L'effet MCCE sur les antennes

Parution Mégahertz N° 214 janvier 2001 (Auteur F5SN)

                      Le vieillissement des antennes

        L'Effet MCCE ( Mélangeur de Champs à Couple Electrolytique)


LE VIEILLISSEMENT DES ANTENNES

L'Effet M.C.C.E (Mélangeur de Champs à Couple Electrolytique)


AVERTISSEMENT

L'étude réalisée sur 4 années a nécessité une somme importante de mesures et observations avec les objectifs suivants:
  • vérifier la non interaction du récepteur ou d'autres éléments propre à la station dans le phénomène actif M.C.C.E
  • confirmer la reproductibilité de l'effet sur tous types d'antennes.

  Afin de ne pas innonder le lecteur avec des formulations de sciences physiques, la présente description sera axée sur une vulgarisation où les éléments utiles seront explicité aux lecteurs.
Une recherche via internet sur cet axe de travaux  n'a pas eu de réponses. Le baptême  « Effet M.C.C.E » créé à la suite de cette recherche,  permet ainsi de structurer et répertorier ce sujet d'étude.



Mise en situation

L'Effet M.C.C.E (Mélangeur de Champs à Couple Electrolytique) s'applique à tous types d'aériens, déca, VHF, UHS, SHF, en ciblant les plus exposées cet à dire les antennes de concepte électrique et mécanique médiocre.
Pour mieux appréhender cette description, nous nous arrêterons sur les antennes décamétriques où le phénomème est reproductible en cas d'école.
Trois critères de notoriété " culture antenne", aujourd'hui ne se discutent plus. Ce sont le type d'aérien utilisé, son accord à la fréquence de travail souhaitée. Les contrôles étant effectués avec le panel d'appareils disponibles sur le marché.
En pratique, l'aérien va se distinguer, par son type (filaire, beam, verticale), entouré selon le cas d'un coupleur variable ou adaptation fixe, symétriseur, puis d'un élément de contrôle permettant de déceler une anomalie en séquence d'émission.
Pour plus de détails sur ce passage, F9HJ a rappelé l'essentiel à la suite de ses excellentes descriptions dans les précédents Mégahertz.

L'objet de l'étude mettant en valeur l'Effet M.C.C.E cible  exclusivement le comportement en réception des antennes dans leur phase de vieillissement.
Une des premières interrogations est de mettre en évidence la notion relative de vieillissement. Or, le constat d'analyse donne une réponse significative sur ce sujet: une antenne mécaniquement jeune, peut être vieille électriquement.
Le seuil critique de vieillissement est lissé sur 4 ans pour des zones éloignées des sources importantes de pollution. Il est ramené à 6 mois en zônes industrialisées.
Ce premier constat met en évidence qu'un aérien de moins d'un an peut générer des anomalies de fonctionnement en réception.






Facteur de vieillissement.

Il est pertinent de répertorier le seuil de dégradation électrique de l'aérien, la nature de la dégradation et les  conséquences.
Les modifications du comportement électrique de l'aérien sont correllées à trois conditions sur deux registres :
environnementales:
  • la densité de pollution permanente de l'air dans l'environnement de complexes routiers ou industriels.
  • l'hygrométrie moyenne de la zone géographique où sont utilisée les antennes.
Conceptuelle:
  • le concept global de l'aériens dans ses critères mécaniques et choix des matériaux constitutif.
Le facteur d'environnement hygrométrique est à nuancer avec le facteur de pluviométrie. Le facteur de vieillissement sera plus faible en région sèche avec de fortes pluies ponctuelles.
Les conditions hygrométriques accélérant le vieillissement se situent pour un aérien soumis en permanence à 80% d'humidité relative en zone polluée.


Seuil de dégradation
Type de dégradation

Le vieillissement quantifié ci-dessus, va avoir pour effet  d'insérer intempestivement ou durablement un mélangeur à diodes au coeur des éléments mécanique de l'antenne, ou au niveau de la connectique.
Le phénomène simplifié était connu en modulation d'amplitude sous le nom de " modulation par cellule redresseuse à cuproxyde ". Système naturel qui a donner lieu à de nombreuses anecdotes lors de l'utilisation d'émetteur AM vis à vis de pièces métalliques prochent de l'émetteur. Citons une des plus cocasse pour les passants " les chaineaux qui parlent " au Qra de F9 PR (Banlieue Parisienne en 1954).
Hors mis ce cas farfelu pourtant bien réel, aujourd'hui, la technologie offrant des sensibilités accrues, met en évidence d'autres effets.

Conséquences

La mission globale de l'Effet M.C.C.E est de détériorer le rendement de l'antenne en réception par superposition d'une deuxième bande de fréquence à celle d'écoute. il en résulte une multiplication des stations sur la portion de bande de fréquence écoutée.
Plus clairement, l'Effet M.C.C.E joue le rôle d'un transpondeur qui va transferer une bande de fréquence sur celle que vous écoutez.
Il en résulte les conséquences suivantes:
  • augmentation du bruit de bande par effet électrolytique
  • confusion sur l'attribution de fréquence des stations entendues (intruders virtuels)
  • interférences par transposition de bande.

Pour des applications spécifiques tel un relais VHF ou UHF à décalage 600 Khz, l'effet et amplifié en raison d'une émission/réception simultannée sur le même aérien. Le relais, alors qu'il est en porteuse, à la possibilité de retransmettre une émission provenant d'une autre bande de fréquence. Sans porteuse du relais, la station " parasite " n'est plus présente à l'entrée du récepteur.
Fréquemment,  l'effet est attribué subjectivement à d'autres causes. La mise en place d'une antenne professionnelle de qualité excluant à 99% les couples électrolytiques, et dotée d'une excellente tenue aux phénomènes thermiques, balaye ce type de défaut. Toutefois, ceci est confirmé à condition d'un environnement proche exempt d'éléments se transformant en émetteur sous l'Effet M.C.C.E. ( réseau de haubannage métallique) Voir paragraphe " cas extrêmes ".

L'intérêt de la mise en évidence de l'Effet M.C.C.E en regard d'autres dégradations tels la transmodulation, l'intermodulation, est qu'en appriori il se confond à ceux-ci.
La résolution de problèmes rencontré en réception passe obligatoirement par une indentification stricte de la génèse du problème: dynamique du récepteur, antenne, ligne de transmission etc.
L'étude sur le phénomène de vieillissement de l'aérien démontrera que l'on a souvent accusé à tord les caractéristiques dynamiques du récepteur dans les bandes basses et en périodes nocturnes.
Tout en évitant une longue liste de résultats de mesures, il est souhaitable d'avertir les spécialistes sur les différenciations quantifiées qui ont été nécessaires au levé de doute entre les effets de transmodulation, intermodulation et M.C.C.E.

Construction naturelle du mélangeur virtuel

De part leur construction les antennes grand public, ou construction locale,  constituent un assemblage de pièces mécaniques comprenant les liaisons et le serrage.
L'utilisation de matériaux différents (fer laiton par exemple, la qualité des soudures), constituent autant de couples électrolytiques, thermoélectriques, thermochimiques. Si le phénomène d'oxydation n'est récent, la mise en route des réactions chimiques est amplifiée par les niveaux actuels de la pollution de l'air.
Nous connaissions les conséquences classiques en réception, significatives d'une détérioration , par la création de nombreux parasites à frond raides lorsque l'aérien était secoué par le vent. Mais aussi dans la situations d'une hygrométrie prolongée, la génération de parasites permanents genre " shuintement "sur les bandes écoutées.
Soumis aux agressions de la pollution de l'air, conjugué au concept de réalisation, les aériens ont la capacité de se transformer rapidement en fonction active de mélangeur en réception.


Les critères favorisant l'Effet M.C.C.E

Les observations quantifiées sur différentes antennes montrent une " hiérachie " de critères favorisant un vieillissement rapide des aériens:
  • le grand nombre de pièces mécaniques constituant l'aérien
  • les diversités de métaux utilisés
  • les modes de liaison des pièces constitutives, soudure, serrage vis (Voir photos )
  • concept du tout à la masse ou point chaud isolé.

Reconnaissons qu'il est délicat, en amateur, de réaliser l'aérien idéal ou le couple électrolytique se développerait difficilement sous l'effet des agressions de l'environnement. Ce type d'antenne n'est pas illusion, il existe réellement chez les Pro, à des prix octuplés par rapport aux antennes traditionnelles, et pour cause !.

Approche d'une modification comportementale de l'antenne

Nous allons mesurer dans la relativité le vieillissement d'une antenne par sa production de bruit blanc.
Procédure de mesure:
La procédure consistera en une mesure globale du bruit BF reçu en réception. La méthodologie sera minutieuse pour prétendre à un résultat.
Une précision est à rappeler, la mesure du bruit antenne se situant dans un contexte de relativité, il est nécessaire d'effectuer une première approche dite référentielle sur l'antenne à tester dans le temps. celle-ci étant neuve ou complètement révisée.
matériel:
  • réaliser le montage simple décrit ci-dessous.
  • récepteur sur charge 50 ohms, créer le point de référence propre aux RX sur le galva par ajustement du potentiomètre BF.
  • commuter sur l'antenne à tester en établissant les valeurs moyennes de bruit (moyenne à heures fixes et sur minimum 4 jours) qui seront au-dessus du point de référence sur charge 50 ohms.
  • croiser la manipulation avec différents récepteurs
  • noter sur un tableau de relevés les valeurs relatives sur chaques récepteurs, niveau zéro de référence, niveau moyen de bruit, niveau de bruit en recherche du viellissement.
  • les relevés sont mensuels.

Ce processus de démonstration permet d'expliquer comment suivre l'évolution de l'effet M.C.C.E et ne peut s'appliquer que dans le cadre de la recherche, ou éventuellement pour la curiosité.
Nous verrons en finalité, la solution permettant d'aller droit au but, sans être dans l'obligation de mesurer le vieillissement.
Le moment est opportun de préciser qu'il faut avoir prévu à l'origine de la mise en place des aériens, le principe d'une dépose, ou accès facile pour entretien. Malheureusement, ce n'est pas toujours réalisable.
Le circuit intégrateur est composé d'une résistance de charge équivalente à l'impédance du circuit BF de sortie (4 - 16 ohms ), la diode est germanium et le condensateur 4,7 nano-Farad. L'utilisation d'un galva à aiguille permet une lecture plus mémorisable  qu'un affichage numérique qui n'est pas à exclure suivant les pratiques. Un galva 50 ou 100 micro Ampère de sensibilité fait l'affaire. Le règlage du seuil se fait par le potentiomètre BF du transceiver.

Augmentation du bruit et utilisation de l'antenne en émission
Cette expérience est réalisée sur un dipôle comportant des couples mécaniques au niveau du balun, sans protection de la connectique.
Cette expérience non évidente à mettre en oeuvre,saisie sur plusieurs années montre qu'un aérien soumis à une émission fréquente, annule l'effet M.C.C.E ceci uniquement sur les phases naissantes d'oxydation.
De manière plus significative, des tests réalisés sur un dipôle 50 Mhz, où il était constaté une augmentation de bruit allant jusqu' 14 dB, accompagné de transposition de bande radiodiffusion, un envoi ponctuel d'une porteuse de 20 Watts pendant 3 secondes a supprimer immédiatement l'effet. Reproductibilité assurée.
Ce constat permet de penser à un auto nettoyage par la HF de la réaction chimique naissante au niveau du couple électrolytique.
Les antennes VHF, UHF,SHF avec une fonction de transpondeur ou relais sont très sensibles au point de naissance de l'Effet Mélangeur. Le seuil de déclenchement du squelch, par exemple, se modifie vers une ouverture permanente.
Il est rappelé en cours de lecture, hors mis un bruit blanc, l'effet de mélangeur ne nécessite pas obligatoirement des champs puissants, radio FM, radio téléphone divers dans les bandes environnantes.

Méthodologie accélérée

Chaque aérien de conception classique, même en parfait état va mettre en évidence l'Effet M.C.C.E, et cela, sans attendre un vieillissement mécanique ou électrolytique dans le temps. Le produit de mélange sera beaucoup plus faible.

Bien que très simple sur le fond, cette démonstration nécessitent une disponibilité d'espace physique et diverses antennes disponibles simultanément.
Il faut disposer au minimum d'une antenne décamétrique à tester et deux antennes en VHF pouvant être alimentées en même temps.
Les deux émetteurs VHF sont les " oscillateurs Locaux ". La puissance de ceux-ci doit être règlable entre 1 et 10 Watts. Les deux antennes VHF seront distantes entres elles d'environs 10 mètres. La distance entre les antennes VHF et l'antenne décamétrique à tester peut être comprise entre 20 et 100 mètres.

Processus de mesure:
  • règler la puissance des émetteurs VHF vers 5 watts
  • enclencher simultanément les deux émetteurs VHF
  • sur le récepteur déca raccordé à l'antenne en test, rechercher le signal de mélange infradine.
  • attention à la recherche du signal retour dont la précision de fréquence sera la résultante, juste, additive ou soustractive du décalage fréquence des deux émetteurs VHF.
  • noter le niveau S-mètre du signal résultant sur le récepteur déca.
  • équipé de plusieurs récepteurs, il est intéressant de vérifiez en même temps le signal de mélange sur deux antennes déca différentes.


Remarques sur l'expérience

a) le signal de mélange.
  • il existe systématiquement, ne pas le retrouver équivaudrait à une anomalie dans le process de mise en application  ci-dessus.
  • au premier essais il est souhaitable d'utiliser une puissance de 10 watts sur les deux émetteurs VHF pour trouver la résultante plus facilement.
  • si le signal résultant est à S9 voire plus, attention le mélange peut avoir une source directement à la station, connectique ou les diodes dans le TOS-mètres par exemple. 
  • la résultante infradine ou supradine change rarement la valeur du résultat. Choisir le mode infradine ou supradine en fonction de l'occupation fréquence de la bande résultante. Ici le 2 Mhz, est généralement chargé en période nocturne par des stations radiophoniques puissantes. Il est dans ce cas préférable de faire l'essais en matinée.

b) les antennes
  • Les antennes des émetteurs VHF faisant office d'OL peuvent être verticales ou Horizontales.
  • étant en contrôles relatifs avec points de repères locaux, il est nécéssaire d'utiliser le même matériel pour maintenir les repères.
Dans cette présente expérience, le résultat de mélange noté S6 est fort, il témoigne une altération de l'antenne décamétrique.

Configuration géographique de l'expérience
Les cas extrêmes

1) Cas de la transposition quasi parfaite de la bande 1,8 khz sur la bande 300 khz avec balun d'une FD4 dont les bornes de raccordement des brins actifs sont oxydées.
2) Cas complexe en réception 50 Mhz avec dipôle dont le raccordement coax est réalisé par simple serrage ame et tresse. Couple électrolytique important en périodes humides.
Une des principales conséquences est la réinjection d'une station brodcast 6 Mhz sur la bande 50 Mhz.
Effet de premier mélange:
(TX 2) 84.619 Mhz - (TX 1) 28.205 Mhz = 56.414 Mhz
Effet de deuxième mélange:
Produit 56.414 - Brodcast 6.2 Mhz = Réception porteuse modulée Brodcast sur 50.214 Mhz.

3) Lorsque l'espace géographique entourant la station est équipé de plusieurs types d'antennes décamétriques éloignées d'une trentaine de mètres, l'une d'elles se trouvant en phase d'Effet M.C.C.E se transforme en un émetteur à la fréquence de battement du mélange.
Le cas observé et travaillé, est un battement 22 Khz entre deux stations de radiodiffusion en bande basse 600 Khz, traduisant une porteuse (comme un marqueur à quartz) sur la portion de bande 14 Mhz.
Sur une antenne saine, il est possible de créer cet effet artificiellement en plaçant à la station une diode germanium entre âme et tresse du coaxial.
Généralement ce sont des effets constatés en nocturnes alors que les signaux des stations brodcast sont forts.
Ce phénomène ignoré chez le radioamateur, s'est toujours retourné invariablement contre le transceiver accusé de faire de la " transmodulation " en bande décamétrique. Il met en évidence un cumul des deux phénomènes, où, généralement l'effet MCCE a un seuil beaucoup plus bas. D'autant plus bas que l'antenne est dégradée par vieillissement. 
Conclusions à cette phase de l'étude

Des constats:
La modification du comportement des aériens dans le temps varie suivant leur conception, leur application et le milieu d'environnement auxquels ils sont confrontés.

Le facteur " environnement " met en évidence plusieurs types d'altérations:
  • modification électrique ponctuelle crée par des agents chimiques contenu dans l'air et se déposant sur les parties actives non protégées d'aériens en parfait état mécanique.
  • modification mécanique des pièces de jonction par couples électrolytiques sur environ deux années d'exposition à l'environnement
  • modifications électriques et mécaniques par conjugaison des deux effets ci-dessus.

Concernant  les applications Relais, transpondeurs, les effets de mélange sont plus pernicieux principalement à shift 600 Khz sur antenne unique. Ces mêmes effets peuvent se développer sur la connectique du duplexeur s'il n'est pas ou peu protégé contre l'hygrométrie ambiante et principalement équipé de connectique chromée.

L'effet " émetteur local " d'une antenne déca n'avait jamais été mis en évidence à notre connaissance dans le domaine radioamateur, reportant ainsi toutes les misères à la charge du récepteur.

Les augmentations de bruit, produits de mélanges quelques fois extrêment complexes sur toutes les bandes actives, perturbent significativement les caractéristiques propres aux antennes ainsi que la qualité globale du rapport Signal/Bruit.

Dans ces différents cas exposés, le dénominateur commun a pour effet  le "  Mélange de Champs à Couple Electro-chimique "dégradant la qualité de réception.
Le " vieillissement électrique" est une conjonction de facteurs d'agression. Hors mis les critères d'environnement, il est lié directement à la qualité et précaution de réalisation des aériens.
Caractéristique intéressante à constater: le terme de vieillissement n'est pas à amalgamer avec " vielles antennes rouillées ".




Des réponses:

Au terme des constats d'anomalies, une  réalisation d'aérien professionnel ou amateur s'orientera sur deux axes:

  • construire des aériens avec le soucis d'éviter, voire de supprimer tous couples métalliques favorables à produire un effet électrolytique.
  • construire des aériens avec un maximum de protection sur les éléments de raccordement (liaison interne et connectique)
  • se rendre à l'évidence qu'un aérien demande un entretien minimum annuel même s'il ne présente pas de traces apparentes de corrosion
  • être sensibilisé à penser qu'il serait une lacune de focaliser exclusivement  le fonctionnement de l'aérien sur les critères fondamentaux de résonance, réactances et gain.

une question mineure reste posée:
  • par manque d'informations quantifiées, s'interroger sur l'intérêt de protéger les connexions par différents produits sur le marché, dans le cas de constructions artisanales. Répercussion sur la protection dans le temps et les effets non prévus.

Serge NAUDIN  F5SN  Copyright 2000


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