Antenne 868MHz bi-boucles

Introduction

Ce document décrit la fabrication, la caractérisation ainsi que l’usage des antennes. Nous présenterons tous le matériel ansi que les plan nécessaire pour fabriquer ces antennes. L’usage principal est la réception des données de télémétrie lors du lancement de la fusée Andromède. En effet, deux de ces antennes seront placés de part et d’autre du point de lancement pour optimiser la réception des données. Ces antennes seront branchées à des malettes de réception qui feront office de station-sol. La fusée emet ses données via le protocole LoRa sur une fréquence de 868 MHz.

Vue en CAO du l’antenne.

Conception et dimensionnement

Ce type d’antenne est assez commun et simple de fabrication. Cependant, comme leurs applications varient ainsi que la fréquence d’usage, peu sont commercialisées pour du 868 MHz. Nous allons donc présenter les principales dimensions nécessaires au bon fonctionnement de l’antenne.

Dimensions caractéristiques

Comme nous travaillons en 868 MHz, la formule reliant la fréquence à la longueur d’onde est la suivante :

$$\lambda ={\frac {c}{f}}\quad \mathrm {avec} \quad c\approx 2.99792\;\mathrm {m/s}$$

Nous avons donc une longueur d’onde :

$$\lambda \approx 0.345382\mathrm {m}$$

Liste des pièces

Boucles

Elles doivent avoir un périmetre de longueur ${\textstyle \lambda }$, donc un diametre de ${\textstyle \approx 0.11\mathrm {m} }$. Elles se fixent au corps par quatres vis M3, deux par boucle. Une pièce en résine au sommet de l’antenne permet de maintenir les deux boucles orthogonales entre elles. De plus, cette pièce permet au deux boucle de ne pas rentrer en contact.

Corps

Il permet aux boucle de s’élever au-dessus du plan de masse, d’un distance inférieur à ${\textstyle 0.1\times \lambda }$. Dans notre cas cette distance est de 0.031 m. L’impédance de l’antenne dépendant ainsi que son gain pour des sources proche de l’horizon dépende de cette distance. Le corps est en résine, imprimé 3D en deux parties, le couvercle et la partie principale. Pour passer le contact éléctrique et maintenir le corps solidaire entre les boucles et le plan de masse, des inserts M3 sont utilisé. Quatre inserts dans le couvercle pour y visser les boucles, et quatre dans la partie principale pour se visser au plan de masse. Ceci permet de braser les cables coaxiaux avec suffisament de facilité sans compromettre la structure mécanique de l’antenne.

Cables coaxiaux

Ils permettent de transmettre les informations éléctro-magnétiques des boucles de réceptions vers la prise SMA située sous l’antenne. Ils sont au nombre de quatre dans le corps de l’antenne, brasé entre les inserts de la partie supérieur et sur la prise SMA de la partie inférieur. Les masses de ces cables sont commune. Le schéma décrivant le montage est représenté sur la figure ci-dessous :

Schéma de montage des cables coaxiaux.

Plan de masse

Il doit être inscrit dans un cercle de taille minimal de diamètre d’une demi-longueur d’onde. Ici, nous avons un octogone inscrit dans un cercle de diamètre de 173 mm

Réalisation

Pour réaliser ces antennes, les machines suivantes sont necessaire :

• une cintreuse
• une imprimante 3D
• un outils de découpe de tole
• un fer à souder

De plus, il faut aussi :

• 8 à 12 vis M3 selon les versions
• tige rond ou plat de 4 mm
• tole d’acier ou d’aluminium

Les quatres vis supplémentaires servent à attacher le connecteur SMA au plan de masse. La difference entre les antennes à profilé rond ou plat n’est pas encore établie. La tôle du plan de masse peut-être soumise à la rouille, il est recommandé d’utilser de l’aluminium.

Plan des differentes pièces

Dessins industriel

Assemblage

Pour monter l'antenne il faut disposer des pièces suivantes :

• la boite,
• le couvercle,
• le jeu des quatre cables brasés,
• le connecteur SMA et ses rondelles,
• les deux boucles antennes,
• le jeu des vis M3.

Etape	Photo	Instruction
1		Braser les differents cables selon le schéma précédant, et le braser sur les inserts en laiton.    Deux inserts sont relié par deux cables et les deux autres possèdent uniquement un cable.
2		Braser le connecteur SMA sur les deux cable coaxiaux de sortie selon le schéma précédant.
3		Le couvercle et la boite sont prets, vérifier leur ajustement.
4		Apres avoir assemblé le couvercle et la boite, le connecteur SMA va etre passer à travers le plan de masse.    Les differentes rondelles vont s'assembler selon l'ordre présenté sur la photo.
5		Le connecteur SMA est à présent vissé sur le plan de masse. La boite doit être fixé à la tole.
6		La boite est maintenu au plan de masse par quatre vis, ici des vis à tête fendu.
7		En retournant l'antenne, on retrouve le couvercle de la boite avec les quatres inserts qui doivent recevoir les boucles.
8		Les boucles doivent être inséré dans le séparateur puis ajuster pour que les quatres vis puissent passer à travers l'oeillet de bord de boucle et se visser dans l'insert du couvercle.

Validation

Vu sur le graphe produit par l'analyseur vectoriel permettant de caractériser l'absorbtion de l'antenne en fonction de la fréquence stimulée

Afin de valider le fonctionnement nominal des antennes, nous avons utilisé un analyseur vectoriel de fréquence. Cet outils nous permet de contrôler la fréquence de résonance du cablage des antennes. Après modification de la longueur des cables interne de l'antenne, il est possible d'observer le graphe fournie par l'analyseur vectoriel.

Conclusion

Au jour du 26 avril 2023, deux antennes sont produites. Leur diagramme d'absorbtion est assez similaire. Cependant l'absorbtion ne colle pas sur la fréquence de 868MHz.

Durant le mois de juin, les antennes ont été calibré en supprimant de la longueur de fil sur le connecteur SMA ainsi que sur les inserts laiton. En effet, la longueur des connecteurs en laiton n'a pas été pris en compte dans la longueur total. Ce qui a entrainer une sur-estimation de la fréquence de résonance de l'antenne.

Les deux antennes produite ont servie lors du lancement d'Andromède lors de la campagne du C'Space 2023. Elles ont permis de récupérer les données de télémétrie émise par la fusée lors de son vol.