Construire une antenne G5RV : théorie, construction et installation
Si vous avez déjà fait le tour des antennes filaires HF, vous avez certainement croisé la G5RV. Ce dipôle alimenté au centre est l'une des antennes les plus construites au monde : un seul fil de 31 m, une section de ligne bifilaire, un coaxial, et on peut faire des contacts de 80 m à 10 m. Elle est simple, économique et pardonne beaucoup d'erreurs d'installation.
Elle traîne aussi son lot de mythes. Non, la G5RV n'est pas « résonante sur toutes les bandes », et oui, il faut presque toujours une boîte d'accord. Dans cet article, on explique comment elle fonctionne vraiment, puis on la construit étape par étape, du rouleau de fil jusqu'aux premières mesures avec un analyseur d'antenne.
La G5RV pleine grandeur : un toit de 31,10 m alimenté au centre par une section de ligne bifilaire d'une demi-onde électrique sur 20 m (sa longueur physique dépend du type de ligne), puis un étouffeur de mode commun et un coaxial 50 Ω jusqu'à la boîte d'accord.
Un peu d'histoire
L'antenne porte l'indicatif de son concepteur, le radioamateur britannique Louis Varney, G5RV. Il l'a conçue en 1946 et l'a décrite dans le RSGB Bulletin à la fin des années 1950, puis l'a révisée dans la revue RadCom dans les années 1980. Son objectif de départ était modeste : une antenne efficace pour le 20 m, avec un diagramme de rayonnement à plusieurs lobes, et qui pouvait aussi servir sur les autres bandes avec un coupleur.
À l'époque, on l'alimentait souvent en ligne ouverte jusqu'à la station. La version « toit + section d'adaptation + coaxial » qu'on voit partout aujourd'hui est devenue populaire parce qu'elle permet d'utiliser un coaxial ordinaire entre la jonction et le poste.
Comment ça marche
Sur 20 m : la bande de conception
À 14,15 MHz, la longueur d'onde est d'environ 21,2 m. Le toit de 31,10 m mesure donc environ 1,5 λ, soit trois demi-ondes. Un dipôle de 3/2 λ alimenté au centre a un maximum de courant au point d'alimentation, donc une impédance faible et principalement résistive, de l'ordre de 90 à 130 Ω. La valeur exacte dépend de la hauteur, du diamètre du fil et de l'environnement.
La section d'adaptation mesure une demi-onde électrique à cette fréquence. Or une ligne d'une demi-onde a une propriété bien pratique : elle recopie à son extrémité l'impédance présente à l'autre bout, quelle que soit son impédance caractéristique. Le coaxial voit donc à peu près la même impédance, ce qui donne un ROS d'environ 2:1 au mieux sur 50 Ω, près du centre de la bande, et davantage vers les bords. Selon l'installation, plusieurs émetteurs modernes s'en accommodent sans boîte d'accord sur une partie du 20 m.
À 14,15 MHz, le toit porte trois demi-ondes de courant. Le lobe central est en opposition de phase avec les deux lobes extérieurs.
Sur les autres bandes : un transformateur d'impédance
Dès qu'on quitte le 20 m, le toit n'a plus une longueur « simple » et l'impédance au centre devient complexe (une partie résistive et une partie réactive). La section bifilaire n'est plus une demi-onde : elle agit alors comme un transformateur d'impédance, qui ramène cette impédance vers des valeurs que la boîte d'accord peut gérer. C'est ce compromis astucieux qui fait la réputation de la G5RV, mais il faut être clair : sur la plupart des bandes, une boîte d'accord est nécessaire, et le ROS sur le coaxial reste élevé.
Voici la longueur du toit (31,10 m) exprimée en longueurs d'onde dans l'espace libre, bande par bande :
80 m (3,65 MHz) : 0,38 λ. C'est un dipôle raccourci. Il faut une boîte d'accord, et l'accord est souvent pointu. À une hauteur typique de 10 à 12 m, le rayonnement est surtout vers le haut (NVIS), ce qui est très bien pour les contacts au Québec et dans les provinces voisines.
40 m (7,15 MHz) : 0,74 λ. Fonctionne bien avec une boîte d'accord. Diagramme semblable à celui d'un dipôle, un peu plus pointu.
30 m (10,12 MHz) : 1,05 λ. Impédance élevée au centre, souvent difficile à accorder selon la longueur du coaxial. Les bandes WARC n'existaient pas quand l'antenne a été conçue.
20 m (14,15 MHz) : 1,47 λ. Bande de conception : ROS d'environ 2:1 au mieux, souvent utilisable sans boîte d'accord sur une partie de la bande.
17 m (18,12 MHz) : 1,88 λ. Boîte d'accord nécessaire.
15 m (21,2 MHz) : 2,20 λ. Boîte d'accord nécessaire, ROS élevé sur le coaxial.
12 m (24,94 MHz) : 2,59 λ. Boîte d'accord nécessaire, l'accord se fait généralement bien.
10 m (28,5 MHz) : 2,96 λ. Boîte d'accord nécessaire, diagramme à plusieurs lobes étroits.
Le comportement réel dépend beaucoup de la hauteur, du sol, de la forme de l'installation et de la longueur du coaxial. Mesurez votre propre antenne plutôt que de vous fier à des courbes de ROS trouvées sur Internet.
Le diagramme de rayonnement
Plus le toit est long par rapport à la longueur d'onde, plus le diagramme se divise en lobes. Sur 80 et 40 m, on retrouve le « 8 » classique du dipôle, perpendiculaire au fil. Dès le 20 m, les lobes principaux s'inclinent vers les extrémités du fil, et sur 10 m on obtient une série de lobes étroits séparés par des creux profonds.
Rayonnement du toit seul, dans le plan du fil, en espace libre (calcul théorique pour un fil mince alimenté au centre). Avec le sol, la hauteur et le rayonnement de la section d'adaptation, le diagramme réel est plus rond et moins profondément découpé.
En pratique, l'orientation compte surtout sur les bandes hautes. Sur 20 m, les quatre lobes principaux partent à environ 40° de l'axe du fil. Chez nous, un fil orienté est-ouest les dirige approximativement vers le nord-est (l'Europe), le sud-est (les Antilles et l'Afrique), le sud-ouest (le sud des États-Unis) et le nord-ouest (l'Ouest canadien et l'Asie). Avant de planter vos mâts, pensez aux zones que vous voulez rejoindre.
Le matériel
Fil d'antenne : environ 33 m de fil de cuivre ou de cuivre sur âme d'acier (copperweld) de calibre 14 AWG. Le cuivre massif s'étire avec le temps ; l'âme d'acier évite que l'antenne s'allonge (et se désaccorde) après quelques hivers.
Ligne bifilaire : environ 11 m d'échelle 450 Ω (window line), de ligne ouverte 600 Ω ou de ruban 300 Ω. L'échelle 450 Ω est le meilleur compromis entre solidité, pertes et facilité d'installation.
Isolateur central qui accepte directement la ligne bifilaire, et deux isolateurs d'extrémité.
Étouffeur de mode commun (balun de courant 1:1) : sur tores de ferrite mix 31, ou un modèle commercial pour la puissance que vous utilisez.
Boîtier étanche pour la jonction échelle / coaxial, avec deux bornes et un connecteur SO-239.
Coaxial 50 Ω de bonne qualité (RG-213, LMR-400 ou équivalent), de longueur suffisante pour se rendre à la station.
Corde résistante aux UV (polyester tressé ou Dacron), poulies si possible, ruban vulcanisant, attaches résistantes aux UV, soudure et pâte anti-oxydation.
Boîte d'accord (manuelle ou automatique) à la station, et idéalement un analyseur d'antenne (NanoVNA, RigExpert ou autre) pour les mesures.
La construction, étape par étape
Coupez le toit. Coupez deux brins de 15,55 m, plus environ 20 cm de chaque côté pour les attaches aux isolateurs. Mesurez avec un ruban à mesurer, pas « à la brasse » : sur 20 m, quelques dizaines de centimètres déplacent visiblement le point de ROS minimal.
Déterminez la longueur de la section d'adaptation. La longueur physique égale la demi-onde électrique multipliée par le facteur de vélocité (VF) de votre ligne : environ 10,59 m × VF. Utilisez la valeur du fabricant, ou mieux, mesurez le VF avec votre analyseur. Quelques repères :
ligne ouverte (VF ≈ 0,97) : environ 10,3 m. C'est la section de 34 pi (10,36 m) de Varney;
échelle 450 Ω (VF de 0,88 à 0,91 selon le fabricant) : de 9,3 à 9,6 m;
ruban 300 Ω (VF ≈ 0,82) : environ 8,7 m.
Méfiez-vous des plans qui indiquent 10,36 m avec de l'échelle 450 Ω : cette valeur vient de la ligne ouverte de Varney. Avec de l'échelle, la section mesure alors environ 0,54 λ au lieu d'une demi-onde, et elle ne recopie plus correctement l'impédance de l'antenne sur 20 m.
Montez le centre. Passez chaque brin dans l'isolateur central, repliez-le et enroulez-le 3 ou 4 tours sur lui-même. Soudez ensuite chaque conducteur de la ligne bifilaire à son brin. Attachez la ligne à l'isolateur pour que ce soit l'isolateur, et non la soudure, qui supporte le poids. Prévoyez une petite boucle d'égouttement et scellez le tout avec du ruban vulcanisant.
Montez les extrémités. Fixez les isolateurs d'extrémité de la même façon, puis attachez-y la corde. Gardez quelques centimètres de fil supplémentaires repliés : ils serviront si vous devez allonger légèrement l'antenne lors du réglage.
Préparez la jonction. Au bas de la section bifilaire, raccordez les deux conducteurs aux bornes du boîtier étanche, relié au SO-239. Installez l'étouffeur de mode commun juste sous la jonction. Il présente une impédance élevée au courant de mode commun et réduit fortement celui qui circulerait sur l'extérieur de la gaine du coaxial, ce qui évite la « RF dans le shack », les micros qui piquent et une bonne partie du bruit capté par le coaxial.
Protégez tout de l'eau. Ruban vulcanisant sur les connecteurs, puis ruban électrique par-dessus pour protéger des UV. L'infiltration d'eau dans le coaxial ou les connecteurs est une cause fréquente de pertes et de pannes sur une antenne filaire.
À gauche, le centre : le fil est attaché mécaniquement à l'isolateur, la soudure ne supporte aucun poids. À droite, la jonction : boîtier étanche, puis étouffeur de mode commun sur le coaxial.
L'installation
La G5RV s'installe de deux façons principales : en dipôle horizontal entre deux supports, ou en V inversé sur un seul mât. Le V inversé prend moins de place et donne un diagramme plus omnidirectionnel ; le dipôle horizontal garde un peu plus de gain dans les directions favorables sur les bandes hautes.
Dans les deux cas, la section bifilaire doit descendre le plus verticalement possible, loin des mâts et des objets métalliques.
Hauteur : visez 10 m ou plus. C'est environ une demi-onde sur 20 m, une hauteur qui donne de bons angles de départ pour le DX. Plus bas, l'antenne fonctionne encore, mais rayonne davantage vers le haut.
Section bifilaire : elle doit pendre verticalement et en ligne droite sur toute sa longueur. Gardez-la à au moins 30 cm des mâts, gouttières et autres objets métalliques. Une ligne enroulée ou collée au métal ne joue plus son rôle de transformateur. Une torsade d'environ un tour par mètre l'empêche de battre au vent.
Si le toit est trop bas pour une section verticale complète, le bas de la ligne peut être ramené à l'horizontale, à bonne distance du sol, en évitant les angles serrés.
V inversé : gardez un angle d'au moins 90° au sommet (idéalement de 110 à 120°) et des extrémités à au moins 3 m du sol. Les extrémités d'un dipôle portent une tension RF élevée en émission : elles doivent rester hors de portée.
Contrepoids et cordes : un contrepoids ou une poulie à une extrémité laisse les arbres bouger au vent sans casser le fil.
Le réglage et les mesures
Une fois l'antenne en place, branchez l'analyseur au bout du coaxial, côté station, et balayez de 3 à 30 MHz.
Sur 20 m, vous devriez trouver un creux de ROS près de 14 MHz. S'il est nettement plus bas ou plus haut en fréquence, ajustez d'abord la longueur du toit (allonger abaisse la fréquence), puis vérifiez la longueur de la section bifilaire.
Sur les autres bandes, ne cherchez pas à obtenir un ROS faible en coupant le fil : c'est le rôle de la boîte d'accord. Vérifiez simplement qu'elle trouve un accord sur chaque bande qui vous intéresse.
Si la boîte d'accord n'arrive pas à accorder une bande, essayez d'ajouter ou de retirer quelques mètres de coaxial. Comme le ROS sur le coaxial est élevé sur cette bande, sa longueur change l'impédance vue par la boîte d'accord.
Vérifiez l'étouffeur : si vous constatez de la RF à la station (micro qui chauffe, clavier qui réagit, ROS qui change quand vous touchez le coaxial), l'étouffeur est insuffisant ou absent.
Les pertes : le compromis de la G5RV
Sur 20 m, le coaxial travaille avec un ROS faible et tout va bien. Sur les autres bandes, le ROS sur le coaxial peut dépasser 5:1, voire 10:1. La boîte d'accord à la station « cache » ce ROS à l'émetteur, mais elle ne le fait pas disparaître dans le coaxial : les pertes augmentent avec le ROS, la fréquence et la longueur du câble. Avec un coaxial court et de bonne qualité, ces pertes restent tolérables ; avec 30 m de RG-58 sur 10 m, plus de la moitié de votre puissance peut finir en chaleur dans le câble.
Ordre de grandeur pour 30 m de coaxial sur 10 m (28,5 MHz), selon le ROS à la jonction (pertes typiques des fiches techniques) :
RG-58 : 2,4 dB avec un ROS de 1:1 (42 % de la puissance perdue), 4,3 dB à 5:1 (63 %), 6,1 dB à 10:1 (76 %).
RG-213 : 1,1 dB à 1:1 (21 %), 2,2 dB à 5:1 (40 %), 3,5 dB à 10:1 (56 %).
LMR-400 : 0,7 dB à 1:1 (15 %), 1,5 dB à 5:1 (30 %), 2,6 dB à 10:1 (45 %).
Pour minimiser ces pertes :
Utilisez le coaxial le plus court possible et de bonne qualité (RG-213 ou LMR-400 plutôt que RG-58).
Prolongez la ligne bifilaire jusqu'à la station et utilisez une boîte d'accord symétrique. L'antenne devient alors un doublet alimenté en ligne ouverte, qui est l'une des antennes multibandes les plus efficaces qu'on puisse construire.
Installez une boîte d'accord automatique à la jonction, à l'extérieur : le coaxial travaille alors toujours avec un ROS faible.
Les variantes
La demi-G5RV : toit de 15,55 m (2 × 7,775 m) et section de 5,18 m en ligne ouverte (à corriger selon le VF). Elle est conçue pour le 40 à 10 m et rentre dans un terrain de ville. Sur 80 m, ses performances sont très limitées.
La ZS6BKW : dans les années 1980, Brian Austin, ZS6BKW (plus tard G0GSF), a optimisé les dimensions par ordinateur. Avec un toit d'environ 28 m et une section bifilaire plus longue (environ 12 à 13 m d'échelle 450 Ω, selon le VF), elle peut, lorsqu'elle est bien dimensionnée et installée, présenter un ROS acceptable sans boîte d'accord sur un plus grand nombre de bandes (notamment 40, 20, 17 et 12 m, et une partie du 10 m). Elle mérite un article à elle seule!
Le doublet en ligne ouverte : n'importe quel dipôle de 25 à 40 m alimenté en ligne ouverte jusqu'à une boîte d'accord symétrique. Moins de magie, plus d'efficacité.
La sécurité avant tout
Lignes électriques : ne lancez jamais une corde ou un fil près d'une ligne électrique. Prévoyez que tout ce que vous installez peut tomber, et dans quelle direction.
Foudre : débranchez l'antenne quand vous ne l'utilisez pas et lors des orages. Installez un parafoudre et une mise à la terre à l'entrée du bâtiment, conformément au code électrique en vigueur.
Exposition aux RF : comme toute station, la vôtre doit respecter les limites d'exposition du Code de sécurité 6 de Santé Canada, en particulier si l'antenne est basse ou proche de lieux occupés.
Travail en hauteur : pas d'échelle sur le toit en hiver, et toujours quelqu'un au sol avec vous.
En conclusion
La G5RV n'est pas une antenne miracle, mais c'est une excellente antenne de départ : peu coûteuse, rapide à installer et capable de vous faire entendre sur toutes les bandes HF avec une boîte d'accord. En comprenant son fonctionnement, on évite les deux pièges classiques : s'attendre à un ROS faible partout, et négliger les pertes dans le coaxial.
Vous avez une G5RV, une ZS6BKW ou un doublet en ligne ouverte chez vous? Parlez-en aux autres membres du club : vos photos, vos mesures et vos trucs d'installation intéressent tout le monde!
Références : L. Varney, G5RV, « The G5RV Multiband Antenna… Up-to-Date », RadCom, juillet 1984 ; L. B. Cebik, W4RNL, analyses de la G5RV ; ARRL Antenna Book. Schémas : VE2CLM.