qui vient de l’alimentation.

En utilisant une alimentation à découpage bas de gamme, j’avais des parasites qui remontaient à S5 sur la solution que l’on trouve sur « ebay ». Sur cette version ils sont toujours audibles, mais ils n’arrivent pas à faire décoller l’aiguille du s-mètre .

La présence du transformateur d’isolation diminue la aussi la sensibilité de l’antenne aux VLF, donc montage à éviter si votre antenne vous sert pour les VLF.

Voila la construction.

Je vous déconseille de souder la fiche d’alimentation comme je l’ai fait ici, c’est une horreur ( ça ne se voit pas, mais j’ai du souder une petite patte qui est dessous la fiche ). Dans la mesure du possible, utilisez plutôt une fiche à visser et montez votre module dans un boitier, ou alors percez votre circuit imprimé pour fixer la fiche comme prévu par le constructeur.

Si vous utilisez un boitier métallique, prenez bien soin de garder les masses  de l’antenne et du Rx isolées.

Au niveau du bobinage du transformateur, je conseille deux enroulements séparés ( et espacés)  plutôt que du bifilaire. Par rapport à du bifilaire on obtient un peu moins d’inductance, un couplage un peu moins bon, mais l’isolation du mode commun est bien meilleure en raison de l’absence d’un couplage capacitif parasite.

A noter que je n’ai pas mis de fusible de protection ( je n’en avais pas sous la main) et donc en cas de court circuit c’est la self de 470uH qui partira en fumée. Je vous encourage à en placer un fusible ( de 100mA)  à l’entrée de l’alimentation.

 

David F4HTQ.

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Source de bruit HF-VHF-UHF

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Voila un projet qui devrait être utile à tous ceux qui utilisent des sources de bruit blanc HF pour leurs mesures. Je l’ai construite car j’avais besoin d’une source de bruit VHF pour mettre au point un diplexer, mais quand j’ai vu qu’on pouvais monter jusqu’aux UHF, j’ai peaufiné le montage pour assurer la réponse la plus plate possible sur les UHF. Vous devriez donc aussi pouvoir l’utiliser pour évaluer des filtres sur la bande des 70cm.

La réponse en fréquence est quasiment plate de 200 MHz à 1 GHz, et légèrement plus élevée entre 20 MHz et 200 MHz. En dessous de 5 MHz cette source n’est pas utilisable.

Schéma:

UHF noise source schematic

La source de bruit est un transistor utilisé en avalanche ( tension inverse sur jonction base – émetteur ).  J’ai pris un BC560C (PNP) car c’est, dans les transistor encore fabriqués ( en traversants et en SMD sous la nomenclature BC860C) celui qui me donnais les meilleurs résultats. On obtiens aussi de bons résultats avec des MPSH10, mais dans ce cas il faudra inverser la base et l’émetteur sur le schéma vu qu’il s’agit d’un transistor NPN.

Le bruit est amplifié ( d’environ 30dB) par un MMIC INA-02186, qui fourni un gain à peu prés constant jusqu’a 1 GHz ( si on l’alimente avec au moins 40mA ). Le signal de sortie est disponible sous une impédance de 50 Ohms.

Le montage est alimenté par un accus NiMH de 9V  d’une capacité de 500 mAh.
Si vous désirez l’alimenter en 12V, il faudra remplacer la résistance de 82 Ohms par une résistance de 120 Ohms,

Voila le prototype construit:

UHF noise source

Au niveau de la réalisation il faut vraiment couper les pattes des composants le plus court possible, sinon l’effet inductif amènera des oscillations. On gagne aussi un peu de propreté au niveau de la sortie en « couchant » les composants contre le circuit imprimé.
Je ne pense pas que l’utilisation du material 43 pour la self de choc soit indispensable, ça devrait aussi marcher avec d’autres matériaux qui filtrent les EMI jusqu’au quelques dizaines de MHz.

Il est très important de respecter la mise à la masse du MMIC INA-02186 comme réalisé sur le prototype, si les chemins de masse des deux broches présentent une inductance de quelques nH, le montage part en oscillation.

Je peux vous assurer que ce montage n’oscille pas, afin de vous assurer de construire quelques chose de très proche, essayez de suivre autant que possible ce circuit imprimé.

UHF Noise source PCB

l’image est a 600 dpi, si vous reproduisez le circuit en tenant bien compte des dpi les dimensions seront exactement les mêmes que sur le prototype. Si vous utiliser de la photogravure, n’oubliez pas de faire un « miroir » sur le circuit avant d’imprimer le typon.

Idéalement il faudrait monter une version SMD, sur un circuit double face. Je n’ai pas actuellement sous la main l’équivalent SMD de tous les composants qui sont utilisés ici, mais si je construisais cette version, elle sera décrite dans un article.

Les captures d’analyseur de spectre qui suivent on été réalisées avec un Anritsu M160B ( analyseur de spectre analogique qui a pas loin de 40 ans), en utilisant le filtre vidéo 100Hz et prenant la photo en pause longue ( 4 minutes pour la plus longue) avec un appareil reflex sur pied déclenché par télécommande.

L’appareil a enregistré deux passages, le premier avec la source de bruit alimenté, ce qui permet de capturer sa réponse, et le second en débranchant l’alimentation de la source, ce qui permet d’avoir le plancher de bruit du dispositif de mesure.

Au niveau de la réponse en fréquence, de 0 à 2 GHz, voila ce que ça donne:

UHF Source noise – bandpass ( Anritsu MS160B)

Donc cette source de bruit est utilisable jusqu’à 1GHz, ici on la mesure a environ -50dBm, l’analyseur de spectre étant réglé pour avec -40dBm en offset de mesure.

Voila en regardant de plus prés, sur les VHF ( de 0 à 200 MHz)

noise source, VHF bandpass ( Anritsu MS160B)

Et pour finir, voila la réponse sur 50Mhz

0-50Mhz

Autre appareil de mesure, low cost et moderne cette fois ci, la clef RTL-SDR

En utilisant le logiciel « Spektrum », on obtient cette courbe de réponse en fréquence ( de 30 MHz à 1700 MHz)

Clic to enlarge

Réglages:
Les réglages s’effectuent en ajustant le potentiomètre de 10k. Une faible valeur du potentiomètre assure une courbe de réponse en fréquence très régulière, mais on perd du niveau de sortie, ainsi que du niveau en HF et VHF ( < 200 MHz). Une valeur de résistance importante permet par contre d’avoir plus de niveau en début de spectre ( de l’ordre de 10dBm de plus en dessous de 100Mhz), et aide aussi à bien fonctionner au niveau des basses fréquences. Avec un potentiomètre réglé au maximum ( 10k ) la source fourni un signal puissant à partir de 5Mhz.

Modifications:
Si vous voulez surtout l’utiliser en HF et en VHF,  et que les UHF ne vous intéressent pas, vous pouvez augmenter le niveau du signal en dessous de 200 MHz en remplaçant le condensateur de 100pF par un condensateur de 1nF. Votre source sera ainsi utilisable à partir de 1 MHz, avec 6dBm de plus de signal sur la bande HF, mais elle fonctionnera moins bien en UHF.

 

David F4HTQ.

 

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Filtre de réception pour la bande des 80 mètres

Pour la réalisation de ce filtre je suis parti ce cette description : http://www.qsl.net/aa3sj/Pages/80m-filter.html

Filter shema on AA3SJ QSL.NET page

AA3SJ à repris un filtre initialement mis au point par IK0VSV ( Marco Eleuteri ) et publié dans le numéro 105 de SPRAT

Il faut comprendre que ce filtre est optimisé pour la réception, par conséquent:

  • Il atténue beaucoup plus les fréquences inférieures à la bande passante que les fréquences supérieures. Ceci a du sens en réception ou un poste se fera plus facilement brouiller par les harmoniques que des stations radio puissantes provoquent sur l’étage d’entrée que par les stations qui sont au dessus en fréquence. Ici il s’agit de se débarrasser des stations broadcast Grandes ondes et petites ondes, et aussi de pas mal de parasites urbains ( alims à découpage principalement)
  • Si on regarde le schéma on se rendra compte que quand les fréquences deviennes très grandes ce filtre tend à devenir un simple filtre passe bas RC du premier ordre ( les inductances sont alors comme des circuit ouverts), ou même un diviseur de tension capacitif, ce qui explique la faible atténuation quand on monte en fréquence.
  • De même, quand on descend en fréquence, les condensateur du haut du schéma deviennent progressivement comme des circuits ouverts, et les inductances comme des court circuits, ce qui aboutit à une forte atténuation.
  • Un filtre généraliste destiné à équiper un émetteur/recepteur, et donc à servir aussi  en émission sera bien plus symétrique, voire plus performant sur les fréquences supérieures,  car il devra supprimer des harmoniques ou fréquences images produites par l’émetteur.
  • Ce filtre peut quand même servir comme (mauvais)  filtre d’émission, il offrira quand même quelques dizaines de db d’aténuation sur les bandes de 40 et 20 mètres mais dans ce cas la, il est prudent de ne pas trop dépasser 20W de puissance, les condensateurs céramiques utilisés étant limités à 50V.

Ce filtre est idéal dans un recepteur pour la bande des 80M ayant peu de dynamique d’entrée ( comme par exemple un recepteur dont le mélangeur d’entrée est un Ne602/ne612), il fera en amont le ménage nécessaire  pour que le mélangeur ne mélange pas n’importe quoi.

J’ai un peu modifié ce filtre pour qu’il puisse être réalisé avec des valeurs standard de condensateurs, actuellement faciles à trouver en céramique multicouche, voila ma version:

Adapted version

Voila ce que donne la simulation LTSpice pour la bande passante:

LT Spice simulation

Voila maintenant a quoi ressemble physiquement la réalisation:

Les 3 tores sont des T50-2, bobinés en 23 tours de fil 0.24mm.

Le petit interrupteur en bas à gauche sert a court-circuiter le filtre, afin de facilement faire des essais d’insertion/suppression du filtre dans une chaîne de réception.

La construction ne laisse pas beaucoup de latitude  d’erreur car il est très serré, des tores mal bobinés ou des condensateurs qui s’éloignent un peu trop des valeurs promises vous priverons d’une partie de la bande des 80M.

Voila ce que donnent les mesures en fréquence:

Elles ont été réalisées avec une source de bruit 50 Ohms home-made, et un oscilloscope ISO-TECH ISD-1102B en mode analyseur de spectre ( FFT ). J’ai rajouté 50 Ohms en parralèle sur l’entrée de l’oscilloscope pour assurer une impédance de sortie adaptée.

 

Et si maintenant, par la magie de la fusion de calques d’un logiciel de dessin, on superpose ce que donnait la simulation avec ce qui est mesuré au final.

Simulation results compared to real filter

Le résultat semble pas mal ressemblant.

Mise à jour au 21/01/2017
Compléments sur les brouillages d’un recepteur

Voila le détail des types de brouillages qui peuvent polluer, via leurs harmoniques, un recepteur sur la bande des 80M.

Je les ais directement transposé sur la courbe de réponse du filtre afin que l’on puisse juger de l’atténuation qu’il présente sur ces fréquences.

Cas du brouillage via les harmoniques:

  • Situation ou l’émetteur du brouillage produit lui même les harmoniques:
    C’est le cas de toutes les sources de brouillage qui ne produisent pas des sinusoïdes parfaites, comme par exemple les alimentations à découpage qui équipent la quasi-totalité de nos équipements électroniques actuels. Une alimentation à découpage qui fonctionne à 50khz produira donc un brouillage tous les 50khz, et ceci généralement sur plusieurs mégahertz.  Ce type de brouillage est facile à identifier, si on affiche le spectre reçu on pourra observer des raies régulièrement espacées, et généralement constantes en intensité.
    Un filtre ne peut rien contre ce type de brouillage car le brouillage est déjà présent dans la bande reçue.
  • Situation ou le recepteur produit lui même les harmoniques:
    C’est le cas des émetteurs « propres » mais puissants, comme le sont les stations radio AM ( grandes ondes et petites ondes), ou même le réseau électrique avec ses 50Hz. Dans ce cas la, l’émetteur ne produit aucun harmonique, mais c’est le recepteur, qui saturé par la puissance de ces émetteurs va lui même les produire sur son étage d’entrée (dont la linéarité n’est jamais parfaite)… et donc les recevoir.
    Par exemple une station de radio petites ondes sur 1216khz va produire sur l’entrée du recepteur un harmonique à 1216khz * 3 = 3650 Khz.. donc en plein dans la bande des 80M.
    Si on prend le cas d’une radio grandes ondes comme RMC, son 17e harmonique tombe dans la bande des 80 mètres ( 216 * 17 = 3672).
    Un filtre est particulièrement efficace pour lutter contre ce type de brouillage, car en baissant considérablement le niveau d’entrée de ces émetteurs il évite la saturation de l’étage d’entrée du recepteur et donc réduit notablement sa production locale d’harmoniques.A noter qu’une même source de brouillage peut à la fois brouiller par les harmoniques qu’elle produit que par ceux qui sont produit par l’étage d’entrée du recepteur à la réception de sa fondamentale, l’un n’exclue pas l’autre, tout se superpose. C’est souvent le cas avec des alimentations à découpage de puissance ( ascenseurs etc..) situés au voisinage de l’antenne. Dans ce cas la, un tel filtre atténuera le brouillage ( via la réduction du niveau de la fondamentale du brouilleur sur l’étage d’entrée du recepteur) mais ne changera rien aux harmoniques directement fournis par l’émetteur du brouillage.

Cas des brouillages par produits de mélange

Il est aussi possible d’être brouillé par des émissions de fréquence supérieures à la fréquence reçue. l’étage d’entrée d’un recepteur n’étant pas parfaitement linéaire, des mélanges vont s’effectuer à la réception et les produits de mélange vont se superposer au émissions reçues.
Par exemple, si une radio FM puissante est reçue à la fréquence de 100Mhz, et une autre tout aussi puissante est reçue à 103.6Mhz, deux produits de mélange vont apparaître sur l’entrée du recepteur, celle de la somme à 100+103.6 = 203.6 Mhz, qui ne va pas trop nous gêner, mais aussi celui de la différence à 103.6Mhz – 100.0Mhz = 3.6Mhz qui va se retrouver en plein dans la bande des 80 mètres.
Un filtre qui atténue les fréquences hautes  aide à considérablement réduire cette source de brouillage.

David F4HTQ
Janvier 2017

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Le bien mal-aimé filtre du module AD9850

Analyse

J’ai décidé d’écrire cet article suite à de nombreuses erreurs trouvées sur internet à propos de la sortie filtrée de ce module, plutôt populaire chez les radioamateurs qui bricolent en HF, tout en ayant apprivoisé les microcontrôleurs.

Module eBay

Ce module se commande pour moins de 10€ sur eBay et intègre les composants minimaux pour utiliser un AD9850, c’est à dire l’oscillateur  à 125Mhz nécessaire à son horloge et le filtre passe bas ( coupure à 70Mhz) indispensable pour atténuer les artefacts de discrétisation de l’AD9850.

On trouve donc en ligne des publications indiquant que la réponse en fréquence de ce filtre s’effondre dès que l’on s’aventure au delà de 10Mhz ( comme ici ), au point ou certains ne voient leur salut qu’a travers un amplificateur correcteur. D’ailleurs les vendeurs eux-même se montrent prudent la dessus sur la description du produit.

Le mieux avant de réfléchir aux remèdes, ou même de statuer sur la médiocrité du module, serait d’essayer de comprendre ce qu’il se passe.
La première étape est de récupérer le schéma du module en question, on le trouve ici

Après vérification sur la platine ( celle que j’ai photographié), le schéma est bon.

On extrait alors le schéma du filtre, que l’on re-crée dans une simulation LTSpice, ce qui donne ça

Filtre du module

On simule alors la réponse en fréquence, et ça donne ça:
Réponse du filtre idéal

Ceci est le filtre idéal, c’est à dire que les inductances n’ont aucune perte, ni ohmique, ni de matériaux, aucune dissipation électro-magnétique, et les condensateurs n’ont la aussi aucune perte.
Si on prend des composants réalistes ( Q des composants de l’ordre de 50) , ça ressemble plutôt a ça.

Avec des composants réalistes..

ça reste cependant très bon, surtout jusqu’a 40MHz, donc sans commune mesure avec ce qui est rapporté par ceux qui sont mesuré ce filtre.

Mesurer, c’est la le mot important, car si maintenant on simule le branchement d’une sonde d’oscilloscope 1 : 1 et bien voila ce que l’on mesure:

Avec sonde d'oscilloscope 1:1 115pF
Et la c’est le drame, cette horreur semble difficilement utilisable au delà de quelques MHz.
Et encore, je n’ai pas intégré l’influence de la bande passante de l’oscilloscope, qui est rarement négligeable quand on monte a quelques dizaines de MHz.
J’ai fais des mesures avec une sonde 1:1 et mes 12dB de perte à 40MHz (par rapport aux plus basses fréquences) collent très bien avec le résultat de cette simulation.

Ce qu’il se passe est donc assez simple.
Le filtre est déjà adapté en entrée et sortie ( 200 Ohms des deux cotés, via des résistances soudées sur la platine).
Quand nous rajoutons un instrument de mesure inadapté ( oscilloscope adapté sur 1MO en résistif et 100pF par mètre sur le câble de la sonde), nous perturbons sérieusement le filtre.
Pourquoi les concepteurs de ce module ont il fait ce genre de choses ?
Tout simplement car il ont besoin de la sortie filtrée sur la platine elle-même pour générer les sorties logiques.

Si on reprend leur schéma ( qui se trouve dans ce pdf ), on se rend compte que la sortie du filtre est renvoyée sur l’AD9850 via une résistance de 1k ( R12) afin de servir d’entrée de comparaison (avec une tension fixe réglable) pour générer la sortie en signaux carrés. Donc plus c’est lissé, plus le rapport cyclique sera stable.

Etant donné que le filtre est parfaitement adapté, il faudrait ne prélever aucun courant sur sa sortie ( ce qui n’est pas très pratique) pour conserver sa réponse en fréquence, on peut s’en approcher en insérant à la sortie un amplificateur en buffer de tension, par exemple avec un suiveur à base d’un jfet VHF comme le J310.

Projet de modification

L’idée est d’adapter la sortie sur 50 Ohms sans rajout d’éléments actifs.

Si on supprime la résistance de sortie de 200 Ohms ( en la dessoudant de la platine, ce qui est assez facile à faire) , et qu’on met un transformateur de rapport ( de tension ) 2 : 1 (par exemple avec une petite ferrite binoculaire en material 43 sur laquelle on aurait 2 fois plus de tours coté filtre que ce que l’on met coté sortie)  il suffira alors de charger la sortie en 50 Ohms pour avoir un filtre qui fonctionne au mieux.

Voila le montage correspondant:

Projet d'adaptation sous 50Ohms

La partie dans le cadre en pointillé modélise l’appareil de mesure, c’est à dire un appareil offrant 50 Ohms d’impédance d’entrée, que l’on connecte avec un coaxial 50 Ohms.

Et voila ce que donne la simulation:
Version modifiée pour sortie 50Ohms
On remarque qu’on à perdu 6dB de niveau de sortie ce qui est parfaitement logique vu que le rapport de transformation est de 2:1.

Alors bien sur avec cette modification on perd la sortie en signaux carrés, du moins si on ne prend pas soin de charger la sortie « analogique » en 50Ohms (ou en 200Ohms avant le transfo de sortie) , ce qui peut se faire en utilisant un commutateur.

La réalisation de cette modification fera l’objet d’un futur article.

A voir ici aussi une page intéressante ou l’auteur a lui aussi simulé le filtre, puis un ensemble de filtres de remplacement. Son approche est plus « destructrice » car elle consiste à supprimer le filtre d’origine.

 

 

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Antenne active de reception VLF

Introduction

Que sont les VLF ?

Ce sont des ondes radio de très basse fréquence, elles partent des fréquences audio ( quelques khz) jusqu’en dessous des grandes ondes ( 137khz). Elles présentent plusieurs défauts par rapports aux ondes de plus haute fréquence, comme ceux d’être plus sensibles aux parasites, d’offrir peu de bande passante disponible (ce qui exclue les communications vocales), et de nécessiter de très grandes antennes pour être émises ( généralement de plusieurs centaines de mètres ).Elles présentent par contre plusieurs avantages qui les rendent irremplaçables dans de nombreuses utilisations :

  • Elles sont très pénétrantes, et peuvent donc être reçues et émises sous l’eau (mer) ou sous de grandes profondeurs de sol. Elles sont donc abondement utilisées pour les communications vers les sous-marins militaires ou sur des systèmes de communication en spéléologie.
  • Ce sont des ondes de sol, c’est-à-dire qu’elles se propagent en suivant la courbure de la terre. Elles peuvent ainsi être reçues à plusieurs milliers de kilomètres sans nécessiter de relais. C’est la raison pour laquelle elles sont utilisées pour transmettre des signaux horaires ou des signaux de localisation.

Comment les recevoir avec un PC ?

Recevoir des ondes radios demande une antenne mais aussi et surtout beaucoup d’électronique pour traiter efficacement le signal reçu. Une évolution récente de la réception radio concerne la radio logicielle .Le principe est de réduire au maximum la partie électronique et de réaliser par logiciel un maximum de traitement, via des algorithmes de traitement numérique du signal. Pour que cela soit possible le signal radio doit être capté, amplifié, échantillonné et ensuite le logiciel peut prendre le relais pour le filtrage et la démodulation. Les échantillonneurs doivent travailler à très haute fréquence pour pouvoir traiter les radio-fréquences et ce sont donc des circuits spécialisés. Cependant, dans le cas des VLF nous pourrons travailler avec une simple carte son de PC, tout simplement car les VLF sont des très basses fréquences compatibles avec les capacités des cartes audio récentes. Nous aurons juste besoin de l’électronique pour capter et amplifier.

Cette page décrit donc la réalisation d’une antenne ferrite active pour recevoir les VLF avec un montage très basique qui devra connecté sur un PC Le principe est d’amplifier suffisamment le signal capté par l’antenne ferrite pour pouvoir l’échantillonner avec la carte son du PC, et ensuite tout le traitement restant (filtrage et démodulation) sera réalisé en numérique. Une carte son qui accepte d’échantillonner à 192Khz permettra de recevoir une fréquence maximale de 192kHz/2, soit 96khz. Si votre carte se limite à un échantillonnage de 44Khz (qualité CD), vous pourrez capter toutes les stations jusqu’à 22khz. Cette antenne est directive, c’est à dire qu’elle reçoit au mieux une station qui est placée perpendiculairement à la direction du barreau de ferrite, et qu’elle ne reçoit pas du tout une station située dans l’alignement du barreau de ferrite. Cela permet à la fois d’éliminer des parasites, mais aussi de localiser la direction dans laquelle se trouve l’émetteur.Cette antenne capte le champ magnétique de l’onde, ce qui présente un avantage en utilisation dans un bâtiment car cela réduit les parasites proches.

Conception

Modélisation LTSpice:

 

Shéma

Schéma (cliquer pour agrandir)

Description

Avant d’être réalisé physiquement, le montage a été modélisé sous LTSpice Ce logiciel de simulation (gratuit) permet d’évaluer le comportement du montage, et donc de réaliser la mise au point.On gagne ainsi un temps précieux en écartant beaucoup de mauvaises idées. Il y 3 blocs. le bloc de gauche contient une source de bruit blanc ( bruit aléatoire ou toutes les fréquences sont de même intensité) qui va nous aider à simuler les ondes radios qui arrivent jusqu’a l’antenne. Cette source de bruit n’est évidemment pas présente dans le montage final.

Le bloc du milieu contient l’antenne elle-même, c’est donc cette partie que nous devons réaliser. L’amplification est assurée par un transistor BC547C, il a été choisi pour son niveau de bruit modéré et son gain important.Le choix s’est porté sur un amplificateur àémetteur commun, ce qui peut poser des problèmes sur des hautes fréquences en raison de l’effet Miller .Cependant les VLF sont des radiofréquences de très basses fréquence, et une partie de celles-ci sont carrément dans le spectre audible ( < 20kHz), donc dans ce cas précis un amplificateur à emetteur commun est parfaitement adapté.

L’onde radio sera captée par une antenne ferrite, montée en circuit résonant avec les condensateurs C1,C2,C5. Il y a un switch qui permet de placer la résonnance soit en début de spectre VLF pour recevoir dans ce bonne conditions les émetteurs des VLF basses ( voisinage de 20Khz ), comme le SAQ, soit en partie haute des VLF ou on trouve par exemple l’émetteurs DCF77

Le bloc de droite représente l’entrée de la carte son du PC. Il faut savoir que l’entrée d’une carte son PC fournit une alimentation afin de faire fonctionner les micros actifs. C’est cette alimentation que nous allons utiliser pour faire marcher l’amplificateur de notre antenne active.Dans la modélisation j’ai représenté cette alimentation comme une source de tension de 3 volts présentant une impédance de sortie de 5k. Ce ne sont pas des valeurs arbitraires, elles correspondent à ce que j’ai pu mesurer sur une de mes machines. Sur une autre machine j’avais 1.8V avec 2K, sur une autre encore 4V avec 4K. Le montage est fait pour fonctionner quasiment a l’identique sur des configurations très différentes. Au niveau de la tension d’alimentation il fonctionne correctement à partir d’un volt, et au niveau de l’impédance d’entrée il n’y a pas de valeurs limites.

Réalisation pratique

Le montage a été réalisé a l’aide de punaises en laiton plantées dans une planche de contreplaqué, je n’ai rien inventé , cette technique à été fréquemment utilisée pour des montages très simples pour lesquels on peut se passer de circuit imprimé.

L’antenne est constituée de 100 tours de bobinage sur un barreau en ferrite en matériau 3F3. C’est un matériau très pratique pour cette antenne car il offre une permittivité magnétique importante tout en atténuant fortement le signal des fréquences supérieures aux VLF.Le 3F3 est assez difficile à trouver, si vous avez des difficultés à vous en procurer, un barreau de ferrite récupéré sur un vieux récepteur grandes ondes fera aussi l’affaire. Il faut juste que le bobinage présente une inductance de 1mH.Le transistor utilisé est un BC547C. la encore si vous avez une autre référence (à peu près n’importe laquelle) tans qu’il s’agit d’un transistor NPN, cela pourra quand même fonctionner , vous aurez certainement moins de gain, mais cela fonctionnera.Les condensateurs, non polarisés sont ici des condensateurs céramiques. Dans l’absolu un condensateur céramique de valeur élevée ( plusieurs dizaines de nano Farads) est à éviter pour un circuit oscillant car il est construit avec un diélectrique instable en température et occasionnant des pertes qui amortissent les oscillations. Ceci dit, dans notre cas, nous pouvons nous permetre une dérive en fréquence de quelques % et nous pouvons supporter les pertes d’un condensateur céramique qui serons de toute façon bien inférieures aux pertes consécutives à l’entrée sur la base du transistor.

Ce que nous apprend la simulation

Pour réaliser ces simulation nous avons stimulé le montage avec une source de bruit blanc HF ( celle qui est indiquée dans le bloc de gauche du schéma LTSpice).

 

Bande passante

bande passante en mode DCF77

C’est le réglage à utiliser pour recevoir les stations VLF dont la fréquence est supérieure a 30khz. La plus grande sensibilité est à 60kHz.

bande passante en mode SAQ

C’est la configuration à utiliser pour recevoir les stations qui sont à moins de 30kHz, la plus grande sensibilité est à 17.5kHz, ce qui correspond aux besoins de l’écoute de l’emeteur SAQ.

Amplification

Le propre d’une antenne active est d’amplifier. Ici nous avons une amplification d’un rapport 100 en tension et donc d’un rapport 10 000 en puissance, d’ou les 40dB de gain.

Gain en réglage DCF77

Partie logicielle

Coté logiciel pour votre PC je vous conseille d’utiliser SAQrx il est téléchargeable ici

SAQRx on Russia RDL

C’est un logiciel léger ( rien à installer ) assez simple, et qui contient toutes les fonctionnalités dont nous avons besoin.
A partir de windows 7, il faut avoir branché l’antenne avant de le lancer, sinon la capture audio ne peut pas être exécutée ( et vous aurez un message d’erreur au lancement).

Bien qu’il s’appelle SAQ, il permet de recevoir toutes les stations VLF. Il y a une version par fréquence d’enregistrement maximale de votre carte son. Regardez dans les préférences windows les possibilités de la votre

Préférences enregistrement micro

 

Il vous faudra lancer la version de l’exécutable correspondant à vos réglages de capture micro.

Enregistrements

DCF 77 (signaux horaires Mainflingen Allemagne)

Enregistrement effectué à 18.150Khz ( donc avec l’antenne en mode SAQ), certainement des communications navales Russes (station RDL).

Une autre effectuée a 18.100Khz, encore une base navale Russe.

Enregistrement du SAQ de Grimeton, le 3 juillet 2016 à 9h00 UTC.

ressources

Fichier de la simulation LTSpice

 

 

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Antenne active de reception monobande

Présentation

Suite à la publication du montage de l’antenne active modulaire, et à la reprise sur les news du site www.radioamateurs.org, un des membres du forum m’a contacté pour me demander conseil sur l’achat d’un antenne active. voila quels étaient ses besoins:

  • écoute de la bande des 40 mètres uniquement (et surtout la partie phonie).
  • besoin de pouvoir mettre l’antenne à l’intérieur.
  • milieu urbain, appartement au 1er étage, et mal orienté.

Son objectif était d’écouter les QSO réguliers d’amis distants. Il a utilisé auparavant une loop magnétique accordée fixée sur le balcon, mais la co-propriété lui à demandé de l’enlever. N’étant pas radioamateur, il ne profite pas du droit à l’antenne. Son budget étant très limité  et ses besoins très précis, j’ai tenté de lui concevoir une antenne sur mesure.

Pour mener les essais pendant la mise au point, j’ai comparé la réception des différents prototypes ( placés au milieu d’une pièce) a celle d’une antenne capacitive placée sur un bord de fenêtre.

Les essais intérieurs d’une antenne capacitive ont été catastrophique, le signal utile avait baissé de 16db et le niveau de parasites « domestiques » avait grimpé de quasiment 20 db. Ce n’est pas vraiment une surprise, le sujet ayant été défriché par d’autres.

J’ai essayé une loop magnétique, et même si le signal faiblissait bien moins à l’intérieur ( -6db par rapport a l’extérieur), les parasites domestiques étaient bien trop important pour que la qualité de réception s’approche de ce que j’avais en antenne capacitive sur le bord de fenêtre.

Finalement, j’ai testé en dernier recours l’utilisation d’une loop magnétique blindée, réalisée à partir de coaxial de récupération de télévision de 75Ohms. Par rapport à une loop magnétique classique, les parasites d’origine domestique ont été considérablement réduits, et la directivité de l’antenne fortement améliorée. Correctement orientée, cette antenne placée à l’intérieur de la pièce rivalise avec l’antenne capacitive placée sur la fenêtre. Bien qu’elle capte un peu plus de parasites domestiques, elle capte un peu moins de bruit atmosphérique. Au niveau de la partie active ( amplification ), il faut plus de gain que avec une antenne capacitive, le signal capté par une boucle blindée de petit diamètre étant assez faible.

Conception

Avant d’être testé en prototype, le montage a été simulé sur LTSpice. le BF961 n’étant pas disponible dans mes bibliothèques de composant, j’ai utilisé un BF992 qui est très proche.

Shéma

Shéma(cliquez pour agrandir)

Les tests d’amplification et de bande passante ont été effectués en simulant un émission radio de bruit blanc, via une source programmable et le couplage de bobines de LTSpice ( non représenté sur le schéma.

Choix techniques

Profitant de la nécessité de ne recevoir qu’une bande, qui de plus est étroite, j’ai pu éviter de  doter l’antenne d’un accord variable et donc d’en faciliter l’utilisation.  Le besoin d’amplification important découlant de l’utilisation d’une petite boucle ( 25 cm de diamètre) utilisée en intérieur, couplé à la nécessité de filtrer les parasites domestiques hors bande , m’ont incité à utiliser un amplificateur accordé.
En jouant sur l’accord de la boucle elle-même et ensuite sur celui de l’amplificateur, il est possible de suffisamment élargir la bande passante pour que le gain varie peu sur la bande reçue.j’ai doté l’amplificateur d’un gain réglable, ce qui aide à éviter que des stations locales saturent l’antenne ou le récepteur. De plus, en baissant le gain on limite la consommation et donc la vitesse de décharge de la batterie.

Fonctionnement détaillé

Le circuit s’alimente en 9V via un accu de 500mAh. Il consomme 15.3mA à puissance maximale. La led D1 mise en série avec une zener de 3.6V et une résistance de 4.7k sert à la fois de voyant de fonctionnement et de test du niveau de charge de la pile. en dessous de 7V de tension, la led s’éteint.

Le signal est capté par L1 qui résonne avec C4,C3 et C11. Il est ensuite envoyé sur la grille 1 du BF961 via une capacité de liaison de 10pF.
Le gain est réglable en agissant sur le potentiel de la grille 2, avec un accu chargé la tension appliquée varie de 0 à 4.3V quand on manipule le potentiomètre  de gain.
Sur le drain du transistor se trouve un circuit accordé constitué à partir d’une inductance moulée de 1µH mise en résonance avec 470pF + 50pF en variable. Ce circuit présente un facteur de qualité de l’ordre de 40.
La liaison à l’étage de sortie se fait via c7 (33pF), le buffer de sortie est constitué par J310 monté en source commune, chargée par 51 Ohms sur le drain. Le but est ici de fournir une sortie en basse impédance sans charger le drain du BF961.

Construction

Boucle de réception

Loop

Loop(cliquez pour agrandir)

La boucle est construite à l’aide de cable TV de récupération, c’est un cadre de 25cm de coté. l’inductance mesurée est de 1.2µH. Il est important de sectionner le blindage (ici sur la partie haute)  afin d’éviter que la composante électrique captée par ce blindage provoque des courants dans la boucle et donc un champ magnétique induit sur l’âme du coaxial. Un carré de carton est utilisé pour rigidifier la boucle, un circuit imprimé contenant le circuit d’accord est collé au bas du carton. La boucle est reliée à l’amplificateur via deux fiches bananes de 4mm.

Amplificateur

Socle

Socle

L’amplificateur est réalisé à l’aide de plots (de 7.5mm de diamètre)  collés sur une plaque d’époxy ( ici un double face, mais un simple face conviendrait tout autant).
La sortie se fait sur une fiche SO239, afin d’être compatible avec la connectique du destinataire de l’antenne.

Réglages

Une fois l’antenne construite, il est nécessaire de la régler en ajustant les condensateurs variables C4 et C8.

Si vous avez un analyseur de spectre c’est idéal, sinon vous pourrez toujours utiliser le s-mètre du récepteur.

Si vous avez une source de bruit c’est assez facile sinon on peut arriver à faire sans avec un peu de persévérance.

Le mieux est de commencer par chercher un maximum de réception en milieu de bande ( 7100 kHz), d’abord uniquement sur l’amplificateur. On y arrive bien sans brancher l’antenne boucle mais en la remplaçant par un simple fil branché sur la borne banane rouge ( ce qui a pour effet de ramasser énormément de parasites et donc de se passer d’une source de bruit). en ajustant C8 vous devez normalement passer sur deux maximums quand vous faites un tour complet. Si vous n’avez qu’un seul maximum c’est mauvais signe, ça indique que le réglage ne vous permet pas d’arriver dans la bande recherchée et que vous avez un problème de fabrication sur le circuit accordé.

Une fois l’amplificateur réglé sur 7100 Khz, branchez la boucle, et cherchez la aussi un maximum en réception en ajustant C4.

Sans source de bruit et sans analyseur de spectre, il vaut mieux attendre d’avoir de la propagation en soirée et puis chercher ce maximum à l’oreille car l’aiguille du s-mètre a de bonnes chances de ne pas décoller.

Une fois le maximum des deux réglages atteint, il faut un peu les écarter ( tourner progressivement C4 dans un sens et C8 dans le sens opposé) pour élargir la bande passante, il faut y aller très progressivement.
Avec un analyseur de spectre et une source de bruit, c’est très facile à faire, il faut essayer d’arriver à ça:

Réponse en fréquence sur la bande des 40 mètres

Réponse en fréquence sur la bande des 40 mètres

Avec juste le s-mètre et une source de bruit, on s’en sort assez facilement aussi, il faut viser S9 en millieu de bande et savoir se satisfaire d’un S7 sur les deux extrémités.

Ce dessous on peut voir comment un filtrage relativement étroit « extrait » une sinusoïde à partir d’un bruit blanc. Les petites ondulation résiduelles sont aux alentours de 100Mhz, c’est un brouillage provoqué par un émetteur radio FM situé a quelques centaines de mètres.

Réponse en fréquence

Réponse en fréquence sur 3 – 13Mhz

 

Vidéo de démonstration ( dimanche soir, vers 23h30).

 

Evidemment cette antenne placée à l’extérieur marchera encore mieux, mais dans ce cas la évitez d’utiliser un bout de carton pour rigidifier la boucle, ou alors prévoyez un parapluie.

L’étape suivante, c’est trouver comment l’emballer pour qu’elle arrive en état de marche chez son destinataire final.

 

 

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Antenne active de reception

Voila la description d’une antenne active pour les bandes HF. Elle est active car amplifiée et demande donc à être alimentée. En contrepartie elle offre une meilleure réception qu’une antenne passive de dimensions équivalentes. Elle peut servir tout autant pour la réception des bandes amateur que pour les ondes courtes. Elle sort sur une impédance de 50Ohms et peut donc être directement connectée à un récepteur commercial.

Contrairement à la majorité des réalisations commerciales, elle est accordée, c’est à dire que l’utilisateur devra ajuster la fréquence d’accord de l’antenne quand il change de station. C’est une « contrainte » qui la rend clairement moins pratique à utiliser, mais elle permet en contrepartie de limiter le bruit ainsi que les problèmes d’intermodulation. Ils est toujours préférable de filtrer un signal sur une bande étroite avant d’arriver dans des dispositifs non linéaire comme le sont les amplificateurs ou les mélangeurs. Dans le commerce on trouve des antenne bande large ( donc utilisables sur l’ensemble de la bande HF sans interaction de l’utilisateur), ou des antennes comportant des filtres de bande ( avec généralement un sélecteur selon la bande que l’on veut recevoir).

Elle est constituée en deux parties, la partie « socle » qui contient l’amplificateur et l’accord « fin », et la partie qui réalise la réception de l’onde elle même. Les deux parties sont connectées via des prises banane de 4mm. Pour l’amplificateur j’ai opté pour un transistor BF961 qui est un mosfet à double grille.

Si l’antenne a été réalisée en deux parties, c’est dans le but de facilement remplacer la partie réception afin de couvrir plusieurs bandes, ou même de changer la composante du champ électromagnétique que l’on compte recevoir ( soit la composante électrique avec une antenne capacitive, soit la composante magnétique avec une antenne boucle).


 la partie socle

Socle (cliquer sur l’image pour l’agrandir)

La réalisation est assez brouillon car c’est l’exemplaire qui a servi à la mise au point, il a donc  été retouché plusieurs fois. Elle  est alimentée par un accus de 9V, et consomme dans les 10mA, ce qui entraîne une autonomie de l’ordre de 48 heures avec un accu chargé.

Une longue tige a été fixée sur le condensateur variable de 10pF afin d’avoir une bonne précision au niveau du réglage de la fréquence reçue.

Fonctionnement

Schéma de l’amplificateur ( cliquer sur l’image pour l’agrandir)

Le condensateur C1 est destiné à découpler la sortie afin que seule la partie variable du signal soit envoyée au récepteur. La self de choc L1 sert à atténuer les émissions indésirables dans les VHF. J’ai mesuré 10dB d’atténuation sur les stations radios de la bande FM. Sur le prototype cette self de choc est réalisée en plaçant simplement une perle de ferrite sur une patte de C1.
R1 est la résistance de charge de sortie, soit quasiment 50 Ohms.
R2 (220k) sert à amener le potentiel de la grille 1 du mosfet à 0V.

C4 ( condensateur céramique de 5pF) réalise 3 fonctions:

  • Il assure un découplage avec le reste du circuit en amont, et donc ne laisse passer que la composante alternative du signal ( ce qui assure que la grille 1 reste à un potentiel moyen de 0V). Ceci dit, sur ce montage précis ce n’est pas indispensable.
  • Il limite les influences de la capacité de la grille 1 du mosfet, afin qu’elles influent moins sur la fréquence d’accord.
  • couplé avec R2, il réalise un filtre passe haut  (coupure à -6db à 150Khz soit le bas de la gamme des grandes ondes), qui permet d’atténuer considérablement les parasites « secteur » en 50Hz ( de l’ordre de – 60dB), ce qui est toujours préférable afin de limiter les risques d’intermodulation quand on rentre sur un  amplificateur.

C6 est un condensateur variable permettant d’accorder l’antenne finement sur la station reçue. Un condensateur de 10pF n’est pas facile à trouver, sur le prototype j’ai utilisé un condensateur de 2 * 20pF et j’ai connecté les deux parties en série. Ce condensateur pourrais facilement être remplacé par un accord à diode varicap. Si quelqu’un veut des conseils la dessus, qu’il se manifeste dans les commentaires et je détaillerais plus en avant.

U4, le potentiomètre ajustable  de 100k sert à régler le gain de l’amplificateur. le gain est maximal quand on approche de la moitié de la course. C’est un réglage que l’on touche rarement. Il est possible, pour limiter la consommation de réduire le gain de l’antenne en ajustant ce potentiomètre.

La fonction d’amplification réalisée ici par le BF961 est une fonction d’amplification en courant et non en tension. l’impédance sur le drain étant faible ( 51 Ohms ), la tension de sortie sera du même ordre ( même légèrement inférieure) que celle qui arrive sur la grille 1 du mosfet, par contre le courant sera bien plus élevé. On a donc sur cette antenne un circuit d’accord étroit qui, de par son facteur de qualité, amène une surtension (tout en ne pouvant fournir qu’une intensité très faible), et ensuite on conserve cette surtension sous 50 Ohms grâce au BF961.


Module de réception capacitif (champ électrique)

Module de réception capacitif

 

Module monté sur le socle

Fonctionnement

Module de réception capacitif

le principe est de capter le champ électrique via la feuille de cuivre qui est collée sur le tube en carton, et ensuite de filtrer étroitement afin de favoriser les fréquences que l’on compte recevoir. la bande passante de l’antenne est ainsi bien plus étroite que ce qu’elle serait sans ces filtres. L2/C2 sert à accorder la réception dans la bandes des 40 mètres ( à partir de 7000 kHz) et L3/C7 à le même but mais pour la bande des 80 mètres ( à partir de 3500 kHz).

les condensateurs ajustables C2 et C7 ne doivent être réglés qu’une fois pour toutes, afin de placer l’antenne dans la bande que l’on désire recevoir.

c8 (10pF) sert à relier l’antenne elle même au circuit d’accord. il limite la capacité « parasite » de l’antenne ramenée sur le circuit d’accord à 10pF.

L2 et L3 sont réalisées en utilisant des inductances « moulées » du commerce, les valeurs de 15uH et de 47uH sont usuelles et donc facile à trouver.

Un switch permet de choisir quelle bande on désire recevoir.

Tout comme c’est le cas pour la MiniWhip de pa0rdt, il vaut mieux ne pas relier directement la masse de l’antenne à la terre, mais le faire via quelques mètres de câble coaxial. Il faut comprendre que cette antenne est une sonde de potentiel et qu’elle mesure donc une différence de potentiel, différence d’autant plus élevée qu’il y a de la distance entre le point de mesure et la terre. Cette recommandation n’est valable que pour le module de réception capacitif, avec le module magnétique dont la description va suivre, c’est inutile.
plus de détails ici : http://www.pa3fwm.nl/technotes/tn07.html
e
n particulier dans la section : « Principle and electric field »


Module de réception magnétique

 

Avec module de réception loop magnétique

Fonctionnement

cadre de réception magnétique

Le principe est assez basique, c’est une antenne magnétique accordée comme celle que l’on utilisé depuis les années 30 pour la réception des grandes ondes ( antenne cadre) .

L4, constituée ici à partir de tiges d’aluminium, sert à capter la composante magnétique de l’onde, et elle raisonne avec C9 (en parallèle avec  le circuit d’accord fin du socle)  pour se caler sur la fréquence de réception.
Tout comme pour le module capacitif, le condensateur ajustable doit être réglé une bonne fois pour toute, afin que les fréquences reçues quand on manipule le condensateur variable du socle couvrent la bande reçue.

Celle ci permet de recevoir la bande des 20 mètres ( à partir de 14000 kHz).


Magnétique ou électrique ? comment choisir ?

C’est car j’étais indécis entre les deux possibilités que j’ai conçu cette antenne modulaire, afin de pouvoir facilement basculer d’un mode à l’autre, et faire des comparaisons.

Plusieurs éléments:

  • l’antenne « boucle » magnétique est directive, elle permet donc d’atténuer ou même éliminer une émission qui nous brouille. Ce que ne permet pas l’antenne capacitive qui est omnidirectionnelle (du moins pour celle qui a été construite ici).
  • Une onde plane électromagnétique au sens de Maxwell met une certaine distance à se « construire ». Cette distance est liée à la longueur d’onde.  Quand nous sommes très proches ( à moins d’une demi longueur d’onde) d’une source , la composante magnétique est très faible, alors que la composante électrique est déjà importante. Donc au voisinage d’une source de parasites, il vaut mieux recevoir la composante magnétique et donc éviter autant que possible les champs électriques.
  • les murs d’une habitation sont bien plus perméables aux champs magnétiques qu’aux champs électriques.

A partir de la:
En pleine nature, loin de toute source de parasite, la question ne se pose pas vraiment, il vaut mieux recevoir avec un cadre magnétique, car nous aurons le gain de la  directivité, ce qui réduit les parasites atmosphériques.

A l’intérieur d’un logement riche en source de brouillages proches ( néons, alimentations à découpage, moteurs… ), la aussi il vaut mieux utiliser une boucle magnétique, afin de limiter la sensibilité au champ électrique.

A la frontière d’un logement ( extérieur immédiat), et même dès le cadre extérieur d’une fenêtre ou la balustrade d’un balcon, recevoir le champ électrique peut être payant, car le champ électrique des parasites domestiques passe difficilement les murs.

pa0rdt, créateur de la mini-whip,  explique très bien ceci ici:
https://www.vfdb.org/aktuell/wp-content/uploads/2016/07/Article_pa0rdt-Mini-Whip.pdf

Dans mon logement, situé sur un étage élevé en milieu urbain, pour les bandes des 80  et 40 mètres, j’obtiens la meilleure réception en plaçant sur le bord de la fenêtre ou sur le balcon une antenne capacitive, c’est vrai sur 40 et 80 mètres. J’ai eu par contre le cas d’un brouillage puissant dont je n’ai pu me débarrasser qu’en orientant l’antenne magnétique. A l’intérieur, posé sur une table au centre de la pièce, c’est au contraire l’antenne magnétique qui est la moins inutilisable.

 

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