L'EMISSION HF  ( 1 )

Les articles pr�c�dents nous ont montr� comment les ordres du pilote �taient respectivement CODES puis DECODES, de mani�re � pouvoir v�hiculer ces informations sur "un seul fil". Bien entendu, entre le pilote et le mod�le ce "fil" n'est pas mat�riel. Et le seul moyen efficace existant pour le r�aliser est la liaison HAUTE FREQUENCE. C'est la raison qui nous am�ne � vous parler dans les lignes qui suivent ... de la HF !

I. Le rayonnement hertzien.

Lorsqu'un courant �lectrique passe dans un conducteur, il cr�e tout autour de lui un champ magn�tique. Ce champ existe � distance avec une intensit� d�croissant avec le carr� de cette distance :

                   H = k e / d²                                                Voir Fig. 1

Ce champ poss�de une certaine �nergie         W = k' H²
et il se propage � la vitesse de la lumi�re ( c = 300000 km/s )
Lorsque le courant g�n�rateur du champ est brutalement interrompu, les lignes de force proches se replient vers le conducteur et y cr�ent le ph�nom�ne de self-induction
( surtension � la coupure g�n�rant souvent une �tincelle ) par effet de retour d'�nergie.
Mais les lignes de force lointaines n'arrivent pas � effectuer ce repli et l'�nergie qu'elles repr�sentent devient de l'�nergie en libert� : C'est le rayonnement hertzien.
Pour obtenir le ph�nom�ne de rayonnement, il faut provoquer des lanc�es et arr�ts TRES rapides de nos �lectrons. Le plus simple �tant de les soumettre � un courant ALTERNATIF rapide, donc � HAUTE FREQUENCE.     Fig. 2


Courants �lectriques et champs se d�pla�ant � 300000 km/s, on appelle LONGUEUR d'ONDE (l) la distance parcourue en une PERIODE.

La FREQUENCE �tant le nombre de p�riodes existant par seconde.
La fr�quence s'exprime en HERTZ ( Hz ), 1 p�riode par seconde, en KILOHERTZ ( kHz ), 1000 p�riodes par seconde, en MEGAHERTZ, (MHz)
1million de p�riodes par seconde, en GIGAHERTZ ( GHz ) 1 milliard de p�riodes par seconde. Ainsi si la p�riode d'un courant alternatif est de 1 �s,
la fr�quence est de 1 MHz et la longueur d'onde est : l = 300000 / 1000000 = 0.3 km soit 300 m.

On estime que les lignes de force situ�es � moins de 1 longueur d'onde parviennent � se replier. Dans cette zone il n'y a pas de vrai rayonnement mais de l'induction, le rayonnement n'existant vraiment qu'au del�.

Un EMETTEUR de rayonnement HF ( ou hertzien ) comprend donc :
- Un conducteur parcouru par le courant HF et qui rayonne : C'est l'ANTENNE.
- Un g�n�rateur de courant alternatif alimentant le conducteur : C'est l'OSCILLATEUR HF.

L'�metteur est caract�ris� par la FREQUENCE du courant g�n�r�. Le minimum possible se situe aux environs de 100 kHz
et le maximum vers les 30 � 40 GHz qui nous am�nent � la lumi�re infra-rouge. On a quelques bandes de fr�quences remarquables :
- Les Grandes Ondes (GO ) de 100 kHz � 500 kHz
- Les Petites Ondes ( PO ) de 500 kHz � 1500 kHz
- Les Ondes Courtes ( OC ) de 1500 kHz � 30 MHz
- Les VHF ( Very High Frequency ) de 30 MHz � 300 MHz
- Les UHF ( Ultra High Frequency ) de 300 MHz � 2 GHz etc ...
Nos �metteurs de Radio-Commande se situent en bas des VHF : 35, 40, 41, 72 MHz correspondant � des longueurs d'onde de 8.5 m, 7.5 m, 7.3 m et 4.16 m .
Autre caract�ristique d'un �metteur HF : Sa PUISSANCE. Celle-ci d�termine l'intensit� du rayonnement donc la distance d jusqu'o� on pourra le d�tecter, c'est la PORTEE.

II. L'ANTENNE de L'�metteur.

C'est un �l�ment essentiel, on le devine.
Son fonctionnement peut �tre compris en observant la Fig. 3 o� nous �voluons progressivement du circuit ferm� � l'antenne effective.
En a) le g�n�rateur fait passer un courant HF dans la boucle ABC mais les champs des brins A et C annulent celui de B.
En b) intercalons un condensateur : la HF passe toujours. Ecartons les armatures L et K, comme en c) jusqu'� d) o� le condensateur n'est plus mat�riel mais remplac� par les capacit�s r�parties : Cette fois, les brins A et C sont en phase et leurs rayonnements s'additionnent.
Pour �tre efficace, l'antenne ainsi constitu�e doit �tre ACCORDEE pour entrer en r�sonance pour la fr�quence du signal HF. Il s'�tablit alors un r�gime d'ondes stationnaires stables que nous montre la Fig. 4. On a un ventre d'intensit� ( max ) au point de connection du g�n�rateur et des noeuds ( min ) aux extr�mit�s.


Une telle antenne est appel�e DIPOLE ou DOUBLET. Elle est tr�s connue des radio-amateurs. La longueur totale est la demi-onde comme on le voit tr�s bien
sur la figure. Notons que la m�me antenne peut travailler en HARMONIQUE
( 3 sur la figure ) Le dipole peut �tre install�e vertical ou horizontal.

Pour nos �metteurs RC et autres portables, le doublet n'est pas pratique.
On utilise plut�t des antennes en QUART d'onde, le brin inf�rieur �tant remplac� par la terre. Voir Fig.5 . On conserve un ventre d'intensit� � la sortie g�n�rateur
et un noeud � l'extr�mit�. En fait sur les portables, la terre est simul�e par un CONTREPOIDS m�tallique qui est soit une carrosserie, un bo�tier m�tallique, voire la masse �lectrique du montage. Bien entendu, cela n'am�liore pas le rendement global.

En 72 MHz, le quart d'onde est 4.16 / 4 = 1.04 m : la classique antenne t�lescopique est quasiment accord�e de fait. En 41, elle devrait mesurer 7.3 /4 = 1.80 m ! Ce n'est gu�re possible. On a recours � un artifice : On allonge �lectriquement l'antenne en intercalant �
sa base une bobine de quelques spires.
Certains vont jusqu'� raccourcir encore plus ( antenne courte ) mais il n'y a pas de miracle : le rendement ne pas aller en s'am�liorant ! Evidemment une antenne courte bien accord�e peut �tre aussi efficace qu'une longue qui ne l'est pas !
L'antenne quart d'onde est omni-directionnelle : elle rayonne �galement dans toutes les directions, cr�ant un champ �lectrique circulaire. Toutefois ce champ est minimum dans le prolongement du brin rayonnant. Il faut donc �viter de pointer le mod�le avec l'antenne.
Pratiquement, avec un ensemble efficace, ce ph�nom�ne est invisible et ne constitue pas une contrainte.

III.   L'OSCILLATEUR HF.

Un oscillateur est un amplificateur dans lequel on introduit une r�action POSITIVE. Fig. 6 . Tout signal inject� en e+ est amplifi� et sort de s en phase avec l'entr�e. Un circuit de r�action renvoie dans l'entr�e une fraction dos�e du signal de sortie. Le ph�nom�ne est cumulatif et le montage entre en oscillation � une fr�quence d�pendant des valeurs des composants.



- Oscillateur LC.

Dans ce type d'oscillateur on met en jeu le ph�nom�ne de RESONANCE �lectrique : Quand on associe en parall�le ( ou en s�rie ) une inductance L et un condensateur C, le tandem LC r�sonne pour une fr�quence tr�s pr�cise F donn�e par la c�l�bre formule de THOMSON :
                                  
Ainsi l'amplificateur de la Fig. 8 donnera-t-il un maximum de tension de sortie quand la fr�quence inject�e sur l'entr�e ( la base de T ) correspondra � la r�sonance du circuit LC. Mais un enroulement secondaire coupl� � L pr�l�ve dans le sens convenable une fraction de cette tension et la renvoie vers cette base. Il n'en faut pas plus pour que le montage entre en oscillation sur la fr�quence F du circuit r�sonant LC.


Avantages : La fr�quence F est facilement modifi�e,
soit en agissant sur L ( avec un noyau ou par commutation )
soit en montant en C un condensateur variable ou ajustable ou une VARICAP
c'est-�-dire une diode qui sous l'effet d'une tension continue de commande, se comporte en condensateur ajustable.
Inconv�nient : Evidemment la fr�quence n'est pas tr�s stable, elle a une f�cheuse tendance � "glisser" avec la temp�rature, la tension d'alimentation .... Il y a quelques ann�es, les radio-amateurs �taient cependant pass�s ma�tres dans l'art de ma�triser les glissements des VFO ( Variable Frequency Oscillator ) de leurs �metteurs. Nous verrons plus loin comment
les progr�s de la technique ont gomm� ces acquis de l'exp�rience !

- Oscillateurs � quartz.

S'il est int�ressant, pour un radio-amateur d'explorer finement une bande de trafic pour �tablir le QSO du si�cle, donc d'utiliser l'oscillateur LC, beaucoup d'autres applications, entre autres la radio-commande, y voient un gros inconv�nient car la liaison doit se faire sur une fr�quence pr�d�finie et non ... "glissante" !!
On a ( ou on avait, devrions-nous dire ! ) alors recours � des oscillateurs stabilis�s par QUARTZ.
Le quartz est un cristal naturel qui taill� en cons�quence pr�sente le ph�nom�ne de PIEZO-ELECTRICITE. Soumise � une contrainte m�canique, une lamelle de quartz d�veloppe sur ses faces des charges �lectriques de polarit�s oppos�es. On utilise cette facult� dans certains allume-gaz, par ex. Mais inversement, une tension �lectrique appliqu�e sur les faces produira une d�formation m�canique de la lamelle. Si cette tension est alternative, la lamelle va donc vibrer et comme toute lamelle vibrante, elle va pr�senter une fr�quence de r�sonance pour laquelle la vibration sera maximale.
Ce que les �lectroniciens appellent "un quartz" est donc une lamelle de quartz maintenue par deux connexions sur ses faces et install�e dans un bo�tier ad-hoc. Voir photo . Les fabricants de "quartz" savent tailler des lamelles oscillant en FONDAMENTALE de quelques 100 kHz � 30 MHz environ. Au-del�, ces lamelles deviennent trop fines et on pr�f�re
utiliser des oscillations harmoniques. On parlera alors de quartz en partiel 3 ( ou overtone 3 ), en partiel 5, 7 .. Ainsi les classiques quartz CIBI de 27 MHz sont en fait des lamelles 9 MHz oscillant sur leur troisi�me harmonique. ( partiel 3 )

L'avantage du quartz est que, comme pour une lamelle m�tallique, la r�sonance est EXTREMEMENT pointue, beaucoup plus que celle du circuit LC. Alors que le coefficient de surtension Q de celui-ci ne d�passe gu�re 100, celui du quartz atteint souvent la centaine de milliers !
Selon la fa�on de le tailler, le quartz sera � r�sonance s�rie ou parall�le.    Voir Fig. 9.
- R�sonance s�rie : Le quartz est �quivalent � un circuit LC s�rie.
Comme lui, il pr�sente une imp�dance minimum � la r�sonance :
L'intensit� du courant le traversant est maximale.
- R�sonance parall�le : Le quartz est �quivalent � un circuit LC parall�le : Il pr�sente une imp�dance maximale � la r�sonance et donc d�veloppe un maximum de tension.

Il est facile de r�aliser un oscillateur HF � quartz.
   Fig. 10. C'est le classique oscillateur des �metteurs 27 MHz.

L'amplificateur est un transistor T accord� en sortie sur 27 MHz par le tandem LC. Un quartz SERIE est connect� entre collecteur et base. Il r�injecte, en phase, sur cette base une fraction du signal de sortie. Le montage entre en oscillation sur la fr�quence TRES pr�cise du quartz : 27045, 27095, 27120 .... Le montage est d'une tr�s grande stabilit� et il est tr�s difficile de d�vier sa fr�quence. On l'utilise donc dans les montages AM.

                                                     .
Fig. 11   Cette fois utilisation d'un transistor � effet de champ ( FET ) dont les �lectrodes sont le "gate" d'entr�e, le "drain" de sortie et "la source" reli�e � la masse. La sortie est accord�e sur la fr�quence d�sir�e. On trouve sur le gate un quartz PARALLELE qui donne un maximum de tension � la r�sonance. Le report d'�nergie se fait � l'int�rieur du FET par sa capacit� parasite drain-gate souvent importante. L'�nergie renvoy�e porte le quartz � la r�sonance et fait osciller le montage.
On notera la pr�sence du condensateur Caj. Il permet d'ajuster finement la fr�quence g�n�r�e et s'il est remplac� par une VARICAP, permet la modulation de fr�quence ( FM ) pour laquelle ce type d'oscillateur sera donc retenu.

- Oscillateur � synth�se de fr�quence.

L'oscillateur LC change facilement de fr�quence, mais il "glisse". L'oscillateur � quartz ne glisse pas, mais impose l'�change du quartz
pour une modification de fr�quence. Cet �change, acceptable parfois,
est �videmment intol�rable s'il doit se faire souvent ou surtout s'il faut pouvoir disposer tr�s facilement de nombreuses fr�quences diff�rentes. Les �lectroniciens HF ont �t� longtemps confront�s � ce dilemme. Heureusement, les avanc�es spectaculaires de l'�lectronique digitale ont permis, depuis une bonne vingtaine d'ann�es la r�solution cat�gorique
du probl�me : C'est la SYNTHESE de FREQUENCE. C'est tr�s simple, il suffit d'associer l'oscillateur LC et .... le quartz. Voyons cela
en Fig. 12.
Au d�part un oscillateur LC, donc variable mais instable. La fr�quence est d�termin�e par L et par une VARICAP ( diode � capacit� r�glable par tension continue, r�p�tons-le ). L'oscillation g�n�r�e F est envoy�e dans un compteur num�rique C1 qui la divise par un facteur donn� N. La sortie du compteur C1 d�livre donc F/N.
Par ailleurs un oscillateur � quartz tr�s stable fournit une fr�quence de r�f�rence quelconque Fr . Cette fr�quence est divis�e par R � l'aide d'un second compteur C2 dont la sortie d�livre par cons�quent Fr/R

Les param�tres sont choisis de mani�re � ce que F/N soit �gal � Fr/R. Par exemple : Oscillateur LC sur 72250 kHz, divis�
par N choisi � 14450 donnant sortie de C1 � 72250/14450 = 5 kHz. Quartz de r�f�rence choisi � 8000 kHz, divis� par
1600 donnant sortie de C2 � 8000/1600 = 5 kHz �galement. Bien s�r, ce dernier 5 kHz est STABLE et le premier est INSTABLE ... pour le moment !

Envoyons les deux 5 kHz dans un comparateur Cp capable de d�livrer une tension d'erreur +/-Verr laquelle d�ment filtr�e
est appliqu�e sur la varicap dans le BON SENS. Alors, d�s que le comparateur constate le moindre d�calage de phase entre les deux 5 kHz, il corrige la tension de varicap pour ramener la fr�quence F � la bonne valeur. Et voil� la fr�quence F VERROUILLEE sur celle de r�f�rence Fr. Elle en a maintenant la stabilit� et la pr�cision. Les corrections se font � la fr�quence de 5 kHz, il y en a donc 5000 par seconde !!

Oui, me direz-vous .... et pour changer de fr�quence ?

Eh, bien, c'est tr�s simple. Le compteur C1 est programmable. Son facteur de division N peut varier d'unit� en unit� dans de tr�s larges limites, par ex. de 40 � 65535. Pour le moment nous avons retenu 14450, mais supposons que nous modifions cette valeur en programmant 14428. A l'instant initial du changement, la fr�quence F de 72250 donne � la sortie de C1 : 72250 / 14428 , soit 5.007624 kHz. Le comparateur constate imm�diatement l'�cart � 5 kHz et d�livre une tension d'erreur en cons�quence, laquelle agissant sur F la fait baisser jusqu'� retrouver 5 kHz pile en sortie C1. Mais alors F est devenue 14428 x 5 = 72140 kHz : Notre oscillateur a chang� de fr�quence. Notons que si on change de 1 unit� seulement la valeur N, par ex. de 14450 � 14451, on passe de 72250 � 14451 x 5 = 72255 kHz. Dans ces conditions, nous constatons que le changement de fr�quence se fait de 5 en 5 kHz. On dit que le PAS de synth�se est de 5 kHz. Il est �gal � la valeur choisie pour la sortie du compteur C2.
La programmation de C1 peut se faire en parall�le, avec des roues codeuses, par ex. mais, � l'heure pr�sente, elle se fait presque toujours en s�rie, un micro-contr�leur se chargeant de g�rer l'op�ration.

Avantages de la synth�se :

- Avec un seul quartz de r�f�rence ( et de valeur arbitraire ) on couvre TOUS les canaux d'une bande de fr�quence.
- Les fr�quences obtenues ont la pr�cision et la stabilit� de la r�f�rence. Si la fr�quence est exacte sur un canal, elle l'est sur tous.

D�fauts de la synth�se :

- La couverture de bande est num�rique et non analogique, ce qui veut dire que la fr�quence �volue par incr�ments, par pas
et non d'une mani�re continue. Cela est surtout vrai pour les synth�tiseurs simples. Des montages plus complexes permettent
de r�duire le pas � des valeurs assez faibles pour donner l'illusion de la continuit� : g�n�rateurs HF de laboratoires, transceivers de trafic ... Bien entendu, pour de nombreuses applications, ce d�faut est presque une qualit� : radio-t�l�phones, nos �metteurs RC ...

Enfin, un d�faut qui explique peut-�tre l'absence de cette technologie dans nos mat�riels RC : C'est un peu plus cher !