L’utilisation de la bande de fréquence 2.4GHz est maintenant généralisée pour la radiocommande des modèles réduits. Cette technologie offre beaucoup d’avantages dans l’utilisation et dans les nouvelles possibilités telle que la télémétrie.
Cependant, sur tous les terrains, on a vu des pilotes perdre le contrôle de leur modèle de façon inexpliquée se terminant bien souvent par le crash du modèle.
Dans bien des cas l’analyse post-mortem permet d’identifier une cause venant du modèle lui même (problème d’accu, structure endommagée mécaniquement, etc).
Cependant un nombre non négligeable de cas restent sans réponse et les soupçons se portent alors sur le sytème radio.
La technologie utilisée dans nos systèmes de télécommandes en 2.4GHz est proche du WiFi. Les techniques mises en oeuvre permettent d’éliminer les problèmes de cohabitation avec de nombreux modèles en vol. Le 2.4GHz est aussi moins sensible aux perturbations et aux parasites générés par les moteurs, leurs controleurs, ou les systèmes d’allumage.
Mais comme avec les anciens systèmes de télécommande en 41MHz ou le 72MHz, la transmission et la réception des ondes en 2.4GHz est influencée par la façon dont les antennes sont orientées, leurs installations dans les modèles, et également par l’environement rencontré sur nos terrains.
Les fonctionnements des antennes et des communications hertziennes sont décrits par des formules mathématiques rapidement impressionnantes. L’objectif de cet article est d’illustrer, avec beaucoup de simplification, la propagation des ondes et de donner quelques conseils sur l’installation des antennes dans les modèles volants.
Il résume des informations techniques provenant de constructeurs, d’informations échangées dans les forums spécialisés ou d’expériences de modélistes.
Le champs électromagnétique autour d’une antenne
Pour faire simple le champs électromagnétique autour d’une antenne type monobrin ressemble à un tore orienté à 90° par rapport à l’axe de l’antenne. Sa forme (diagramme de rayonnement) va dépendre des caractéristiques physiques de l’antenne tandis que sa taille sera fonction de la puissance du signal émis en mode émission, de la sensibilité en mode réception, et du gain de l’antenne.
On pense naturellement à l’antenne de l’émetteur mais ceci est valable pour les récepteurs 2.4GHz qui ont un mode émission pour leur fonctionnement, par exemple lors des échanges avec l’émetteur pour les sauts de fréquence ou pour les transmissions de données télémétriques.
Pour les besoins de l’illustration les champs électromagnetiques seront représentés dans cette page par de tores relativement minces et avec une zone de rayonnement aux limites finies.
Dans la réalité la forme du champ électromagnétique sera plus diffuse et avec une attenuation de l’onde émise ou de la zone de réception diminuant plus progressivement.
Dans la figure ci-dessous on peut voir comment l’orientation des antennes, et donc des champs électromagnétiques, influe sur la façon dont l’énergie est diffusée et donc sur la qualité du signal. Tel que l’émetteur est orienté le signal maximum sera capté par l’antenne 1 du récepteur (antennes parallèles), le signal capté par l’antenne 2 sera moyen (antennes perpendiculaires). Le signal est au minimum lorsque les 2 antennes sont colinéaires, c.a.d alignées sur le même axe.
Les antennes omnidirectionnelles, type mono-brin, sont les plus utilisées dans nos systèmes de télécommande. Le champ électromagnétique est réparti à l’avant et à l’arrière de l’axe de l’antenne.
On rencontre également des antennes patch qui ont un gain un peu plus élevé que les antennes monobrin mais qui sont en revanche plus directives. L’antenne est constituée d’une surface plane. Elles sont largement utilisées pour les drônes et le FPV mais des constucteurs comme Graupner, Weatronic et Multiplex utilisent des antennes patch dans certains de leurs émetteurs. Avec ce type d’antenne le champs électromagnétique est dirigé vers l’avant de l’antenne. Le signal sera donc très attenué si le modèle passe à l’arrière du pilote.
La propagation de l’onde radio
La puissance d’un champs magnétique se propageant dans l’air reste quasiment constante quelque soit la distance entre l’émetteur et le récepteur. Elle est dispersée sur une surface sphérique qui croit à mesure que la distance augmente. C’est la dispersion d’amplitude.
L’amplitude du signal diminue donc quand la distance entre les antennes de l’émetteur et du récepteur augmente. On montre que l’atténuation du signal est inversement proportionnelle au carré de la fréquence et au carré de la distance.
Pour une même distance un signal sera environ 60 fois plus faible en 2.4GHz que ce qu’il serait en 41MHz. Ce signal sera 100 fois plus faible si la distance est multipliée par 10, et 10000 fois plus faible si la distance est multipliée par 100.
On peut se demander ce qu’il reste du signal dans le cas où l’orientation des champs magnétiques’ en fait des antennes, n’est pas optimale et que la distance est importante.
Mais pas de panique, la sensibilité des amplificateurs de réception permet la détection de signaux très fortements atténués pour permettre une utilisation normale aux distances habituelles en radiomodélisme. Les protocoles de transmission jouent également un rôle important dans l’exploitation du signal et la fiabilisation de la transmission lorsque les conditions deviennent difficiles.
Les ondes radio 2,4 GHz se comportent de façon similaire à la lumière. Elles se propagent dans un espace (zone de Fresnel) où elles sont réfléchies et atténuées par les matériaux conducteurs ou les obstacles existants entre les antennes.
Attention donc aux masquages causés par les éléments en carbone, le métal, les servos, les cordons, les moteurs, les accus, les éléments électroniques, mais aussi les liquides, tous les matériaux conducteurs. Idem pour les obstacles apportés par l’environement proche tels que les végétaux ou les reliefs, sans oublier les autres pilotes ou le public qui pourraient se placer sur le trajet des ondes radio entre l’émetteur et le récepteur.
Plus un élément masquant sera proche d’une antenne plus son effet masquant sera important.
Enfin la polarisation de l’onde définie par la forme de l’antenne et les positions relatives des antennes émission/réception sont à prendre en compte. En théorie la polarisation circulaire permet une communication plus robuste, malgré une perte de gain, puisque moins sensible aux angles relatifs des antennes d’émission et de réception. Graupner, Weatronic et MPX utilisent des antennes patch à polarisation circulaire ce qui permet de compenser la plus grande directivité de ces antennes.
Quoi qu’il en soit le point de départ restera toujours la façon dont les antennes sont positionnées et installées dans les modèles.
Positionnement et installation des antennes 2.4GHz
Côté émetteur
Antenne orientée vers le bas à environ 45°.
Emission maximum 45° vers le haut et selon un tore horizontal.
Conviendra aux pilotes qui restent dans la même position (position de l’émetteur inchangée pendant toute la durée du vol).
Malheureusement il y très peu d’émetteurs permettant d’orienter l’antenne de cette façon.
Antenne orientée vers la gauche ou la droite
Emission maximum vers l’avant et selon un tore vertical.
Conviendra aux pilotes qui tiennent toujours leur émetteur orienté vers le modèle.
Antenne verticale
Emission maximum horizontalement et selon un tore horizontal.
Cette position convient pour les véhicules terrestes, voitures, camions, bateaux, voire les multirotors.
Côté récepteur
L’installation dans le modèle est souvent un compromis. Comme vu précedement l’antenne ne doit pas être masquée par des parties métalliques ou en carbone et être installée à distance des éléments qui absorbent ou perturbent les champs électromagnetiques.
Pour les récepteur ayant plusieurs antennes, elles devront être installées à 90° et si possible à distance l’une de l’autre.
Le brin récepteur doit impérativement être maintenu droit et ne doit en aucun cas être tordu ou raccouci. En revanche le cable blindé qui relie l’antenne au récepteur pourra être courbé si besoin pour pouvoir fixer l’antenne au meilleur endroit dans le fuselage.
Dans le cas des fuselage en carbone le brin des antennes doit impérativement être sortis du fuselage. Il existe des guides qui facilitent l’installation des antennes à l’extérieur du fuselage tout en les protégeant.
Maintenance
Vérification physique
Les structures des modèles supportent des vibrations quasiment continues et des chocs relativement violents. Vérifier régulièrement la fixation et l’emplacement des antennes qui auraient pu bouger. Pour les mêmes raisons il faudra également vérifier périodiquement si les cables ou l’antenne ne sont pas détériorés ou affaiblis suite à des frottements ou aux vibrations.
Les structures des modèles supportent des vibrations quasiment continues et des chocs relativement violents. Vérifier régulièrement la fixation et l’emplacement des antennes qui auraient pu bouger. Pour les mêmes raisons il faudra également vérifier périodiquement si les cables ou l’antenne ne sont pas détériorés ou affaiblis suite à des frottements ou aux vibrations.
Test de portée
Pour ce test le comportement des commandes, et optionellement les informations télémetriques, doivent toujours être vérifiées au sol et avec de la distance entre l’émetteur et le récepteur. Les émetteurs récents ont généralement une fonction dédiée à ce test. La puissance émise est alors fortement diminuée et il est possible de vérifier la portée au sol (voir notice de l’émetteur).
Ce test est impératif pour une installation neuve d’autant que les symptômes d’un masquage des antennes peuvent n’apparaître que lorsque l’émetteur et le récepteur sont éloignés l’un de l’autre.
Ne pas hésiter à refaire un test de portée après une modification ou une réparation importante .
Mise à jour des microcodes
Les ensembles radio sont composés d’éléments utilisant des microcontroleurs ou des microprocesseurs qui exécutent un microcode (programme) spécifique. Des nouvelles versions de ces microcodes sont publiées par les fabricants très souvent en début de vie d’un produit. Il suffit d’installer les derniers niveaux pour bénéficier d’améliorations parfois importantes.
Sans être reliées directement au fonctionnement HF des radios certaines mises à jour apportent parfois des correctifs qui améliorent la communication ou le comportement des éléments, par exemple : un temps de redémarrage plus cours ou une meilleurs gestion des signaux corrompus.
Il est donc recommandé de vérifier périodiquement la disponibilité de changements à installer.
Pour aller plus loin
Fondements techniques de la radiocommande
Cours sur les antennes par Alexandre Boyer
Wikipedia – Zone de Fresnel
Wikipedia – Propagation des ondes radio
Propagation des ondes radio
Antennes et propagation des ondes