L'EMISSION HF  ( 1 )

Les articles précédents nous ont montré comment les ordres du pilote étaient respectivement CODES puis DECODES, de manière à pouvoir véhiculer ces informations sur "un seul fil". Bien entendu, entre le pilote et le modèle ce "fil" n'est pas matériel. Et le seul moyen efficace existant pour le réaliser est la liaison HAUTE FREQUENCE. C'est la raison qui nous amène à vous parler dans les lignes qui suivent ... de la HF !

I. Le rayonnement hertzien.

Lorsqu'un courant électrique passe dans un conducteur, il crée tout autour de lui un champ magnétique. Ce champ existe à distance avec une intensité décroissant avec le carré de cette distance :

                   H = k e / d²                                                Voir Fig. 1

Ce champ possède une certaine énergie         W = k' H²
et il se propage à la vitesse de la lumière ( c = 300000 km/s )
Lorsque le courant générateur du champ est brutalement interrompu, les lignes de force proches se replient vers le conducteur et y créent le phénomène de self-induction
( surtension à la coupure générant souvent une étincelle ) par effet de retour d'énergie.
Mais les lignes de force lointaines n'arrivent pas à effectuer ce repli et l'énergie qu'elles représentent devient de l'énergie en liberté : C'est le rayonnement hertzien.
Pour obtenir le phénomène de rayonnement, il faut provoquer des lancées et arrêts TRES rapides de nos électrons. Le plus simple étant de les soumettre à un courant ALTERNATIF rapide, donc à HAUTE FREQUENCE.     Fig. 2


Courants électriques et champs se déplaçant à 300000 km/s, on appelle LONGUEUR d'ONDE (l) la distance parcourue en une PERIODE.

La FREQUENCE étant le nombre de périodes existant par seconde.
La fréquence s'exprime en HERTZ ( Hz ), 1 période par seconde, en KILOHERTZ ( kHz ), 1000 périodes par seconde, en MEGAHERTZ, (MHz)
1million de périodes par seconde, en GIGAHERTZ ( GHz ) 1 milliard de périodes par seconde. Ainsi si la période d'un courant alternatif est de 1 µs,
la fréquence 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 situées à moins de 1 longueur d'onde parviennent à se replier. Dans cette zone il n'y a pas de vrai rayonnement mais de l'induction, le rayonnement n'existant vraiment qu'au delà.

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

L'émetteur est caractérisé par la FREQUENCE du courant généré. Le minimum possible se situe aux environs de 100 kHz
et le maximum vers les 30 à 40 GHz qui nous amènent à la lumière infra-rouge. On a quelques bandes de fréquences remarquables :
- Les Grandes Ondes (GO ) de 100 kHz à 500 kHz
- Les Petites Ondes ( PO ) de 500 kHz à 1500 kHz
- Les Ondes Courtes ( OC ) de 1500 kHz à 30 MHz
- Les VHF ( Very High Frequency ) de 30 MHz à 300 MHz
- Les UHF ( Ultra High Frequency ) de 300 MHz à 2 GHz etc ...
Nos émetteurs de Radio-Commande se situent en bas des VHF : 35, 40, 41, 72 MHz correspondant à des longueurs d'onde de 8.5 m, 7.5 m, 7.3 m et 4.16 m .
Autre caractéristique d'un émetteur HF : Sa PUISSANCE. Celle-ci détermine l'intensité du rayonnement donc la distance d jusqu'où on pourra le détecter, c'est la PORTEE.

II. L'ANTENNE de L'émetteur.

C'est un élément essentiel, on le devine.
Son fonctionnement peut être compris en observant la Fig. 3 où nous évoluons progressivement du circuit fermé à l'antenne effective.
En a) le générateur 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'à d) où le condensateur n'est plus matériel mais remplacé par les capacités réparties : Cette fois, les brins A et C sont en phase et leurs rayonnements s'additionnent.
Pour être efficace, l'antenne ainsi constituée doit être ACCORDEE pour entrer en résonance pour la fréquence du signal HF. Il s'établit alors un régime d'ondes stationnaires stables que nous montre la Fig. 4. On a un ventre d'intensité ( max ) au point de connection du générateur et des noeuds ( min ) aux extrémités.


Une telle antenne est appelée DIPOLE ou DOUBLET. Elle est très connue des radio-amateurs. La longueur totale est la demi-onde comme on le voit très bien
sur la figure. Notons que la même antenne peut travailler en HARMONIQUE
( 3 sur la figure ) Le dipole peut être installée vertical ou horizontal.

Pour nos émetteurs RC et autres portables, le doublet n'est pas pratique.
On utilise plutôt des antennes en QUART d'onde, le brin inférieur étant remplacé par la terre. Voir Fig.5 . On conserve un ventre d'intensité à la sortie générateur
et un noeud à l'extrémité. En fait sur les portables, la terre est simulée par un CONTREPOIDS métallique qui est soit une carrosserie, un boîtier métallique, voire la masse électrique du montage. Bien entendu, cela n'améliore pas le rendement global.

En 72 MHz, le quart d'onde est 4.16 / 4 = 1.04 m : la classique antenne télescopique est quasiment accordée de fait. En 41, elle devrait mesurer 7.3 /4 = 1.80 m ! Ce n'est guère possible. On a recours à un artifice : On allonge électriquement l'antenne en intercalant à
sa base une bobine de quelques spires.
Certains vont jusqu'à raccourcir encore plus ( antenne courte ) mais il n'y a pas de miracle : le rendement ne pas aller en s'améliorant ! Evidemment une antenne courte bien accordée peut être aussi efficace qu'une longue qui ne l'est pas !
L'antenne quart d'onde est omni-directionnelle : elle rayonne également dans toutes les directions, créant un champ électrique circulaire. Toutefois ce champ est minimum dans le prolongement du brin rayonnant. Il faut donc éviter de pointer le modèle avec l'antenne.
Pratiquement, avec un ensemble efficace, ce phénomène est invisible et ne constitue pas une contrainte.

III.   L'OSCILLATEUR HF.

Un oscillateur est un amplificateur dans lequel on introduit une réaction POSITIVE. Fig. 6 . Tout signal injecté en e+ est amplifié et sort de s en phase avec l'entrée. Un circuit de réaction renvoie dans l'entrée une fraction dosée du signal de sortie. Le phénomène est cumulatif et le montage entre en oscillation à une fréquence dépendant des valeurs des composants.



- Oscillateur LC.

Dans ce type d'oscillateur on met en jeu le phénomène de RESONANCE électrique : Quand on associe en parallèle ( ou en série ) une inductance L et un condensateur C, le tandem LC résonne pour une fréquence très précise F donnée par la célèbre formule de THOMSON :
                                  
Ainsi l'amplificateur de la Fig. 8 donnera-t-il un maximum de tension de sortie quand la fréquence injectée sur l'entrée ( la base de T ) correspondra à la résonance du circuit LC. Mais un enroulement secondaire couplé à L prélève 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 fréquence F du circuit résonant LC.


Avantages : La fréquence F est facilement modifiée,
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-à-dire une diode qui sous l'effet d'une tension continue de commande, se comporte en condensateur ajustable.
Inconvénient : Evidemment la fréquence n'est pas très stable, elle a une fâcheuse tendance à "glisser" avec la température, la tension d'alimentation .... Il y a quelques années, les radio-amateurs étaient cependant passés maîtres dans l'art de maîtriser les glissements des VFO ( Variable Frequency Oscillator ) de leurs émetteurs. Nous verrons plus loin comment
les progrès de la technique ont gommé ces acquis de l'expérience !

- Oscillateurs à quartz.

S'il est intéressant, pour un radio-amateur d'explorer finement une bande de trafic pour établir le QSO du siécle, donc d'utiliser l'oscillateur LC, beaucoup d'autres applications, entre autres la radio-commande, y voient un gros inconvénient car la liaison doit se faire sur une fréquence prédéfinie et non ... "glissante" !!
On a ( ou on avait, devrions-nous dire ! ) alors recours à des oscillateurs stabilisés par QUARTZ.
Le quartz est un cristal naturel qui taillé en conséquence présente le phénomène de PIEZO-ELECTRICITE. Soumise à une contrainte mécanique, une lamelle de quartz développe sur ses faces des charges électriques de polarités opposées. On utilise cette faculté dans certains allume-gaz, par ex. Mais inversement, une tension électrique appliquée sur les faces produira une déformation mécanique de la lamelle. Si cette tension est alternative, la lamelle va donc vibrer et comme toute lamelle vibrante, elle va présenter une fréquence de résonance pour laquelle la vibration sera maximale.
Ce que les électroniciens appellent "un quartz" est donc une lamelle de quartz maintenue par deux connexions sur ses faces et installée dans un boîtier ad-hoc. Voir photo . Les fabricants de "quartz" savent tailler des lamelles oscillant en FONDAMENTALE de quelques 100 kHz à 30 MHz environ. Au-delà, ces lamelles deviennent trop fines et on préfère
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 troisième harmonique. ( partiel 3 )

L'avantage du quartz est que, comme pour une lamelle métallique, la résonance est EXTREMEMENT pointue, beaucoup plus que celle du circuit LC. Alors que le coefficient de surtension Q de celui-ci ne dépasse guère 100, celui du quartz atteint souvent la centaine de milliers !
Selon la façon de le tailler, le quartz sera à résonance série ou parallèle.    Voir Fig. 9.
- Résonance série : Le quartz est équivalent à un circuit LC série.
Comme lui, il présente une impédance minimum à la résonance :
L'intensité du courant le traversant est maximale.
- Résonance parallèle : Le quartz est équivalent à un circuit LC parallèle : Il présente une impédance maximale à la résonance et donc développe un maximum de tension.

Il est facile de réaliser un oscillateur HF à quartz.
   Fig. 10. C'est le classique oscillateur des émetteurs 27 MHz.

L'amplificateur est un transistor T accordé en sortie sur 27 MHz par le tandem LC. Un quartz SERIE est connecté entre collecteur et base. Il réinjecte, en phase, sur cette base une fraction du signal de sortie. Le montage entre en oscillation sur la fréquence TRES précise du quartz : 27045, 27095, 27120 .... Le montage est d'une très grande stabilité et il est très difficile de dévier sa fréquence. On l'utilise donc dans les montages AM.

                                                     .
Fig. 11   Cette fois utilisation d'un transistor à effet de champ ( FET ) dont les électrodes sont le "gate" d'entrée, le "drain" de sortie et "la source" reliée à la masse. La sortie est accordée sur la fréquence désirée. On trouve sur le gate un quartz PARALLELE qui donne un maximum de tension à la résonance. Le report d'énergie se fait à l'intérieur du FET par sa capacité parasite drain-gate souvent importante. L'énergie renvoyée porte le quartz à la résonance et fait osciller le montage.
On notera la présence du condensateur Caj. Il permet d'ajuster finement la fréquence générée et s'il est remplacé par une VARICAP, permet la modulation de fréquence ( FM ) pour laquelle ce type d'oscillateur sera donc retenu.

- Oscillateur à synthèse de fréquence.

L'oscillateur LC change facilement de fréquence, mais il "glisse". L'oscillateur à quartz ne glisse pas, mais impose l'échange du quartz
pour une modification de fréquence. Cet échange, acceptable parfois,
est évidemment intolérable s'il doit se faire souvent ou surtout s'il faut pouvoir disposer très facilement de nombreuses fréquences différentes. Les électroniciens HF ont été longtemps confrontés à ce dilemme. Heureusement, les avancées spectaculaires de l'électronique digitale ont permis, depuis une bonne vingtaine d'années la résolution catégorique
du problème : C'est la SYNTHESE de FREQUENCE. C'est très simple, il suffit d'associer l'oscillateur LC et .... le quartz. Voyons cela
en Fig. 12.
Au départ un oscillateur LC, donc variable mais instable. La fréquence est déterminée par L et par une VARICAP ( diode à capacité réglable par tension continue, répétons-le ). L'oscillation générée F est envoyée dans un compteur numérique C1 qui la divise par un facteur donné N. La sortie du compteur C1 délivre donc F/N.
Par ailleurs un oscillateur à quartz très stable fournit une fréquence de référence quelconque Fr . Cette fréquence est divisée par R à l'aide d'un second compteur C2 dont la sortie délivre par conséquent Fr/R

Les paramètres sont choisis de manière à ce que F/N soit égal à Fr/R. Par exemple : Oscillateur LC sur 72250 kHz, divisé
par N choisi à 14450 donnant sortie de C1 à 72250/14450 = 5 kHz. Quartz de référence choisi à 8000 kHz, divisé par
1600 donnant sortie de C2 à 8000/1600 = 5 kHz également. Bien sûr, 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 délivrer une tension d'erreur +/-Verr laquelle dûment filtrée
est appliquée sur la varicap dans le BON SENS. Alors, dès que le comparateur constate le moindre décalage de phase entre les deux 5 kHz, il corrige la tension de varicap pour ramener la fréquence F à la bonne valeur. Et voilà la fréquence F VERROUILLEE sur celle de référence Fr. Elle en a maintenant la stabilité et la précision. Les corrections se font à la fréquence de 5 kHz, il y en a donc 5000 par seconde !!

Oui, me direz-vous .... et pour changer de fréquence ?

Eh, bien, c'est très simple. Le compteur C1 est programmable. Son facteur de division N peut varier d'unité en unité dans de très larges limites, par ex. de 40 à 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 fréquence F de 72250 donne à la sortie de C1 : 72250 / 14428 , soit 5.007624 kHz. Le comparateur constate immédiatement l'écart à 5 kHz et délivre une tension d'erreur en conséquence, laquelle agissant sur F la fait baisser jusqu'à retrouver 5 kHz pile en sortie C1. Mais alors F est devenue 14428 x 5 = 72140 kHz : Notre oscillateur a changé de fréquence. Notons que si on change de 1 unité seulement la valeur N, par ex. de 14450 à 14451, on passe de 72250 à 14451 x 5 = 72255 kHz. Dans ces conditions, nous constatons que le changement de fréquence se fait de 5 en 5 kHz. On dit que le PAS de synthèse est de 5 kHz. Il est égal à la valeur choisie pour la sortie du compteur C2.
La programmation de C1 peut se faire en parallèle, avec des roues codeuses, par ex. mais, à l'heure présente, elle se fait presque toujours en série, un micro-contrôleur se chargeant de gérer l'opération.

Avantages de la synthèse :

- Avec un seul quartz de référence ( et de valeur arbitraire ) on couvre TOUS les canaux d'une bande de fréquence.
- Les fréquences obtenues ont la précision et la stabilité de la référence. Si la fréquence est exacte sur un canal, elle l'est sur tous.

Défauts de la synthèse :

- La couverture de bande est numérique et non analogique, ce qui veut dire que la fréquence évolue par incréments, par pas
et non d'une manière continue. Cela est surtout vrai pour les synthétiseurs simples. Des montages plus complexes permettent
de réduire le pas à des valeurs assez faibles pour donner l'illusion de la continuité : générateurs HF de laboratoires, transceivers de trafic ... Bien entendu, pour de nombreuses applications, ce défaut est presque une qualité : radio-téléphones, nos émetteurs RC ...

Enfin, un défaut qui explique peut-être l'absence de cette technologie dans nos matériels RC : C'est un peu plus cher !