Comment un choke balun élimine les retours de courant de gaine sous une end-fed 9:1

Introduction : le problème invisible des antennes end-fed

L’antenne end-fed (alimentée par une extrémité) est particulièrement appréciée des radioamateurs pour sa simplicité d’installation, sa discrétion et sa polyvalence. Associée à un transformateur d’impédance 9:1 UNUN, elle permet notamment d’exploiter un fil rayonnant de longueur adaptée sur plusieurs bandes HF, sans nécessairement utiliser un système d’accord complexe.

Cependant, cette configuration présente un inconvénient souvent sous-estimé : les courants de gaine qui circulent sur la face extérieure du blindage du câble coaxial.

Ces courants parasites peuvent perturber le fonctionnement de l’antenne, provoquer des problèmes de réception, introduire des radiofréquences dans la station et rendre le diagramme de rayonnement imprévisible.

C’est précisément là qu’intervient le choke balun, également appelé common-mode choke ou bloqueur de courant de mode commun.

Son rôle est de limiter fortement la circulation des courants HF sur la gaine extérieure du coaxial, afin de mieux contrôler le fonctionnement électrique de l’ensemble antenne-alimentation.

Mais comment fonctionne-t-il réellement ? Pourquoi est-il particulièrement utile sous une end-fed 9:1 ? Et où faut-il le placer pour obtenir de bons résultats ?

1. Comprendre le fonctionnement d’une end-fed 9:1

Une antenne end-fed est alimentée à l’une des extrémités de son élément rayonnant. Contrairement à un dipôle classique, alimenté en son centre, elle présente généralement une impédance d’entrée élevée et variable selon sa longueur, sa fréquence de fonctionnement et son environnement.

Pour adapter cette impédance à une ligne coaxiale de 50 ohms, on utilise fréquemment un transformateur d’impédance 9:1, appelé UNUN.

Le terme UNUN signifie Unbalanced to Unbalanced. Il désigne un transformateur qui adapte une impédance non équilibrée à une autre impédance non équilibrée.

Dans le cas d’un rapport d’impédance de 9:1, une charge de 450 ohms est théoriquement transformée en environ 50 ohms.

Attention : ce rapport ne signifie pas que l’antenne présente systématiquement 450 ohms. Son impédance réelle varie avec la fréquence et les conditions d’installation.

Le transformateur 9:1 permet donc de réduire l’impédance présentée au câble coaxial, mais il ne garantit pas à lui seul une adaptation parfaite.

Un coupleur d’antenne est généralement nécessaire pour compenser les variations d’impédance sur les différentes bandes.

Le point essentiel est que le transformateur 9:1 ne constitue pas, à lui seul, un dispositif de suppression des courants de mode commun.

C’est une distinction fondamentale.

2. Pourquoi des courants circulent-ils sur la gaine du coaxial ?

Un câble coaxial est conçu pour transporter un signal HF entre deux équipements.

En fonctionnement normal, le courant circule sur le conducteur central dans un sens et revient sur la face intérieure du blindage dans le sens opposé.

Ces deux courants sont de même amplitude et opposés en phase. Ils constituent le mode différentiel, c’est-à-dire le mode de fonctionnement normal du câble coaxial.

Mais la situation devient différente lorsque l’antenne est alimentée par une seule extrémité.

Le système nécessite un chemin de retour pour le courant HF. Or, contrairement à un dipôle alimenté au centre, une end-fed ne possède pas nécessairement de contrepoids clairement défini.

En l’absence de dispositif adapté, une partie du courant de retour peut alors emprunter la face extérieure de la tresse du coaxial.

Il s’agit du courant de mode commun.

Il ne circule pas sur la même surface que le courant de retour normal du câble : il se déplace sur la face extérieure du blindage.

Le coaxial participe alors involontairement au système rayonnant.

Cette situation peut entraîner plusieurs conséquences :

• Le câble coaxial devient une partie imprévisible de l’antenne.
• Le diagramme de rayonnement est modifié.
• L’impédance présentée au transformateur varie selon le cheminement du câble.
• Des perturbations HF peuvent apparaître dans la station.
• Des parasites peuvent être générés dans les équipements électroniques proches.
• Les résultats de mesure du ROS peuvent varier lorsque l’on déplace le coaxial.

Le problème n’est donc pas simplement une question de ROS. Il concerne le comportement électromagnétique de toute l’installation.

Légende : Courants différentiels dans le coaxial et courant de mode commun sur la face extérieure de la gaine.

3. Le choke balun : un obstacle aux courants de mode commun

Le choke balun a pour fonction de présenter une forte impédance aux courants de mode commun.

Il agit comme une barrière électromagnétique pour les courants indésirables circulant sur la surface extérieure du blindage.

Son principe repose sur l’inductance et les propriétés des matériaux magnétiques utilisés.

Lorsqu’on enroule le câble coaxial autour d’un noyau de ferrite, ou lorsqu’on utilise plusieurs tores de ferrite traversés par le coaxial, on crée une impédance qui s’oppose au passage du courant de mode commun.

Plus cette impédance est élevée dans la bande de fréquences utilisée, plus le courant parasite est atténué.

Il faut cependant comprendre une subtilité importante : le choke n’agit pas de la même manière sur les courants différentiels.

Les courants normaux circulant dans le conducteur central et sur la face intérieure du blindage produisent des champs magnétiques qui se compensent largement.

En revanche, le courant de mode commun ne bénéficie pas de cette compensation. Le choke peut donc lui opposer une impédance importante sans perturber excessivement le transfert du signal utile.

C’est cette propriété qui rend le dispositif particulièrement intéressant pour les installations HF.

Le choke ne supprime pas physiquement tous les courants de gaine. Il les atténue en introduisant une impédance élevée dans leur circuit de circulation.

Il est donc plus juste de parler de suppression ou de réduction du mode commun que d’élimination absolue.

4. Pourquoi installer le choke sous le transformateur 9:1 ?

Dans une installation end-fed classique, le transformateur 9:1 se trouve au point d’alimentation de l’antenne.

Le câble coaxial part ensuite de ce transformateur pour rejoindre la station radio.

C’est à cet endroit que l’installation peut devenir problématique : si aucun dispositif de blocage n’est présent, la gaine du coaxial peut constituer un chemin de retour pour le courant HF.

L’installation d’un choke immédiatement après le transformateur permet de limiter cette circulation.

Le principe est simple :

1. Le fil rayonnant reçoit le courant HF fourni par l’émetteur.
2. Le courant revient par le circuit électrique associé à l’antenne et à son contrepoids.
3. Le transformateur 9:1 assure la transformation d’impédance.
4. Le choke présente une forte impédance aux courants de mode commun qui chercheraient à circuler sur la gaine extérieure du coaxial.
5. Le câble coaxial reste ainsi davantage dans son rôle de ligne d’alimentation.

Il est important de comprendre que le choke ne crée pas le contrepoids manquant.

L’antenne doit toujours disposer d’un chemin de retour pour son courant HF. Ce chemin peut être constitué d’un fil de contrepoids, d’un système de radiales ou d’une autre disposition adaptée à la configuration de l’antenne.

Sans chemin de retour approprié, le courant cherchera simplement un autre trajet.

Le choke permet donc de mieux définir le fonctionnement électrique de l’antenne, mais il ne remplace pas une conception correcte du système rayonnant.

Légende : Montage d’une end-fed 9:1 avec un choke installé immédiatement après le transformateur.

5. Quelle ferrite choisir pour un choke efficace ?

Tous les chokes ne se valent pas.

Le choix du matériau magnétique est particulièrement important, car les propriétés des ferrites varient selon les fréquences.

Pour les applications radioamateurs HF, deux matériaux sont fréquemment utilisés :

Ferrite type 31

Cette ferrite est particulièrement intéressante pour les fréquences HF basses et moyennes. Elle est souvent utilisée dans les dispositifs de suppression des courants de mode commun couvrant une large partie du spectre HF.

Ferrite type 43

Elle est également très répandue chez les radioamateurs. Elle convient notamment à de nombreuses applications HF et VHF basses, avec des caractéristiques différentes du matériau 31.

Le choix dépend donc des bandes utilisées, de l’impédance recherchée et de la puissance de l’installation.

On peut réaliser un choke avec un câble coaxial enroulé sur un tore de ferrite, ou en faisant passer le coaxial plusieurs fois dans des ferrites adaptées.

Le nombre de spires, le diamètre du tore, le type de câble et la fréquence de fonctionnement influencent directement les performances.

Il ne faut pas considérer qu’un plus grand nombre de spires donne systématiquement un meilleur résultat.

Une conception mal adaptée peut provoquer des résonances, une augmentation des pertes ou un échauffement du dispositif.

Pour une station fonctionnant sur plusieurs bandes, il est préférable de choisir une configuration dont les caractéristiques ont été vérifiées sur l’ensemble de la plage de fréquences concernée.

Légende : Exemple de choke HF réalisé avec un câble coaxial enroulé sur un tore de ferrite.

6. Quelle impédance doit présenter le choke ?

L’efficacité d’un choke dépend principalement de l’impédance qu’il oppose au courant de mode commun.

Dans la pratique radioamateur, on recherche souvent une impédance de plusieurs centaines d’ohms à plusieurs milliers d’ohms, selon la fréquence et la configuration de l’antenne.

Une valeur de l’ordre de 1 000 ohms constitue un objectif fréquemment recherché pour obtenir une atténuation intéressante.

Cependant, cette valeur ne représente pas une règle universelle.

L’impédance nécessaire dépend notamment :

• De l’impédance du système rayonnant.
• De la fréquence de fonctionnement.
• De la longueur du coaxial.
• De la puissance d’émission.
• De la présence ou non d’un contrepoids.
• De l’environnement immédiat de l’antenne.

Il faut également distinguer l’impédance inductive de l’impédance résistive du choke.

Une impédance résistive importante permet de dissiper une partie de l’énergie du courant de mode commun, tandis qu’une composante inductive importante s’oppose à sa circulation.

Dans les deux cas, le courant parasite est limité, mais les pertes et l’échauffement doivent rester maîtrisés.

Un bon choke doit donc présenter une impédance élevée sur les fréquences visées, tout en conservant de faibles pertes pour le signal utile.

7. Comment vérifier l’efficacité du choke ?

Une fois le choke installé, il est intéressant de vérifier son efficacité.

Une première méthode consiste à observer le comportement de l’installation avant et après sa mise en place.

Si le câble coaxial participait fortement au rayonnement, on peut constater une diminution de la sensibilité de l’installation au déplacement du câble.

Les variations de ROS provoquées par le simple fait de bouger le coaxial peuvent également diminuer.

Attention toutefois : une valeur de ROS plus faible ne prouve pas nécessairement que les courants de mode commun ont disparu.

Le ROS mesure l’adaptation entre la ligne et sa charge, pas directement la circulation des courants sur la face extérieure du blindage.

Pour une vérification plus précise, on peut utiliser une sonde de courant HF adaptée aux mesures de mode commun.

Cette sonde permet de mesurer le courant circulant autour du câble coaxial, sans devoir interrompre la ligne.

En comparant les mesures réalisées avant et après le choke, on peut évaluer son efficacité sur différentes bandes.

Un analyseur de réseau vectoriel (VNA) peut également être utilisé pour caractériser l’impédance du choke, avec un montage de mesure approprié.

Légende : Mesure du courant de mode commun sur un coaxial à l’aide d’une sonde HF.

8. Les erreurs à éviter

Plusieurs erreurs peuvent réduire considérablement l’efficacité d’une installation end-fed 9:1.

La première consiste à croire que le transformateur 9:1 supprime automatiquement les courants de gaine. Ce n’est pas sa fonction : il adapte les impédances, mais ne constitue pas nécessairement un dispositif de blocage du mode commun.

La deuxième erreur est de choisir une ferrite sans tenir compte des fréquences utilisées. Un choke performant sur 7 MHz peut être nettement moins efficace sur 28 MHz, selon sa conception.

La troisième consiste à installer le choke trop loin du point d’alimentation sans avoir étudié le comportement de l’ensemble. Pour une end-fed classique, son installation à proximité du transformateur est généralement un bon point de départ.

Il faut également éviter de négliger le contrepoids. Le choke ne peut pas compenser l’absence d’un chemin de retour correctement conçu.

Enfin, il ne faut pas oublier la puissance d’émission. Une ferrite mal dimensionnée peut chauffer et perdre ses propriétés dans certaines conditions d’utilisation.

Remarque : le choke, un élément essentiel d’une end-fed bien maîtrisée

L’association d’un transformateur 9:1 et d’un choke de mode commun constitue une solution particulièrement intéressante pour améliorer le comportement d’une antenne end-fed.

Le transformateur assure l’adaptation d’impédance entre l’élément rayonnant et la ligne coaxiale. Le choke, quant à lui, limite les courants indésirables qui circulent sur la face extérieure du blindage.

Ces deux composants remplissent donc des fonctions différentes et complémentaires.

En empêchant autant que possible le coaxial de participer involontairement au rayonnement, le choke contribue à stabiliser le fonctionnement de l’antenne, à réduire les perturbations HF dans la station et à rendre les mesures plus reproductibles.

Il faut toutefois garder à l’esprit qu’un choke ne constitue pas une solution miracle. Son efficacité dépend du matériau ferrite, de sa conception, de son emplacement et de la qualité du système de contrepoids.

Une end-fed 9:1 correctement installée ne se résume donc pas à un fil et à un transformateur.

C’est un ensemble électromagnétique dans lequel le rayonnement, le retour du courant et l’alimentation doivent être maîtrisés.

Le transformateur 9:1 adapte l’impédance ; le choke contrôle les courants de mode commun. C’est leur complémentarité qui permet d’obtenir une installation end-fed plus propre et plus prévisible.