C LES DIFFÉRENTES TECHNIQUES D ' ÉTUDE DES ANTENNES VLF

L'un des principaux obstacles à la prédiction du fonctionnement des antennes VLF est leur dimension. En effet, du fait de leur taille il n'est pas possible de construire facilement des prototypes afin de vérifier si la moindre modification apportée au schéma de l'antenne donne les effets escomptés. C'est la raison pour laquelle une technique de mesure à échelle réduite a dans un premier temps, été mise au point.

I.C.1 - Technique de mesure à échelle réduite

L'intérêt pour cette technique de mesure est apparue lorsqu'il a été nécessaire de simuler des antennes enfouies dans des milieux à pertes. Ces antennes entraient alors dans le cadre des problèmes de communications sous-marines mais aussi dans le domaine de l'exploration géophysique. Les travaux théoriques accomplis jusque là étaient basés sur des modèles mathématiques. Cependant les approximations inhérentes à ces modèles conduisaient parfois à des incertitudes lorsqu'il s'agissait d'appliquer un résultat purement analytique à une situation plus réaliste. Ce furent les raisons pour lesquelles les « modèles d'échelle » furent choisis comme outil de modélisation de ces antennes.

Dans le cas des grandes antennes VLF, il est pratique de pouvoir diminuer les dimensions en augmentant proportionnellement la fréquence. Ce principe de similitude électrodynamique ([Str41]) impose cependant certaines contraintes. Ainsi à la nouvelle fréquence, les matériaux de substitution utilisés dans le modèle réduit doivent avoir les mêmes caractéristiques que celles fournies par les diélectriques « plein échelle » à la fréquence de fonctionnement de l'antenne VLF. L'enjeu de cette méthode consiste donc à concevoir un diélectrique pouvant au mieux modéliser l'effet du sol sur l'antenne. Dans le domaine géophysique, où l'accent est porté sur les problèmes en Antarctique, ce sont surtout les mélanges contenant des poudres de céramique qui sont privilégiés. Cependant, une faible erreur dans la détermination du diélectrique (±8%) peut fortement influer sur le diagramme de rayonnement ([Wri66]).

En ce qui concerne le design proprement dit de l'antenne VLF, plusieurs contraintes sont à prendre en considération([Hag61]).

Afin de limiter tant que peut se faire les résistances de perte du sol, une surface plane hautement conductrice est choisie comme plan de masse. Elle peut être constituée par une grille filaire métallique (de préférence galvanisée). La dimension de ce plan de sol dépend de la taille de l'antenne et du facteur de réduction d'échelle, et il semblerait que les rapports 100 et 1000 soient des choix judicieux pour, respectivement, les antennes LF et VLF. Le plan de masse s'étend alors sous l'antenne dans toutes les directions afin d'approximer une surface semi-infinie. Il est par ailleurs préférable d'élever le plan de masse au dessus du sol à une hauteur suffisante pour effectuer les mesures entre le sol et le plan.

Tous les éléments de l'antenne doivent par ailleurs être réduits le plus précisément possible. Ainsi les mâts de section non circulaire peuvent être remplacés par des tubes de diamètre électrique équivalent. Les cages filaires qui servent notamment de top-loading ou pour certaines tours peuvent quant à elles être simulées à l'aide de simples fils. Ces derniers seront choisis avec un diamètre équivalent à la section des cages.

Une antenne, par exemple un monopole mince, situé sur son propre plan de masse à une certaine distance de l'antenne simulé, peut être employée comme référence de mesures pour la hauteur effective. Afin de mesurer au mieux cette caractéristique de l'antenne, cette dernière doit être excitée par une onde plane et uniforme sur la globalité de la structure. Ce type d'excitation peut être fournie par une station émettrice voisine travaillant dans la même bande de fréquence, se situant à plusieurs longueurs d'onde et dont l'intensité du champ au niveau de l'antenne modélisée reste satisfaisante.

L'agencement général du protocole de mesure d'une antenne réduite est décrit dans la Figure I.17.

Figure I.17 Protocole de mesure

Les diverses caractéristiques de l'antenne vues précédemment (hauteur effective, capacitance statique, fréquence de résonance, etc...) peuvent alors être mesurées.

La mesure de la tension en circuit ouvert de l'antenne réduite et de l'antenne de référence permettent de déterminer la hauteur effective de l'antenne. Afin d'éviter toute désadaptation générée par des appareils de mesure, la tension est mesurée directement au pied de l'antenne à l'aide d'un transistor à effet de champ. La même méthode est appliquée pour calculer la tension de l'antenne de référence.

La hauteur effective he est alors calculée à l'aide de la relation (I.27) :

h_e=K.Vco , antenneréduite

V_{co , antenneréférence}×facteur d 'échelle (I.27)

où K est un facteur de calibration. Ce dernier est déterminé en accordant la tension circuit ouvert du monopole de référence de telle sorte que la hauteur effective obtenue soit équivalente à la moitié de sa hauteur réelle (principe d'un monopole fin, électriquement court).

La capacitance statique de l'antenne est ici définie comme la capacitance mesurée au pied de l'antenne à une fréquence avoisinant zéro. En pratique, la mesure peut être effectuée à une fréquence voisine de la fréquence de résonance de l'antenne sans que cela n'affecte les résultats.

Enfin, la fréquence de résonance est déterminée en notant la fréquence à laquelle la réactance est nulle ou à laquelle le courant et la tension sont en phase. La fréquence de résonance de l'antenne VLF réelle est alors calculée en appliquant le facteur d'échelle.

Dans certains cas, il est possible d'observer les gradients de potentiels supérieurs à la moyenne pouvant entraîner des phénomènes de claquage (ou effet corona). L'antenne est amenée à un fort potentiel et est ensuite observée (ou photographiée) dans l'obscurité. Des photographies sont prises successivement à mesure que la tension augmente jusqu'à l'observation du seuil de claquage (ou niveau corona). Les tensions nécessaires pour effectuer cette manipulation peuvent être fournies par un transformateur haute-tension. Des tensions de valeur quadratique moyenne de 35kV peuvent être requises (ne pas oublier qu'il s'agit là de l'antenne réduite).

Avec l'avènement des méthodes numériques de modélisation et des logiciels de simulation électromagnétique, cette technique de mesure à échelle réduite n'est plus guère utilisée si ce n'est peut être, avant le passage au prototype de taille réelle.